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小流量下周向弯曲叶片内流特性研究

金光远 欧阳华 杜朝辉 / 上海交通大学机械与动力工程学院    

摘要 :以不同周向方向弯曲叶片的低压轴流通风机为研究对象,采用数值模拟方法,研究小流量下周向弯曲对叶片内流动特性的影响,并得出了结论。

关键词 :轴流式风机;周向弯曲;小流量;内流特性

中图分类号: V231.3      文献标识码: B

The Research on the Inner Flow Characteristic of Circumferential Direction Bowed Blade with Mini Flow

Abstract: In this paper, taking the low pressure axial-flow fan which has different circumferential direction bowed blade as the research object and using the numerical simulating method, the influence of circumferential direction bend with mini flow on the inner flow characteristic of the blade is studied and the conclusion is obtained.

Key words: axial-flow fan; circumferential direction bend; mini flow; inner flow characteristic

0 引言

  近些年,弯掠技术在叶轮机械领域的研究,显示出弯掠叶片不仅可以使气动-声学性能有大幅度提高,而且弯掠叶片还有显著的扩大稳定工作范围的效果[1-3]。讨论弯掠叶片用于控制低速轴流风机气动性能极限,是十分有意义的工作。Wright和Simmons[4]等人在研究弯掠对降低低速轴流风机的噪声时,指出其前弯叶片的静压升增加,气动性能提高。 Corsini和Vad研究了工业轴流风机,发现了效率和失速区显著改变[5]。Crosini和Rispoli[6]对前掠35°和径向NFV轴流风扇的流场进行数值模拟,分析了设计流量工况和峰值压力工况下前掠对叶栅通道和出口流场的流动结构和损失分布。指出前弯叶片的展向二次流被削弱,控制了失速区的发展,弯掠转子降低了泄漏流影响的程度。

  关于周向弯曲叶片前期研究结果显示[7-8],周向弯曲叶片的总压升较常规叶片降低,稳定工况范围扩大。主要通过分析小流量下流场特性,加强理解周向弯曲叶片对低压轴流 风机失速区转移的潜在影响,分析总压降低原因。主要采用数值方法对周向弯曲叶片设计工况和小流量工况的流场进行模拟。分别针对径向叶片和带有周向前弯、后弯叶片的低压轴流风机,考察设计流量工况和近峰值压力小流量工况,不同周向弯曲方向,对叶片通道内和转子后的流动结构、损失分布的影响。分析压升系数和出口总压损失,寻找总压降低原因。

1  计算模型和方法

  弯掠叶片是以低压轴流通风机T35-11№5为原型进行设计的。T35原型叶轮并不是一种常规径向叶轮,其叶片从叶根到叶顶呈明显上反,推算可得T35原型叶片上反角度γ=2.42°,周向前弯角度δsk=1.27o。保持T35原型叶片几何参数不变(叶片数、弦长和安装角等),取消原型叶轮前弯角后将叶片顺叶轮旋转方向前弯,前弯和后弯角度均为8.3°,采用直线+圆弧型积迭线,交点在相对叶高0.4处。几何模型见图1,其它参数见文献[8]。叶轮的主要设计参数:额定转速为1440r/min,叶轮外径为500mm,安装角为25°。

  叶轮计算区域由叶片主流区和叶顶间隙区两部分组成。网格策略为,叶片通道主流区采用H型网格,网格点数:流向×叶展方向×跨叶片方向=129×73×65,叶顶间隙区采用H-O型网格,网格点数为65×13×13,即在间隙高度方向和叶片厚度方向分别取13个点。利用勃拉修斯(Blasius)公式,近似预估第一层网格点与壁面之间的距离уwall,у+取1。采用时间相关法求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,选用Spalart-Allmaras湍流模型。空间离散为守恒形式的有限体积法,中心差分格式。采用四阶Runge-Kutta法进行时间推进。同时利用多重网格和隐式残差均化对流动实施加速收敛。


  边界条件具体设置:进口给定总压、总温;出口给定质量流量;叶轮进出口延伸区给定周期条件,绝热固体壁面给定无滑移条件。当进、出口质量流量误差小于或等于5e-5时认为计算达到收敛。


