雋智輝， 王 軍， 唐 俊， 解博超

(1.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074；2.廣東綠島風(fēng)室內(nèi)空氣系統(tǒng)科技有限公司，廣東臺(tái)山 529200)

由于軸流風(fēng)機(jī)葉頂間隙的存在，葉頂部分流體在壓差的作用下從壓力面泄漏至吸力面，泄漏流損失了葉尖部分的做功能力.泄漏流在葉頂形成泄漏渦，并在下游與主流混合阻塞通道造成氣動(dòng)損失，約占風(fēng)機(jī)損失的30%[1].因此減小葉頂泄漏流是提高軸流風(fēng)機(jī)性能的重要途徑.因此，學(xué)者們進(jìn)行了一系列的研究工作.其中，在葉頂安裝葉尖小翼的方法引起了廣大學(xué)者的關(guān)注.

葉尖小翼(也稱端導(dǎo)葉片)最早是Whitcomb關(guān)于飛機(jī)機(jī)翼提出的概念[2]，隨后學(xué)者們將其引入葉輪機(jī)械領(lǐng)域.依鳳鳴[3]實(shí)驗(yàn)研究了附加小翼的軸流風(fēng)機(jī)后發(fā)現(xiàn)，合理設(shè)計(jì)葉尖小翼的幾何參數(shù)有利于改善軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，降低噪聲.呂文燦[4]在葉片上、中、下不同位置加裝小翼，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在葉尖加裝小翼能有效控制葉頂泄漏流和二次流，提高風(fēng)機(jī)效率，降低間隙噪聲，其中吸力面設(shè)置葉尖小翼能取得最佳效果.鄭國勝等[5]數(shù)值計(jì)算了安裝葉尖小翼的普通開式軸流風(fēng)機(jī)后發(fā)現(xiàn)，安裝葉尖小翼不能提高軸流風(fēng)機(jī)靜壓升，但壓力面小翼能有效減小葉頂泄漏渦的作用范圍，吸力面小翼能弱化泄漏渦的強(qiáng)度但無法減小其作用范圍.黃中華等[6]研究了帶葉尖小翼的平面葉柵，認(rèn)為葉尖小翼安裝在吸力面時(shí)葉柵性能最佳，并且對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的葉頂間隙.Corsini等[7-8]研究了吸力面安裝不同形狀葉尖小翼的軸流風(fēng)機(jī)，結(jié)果表明葉尖小翼能有效抑制葉頂泄漏渦的破裂，控制葉頂泄漏渦的弦向發(fā)展.鐘兢軍等[9-10]數(shù)值模擬了不同葉尖小翼的擴(kuò)壓葉柵，結(jié)果表明合理設(shè)計(jì)葉尖小翼可在一定程度上減少葉頂泄漏損失，削弱泄漏渦的強(qiáng)度.

由于葉頂間隙流動(dòng)極其復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者在對(duì)葉尖小翼的作用效果以及機(jī)理的認(rèn)識(shí)上仍存在一些分歧.筆者對(duì)加裝葉尖小翼的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行全流道數(shù)值模擬，深入探討壓力面、吸力面葉尖小翼對(duì)軸流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的影響機(jī)理.

1 研究對(duì)象

葉尖小翼的外形是影響軸流風(fēng)機(jī)性能的一個(gè)重要參數(shù)，之前有人提出了等寬長(zhǎng)條形、S型小翼和翼型小翼等不同外形的葉尖小翼.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)翼型小翼能最大程度地減少葉尖小翼帶來的附加摩擦損失，因此選取翼型葉尖小翼.數(shù)值模擬采用的軸流風(fēng)機(jī)模型參數(shù)如表1所示.葉尖小翼厚度取1 mm，寬度為葉尖基元型線不同弦長(zhǎng)處葉片厚度的2倍，并與葉片光滑過渡連接保證相同的葉頂間隙.原型葉片以及分別在壓力面、吸力面安裝葉尖小翼的葉片見圖1，分別記為BF、PT和ST.

2 數(shù)值方法

由于此軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)及電機(jī)支架的非周期性，因此進(jìn)行全流道數(shù)值模擬.網(wǎng)格劃分為進(jìn)口延長(zhǎng)段、葉輪、電機(jī)以及出口延長(zhǎng)段4個(gè)流域.其中，進(jìn)出口延長(zhǎng)段長(zhǎng)度為軸流風(fēng)機(jī)機(jī)殼直徑的2倍.流道均采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，并對(duì)葉尖部分進(jìn)行加密.葉輪段網(wǎng)格數(shù)為567萬，總網(wǎng)格數(shù)為750萬.圖2為未加葉尖小翼時(shí)的軸流風(fēng)機(jī)網(wǎng)格示意圖，安裝葉尖小翼后網(wǎng)格與其類似.

