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上风风机-完全可逆轴流风机的设计与优化
[2018/4/20] |
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许多场合要求轴流风机能完全反转反风[1-3] ，如地铁、隧道、矿井和地下工程等。可逆风机承担着地下空间与外部自然空间的气体交换工作，特别在事故工况下，例如列车阻塞和突发火灾时，需要风机进行应急反向送风，而且要求风量、风压与正向工作时相当，因此，地下工程通风系统配置的基本都是可逆转式轴流风机。随着各大城市地铁建设的不断发展，可逆风机的需求越来越广泛，研发一种正反向通风效率都较高的可逆风机成为很多学者致力实现的目标。李俊超[4-7]等在国内率先提出了一种采用普通翼型反向搭接构成可逆风机新翼型和一种S形反向对称翼型，并采用优化方法开发出了可逆风机。随着经济发展，我国的地铁和公共隧道里程大大增加，对各种可逆轴流风机的需求量也相应增大。原有的可逆地铁风机设计技术不能完全满足要求，相应的改进也不断出现。
S翼型在可逆风机的设计中由于叶型的后半段无论是正向还是反向流动都不符合流动规律，因此其效率难以得到大幅度的提高，而组合叶栅相对于S翼型在升力系数和失速攻角范围都有了很大程度的改善。当前后排叶片的轴向重合度为30%~50%时，组合叶栅的气动性能明显得到改善，这是因为前列叶片背弧面的分离点明显后置。由于前列叶栅的环量诱导作用，气流产生转折，减小了进入后列叶片的攻角，使得后列叶片能够与前列叶片一起，各自在最大升力系数附近的攻角下工作，因而，以这种方式将前后叶栅进行组合，能够使前后列叶片各自在最适宜的工作条件下工作，从而使得组合叶栅整体性能的优势得到充分体现。但是，目前组合叶栅依然存在叶型简单、负荷低、运行效率低等问题，然而毋庸置疑，在可逆风机的叶型设计中它应该是一种应用潜力非常大的叶型。关于组合叶栅的优化设计值得进一步花大力气进行研究，本着这样的目标，本文开展基于组合叶片的可逆轴流风机的设计和优化，以期设计出一种具有更好可逆性能的完全可逆风机。
1 单转子设计与性能模拟
1.1 单转子气动设计方法介绍
1.1.1 设计方法
为了抑制叶根区强烈的旋涡流动和减少分离损失，使风机效率、风量和风压达到设计要求，采用可控涡扭向规律的设计方法，把加功量集中在叶中区域，而叶中区域可以视为无粘区，其二次流损失非常小。按照这样的思路，可以根据以下步骤来设计扭向规律：
1） 首先根据设计流量值，由等环量规律计算出风轮扭速ΔCu沿叶高的分布。
根据中、尖部加功量加大，根部加功量小，等环量值进行适当地修正。原则是，叶尖部分增加的少一点，因为这里有较大的圆周速度，稍微增加一点，产生的效果就相当明显；叶根部分可适当多减少一些，因为这里的圆周速度较低；叶中部分增加到合适的程度。
2） 由ΔCu（r）的确定方程、基元级压升方程以及简化径向平衡方程三方程联立，求出相应的轴向速度沿径向的分布Ca（r），来保证流线的稳定性。另外，用流量Q确定这种扭向规律下Ca（r）方程中的积分常数。最后用加功量和流量Q来检验是否达到总的压升和流量的设计指标。
对于这些参数进行无量纲化：
式中：脚标t表示叶片尖部的参数；u为圆周速度；p为压力升。得无量纲方程组如下：
解上述方程组，其中积分方程的解中有常数项，通过流量连续Q确定这种扭向规律下Ca（r）方程中的积分常数。
图1 ΔCu沿叶高的分布图
1.1.2 计算机辅助设计系统
计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)的应用，可以大大提高产品的设计工作效率和质量。因此，为了加快风机的设计进程和设计水平，本设计应用了风机CAD系统，包括气动设计、几何造型和CFD特性网图计算。整套的CAD系统流程见图2。
