对旋轴流风机叶顶间隙对其性能的影响

， ， ，

(1. 太原理工大学机械与运载工程学院， 山西太原 030024；2. 矿山流体控制国家地方联合工程实验室， 山西太原 030024；3. 山西省矿山流体控制工程技术研究中心， 山西太原 030024)

引言

对旋轴流风机具有效率高、风压大、反风性能好等优点，其两级叶轮旋转方向相反，内部流场存在湍流、层流和涡流等复杂的三维黏性流动[1]。气体从风机入口经整流罩沿轴向进入叶轮，经两级叶轮两次加压后沿风筒轴向输出，此过程不但增加气体能量，提高了风机效率，而且第二级叶轮除具有加压作用外还兼具导叶功能，气体经第一级叶轮产生的气流旋绕因第二级叶轮的反向旋转而消除，既理顺了气流能量，又降低了风机噪声。但是，风机叶轮在高速旋转时由于同轴度差会产生晃动，导致运行轨迹不同心，因此叶顶与风筒壁面之间存在一定的间隙。

李鹏敏[2]通过数值模拟探究了三种不同叶顶间隙形态对风机性能及叶片动态特性的影响。叶学民等[3]模拟了不同叶顶形状对两级动叶可调轴流风机性能的影响。王慧[4]对不同叶顶间隙下轴流风机的叶顶泄漏流的声场、全压、效率、功率等主要性能参数进行了数值模拟，并设计了麦克风阵列试验对仿真结果进行验证。

以上研究表明，叶顶间隙的大小和形态会对风机的性能产生很大的影响[5]，但针对不同叶顶间隙对矿用对旋轴流风机性能的影响方面的研究较少。本研究采用RNGk-ε湍流模型和解速度压力耦合方程的半隐式算法(SIMPLE)，研究对旋轴流风机不同叶顶间隙的大小对风机性能参数、湍流和叶顶泄漏涡产生的影响，为优化风机结构，改善风机性能提供依据。

1 数值模拟

1.1 数学模型

对旋轴流风机内部的热量交换很小，故在数值计算时可忽略能量守恒定律，根据其湍流黏性流动方式，需满足质量守恒、动量守恒和湍流输运三大方程。

本研究在Fluent中进行数值计算时湍流输运方程使用RNGk-ε模型，它是采用数学方法中的重整规划群理论从瞬态N-S方程中推导出的，与标准k-ε模型相比，其在解决旋转坐标系的流动情况时更有优势。其输运方程为：

Gk+Gb-ρε-YM

(1)

(2)

式中，ρ为气体密度；t为时间；Rε为雷诺数；k和ε分别为湍动能和耗散率；μeff为等效粘性系数；C1ε，C2ε,C3ε为常量；Gk和Gb分别由平均速度梯度和浮力引起的湍动能产生；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；αk和αε分别为湍动能和耗散率的有效普朗特数的倒数，αk=αε=1.39[6]。

1.2 三维建模与网格划分

本研究以FBD No.8.0型矿用对旋轴流局部通风机为研究对象，风机基本参数如表1所示，在SolidWorks中按照表1参数建立风机三维模型。

表1 风机主要性能参数

风机模型主要由入口、整流罩、两级叶轮、风筒以及出口等五部分组成，两级叶轮轮毂比均为0.6，叶轮直径均为800 mm,风机全长4139 mm,第一、二级叶片安装角分别为46°和30°，建立的叶顶间隙为2 mm时的风机全流场模型如图1所示。

图1 风机全流场模型

将三维模型导入ICEM CFD软件中采用四面体网格进行网格划分，整个模型共划分3119653个网格。整个流体域模型分风筒和两级叶轮两部分进行划分，两级叶轮的叶片及叶顶区域进行局部加密，进出口、风筒、整流罩、轮毂、叶轮、叶顶网格尺寸由30 mm到2 mm 依次减小，网格密度依次增大。网格划分完成后检查网格质量均在0.25以上，网格划分质量良好，得如图2所示网格模型。

图2 全流场网格模型

1.3 数值计算

将网格模型文件导入Fluent软件中进行模拟，采用双精度求解器，2线程并行运算进行仿真[7]。采用湍流模型，边界条件设置为速度入口、自由出口，入口速度分别设置为11，12，13，14，15，16，17，18，19 m/s，其中15 m/s为设计工况。两级叶轮转向相反，故选择MRF多重旋转坐标系，以x轴为旋转轴，两级叶轮转速均设置为2900 r/min。风筒内部流动区域与两级叶轮旋转区域交界面即两级叶轮的圆周面和两端面设置为interface，求解方法中压力速度耦合采用SIMPLE算法，设置压力为标准压力、一阶迎风进行求解，得到初步解后用二阶迎风对解的精度进行提高[8]。

2 试验与仿真对比分析

本研究采用GB/T 1236-2000的B型试验系统搭建风机性能测试平台，如图3所示。使用ABB变频器调节风机两级叶轮转速，通过风机气动性能数据测试系统自动生成试验数据。

图3 风机性能测试平台

搭建的风机性能测试平台叶顶间隙为2 mm,因此本研究将2 mm叶顶间隙下风机效率随流量的变化曲线的试验与仿真结果进行对比。

图4 效率随流量变化曲线

从图4中可以看出，效率随流量的增大先增大后减小，在高压区域试验测得的效率略高于数值模拟的效率，两条曲线效率达到最高值时对应的流量也基本一致。当流量大于815 m3/min时，试验测得的效率快速下降且下降幅度明显大于数值模拟的下降幅度。出现这种现象的原因是随流量的增大，试验平台的风筒产生的阻力也在逐渐增大，导致风机效率降低。

