等-变环量设计叶片轴流风机性能研究

（中国矿业大学，江苏徐州 221116）

0 引言

随着轴流风机在纺织、空调、矿山通风等行业的广泛应用，人们对于轴流风机本身性能与噪声愈加关注。针对轴流风机翼型以及叶片气动外形改造成为改善轴流风机性能的一大研究课题，目前主要的研究方法包括仿生叶片及叶片弯掠等。

陈坤等[1]借鉴了雕鸮羽毛的消音机理，设计了耦合仿生轴流风机，并通过试验优化的方法，得到了具有较低气动噪声的耦合仿生轴流风机。王仲奇等[2]提出弯和扭结合概念，通过研究弯扭叶片与气流相互作用力、边界层径向迁移规律及横向二次流动规律解释了弯扭叶片降低能量损失的机理。文献[3-5]对不同“弯”“掠”结构叶片通过测量表面静压与气动性能参数分析内部流场，发现叶顶弦线弯掠可以改变吸力面边界层迁移规律并抑制角区低动能流体的堆积，同时可以降低叶顶损失。文献[6-8]采用数值模拟的方法对不同“弯”“掠”结构叶片进行研究，发现“掠”结构叶片可以有效控制二次流损失并且其效率、压比和稳定运行范围都有明显提高。

上述研究表明，研究前掠结构应用于低速轴流风机的流动特性具有一定的工程意义，然而对于低压轴流风机前掠叶片的优化研究较少。因此本文提出一种基于传统设计方法的等-变环量设计方法，并对其进行试验与数值模拟分析，为低压轴流前掠风机的叶片设计提供依据。

1 等-变环量设计气流参数及外特性分析

1.1 等-变环量设计思路

轴流风机的设计方法有很多，按照气流参数沿叶片高度方向的变化规律不同，轴流风机的设计方法可以分为等环量设计与变环量设计。等环量设计忽略占次要地位的径向流动，将气流绕叶片的流动简化为绕诸多截面不掺混的流动；变环量设计气流参数沿叶片高度分布不再满足“cur=Const”的假设，通过设置变换量指数来考虑叶片气动参数沿叶高的变化。

等环量设计过程中须考虑叶片根部负荷因子，这是由于等环量设计的叶片根部为其主要做功区间，其他截面负荷因子必定小于其根部，因此只要根部负荷因子达到要求即可。传统认为当叶片根部负荷较大时，若要进一步提高级的全压系数需要采用变环量设计。在前掠叶片设计过程中发现在根部负荷因子满足条件的前提下若将等环量设计与变环量设计相结合可以进一步改变叶片的气动外形，将叶片60%叶高以下的非前掠部分采用等环量设计方法，60%叶高以上的前掠部分采用变环量设计方法。采用等-变环量设计方法增大了叶片各截面的弦长，优化了叶片气动外形，略微优化叶片负荷，增加了叶片的做功能力。

1.2 建模及数值计算方法

按照设计思路进行数据计算后绘制计算模型，叶片设计参考翼型为LS翼型，利用SCDM软件进行建模，并截取其中3个不同叶高的截面如图1所示，具体参数见表1。

图1 前掠叶片型线

表1 叶片型线参数

本文采用ANSYS CFX进行数值模拟，计算采用单流道模型，物理模型划分为3个区域，进风筒、风机转子、出风筒。其中，进风筒与出风筒采用ICEM划分结构网格，转子部分采用Auto-Grid划分网格，保证网格质量达到要求，转子流道网格如图2所示。计算的边界条件与收敛标准见表2。

图2 叶片流道网格

表2 边界条件与计算收敛标准

为了消除网格数量对数值结果的影响，选择了4组不同的单流道转子网格进行计算。在网格无关性验证中，采用了SST k-ω湍流模型进行计算，绘制了不同条件下的曲线。如图3所示，随着网格数量的增加，风机全压计算值逐渐增加。当叶片部分网格数达到24万时，上升趋势不再明显，这表明网格数量不再对计算结果产生影响，最终的网格数量是240 000。