2  结果分析和讨论

  根据GB/T1236-2000《工业通风机 用标准化风道进行性能试验》标准对3个叶轮进行了气动性能进气装置试验;对3种叶片全压特性曲线进行了模拟计算,模拟转速为1440r/min。 计算结果与试验结果进行比较,见图2(其中pt为全压升,qm为质量流量)。由图中看出,径向叶片全压升最高,前弯叶片次之,后弯叶片最小,径向叶片和前弯叶片均出现鞍形拐点。设计流量工况和近峰值压力工况的3个叶片计算总压升,与试验符合较好,计算结果是准确可靠的。选择两种工况:设计流量与近峰值压力工况,对径向叶片和周向前弯和后弯叶片单通道流场进行计算,考察周向弯曲叶片对叶栅内部流动和叶片出口下游流动的影响。

2.1 周向平均流特性

  图3给出了设计流量与近峰值压力工况,转子出口0.1倍弦长处轴向速度周向平均值沿叶高的分布。其中轴向系数定义为ψаvu/ut

  出口轴向速度分布,反映出叶片弯曲均使得轴向速度在叶尖和叶根处减弱,而在叶展中部加强。设计流量下,3个叶片的主要流通区域主要集中在叶片的中上部(0.7相对径向位置),叶顶和叶根部相对较小,叶根部小于叶顶。在小流量下,叶片弯曲对轴向速度分布改变更为明显,与设计流量相比,主要流通区域向叶根部转移(0.6相对径向位置)。从图中看出,与径向叶片相比,前弯和后弯叶片在叶根和叶尖处明显减弱,而中部加强,这有助于改善叶顶间隙流动和叶根部的堆积流动,减少这两处的流动损失。由出口截面轴向速度分布看出,叶片的周向前弯和后弯在设计流量下,使得叶片流通区域轴向速度减小,而在小流量下,使得叶片主要流通区域的轴向速度增加,是扩大稳定工作范围的原因之一。

  为了进一步分析3种叶片的压升特性,分别对总压升和压升系数进行评估。其中压升系数定义公式为ψ=2Rvu/ut,其中vu为周向速度,ut为叶顶圆周速度,R=r/rt为无量纲半径,rt为叶片顶部半径。

  出口截面的不同周向弯曲叶片压升特性,见图4,图4a为3种叶片在两种工况下的总压升沿展向分布;图4b为3种叶片在两种工况下的周向压升系数沿展向分布。从图4a中看出,两种工况下径向叶片压升最高,前弯次之,后弯叶片最小。前弯和后弯叶片的总压升在靠近叶顶区域均减小,总压升分布趋势是一致的,这与径向叶片不同。

  为进一步理解总压在叶顶附近降低,分析周向压升系数。从图4b中看出,前弯和后弯叶片的压升系数分布,趋势是一致的,在叶顶区域处压升均有减小,这与径向叶片趋势相反。周向压升系数的降低是导致总压降低的一个因素。叶片的周向弯曲改变了叶顶附近的总压分布。

  小流量下3种叶片的出口截面周向压升系数,叶中部整体较设计流量均增加,叶顶区域增加更大。其中前弯叶片的周向压升系数是最小的。周向弯曲改变了叶顶处的周向速度分布,降低了前弯和后弯的靠近叶顶区域的压升。这种分布变化进而改变了叶顶处压力分布,对叶顶间隙流动起到了弱化和稳定作用。叶片的周向前弯和后弯,降低了叶顶区域的周向压升系数,是叶片总压降低的原因之一。

  叶栅的总压损失的大小是与叶片吸力面上的速度扩压成正比的,凡引起大速度扩压的叶片表面速度分布,都趋向于产生较厚的叶片附面层。笔者采用扩压因子D来作为叶片的负荷参数。它的采用能给出一个考虑升力系数或其它参数对扩压叶栅来说更好的损失预示方法,也是对扩压叶栅损失分析中采用附面层方法更可靠的方法。为考察叶片负荷在两种工况下,周向弯曲叶片的表现,进行了扩压因子D计算,扩压因子D沿展向分布见图5。  

  扩压因子D定义为损失与通过叶片载荷的比值。Lieblein[9]提出对于不可压缩的风机流,扩压因子D不应大于0.5,以控制叶型损失,扩压因子D一般是中径附近较均匀,而在叶根和叶尖处减小。对于不可压缩流体扩压因子D计算表达式为
  