图2 CAD设计流程图
1.1.3 气动设计和几何造型
在本气动设计的初始阶段，采用简化径向平衡方程基础上的变环量设计方法，即在丰富的经验数据基础上，利用对沿叶高环量的控制，增加加功效益，提高叶片的气动效率。
1） 根据流量Q、设计全压p及转速n，由经验公式可确定合理的外径和轮毂比；
2） 在叶片气动设计上，考虑风机内部流场近似于圆柱面流动，因此采用简单径向平衡方程设计方法，扭向规律按照可控涡设计，控制环量沿叶高分布的初值，则按经验模型给出；
3） 根据ΔCu（r），Cu（r），ΔCa（r）的算出，可由速度三角形关系式计算出各截面的气动参数。由叶栅稠度的选定(查低速叶栅特性图)以及经验落后角公式，并经过反复迭代计算，最终得到叶栅气动结构参数和叶型几何参数。
1.2 叶轮基本设计参数选取
以某一可逆风机设计指标为例，设计指标：全压320～820Pa，流量6.8～17.5m3/h;直径为0.9m、正反向的风量全压和功率基本一致，正反向效率大于76%；考虑到组合叶片无论正反向工作时后排叶片不可避免的损失，单转子设计指标：压升900Pa，流量10m3/h，效率90%；转速1 450r/min，外径900mm。
具体设计参数选择如下。
1） 最优轮毂比选取：d=0.65
2） ΔCu的选取:
等环量设计——12.2(尖)；14.78(中)；18.76(根)
可控涡设计——12.2(尖)；15(中)；17.8(根)
3） 稠度： 0.463(尖); 0.663(中);1.02(根)
4） 积叠方式：按叶型前缘线进行弯掠积叠
5） 叶片数:11
三维造型见图3。
图3 单转子叶片图
1.3 单转子气动校核
数值模拟程序采用商用软件ANSYS/CFX求解三维流场，求解器是CFX-Solver Manager，可以完成二维/三维的欧拉方程/N-S方程粘性求解。基于对低速压缩机内部流动的充分认识，数值模拟中采用了轴对称假设，对通风机转子进行单通道三维粘性定常计算。求解方程为雷诺平均的三维粘性N-S方程，差分格式采用了二阶精度的迎风格式，湍流模型选用k-epsilon模型，前后级之间的连接面上采用周向平均的数据传递方式。
1） 计算网格与边界条件
计算网格由NUMECA软件中的AutoGrid5模块生成，图4和图5为计算网格的子午面流道及叶轮转子壁面网格，叶轮带有1mm的叶尖间隙，网格数共约22万，网格正交性>15°，延展比<3，长宽比<3 000，均满足计算要求。
边界条件：进口给定标准大气压；出口给定平均静压；计算域左右两边界面给定周期性边界条件；叶轮机匣为绝对坐标系下静止的固体壁面；叶片和叶片轮毂为相对坐标系下静止的固体壁面。
图4 子午面流道图
图5 单通道网格图
2） 单转子气动性能曲线见图6～图10。
图6 单转子全压性能曲线图
图7 单转子效率性能曲线图
图8 单转子功率压升性能曲线图
图9 转子出口轴向速度分布图
图10 转子出口总压展向分布曲线图
从性能曲线上我们可以看出，所设计的单转子设计点流量10.16m3/s，效率90.62%，总压升770.56Pa。
2 基于组合叶片设计的可逆风机布局优化
2.1 设计方案
为了描述前后排叶片的相对位置，定义周向弧度系数和轴向重合度如下：周向弧度系数，即前列某一叶片与距离其最近的后列叶片的弧度夹角与同排两相邻叶片弧度夹角的比值；轴向相对位置，即用前后列叶片在70%叶高处沿弦长方向重合距离与该处弦长之比来描述。转子模型的建立采用轴向相对位置为70%；叶高弦长处重合度分别为10%、30%、50%、70%；周向相对位置采用周向弧度系数分别为25%、40%、50%、75%，建立了不同布局方案的转子模型。上下游分别延长了3个栅距，叶尖间隙1mm，对不同重合度和相对栅距系数下布局方案进行模拟计算。采用UG软件建立转子模型（见图11）。
图１１ 转子模型示意图
