一種新的風洞軸流風扇安裝角調整方法

屈曉力, 任澤斌, 楊文國, 羅遠強, 叢成華

(1.中國空氣動力研究與發展中心 空氣動力學國家重點實驗室, 四川 綿陽 621000;2.中國空氣動力研究與發展中心 設備設計及測試技術研究所, 四川 綿陽 621000)

軸流風扇廣泛應用于軍事領域與國民經濟中的管道系統，通過克服系統內部的氣體阻力損失、提供所需要的空氣流量，以達到通風、換氣及除塵的目的。當前在風扇的設計及優化驗證階段，對風扇氣動性能的研究，主要有試驗和數值仿真2種方式。Sarraf等[1]通過試驗的方式研究了不同風扇槳葉厚度對汽車發動機冷卻風扇效率及葉片下游速度脈動等參數的影響；LI等[2]利用安裝在移測架上的五孔探針及熱線風速儀系統測試了3款低壓軸流風扇的壓力及速度分布，得到不同槳葉前掠角度對應的風扇效率及速度剖面；Wilt等[3]通過風道中的可變阻力格柵，采用皮托管移測總壓的方式研究了GE某款風扇的失速特性；Cyrus等[4]則按照風扇的測試標準，對某款軸流風扇的氣動性能進行了系統的測試，獲取了其運行包線；Farhan等[5]利用數值模擬比較了不同槳葉前彎角度對單級軸流風扇不同展向的流場細節，并得到前彎槳葉可優化葉片壓力面和吸力面的壓力分布、改善止旋片根部失速特性的結論；Masud等[6]通過數值模擬的方式優化某兩級軸流風扇的第一級槳葉，最終第一級槳葉的氣動效率提升了8%，壓升增加了6%。風扇槳葉的安裝角是風扇性能優化的重要參數，李春曦和葉學民等[7-8]通過試驗結合數值模擬的方式，研究了某風扇不同槳葉安裝角對應的氣動及噪聲特性，獲取安裝角對氣動及聲學特性的定性影響；張始齋等[9]通過試驗結合數值計算的方式，研究了3種槳葉安裝角對應的某礦機排風軸流風扇的內部流場和氣動性能，得到安裝角增加，風扇效率先增加后減小的結論；趙中太[10]利用CFD商業軟件，計算了某除塵器風扇不同安裝角下的流場特性，獲得與試驗值較為吻合的風扇流量及壓升數值模擬結果。

低速風洞一般采用軸流風扇作為動力源，以滿足試驗段的風速指標。風洞建成后，一般會首先進行風扇性能調試，獲得最佳的風扇槳葉安裝角，以盡可能地使整個風洞系統處于最經濟的運行狀態。當前在低速風洞不同安裝角對應的風扇性能調試中，與工業軸流風扇安裝角調整流程類似，過程相當繁瑣，需要測試風扇不同轉速下對應的流量、入口及出口總壓分布，進而計算得到風扇的壓升及氣動效率，作為安裝角調整的計算輸入參數。若是采用數值模擬的方式預測風扇安裝角調整后的性能，對計算的精度要求較高，因此對于大尺寸的風扇系統，從建模到計算，耗時較傳統試驗方法更長。本文結合低速風洞軸流風扇設計及調試經驗，推導出一種簡單的風扇安裝角調整方法，對于各部段未做改變的風洞回路，不需要進行風扇入口截面及出口截面的總壓測試，僅依據風扇不同轉速下對應流量，直接給出風扇非設計點的安裝角調整方案，并通過實際運用得到驗證。

1 理論推導

1.1 風扇槳葉葉剖面旋轉系數與安裝角的關系

對于低速風洞內部的軸流風扇系統，為提高風扇效率，在風扇設計時，一般采用孤立翼型設計法，避免葉間干擾帶來的效率損失；通過選擇合理的風扇直徑、槳轂比及轉速等參數，嚴格控制風扇葉尖速度；通過優化葉片數目及槳葉剖面的翼型弦長控制徑向各位置實度，盡可能地避免風扇運轉中三維效應對其氣動性能的影響[11-12]。風扇一般由槳葉、止旋片、整流罩和外殼體構成，如圖1所示。

