轴流风扇两种扭叶片设计方法及其气动性能的比较.pdf

FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 38， No ． 9， 2 01 0 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 0 0 9 0 0 2 4 0 7 轴流风扇两种扭叶片设计方法及其 气动性能的比较 王企鲲 ， 陈康民 上海理工大学， 上海2 0 0 0 9 3 摘要 “ 等密流型” 与“ 变密流型” 设计方法是轴流风扇扭叶片气动设计中的两种典型的方法 ， 本文对这两种气动设 计方法进行了深入的探讨 ， 并以某型轴流风扇为例， 分别采用这两种方法对其进行了扭叶片改型设计， 详细比较了按这 两种扭叶片设计方法所获得的扭叶片的几何特征。在此基础上， 利用 C F D技术数值研究了这两种扭叶片的气动性能在 设计工况与变工况的差异， 以此对这两种方法的设计效果作出评价。研究结果表明 “ 变密流型” 扭叶片的气动性能受 变环量指数影响较大 ， 较大的变环量指数能明显地提高“ 变密流型” 扭叶片的气动性能， 而“ 等密流型” 扭叶片的气动性 能受变环量指数的影响较小； “ 变密流型” 扭叶片具有较大的径向压力梯度， 易于诱发径向串流而引起额外的二次流损 失， 这直接造成其静压效率明显低于相应的“ 等密流型” 扭叶片； 按“ 等密流型” 方法设计的扭叶片， 其叶道根部具有较小 的扩压度 ， 这使其在小流量工况下叶根部抗失速能力明显高于对应的“ 变密流型” 扭叶片。 关键词 扭叶片； 气动性能； 轴流风扇 ； C F D数值研究 中图分类号 T K 1 2 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 0 ． 0 9 ． 0 0 6 Co mpa r i s o n o n Ae r o d y na mi c Pe r f o r ma nc e o f Twi s t e d Bl a d e s De s i g n e d b y Two Appr o a c h e s f o r Ax i a l Fa n WA N G Q i k u n ， C HE N K a n g - m i n U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e r e a r e t w o d e s i g n a p p r o a c h e s for t h e t w i s t e d b l a d e o f t h e a x i a l f a n。 w h i c h a r e c a l l e d“ C o n s t a n t T h r o u g h fl o w Ve l o c - i t y Ap p r o a c h ” a n d “ -Va r i a b l e T h r o u g h fl o w V e l o c i t y Ap p r o a c h ” r e s p e c t i v e l y ． De t a i l e d d i s c u s s i o n s a b o u t t h e s e t w o a p p r o a c h e s a r e p r e s e n t e d ． A s a n e x a mp l e， t wo t w i s t e d b l a d e s a r e r e s p e c t i v e l y d e s i g n e d a n d t h e i r g e o me t r i c c h a r a c t e r i s t i c s a r e d e t a i l e d c o mp a r e d ． C F D t e c h n i q u e i s i n t r o d u c e d t o i n v e s t i g a t e t h e d i f f e r e n c e o f t h e a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e for t h e s e t w o t wi s t e d b l a d e s S O a s t o o b t a i n p e r t i ne n t e v alu a t i o n o n t h e s e t wo d e s i g n a p pr o a c h e s ．