前缘锯齿形叶片对对旋轴流风机气动性能的影响

张 昕，高贵军，钱 钰，李鑫鑫

(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

对旋轴流局部通风机具有整体结构紧凑、流量大和易调节等优点，因此在煤炭开采中被广泛使用。不过根据调查显示，矿用风机在全国重点煤矿中的平均运行效率低于60%，而其平均效率处于50%～60%之间的约占60%[1]，所以在研究对旋风机气动性能时，要首先考虑是否符合国家节能减排的战略。

金听祥等[2]基于数值分析和实验方法研究了前缘锯齿形叶片对多翼离心风机的影响，指出前缘锯齿形叶片可以有效降低轴的输入功率与噪声值。HOWE[3-4]研究正弦形锯齿尾缘和三角形锯齿尾缘的降噪潜力时，在理论层面上指出，在一定的频率范围内，合理的尾缘锯齿结构可以很大程度地减少叶片尾缘噪声的产生，为锯齿结构在叶片上的使用奠定了基础。唐俊[5]针对轴流风机，基于叶片尾缘脱落涡是产生噪声的重要因素，对叶片尾缘添加一种正弦锯齿形结构，与原型风机相比低频段噪声有明显改善。

本研究FBD No.8.0型矿用对旋轴流局部通风机，对叶片前缘实施不同尺寸的锯齿形结构，基于数值模拟叶片改型前后的对旋风机性能，对比了前缘锯齿形叶片和未改型叶片的气动性能，为前缘锯齿形叶片在矿用对旋轴流局部通风机中的应用提供了参考依据。

1 原型风机模型及锯齿结构参数

如图1a所示，为FBD No.8.0型矿用对旋轴流局部通风机，为确保数值模拟的准确性，对该型号对旋风机进行模型简化，简化后如图1b所示，其设计参数见表1。

表1 对旋风机设计参数

图1 FBD No.8.0型矿用对旋轴流局部通风机模型

运用SolidWorks软件建立物理模型，考虑到在对旋风机中，叶片上半部分为主要的做功区域，故只将原型风机叶片前缘部分由叶顶到叶根1/3处去除材料得到所研究的前缘锯齿结构，如图2a所示。采用的锯齿结构如图2b所示，其中L为叶片高度。本研究采用3种不同参数的锯齿结构叶片进行比对分析。但考虑到对旋风机一、二级叶轮均为动叶，对不同叶轮开设锯齿结构其结果可能并不相同，因此在接下来的分析中对一级叶轮、二级叶轮和一、二级叶轮分别开设锯齿结构，其各种参数见表2。

图2 前缘锯齿形结构叶片

表2 不同方案的锯齿结构参数 mm

2 数值模拟方法及模型验证

2.1 网格划分与数值模拟

将未改型的原型风机与上述9个方案种的风机模型分别导入到ICEM CFD软件进行网格划分。将风筒和两级叶轮分别使用四面体非结构化网格，然后叠加两部分组成完整的网格模型[6]。并且考虑到两级叶轮的叶片前缘和叶顶附近流动的复杂性和保证计算结果的精度，故对这两部分的进行网格局部加密。整体模型的网格数大约为370万网格，其中叶轮部分为290万网格，其全流场网格模型如图3所示。

图3 全流场网格模型

将划分好的网格导入到Fluent软件中，由于对旋风机内部流场符合大雷诺数的湍流模型，故选用RNGk-ε湍流模型，集流器入口端面与风筒尾部端面为整个流场的进、出口，分别采用速度入口(Velocity Inlet)和自由出口(Outflow)条件[7-8]。方法选用多重参考系法(MRF)，第一、第二级叶轮转速分别设置为±2900 rad/min，选用效率最高的工况进行模拟研究，故将入口速度设置为15 m/s，对两叶轮区域表面设置为旋转面,剩下的其他面为静止面；在数据传递和交换时，使用叶轮与风筒区域交界面定义Interface进行耦合[9]；求解方法使用SIMPLE算法，选择标准压力、二阶迎风得出结果；当检测曲线趋于稳定，且残差值小于1×10-5时，则可认为计算收敛[10]。

2.2 模型验证

为了验证仿真结果的准确性，且根据对旋风机在实际使用中是压入式通风的特点。因此，采用GB/T 1236—2000中的B型装置[11]，如图4所示。采集了风机在各个流量工况下的全压与风机效率。图5对比了风机的全压与效率的模拟值与实验值，可知风机在流量为730 m3/min，也就是设计工况时实验值与模拟值的效率均达到最大，之后随着流量的继续增加，效率随之减小。其中模拟值较实验值效率平均偏差和全压分别为1.12%, 0.47%，设计工况下的偏差为0.79%和0.05%，都小于5%，则表明仿真结果可靠性较高，建模与网格划分可以反映真实风机的运行状况[12]：

图5 模拟结果与实验结果对比

图4 风机实验平台

(1)

式中，T—— 叶轮转矩,N·m

Psh—— 轴功率,kW

n—— 转速,rad·min-1

(2)

