葉片不同彎折角對高速斜流風機氣動性能的影響

徐 鵬，李 斌

（1. 海軍裝備部駐大連地區軍事代表室，遼寧 大連 116000；2. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

當前船舶領域，離心通風機作為通風、換氣、除塵、采暖、輸送易燃易爆等方面作用巨大，是船舶輔助保障系統的重要設備之一。在某些特殊環境下，如空間站、海上船舶等其他空間受限等場所，特別是高新技術領域對艙室環境和其他通風場所有非常高的要求，往往需要風機在壓力、效率、體積、重量和噪聲等多方面互相兼顧，而這些參數間往往存在制約關系，所以做到“魚和熊掌兼得”非常不易。斜流風機比轉數介于離心和軸流風機之間，性能涵蓋范圍廣，兼具兩者流量系數大、效率高、壓力系數高、工作范圍廣等特點，并且重量輕，調節性能好。研究表明斜流風機產生的徑向能夠有效的抑制葉頂間隙泄漏渦的破裂，氣流在流道內沒有較大范圍的方向變化，加大流速也不會產生其他明顯的額外損失，這就為斜流風機提高轉速提供了理論依據。風機葉片的不同展弦比結果表明，減小展弦比能有效增大風機在低轉速區域的工作范圍，增大了風機的可調節范圍，同時對風機整體的全壓和效率也有明顯的提高，同時被動控制法可以有效地消除風機在小流量條件下的不穩定問題[1-3]。不同葉頂間隙條件下葉型和圓弧斜流葉輪的間隙流動，表明葉輪葉頂間隙形成的泄漏流對葉輪的性能和出口流場有決定性的影響[4]。風機的研究方向眾多，特別是對葉片的研究已取得一些成果，但目前對葉片彎折角研究尚屬欠缺，本文對高速斜流風機葉片不同彎折角結構進行研究，通過CFD計算和試驗手段證明葉片的不同彎折角結構能有效地改善斜流風機尾部流場的渦結構，提高風機整體性能。

1 流體域提取和網格劃分

1.1 流體域提取

本文為保證流體在流道內的壓力能夠充分展現，并確保其計算的準確性，在葉輪進出口的兩側分別延長進氣和排氣出口。風機葉輪外徑330 mm，經多次數值模擬計算以及試驗驗證，進口延長段軸向長度取風機葉輪外徑的3 倍為990 mm，風機系統出口延長段軸向長度取風機水力直徑的4倍為1 320 mm。

風機葉輪流體域的提取采用Ansys Workbench中的Geometry模塊，對葉輪進出口的interface面進行人為修補，以保證流體域的完整性，包括后續的導葉、擴壓器、支架的流體域處理，均采用相同方法。本文設定葉輪進口截面輪轂的中心位置為計算域的坐標原點位置，以Y軸為計算域的旋轉對稱軸。斜流風機整體流體域見圖1。

圖1 斜流風機整體流體域

1.2 網格劃分

在數值模擬中，能否合理劃分網格對計算結果的精確性而言是至關重要的，尤其是對于較復雜的模型，絕大多數工作都集中在網格的劃分上[5-7]。本文中的斜流風機計算域主要由3個部分組成：進口延長區、葉輪旋轉區和出口延長區。劃分網格時，為更好地捕捉不同計算區域內的流動特點，風機流體域進口延長段和出口延長段都采用正交性較好的六面體結構網格[8]。圖2為風機出口延長段結構性網格劃分示意圖。

圖2 出口延長段結構性網格示意圖

非結構化網格單元和節點數量沒有固定的規則，除了每個單元的幾何信息和節點必須存儲在外部以外，與該單元相臨的單元的編號也必須作為關聯信息存儲起來，這大大增加了計算資源，非結構網格常用的計算方法有前沿推進法和B-W法等[9-11]。由于葉片前緣和尾緣幾何型線曲率大，對葉輪葉片網格的劃分需設置更多結點細化網格，從而降低網格的扭曲度，以便更好地捕捉葉片壁面附近的流動狀態，保證網格質量。除此以外，風機集流器、葉片葉頂間隙、非常規葉型、散熱筋和后支架等結構的變化率也都較為顯著；同時，本文還在機殼處做了特殊的機匣處理，這些都將對生成的網格質量提出更高要求。本文對動葉、導葉、擴壓器、電機端蓋和后支架部分也進行了網格加密處理，圖3和圖4分別為葉片、擴壓器散熱肋片和后支架網格加密示意圖。

