屈曉力, 任澤斌, 楊文國, 羅遠(yuǎn)強(qiáng), 叢成華

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室, 四川 綿陽 621000;2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所, 四川 綿陽 621000)

軸流風(fēng)扇廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域與國民經(jīng)濟(jì)中的管道系統(tǒng)，通過克服系統(tǒng)內(nèi)部的氣體阻力損失、提供所需要的空氣流量，以達(dá)到通風(fēng)、換氣及除塵的目的。當(dāng)前在風(fēng)扇的設(shè)計及優(yōu)化驗證階段，對風(fēng)扇氣動性能的研究，主要有試驗和數(shù)值仿真2種方式。Sarraf等[1]通過試驗的方式研究了不同風(fēng)扇槳葉厚度對汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇效率及葉片下游速度脈動等參數(shù)的影響；LI等[2]利用安裝在移測架上的五孔探針及熱線風(fēng)速儀系統(tǒng)測試了3款低壓軸流風(fēng)扇的壓力及速度分布，得到不同槳葉前掠角度對應(yīng)的風(fēng)扇效率及速度剖面；Wilt等[3]通過風(fēng)道中的可變阻力格柵，采用皮托管移測總壓的方式研究了GE某款風(fēng)扇的失速特性；Cyrus等[4]則按照風(fēng)扇的測試標(biāo)準(zhǔn)，對某款軸流風(fēng)扇的氣動性能進(jìn)行了系統(tǒng)的測試，獲取了其運行包線；Farhan等[5]利用數(shù)值模擬比較了不同槳葉前彎角度對單級軸流風(fēng)扇不同展向的流場細(xì)節(jié)，并得到前彎槳葉可優(yōu)化葉片壓力面和吸力面的壓力分布、改善止旋片根部失速特性的結(jié)論；Masud等[6]通過數(shù)值模擬的方式優(yōu)化某兩級軸流風(fēng)扇的第一級槳葉，最終第一級槳葉的氣動效率提升了8%，壓升增加了6%。風(fēng)扇槳葉的安裝角是風(fēng)扇性能優(yōu)化的重要參數(shù)，李春曦和葉學(xué)民等[7-8]通過試驗結(jié)合數(shù)值模擬的方式，研究了某風(fēng)扇不同槳葉安裝角對應(yīng)的氣動及噪聲特性，獲取安裝角對氣動及聲學(xué)特性的定性影響；張始齋等[9]通過試驗結(jié)合數(shù)值計算的方式，研究了3種槳葉安裝角對應(yīng)的某礦機(jī)排風(fēng)軸流風(fēng)扇的內(nèi)部流場和氣動性能，得到安裝角增加，風(fēng)扇效率先增加后減小的結(jié)論；趙中太[10]利用CFD商業(yè)軟件，計算了某除塵器風(fēng)扇不同安裝角下的流場特性，獲得與試驗值較為吻合的風(fēng)扇流量及壓升數(shù)值模擬結(jié)果。

低速風(fēng)洞一般采用軸流風(fēng)扇作為動力源，以滿足試驗段的風(fēng)速指標(biāo)。風(fēng)洞建成后，一般會首先進(jìn)行風(fēng)扇性能調(diào)試，獲得最佳的風(fēng)扇槳葉安裝角，以盡可能地使整個風(fēng)洞系統(tǒng)處于最經(jīng)濟(jì)的運行狀態(tài)。當(dāng)前在低速風(fēng)洞不同安裝角對應(yīng)的風(fēng)扇性能調(diào)試中，與工業(yè)軸流風(fēng)扇安裝角調(diào)整流程類似，過程相當(dāng)繁瑣，需要測試風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的流量、入口及出口總壓分布，進(jìn)而計算得到風(fēng)扇的壓升及氣動效率，作為安裝角調(diào)整的計算輸入?yún)?shù)。若是采用數(shù)值模擬的方式預(yù)測風(fēng)扇安裝角調(diào)整后的性能，對計算的精度要求較高，因此對于大尺寸的風(fēng)扇系統(tǒng)，從建模到計算，耗時較傳統(tǒng)試驗方法更長。本文結(jié)合低速風(fēng)洞軸流風(fēng)扇設(shè)計及調(diào)試經(jīng)驗，推導(dǎo)出一種簡單的風(fēng)扇安裝角調(diào)整方法，對于各部段未做改變的風(fēng)洞回路，不需要進(jìn)行風(fēng)扇入口截面及出口截面的總壓測試，僅依據(jù)風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)流量，直接給出風(fēng)扇非設(shè)計點的安裝角調(diào)整方案，并通過實際運用得到驗證。

