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  • 浙江上風集團公司
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    上風風機-完全可逆軸流風機的設計與優化
    [2018/4/20]
    許多場合要求軸流風機能完全反轉反風[1-3] ,如地鐵、隧道、礦井和地下工程等?赡骘L機承擔著地下空間與外部自然空間的氣體交換工作,特別在事故工況下,例如列車阻塞和突發火災時,需要風機進行應急反向送風,而且要求風量、風壓與正向工作時相當,因此,地下工程通風系統配置的基本都是可逆轉式軸流風機。隨著各大城市地鐵建設的不斷發展,可逆風機的需求越來越廣泛,研發一種正反向通風效率都較高的可逆風機成為很多學者致力實現的目標。李俊超[4-7]等在國內率先提出了一種采用普通翼型反向搭接構成可逆風機新翼型和一種S形反向對稱翼型,并采用優化方法開發出了可逆風機。隨著經濟發展,我國的地鐵和公共隧道里程大大增加,對各種可逆軸流風機的需求量也相應增大。原有的可逆地鐵風機設計技術不能完全滿足要求,相應的改進也不斷出現。
      S翼型在可逆風機的設計中由于葉型的后半段無論是正向還是反向流動都不符合流動規律,因此其效率難以得到大幅度的提高,而組合葉柵相對于S翼型在升力系數和失速攻角范圍都有了很大程度的改善。當前后排葉片的軸向重合度為30%~50%時,組合葉柵的氣動性能明顯得到改善,這是因為前列葉片背弧面的分離點明顯后置。由于前列葉柵的環量誘導作用,氣流產生轉折,減小了進入后列葉片的攻角,使得后列葉片能夠與前列葉片一起,各自在最大升力系數附近的攻角下工作,因而,以這種方式將前后葉柵進行組合,能夠使前后列葉片各自在最適宜的工作條件下工作,從而使得組合葉柵整體性能的優勢得到充分體現。但是,目前組合葉柵依然存在葉型簡單、負荷低、運行效率低等問題,然而毋庸置疑,在可逆風機的葉型設計中它應該是一種應用潛力非常大的葉型。關于組合葉柵的優化設計值得進一步花大力氣進行研究,本著這樣的目標,本文開展基于組合葉片的可逆軸流風機的設計和優化,以期設計出一種具有更好可逆性能的完全可逆風機。
    1 單轉子設計與性能模擬
    1.1 單轉子氣動設計方法介紹
    1.1.1 設計方法
      為了抑制葉根區強烈的旋渦流動和減少分離損失,使風機效率、風量和風壓達到設計要求,采用可控渦扭向規律的設計方法,把加功量集中在葉中區域,而葉中區域可以視為無粘區,其二次流損失非常小。按照這樣的思路,可以根據以下步驟來設計扭向規律:
      1) 首先根據設計流量值,由等環量規律計算出風輪扭速ΔCu沿葉高的分布。
    根據中、尖部加功量加大,根部加功量小,等環量值進行適當地修正。原則是,葉尖部分增加的少一點,因為這里有較大的圓周速度,稍微增加一點,產生的效果就相當明顯;葉根部分可適當多減少一些,因為這里的圓周速度較低;葉中部分增加到合適的程度。
      2) 由ΔCu(r)的確定方程、基元級壓升方程以及簡化徑向平衡方程三方程聯立,求出相應的軸向速度沿徑向的分布Ca(r),來保證流線的穩定性。另外,用流量Q確定這種扭向規律下Ca(r)方程中的積分常數。最后用加功量和流量Q來檢驗是否達到總的壓升和流量的設計指標。
      對于這些參數進行無量綱化:
         
    式中:腳標t表示葉片尖部的參數;u為圓周速度;p為壓力升。得無量綱方程組如下:
          
      解上述方程組,其中積分方程的解中有常數項,通過流量連續Q確定這種扭向規律下Ca(r)方程中的積分常數。


    圖1 ΔCu沿葉高的分布圖
    1.1.2 計算機輔助設計系統
      計算機輔助設計(CAD-Computer Aided Design)的應用,可以大大提高產品的設計工作效率和質量。因此,為了加快風機的設計進程和設計水平,本設計應用了風機CAD系統,包括氣動設計、幾何造型和CFD特性網圖計算。整套的CAD系統流程見圖2。