对比仿真与试验结果，效率随流量的变化曲线在数值与变化趋势上基本一致，风机效率的平均相对误差为1.9%，可保证数值模拟的可靠性。

3 不同叶顶间隙时风机性能分析

本研究对相同流量条件下不同叶顶间隙的风机性能进行对比分析，设计流量为试验中效率达到最高时的流量即729 m3/min，风机入口速度为15 m/s，研究改变叶顶间隙对风机性能的影响。

压升指风机出口与入口处的全压之差，反映了每立方米气体流过风机获得的能量，是衡量风机性能的主要参数。图5中，在相同流量下，压升随叶顶间隙的增大而减小，且与叶顶间隙不成线性关系，叶顶间隙越大下降的幅度越大，风机性能越差。这是由于间隙越大，叶顶泄漏流动越多，造成的气流压力损失越严重[9]。

图5 叶顶间隙随压升变化曲线

叶轮轴功率反映了此叶轮承受负载的大小，从图6、图7中可以看出，叶顶间隙降低了风机的性能，其对第一级叶轮的影响较小，对第二级轴功率的影响更加显著，且间隙越大轴功率和效率降低的越快。这是由于随间隙增大，气流在叶顶的泄漏越严重，气流容积越严重，而且由压力面通过叶顶间隙回流到吸力面的气流增多，对风机内部流场破坏严重，两方面因素致使两级叶轮对气流的做功能力减弱，轴功率和效率下降明显。

湍流动能是衡量风机内部气体流动稳定性的重要指标[10]，图8中两级叶轮出口湍流动能成中心对称分布，且轮毂处的湍流动能很小，说明叶顶间隙对轮毂处的气流基本没有影响。由于叶轮阻碍了气体的流动，故两叶片间隙区域湍流动能上升显著。

图6 叶顶间隙随轴功率变化曲线

图7 叶顶间隙随效率的变化曲线

将相同间隙下的第一、二级叶轮进行对比，第二级叶轮的湍流动能明显高于第一级叶轮，出现这种现象的原因是气流经第一级叶轮顺时针旋转作用后又被第二级叶轮逆时针旋转作用加持，加剧了气流的不稳定性，使湍流动能更高。与第一级叶轮相比，第二级叶轮轮毂与叶根交界处的湍流动能更加显著，这是由于两叶片间隙区域的气流与轮毂相互作用，又经两级叶轮正反转的加持，使气流在此区域不稳定性加剧。

将不同叶顶间隙下的第一级叶轮进行对比，湍流动能变化不明显，说明间隙对流过第一级叶轮的气体稳定性影响较小。对比不同间隙下的第二级叶轮湍流动能分布，随间隙增大，叶根与轮毂交界区域、两叶片间隙区域以及叶顶区域湍流动能逐渐增大，间隙对流经这些区域的气流扰动越强，气流不稳定性越高。

图9a～图9d为截取的不同叶顶间隙下两级叶轮1/2叶顶弦长纵截面流场云图[11]。叶顶区域的气流由压力面通过间隙流回吸力面，出现泄漏流动，形成泄漏涡，且随间隙增大，叶顶泄漏涡的范围和强度不断提升，对附近气流的扰动能力变强，风机效率下降越快，这与图7中效率随间隙变化的曲线一致。对比相同间隙下气流在两级叶轮叶顶的流场情况，第二级叶轮叶顶处泄漏涡的强度和影响范围更显著。

图8 不同间隙下叶轮截面湍流动能云图

气流在叶顶间隙区域由压力面回流到吸力面，故吸力面必然存在一个低压区，这在图10叶片吸力面静压云图中得到验证，而叶顶泄漏涡的出现也必然伴随着吸力面低压区的出现[12]，因此，图10中圈出的低压区就是产生泄漏涡的位置,且随间隙增大，泄漏涡逐渐移向两级叶轮的前缘。

图9 不同间隙下两级叶轮叶顶泄漏涡纵截面图

图10 不同间隙两级叶轮叶片吸力面静压云图

图11为不同间隙下的两级叶轮叶顶静压云图，在叶片最厚处，静压由压力面向吸力面不断延伸，形成叶顶分离涡，导致部分气流通过叶顶间隙流向吸力面一侧，与从叶轮进口侧流向出口侧的主流方向相反，对主流形成扰动，形成叶顶泄漏涡，造成流动损失，降低风机效率。随间隙增大，产生的分离涡越强，泄漏越严重，这与图9中叶顶区域流场的泄漏涡纵截面图相一致。

图11 不同间隙下两级叶轮叶顶静压云图

4 结论

本研究以FBD No.8.0型矿用对旋轴流局部通风机为研究对象，利用SolidWorks、ICEM CFD、Fluent、Origin和Tecplot等软件完成风机模型建立、网格划分、数值模拟、云图和流场绘制，搭建风机性能测试平台对仿真结果进行验证，得出以下结论：

(1) 相同流量下，随叶顶间隙增大，风机主要性能参数压升、效率、轴功率逐渐降低，且间隙越大风机性能降低幅度越大；

(2) 与第一级叶轮相比，间隙对第二级叶轮的湍流动能和轴功率有显著影响。随间隙增大，湍流动能影响的区域越大，对气流的扰动能力越强；

(3) 随间隙的增大，叶顶泄漏涡的强度和影响区域逐渐增大，对主流的干扰能力越强，造成的流动损失变大，风机效率越低。与第一级叶轮相比，泄漏涡在第二级叶轮叶顶区域对气流的干扰能力和范围更大；

(4) 本研究设置叶顶间隙的最大边界为2～5 mm进行研究，间隙过小会使叶顶与风筒壁面产生碰撞，间隙过大会使风机性能下降。因此，在对风机进行设计时，要在保证风机安全运行的前提下，使叶顶间隙越小越好。