表1 軸流風(fēng)機(jī)參數(shù)

圖1 安裝葉尖小翼的葉片

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

計(jì)算采用不可壓分離隱式(SEGRE-GATED)求解，湍流模型采用Realizablek-ε模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，不考慮重力與熱量的影響.壓力-速度耦合方式選用SIMPLE算法，壓力修正采用Standard方式，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程和耗散方程的空間離散格式均采用一階迎風(fēng)格式.進(jìn)口邊界條件采用Mass-flow-inlet，出口為outflow，當(dāng)計(jì)算殘差低于10-4且軸流風(fēng)機(jī)壓升基本不變時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂.

3 實(shí)驗(yàn)方法

軸流風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)在根據(jù)GB/T 1236—2000 《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》[11]設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，如圖3所示.在B型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中，利用多噴嘴實(shí)驗(yàn)風(fēng)室測(cè)量軸流風(fēng)機(jī)流量，在靜壓孔位置測(cè)量軸流風(fēng)機(jī)壓力，利用電測(cè)法測(cè)量軸流風(fēng)機(jī)功率.

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意圖

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對(duì)比

4 結(jié)果與分析

4.1 軸流風(fēng)機(jī)性能分析

圖5給出了3款軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬得到的特性曲線.從圖5可以看出，壓力面安裝葉尖小翼模型(即PT)壓力系數(shù)和效率比原型機(jī)低；吸力面安裝葉尖小翼模型(即ST)壓力系數(shù)在大體積流量區(qū)略微有提高，在小體積流量區(qū)則相反，效率在大體積流量區(qū)有明顯的提升，其中在設(shè)計(jì)體積流量點(diǎn)提高了0.6%，在小體積流量區(qū)變化不明顯.說明吸力面安裝葉尖小翼提高了軸流風(fēng)機(jī)性能，而壓力面小翼使流動(dòng)損失增加.

圖5 不同葉尖小翼安裝位置下的性能曲線

為了直觀地觀察不同葉片表面安裝葉尖小翼對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉頂泄漏流的影響，定義葉頂泄漏率為：

(1)

式中：qV,l為葉頂泄漏流體積流量；qV,in為軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)口體積流量.

表2給出了3款軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下的葉頂泄漏率γ.從表2可以看出，壓力面和吸力面安裝葉尖小翼的模型葉頂泄漏率均小于原型機(jī)的葉頂泄漏率，這是由于安裝葉尖小翼延長(zhǎng)了葉頂間隙流道，流動(dòng)阻力增加.其中吸力面小翼模型葉頂泄漏率更小，說明安裝葉尖小翼均可以減小葉頂泄漏流，且吸力面安裝葉尖小翼抑制泄漏流的效果更明顯.

表2 不同軸流風(fēng)機(jī)葉頂泄漏率

4.2 內(nèi)流場(chǎng)分析

為了觀察吸力面、壓力面安裝葉尖小翼對(duì)葉片做功能力的影響，分別計(jì)算3款軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下0.9葉高處葉片表面的壓力系數(shù)，如圖6所示.對(duì)比PT和ST，在壓力面前緣至0.3弦長(zhǎng)處PT壓力系數(shù)高于原型機(jī)壓力系數(shù)，在0.3弦長(zhǎng)至尾緣處情況相反；在吸力面前緣至0.7弦長(zhǎng)處PT壓力系數(shù)高于原型機(jī)壓力系數(shù)，在0.7弦長(zhǎng)至尾緣處則相反.說明壓力面安裝葉尖小翼降低了葉尖的做功能力.對(duì)比BF和ST，在壓力面二者壓力系數(shù)變化不大；在吸力面前緣至0.3弦長(zhǎng)處ST壓力系數(shù)低于BF，在0.3弦長(zhǎng)至尾緣處則相反.說明吸力面安裝葉尖小翼提高了葉尖前緣的做功能力，降低了尾緣的做功能力，總體略有提升.