图3 网格无关性验证

1.3 外特性试验及数值模拟对比分析

试验风机为单级低转速轴流通风机，广泛运用于纺织行业室内通风，试验测试方法参考GB/T 10178—2006，其参数见表3。试验装置如图4所示，主要用于测试轴流风机的性能，压力传感器安装于集流器出口与风机进口之间；传感器用于收集压力信号与电机参数。此风机的轮毂比为0.4，转速980～990 r/min，风筒外径为1 600 mm，进风筒长度为4 000 mm，测量长度为4 815 mm。

表3 试验台参数

图4 试验装置

不同的湍流模型会计算出不同的结果，因此对湍流模型的准确性进行验证。如图5所示，SST k-ω模型的全压计算值在所有工况下都与试验值更加接近，相对于Standard k-ε模型与RNG k-ε模型表现出了更高的精度；在0.4-0.65 Qv工况时，SST k-ω湍流模型的相对误差变大，这是由于该工况下的流体流动伴随着大量的流动分离，在叶片附近出现了大量的脱落涡。在0.65-1 Qv工况下，由于叶顶间隙网格的存在，3种湍流模型的扭矩计算值与试验值存在偏差导致效率计算值出现微小误差。此外，SST k-ω模型在0.4-0.65 Qv工况时与试验值接近，这是由于SST k-ω模型使用了混合函数解决从壁面附近的Standard k-ε模型逐渐到边界层外部的高雷诺数k-ε模型的过渡问题。此外，SST k-ω包含修正的湍流粘性公式用来解决湍流剪切应力引起的输运效果，可以得到分离流的高精度解；因此，即使存在叶顶间隙网格的影响，SST k-ω模型也得出了接近于试验值的计算解。综上，本文计算湍流模型选用SST k-ω模型。

图5 数值计算与试验结果对比

2 模拟结果及分析

2.1 气动性能分析

图6，7分别示出了等-变环量设计、变环量设计、等环量设计的3种前掠叶片与3种传统扭叶片在设计安装角工况的Qv-Ptotal曲线与效率曲线对比。从图6（a）中可以看出，采用等-变环量设计方法的前掠叶片在各流量工况下全压均高于全等环量设计叶片，但在0.5Qv工况后等-变环量叶片全压下降较快，这同等环量设计叶片全压变化的整体趋势相同；这是由于小轮毂比低速轴流风机做功部位主要为叶片的中下部分，叶顶区域做功能力较弱，等-变环量叶片非前掠部分采用等环量设计，因此Qv-Ptotal其曲线变化趋势与等环量设计叶片相似。

图6 3种设计方法的前掠叶片和传统扭叶片Qv-Ptotal曲线

图7 3种设计方法的前掠叶片和传统扭叶片效率曲线

前掠叶片相较于传统扭叶片，通过改变叶顶部位的型线优化了叶顶部分的做功能力，因此得到更加广泛的稳定工作区域。等-变环量前掠叶片通过在叶顶前掠部分采用变环量设计的方式进一步优化其做功能力，改善叶顶部位流场，从而得到比等环量叶片与变环量叶片更高的全压。变环量设计叶片在0.45 Qv工况全压高于等-变环量叶片，这是由于变环量叶片设计过程中考虑了占次要地位的径向流动，通过选取合适的变环量指数控制离心力对流动的影响，从而减少了轮毂处的脱流与低压区的形成，优化了小流量工况下叶轮内的流动情况。从图7（a）可以看出等-变环量前掠叶片的效率与其他两种叶片基本相同，即等-变环量前掠叶片在效率不变的前提下大幅提升了风机全压。

从图6（b）与图7（b）中可以看出，等-变环量传统扭叶片在区域0.75 Qv～1 Qv工况下效率基本与另外2种传统扭叶片相同且具有较大的全压，但提升相对于前掠叶片较小。总的来看，等-变环量传统扭叶片相较于另外两种传统扭叶片性能有所提高，但3种传统扭叶片在小于0.75Qv工况时，全压与效率迅速下降，流动状态迅速恶化，其稳定工作范围小于前掠叶片，这与Benini等[6]的研究结果一致。