2.2 不同布局方案的数值模拟
在本方案数值计算时，选用商用CFD软件NUMECA中的AutoGrid5进行网格生成，采用ANSYS旗下的CFX-Solver软件进行计算，后处理采用的是CFX-Post软件。网格数45万，上下游分别延长了三个栅距，组合叶片的子午道流面图如图12所示。
图12 子午道流面图
湍流模型采用k-elpson，边界条件：进口给定标准大气压；出口给定平均静压；计算域左右两边界面给定周期性边界条件；叶轮机匣为绝对坐标系下静止的固体壁面；叶片和叶片轮毂为相对坐标系下静止的固体壁面。
对不同的轴向和周向布局方案数值模拟所得转子效率、功率、流量特性变化见图13～图15。图13为不同布局组合叶片效率变化曲线，此处定义不同布局方案下组合叶片转子效率与设计点效率之比；图14为不同布局组合叶片压升变化曲线，此处定义不同布局方案下组合叶片转子压升与设计点压升之比；图15为不同布局组合叶片流量变化曲线，此处定义不同布局方案下组合叶片转子流量与设计点流量之比。
图13 不同布局组合叶片效率性能曲线图
图14 不同布局组合的叶片压升性能曲线图
图15 不同布局组合叶片流量曲线图
从不同布局形式的效率曲线来看，效率最高点为轴向重合度10%，周向弧度系数为75%布局形式，最高点效率系数为1.008，效率为85.56%，正反向效率完全相同。通过分析可以看出，周向弧度系数的改变对于固定周向重合度的转子叶片性能影响不大，与压气机和风扇设计的串列叶片不同，串列叶片的优势体现在后排叶片能减少前排叶片吸力面的分离，从而改善整体性能。而分离发生严重的工况大多是非设计工况，对于风机的设计情况则不同，风机几乎所有的工作时间都是设计工况，前排叶片的吸力面并没有发生明显的分离现象。所以对于组合叶片来说，后排叶片的插入并没有明显的改善转子的整体性能，随着轴向重合度的不断增加，组合叶轮转子叶根前后排叶片有大范围的重叠，造成流动堵塞，使得正反向转子性能同时下降，周向重合度对于组合叶片的正反向性能具有较大影响。
2.3 最佳布局方案转子性能
图16～图18分别给出了最高效率点组合叶轮转子的效率、功率和压升特性曲线，组合叶轮转子正反向工作效率均达85%以上，全压升800Pa，流量9m3/h，均在可逆风机设计指标范围内，且具有较高的效率。这对于常年日工作时间在12小时以上的可逆风机来说，节能效益非常明显。
图16 最佳布局组合叶片的压升特性图
图17 最佳布局组合叶片的效率特性图
图18 最佳布局组合叶片的功率特性图
3 结论
1） 基于组合叶片设计的可逆风机性能优劣主要取决于构成组合叶片的单转子性能，布局优化只能在一定范围内减少后列叶片。由于反向布置而产生的损失，采用可控涡设计方法对于轴流风机单转子的设计是行之有效的一种设计方法；
2） 组合叶片的前后排叶片相对位置直接影响着组合叶片的整体性能，本文通过对不同布局形式的组合叶片数值模拟，分析对比可知，前后排叶片的周向相对位置对风机总性能的影响不大，最佳周向位置为周向弧度系数为10%。由于风机主要在设计工况工作，前列叶片在设计工况下并没有明显的流动分离，所以后排叶片的插入未能明显改善前排叶片的流动，而轴向相对位置对组合叶片性能影响较为明显。结果表明，轴向重合度在30%位置处，组合叶轮具有较好的流动性能；
3） 该设计方法所得可逆风机转子的压升和流量均达到性能要求，且具有较高的效率，同时由于组合叶片的前后排对称布局设计，结构正反向对称，能够保证风机性能的完全可逆而且都在较高的效率点工作；
4） 由于时间关系，本文并未对后列叶片的逆向损失机理进行研究，下一步工作将基于逆流损失机理进行探索，如若能更好的把握逆流损失并进行有效控制，该设计方案将得到进一步的优化。--上风风机 |
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