  从两种工况的扩压因子D沿展向变化看出,在设计流量下,3种叶片的扩压因子D沿展向的趋势较为一致,前弯和后弯叶片扩压因子D较径向叶片有所减小,后弯扩压因子D值最小,在叶根部附近前弯较径向和后弯有所增加。周向弯曲明显改善了叶片在叶中至叶顶区域的叶片工况。在小流量下3种叶片均有较高的叶片负荷,径向叶片的扩压因子D与前弯和后弯趋势相差较大,在叶中至叶根区域,前弯和后弯叶片均小于径向叶片,在叶顶区域处稍高于径向叶片。而在叶根附近(0.5相对径向位置至叶根),扩压因子D值明显减小,并呈现负值,叶片工况明显恶化。

2.2 通道内的流动结构

  为获得不同流量工况下,叶片周向弯曲对叶片出口三维流动结构的影响,对出口截面的径向速度系数进行了分析。3种叶片通道出口截面(位于0.1倍中径弦长)的径向速度系数分布见图6。左侧为压力面,右侧为吸力面。径向速度系数定义为ψr=vr/ut,其中vr为径向速度;ut为叶顶圆周速度。若压力面叶顶处存在较大的径向速度,预示叶顶间隙流动的存在。

  从图中看出,设计流量下,前弯叶片,叶片顶部流动和叶根部径向流动分布发生了明显变化。周向前弯明显减弱了压力面侧的径向流动,叶顶区域和叶根处径向流动较径向叶片均减小;吸力面侧叶顶区域的径向流动向流道中转移,吸力面侧近叶根部径向速度分布减弱。周向前弯改变流道吸力面侧和压力面侧附近径向流动分布,弱化了低能流体的迁移,叶排流道内流动更加合理。后弯叶片压力面上径向速度在叶顶和叶根区域分布明显加强,吸力面叶顶附近也出现和前弯类似的情况,叶顶间隙径向流动以从叶顶位置向叶栅流道中转移,但叶根附近的径向流动减弱,并且向中径处转移。后弯压力面叶顶附近的径向流动的强化,意味着此处有更强烈的间隙流动。

  在小流量工况下,3种叶片吸力面侧的径向流动明显加强,低能流体增加,压力面侧叶顶附近的径向流动与设计流量相似,且均减弱。后弯明显改变了压力面侧的径向速度分布,使得叶顶部附近出现负值的径向速度,对叶顶间隙处的径向流动影响较强,预示叶顶间隙流动的减弱。前弯叶片和后弯叶片吸力面侧叶片根部区域的径向流动明显加强,前弯加强最多。暗示3种叶片的根部发生了角失速。其中后弯叶片的角失速最弱,预示此种弯曲设计对叶片根部低能流体的迁移有着积极的作用,更进一步解释后弯全压曲线未出现像前弯和径向叶片那样拐点的原因。对于此3种叶片,小流量下叶栅通道均未出现明显的横向二次流动,故横向二次流不是此3种叶片的主要流动现象,直线加圆弧的前弯和后弯叶型设计对于叶顶间隙流动有着较强的影响。

  为比较叶栅通道内和叶顶间隙的流动特点,选取0.99叶高位置绘制了两种工况下的静压系数分布,见图7。静压系数定义为

  在设计流量下,而前弯和后弯叶片在吸力面靠近前缘区域,静压分布与径向叶片相似,负压区域基本位于靠近前缘区域。前弯此区域稍向后缘迁移。从图中看出,随着流量降低,3种叶片的吸力面近前缘区域静压系数为负值的位置,向前缘处转移,三者移动趋势一致,但量值上有所不同,前弯和后弯叶片的最小静压系数值较径向叶片增大,后弯最大。主流特征随叶顶间隙流轨迹的位置变化,发生了较明显改变,cp为零值位置明显向前缘方向转移。径向叶片是3种叶片中cp为零值向进口方向的转移最明显的,前弯次之,后弯叶片转移最小。cp为零值的位置暗示了叶顶泄漏流的快速衰减。对于压力面侧,随着流量减小,静压有所增加,其中前弯增加最大。

