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非对称可逆轴流风机S型翼型的设计与性能研究

谢  蓉 高  博 / 大连理工大学能源与动力学院    

摘要:S型叶片是可逆风机中较理想的叶片型式。在前人研究的基础上,本文采用NACA系列叶片作为原始翼型,设计出多种新型不对称双头双机翼S型翼型。分析这几种可逆式轴流风机翼型的数值模拟结果,比较流场分布规律,寻找到一种适合于设计工况下正、反双向吹风的地铁用可逆式轴流风机翼型。
关键词:轴流式通风机;可逆式; 非对称;S型翼型;数值模拟
中图分类号:TH432.1   文献标志码:B
Design and Performance Study of Asymmetric S-shaped Airfoil for Reversible Axial Fan
Abstract: S shaped blades are the ideal blade type used for reversible fans. On the basis of the previous studies, the NACA series blade was selected as the original airfoil in this paper, based on it, several new types of asymmetric S-shaped airfoil were designed with double-headed and double wings. The numerical simulation was conducted and the results were analyzed respectively for the reversible fans made up of the above different types of S-shaped airfoil. Through comparing the flow field distribution in different fans, an airfoil suitable for the reversible axial fans for metro was achieved with better forward and reverse performance under the design condition.
Key words: axial fan; reversible; asymmetric;S-shaped airfoil; numerical simulation
0   引言
  随着我国经济的飞速发展,交通建设取得了积极的成就,城市地铁在各大城市纷纷面世,得到了大力发展。目前,我国有近20个城市完成了地铁建设立项,还有更多的城市正在积极立项。

  地铁建于地面之下,几乎所有通风都要靠风机来完成。它要承担地下内部空间与外部自然空间的气体交换工作,还要承担事故工况(含火灾、堵塞等)下的排烟、补充新风的工作。这就要求风机能够实现正反向送风,这种风机称为可逆风机,其翼型称为可逆翼型。可逆风机与普通通风机的显著不同之处就在于它不仅要保证正向通风的性能,同时还要确保能够满足事故工况下反向通风的要求,正转和反转工况下具有相同或相近的风机性能(正反转送风的风量Q和全压p大小要基本一致),这就需要采用专门的翼型才能实现。目前国内外研究和应用较广泛的翼型为S翼型,此种翼型的特点是翼型的中弧线呈S型。国际上对S型翼型用于水轮机进行了一定的研究[1-3] 。1999 年,席德科[4]等人通过计算生成可逆翼型坐标,采用流场计算的方法进行了可逆风机叶片的翼型研究,通过对5种不同可逆风机翼型的数值计算和试验测量,优选了两种翼型。2002年,杨波[5]等人通过对上述S翼型的分析研究,认为上述所有可逆翼型最大升力系数偏小,升阻比不大,提出了采用组合叶栅的思想。2002年,李景银[6]等人分析比较了双头反向对称翼型的实验结果,得出了构造新型的双头反向对称翼型的基本原则,认为选择性能好的原始翼型是设计高效双头反向对称翼型的关键。在相同的最大厚度时,原始翼型的头部形状对阻力系数的影响不大。2003年,李景银[7]等人提出了一种设计构造新的双头翼型的方法,并对以CLARKY作为基本翼型设计的一种对称翼型和一种非对称翼型进行了吹风性能实验。通过对比分析实验结果发现,采用这种方法可以得到性能优良的特种新翼型,双头反向非对称翼型在大大改善正向吹风性能的同时,反向吹风性能依然较好。2005年黄典贵[8]采用NACA4系列翼型,把后半部分去掉,将前半部分叶型旋转180°后当做后半部分,得到S型基本翼型,将叶型参数、扭转角和安装角作为设计参数,应用正交优化方法,设计出性能较好的可逆轴流风机。2008年,梁之博和席德科[9]等人采用CFD和CAA方法对三种对称翼型进行了三维流场和声场数值模拟,得出了S型机翼翼型流动性能最好,流动损失最小,效率最高,噪声最低,总体性能最好的结论。2010年,田琳[10]等人用流线曲率法设计双向轴流风机,通过选取中心对称翼型,保证叶片进出口安装角大小相等,就可以由进口安装角直接获得基元级叶栅,进而叠加成整个叶片。2011年,黄典贵[11]等人选择适合低风速的 NACA63 系列翼型,通过一定的成型方法,构造出完全对称的S型叶片并以三维雷诺平均Navier-Stokes 方程为基础,应用正交优化方法,对S型叶片的叶型安装角沿径向的分布规律进行了正交优化设计。在满足风量、风压要求及叶片数较少、弦长较小的前提下,获得了最高的流动效率,取得了良好的设计效果。
  前述S翼型叶片绝大部分采用完全对称翼型,其中弧线沿弦长中心反向完全对称,相对于正向通风效率来说,反向效率下降较多,故本文在上述研究的基础上,设计了多种新型非对称S型翼型,通过数值分析与对比采用这几种新翼型设计的风机流场及性能,最终获得设计工况下正反两个方向流动性能都相对较优的非对称S型翼型。
1   非对称S型翼型设计与数值计算方法
  叶轮是风机的主要工作元件,叶轮设计的好坏直接影响到风机性能的优劣,而叶片是叶轮上最主要的做功部件,故叶片设计是否合理是影响风机性能高低的最主要因素。
1.1   非对称S型翼型设计
  根据地铁可逆轴流通风机翼型的使用要求以及前人的研究结果,其翼型的中弧线不应具有单个拱形,而应是“S”形。根据设计工况要求,经过对比考察,本文选用NACA2412作为原始翼型,见图1a。图1b、c、d、e分别为本文设计的四种非对称双头双机翼S型翼型,从图中可以明显看出可逆风机与普通风机的最大区别,即S型翼型前部向上拱,翼型后部向下拱,中弧线略呈“S”形状。因为只有这种形状才能保证在同一迎角下,风机正向和逆向运行时绕过头部的流动都比较顺流,不会产生较大的冲角损失。这样的翼型不但具有很好的正向通风性能,而且可以在短时间内改变电机的旋转方向来实现反风[12] 。本文设计的非对称S型翼型,以图1b所示翼型为例,采用如下设计方法:将原始翼型整体相似缩小为原来的0.2倍,反向接到原始翼型(见图1a)的出口圆弧上,通过Pro/E进行倒角光滑处理,以保证翼型型线过渡光顺流畅。由于这样直接反接,构成翼型的弦长大于1,因此在保证强度的前提上再将所得翼型按比例缩小为与原始翼型等弦长,即可得到本文所设计的反接0.2倍弦长的非对称S型翼型。反接0.4倍、0.6倍、0.8倍翼型同理可得。

