葉尖小翼安裝位置對軸流風機性能的影響

雋智輝， 王 軍， 唐 俊， 解博超

(1.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074；2.廣東綠島風室內空氣系統科技有限公司，廣東臺山 529200)

由于軸流風機葉頂間隙的存在，葉頂部分流體在壓差的作用下從壓力面泄漏至吸力面，泄漏流損失了葉尖部分的做功能力.泄漏流在葉頂形成泄漏渦，并在下游與主流混合阻塞通道造成氣動損失，約占風機損失的30%[1].因此減小葉頂泄漏流是提高軸流風機性能的重要途徑.因此，學者們進行了一系列的研究工作.其中，在葉頂安裝葉尖小翼的方法引起了廣大學者的關注.

葉尖小翼(也稱端導葉片)最早是Whitcomb關于飛機機翼提出的概念[2]，隨后學者們將其引入葉輪機械領域.依鳳鳴[3]實驗研究了附加小翼的軸流風機后發現，合理設計葉尖小翼的幾何參數有利于改善軸流風機的氣動性能，降低噪聲.呂文燦[4]在葉片上、中、下不同位置加裝小翼，實驗結果表明在葉尖加裝小翼能有效控制葉頂泄漏流和二次流，提高風機效率，降低間隙噪聲，其中吸力面設置葉尖小翼能取得最佳效果.鄭國勝等[5]數值計算了安裝葉尖小翼的普通開式軸流風機后發現，安裝葉尖小翼不能提高軸流風機靜壓升，但壓力面小翼能有效減小葉頂泄漏渦的作用范圍，吸力面小翼能弱化泄漏渦的強度但無法減小其作用范圍.黃中華等[6]研究了帶葉尖小翼的平面葉柵，認為葉尖小翼安裝在吸力面時葉柵性能最佳，并且對應一個最佳的葉頂間隙.Corsini等[7-8]研究了吸力面安裝不同形狀葉尖小翼的軸流風機，結果表明葉尖小翼能有效抑制葉頂泄漏渦的破裂，控制葉頂泄漏渦的弦向發展.鐘兢軍等[9-10]數值模擬了不同葉尖小翼的擴壓葉柵，結果表明合理設計葉尖小翼可在一定程度上減少葉頂泄漏損失，削弱泄漏渦的強度.

由于葉頂間隙流動極其復雜，國內外學者在對葉尖小翼的作用效果以及機理的認識上仍存在一些分歧.筆者對加裝葉尖小翼的軸流風機進行全流道數值模擬，深入探討壓力面、吸力面葉尖小翼對軸流風機流場的影響機理.

1 研究對象

葉尖小翼的外形是影響軸流風機性能的一個重要參數，之前有人提出了等寬長條形、S型小翼和翼型小翼等不同外形的葉尖小翼.通過對比發現翼型小翼能最大程度地減少葉尖小翼帶來的附加摩擦損失，因此選取翼型葉尖小翼.數值模擬采用的軸流風機模型參數如表1所示.葉尖小翼厚度取1 mm，寬度為葉尖基元型線不同弦長處葉片厚度的2倍，并與葉片光滑過渡連接保證相同的葉頂間隙.原型葉片以及分別在壓力面、吸力面安裝葉尖小翼的葉片見圖1，分別記為BF、PT和ST.

2 數值方法

由于此軸流風機電機及電機支架的非周期性，因此進行全流道數值模擬.網格劃分為進口延長段、葉輪、電機以及出口延長段4個流域.其中，進出口延長段長度為軸流風機機殼直徑的2倍.流道均采用非結構四面體網格，并對葉尖部分進行加密.葉輪段網格數為567萬，總網格數為750萬.圖2為未加葉尖小翼時的軸流風機網格示意圖，安裝葉尖小翼后網格與其類似.

表1 軸流風機參數

圖1 安裝葉尖小翼的葉片

圖2 網格劃分示意圖

計算采用不可壓分離隱式(SEGRE-GATED)求解，湍流模型采用Realizablek-ε模型，近壁面采用標準壁面函數，不考慮重力與熱量的影響.壓力-速度耦合方式選用SIMPLE算法，壓力修正采用Standard方式，動量方程、湍動能方程和耗散方程的空間離散格式均采用一階迎風格式.進口邊界條件采用Mass-flow-inlet，出口為outflow，當計算殘差低于10-4且軸流風機壓升基本不變時認為計算收斂.

3 實驗方法

軸流風機性能實驗在根據GB/T 1236—2000 《工業通風機用標準化風道進行性能試驗》[11]設計的實驗室中進行，如圖3所示.在B型實驗臺架中，利用多噴嘴實驗風室測量軸流風機流量，在靜壓孔位置測量軸流風機壓力，利用電測法測量軸流風機功率.

圖3 實驗臺架示意圖

圖4 實驗數據與模擬結果的對比

4 結果與分析

4.1 軸流風機性能分析

圖5給出了3款軸流風機進行數值模擬得到的特性曲線.從圖5可以看出，壓力面安裝葉尖小翼模型(即PT)壓力系數和效率比原型機低；吸力面安裝葉尖小翼模型(即ST)壓力系數在大體積流量區略微有提高，在小體積流量區則相反，效率在大體積流量區有明顯的提升，其中在設計體積流量點提高了0.6%，在小體積流量區變化不明顯.說明吸力面安裝葉尖小翼提高了軸流風機性能，而壓力面小翼使流動損失增加.