圖3 葉片局部網格劃分示意

圖4 擴壓器和后支架局部網格加密示意圖

1.3 數值模擬驗證

網格無關性驗證是進行數值模擬計算前的一項重要工作，快速準確的數值模擬結果往往是建立在合理的網格數目基礎上的。網格數量偏少時，捕獲信息量往往較少，難以精確描述流體在內部的真實流動情況，會使計算結果偏離準確值。當網格數量達到一定數值之后，網格數量過大對提高計算精度影響甚微，徒增計算時間和資源。因此，在探究風機和內部流場特性之前，首先要進行網格無關性驗證。由圖5可知：當網格數量在500萬左右時，壓力和效率分別達到3 040 Pa和76.8%，繼續增加網格數量，結果不再發生明顯波動；計算結果和計算資源之間達到最理想效果，此時認為網格數量達到最佳效果。

圖5 網格無關性驗證結果

為驗證數值模擬方法的準確性，需對設計風機進行氣動性能試驗驗證，試驗臺的搭建依據國標《工業通風機用標準化風道進行性能試驗GB/T 1236—2017》，選擇試驗臺裝置類型為B型[12]，出口段采用錐形節流裝置。靜壓測量壓力變送器量程為0 Pa～5 000 Pa，測量噴嘴前后壓差變送器量程為0 Pa～5 000 Pa，風機轉速測量裝置為激光測速儀，其余測量裝置包括溫濕度傳感器、噪聲儀和控制器等，試驗裝置見圖6。

圖6 B 型裝置示意圖

在不同工況下，分別對斜流風機進行數值模擬，將試驗得到的結果和現場試驗進行比對，圖7為斜流風機風洞性能試驗所得流量-壓力性能曲線和數值模擬計算所得性能曲線的對比圖。

圖7 數值模擬驗證

由圖7可知，風扇全壓-流量曲線的試驗數據和模擬數據總體趨勢吻合。隨著流量逐漸增大，模擬全壓與試驗壓力之差也逐漸增大，最大誤差控制在5%以內。由此可以證明數值計算中所設置邊界條件的正確性，且流場分析具有一定的可靠性。

2 葉片不同彎折角的數值模擬研究

影響葉片性能的因素眾多，而風機葉片的研究對提高整機性能具有深遠意義，特別是彎掠葉片在氣動性能上的優勢，也為提高航天飛機動力螺旋槳和壓氣機效率提供了可能。在壓氣機中，軸向擴壓器的葉片彎折角達70°，較大的彎折角是為了把氣流扭為軸向。方堪羨等[13]對尾緣彎折角對寬攻角范圍渦輪葉片氣動性能影響的數值研究表明，尾緣彎折角變化影響渦輪葉柵表面靜壓系數分布，當尾緣彎折角增大時，吸力面最低靜壓略有降低，載荷后移。第3節主要對高速斜流風機葉片的不同彎折角進行對比研究，為風機葉片的優化方向提供一定參考。

2.1 彎折角定義及模型建立

風機葉片的葉型參數是風扇設計優化的基礎和重要參考標準，葉型參數示意圖及部分定義見圖8和表1。

表1 名稱解釋說明

圖8 葉型參數

為研究不同彎折角對風機氣動性能的影響，保證其他參數不變的情況下，以10°為間隔跨度，單獨對彎折角為8°、18°、28°、38°和48°的風機進行研究，圖9為部分彎折角對比示意圖。