1 理論推導(dǎo)

1.1 風(fēng)扇槳葉葉剖面旋轉(zhuǎn)系數(shù)與安裝角的關(guān)系

對于低速風(fēng)洞內(nèi)部的軸流風(fēng)扇系統(tǒng)，為提高風(fēng)扇效率，在風(fēng)扇設(shè)計時，一般采用孤立翼型設(shè)計法，避免葉間干擾帶來的效率損失；通過選擇合理的風(fēng)扇直徑、槳轂比及轉(zhuǎn)速等參數(shù)，嚴(yán)格控制風(fēng)扇葉尖速度；通過優(yōu)化葉片數(shù)目及槳葉剖面的翼型弦長控制徑向各位置實度，盡可能地避免風(fēng)扇運轉(zhuǎn)中三維效應(yīng)對其氣動性能的影響[11-12]。風(fēng)扇一般由槳葉、止旋片、整流罩和外殼體構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 風(fēng)扇示意圖

圖1中,氣流進(jìn)入槳葉前,軸向速度為U,靜壓為P1,總壓為H1;氣流通過槳葉做功后,軸向速度U不變,靜壓P2與總壓H2增加,并伴隨有與槳葉旋轉(zhuǎn)方向相同的誘導(dǎo)切向速度VS;在通過槳葉下游的止旋片后,氣流的旋轉(zhuǎn)動能變成了靜壓的增量,其靜壓與總壓分別為P3,H3。

圖2 常規(guī)風(fēng)洞軸流風(fēng)扇葉剖面的速度構(gòu)成圖

為實現(xiàn)不獲取風(fēng)扇具體的壓升及效率信息,而進(jìn)行風(fēng)扇安裝角的調(diào)整及性能預(yù)測,首先要分析風(fēng)扇槳葉剖面速度三角形中各項參數(shù)的固有關(guān)系,常規(guī)風(fēng)洞軸流風(fēng)扇葉剖面的速度構(gòu)成如圖2所示。風(fēng)扇運行過程中,以風(fēng)扇槳葉徑向位置r的坐標(biāo)系作參考,則軸向、周向氣流在葉剖面構(gòu)成的速度三角形為圖2中的△AEB。氣流軸向相對速度U=|EB|。氣流通過槳葉做功后,會在葉剖面后方產(chǎn)生周向的旋轉(zhuǎn)速度VS,VS的方向與葉片的旋轉(zhuǎn)方向相同,在風(fēng)扇工程設(shè)計中,一般將葉剖面的當(dāng)?shù)貧饬餍D(zhuǎn)速度取為0.5VS,則氣流周向相對速度為Ωr-0.5VS=|BC|。V為合速度,V=|AE|。圖中,ψ為前進(jìn)角,是葉片相對合速度與旋轉(zhuǎn)方向的夾角,ξ定義為安裝角,則槳葉攻角α=ξ-ψ。

風(fēng)扇在不同工況下運行,葉剖面當(dāng)?shù)氐乃俣热切螌⒋嬖诓町?前進(jìn)角、攻角這2個參數(shù)均會發(fā)生變化,這就對風(fēng)扇的性能估算帶來麻煩。由于翼型的零升力線不隨來流的變化而改變,因此考慮將翼型的零升力線與旋轉(zhuǎn)方向的夾角作為風(fēng)扇性能估算的參數(shù)之一。