    圖2 CAD設計流程圖
    1.1.3 氣動設計和幾何造型
      在本氣動設計的初始階段,采用簡化徑向平衡方程基礎上的變環量設計方法,即在豐富的經驗數據基礎上,利用對沿葉高環量的控制,增加加功效益,提高葉片的氣動效率。
      1) 根據流量Q、設計全壓p及轉速n,由經驗公式可確定合理的外徑和輪轂比;
      2) 在葉片氣動設計上,考慮風機內部流場近似于圓柱面流動,因此采用簡單徑向平衡方程設計方法,扭向規律按照可控渦設計,控制環量沿葉高分布的初值,則按經驗模型給出;
      3) 根據ΔCu(r),Cu(r),ΔCa(r)的算出,可由速度三角形關系式計算出各截面的氣動參數。由葉柵稠度的選定(查低速葉柵特性圖)以及經驗落后角公式,并經過反復迭代計算,最終得到葉柵氣動結構參數和葉型幾何參數。
    1.2 葉輪基本設計參數選取
      以某一可逆風機設計指標為例,設計指標:全壓320~820Pa,流量6.8~17.5m3/h;直徑為0.9m、正反向的風量全壓和功率基本一致,正反向效率大于76%;考慮到組合葉片無論正反向工作時后排葉片不可避免的損失,單轉子設計指標:壓升900Pa,流量10m3/h,效率90%;轉速1 450r/min,外徑900mm。 
      具體設計參數選擇如下。
      1) 最優輪轂比選。篸=0.65
      2) ΔCu的選取: 
      等環量設計——12.2(尖);14.78(中);18.76(根) 
      可控渦設計——12.2(尖);15(中);17.8(根)
      3) 稠度: 0.463(尖); 0.663(中);1.02(根)
      4) 積疊方式:按葉型前緣線進行彎掠積疊
      5) 葉片數:11
      三維造型見圖3。


    圖3 單轉子葉片圖
    1.3 單轉子氣動校核
      數值模擬程序采用商用軟件ANSYS/CFX求解三維流場,求解器是CFX-Solver Manager,可以完成二維/三維的歐拉方程/N-S方程粘性求解;趯Φ退賶嚎s機內部流動的充分認識,數值模擬中采用了軸對稱假設,對通風機轉子進行單通道三維粘性定常計算。求解方程為雷諾平均的三維粘性N-S方程,差分格式采用了二階精度的迎風格式,湍流模型選用k-epsilon模型,前后級之間的連接面上采用周向平均的數據傳遞方式。
      1) 計算網格與邊界條件
      計算網格由NUMECA軟件中的AutoGrid5模塊生成,圖4和圖5為計算網格的子午面流道及葉輪轉子壁面網格,葉輪帶有1mm的葉尖間隙,網格數共約22萬,網格正交性>15°,延展比<3,長寬比<3 000,均滿足計算要求。
      邊界條件:進口給定標準大氣壓;出口給定平均靜壓;計算域左右兩邊界面給定周期性邊界條件;葉輪機匣為絕對坐標系下靜止的固體壁面;葉片和葉片輪轂為相對坐標系下靜止的固體壁面。


    圖4 子午面流道圖

    圖5 單通道網格圖

    2) 單轉子氣動性能曲線見圖6~圖10。

    圖6 單轉子全壓性能曲線圖

    圖7 單轉子效率性能曲線圖

    圖8 單轉子功率壓升性能曲線圖

    圖9 轉子出口軸向速度分布圖

    圖10 轉子出口總壓展向分布曲線圖
      從性能曲線上我們可以看出,所設計的單轉子設計點流量10.16m3/s,效率90.62%,總壓升770.56Pa。
    2 基于組合葉片設計的可逆風機布局優化
    2.1 設計方案
      為了描述前后排葉片的相對位置,定義周向弧度系數和軸向重合度如下:周向弧度系數,即前列某一葉片與距離其最近的后列葉片的弧度夾角與同排兩相鄰葉片弧度夾角的比值;軸向相對位置,即用前后列葉片在70%葉高處沿弦長方向重合距離與該處弦長之比來描述。轉子模型的建立采用軸向相對位置為70%;葉高弦長處重合度分別為10%、30%、50%、70%;周向相對位置采用周向弧度系數分別為25%、40%、50%、75%,建立了不同布局方案的轉子模型。上下游分別延長了3個柵距,葉尖間隙1mm,對不同重合度和相對柵距系數下布局方案進行模擬計算。采用UG軟件建立轉子模型(見圖11)。