图1 原始翼型及四种S型非对称翼型

  为后文分析方便,将原始翼型命名为N,在原始翼型出口圆弧反向搭接原弦长的0.2倍、0.4倍、0.6倍和0.8倍的反接段并经等弦长相似变化后得到的翼型分别命名为N1、N2、N3和N4。表1是通风机设计工况的参数要求。本文设计的可逆风机主要几何和气动参数见表2。

表 1 通风机设计工况要求

参数

设计要求

设计流量 / ( kg/s )

>150

正 / 反向通风效率

>80%

正 / 反向全压 /Pa

1000

叶片数目 s

8

转速 n/ ( r/min)

1000

表 2 可逆风机主要几何和气动参数

参数

转子

设计流量 q/(kg/s)

200

叶片数目 s

8

轮毂比 d

0.4

转速 n/ ( r/min)

1000

翼型

双向不对称 S 翼型

平均弦长 b/m

0.342

轮毂处安装角β hA/(°)

67

外径处安装角β tA /(°)

57

1.2 实体模型及网格划分
  本文采用Pro/E软件生成风机流场的三维实体图。为了减少计算时间,对模型进行了简化,去掉了风机前的直段稳流风筒,本文设计的可逆风机三维实体模型见图2a。网格采用NUMECA软件的AUTOGRID模块生成,见图2b,采用多块六面体结构化网格,网格数量64万,满足网格无关性要求。