圖2中,以AG代表葉剖面的零升力線,α0為零升力攻角。當(dāng)葉片當(dāng)?shù)氐暮纤俣扰c零升力線重合時,則合速度V0=|GA|;風(fēng)扇不對氣流做功,槳葉下游便不會產(chǎn)生周向的氣流誘導(dǎo)速度,速度三角形的B將移動到C點,則周向相對氣流速度將增大為Ωr=|CA|;對應(yīng)的軸向速度為U0=|GC|。

圖中

(1)

上式同除以Ωr,則有

(2)

根據(jù)風(fēng)扇設(shè)計理論[13],可得旋轉(zhuǎn)系數(shù)εS與升力系數(shù)CL、前進(jìn)角ψ之間的關(guān)系

CL=2σεSsinψ

(3)

式中,σ為實度,代表槳葉單個葉片弦長與槳葉相鄰的2個葉片間距之間的比值。

對于運行在風(fēng)洞內(nèi)部的軸流風(fēng)扇,其工作點應(yīng)避免槳葉翼型處于失速狀態(tài),則其升力系數(shù)與攻角存在線性關(guān)系

CL=hsin(α-α0)=hsin(φ-ψ)

(4)

式中,h為槳葉所選翼型升力系數(shù)隨攻角變化的線性系數(shù),當(dāng)槳葉實度較小,可將翼型看作孤立翼型,h可根據(jù)對應(yīng)二維翼型的試驗數(shù)據(jù)確定。當(dāng)槳葉實度較大,則相鄰葉片的流動干擾不能忽略,則翼剖面不能視為孤立翼型,葉片提供的升力會因相互的干涉效應(yīng)而減小,此時h可根據(jù)與翼型前進(jìn)角的關(guān)系曲線進(jìn)行修正[13]。

要建立εS和φ的關(guān)系,還需要求解(4)式中的sin(φ-ψ),由圖

(5)

則有

(6)

結(jié)合(2)～(4)式、(6)式,可得

(7)

由此可得到風(fēng)扇槳葉安裝角ξ與旋轉(zhuǎn)系數(shù)εS的關(guān)系

(8)

1.2 風(fēng)扇流量、壓升與安裝角的關(guān)系

在風(fēng)扇設(shè)計的過程中,風(fēng)扇提供的壓升可用無量綱形式進(jìn)行表達(dá),定義其增壓系數(shù)K與壓升ΔP、槳葉軸向速度U、氣流密度ρ及風(fēng)扇氣動效率η的關(guān)系為

(9)

式中,槳葉軸向速度U可以通過氣流體積流量Q、風(fēng)扇半徑R及槳轂比xb計算得到。

(10)

根據(jù)風(fēng)扇設(shè)計理論[13],風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)系數(shù)εS與前進(jìn)比λ存在如下關(guān)系

(11)

根據(jù)(8)～(11)式,可以得到風(fēng)扇壓升、流量與其安裝角之間的關(guān)系

(12)

風(fēng)扇提供的能量用于克服風(fēng)洞回路的壓力損失,風(fēng)洞的壓力損失可通過風(fēng)洞回路損失系數(shù)ε及試驗段風(fēng)速Ut計算得到

(13)

低速風(fēng)洞內(nèi)的氣流一般不考慮壓縮性,其試驗段的體積流量認(rèn)為與風(fēng)扇通道的體積流量一致。結(jié)合(12)與(13)式,可得

(14)

(14)式給出了風(fēng)洞回路損失系數(shù)、風(fēng)扇效率與風(fēng)扇流量、安裝角之間的關(guān)系,At為試驗段面積。

風(fēng)扇安裝角的調(diào)整一般對應(yīng)風(fēng)扇的最大轉(zhuǎn)速,結(jié)合風(fēng)洞及風(fēng)扇調(diào)試經(jīng)驗,風(fēng)扇安裝角調(diào)整前后,風(fēng)洞試驗段風(fēng)速的變化值一般在最大風(fēng)速的15%以內(nèi),風(fēng)洞回路各部段的氣體雷諾數(shù)變化不大。如果風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化,風(fēng)洞回路的壓力損失系數(shù)ε在風(fēng)扇安裝角調(diào)整前后幾乎保持一致。對于風(fēng)洞內(nèi)部的軸流風(fēng)扇,通過精細(xì)設(shè)計,能夠使得風(fēng)扇在設(shè)計點及設(shè)計點附近運行工況的氣動效率較高,風(fēng)扇若是安裝角調(diào)整較小幅度,其調(diào)整前后對應(yīng)的風(fēng)扇氣動效率η認(rèn)為一致,則系數(shù)ε/η在風(fēng)扇安裝角調(diào)整前后可視為不變。