圖1 風扇示意圖

圖1中,氣流進入槳葉前,軸向速度為U,靜壓為P1,總壓為H1;氣流通過槳葉做功后,軸向速度U不變,靜壓P2與總壓H2增加,并伴隨有與槳葉旋轉方向相同的誘導切向速度VS;在通過槳葉下游的止旋片后,氣流的旋轉動能變成了靜壓的增量,其靜壓與總壓分別為P3,H3。

圖2 常規風洞軸流風扇葉剖面的速度構成圖

為實現不獲取風扇具體的壓升及效率信息,而進行風扇安裝角的調整及性能預測,首先要分析風扇槳葉剖面速度三角形中各項參數的固有關系,常規風洞軸流風扇葉剖面的速度構成如圖2所示。風扇運行過程中,以風扇槳葉徑向位置r的坐標系作參考,則軸向、周向氣流在葉剖面構成的速度三角形為圖2中的△AEB。氣流軸向相對速度U=|EB|。氣流通過槳葉做功后,會在葉剖面后方產生周向的旋轉速度VS,VS的方向與葉片的旋轉方向相同,在風扇工程設計中,一般將葉剖面的當地氣流旋轉速度取為0.5VS,則氣流周向相對速度為Ωr-0.5VS=|BC|。V為合速度,V=|AE|。圖中,ψ為前進角,是葉片相對合速度與旋轉方向的夾角,ξ定義為安裝角,則槳葉攻角α=ξ-ψ。

風扇在不同工況下運行,葉剖面當地的速度三角形將存在差異,前進角、攻角這2個參數均會發生變化,這就對風扇的性能估算帶來麻煩。由于翼型的零升力線不隨來流的變化而改變,因此考慮將翼型的零升力線與旋轉方向的夾角作為風扇性能估算的參數之一。

圖2中,以AG代表葉剖面的零升力線,α0為零升力攻角。當葉片當地的合速度與零升力線重合時,則合速度V0=|GA|;風扇不對氣流做功,槳葉下游便不會產生周向的氣流誘導速度,速度三角形的B將移動到C點,則周向相對氣流速度將增大為Ωr=|CA|;對應的軸向速度為U0=|GC|。

圖中

(1)

上式同除以Ωr,則有

(2)

根據風扇設計理論[13],可得旋轉系數εS與升力系數CL、前進角ψ之間的關系

CL=2σεSsinψ

(3)

式中,σ為實度,代表槳葉單個葉片弦長與槳葉相鄰的2個葉片間距之間的比值。

對于運行在風洞內部的軸流風扇,其工作點應避免槳葉翼型處于失速狀態,則其升力系數與攻角存在線性關系

CL=hsin(α-α0)=hsin(φ-ψ)

(4)

式中,h為槳葉所選翼型升力系數隨攻角變化的線性系數,當槳葉實度較小,可將翼型看作孤立翼型,h可根據對應二維翼型的試驗數據確定。當槳葉實度較大,則相鄰葉片的流動干擾不能忽略,則翼剖面不能視為孤立翼型,葉片提供的升力會因相互的干涉效應而減小,此時h可根據與翼型前進角的關系曲線進行修正[13]。

要建立εS和φ的關系,還需要求解(4)式中的sin(φ-ψ),由圖

(5)

則有

(6)

結合(2)～(4)式、(6)式,可得

(7)

由此可得到風扇槳葉安裝角ξ與旋轉系數εS的關系

(8)

1.2 風扇流量、壓升與安裝角的關系

在風扇設計的過程中,風扇提供的壓升可用無量綱形式進行表達,定義其增壓系數K與壓升ΔP、槳葉軸向速度U、氣流密度ρ及風扇氣動效率η的關系為

(9)

式中,槳葉軸向速度U可以通過氣流體積流量Q、風扇半徑R及槳轂比xb計算得到。

(10)

根據風扇設計理論[13],風扇旋轉系數εS與前進比λ存在如下關系

(11)

根據(8)～(11)式,可以得到風扇壓升、流量與其安裝角之間的關系

(12)

風扇提供的能量用于克服風洞回路的壓力損失,風洞的壓力損失可通過風洞回路損失系數ε及試驗段風速Ut計算得到

(13)

低速風洞內的氣流一般不考慮壓縮性,其試驗段的體積流量認為與風扇通道的體積流量一致。結合(12)與(13)式,可得

(14)