    圖11 轉子模型示意圖
    2.2 不同布局方案的數值模擬
      在本方案數值計算時,選用商用CFD軟件NUMECA中的AutoGrid5進行網格生成,采用ANSYS旗下的CFX-Solver軟件進行計算,后處理采用的是CFX-Post軟件。網格數45萬,上下游分別延長了三個柵距,組合葉片的子午道流面圖如圖12所示。

    圖12 子午道流面圖
      湍流模型采用k-elpson,邊界條件:進口給定標準大氣壓;出口給定平均靜壓;計算域左右兩邊界面給定周期性邊界條件;葉輪機匣為絕對坐標系下靜止的固體壁面;葉片和葉片輪轂為相對坐標系下靜止的固體壁面。
      對不同的軸向和周向布局方案數值模擬所得轉子效率、功率、流量特性變化見圖13~圖15。圖13為不同布局組合葉片效率變化曲線,此處定義不同布局方案下組合葉片轉子效率與設計點效率之比;圖14為不同布局組合葉片壓升變化曲線,此處定義不同布局方案下組合葉片轉子壓升與設計點壓升之比;圖15為不同布局組合葉片流量變化曲線,此處定義不同布局方案下組合葉片轉子流量與設計點流量之比。

    圖13 不同布局組合葉片效率性能曲線圖

    圖14 不同布局組合的葉片壓升性能曲線圖

    圖15 不同布局組合葉片流量曲線圖
      從不同布局形式的效率曲線來看,效率最高點為軸向重合度10%,周向弧度系數為75%布局形式,最高點效率系數為1.008,效率為85.56%,正反向效率完全相同。通過分析可以看出,周向弧度系數的改變對于固定周向重合度的轉子葉片性能影響不大,與壓氣機和風扇設計的串列葉片不同,串列葉片的優勢體現在后排葉片能減少前排葉片吸力面的分離,從而改善整體性能。而分離發生嚴重的工況大多是非設計工況,對于風機的設計情況則不同,風機幾乎所有的工作時間都是設計工況,前排葉片的吸力面并沒有發生明顯的分離現象。所以對于組合葉片來說,后排葉片的插入并沒有明顯的改善轉子的整體性能,隨著軸向重合度的不斷增加,組合葉輪轉子葉根前后排葉片有大范圍的重疊,造成流動堵塞,使得正反向轉子性能同時下降,周向重合度對于組合葉片的正反向性能具有較大影響。
    2.3 最佳布局方案轉子性能
      圖16~圖18分別給出了最高效率點組合葉輪轉子的效率、功率和壓升特性曲線,組合葉輪轉子正反向工作效率均達85%以上,全壓升800Pa,流量9m3/h,均在可逆風機設計指標范圍內,且具有較高的效率。這對于常年日工作時間在12小時以上的可逆風機來說,節能效益非常明顯。 


    圖16 最佳布局組合葉片的壓升特性圖

    圖17 最佳布局組合葉片的效率特性圖

    圖18 最佳布局組合葉片的功率特性圖
    3 結論
      1) 基于組合葉片設計的可逆風機性能優劣主要取決于構成組合葉片的單轉子性能,布局優化只能在一定范圍內減少后列葉片。由于反向布置而產生的損失,采用可控渦設計方法對于軸流風機單轉子的設計是行之有效的一種設計方法;
      2) 組合葉片的前后排葉片相對位置直接影響著組合葉片的整體性能,本文通過對不同布局形式的組合葉片數值模擬,分析對比可知,前后排葉片的周向相對位置對風機總性能的影響不大,最佳周向位置為周向弧度系數為10%。由于風機主要在設計工況工作,前列葉片在設計工況下并沒有明顯的流動分離,所以后排葉片的插入未能明顯改善前排葉片的流動,而軸向相對位置對組合葉片性能影響較為明顯。結果表明,軸向重合度在30%位置處,組合葉輪具有較好的流動性能;
      3) 該設計方法所得可逆風機轉子的壓升和流量均達到性能要求,且具有較高的效率,同時由于組合葉片的前后排對稱布局設計,結構正反向對稱,能夠保證風機性能的完全可逆而且都在較高的效率點工作;
      4) 由于時間關系,本文并未對后列葉片的逆向損失機理進行研究,下一步工作將基于逆流損失機理進行探索,如若能更好的把握逆流損失并進行有效控制,該設計方案將得到進一步的優化。--上風風機
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