根據(jù)(14)式,結(jié)合風(fēng)扇的設(shè)計結(jié)果(半徑R、實度σ、槳轂比xb、安裝角ξ0、所選翼型的零升攻角α0、線性系數(shù)h等)和風(fēng)洞及風(fēng)扇的運行數(shù)據(jù)(風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)速對應(yīng)的角速度Ω、試驗段面積At、試驗段風(fēng)速Ut0、試驗段流量Q0等),可計算出風(fēng)扇安裝角調(diào)整前,風(fēng)洞損失系數(shù)與風(fēng)扇效率的比值ε/η。再將風(fēng)扇安裝角調(diào)整后最大轉(zhuǎn)速擬對應(yīng)的試驗段風(fēng)速Ut1、Q1及根據(jù)風(fēng)扇初始運行特性計算出的ε/η等參數(shù)代入(14)式,即可求出風(fēng)扇的安裝角ξ1,風(fēng)扇安裝角的調(diào)整量Δξ=ξ1-ξ0。

如果風(fēng)扇安裝角調(diào)整前后,對應(yīng)的風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(如增減穩(wěn)定段內(nèi)的阻尼網(wǎng)層數(shù)、加裝防護(hù)網(wǎng)、回流道加裝消聲器等),則風(fēng)洞損失系數(shù)ε將改變,風(fēng)扇在洞體改變前后運行的流量系數(shù)、壓力系數(shù)均會改變,風(fēng)扇的氣動效率η就會因此而發(fā)生變化。在此種條件下,(14)式中的系數(shù)ε/η在風(fēng)扇安裝角調(diào)整前后就可能不同。針對上述情況,可查詢風(fēng)洞設(shè)計時的理論損失系數(shù),并對洞體改變后的損失系數(shù)進(jìn)行預(yù)估,同時還需根據(jù)經(jīng)驗估計風(fēng)扇效率的變化量,然后再將估算的ε/η代入(14)式,計算風(fēng)扇安裝角的調(diào)整量,但這種方式的風(fēng)扇安裝角調(diào)整量可能與實際值存在一定的誤差,存在多次迭代的過程。

利用此風(fēng)扇安裝角調(diào)試方法,可免除風(fēng)扇入口及出口多個截面的總壓測試,進(jìn)而也避免使用測試所需的總壓排架、測壓管及電子壓力掃描閥等測試設(shè)備及測試儀器,達(dá)到調(diào)試目的。

2 應(yīng)用舉例

某低速風(fēng)洞主回路風(fēng)扇調(diào)試過程中,未進(jìn)行風(fēng)扇入口及出口總壓的測試,采用上述的風(fēng)扇安裝角調(diào)整方法,滿足了調(diào)試要求。

2.1 風(fēng)洞簡介

該低速風(fēng)洞既可承擔(dān)高層建筑、橋梁、高速運動體等風(fēng)工程試驗研究,也可與循環(huán)水槽共同模擬海上風(fēng)浪,進(jìn)行船舶與海洋結(jié)構(gòu)物風(fēng)工程試驗研究。風(fēng)洞分為2個回路,每個回路均配有單獨的風(fēng)扇系統(tǒng),主回路試驗段口徑(寬×高)為3 m×2.5 m,最高風(fēng)速為60 m/s,次回路試驗段口徑(寬×高)為2.6 m×1 m,最高風(fēng)速為30 m/s,風(fēng)洞的三維模型見圖3。

