艾子健 ，吳 龍 ，高 浩 ，李青虹

（1.美麗中國發(fā)展研究院，365004，福建 三明 ；2.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，365004，福建 三明；3.三明學院機電工程學院，365004，福建 三明）

對旋風機是一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越的通風換氣葉輪機械，其核心部件是兩個轉(zhuǎn)向相反、葉片安裝角相反的葉輪。與多級軸流風機相比，對旋風機具有軸向尺寸短、壓升高、效率高等優(yōu)點。對旋風機在實際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)第二級電機過載、風壓太低、效率過低等現(xiàn)象。通過對對旋風機葉輪區(qū)域的內(nèi)流特性、整機及葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化、氣動聲學性能等方面的研究[1-6]表明：對旋風機長期工作在不合適的工況，會出現(xiàn)上述問題，其本質(zhì)原因是當偏離設(shè)計工況時，第二級葉輪的壓升與功率出現(xiàn)大幅度波動[7]。改變兩級葉輪的葉片安裝角，調(diào)整兩級葉輪級間間隙能夠在一定程度上改善第二級葉輪性能變化的問題[8-9]。已有研究[11-13]證明了改變對旋風機或?qū)π龎簹鈾C的兩級葉輪轉(zhuǎn)速會對兩級葉輪負荷分配、內(nèi)部流動和運行效率產(chǎn)生影響。

本文試圖利用數(shù)值方法，通過在不同運行工況下，適當改變第二級葉輪的轉(zhuǎn)速，研究對旋風機在第二級葉輪變轉(zhuǎn)速匹配運行時的整機性能、葉輪壓升、功率特性，以期獲得提高對旋風機工況適應(yīng)能力的方法。

1 數(shù)值模擬研究方法

1.1 計算模型及網(wǎng)格

對旋風機的整機三維計算模型，包括進口區(qū)域、一級葉輪區(qū)域、級間間隙區(qū)域、二級葉輪區(qū)域、出口區(qū)域五部分，其設(shè)計流量為1.65 m3/s、設(shè)計全壓升為1 620 Pa、葉頂半徑為190.5 mm、輪轂直徑為245 mm、一級葉片數(shù)為11、二級葉片數(shù)為10、額定轉(zhuǎn)速為2 950 r/min。

利用TurboGrid對一級葉輪區(qū)域和二級葉輪區(qū)域進行建模和網(wǎng)格劃分，葉輪區(qū)域網(wǎng)格為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并進行局部加密處理。進口區(qū)域、級間間隙區(qū)域、出口區(qū)域進行采用三維造型軟件及ICEM網(wǎng)格劃分軟件進行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對與葉輪交接的部位進行局部網(wǎng)格加密處理。

1.2 邊界條件及數(shù)值計算方法設(shè)置

邊界條件設(shè)置中主要包括下述3部分：

（1）一級葉輪區(qū)域與二級葉輪區(qū)域為旋轉(zhuǎn)部件，進口區(qū)域、級間間隙區(qū)域、出口區(qū)域3個部件為靜止部件。旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件的交界面采用Frozen Rotor動靜交界面。

（2）風機進口面設(shè)置為inlet，給定邊界條件為質(zhì)量流量值。風機出口面設(shè)置為outlet，給定壓力邊界條件Static Pressure=0。

（3）其余壁面均設(shè)置為Wall，并設(shè)置為No Slip Wall固壁無滑移邊界條件。

在數(shù)值計算方法設(shè)置時，采用High Resolution高階求解模式作為Advection Scheme差分格式；采用Realizable k-ε兩方程模型作為湍流模型；Timescale Control設(shè)置為Physical Timescale物理時間尺度，Physical Timescale值取旋轉(zhuǎn)角速度ω的倒數(shù)，殘差目標取值1×10-4。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

