對旋風機變工況下兩級葉輪變轉速匹配研究

艾子健, 秦國良，和文強，陳雪飛

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院， 陜西 西安 710049； 2.三明學院 機電工程學院， 福建 三明 365004)

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對旋風機變工況下兩級葉輪變轉速匹配研究

艾子健1,2, 秦國良1，和文強1，陳雪飛1

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院， 陜西 西安 710049； 2.三明學院 機電工程學院， 福建 三明 365004)

摘要：為了解決對旋風機小流量工況下第二級電機易過載以及大流量工況下第二級葉輪壓升低、效率低的問題，提出了不同工況對應不同兩級葉輪轉速的轉速匹配方法。利用速度三角形推導出不同工況下兩級葉輪轉速匹配的計算公式。利用數值模擬的方法，分析并修正了兩級葉輪轉速匹配計算公式，結果表明：兩級變轉速匹配能夠在保持整機壓升不變時，均勻地分配兩級葉輪的壓升與軸功率，避免了二級電機過載的問題，提高了大流量工況的運行效率，擴大了高效工作范圍。

關鍵詞：對旋風機；電機過載；轉速匹配；功率特性；變工況；性能優化

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160127.1102.002.html

對旋風機擁有緊湊的結構和良好的性能，在設計工況時，具有流量大、壓升高、效率高、反風性能好等優點，同時兩級葉輪壓升與功率特性差異不大，電機運行平穩可靠[1-4]。在偏離設計工況時，兩級葉輪的壓升與功率特性差異變大，且葉輪效率下降較快(尤其是第二級)，降低了對旋風機的工況適應能力，縮小了其高效工作范圍[5]。針對這一問題，學者們在對旋風機的性能優化、葉輪內部流動特性及氣動聲學特性等方面開展了大量的研究[6-9]，通過改變兩級葉輪的級間間隙、兩級葉輪不等功設計、調整葉片安裝角等方式在一定程度上改善了葉輪功率匹配的問題[10-12]。也有研究利用數值和實驗證明了在改變兩級葉輪轉速后能影響兩級葉輪功率特性和運行效率，也能夠改變轉子的失速特性、葉輪內部流動特性及兩級負荷[11-14]。而通過不同流量工況對應不同的兩級葉輪轉速匹配的變轉速匹配，有望使對旋風機呈現全新的性能特性，如何在全工況流量范圍內定量、有依據地給出兩級轉速匹配值，使兩級功率匹配更加合理，整機運行效率更高，高效運行范圍更寬廣值得深入研究。

本文對對旋風機葉輪等轉速運行時的兩級葉輪功率特性進行分析，并利用理論分析與數值模擬的方法探究全工況范圍內不同工況對應不同的兩級葉輪轉速匹配值的計算方法，以期合理地分配兩級葉輪負荷，提高對旋風機的性能。

1兩級葉輪等轉速運行

對某對旋風機進行數值模擬，分析兩級葉輪等轉速運行時，全工況范圍內整機以及兩級葉輪的壓升、功率和效率特性，該風機的額定流量為1.65 m3/s，額定壓升為1 620 Pa，葉輪直徑為381 mm，輪轂比為0.64，一級葉片數為11，二級葉片數為10，額定轉速為2 950 r/min。

圖1、2為數值模擬得出的對旋風機兩級葉輪等轉速運行時的性能曲線。由圖可知，兩級葉輪等轉速運行時，整機在設計工況附近保持較高的運行效率，在非設計工況整機運行效率迅速下降，其原因是在小流量工況，兩級葉輪的效率均明顯下降，而在大流量工況，二級葉輪效率迅速降低。

圖1　等轉速運行整機性能曲線Fig.1　Performance curves of constant speed operating

圖2　等轉速運行葉輪效率曲線Fig.2　Impellers efficiency curves of constant speed operating

圖3為等轉速運行時兩級葉輪的軸功率和壓升曲線。由圖可知，一級葉輪的壓升與軸功率變化不大，其電機在全工況范圍內基本保持較理想的滿負荷平穩運行狀態。二級葉輪的壓升與軸功率隨流量變化非常明顯：在小流量工況運行時，二級葉輪壓升迅速升高，其軸功率也急劇增大，易出現超負荷而使二級電機燒毀的現象；大流量工況運行時，二級葉輪的壓升與軸功率迅速下降，出現“大馬拉小車”的現象。兩級葉輪在偏離額定工況狀態下，出現嚴重不匹配的問題。

圖3　等轉速運行葉輪壓升與功率曲線Fig.3　Impellers pressure-rise and power curves of constant speed operating

2兩級葉輪轉速匹配理論分析

2.1兩級等轉速運行理論分析

(1)