圖3 風(fēng)洞三維模型圖

2.2 風(fēng)扇簡介

根據(jù)風(fēng)洞氣動總體布局要求,風(fēng)扇段布置在風(fēng)洞主回路第一拐角段與第二拐角段之間,風(fēng)扇直徑3.8 m,總長12 m,槳轂比0.5。風(fēng)扇槳葉10片,采用G?797翼型,止旋片17片,采用NACA4415翼型,前支撐片與尾支撐片分別選用NACA0012和NACA0015翼型,數(shù)目分別為7和9。風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速為600 r/min,對應(yīng)的風(fēng)扇槳葉葉尖馬赫數(shù)為0.35。為節(jié)省風(fēng)洞運行功率,采用“任意渦”風(fēng)扇設(shè)計方法[14]進(jìn)行風(fēng)扇槳葉、止旋片的氣動設(shè)計,風(fēng)扇設(shè)計點壓升為1 667 Pa,設(shè)計點體積流量為450 m3/s,設(shè)計點氣動效率為83%。風(fēng)扇段的三維模型見圖4,槳葉的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖4 風(fēng)扇三維模型圖

表1 風(fēng)洞主回路風(fēng)扇槳葉設(shè)計參數(shù)

2.3 風(fēng)扇安裝角調(diào)整計算

該風(fēng)洞在建成初期,對風(fēng)洞主回路及其風(fēng)扇性能進(jìn)行了初步測試。風(fēng)扇在設(shè)計的安裝角下,進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的試驗段風(fēng)速測試,其中,最大轉(zhuǎn)速600 r/min對應(yīng)的試驗段風(fēng)速為57.8 m/s,對應(yīng)體積流量為433.5 m3/s,風(fēng)扇功率629 kW,未滿足風(fēng)洞的最高風(fēng)速要求。結(jié)合風(fēng)洞綜合調(diào)試計劃,風(fēng)扇的安裝角需要進(jìn)行調(diào)整,在風(fēng)洞其他部段不進(jìn)行更換的條件下,安裝角調(diào)整目標(biāo)是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為575 r/min時,試驗段風(fēng)速達(dá)到60 m/s。

根據(jù)任意渦風(fēng)扇設(shè)計方法的理論及設(shè)計過程[14],選取槳葉展向平均位置(x/R=0.75)作為槳葉安裝角調(diào)整計算的徑向位置,對應(yīng)的葉剖面安裝角ξ=30.53°。按照上述方法,將槳葉的槳轂比xb=0.5、試驗段面積At=7.5 m2、旋轉(zhuǎn)角速度Ω=62.83 rad/s(對應(yīng)600 r/min)、試驗段體積流量Q=433.5 m3/s及風(fēng)扇半徑等參數(shù)代入(14)式中,計算得到風(fēng)洞損失系數(shù)與風(fēng)扇效率的比值ε/η=0.884。根據(jù)初始條件計算出ε/η,將風(fēng)扇安裝角調(diào)整后的目標(biāo)流量450 m3/s、轉(zhuǎn)速575 r/min等參數(shù)再次代入(14)式,計算可得調(diào)整后風(fēng)扇槳葉展向平均位置的安裝角為ξ=34.98°,在原基礎(chǔ)上增大4.45°。

風(fēng)扇安裝角增大,槳葉各翼剖面的升力系數(shù)會增加,為判斷風(fēng)扇在安裝角調(diào)整后的是否存在失速的風(fēng)險,需要對槳葉翼型的升力系數(shù)進(jìn)行校核。結(jié)合圖2及(3)、(4)、(8)式,可推導(dǎo)出安裝角調(diào)整后翼剖面的升力系數(shù)計算公(15)式。

(15)

