轴流风机叶片上弦差对其性能的影响研究

吕云鹏 巫少龙 赵志刚 金鑫君 朱郑乔若

摘 要：本文研究了叶片上弦差对轴流风机性能的影响，首先用SST湍流模型分别模拟了上弦差为45mm、50mm、55mm和60mm时，轴流风机内部的流场特性和速度场特性，并对其进行了系统的分析。通过研究可发现，在临界值内随着叶片上弦差变大，轴流风机的静压值与静压效率都随之变大，其中静压值的提升趋势较为明显。如果上弦差一旦超过临界值，静压值并没有很好的提升。此外，还验证了上弦差的变化对于静压效率的提升并不会起到很好的效果。

关键词：轴流风机;叶片上弦差;静压值;静压效率

由轴流风机工作原理可知，在风机各项结构参数中，叶片的结构对整体的气动性能影响最大[1-2]。而轴流风机叶片的上下弦差会从根本上对风机的性能产生影响，所以，轴流风机的设计项目中，叶片的上下弦差的设计效果起着至关重要的作用[3]。

叶片上弦差对于轴流风机的流道有着决定性的影响，在特定的流量范围内，当叶片上弦差越大，轴流风机的性能越好。因此，通常研究者认为轴流风机叶片的上弦差越大越好，但是叶片上弦差增大的同时，叶片与气流的接触面积亦增大，导致在相同工况下对单位气体做更多功的同时，叶片扭矩相应变大，电机所消耗的机械能也随之增强[4-6]。因此，本文研究叶片上弦差不同对轴流风机所产生的相对应流场进行研究，相信能给其在结构优化上提供一个新的思路[7]。

基于这一新的思路，本文以某厂家正在生产的一款轴流风机作为研究目标，分别借助k-ε模型、k-ω模型及SST 模型模拟不同叶片上弦差和工况下流道中的流动特性，并进行对比研究，探讨在不同叶片上弦差下，对轴流风机的性能所产生的变化趋势，为轴流风机的结构优化提供依据。

1 试验方案

本次试验是基于某通风设备有限公司的轴流风机实验平台进行的。风机空气动力试验的标准为GB/T1236-2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》;试验装置为国家标准规定的C型试验装置：管道进口、自由出口，整个实验采用进气实验法[8-11]。实验平台图如图1（a）所示。实验原理图如图1（b）所示。

2 三维建模及网格划分

在轴流风机的三维建模过程中，叶片模型是最重要的部分，同时也是较难建模的区域之一。本文所研究的对象为单级轴流风机，采用Solidworks建模得到轴流风机叶片模型如图2所示，各结构的具体参数如下表所示。

继生成轴流风机三维实体后，风机的网格由Gridgen软件生成。同叶片实体生成部分相同，因其各流道呈周期性排列，故在建立流道这一环节应先建立单流道网格，然后利用建模软件Gridgen中的Rotate Copy命令生成全流道网格。如图3（a）、图3（b）所示分别为轴流风机叶轮单流道网格和全流道网格。

3 计算方法

本次模拟研究主要分为三个区域：入口计算域（包含集流器）、叶轮计算域以及出口计算域。三个区域中计算域以及出口计算域均为静止，故采用静止坐标系。而叶轮计算域是绕着叶轮的旋转轴（Z轴）旋转运动，故采用旋转坐标系，转速为-1450rad/min，其中负号为旋转方向，根据右手定则判断。其中静止坐标系和旋转坐标之间的数据交换通过设置动静交界面来实现[12]。

边界条件的设定包括入口条件、出口条件、壁面类型、对称面类型、流体介质类型、环境物理条件等。根据本次实验的研究类型，进出口分别设置为质量流量进口和压力出口。壁面根据实验原环境，均采用no spill无滑移壁面。在动静交界面处，由于本文模拟采用的是稳态计算的方法，采用参数单纯交换的“Frozen Rotor”方法。

