首页 如何成为会员 意见反馈
主办 沈阳鼓风机研究所 /《风机技术》杂志社
   新闻  |   技术纵横  |  论坛  |  沈阳鼓风机研究所  |  风机协会  |  质检中心  |  风机标委会  |  风机技术杂志  |  企业商铺  |  供求  |  产品  |  书籍  |  招聘
当前位置:中国风机技术网 → 技术纵横 → 技术前沿

小型轴流通风机中叶片周向弯曲影响气动性能的数值模拟

郑剑飞 叶 舟/上海理工大学动力工程学院    

摘要: 以小型低压大流量通风机为模型,通过对其内部流场的三维数值模拟,说明了叶片不同周向弯曲对其气动性能的影响,分析了叶片弯曲带来这些影响的原因。结果表明:在小型低压大流量通风机的内部流动损失中,通流损失部分所占比例大于二次流损失部分,因此降低其通流损失是降低小型低压大流量通风机内部流动损失的一个有效办法;推荐在小型低压大流量通风机的设计中采用叶片的适度前弯,此时压头和效率与径向叶片差别不大,但有利于扩大叶轮的稳定性。

关键词:轴流式通风机;气动性能;数值模拟

中图分类号: TH432.1 文献标识码: B

文章编号 : 1006 - 8155 ( 2008 )02-0009-04

Numerical Simulation of the Effects of Skewed Blades on Aerodynamic Performance of Small T yp e Axial- fl ow Fan

Abstract: The 3-D numerical simulation of internal fl ow field of the small t yp e fan model with low pressure and high fl owrate is carried out, which specifies the in fl uences of different t yp es of skewed blades on aerodynamic performance. The reason for those in fl uences from skewed blades is analyzed in this paper. The result shows the loss due to velocity is of higher radio than the loss due to the secondary fl ow during the internal fl ow losses of small t yp e fan with low pressure and high fl owrate. So an effective way to decrease the internal fl ow loss of small t yp e fan with low pressure and high fl owrate is to decrease the loss of the first term. Furthermore, in the process of designing small t yp e fan with low pressure and high fl owrate, it is ad visa ble to adopt the appropriate forward-skewed blades. The way is helpful to extend the stability of impeller, however the differences between head ,efficiency and radial rotor are not so obviously.

Key words: axial- fl ow fan; aerodynamic performance; numerical simulation

Key Words: Small axial fan; Skewed blades; Aerodynamic performance; Fan design


0  引言

  叶片的周向弯曲理论自提出以来,至今已在叶轮机械中获得了广泛应用 , 在透平和压缩机中应用叶片的端弯(周向前弯)技术可以获得沿叶片径向的 C 型静压分布 [1] ,这对于减少端部损失有着明显的意义。研究表明:通风机叶轮应用叶片的周向弯曲同样可以改变径向的静压分布。然而,人们对通风机的研究主要还是集中在大中型风机 [2-5] ,对小型风机的研究相对较少,偶尔能看到的对于小型风机的研究大多是综述模式 [6] ,对其气动性能的分析并不多。一般的,叶轮直径小于 300mm 的风机被称为小型风机 [7] 。目前对小型风机研究比较少的原因是其叶轮直径比较小,单台风机的能耗少,而相对来说,降低大中型风机的单机能耗则比较明显。事实上,大中型风机和小型风机的内部流动有着较大的区别,随着几何模型的缩小 , 各种损失所占比例发生的变化是明显的,对其内部流动的分析是必要的。近年来,小型风机在地面自动控制、电子设备、医疗设备等的通风散热方面得到了广泛的应用,而且随着科学技术的发展,它们还将在更大的领域发挥作用,因此,提高其气动性能对于国民生产有着重大意义。为了探索叶片周向弯曲对小型风机性能的影响,本文进行了一系列的数值计算。

1  风机模型

  一般来说,风机叶片的周向弯曲定义如图 1 所示。与旋转方向一致的称为前弯,反之称为后弯。采用从叶根到叶顶的圆弧积迭线设计,叶片在叶根 A 处与轮毂垂直,叶顶、叶根圆弧终点和圆心连线 OB OA 之间夹角称为周向弯曲角,