(14)式給出了風洞回路損失系數、風扇效率與風扇流量、安裝角之間的關系,At為試驗段面積。

風扇安裝角的調整一般對應風扇的最大轉速,結合風洞及風扇調試經驗,風扇安裝角調整前后,風洞試驗段風速的變化值一般在最大風速的15%以內,風洞回路各部段的氣體雷諾數變化不大。如果風洞洞體結構未發生變化,風洞回路的壓力損失系數ε在風扇安裝角調整前后幾乎保持一致。對于風洞內部的軸流風扇,通過精細設計,能夠使得風扇在設計點及設計點附近運行工況的氣動效率較高,風扇若是安裝角調整較小幅度,其調整前后對應的風扇氣動效率η認為一致,則系數ε/η在風扇安裝角調整前后可視為不變。

根據(14)式,結合風扇的設計結果(半徑R、實度σ、槳轂比xb、安裝角ξ0、所選翼型的零升攻角α0、線性系數h等)和風洞及風扇的運行數據(風扇最大轉速對應的角速度Ω、試驗段面積At、試驗段風速Ut0、試驗段流量Q0等),可計算出風扇安裝角調整前,風洞損失系數與風扇效率的比值ε/η。再將風扇安裝角調整后最大轉速擬對應的試驗段風速Ut1、Q1及根據風扇初始運行特性計算出的ε/η等參數代入(14)式,即可求出風扇的安裝角ξ1,風扇安裝角的調整量Δξ=ξ1-ξ0。

如果風扇安裝角調整前后,對應的風洞洞體結構發生變化(如增減穩定段內的阻尼網層數、加裝防護網、回流道加裝消聲器等),則風洞損失系數ε將改變,風扇在洞體改變前后運行的流量系數、壓力系數均會改變,風扇的氣動效率η就會因此而發生變化。在此種條件下,(14)式中的系數ε/η在風扇安裝角調整前后就可能不同。針對上述情況,可查詢風洞設計時的理論損失系數,并對洞體改變后的損失系數進行預估,同時還需根據經驗估計風扇效率的變化量,然后再將估算的ε/η代入(14)式,計算風扇安裝角的調整量,但這種方式的風扇安裝角調整量可能與實際值存在一定的誤差,存在多次迭代的過程。

利用此風扇安裝角調試方法,可免除風扇入口及出口多個截面的總壓測試,進而也避免使用測試所需的總壓排架、測壓管及電子壓力掃描閥等測試設備及測試儀器,達到調試目的。

2 應用舉例

某低速風洞主回路風扇調試過程中,未進行風扇入口及出口總壓的測試,采用上述的風扇安裝角調整方法,滿足了調試要求。

2.1 風洞簡介

該低速風洞既可承擔高層建筑、橋梁、高速運動體等風工程試驗研究,也可與循環水槽共同模擬海上風浪,進行船舶與海洋結構物風工程試驗研究。風洞分為2個回路,每個回路均配有單獨的風扇系統,主回路試驗段口徑(寬×高)為3 m×2.5 m,最高風速為60 m/s,次回路試驗段口徑(寬×高)為2.6 m×1 m,最高風速為30 m/s,風洞的三維模型見圖3。

圖3 風洞三維模型圖

2.2 風扇簡介

根據風洞氣動總體布局要求,風扇段布置在風洞主回路第一拐角段與第二拐角段之間,風扇直徑3.8 m,總長12 m,槳轂比0.5。風扇槳葉10片,采用G?797翼型,止旋片17片,采用NACA4415翼型,前支撐片與尾支撐片分別選用NACA0012和NACA0015翼型,數目分別為7和9。風扇額定轉速為600 r/min,對應的風扇槳葉葉尖馬赫數為0.35。為節省風洞運行功率,采用“任意渦”風扇設計方法[14]進行風扇槳葉、止旋片的氣動設計,風扇設計點壓升為1 667 Pa,設計點體積流量為450 m3/s,設計點氣動效率為83%。風扇段的三維模型見圖4,槳葉的設計參數如表1所示。

圖4 風扇三維模型圖

表1 風洞主回路風扇槳葉設計參數

2.3 風扇安裝角調整計算

該風洞在建成初期,對風洞主回路及其風扇性能進行了初步測試。風扇在設計的安裝角下,進行了不同轉速對應的試驗段風速測試,其中,最大轉速600 r/min對應的試驗段風速為57.8 m/s,對應體積流量為433.5 m3/s,風扇功率629 kW,未滿足風洞的最高風速要求。結合風洞綜合調試計劃,風扇的安裝角需要進行調整,在風洞其他部段不進行更換的條件下,安裝角調整目標是風扇轉速為575 r/min時,試驗段風速達到60 m/s。