Re s ul t s i n d i c a t e t ha t t h e a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f t h e t wi s t e d b l a d e d e s i g n e d b y“ Va r i a b l e T h r o u g h flo w Ve l o c i t y Ap p r o a c h ” ma y b e i n f l u e n c e d mo r e o b v i o u s l y b y t h e t w i s t e d p o w e r t h a n t h a t o f t h e o p po s i t e t wi s t e d b l a de a n d t he l a r g e r t wi s t e d po we r ma y e n h an c e i t s a e r o d y n a mi c pe rfo r man c e；The r e i s l arge r r a di a l g r a d i e n t o f t h e p r e s s u r e o n t h e t w i s t e d b l a d e d e s i g n e d b y“ Va r i a b l e T h r o u g h f l o w V e l o c i t y A p p r o a c h ”， r e s u l t i n g i n s e c o n d a r y fl o w l o s s ， wh i c h i s t h e r e a s o n wh y i t s s t a t i c p r e s s u r e e ffic i e nc y i s l o we r t h an t ha t o f t h e o pp o s i t e t wi s t e d bl a d e；Th e r e i s l e s s pr e s s ur e d i l a t i o n a t t he h e e l o f t h e b l a d e o n t h e t w i s t e d b l a d e d e s i g n e d b y“ C o n s t a n t T h r o u g h flo w Ve l o c i t y Ap p r o a c h ”，whi c h i mp r o v e s l a r g e r a b i l i t y t o r e s i s t t h e s t a l l i n g t ha n t ha t o f t h e o p p o s i t e t wi s t e d bl a d e． Ke y wo r d s t w i s t e d b l a d e ； a e r o d y n a mi c ； p e r f o rm a n c e； a x i al f a n ； C F D t e c h n i q u e 1 引言 扭叶片设计是提高轴流风扇气动效率的一种 收稿 日期 2 0 1 00 62 8 基金项 目 上海理工大学博士启动经费 2 0 0 9 1 0 有效途径 。工程上 目前主要有两种不同的扭叶片 设计方法 ， 即“ 等 密流 型” 及 “ 变密流型” 设计方 法 卜 。尽管对这些 设计方法 已有众 多研究成 2 0 1 0年第 3 8卷第 9期 流体机械 果 ， 但迄今为止 ， 对于何种设计方法最为合理却 尚 无定论。 本文 以某型轴 流风扇为例 ， 分别采用这两种 方法对其进行扭叶片改型设计 ， 详细比较按这两 种扭叶片设计方法所 获得 的扭 叶片 的几何 特征。 在此基础上 ， 利用 C F D技术数值研究这两种扭叶 片的气动性能在设计工况与变工况 的差异 ， 旨在 对这两种方法的设计效果作出可观的评价 。 2 两种扭叶片设计方法 轴流风扇扭叶片设计的关键在于要确定沿叶 高方向， 叶片各个基元级安装角的变化规律 。 图 1 速度 三角形不 意 以出 口安装角 为例 ， 由图 1的叶轮 出口速 度三角形知， 确定于叶轮 出 口通 流速 度 C 与 气流的绝对速度沿圆周方 向的分量 C ， 即 t g ／ 3 2 _ 1 u 2 一u 2 u 式 中 叶轮旋转速度 在扭叶片设计 中， 一般先假设叶轮出 口气 流 绝对速度沿 圆周方 向的分量 C 沿 叶高方 向的分 布规律 ， 即 C r F 2 式中 变环量指数 ， 一般为[一 1 ， 1 ] r 沿 叶高方向的半径 厂设计常数 因此 ， 只要给定 c 沿 叶高的分布规律 ， 即可 确定叶片出 口安装角 沿叶高的分布。