圖6 3款軸流風(fēng)機(jī)0.9葉高處壓力系數(shù)分布

Fig.6 Distribution of pressure coefficient at 90% blade height of different fans

各模型設(shè)計(jì)體積流量點(diǎn)0.5弦長(zhǎng)處的流場(chǎng)見圖7.圖7(a)中，原型機(jī)近壓力面壓力最高，且隨著離壓力面距離的增加壓力逐漸降低；吸力面壓力最低，隨著離吸力面距離的增加壓力逐漸升高，在葉頂間隙區(qū)域形成最大壓差.壓力面部分高壓流體在壓差的作用下從葉頂間隙泄漏至吸力面低壓區(qū).圖7(b)中，PT致使葉頂間隙區(qū)域向壓力面高壓區(qū)延伸，犧牲了壓力面部分做功能力，使得葉頂壓力面高壓區(qū)壓力降低，造成軸流風(fēng)機(jī)全壓下降，這與圖5外特性表現(xiàn)一致.PT使得葉頂間隙區(qū)域的壓差降低、流道變長(zhǎng)，因此泄漏量減少.圖7(c)中，ST將葉頂間隙區(qū)域向遠(yuǎn)離吸力面區(qū)域延伸，同樣致使葉頂間隙區(qū)域的壓差降低，流道變長(zhǎng)，泄漏量減少.同時(shí)ST對(duì)吸力面負(fù)壓區(qū)影響不大，風(fēng)機(jī)全壓略有升高.

計(jì)算渦量然后繪制等值面圖，捕獲各模型葉頂泄漏渦核，結(jié)果如圖8所示.其中云圖分別為0、0.25、0.5、0.75、1、1.25弦長(zhǎng)處各截面總壓損失系數(shù)云圖.定義總壓損失系數(shù)為：

(2)

圖7 設(shè)計(jì)體積流量點(diǎn)0.5弦長(zhǎng)截面壓力云圖及流線圖

圖8 總壓損失系數(shù)云圖及葉頂泄漏渦渦量的等值面圖

觀察原型機(jī)可以看出，葉尖部分氣流從壓力面泄漏至吸力面形成葉頂泄漏渦，葉頂泄漏渦從葉片前緣生成，逐步發(fā)展至葉片中部發(fā)生脫落，在下游與主流摻混，造成氣動(dòng)損失.相對(duì)于原型機(jī)，PT的葉頂泄漏渦強(qiáng)度和范圍較大，這是由于壓力面流體在壓差作用下從葉尖小翼下表面繞過葉尖小翼泄漏至吸力面，其流動(dòng)損失更大，這與總壓損失系數(shù)云圖呈現(xiàn)的情況吻合，PT的葉頂總壓損失大于原型機(jī).ST的葉頂泄漏渦強(qiáng)度和范圍均小于原型機(jī),其距離吸力面更遠(yuǎn)，減小了吸力面的分離損失，且相比原型機(jī)其葉頂泄漏渦脫落點(diǎn)離前緣較遠(yuǎn)，脫落到流道下游中的渦旋更少，引起的損失更小，與總壓損失系數(shù)云圖表現(xiàn)一致.說明壓力面安裝葉尖小翼增大了葉頂泄漏渦的強(qiáng)度及范圍，使損失增加；而吸力面安裝葉尖小翼能有效減小葉頂泄漏渦的強(qiáng)度及范圍，并且使其脫落點(diǎn)后移，減少了軸流風(fēng)機(jī)總壓損失.

5 結(jié) 論

(1) 壓力面安裝葉尖小翼導(dǎo)致軸流風(fēng)機(jī)全壓和效率降低，而吸力面安裝葉尖小翼使得軸流風(fēng)機(jī)的全壓和效率在大體積流量區(qū)有所提高，在小體積流量區(qū)變化不明顯，設(shè)計(jì)體積流量點(diǎn)效率提高了0.6%.

(2) PT降低了葉尖的做功能力；ST提高了葉片前緣的做功能力，降低了尾緣的做功能力，總體略有提升.

(3) PT和ST均延長(zhǎng)了葉頂間隙流道的長(zhǎng)度，降低了壓差，能有效減小葉頂間隙泄漏流，后者效果更為明顯.

(4) 壓力面安裝葉尖小翼增大了葉頂泄漏渦的強(qiáng)度和范圍，吸力面安裝葉尖小翼減小了葉頂泄漏渦的強(qiáng)度和范圍，使葉頂泄漏渦的位置向遠(yuǎn)離吸力面的位置偏移，減少了吸力面的分離損失，并且使其脫落點(diǎn)后移，減小了對(duì)主流的影響，使軸流風(fēng)機(jī)總壓損失減少.

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