航空電機自冷風扇安裝效應氣動影響研究

朱磊, 劉漢儒, 李林峰, 王世廣, 趙彥辰, 王掩剛

(西北工業大學 動力與能源學院, 陜西 西安 710072)

隨著未來多電/全電飛機的發展,電力能源應用和管理成為重要的研究課題,航空電機技術的發展得到了大量關注[1],高效轉化和輕量緊湊的航空電機成為關鍵研究技術,小體積、高功率密度成為航空電機的必然發展趨勢[2]。而小體積、高功率密度則意味著電機的散熱問題更加突出,過高的溫升將造成電機內電流過大、繞組過熱甚至使電機燒毀的結果,而良好的電機冷卻系統能使得電機繞組承擔更高的電流密度,提高電機效率。因此航空電機冷卻系統的性能成為目前限制電機向高功率密度方向發展的一個重要問題。

自驅動風冷冷卻系統的結構簡單,除風扇外需要的附加設備較少[3],便于維護,在對體積質量要求嚴格的航空電機中應用廣泛。對于采用自扇冷卻的電機,散熱風扇是其冷卻系統最為關鍵的部分,其氣動性能以及與電機匹配后實際工作性能將對冷卻效果的優劣起到決定性作用,直接關系到電機的壽命以及運行穩定性。因此,如何對風扇進行設計優化以及考慮安裝運行影響使其滿足氣動性能要求成為電機冷卻系統性能提升的關鍵。

針對風扇自身氣動性能的優化及設計研究較為普遍。國內學者江熒[4]對一種自扇風冷式電機的離心風扇進行了電機與風扇的耦合計算,并對風扇和流道同時進行了優化,但未考慮風扇與電機軸向間距對風扇的氣動影響。鄭軍[5]對YKK中型高壓異步電機進行了電機與風扇的耦合計算,重點對電機內冷卻結構進行了優化,但對風扇的性能和流動特性并未進行分析研究。楊愛玲等[6]對某軸流散熱風扇的葉片改變其前后掠角進行了三維流場數值模擬。唐濤等[7]則通過軸流風扇轉子流場的數值分析,研究出掠動葉片對轉子氣動特性及聲學特性的影響及其作用機理。鐘守山等[8-10]對發動機冷卻風扇進行了工作原理分析、設計及優化、數值方法計算以及實驗研究,形成了發動機冷卻風扇開發平臺。周建輝等[11]基于風扇參數化設計和數值模擬程序,分析風扇各主要結構參數對其氣動性能的影響,采用并行CFD方法,基于組合優化策略對風扇進行多參數結構優化。但以上研究均只對孤立風扇進行優化設計研究,并未考慮實際工作時風扇與電機緊密耦合串聯工作對風扇性能帶來的影響。Szogyen[12]指出電機冷卻系統的設計應是一個整體設計的過程,而非根據電機的結構和電機性能的經驗預測通過放大裕度最后選擇滿足性能的風扇。Anton等[13]通過不同孔隙率的孔板布置在風扇出口處以模擬節流效果,研究了節流效果對風扇性能的影響,研究表明,出口的節流效果會使風扇特性線出現明顯偏移。Li[14]通過實驗以及數值模擬針對小型軸流電機進行了整體研究,描述了電機與風扇耦合的流場細節流動情況,但風扇幾何較為簡化,忽略了葉片的幾何厚度并簡化為片體。李波等[15]對風扇串聯電機工作時的性能差異進行了研究,表明風扇與電機的串聯對其工作性能有極大影響。由此可見風扇的出口安裝畸變對風扇性能均有較大影響,風扇的運行工況往往偏離設計工況。對于風扇耦合電機運行來說,由于電機內部結構復雜且風阻很大,風扇與電機安裝后氣動性能影響研究對電機冷卻系統十分重要。

本文以某型航空起發電機為研究對象,分別仿真計算了孤立風扇以及風扇-電機耦合模型,通過對孤立風扇與風扇-電機耦合模型的風扇部件出口截面、流道內流結構以及安裝距離氣動影響對比分析,揭示電機風冷系統安裝效應對風扇的氣動影響機理。

1 計算模型及設置

1.1 孤立風扇模型的構建

本文的航空電機自冷軸流風扇設計參考了文獻[16],該冷卻風扇是根據電機風阻實驗設計的一個寬弦、大轉折角、高稠度的軸流冷卻風扇,葉片的彎扭設計可以較好地抑制二次流損失,風扇氣動設計參數如表1所示,風扇結構示意圖如圖1所示。