而“ 等密 流型” 扭叶片与“ 变密流型” 扭叶片设计方法 的差 别集中于 C 沿叶高 的分布规律的不同取法。 在“ 等密流型” 扭叶片设计 中， 假设 叶轮 出 口的通流速度沿径 向不变 ， 即 C 2 z c o n s t 3 而该常数决定 于风扇 的设计 流量与 实际尺 寸。 在“ 变密流型” 扭叶片设计 中， 叶轮出 口的通 流速 度是 由简单径 向平衡 方程 所确定 的， 它是 C 关于叶高的常微方程 ， 如式 4 所示 ， 在一 定 得条件下 即可 获得 C 关 于叶高的分布关 系， 如 式 5 ～ 7 。 d C 2 2 w F 1 一 r 一 一2 1 一 F2 r 一 一 4 式 中甜 叶轮旋转角速度 1时 C c o n s t 5 ≠1且 ≠0时 C 2 w F r 一 1 一 r 一 g 1 6 若 0时 C 2 w F r 一 2 l n r g 2 7 上述结论 的具体推导 过程可参 阅文献 [ 3 ] 。 对于风扇内的不可压缩流动 ， 叶片出 口轴向速度 沿叶高的变化即可代表密流沿叶高的变化 ， 故将 满足简单径 向平衡方程 的、 沿 叶高方 向通流速度 存在非均匀分布 的扭 叶片设计方法 ， 称为 “ 变密 流型” 扭叶片设计方法 本文用 “ C zv a r ” 表示 。 而对于假定通流速度沿叶高均匀分布的扭叶片设 计方法 ， 称为“ 等密流型” 扭 叶片设计方法 本文 用“ C z c o n s t ” 表示 。 式 5 表明 ， 当变环量指数 取 1时， 两种扭 叶片设计方法不再存在差别。 3 两种扭叶片几何形式的比较 对某型冷却塔用冷却风扇 的叶片 ， 分别采用 上述两种方法进行扭 叶片化改 型设 计。在设 计 时 ， 选择不 同的变环 量指数 ， 以示 两种设计 方 法 的区别。具体设计方法可参阅文献 。 图 2是按两种不 同方法 所设计 的扭 叶片安 装角沿叶高的分 布图 ， 为 了便 于 比较 ， 图 2中同 时给 出多个不 同变环量指数下的变化 曲线。 图 2表 明 ， “ 等 密流 型” 扭 叶 片在不 同的变 环量指数下 ， 其叶片 的安装角 始终存在 叶根 大、 叶顶小 的特 点 ， 且 其 在数值 上受 变环 量指 数 的 影 响较小 。与之 相 比， “ 变密流 型” 扭 叶片的安 装 角 ， 特别 在根部 位 置受 变环量 指数 的影 响显 著 ， 且随着变环量指数 的增加 ， 根部 安装角 由小 ● 而逐步变大。 值得注意 的是 第一 ， 当变环量指数 取得过 小时 ， “ 变密流型 ” 扭 叶片叶根 的安装角 有可能 比叶顶 的还要 小。这 就形成也 叶片 中部安装角 大 而两 头 小 的 形 状 ； 第 二 ， 当变 环 量 指 数 趋 近 1 时 ， 两种扭叶片的安装 角的径 向分 布趋 于一致 ， 这与式 3 与式 5 所描述的现象是一致的。 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ． 9， 2 01 0 1． 0 O ． O O 2 5 5 0 0 2 5 卢 b 0 ． 6 图2 两种扭叶片的安装角沿叶高分布的比较图 0 2 5 图 3 两种扭叶片的弦长沿叶高分布的比较 图 图 3 是两种扭叶片在不同变环量指数下， 叶 而叶根处通流速度不断上升 ， 从而使通流速度 的 片弦长沿叶高分布的比较图。图中表明， 两种扭 径向梯度不断减小。 叶片的弦长沿径 向变化 的总趋势基本一致 ， 即叶 对于轴流叶片设计而言 ， 由于叶根处叶轮转 顶弦长短而叶根弦长长。其差别主要是“ 变密流 速较低 ， 其通流性能较差 ， 容易产生边界层分离， 型” 扭叶片弦长的径向梯度会随变环量指数的增 因此往往希望所设计的扭叶片在根部的安装角与 加而明显增加。 通流速度要大一些 ， 以提高其气动性能。就这一 图 3 “ 变 密流型” 扭 叶片通流速度沿 叶高分布 图 4给出了“ 变密流型” 扭 叶片 中， 按式 6 所决定的通流速度系数沿径向的分布特征。该图 表明， 由简单径向平衡所决定的通流速度沿叶高 分布受变环量指数的影响较大， 其基本特征是随 着变环量指数的增加 ， 叶顶处通流速度不断下降 点而言， 在按 “ 变密流型” 扭叶片进行设计 时， 变 环量指数不能取得过小 ， 否则所获得的叶片几何 结构并不合理 ， 相 比之下“ 等密流型” 扭 叶片， 尽 管不满足简单径 向平衡 ， 但其扭 曲形状受变环量 指数的影响要小得多。 产生上述情况的原因是， 简单径向平衡仅是 在理想流体中的一种近似表达， 它未计及流体的 粘性效应。而理想流体本身就不存在分离 ， 这就 使得“ 变密流型” 扭叶片在小变环量指数下无法 顾及因流动分离而造成设计之不合理。 