圖9 部分彎折角對比示意圖

2.2 不同彎折角對風機性能影響分析

圖10中，在Q＜3 000 m3/h小流量工況下，不同彎折角對各斜流風機全壓數值相差不大，曲線走勢基本相同；但彎折角在48°時全壓最小，曲線數值也略低于其他4組。由此表明：在小流量區域范圍內，彎折角對全壓影響不大；隨著流量增大，在3 000 m3/h＜Q＜4 500 m3/h時，彎折角減小，風機壓力曲線明顯上升，增壓作用明顯。彎折角減小至8°時，壓力曲線雖有所降低，但仍高于其他風機；在4 500 m3/h附近時，彎折角為8°和18°時的風機全壓達到最大值；Q＞4 500 m3/h時，彎折角為8°和18°時的風機壓力曲線急劇下降，其他3組風機曲線開始上升；當流量在設計點5 250 m3/h時，壓力達到峰值，且隨著彎折角增大，最高點持續升高，這表明彎折角的增大有利于增大風機壓力。當流量大于6 500 m3/h時，彎折角為38°和48°時的風機壓力開始低于彎折角28°的風機，性能曲線基本重合。從整體曲線走勢來看，彎折角增大，壓力峰值點右移，最大差值相差490 Pa。

圖10 不同彎折角風機流量-全壓曲線

綜上可知，在小流量范圍內，較小彎折角有利于壓力提升；當流量增大時，壓力峰值點右移，且隨著彎折角增大，壓力持續升高。

圖11中，流量小于3 000 m3/h時，效率曲線基本重合；3 000 m3/h＜Q＜5 250 m3/h時，彎折角18°的風機效率始終最高，并隨著彎折角增大，效率持續降低；當流量Q＞5 250 m3/h時，效率隨流量單調遞減，此時彎折角28°的風機效率最高。由此表明：從最佳效率流量點到大流量范圍區間內，偏離彎折角28°時，無論彎折角增大還是減小，均不能提高風機效率。

圖11 不同彎折角風機流量-效率曲線

2.3 內部流場分析

高速斜流風機轉速較高，內部流動情況復雜。為方便對風機內部進行流場分析，在三維笛卡爾坐標系下，選取額定轉速5 800 r/min和進口流量1.75 kg/s的工況，對不同彎折角葉片表面壓力進行分析，見圖12。

圖12 不同彎折角風機葉片壓力分布圖

由圖12可看出，在壓力面上，從葉頂到葉根處，徑向方向均存在不同程度的壓降，從葉片前緣到尾緣處壓力逐漸升高，這一現象將葉片分為2個區域：1）前緣部分的低壓區；2）50%葉高的尾緣高壓區，該區域的面積大小反應葉片的做功能力和風機通流能力。

彎折角從8°～28°變化的過程中，隨著彎折角不斷增大，壓力面上高壓區的面積逐步擴大。彎折角在28°時，高壓區面積已擴展到50%葉高附近，這表明彎折角的增大有利于壓力面壓力的提高；彎折角繼續增大，38°時，壓力面上壓力開始略有減小；但到48°時，壓力又明顯開始升高，表現出不規律特性。在最佳工況點時，5組風機全壓最大差值為1 050 Pa，效率相差3.8%，結果見表2和圖13。彎折角為8°時，風機壓力最低為2 260 Pa，彎折角較小，風機葉型的特性沒有得到充分利用，導致壓力不高；隨著彎折角的增大，壓力明顯升高，說明彎折角過小不利于葉片載荷的形成。當角度達到28°時，壓力為3 040 Pa，但均低于除彎折角為8°以外的其他3個風機全壓，這表明效率最高的彎折角所對應的壓力并不是最佳點。從效率上來看，最高效率點并未出現在全壓最高的48°彎折角上，彎折角不斷增大，導致風機轉矩也隨之增大，這是導致風機效率不高的根本原因。