图2  可逆风机三维造型及网格

1.3 数值计算方法及边界条件设置
  对风机的三维定常流场进行分离式隐式求解。湍流模型采用标准Spalart-Allmaras一方程模型方程,近壁面的流动模拟采用标准壁面函数,差分格式为中心差分[13] 。时间推进选用四阶显式Runge-Kutta方法,以提高计算精度并加快求解的收敛速度。
  Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)数目取为3.0;为防止计算无效循环,本文每一级多重网格全局残差均选为10-6,每一级网格步数控制为1 500步,进出口流量误差小于0.5%,则认为收敛[14] 。进口给定总温及总压,出口给定质量流量及初始压力,动静叶片排之间交接面设定为周向守恒耦合的掺混面条件。
2 数值模拟计算结果及分析
  利用NUMECA软件的Fine/Turbo对采用上述翼型分别设计的几种风机的正反风性能进行数值计算与分析,结果详见表3。

表 3 采用五种翼型设计的风机性能计算结果

翼型

N

N 1

N 2

N 3

N 4

等熵效率/%

0.90446

0.89135

0.87882

0.87163

0.81673

0.62288

0.77187

0.80369

0.81515

0.79978

多变效率/%

0.90468

0.89157

0.87903

0.87185

0.81712

0.62323

0.77217

0.80398

0.81542

0.80019

静压比

1.0139

1.0124

1.0110

1.0105

1.0107

1.0038

1.0074

1.0080

1.0086

1.0100

总压比

1.0167

1.0147

1.0129

1.0123

1.0151

1.0064

1.0094

1.0097

1.0105

1.0139

图3 五种翼型风机的等熵效率和总压比折线比较图

  从表3可以直观看出,原始翼型N反向通风时的效率与正向相比下降了28.2%,这无法达到可逆风机反风性能要求,故普通风机的翼型并不能满足可逆风机正反向效率相差不多的要求,因此本文对N翼型进行了改进,设计出四种新型的非对称双向翼型N1、N2、N3和N4。从图3的折线图可以明显看出,正向通风时,采用双向翼型N1、N2和N3的风机无论是等熵效率还是总压比,均随反接段比例增大而减小,但下降幅度不大,采用N4翼型的风机虽然总压比升高了,但效率下降太多;而反向通风时,采用双向翼型N1、N2和N3的风机等熵效率和总压比均增大,正反向性能曲线越来越接近,这正是可逆风机所要求的。虽然采用N4翼型所设计的风机正反向性能最为接近,但其反向效率比采用N3翼型的风机效率低,且正向效率下降太多,相对于原翼型下降了8.773%,而可逆风机最经常运行的工况应是正向通风的情况,正向效率太低经济上不合算;采用N3翼型的风机虽然正向效率较原翼型N相比下降了3.283%,但反向效率却相对提高了19.227%,从经济效益上来说最为合算。

图4 正向通风时四种翼型压力面近壁面流线及静压分布

  图4给出了正向通风时原始翼型和前三种新设计翼型压力面近壁面的流线及静压分布。从图4可以看出,由于进口气流的冲击,四种翼型在压力面进口处叶片前缘均存在一高压区,相对于三种双向非对称翼型N1、N2和N3来说,原翼型N的高压区范围最小;而在吸力面进口处叶片前缘均有一低压区,见图5,低压区范围随着双向翼型反接比例增加而减小,这是由于反接段使得翼型呈S形不对称,叶片型线对流体起到了良好的导向作用,流体更易附着在叶片表面流动而不易脱离。总体来说,高压区和低压区的范围变化不大;从流线分布来说,无论是压力面还是吸力面,流体都是沿着叶片表面流动,没有产生分离或漩涡,流场分布大致相同,比较均匀,只在吸力面的叶型正反段相接处附近有轻微的流线扭曲现象,故正向通风时,四种翼型的流动效率相差不大。而当反向通风时,图6可以看出,在叶片压力面前缘也都产生了一高压区,范围较正向通风时大。与原始翼型N相比,三种双向翼型N1、N2、N3的高压区范围有所增大,但在叶片后缘的低压区远比原始翼型小,说明反向通风时来流冲击较正向严重;从流线分布来说,气流也是沿着叶片表面流动,没有发生回流。总体来说,正向通风压力面和反向通风压力面流线分布相差很小。