2.3  转子总压损失分析

  分析叶栅通道内不同位置处的总压损失变化,如图8所示。分析位置为近前缘和尾缘附近的通道截面。距离尾缘10%、98%展中弦长位置。设计工况下预测的损失进化与下面文献低速转子的叙述相比较。总压损失系数ω定义为

  设计流量下,周向前弯和后弯在端壁附近总压损失均有减小;在吸力面叶顶附近总压损失,前弯最大;吸力面叶根附近局部总压损失径向叶片最大,前弯和后弯叶片相近;主流区域,径向叶片总压损失大于前弯和后弯叶片。小流量工况下,径向叶片主流区域,总压损失增大,而前弯和后弯叶片趋势相反,总压损失减小;3种叶片在端壁附近总压损失均有增加,但前弯和后弯叶片增加后的损失仍小于径向叶片设计流量情况,周向前弯和后弯总压损失均有减小;在吸力面叶顶附近总压损失,径向叶片和前弯较设计流量均有增加;3种叶片中,前弯损失为最大,而后弯损失有所减小;吸力面叶根附近局部总压损失径向叶片最大,前弯和后弯叶片相近;与设计流量工况相比,前弯和后弯叶片均使叶根附近损失减小,而径向叶片增大。总的来看,总压损失仅在吸力面叶顶附近趋于增大,对于前弯尤为突出;对于主流区域,前弯和后弯明显改善了通道总压损失分布,使得损失减小。因此,叶根部的损失得到改善。

3  结论

  (1)与设计流量相比,小流量下周向前弯和后弯叶片主要流通区域的轴向速度较径向叶片增加,增强了流动稳定性,扩大了稳定工况范围,延迟失速。

  (2)与径向叶片相比,周向前弯和后弯叶片在设计流量下,主流通区域轴向速度减小,致使总压降低;设计流量和小流量两种工况下的压升系数均减小,致使总压升降低;设计流量的扩压因子分布,显示周向前弯明显改善了叶中至叶顶区域的叶片负荷,后弯次之,随流量减小,周向前弯和后弯叶片负荷情况仍好于径向叶片,但叶片根部情况恶化。

  (3)随着流量减小,周向后弯叶片的角失速最弱,预示此种弯曲设计对叶片根部低能流体的迁移有着积极的作用,解释了后弯全压曲线未像前弯和径向叶片一样出现拐点。周向前弯叶片对于叶顶间隙流动有着较强的影响。

  (4)小流量下的总压损失仅在吸力面叶顶附近趋于增大,对于前弯尤为突出;对于主流区域,前弯和后弯明显改善了通道总压损失分布,使得损失减小,叶片根部的损失得到改善。为进一步试验研究小流量特性提供了参考。

 

[1] Wadia A R, Szucs P N, Crall D W. Inner Workings of Aerodynamic Sweep. Journal of 验 Turbomachinery[J].Transactions of ASME,1998, 120(4) : 671-682.

[2] Mohammed,K.P.,Prithvi Raj,D. Investigations on axial flow fan impellers with forward swept blades[J].J.Fluids Enging,1977:543-547.

[3] 蔡娜,李地,钟芳源.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] Wright T, Simmons W E. Blade Sweep for Low-Speed Axial Fans. Journal of Turbomachinery[J].Transactions of ASME,1990,112(1):151-158.

[5] Corsini,A., Vad,J. Application of forward blade sweep to axial flow industrial fans of high specific performance. In Proceeding of ISROMAC9,Honolulu,10 14February 2002.

[6] Corsini,A.,Rispoli,F.,Using sweep to extend the stall-free operational range in axial fan rotors. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, May 2004;Proquest Science Journals 129-139.

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

[8] 欧阳华.新型可逆式弯掠组合叶片的研究[D].[博士论文].上海:上海交通大学,2002.

[9] Lieblein,S.. Experimental Flow in Two-Dimensional Cascades. Aerodynamic Design of Axial-Flow Compressors. 1965.NASA SP-36.

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  评论人:aervot   打分:85 分  发表时间:2011-4-6 2:39:40
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  评论人:bzecoziusk   打分:85 分  发表时间:2010-4-29 9:43:02
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