综上，等-变环量的设计方法应用于前掠叶片更加具有优势，因此下文将针对前掠叶片工况展开内流特征分析，进一步阐明其气动性能变化的内在机理。

2.2 前掠叶片出口轴向速度分析

轴向速度沿叶高的分布可以反映叶轮的流通能力，图8示出了3种设计方法所得前掠叶片的出口轴向速度vw沿叶高span分布，定义相对叶高R=（r-rh）/rs，其中 r为径向叶高，rh和 rs分别为轮毂半径和叶轮半径。从图8中可以看出，等-变环量叶片的轴向速度分布较为均匀自叶根至叶顶的轴向速度值普遍在30 m/s。而由于变环量设计考虑变环量指数对其的影响，因此其叶轮出口处轴向速度沿径向叶高呈现非均匀分布[9]。与变环量叶片相比，等-变环量叶片R=0.6以下采用等环量设计，优化了其R=0.7以下的流动情况，轴向速度的大幅提升使其流通能力进一步增强。等环量叶片的轮毂断面处安装角与弦线长度较大且叶型扭曲程度大，对气流做功能力强，因此其叶根处气流轴向速度较大。与等环量叶片相比，等-变环量叶片明显优化了其R=0.6以上的轴向速度分布。

图8 1Qv前掠动叶出口轴向速度叶高分布

这是因为前掠的设计使叶片的顶部首先接触流体，这部分流体更少地受到由于离心力造成的下部流体对其的挤压从而顺利通过流通区域。顶部采用变环量设计后，进一步弱化了离心力对叶顶处空气的影响，其做功能力进一步增强，因此叶顶部位的流体可以获得更高的轴向速度。

从图9可以看出在R=0.2处，等-变环量叶片轴向速度分布与等环量叶片轴向速度相似且高速区域明显大于变环量叶片，这说明变环量叶片在叶轮内相对叶高较低处的流通能力较弱。对比图9（a）与9（c）可以发现等-变环量叶片在接近叶片吸力面处存在更多的高速区域，通过计算得到两者平均轴向速度分别为29.798 98 与29.234 7 m/s，这说明等-变环量叶片叶根对流体的做功能力更强，因此等-变环量叶片叶根出口处的轴向速度更大。在R=0.8处，等环量叶片高速区域明显低于其他叶片，对比图9（d）与9（e）可以发现等-变环量叶片压力面高速区面积明显大于变环量叶片，吸力面附近高速区域基本出现在同一弦长处但等-变环量叶片高速区面积更大，两者平均轴向速度分别为29.736 4与29.104 6 m/s。上述结果表明，采用等-变环量设计的叶片改善了变环量叶片叶根处的做功能力与等环量叶片叶顶处的流动状态，叶根处轴向速度的提升使得其可以通过更大体积流量的流体，叶顶处高速区面积的增加说明其对流体有更好的约束作用，进一步提升了其做功能力。

图9 各叶片在R=0.2与R=0.8时轴向速度云图

2.3 叶片不同叶高处静压系数分布

图10 各叶片在R=0.05，0.5，0.8，0.95时静压系数分布

3 结论

（1）等-变环量设计可以应用于前掠叶片与传统扭叶片，等-变环量叶片的效率与其他两种叶片基本相同，全压可提升20～50 Pa；等-变环量设计应用于前掠叶片有更大的提升，且等-变环量设计出的前掠叶片具有更广泛的稳定运行区。

（2）等-变环量前掠叶片自叶根至叶顶具有更加平稳的轴向速度，且轴向速度较大，叶轮具有更强的流通能力。等-变环量叶片叶根与叶顶处轴向速度比其他两种叶片高出约0.6 m/s。

（3）等-变环量设计可有效增大叶片各截面的弦长，结合等环量设计叶片在根部的做功优势与变环量设计叶片在顶部的做功优势，有效提升叶片的做功能力。

（4）等-变环量叶片叶根处表面负荷略大于其他两种叶片，且在叶顶处可以更快地使气流实现平稳流动。