對整機計算模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)定4套網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，分析進口流量為1.86 m3/s時風機的流動，分別計算4種網(wǎng)格模型的整機效率，結(jié)果如表2所示。由表可知，方案3的結(jié)果相對誤差為0.065 282%，可認為網(wǎng)格超過方案3后，計算結(jié)果基本不變，故選取網(wǎng)格方案3進行詳細的仿真分析。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2 數(shù)值計算與結(jié)果分析

2.1 兩級葉輪等轉(zhuǎn)速運行

圖1～3分別為兩級葉輪等轉(zhuǎn)速運行時的整機性能曲線、葉輪效率曲線、葉輪壓升與功率曲線。由圖可知，等轉(zhuǎn)速運行時，兩級葉輪和整機在額定工況附近都保持較高的運行效率，主要是因為在額定工況，兩級葉輪的負荷相等，二者的性能處于最佳匹配狀態(tài)；在小流量工況時，兩級葉輪的效率均明顯下降；而在大流量工況，雖然一級葉輪效率略有提高，但二級葉輪效率迅速降低，使得整機效率迅速下降。在整個工況范圍內(nèi)，一級葉輪的壓升和軸功率變化不大，其電機基本保持較理想的滿負荷平穩(wěn)運行狀態(tài)。二級葉輪的壓升與軸功率受流量變化的影響顯著，在小流量工況運行時，二級葉輪的壓升迅速升高，其軸功率也急劇增大，電機負荷易過載，長時間運行時二級電機將出現(xiàn)燒毀的現(xiàn)象；大流量工況運行時，二級葉輪的壓升與軸功率均迅速下降，其運行效率也大幅下降，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。總而言之，兩級葉輪在偏離額定工況的狀態(tài)下，出現(xiàn)嚴重不匹配的問題。

圖1 等轉(zhuǎn)速整機性能曲線

圖2 等轉(zhuǎn)速葉輪效率曲線

圖3 等轉(zhuǎn)速葉輪壓升與功率曲線

2.2 第二級葉輪變轉(zhuǎn)速匹配運行

由上述分析可知，一級葉輪對流量的變化不敏感，在整個工況范圍內(nèi)都保持著較為平穩(wěn)高效的運行狀態(tài)，而二級葉輪對流量的變化相當敏感，在非額定工況性能下降較快，工況適應(yīng)能力差。為了消除對旋風機在小流量工況和大流量工況運行時兩級葉輪功率不匹配現(xiàn)象，采用第二級葉輪變轉(zhuǎn)速匹配運行，即保持一級葉輪轉(zhuǎn)速不變，在小流量工況時適當降低第二級葉輪的轉(zhuǎn)速，在大流量工況時適當提高二級葉輪的轉(zhuǎn)速，表2給出了9種工況流量下對應(yīng)的兩級葉輪轉(zhuǎn)速的匹配值。利用數(shù)值模擬分析可以得出對旋風機在表2中各個工況狀態(tài)下采用第二級變轉(zhuǎn)速匹配后的運行特性，圖4～6分別為第二級變轉(zhuǎn)速匹配時的壓升、功率、效率圖。

表2 第二級葉輪變轉(zhuǎn)速匹配各工況的葉輪轉(zhuǎn)速值

圖4 第二級變轉(zhuǎn)速匹配壓升-流量圖

由圖4可知，在全工況范圍內(nèi)，等轉(zhuǎn)速運行和第二級變轉(zhuǎn)速匹配運行時的第一級葉輪壓升特性基本相同，依舊保持著平穩(wěn)高效的運行狀態(tài)，而采用第二級變轉(zhuǎn)速匹配所獲得的第二級葉輪壓升特性明顯發(fā)生了變化，在小流量工況得到明顯降低，在大流量工況得到明顯提升，使得在全工況范圍內(nèi)，第二級葉輪的壓升特性有所改善，整機壓升在小流量工況略有降低，但在大流量工況有顯著提高。

由圖5可知，采用第二級變轉(zhuǎn)速匹配運行時，第一級葉輪的功率保持不變。第二級電機軸功率也得到有效的調(diào)整，小流量工況第二級功率得到降低，大流量工況第二級功率得到提高，在全工況范圍內(nèi)基本保持良好的滿負荷平穩(wěn)運行狀態(tài)，既充分利用了電機的做功能力，又避免了電機燒毀的現(xiàn)象。