图5 正向通风时四种翼型吸力面近壁面流线及静压分布

图6 反向通风时四种翼型压力面近壁面流线及静压分布

图7 反向通风时四种翼型吸力面近壁面流线及静压分布

  图7为反向通风时四种翼型吸力面近壁面流线及静压分布图,由图中即可明显看出,虽然较正向通风时,四种翼型在叶片尾缘处产生的低压区范围有所减小,但是却产生了漩涡,四种翼型在一定程度上都产生了流动分离,其中采用原始翼型N设计的风机流动分离现象最为严重,在进口边叶根处即产生了流动分离,一直延续到叶片中径附近,干扰了主流的流动,流场混乱,效率下降明显;采用改进翼型N2的风机,在叶片进口边距离叶顶约1/3处产生流动分离,范围较翼型N减小很多,流场有所改善,反向通风时风机效率有所提高;而采用改进翼型N2、N3的风机,与前两种设计相比,均只在叶片进口边叶顶角区产生一小范围回流,强度大致相同,流场得到进一步改善,主流流动受干扰小,流场分布比较均匀,因而风机的效率大大提升。分析原因,应是由于随着反接段所占弦长比例的有效增加,对反向流动起到很好的导向作用。但是反接段弦长并不是越长越好,表2给出的结果就证明了这一点。

图8 反向通风时原始翼型N与新设计N3翼型叶顶处相对速度矢量图及局部放大图

  图8为反向通风时原始翼型N与新设计双向翼型N3叶顶处的相对速度矢量图。从图中可以看出,对原始翼型N而言,由于没有反接段,因而在反向通风时,流体在刚接触到叶片前缘点时即产生分离,形成明显回流漩涡,低能流体分布范围几乎占据叶片通道的一半,且低速区从叶片前缘一直延续到叶片尾缘,范围逐渐增大,对主流场造成了很大干扰,因而流动效率急剧下降。而本文新设计的非对称双向N3翼型,叶顶处流动没有发生分离,只在叶片出口尾缘处形成一很小范围尾迹流,对流场几乎无影响,故采用该翼型的风机反向通风效率比普通风机的反向效率提高很多。

 

  综合考虑流动性能与可逆风机工作状态,本文设计的设计工况下正反风性能相对较优的翼型确定为N3翼型,即反接段的原弦长比例为原始翼型弦长的0.6倍。
3 结论
  本文在设计工况下设计了多种双头双机翼反向非对称S型翼型,并对采用这几种翼型设计的可逆式轴流风机内部流动分别进行了全三维粘性流场的数值模拟研究,依据计算分析结果得到结论如下。
  1) 对比原始翼型和三种新设计翼型,正向通风时流道内气流流动均比较合理,沿叶高方向高压区范围均有所扩大,但对流动影响不大;反向通风时,采用翼型N设计的风机由于叶型型线没有反接段,无法对来流起到导向作用,因此流体刚接触到叶片即产生了分离,在吸力面沿着叶高方向,从叶根进口处一直延续到叶顶出口附近,形成一明显漩涡,严重影响了风机的通风性能,反向流动效率大大降低。三种新设计双向非对称翼型与原始翼型相比,也存在流动分离,但程度较轻,范围较小,故反风性能大大提升。
  2) 四种新设计非对称双向翼型相比,正向通风时,采用双向翼型N1、N2和N3的风机等熵效率和总压比随着反接段比例的增大而依次下降,但下降幅度不大;反向通风时则相反,正反向性能曲线越来越接近。尽管采用N4翼型所设计的风机正反向性能最为接近,但其反向效率比采用N3翼型的风机效率低,且正向效率相对于原始翼型下降了约8.77%,在最经常运行工况下运行的经济效益不合算,同时也不满足设计要求;采用N3翼型的风机虽然正向效率较原始翼型N相比下降了3.283%,但反向效率却相对提高了19.227%,正反向性能很相近,从经济效益上来说最为合算,并且完全达到设计要求。故本文确定在设计工况下正反风性能相对最优的翼型为N3翼型。
  3) 虽然本文确定在满足强度要求的前提下,设计工况下正反风性能相对较优翼型为N3翼型,其各项性能参数满足可逆风机性能要求,但是在反向通风时该翼型吸力面还存在流动分离与回流,说明此翼型还有待于进一步改进设计。叶型的优化改进设计以及试验验证工作正在进行中。
               参 考 文 献
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