4 不同叶片上弦差的流动分析

叶片原有安装角为22.5°，即上下弦差分别为50mm、60mm。现分别改变上弦差为45mm、55mm以及60mm三种，与原模型进行对比，分析其性能变化。

各弦差静压—流量曲线如图4（a）所示。由图可得，在只改动上弦差大小的情况下，随着上弦差的增大静压值也随之增大。其中在流量较小的工况段影响较小，而在额定流量周围的区间段影响比较明显，在大流量区间段则最为明显。由此可见上弦差的变化确实可以引起其气流的攻角变化，而导致整体静压性能的提升。针对于设计工况（7.179kg/s）下，可以看出在45mm到55mm 间随着上弦差的增大，静压值随之变大，但是在55mm到60mm间，其变化的趋势几乎可以忽略，且在7.179kg/s后的静压趋势可以得出，在质量流量較大情况下随着叶片上弦差的增大静压值并不能得到很好的提升，说明在气流流速达到一定后，通过改变上弦差已经很难达到提升静压的目的。

在设计工况qm=7.179kg/s下，上弦差45mm、50mm、55mm以及60mm的整体静压云图如图5所示。其中50mm为轴流风机原叶片结构，由图5可得，各上弦差的变化并未改变轴流风机轴向静压的整体趋势，而在上弦差由45mm增大至60mm时，轴流风机的轴向静压值增长幅度也随之增大，且增大的趋势较为明显。

而由图5（a）可得，在叶片上弦差沿轴向变小为45mm时，轴流风机的轴向静压增长趋势直接遭到了破坏，在经过叶片加速后的气流，并未能很好的提升其静压能。不仅不存在图5（c）与5（d）中的高压区域，而且气流经过叶片加速后的静压提升效果相当不明显，相对比原叶片结构图5（b），风机轴向的整体静压提升效果反而变差，这与图4（a）所得的曲线是相符的。由此可得，针对于本研究对象，在原叶结构的基础上，将叶片沿轴向逆时针弯曲，即减小叶片上弦差值，不会改变轴流风机的轴向静压趋势，但是会破坏其原有的静压提升效果，导致整体的静压值降低。

从图6各速度云图来看，可以得出各弦差下的气流轴向速度分布规律大致相同，重点的高速区域依然集中在叶顶间隙周围区域，且随着叶片上弦差的增大，周围高速区域范围也逐渐变大。叶片上弦差越大，叶顶间隙处的气流速度越高，这说明叶片上弦差的变化，会引起叶顶间隙处二次流的变化，增大叶片上弦差导致回流速度变快，继而增大能量损耗，反之则能减小间隙能量损耗。

将图5与图6一起分析加以对比风机静压—流量图与风机静压效率—流量图可得，减小叶片上弦差值，虽然会破坏风机整体静压提升趋势，但针对于降低叶顶间隙区域的二次流损失，还是有一定的改善作用;而增大叶片上弦差值，虽然会导致叶顶间隙区域的二次流损失加剧，但可以大大增加本次研究对象的整体静压提升效果，在叶顶间隙损失加剧及轴功率提高的前提下，静压效率已然能提升大约2个百分点。

5 结论

叶片上弦差的增大一定情况下对轴流风机性能的确有较好的改善效果，在相同工况下，随着叶片上弦差由小变大，轴流风机的静压值由小变大，其中在额定工况（7.179kg/s）下，上弦差为60mm时，相对于原先的50mm，静压值提升了41Pa，效率提升约为2个百分点，但是相对于55mm，提升却不明显。由此可见上弦差在一定的范围内变化确实可以引起其气流的攻角变化，而使整体静压性能的提升，但是若超越一定临界值，静压性能提升不明显。此外，本文研究表明，在相同工况下，随着叶片上弦差由小变大，轴流风机的静压效率的提升并不明显，验证了上弦差仅适用于提升静压值。

本文的研究不仅验证了SST模型在离心式风机CFD数值模拟的适用性，同时，也对将来风机的结构设计具有一定的借鉴意义。

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