圖1 小流量高效率軸流風扇模型

表1 葉輪設計參數

軸流風扇計算網格由NUMECA中的AUTOGRID5模塊生成,網格劃分采用O4H型網格結構。使用ANSYS CFX軟件進行氣動計算,風扇轉速設置為10 800 r/min,進口邊界給定2個參數:總壓與總溫,固體邊界上采用相對無滑移邊界條件,且壁面絕熱,孤立風扇出口邊界條件為根據耦合計算結果得出的風扇出口面平均靜壓。選用對近壁面自由流有著更高計算精度和適用范圍的SSTk-ω湍流模型,網格近壁面處y+值小于5,網格節點約50萬。

1.2 風扇-電機耦合模型

軸流風扇安裝在航空電機前段,風扇尾緣距離電機入口截面25 mm。該發電機結構主要包括主發電機、主勵磁機永磁副勵磁機、轉軸和殼體,由于實際電機幾何復雜,為后期網格劃分以及數值模擬計算方便,對電機進行了簡化:①將電機內的鐵芯視為一個整體;②定子繞組等效為一個長方體,并與定子鐵芯視為一體;②忽略鍵槽連接結構、螺絲螺母螺釘結構、溝槽以及其他對流動和傳熱影響甚微的不規則結構。簡化后的風扇-電機耦合模型如圖2所示,圖中1,2,3為冷卻氣體流道。

圖2 風扇-電機耦合模型示意圖

電機流體域網格采用商業軟件ANSYS ICEM進行劃分,由于電機內結構是軸對稱體,為減小計算量,采用電機的四分之一結構進行網格劃分,流體域網格節點數約1 500萬,y+值在10以內。風扇-電機耦合模型網格是由電機網格與孤立風扇網格拼接而成,計算模型如圖3所示。模型采取單通道計算模擬方法,采用ANSYS CFX進行計算,固體壁面采用無滑移邊界條件,電機轉子壁面設置為旋轉邊界條件,轉靜交界面采用凍結轉子法。

圖3 耦合計算域

1.3 數值方法驗證及網格無關性驗證

為了校驗本文所用數值計算方法的精確性,采用了NASA公開標模Rotor 37的實驗數據與文獻[18]Rotor 37數值計算結果進行驗證。文獻[18]中Rotor 37的數值計算方法與本文所采用數值計算方法一致,與NASA Rotor 37總壓比-流量特性實驗結果[17]以及公開文獻中Rotor 37數值計算結果[18]的對比如圖4所示。本文數值計算結果與實驗結果的趨勢特征保持一致,與實驗的整體誤差小于3%,并略優于文獻[18]的計算結果。Rotor 37的結果對比表明本文采用的數值方法較為準確,適用本文風扇計算。

圖4 Rotor 37總壓比-流量特性對比

本文對孤立風扇以及風扇-電機耦合模型網格分別進行了網格無關性驗證。表2和表3分別為孤立風扇模型和風扇-電機耦合模型用不同網格量計算得到的結果,選用總壓升系數做為評判依據。綜合考慮網格疏密對模型氣動的影響,選用了328萬網格量的孤立風扇模型與1 866萬網格量的風扇-電機耦合模型進行數值計算。

表2 孤立風扇采用不同網格量得到的計算結果

表3 風扇-電機耦合模型采用不同網格量得到的計算結果

2 結果分析

風扇-電機耦合工作時,風扇出口與電機入口緊密安裝,葉片尾緣距離電機入口僅為2/3倍弦長,電機的存在導致風扇出口出現如圖5所示的截面積突變,并不是單純的背壓堵塞影響,而這也將對風扇出口參數以及風扇通道區域內的流體流動產生影響。

圖5 風扇出口不均勻區域

2.1 電機對風扇出口截面流動影響

圖6分別給出了孤立風扇和風扇-電機安裝后風扇出口截面靜壓分布云圖,電機對風扇在周向和徑向上造成的壓力分布規律的影響很大,即在風扇出口造成總壓分布規律顯著改變,失去旋流特征。在出口徑向總壓分布規律改變的條件下,隨著流動的發展,必然會存在靜壓分布規律改變,最終導致產生徑向壓力梯度引起氣流徑向流動,改變徑向速度,形成二次流。這種效果不是簡單的孤立風扇施加均勻背壓條件所能夠代表的,體現了非常強烈的部件上游影響作用。

圖6 風扇出口靜壓分布

由圖7速度矢量分布圖可以看出,在電機安裝的影響下,在近輪轂處存在明顯回流,且范圍較大。電機堵塞造成氣流沿周向流動加劇,流速隨半徑增大而增大,風扇出口壓力也因此沿徑向呈規律性分布。