圖4　等轉速運行速度三角形Fig.4　Velocity triangles of constant speed operating

2.2兩級變轉速匹配運行理論分析

圖5　轉速匹配運行速度三角形Fig.5　Velocity triangle of speed-matching operating

若兩級葉輪的轉速隨著實際工況流量q變化而變化，即，每一個工況對應一組轉速匹配值(n1″、n2″)，則依據圖5中的速度三角形，可求得一級和二級葉輪的匹配理論功率N1″、N2″為

(2)

式中：u1″ 為一級均徑匹配圓周速度，m/s；u2″為二級均徑匹配圓周速度，m/s。

在不改變對旋風機做功能力的基礎上，使兩級葉輪的功率相等，則有

(3)

(4)

式中r為均徑半徑，m；

3兩級葉輪轉速匹配數值模擬

3.1兩級葉輪轉速匹配數值分析

利用式(4)可以計算對旋風機在各個流量工況運行時所需要的兩級理論轉速匹配數據，如表1所示，即在小流量工況適當提高一級葉輪轉速，同時適當降低二級葉輪轉速，在大流量工況下適當降低一級葉輪轉速，同時適當提高二級葉輪轉速。

通過數值模擬分析可以得出對應的壓升與功率曲線，如圖6、圖7所示。

表1　各工況對應的兩級葉輪理論轉速匹配值

圖6　理論轉速匹配壓升曲線Fig.6　Pressure-rise curves of theoretical speed-matching

由圖可知，通過兩級葉輪理論轉速匹配，提高了一級葉輪小流量工況的壓升與功率以及二級葉輪大流量工況的壓升和功率，降低了二級葉輪小流量工況的壓升與功率以及一級葉輪大流量工況的壓升和功率。然而，在小流量工況，一級葉輪的壓升與功率反而超過了二級葉輪，在大流量工況，一級葉輪的壓升與功率下降至低于二級葉輪，即兩級葉輪的壓升與功率調節過量了，使兩級葉輪在非設計工況運行依舊存在壓升與功率不匹配現象。究其原因，是因為式(4)的理論推導并未考慮兩級葉輪實際運行流動損失的影響，故應對式(4)進行修正。

圖7　理論轉速匹配功率曲線Fig.7　Power curves of theoretical speed-matching

3.2兩級葉輪轉速匹配的修正

為了避免上述理論匹配公式對兩級葉輪的壓力和功率的調節過量，應對該理論匹配公式進行適當的修正。通過數值模擬分析，可以得出兩級轉速匹配修正公式:

(5)

式中：n1為修正后的一級匹配轉速，r/min；n2為修正后的二級匹配轉速, r/min； n0為額定轉速, r/min；η為等轉速運行對應工況的風機效率。

利用對旋風機等轉速運行時的效率參數和式(5)對式(4)進行修正計算，可以得到對旋風機在各個流量工況運行時所需要的兩級修正轉速匹配數據，如表2所示。

表2　各工況對應的兩級葉輪修正轉速匹配

通過數值模擬分析可以得出對應的壓升、功率和效率曲線，如圖8～10所示。由圖8、圖9可知，與兩級葉輪等轉速運行相比，兩級變轉速修正匹配運行在保證整機全壓升基本不變的前提下，均勻地分配了兩級葉輪的壓升，二者的軸功率在小流量工況基本相同，在大流量工況相差不大，兩級葉輪功率匹配更加合理，避免了小流量工況二級電機提前燒毀和大流量工況二級葉輪“大馬拉小車”的現象。由圖10可知，與等轉速運行相比，一級葉輪效率在小流量和大流量工況時略有降低；二級葉輪效率在小流量和額定工況附近基本不變，在大流量工況得到大幅提高。使得整機效率在小流量工況降低最大不超過1%，但在大流量工況提高了近3.5%，并且流量越大，提高的幅度越大。而整機運行效率大于75%的流量范圍由原來的0.575擴大至0.61，高效工作范圍提高了6.08%。

圖8　修正轉速匹配壓升曲線Fig.8　Pressure-rise curves of modified speed-matching

圖9　修正轉速匹配功率曲線Fig.9　Power curves of modified speed-matching

圖10　兩級修正轉速匹配效率曲線Fig.10　Efficiency curves of modified speed-matching

圖11為等轉速運行q=1.43 m3/s時的均徑葉柵全壓云圖，圖12為兩級修正轉速匹配運行q=1.43 m3/s時的均徑葉柵全壓云圖。圖中左側為一級葉輪區域，右側為二級葉輪區域。由圖可知，等轉速運行時，第一級葉輪區域和第二級葉輪區域的壓力差較大，第二級葉輪承載了更多的壓升任務，而采用了兩級修正轉速匹配后，第一級葉輪區域的壓力得到一定的提升，而第二級葉輪區域的壓力得到降低，兩級區域的壓差有所降低，壓升分配更加合理，防止了二級電機過載的現象。