4 两种扭叶片气动特性的比较 3 ． 1物理模 型与计 算方 法 为了分析两种不 同扭叶片气动特性 的差异 ， 本文采用 C F D技术 ， 通过数值模拟手段研究其在 2 0 1 0年第 3 8卷第 9期 流体机械 2 7 设计工况与变工况下的气动性能。 本文流场计算是在商用 C F D软件 N U ME C A 上完成 的。计算采用带有“ 预处理 ” 方法 的 J a m e ． s o n格式 有 限体 积 中心格式 、 时 间推进解 法 ， 其 中包含 二 阶和 四阶人 工 粘 性 项 ， 四阶 R u n g e K u t t a 1 ／ 4 、 1 ／ 3 、 1 ／ 2 、 1 显式 时间推进 。湍流模 型选用标准 的 B a l d w i nL o m a x代数模 型。为 了 加快收敛速度 ， 计算 中采用 了“ 当地 时间步长” 、 “ 隐式残差光顺 ” 、 “ 多重网格 ” 等加速收敛技术 。 这些计算方法的具体介绍可参见文献[ 4 ] 。 整个计算在具有周期性的单个 叶道 内进行 ， 并忽略叶顶间隙的影响。网格采用 一， 型， 主流 道块的网格沿跨叶面、 叶高和流向的分布为 5 7 5 71 6 9 ， 整个计算域 网格总数在 5 0万 以上。在 叶片近壁面， 叶栅端壁、 头尾缘等流动复杂区域 ， 对网格进行 了局部加密以提高这些 区域 内解 的分 辨率 ， 达到了网格法 向无量纲尺寸 Y 2 。边界 条件设定如下 进 口 给定 质 量 流 量 与气 流 方 向 轴 向进 气 ； 出口 给定背压 ； 叶片表面与 内、 外端壁 采 用无滑移边 界条 件 ； 叶栅前后延伸段的交接面 采用周期性条件 。 收敛标准 整体残差下 降至 一5以上 ； 进 出口 质量流量相差 0 ． 1 ％以上 ； 4 ． 2两类扭 叶 片 气动 效 率的 比较 图 5 、 6分别给出了两种不同扭叶片在各变环 量指数下的全压效率与静压效率随流量系数的变 化曲线。图中表 明， 变密流型扭叶片的全压效率 在各个工况下均高于等密流型扭 叶片 ， 然而其静 压效率均低于后者。 p．9 2 5 0 ．9 0 5 O． 1 5 O． 2 0 O ．2 5 ． Q 图 5 两类扭叶片在不 l司变环量指数 F 全压效率 曲线 上述结果表明 ， 经变密流型扭 叶片作功后的 高的静压效率更有 助于使风扇在保 证一定 的风 气流， 其增加的能量 主要是动能 ， 而经等密流型扭 量 、 风压下 ， 所需的功率较低 ， 从而起到 了节能的 叶片作功后的气流 ， 其增加的能量 才是真正 的静 作用。而风扇出 口单纯的动压提高则易使管路的 压能。由于在风扇系统的管路 中， 风扇 的真正运 损失增加 ， 反而起不到节能的作用 。 行点是其静压曲线与管路阻力线 的交点 ， 因此较 a 0 ． 4 b 0 ． 6 图6 两类扭叶片在不同变环量指数下静压效率曲线 Q c 0 ． 8 2 8 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 38， No ． 9， 2 01 0 为了更清楚地揭示变环量指数在两种扭 叶 片静压效率上所 起 的作用 ， 图 7给 出了变 环量 指数对 扭 叶片静 压 效率 的影 响 曲线。该 图表 明 ， 变环量指数 的增 加均能使两类扭 叶 片的静 压效率提高 ， 但显然 变密流型扭 叶片的静压效 率受变环量指数 的影响十分 明显 ， 而等密流 型 扭叶片所受的影 响要小得 多。同时 ， 就变密流 型扭叶片而 言 ， 随着 变环 量指 数 的下 降 ， 在小 流量工况 下易 于诱 发失 速而 造成 整个 性 能 曲 线的折断 如图 7 a 中 0 ． 4 。 0 ． 7 0 O ． 2 n3 a 变密流型扭叶片 n】 0 ． 2 O_3 Q b 等密流型扭叶片 图 7 变环量指数对扭叶片静压效率 的影响 4 ． 3 两 类扭 叶 片气 动 内特 性 的 比较 真正影 响叶轮效率的是气 流在 叶轮 内实际 流动特性 ， 图 8、 9给 出了小 、 中流量 工 况下 两 种扭 叶片在变环量指数 0 ． 4时的周 向平 均 子午流线 的分布图。 图 8中表 明， 在小流量工况下 ， 具有较小变 环量指数 的变密 流型 扭 叶片在 叶 根 附近存 在 明显的边界层分离 ， 这是 导致其 叶轮 整体效率 下的原 因 如 图 5 、 6 。造 成这 种 现象 的原 因 是 ， 具有较小变 环量指数 的变密 流型扭 叶片在 叶根附近的叶片安装角很小 如 图 2所示 ， 因 而其对气流的作功能力较小， 以致使气流本身 的动能不 足 以克 服 叶根 端部 的粘 性摩 擦力 而 造成边界层分离 。