結(jié)合風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、流量等運行參數(shù),根據(jù)(15)式,計算出風(fēng)扇槳葉安裝角調(diào)整前后,徑向各位置的葉剖面升力系數(shù)。由于在風(fēng)洞風(fēng)扇設(shè)計過程中,槳葉徑向的升力系數(shù)一般呈單調(diào)分布,升力系數(shù)的最大值會在葉片的根部或者尖部出現(xiàn),因此選取安裝角調(diào)整前后,槳葉根部、中部及尖部3個位置的升力系數(shù)進(jìn)行分析,如圖5所示。由圖5可知,安裝角調(diào)整前后,風(fēng)扇葉剖面翼型的升力系數(shù)從根部到尖部遞減。安裝角調(diào)整前,槳葉根部升力系數(shù)最大,為0.85;裝角調(diào)整后,槳葉根部升力系數(shù)最大,為0.973;均小于風(fēng)扇槳葉選翼型的失速升力系數(shù)1.4。由此表明,增大槳葉安裝角后,風(fēng)扇展向各位置翼型的升力系數(shù)均處于不失速的范圍內(nèi),調(diào)大4.45°對風(fēng)扇運行而言是安全的。

圖5 安裝角調(diào)整前后,風(fēng)扇槳葉展向升力系數(shù)

2.4 試驗驗證

在該風(fēng)洞調(diào)試過程中,依據(jù)以上計算結(jié)果,將風(fēng)扇10片槳葉的安裝角均調(diào)大了4.5°(調(diào)整中考慮了0.05°的工程余量),即調(diào)整后風(fēng)扇槳葉展向平均位置的安裝角為35.03°,并進(jìn)行吹風(fēng)試驗。在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為570 r/min時(比理論預(yù)測值575 r/min小0.9%),試驗段風(fēng)速為60 m/s,風(fēng)扇電機(jī)輸入功率為674 kW,一次性完成風(fēng)扇安裝角的調(diào)試任務(wù)。圖6給出了風(fēng)扇安裝角調(diào)整前后,風(fēng)洞主回路試驗段風(fēng)速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及風(fēng)扇功率的關(guān)系,安裝角調(diào)整前后,試驗段風(fēng)速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的線性度保持較好,風(fēng)扇功率與試驗段風(fēng)速均呈三次方的關(guān)系,相同風(fēng)速下,安裝角調(diào)整前后風(fēng)扇的運行功率基本一致,由此說明風(fēng)扇安裝角調(diào)整前后,風(fēng)洞回路的壓力損失與風(fēng)扇氣動效率幾乎沒有變化,進(jìn)而驗證了本文提出的風(fēng)扇槳葉安裝角調(diào)試方法中,關(guān)于風(fēng)洞損失系數(shù)ε與風(fēng)扇氣動效率η不因風(fēng)扇安裝角改變而變化的假設(shè)。

圖6 安裝角調(diào)整前后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、功率與試驗段風(fēng)速關(guān)系

3 結(jié) 論

1) 依據(jù)風(fēng)洞軸流風(fēng)扇運行的特殊性,結(jié)合風(fēng)扇二維葉素理論,以風(fēng)扇效率η和風(fēng)洞損失系數(shù)ε作為重要參數(shù),推導(dǎo)出風(fēng)扇流量與槳葉安裝角之間的固有關(guān)系,由此可以在不進(jìn)行風(fēng)扇壓升測試的情況下,依據(jù)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與流量,理論預(yù)測風(fēng)扇安裝角調(diào)整后的基本運行參數(shù)。

2) 針對某低速風(fēng)洞主回路試驗段風(fēng)速需要在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為575 r/min時達(dá)到60 m/s的調(diào)試要求,利用本文所述方法進(jìn)行風(fēng)扇安裝角計算,理論預(yù)測的調(diào)整值4.45°,實際調(diào)整4.5°,最終風(fēng)扇實際轉(zhuǎn)速在570 r/min實現(xiàn)了試驗段風(fēng)速60 m/s的調(diào)試目標(biāo),雖然風(fēng)扇實際轉(zhuǎn)速比既定轉(zhuǎn)速575 r/min小5 r/min,但0.9%的偏差在工程上是可以被接受的,本文所述的風(fēng)扇安裝角調(diào)整方法完全能夠滿足低速風(fēng)洞調(diào)試過程中風(fēng)扇安裝角的調(diào)整需要。