圖7 風扇出口截面速度矢量

為了了解風扇出口畸變的影響,圖8給出了風扇出口截面軸向速度分布云圖。可以看出,孤立風扇旋轉時,出口軸向速度呈周期性旋流分布規律,而風扇-電機出口截面軸向速度基本呈周向均勻分布規律,且由于電機結構問題,葉根處軸向速度為負值。整體來看,由于電機對風扇流通能力的節流影響,風扇-電機耦合結構風扇出口截面的軸向速度較孤立風扇出口軸向速度小,且回流區面積更大。

圖8 風扇出口截面軸向速度分布

2.2 電機對風扇通道流動的影響

風扇出口的畸變勢必造成風扇流道內的流動結構和特征改變,為研究電機結構造成的出口畸變對風扇氣動性能以及風扇通道流場帶來的影響,圖9給出了風扇葉片在有無電機安裝影響時吸力面極限流線圖。相對于孤立風扇,可以看出,風扇-電機耦合結構主流速度減小,且速度方向偏離了軸向,這意味著主流的動量損失極大,風扇的做功能力變弱,這是風扇出口面積突縮使得流動堵塞造成的結果。

圖9 吸力面極限流線對比

另一方面,在葉片尾緣處的角區分離范圍也從葉中發展到了全葉高,由此可見,對于風扇內流動結構的改變而言,出口處緊密安裝電機不僅僅相當于背壓提高,還具有電機結構造成的阻塞影響。

為了觀察不同葉高截面的流動情況,圖10給出了2種算例的不同葉高截面馬赫數分布云圖,其中箭頭所指為流動方向,A代表孤立風扇算例葉片尾緣距離計算域出口的距離,為1倍弦長,B代表風扇-電機耦合模型中葉片尾緣距離風扇電機交界面的距離,為2/3倍弦長。由圖可以看出,10%葉高處孤立風扇計算結果中葉片通道主流區(紅色虛線處流道位置)的速度沿流動方向逐漸減小,而風扇電機耦合計算結果中葉片通道主流區的速度先減小后增加。50%與90%葉高處也呈現出類似的規律,且耦合計算在不同葉高處,流道內均出現明顯的低速區,出口處流速降低。

圖10 不同葉高截面馬赫數云圖

圖11給出了2種結構在不同葉高截面的流線圖。從圖中可以看出風扇在孤立狀態下,在10%葉高處,流道出口在加入電機之后,風扇葉根出口產生回流且回流的速度方向與葉片旋轉平面的夾角大于孤立風扇時的夾角,而風扇-電機耦合工況在主流區形成的渦橫亙整個流道形成大面積堵塞。在50%葉高處流動特性區別更加明顯,風扇單獨運行時流動順暢,整個流道內氣流速度方向均滿足預期的速度三角形,而風扇-電機耦合工況下,氣流從進口開始就產生了畸變,在流道內的速度方向幾經改變,形成了對主流影響極大的二次流,導致了葉中流體動量的嚴重損失。在90%葉高處可以看出,由入口開始,氣流速度方向的改變明顯,且風扇攻角呈較大的正攻角,流經葉片吸力面的流體部分又繞過下一葉片前緣進入另一流道。在葉根的回流和葉中以及葉高的堵塞共同作用下,風扇流道內的通流流量急劇減小。

圖12給出了不同葉高下葉輪前緣和尾緣的速度三角形示意圖,圖中黑色箭頭代表孤立風扇時的速度三角形,紅色箭頭代表風扇-電機耦合時的速度三角形。從圖中可以看出,風扇-電機耦合運行時,出口畸變的影響從出口處逐步蔓延至上游流場,在輪緣速度不變的情況下,切向速度和軸向速度的變化直接導致風扇進出口相對氣流角的改變。

圖12 不同葉高進口速度三角形

由圖13的部件安裝耦合流動原理圖可以看出,風扇出口出現流速較低這一現象,是由于電機內流場中的渦系使風扇出口形成堵塞以及回流造成的。上述流場及氣動性能分析可以歸結為兩點。①風扇在實際工作情況下,電機的存在相當于風扇出口處的背壓提高,使得風扇的工作點進一步向近失速點逼近,流量及氣流軸向速度均減小;②電機流道的突縮突擴結構在風扇出口造成了流動畸變,使得氣流無法順利流通, 堵塞的流體逐漸堆積并與風扇排出的流體不斷摻混,當達到平衡狀態時,出口段氣流的二次流速度(非軸向速度)大于軸向速度,這種出口二次流也嚴重影響風扇葉輪的做功能力。