相 比之下 ， 对于相 同大小变 环量指数下的等密流型扭 叶片 ， 由于其根 部具 有较 大 的安装 角 如 图 2所示 ， 其 作功 能 力 强 ， 因而即使在小 流量工况下也 未 出现 明显 的 流动分离 。 a 等密流型扭叶片 图 g 0 ． 1 7 6工况下 a 等密流型扭叶片 b 变密流型扭叶片 图9 o ． 1 9 2工况下周向平均子午流线图 随流量的增加， 叶根部流体的动能也相应 增加 ， 到了 图 9所示 的 中等 流量 工 况下 ， 两 种 扭 叶片均无 明显 的分离存 在。 图 1 0是不 同变环量指数 下 ， 两类不同扭 叶 片在小流量工况下 ， 周 向平 均扩压度 沿 叶高分 布 图。 扩压度定义 月 ， 式 中 叶轮进 口气流 相 对速 度 的周 向 平均值 叶轮 出 口气 流相 对速 度 的周 向 平均值 图 1 0表 明， 在小流量 工况 下 ， 两种形 式 的 扭 叶片均 呈现 叶根 大 而 叶顶小 的特点 。但 值 得注意 的是 ， 在各 个 变环 量指 数 下 ， 变密 流 型 扭叶片根部 的扩 压度 均 高 于对应 的等密 流型 扭叶片 ， 这种趋势虽 变环量指 数 的下 降而变得 越来 越 明显 。扩 压度 可 以表 征 叶道 的扩 张程 一 2 0 1 0年第 3 8卷第 9期 流体机械 2 9 度 ， 这直 接影 响到叶道 内边界 层增 厚程度 及 流 动分 离状 况 。扩 压 度 越 大 ， 边 界 层 增 厚 地 越 快 ， 流动分 离 自然 容 易发 生 ， 这从 另 一 方 面解 释 了具有小变环量 指数 的变密 流型扭 叶片 ， 在 小 流量工况下叶根容易 出现分 离 的原 因 如 图 8 b 。 1 ． O O． 0 Rw Rw a 0 ． 4 b 0 ． 6 图 1 1 0 ． 1 9 2工况下两类扭叶片扩压度沿叶高分布 1 ． 0 O． 0 o． 1 o o． 2 0 O ． 3 O b 0 【 0 ． 6 1 ． 0 0． O 图 1 2 0 ． 1 7 6工况下两类扭叶片静压系数沿叶高分布 图 l 2 、 l 3分别为在小 、 中流量工况下 ， 两类扭 线。比较这两 图可 以发现 ， 即使在 中等流量工况 ， 叶片的静压 系数 的周 向平均值 沿叶高 的分布 曲 变密流型扭叶片也具有强烈 的径 向压力梯度 ， 而 J m O 口 、 ， C ／ 0 l I 4 O 3 0 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ． 9， 2 01 0 在小流量工况下 ， 这种径向静压梯度更加明显 ， 且 明显高于对应的等密流型扭叶片。径 向压力梯度 1 ． O 0． 0 0 ． 1 0 0． 1 7 0 ． 24 c p 1 ． 0 O．O 的存在易于引起 自顶而下的二次流， 进而造成有 效能量的额外损失， 以致效率 的下降。 0 ． 1 0 0． 1 7 0．24 1 ． 0 O ． 0 0． 1 0 0． 1 7 0 ． 2 4 图 1 3 Q0 ． 1 9 2工况下两类扭叶片静压系数沿叶高分布 正因为变密流型扭叶片在各个工况均容易造 密流型扭叶片的原 因； 成径向二次流损失 ， 这从另一个侧 面说明了其静 4 等密流型扭叶片的叶道根部具有较小的 压效率较对应的等密流型扭叶片低的原因 如图 扩压度 ， 这使其在小流量工况下叶根部抗失速能 6 。但值得注意 的是 ， 随着变环量指数增大 ， 变 力明显高于对应的变密流型扭叶片。 密流型扭叶片的径向静压梯度逐渐减小 ， 这使得 巢枣 其与等密流型扭叶片的差别变得不太 明显。 丐x陬 5结论 1 变密流型扭叶片的气动性能受变环量指 数影响较大， 而“ 等密流型” 扭叶片的气动性能受 变环量指数的影响较小 。变环量 指数越趋 近于 1 ， 则其对应的两种扭叶片的气动性能均越好； 2 变密流型扭叶片的总压效率虽高于对应 等密流型扭叶片， 但其静压效率则 比后者低。这 表 明气 流经过 变密 流型扭 叶片所 增加 的能量 主要 是动能 ， 而经等密流型扭叶片后 ， 气流增加的能量 主要是静压能 ； 3 变密流型扭叶片具有较大的径向压力梯 度 ， 易于诱发径向串流而引起额外的二次流损失 ， 这从另一方面造成其静压效率明显低于相应 的等 [ 1 ] 李庆宜． 通风机[ M] ． 北京， 机械工业出版社， 1 9 8 2 ． [ 2 ] 王企鲲， 陈康 民． 微型轴流风扇中变环量指数对扭 叶片气 动 性 能 的影 响特 点 [ J ] ． 机 械 工 程 学 报 ， 2 0 0 9 ， 4 5 4 7 6 8 2 ． [ 3 ] 王企鲲． 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