圖13 不同彎折角全壓和效率圖

表2 不同彎折角全壓和效率數值

高速斜流風機常出現邊界層分離和回流現象，特別是在葉頂和角區附近，常伴隨著巨大的能量損失。由于斜流風機的輪轂特殊結構，從進氣口到出氣口的過程中，流道面積收縮，主流速度逐漸增大，這一特性通常又加劇了二次流和分離現象的產生。氣流產生分離的原因在于：開始時，邊界層的內部壓力等于邊界層外主流中的壓力；主流中攜帶的巨大的能量傳遞給邊界層，邊界層內流體克服機匣和外部風筒的摩擦力從而不受影響繼續向前運動，繼而帶動邊界層流體繼續流動；在斜流風機中，風機管道通流部分的流動具有擴壓性，經過葉片并做功后，主流沿著流道方向壓力是逐漸增大的過程，而速度則不斷下降；由于克服摩擦導致主流部分能量不斷減小，當減小到一定程度時，主流不能傳遞給邊界層足夠的能量使其克服摩擦力繼續向前運動，分離便開始產生，并隨著流動分離程度逐漸增大。在具有分離和回流的情況下，分離損失占據主導地位，摩擦損失成為次要因素。因此，要消除回流和能量的損失，增大主流通流能力，減小擴壓度并且使速度下降的速率進一步降低。

彎折角的變化將在在相鄰兩葉片形成的單流道中改變通流面積的變化，見表3。當彎折角增大時，流道截面積也相應開始增大，進入流道內的流體速度則會減小；通流面積越大，流體速度下降率則會越大，同時導致壓升也相應增大。反映到各風機具體的全壓數值上，也說明了這一點，一定程度彎折角的增大有利于風機全壓的提高，且流動相對平穩。彎折角過小會使流道截面積減小，導致壓升緩慢；當彎折角減小到一定程度時，會導致全壓下降，同時使得流體極易發生分離。從壓力面和吸力面上來看，彎折角的變化應盡量滿足抑制吸力面回流的產生，降低擴壓度，減小分離區和渦系的靜壓升幅度，減少能量損失。

表3 各風機單流道幾何參數

風機葉輪和導葉形成的級是由無數半徑不同的基元級所構成，沿不同高度基元級的流動情況各不相同，氣流旋繞隨著葉高半徑變化時，其氣動性存在差異，但在半徑相同時，默認流動條件是相同的。葉片從葉根到葉頂，做功能力逐漸增大，高壓區主要在葉片中上部，選取此區域作為研究對象能反映出葉片實際做功能力。

圖14是70%葉高葉片載荷分布圖，在前緣處壓力面和吸力面極值點的壓差最大，通常這個范圍很小，對整體葉片載荷所起作用有限。當彎折角為8°時，順著氣流方向的載荷主要集中在葉片弦長60%處，但壓力面的壓力普遍較低，且范圍較小，吸力面負壓數值也較高，兩者壓差并不大。葉片彎折角較小時，葉片表現出來的幾何特性是趨近直葉片，流體經過葉片時，形成的附面層效應明顯，摩擦損失和尾跡渦流損失較大。由于壓力面與吸力面之間的壓力差較小，葉片端面存在邊界層，壁面附近氣流的壓力與主氣流的壓力相同，速度接近于0，氣流的轉向能力減弱。

圖14 70%葉高葉片載荷

彎折角為18°時，曲線所包含范圍增大至80%，壓力面和吸力面的差值也明顯增大，全壓比彎折角為8°時的增大36.7%，這說明以葉片彎折角越靠近前緣，越不利于壓升的提高，彎折角28°時，范圍雖減小，但壓力面和吸力面差值的增大成為壓升的主要來源。對于彎折角38°和48°的風機，兩葉片載荷表現相似，但48°彎折角表現出來的全壓數值最高，這與數值模擬的結果也一致。

70%葉高葉片載荷研究表明：在設計值28°時，單從壓力上來看，彎折角并沒有達到最理想效果；增大彎折角至48°時，壓力比設計值增大8.9%，但效率反而降低3.4%。很顯然，這兩者存在此消彼長制約關系。綜上，從性能曲線和內部流場來看，28°彎折角為最佳數值。

3 結論

針對8°、18°、28°、38°、48° 5種不同葉型彎折角進行的研究表明：彎折角增大，最高效率點向大流量工況偏移；當彎折角超過一定值后，流道擴壓度過大，小流量工況流動分離明顯，壓力迅速下降，風機高效區范圍變窄。

由此可見：彎折角變化對效率影響不大，但彎折角變小則壓力降低。內部流場分析表明：彎折角過小將不利于葉片加載，彎折角過大則有利于高效工況區間的拓寬。