  首先根据给定的风压、流量和内外径尺寸设计出风机模型(叶片为直叶片),然后在此基础上对叶片进行周向弯曲, 5 °为一单位,分别对叶片进行前弯和后弯 5 °、 10 °、 15 °,进而比较周向弯曲对叶轮整体性能的影响。具体的设计参数为风量12m 3 /min ,压头 90Pa ,设计转速 2600r/min ,叶片数 7 个,叶顶直径 200mm ,轮毂比 0.46 。为了更好地反映叶片弯曲对流动的影响,叶顶间隙设为 0mm 。叶片采用等厚圆弧板叶型,叶片中心线型线为抛物线,叶厚为 1mm, 其物理模型如图 2 所示。

2  计算方法

  采用商用 CFD 软件进行数值计算,网格为 H 型,其分布沿展向、周向和流向分别为 49 × 57 × 129 。为了得到相对精确的解,采用了局部加密技术,叶片、轮毂和外壳壁面第一层网格厚度为 0.01mm 。湍流模型采用标准的 Baldwin-Lomax 代数模型,由于压升较小,流速较慢,故采用了预处理技术。空间离散格式为二阶中心差分,时间推进采用显式四阶 Runge-Ku tt a 法,同时为了加快收敛,采用了多重网格加速收敛技术。

  边界条件:进口给定总温总压,出口给流量,固体壁面均采用无滑移边界条件,为了获得均匀的来流出流条件,叶栅前后均设置了延伸段,其交界面采用周期性边界条件。

  收敛条件:残差下降小于 5 个数量级,进出口流量控制在 1 %以内。

3  结果比较

3.1  全压、效率曲线

  
  由图3 和图4 看出,在高效点(11.5m 3 /min ),随着叶片的前弯,全压呈下降趋势。其中,后弯 15 °全压最大,前弯 15 °全压最小。造成这个结果的原因是后弯使气流更多地聚集在叶顶区域,导致此处做功能力增加,因此全压增大; 效率与全压不同,没有明显的下降或上升趋势,除前弯 15 °叶片相对较低之外,其他效率相差在 1 %之内。在低效点( 14.5m 3 /min ),各叶轮全压、效率相差不大,即前弯叶片压头和效率变化比其他叶轮相对平坦,这也说明前弯叶片相对比较稳定。

3.2  轴向平均速度分布

  从图 5 中看出,叶片的周向弯曲带来了气流轴向速度在径向方向上的改变。其中,随着叶片的前弯,以 0.4 叶高为分界点,叶片顶部的气流轴向速度逐渐减小,根部气流轴向速度逐渐增大,其中前弯 15 °时达到最大值。这充分说明前弯叶片使更多气流集中在叶片中下部分,而导致叶根速度增加,叶顶速度减小。同样,后弯叶片使气流更多集中在叶片中上部分,从而导致气流在此区域轴向速度增加,而在根部气流速度减小。分界点 0.4 的存在说明在叶片径向方向上存在一转折点,在叶片进行弯曲的时候此位置处的轴向速度基本不发生变化。

3.3  叶片表面静压分布

  由图 6 看出,在叶根处,随着叶片的前弯,叶片根部吸力面和压力面的静压均增加,这是因为前弯使叶片根部气流增加所致。图 5 中此部分轴向速度的增加也可以说明这一问题;与此同时,吸力面和压力面间的压差却有减小趋势,说明叶片的前弯主要增加了叶片吸力面处的流量,导致此地区静压增加,而从压力面到吸力面的二次流随之减少;由图 7 看出,在叶片中部,叶片负荷基本不发生变化,其对应于叶高 0.4 附近,与轴向速度分布比较切合;图 8 说明,叶顶处吸力面和压力面的静压随着叶片的前弯均变小,不难发现,这是因为叶片的前弯使该地区的气流减少所致。另外,结合图 6 和图 8 发现由于叶片的前弯,叶片径向的静压差减小,从而减小了叶片顶部到根部的二次流。综上,由于叶片的前弯,吸力面角区的低能流体减少,由于其分离而带来的损失减少;同理,后弯叶片增大了吸力面角区的低能流体分离损失。

 

  由完全径向平衡方程( 3 )可知 [1] ,气流在叶轮机械中流动时,在径向上受到 4 个力的作用, 右边第一项为叶轮在旋转时所产生的离心力,方向向上;第二项和第三项表示气流在做曲线运动时,由于流线的弯曲所产生的离心力,此离心力方向与流线的弯曲方向有关;第四项表示叶片对气流的叶片力,前弯时叶片力向下,后弯时向上,直叶片不存在径向方向上的叶片力。