根據任意渦風扇設計方法的理論及設計過程[14],選取槳葉展向平均位置(x/R=0.75)作為槳葉安裝角調整計算的徑向位置,對應的葉剖面安裝角ξ=30.53°。按照上述方法,將槳葉的槳轂比xb=0.5、試驗段面積At=7.5 m2、旋轉角速度Ω=62.83 rad/s(對應600 r/min)、試驗段體積流量Q=433.5 m3/s及風扇半徑等參數代入(14)式中,計算得到風洞損失系數與風扇效率的比值ε/η=0.884。根據初始條件計算出ε/η,將風扇安裝角調整后的目標流量450 m3/s、轉速575 r/min等參數再次代入(14)式,計算可得調整后風扇槳葉展向平均位置的安裝角為ξ=34.98°,在原基礎上增大4.45°。

風扇安裝角增大,槳葉各翼剖面的升力系數會增加,為判斷風扇在安裝角調整后的是否存在失速的風險,需要對槳葉翼型的升力系數進行校核。結合圖2及(3)、(4)、(8)式,可推導出安裝角調整后翼剖面的升力系數計算公(15)式。

(15)

結合風扇的轉速、流量等運行參數,根據(15)式,計算出風扇槳葉安裝角調整前后,徑向各位置的葉剖面升力系數。由于在風洞風扇設計過程中,槳葉徑向的升力系數一般呈單調分布,升力系數的最大值會在葉片的根部或者尖部出現,因此選取安裝角調整前后,槳葉根部、中部及尖部3個位置的升力系數進行分析,如圖5所示。由圖5可知,安裝角調整前后,風扇葉剖面翼型的升力系數從根部到尖部遞減。安裝角調整前,槳葉根部升力系數最大,為0.85;裝角調整后,槳葉根部升力系數最大,為0.973;均小于風扇槳葉選翼型的失速升力系數1.4。由此表明,增大槳葉安裝角后,風扇展向各位置翼型的升力系數均處于不失速的范圍內,調大4.45°對風扇運行而言是安全的。

圖5 安裝角調整前后,風扇槳葉展向升力系數

2.4 試驗驗證

在該風洞調試過程中,依據以上計算結果,將風扇10片槳葉的安裝角均調大了4.5°(調整中考慮了0.05°的工程余量),即調整后風扇槳葉展向平均位置的安裝角為35.03°,并進行吹風試驗。在風扇轉速為570 r/min時(比理論預測值575 r/min小0.9%),試驗段風速為60 m/s,風扇電機輸入功率為674 kW,一次性完成風扇安裝角的調試任務。圖6給出了風扇安裝角調整前后,風洞主回路試驗段風速與風扇轉速及風扇功率的關系,安裝角調整前后,試驗段風速與風扇轉速的線性度保持較好,風扇功率與試驗段風速均呈三次方的關系,相同風速下,安裝角調整前后風扇的運行功率基本一致,由此說明風扇安裝角調整前后,風洞回路的壓力損失與風扇氣動效率幾乎沒有變化,進而驗證了本文提出的風扇槳葉安裝角調試方法中,關于風洞損失系數ε與風扇氣動效率η不因風扇安裝角改變而變化的假設。

圖6 安裝角調整前后，風扇轉速、功率與試驗段風速關系

3 結 論

1) 依據風洞軸流風扇運行的特殊性,結合風扇二維葉素理論,以風扇效率η和風洞損失系數ε作為重要參數,推導出風扇流量與槳葉安裝角之間的固有關系,由此可以在不進行風扇壓升測試的情況下,依據風扇轉速與流量,理論預測風扇安裝角調整后的基本運行參數。

2) 針對某低速風洞主回路試驗段風速需要在風扇轉速為575 r/min時達到60 m/s的調試要求,利用本文所述方法進行風扇安裝角計算,理論預測的調整值4.45°,實際調整4.5°,最終風扇實際轉速在570 r/min實現了試驗段風速60 m/s的調試目標,雖然風扇實際轉速比既定轉速575 r/min小5 r/min,但0.9%的偏差在工程上是可以被接受的,本文所述的風扇安裝角調整方法完全能夠滿足低速風洞調試過程中風扇安裝角的調整需要。