圖11　q=1.43 m3/s等轉速運行均徑葉柵全壓分布Fig.11　Total pressure distribution on diameter cascade at q=1.43 m3/s of constant speed

圖12　q=1.43 m3/s兩級修正轉速匹配均徑葉柵全壓分布Fig.12　Total pressure distribution on diameter cascade 　　　at q=1.43 m3/s of modified speed-matching

圖13為等轉速運行q=2.03 m3/s時的均徑葉柵速度云圖，圖14為兩級修正轉速匹配運行q=2.03 m3/s時的均徑葉柵速度云圖。由圖可知，等轉速大流量運行時，一級葉輪區域流動尾跡嚴重影響了二級葉輪區域的流動，加劇了二級葉輪葉片吸力面區域的流動分離，在二級葉輪葉柵流道產生大面積的高速渦流區域，并出現流動阻塞現象，嚴重惡化了二級的流動狀況，降低了二級葉輪流動效率。而兩級修正轉速匹配大流量運行時，減少了一級葉輪流動尾跡渦流區，降低了一級葉輪區域流動尾跡對二級葉輪區域流動的影響，減小了二級葉輪葉柵流道高速渦流阻塞區域及流動分離區域，改善了二級葉輪區域的流動狀況，提高了二級葉輪的運行效率。

圖13　q=2.03 m3/s等轉速運行均徑葉柵速度分布Fig.13　Velocity distribution on diameter cascade 　at q=2.03 m3/s of constant speed

圖14　q=2.03 m3/s兩級修正轉速匹配均徑葉柵速度分布Fig.14　Velocity distribution on diameter cascade 　　　　　at q=2.03 m3/s of modified speed-matching

4結論

1)分析了對旋風機在小流量工況運行時第二級電機易過載以及大流量工況第二級葉輪壓升過低的現象，揭示了該現象產生的本質原因是在非設計工況兩級葉輪的壓升與功率特性不匹配。

2)提出了不同工況下兩級葉輪變轉速匹配的方法，使對旋風機不同工況對應不同兩級葉輪轉速匹配值，并利用速度三角形，推導了兩級葉輪轉速計算公式，精確、定量地給出兩級葉輪轉速匹配值，達到了在小流量工況適當降低二級葉輪的負荷同時適當提高一級葉輪的負荷，在大流量工況適當提高二級葉輪負荷同時適當降低一級葉輪負荷的目的。

3)通過數值模擬分析了兩級葉輪變工況轉速匹配運行，修正了兩級葉輪轉速匹配隨流量變化的計算公式。分析結果表明：修正后的兩級變轉速匹配能夠在保持整機壓升能力不變時，均勻地分配兩級葉輪的壓升與軸功率，有效避免了小流量工況二級電機提前燒毀和大流量工況二級葉輪“大馬拉小車”的現象。同時，雖然略微降低了小流量工況的運行效率，但是明顯提高了二級葉輪在大流量工況的運行效率，使得整機效率只在小流量工況略有降低(不超過1%)，而在大流量工況得到明顯的提高(可達3.5%)，且流量越大提高的幅度越大。使整機的高效工作范圍(效率大于75%)擴展了6.08%。

4)在后續工作中，可以利用實驗的方法分析在變工況下轉速匹配對對旋風機特性的影響，亦可只改變某一級葉輪轉速，研究對旋風機在單級葉輪變轉速匹配運行時的性能。

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收稿日期：2015-01-20.

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(2012CB026004)；福建省教育廳科技A類項目(JA15471).

作者簡介：艾子健(1985-),男,講師,博士研究生; 秦國良(1964-),男,教授,博士生導師. 通信作者：秦國良, E-mail: glqin@mail.xjtu.edu.cn.

doi:10.11990/jheu.201501026

中圖分類號：TH43

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)04-0592-06

Speed matching of two-stage impeller with counter-rotating fan under variable operating conditions

AI Zijian1,2, QIN Guoliang1, HE Wenqiang1, CHEN Xuefei1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China; 2. School of Mechanical and Electronic Engineering, Sanming University, Sanming 365004, China)

Abstract：A method for speed matching of two-stage impellers was proposed herein to prevent overloading of the second-stage impeller under low flow rates, as well as to solve the low pressure rise or low efficiency problem under high flow rates. The formula for speed-matching of two-stage impellers under different operating conditions was derived by using the velocity triangle, and modified through numerical analysis. The numerical simulation results show that the pressure rise and shaft power of two-stage impellers are distributed equally, while the pressure rise of fan is maintained invariant because of the two-stage impeller′s speed matching. Thus, the overload problem of the second-stage impeller is avoided. The operation efficiency under the high flow rate condition is improved, and the high-efficiency working range of counter-rotating fan is expanded.

Keywords：counter-rotating fan; motor overload; speed matching; power characteristics; variable operating condition; performance optimization

網絡出版日期：2016-01-27.