圖5 不同葉尖小翼安裝位置下的性能曲線

為了直觀地觀察不同葉片表面安裝葉尖小翼對軸流風機葉頂泄漏流的影響，定義葉頂泄漏率為：

(1)

式中：qV,l為葉頂泄漏流體積流量；qV,in為軸流風機進口體積流量.

表2給出了3款軸流風機設計工況下的葉頂泄漏率γ.從表2可以看出，壓力面和吸力面安裝葉尖小翼的模型葉頂泄漏率均小于原型機的葉頂泄漏率，這是由于安裝葉尖小翼延長了葉頂間隙流道，流動阻力增加.其中吸力面小翼模型葉頂泄漏率更小，說明安裝葉尖小翼均可以減小葉頂泄漏流，且吸力面安裝葉尖小翼抑制泄漏流的效果更明顯.

表2 不同軸流風機葉頂泄漏率

4.2 內流場分析

為了觀察吸力面、壓力面安裝葉尖小翼對葉片做功能力的影響，分別計算3款軸流風機設計工況下0.9葉高處葉片表面的壓力系數，如圖6所示.對比PT和ST，在壓力面前緣至0.3弦長處PT壓力系數高于原型機壓力系數，在0.3弦長至尾緣處情況相反；在吸力面前緣至0.7弦長處PT壓力系數高于原型機壓力系數，在0.7弦長至尾緣處則相反.說明壓力面安裝葉尖小翼降低了葉尖的做功能力.對比BF和ST，在壓力面二者壓力系數變化不大；在吸力面前緣至0.3弦長處ST壓力系數低于BF，在0.3弦長至尾緣處則相反.說明吸力面安裝葉尖小翼提高了葉尖前緣的做功能力，降低了尾緣的做功能力，總體略有提升.

圖6 3款軸流風機0.9葉高處壓力系數分布

Fig.6 Distribution of pressure coefficient at 90% blade height of different fans

各模型設計體積流量點0.5弦長處的流場見圖7.圖7(a)中，原型機近壓力面壓力最高，且隨著離壓力面距離的增加壓力逐漸降低；吸力面壓力最低，隨著離吸力面距離的增加壓力逐漸升高，在葉頂間隙區域形成最大壓差.壓力面部分高壓流體在壓差的作用下從葉頂間隙泄漏至吸力面低壓區.圖7(b)中，PT致使葉頂間隙區域向壓力面高壓區延伸，犧牲了壓力面部分做功能力，使得葉頂壓力面高壓區壓力降低，造成軸流風機全壓下降，這與圖5外特性表現一致.PT使得葉頂間隙區域的壓差降低、流道變長，因此泄漏量減少.圖7(c)中，ST將葉頂間隙區域向遠離吸力面區域延伸，同樣致使葉頂間隙區域的壓差降低，流道變長，泄漏量減少.同時ST對吸力面負壓區影響不大，風機全壓略有升高.

計算渦量然后繪制等值面圖，捕獲各模型葉頂泄漏渦核，結果如圖8所示.其中云圖分別為0、0.25、0.5、0.75、1、1.25弦長處各截面總壓損失系數云圖.定義總壓損失系數為：

(2)

圖7 設計體積流量點0.5弦長截面壓力云圖及流線圖

圖8 總壓損失系數云圖及葉頂泄漏渦渦量的等值面圖

觀察原型機可以看出，葉尖部分氣流從壓力面泄漏至吸力面形成葉頂泄漏渦，葉頂泄漏渦從葉片前緣生成，逐步發展至葉片中部發生脫落，在下游與主流摻混，造成氣動損失.相對于原型機，PT的葉頂泄漏渦強度和范圍較大，這是由于壓力面流體在壓差作用下從葉尖小翼下表面繞過葉尖小翼泄漏至吸力面，其流動損失更大，這與總壓損失系數云圖呈現的情況吻合，PT的葉頂總壓損失大于原型機.ST的葉頂泄漏渦強度和范圍均小于原型機,其距離吸力面更遠，減小了吸力面的分離損失，且相比原型機其葉頂泄漏渦脫落點離前緣較遠，脫落到流道下游中的渦旋更少，引起的損失更小，與總壓損失系數云圖表現一致.說明壓力面安裝葉尖小翼增大了葉頂泄漏渦的強度及范圍，使損失增加；而吸力面安裝葉尖小翼能有效減小葉頂泄漏渦的強度及范圍，并且使其脫落點后移，減少了軸流風機總壓損失.

5 結 論

(1) 壓力面安裝葉尖小翼導致軸流風機全壓和效率降低，而吸力面安裝葉尖小翼使得軸流風機的全壓和效率在大體積流量區有所提高，在小體積流量區變化不明顯，設計體積流量點效率提高了0.6%.

(2) PT降低了葉尖的做功能力；ST提高了葉片前緣的做功能力，降低了尾緣的做功能力，總體略有提升.

(3) PT和ST均延長了葉頂間隙流道的長度，降低了壓差，能有效減小葉頂間隙泄漏流，后者效果更為明顯.

(4) 壓力面安裝葉尖小翼增大了葉頂泄漏渦的強度和范圍，吸力面安裝葉尖小翼減小了葉頂泄漏渦的強度和范圍，使葉頂泄漏渦的位置向遠離吸力面的位置偏移，減少了吸力面的分離損失，并且使其脫落點后移，減小了對主流的影響，使軸流風機總壓損失減少.

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