式中，η—— 效率,%

p—— 全压,Pa

3 结果分析

3.1 一级前缘锯齿形叶轮对风机性能的影响

图6分别展示了方案1、方案4、方案7与原风机在第二级叶轮靠近出口端截面处的全压分布云图，由此能够看到第二级叶轮靠近出口端截面处的全压分布基本呈中心对称分布，其中叶片上半部分相较下半部分的压强值较高，且由叶根到轮毂中心区域的压力值依次递减。这主要是由于在相同转速下，叶轮越远离旋转中心，其线速度越大，做功能力也就越强，所以其压力值也越大。

图6 一级前缘锯齿形叶片靠近出口端面压强分布云图

除此之外，2个相邻叶片中间区域的压强值相对较大，产生这种现象的原因在于气体流动遭到了叶片的阻碍，导致叶片之间的区域气体湍流动能升高，进一步使得这些部位的压强值相对较高。

图7展示了这3种方案与原风机在第一级叶轮附近的涡量分布，在第一级拥有锯齿结构叶片较原型风机的涡量要少，这是因为在风机流道内，壁面边界层、通道内涡流、叶片边界层和叶顶泄漏流的共同作用下，对旋轴流风机性能受到影响，前缘锯齿形叶片能够对

流经叶片前缘流场中的涡进行碾压破坏，从而降低了这些因素所造成的损失，进而提高了风机的气动性能。进一步对比，图7c与图7d相较于图7b在第一机叶轮附近的涡量v要少，这是由于方案4和方案7的叶片所拥有的锯齿形结构中，锯齿的齿宽与周期比方案1大，对于涡流的碾压破坏效果要更好。

图7 一级叶轮叶片附近涡量分布云图

3.2 二级前缘锯齿形叶轮对风机性能的影响

图8显示了方案2、方案5和方案8在第二级叶轮出口端截面处的全压分布云图，相较于原型风机(如图6a所示)，在二级叶轮出口截面压强明显增大，其原因与一级前缘锯齿形叶轮类似。进一步对比分析，图8b相较于图8a与图8c在第二级叶轮出口端截面处的压强分布较高，其中方案5相较于方案2，在锯齿形结构中齿宽与周期更大，对涡流的破坏作用更强。而方案8与方案5相比，方案8的齿高较大，且由于锯齿结构是对原型风机叶片前缘部分减料所得，相对较大的齿高会使得对叶片减料也相对较多，这使方案8的风机叶片对气流的做功面积减少，进而在二级叶轮出口端截面压强值略低于方案5。

图8 二级叶轮出口端截面处压强分布云图

对比图6与图8后发现，一级叶轮前缘开设锯齿形结构的风机对气动性能的改善要优于二级叶轮，这是由于在对旋轴流风机中，一级叶轮起到增加流量的作用。图9对比方案1和方案2在两级叶轮之间的涡量v分布云图，由图可知，当气流流经一级叶轮时，拥

图9 两级叶轮间涡量v分布云图

有前缘锯齿形结构的叶片会使两级叶轮之间的涡流减少，从而使气流在进入二级叶轮时变得相对平稳。其次因为一级叶轮的叶片数要多于二级叶轮，同时气体在一级叶轮处的流速要低于二级叶轮，而两叶轮转速大小相等，所以在单位时间内，一级叶轮对流场中涡流的破坏要大于二级叶轮。在以上因素的综合作用下，一级叶轮开设锯齿形结构要强于二级叶轮。

3.3 一、二级前缘锯齿叶轮对风机性能的影响

图10显示了方案3、方案6、方案9与在二级叶轮出口端截面处的压力分布云图。与图6、图8作比较，可以得到在一、二级叶轮上都开设前缘锯齿形结构对风机整体性能提升最大。原因在于一级、二级前缘锯齿形叶轮的综合作用，使得风机气动性能进一步提升，其中方案6也就是一、二级叶片均开设前缘锯齿形叶片，其相对齿高为h/a=0.56时对风机提升效果最好，全压与效率较原型风机分别提升了4.52%和2.53%。

图10 一、二级叶轮出口端截面压强分布云图

4 结论

本研究以FDB No.8.0型矿用局部通风机对象，对设计工况下,不同锯齿尺寸的叶片前缘锯齿形风机与未改型风机进行了数值模拟，探究了叶片前缘锯齿形叶轮对风机气动特性的影响，得到结论：

(1) 前缘锯齿形叶片能有效提高叶轮的做功能力，碾压破坏叶片附近的涡流，减少风机内部涡流损失，进而提高风机整体性能；

(2) 在前缘锯齿形叶片中，齿宽和周期相对较大的锯齿形结构对风机的气动性能提升也相对较大，但齿高不易过大，过大的齿高使得叶片做功面积减少，从而降低风机的气动特性；

(3) 在一级叶轮前缘开设锯齿形结构对风机气动性能的提升要优于在二级叶轮前缘开设锯齿结构；

(4) 一、二级叶轮均使用相对齿高为0.56的前缘锯齿形叶片改善风机气动特性效果最佳，其中全压与效率分别提高了4.52%和2.53%。