2.3 電機對風扇周向流動的影響

為了了解流動的周向特征影響,圖14展示了90%軸向弦長處周向速度馬赫數云圖分布。根據圖中馬赫數云圖分布的A處可以看出風扇孤立工作時的周向速度整體大于耦合工況,隨著半徑增加,風扇在孤立運行時,速度在葉中主流區最大,葉片對氣流加工能力較強。而耦合運行時,風扇在葉中主流區動量減小且梯度較大,電機在下游有一定的堵塞效應,使得在風扇出口葉高15%～50%處出現了渦流,因此在風扇90%軸向弦長葉中通道出現了大尺度低速團。針對局部流動特征來看,耦合運行時,由于出口壓力提高,沿徑向壓力差較大,形成了間隙潛流,加之在90%弦長處,角區分離區域為全葉高,間隙潛流與角區分離中上洗的附面層摻混,形成了葉頂的間隙渦,同時由于角區分離形成的葉根通道渦也極為明顯。

圖14 周向馬赫數分布云圖

2.4 電機與風扇的軸向間距對風扇氣動影響

電機與風扇之間的安裝距離在受限空間內的變化對風扇和電機之間的耦合影響需要進一步分析。考慮電機實際需求,改變葉片尾緣距離電機入口的距離,以30,40,50,60,70以及80 mm等不同距離進行耦合影響研究(弦長為60 mm)。工況與邊界條件、數值計算設置與上文風扇-電機耦合一體化計算一致。

本文所采用風扇無量綱總壓效率定義為

(1)

式中:pt2和pt1分別為出口和進口總壓;Q為出口體積流量;N為轉子葉片扭矩;ω為轉子角速度。總壓升系數為

(2)

式中:ρ為流體密度;ut為轉子葉尖線速度。流量系數的定義為

(3)

式中,va為進口處氣流軸向平均速度。

圖15給出了不同軸向距離與風扇流量系數、總壓升系數以及總壓效率的關系。

圖15 不同軸向距離風扇流量系數、總壓升系數及總壓效率

從圖中可以看出,流量系數和總壓效率隨著耦合距離的增加而增加,總壓升系數則隨著耦合距離的增加而降低,這是因為隨著耦合距離的增大,風扇出口處的堵塞效應變緩,風扇出口背壓減小,氣流量隨之增大,從各系數的數學定義式也能夠分析得到。

將流量系數、總壓效率以及總壓升系數隨風扇耦合距離的變化結合表示在風扇氣動設計的特性圖上,如圖16所示分別為壓升-流量、效率-流量特性線。

圖16 風扇總壓升系數工況點偏移示意圖

圖16的風扇-電機耦合工況點與圖15中的風扇-電機耦合工況點相同,即葉片尾緣距離電機入口40 mm。孤立風扇工況點代表風扇出口邊界條件為根據耦合計算結果得出的風扇出口面平均靜壓參數時的工況點。

由圖可知,隨著耦合距離的增加,風扇-電機耦合模型總壓升系數工況點有著向孤立風扇背壓減小工況點偏移發展的趨勢,風扇-電機耦合模型總壓效率工況點也同樣有著向孤立風扇背壓減小工況點偏移發展的趨勢。這意味著,隨著安裝距離的增大,由于風扇與電機的耦合影響效果逐漸減弱,風扇出口畸變和電機旋流進口效應減弱,若距離增加到一定程度,則耦合影響效果將僅為均勻背壓堵塞效果。這也充分說明,冷卻風扇實際安裝后的運行工況點并非接近設計點,往往偏離較大。而受限于安裝空間,緊湊耦合影響難以避免,因此需要更為精細考慮實際安裝效應的風扇氣動設計,達到更為高效緊湊的冷卻效果。

3 結 論

本文對某型航空起發電機自冷風扇結構進行了數值仿真,分別研究了孤立風扇和風扇-電機耦合結構下對風扇流動的影響和特性變化,得到了以下結論:

1) 由于電機在風扇下游的緊湊安裝,電機結構對風扇造成了阻塞影響,風扇出口背壓增大,使得風扇通道內主流速度減小,且速度方向偏離了軸向,使得主流動量損失極大,風扇做功能力變弱,這使得相較于孤立風扇,風扇-電機耦合模型通道內流量降低,總壓效率降低。

2) 電機在下游使得風扇出口截面產生徑向壓力梯度并引起氣流徑向流動,形成二次流,造成風扇出口畸變。對上游流場造成顯著干涉作用,使流場出現葉根回流和葉中通道渦,角區分離面積出現擴張。同時,使得葉片表面附面層產生不穩定流動,造成主流區的通道渦。電機在風扇下游的存在造成了風扇流道內不穩定流動,使得流動損失增大,風扇做功能力變弱。

3) 隨著風扇與電機耦合的距離增加,風扇進出口的總壓升減小,通道內流量增大,風扇總壓效率增大,電機對風扇內的流動影響減弱,當耦合距離增加到一定程度時,風扇-電機耦合對風扇帶來的影響才為均勻背壓堵塞效果。進一步考慮實際安裝效應的冷卻風扇精細化氣動設計對于提高冷卻系統效能非常重要。