  由于叶片力的作用,前弯叶片使更多的气流集中在叶根部分,导致此地区气流轴向速度增加,通流损失增加;与此相似,后弯叶片使更多的气流集中在叶片上部,导致此地区的气流轴向速度增加,通流损失增加。两者相比,在流量大小相同的情况下,由于叶根速度的增加带来的损失更加明显,而叶顶气流的聚集却增加了叶片的做功能力。因此,从总体上来说,叶片前弯带来的通流损失比径向叶片和后弯叶片更多一些。同时,前弯叶片由于减小了径向方向上的压力梯度,从而减小了低能流体在叶片吸力面的堆积,进而减小了吸力面根部角涡分离带来的损失,减小了二次流损失;与之相反,后弯叶片加剧了径向方向上的压力梯度,致使吸力面角区聚集更多的低能流体,增加了角涡分离带来的二次流损失。一般来说,判断叶轮内部损失增加或减少的标准是各部分损失之和是增加还是减少。本例中由于叶轮转速较低( 2600r/min ) , 压头不大(压比小于 0.001 ) , 流量较高,其内部损失更多的是通流损失,而不是二次流损失,因此,减少其通流损失是降低叶轮总损失的一个有效办法。

  由于要突出叶片弯曲带来叶轮径向方向上的变化,因此叶顶间隙设置为 0mm ,但是,随着后弯的增加,叶顶负荷是增大的,叶顶泄漏损失也必然随之增加,因此对叶片后弯带来的损失估计偏小。低压大流量通风机设计时仍然推荐适度前弯,而不推荐后弯,因为与后弯比较,适度前弯气动性能差别不大,而前弯比后弯优越的地方就是可以适度减少二次流损失,当压头比较大的时候不至于带来太大损失,便于扩大叶轮的变工况范围。

4   结论

  通过分析叶片的周向弯曲对低压大流量小型轴流通风机气动性能的影响,得出以下结论:

  (1) 对于低压大流量小型轴流通风机,其内部通流损失大于二次流损失;

  (2) 在进行低压大流量小型轴流通风机的设计时,叶片适度的周向前弯和周向后弯,对于叶轮整体气动性能差别不大,但是过度的周向前弯将会导致叶轮压头和效率的急剧下降;

  (3) 在低压大流量小型轴流通风机设计过程中,推荐使用叶片的适度前弯,叶片的适度前弯对于减少根部二次流损失意义明显,有利于扩大叶轮的变工况范围,而周向后弯叶片却增大了此部分的损失。

参 考 文 献

 

[1] 王仲奇,郑严.叶轮机械弯扭叶片的研究现状及发展趋势[J].中国工程科学,2006,2(1):40-48 .

[2] 李秋实,李玲,陆亚军.民用通风机气动设计中弯掠长叶片的数值模拟[J].北京航空航天大学学报,2006,27(1) :44-47.

[3] 蔡娜,李地,钟方源.弯掠动叶气动—声学优化设计及实验研究[J] .上海交通大学学报,1997,31(2):81-85 .

[4] 欧阳华,李杨,等.周向弯曲方向对弯掠叶片气动一声学性能影响的实验[J].航空动力学报,2006,21(4):668-674 .

[5] 杨 波,刘富斌,等.轴流式前弯动叶的变工况气动性能实验研究[J].实验流体力学,2005 ,19(1):40-46 .

[6] 张耀安.小型风机的空气动力特性分析[J].微特电机,2001 (3): 36-38 .

[7] GB/T2658-1995 小型交流风机通用技术条件 [S] .


新闻评论评论内容只代表网友观点,与本站立场无关!

  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-6-30 11:14:44
· www.cityofsanjoaquin.us/wp-content/sitemap.xmlsitemaphttp://...
  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-6-26 18:38:46
· http://www.scripteast.eu/wp-content/sitemap20.xmlsitemaphttp...
  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-6-23 21:26:04
· http://cashforcarwreckers.com.au/wp-content/sitemap.xmlsitem...
  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-6-19 16:14:42
· http://cashforcarwreckers.com.au/wp-content/sitemap.xml[url=...
  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-6-19 0:34:45
· http://thejadengroup.com.au/wp-content/sitemap30.xml[url=htt...