由圖6可知，與等轉(zhuǎn)速運行相比，一級葉輪效率基本不變，二級葉輪效率在小流量工況有明顯提高，在大流量工況有顯著提高，使得整機效率在小流量和大流量工況均有很大的提升，極大程度地擴大了對旋風機的高效工作范圍。

圖5 第二級變轉(zhuǎn)速匹配功率-流量圖

圖6 第二級變轉(zhuǎn)速匹配效率-流量圖

圖7為對旋風機兩級葉輪等轉(zhuǎn)速運行時，小流量工況（q=1.434 6 m3/s）、額定流量附近工況（q=1.603 4 m3/s）、大流量工況（q=1.940 9m3/s）的第二級葉輪葉片表面靜壓云圖，圖中左半部分為吸力面，右半邊為壓力面（下同）。由圖可知，額定工況時葉片表面靜壓分布最均勻；小流量工況時葉片表面靜壓最大值明顯增大，靜壓最小值略有降低，靜壓整體明顯增大，說明此時葉輪壓升（負荷）增大；大流量工況時，葉片表面靜壓最大與最小值的差距變大，最大值向葉片前緣吸力面移動，靜壓分布更加不均勻，說明此時葉輪區(qū)流動變得紊亂，流動效率大幅度下降，同時葉片表面靜壓整體大幅度減小，即葉輪壓升（負荷）大幅下降。

圖8為對旋風機第二級變轉(zhuǎn)速匹配運行時，小流量工況（q=1.434 6 m3/s）、額定流量附近工況（q=1.603 4 m3/s）、大流量工況（q=1.940 9 m3/s）的第二級葉輪葉片表面靜壓云圖。由圖可知，與等轉(zhuǎn)速運行相比較，小流量工況時二級葉片表面整體靜壓值明顯降低，葉輪超負荷現(xiàn)象得到克服，靜壓最大值與最小值差異減小，靜壓分布更加均勻；大流量工況時，二級葉片壓力面靜壓增大明顯，葉片吸力面最小值變小，葉輪的壓升大幅提高，二級葉輪“大馬拉小車”現(xiàn)象得到克服。

圖7 等轉(zhuǎn)速運行二級葉輪表面靜壓分布云圖

圖8 第二級變轉(zhuǎn)速匹配運行二級葉輪表面靜壓分布云圖

4 結(jié)論

介紹了利用CFD進行對旋風機全三維數(shù)值模擬的方法以及建模、網(wǎng)格劃分及數(shù)值計算設(shè)置過程，分析了對旋風機在兩級葉輪等轉(zhuǎn)速運行時，全工況范圍內(nèi)兩級葉輪和整機的性能結(jié)果表明：對旋風機在額定工況附近運行時，兩級葉輪的壓升特性相當，葉輪效率和整機效率均較大；在小流量工況運行時第二級電機易出現(xiàn)過載，同時兩級葉輪和整機效率均有所下降；大流量工況第二級葉輪壓升和效率將大弧下降，使得整機壓升和流動效率明顯降低。

分析了對旋風機在第二級葉輪變轉(zhuǎn)速匹配時兩級葉輪和整機在全工況范圍內(nèi)的性能。結(jié)果表明：采用第二級變轉(zhuǎn)速匹配能夠改善第二級葉輪的全工況范圍內(nèi)的性能，能夠更加合理地分配兩級葉輪的壓升和軸功率，有效地避免了小流量工況第二級電機易出現(xiàn)過載燒毀的現(xiàn)象，同時提高了第二級葉輪和整機在大流量工況時的壓升能力，拓展了整機壓升特性，擴大了對旋風機的使用范圍。此外，使二級葉輪效率在小流量工況有明顯提高，在大流量工況有顯著提高，大幅提升整機運行效率，擴大了對旋風機的高效工作范圍。