复合弯掠定制叶型技术在对旋风机设计中的应用

蒋志军，周拜豪

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

复合弯掠定制叶型技术在对旋风机设计中的应用

蒋志军，周拜豪

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

简要介绍了复合弯掠定制叶型技术及其特点，论述了将该技术应用于对旋风机改型设计的工程实例。风机改型设计结果表明，该技术的应用，使对旋风机的效率及喘振裕度明显提高，叶片厚度和重量都有较大的减小。该实例验证了基于航空发动机高压压气机设计体系的复合弯掠定制叶型技术，在低速对旋风机设计中也具有良好的实用性和有效性。

对旋风机；定制叶型；效率；喘振裕度；节能减排

1 引言

对旋轴流通风机由于其在长距离送风、通风方面的优势，被广泛应用于矿井通风系统中。据统计，全国大小矿井至少有10万台主通风机在运行，风机效率每提高1%可节电40亿千瓦时。因此，提高通风机的效率对节能减排、降低生产成本具有巨大的现实意义。

影响通风机性能的主要因素是风机的叶型设计，业内通常采用孤立翼型设计[1，2]。这种设计造型变化的是叶片安装角和叶片截面的大小，叶片截面形状与原始翼型几何相似。这是一种相对简单的设计方法，其设计风机的性能（尤其是非设计点性能好坏）与原始翼型的选取直接相关，原始翼型极大地限制了叶片设计的灵活度。本文引入基于航空发动机压气机设计体系的通流气动布局设计技术及复合弯掠定制叶型造型技术，对风机风轮进行优化设计。与孤立翼型设计方法最大不同是，摒弃使用标准叶型(原始翼型)的思路，根据通流计算不同流线上的气动参数，在不同高度流线截面上分别设计具有可控扩散叶型特点的叶型，以期提高风机性能。

2 定制叶型技术

定制叶型技术[3]是基于正问题迭代法设计可控扩散叶型的一种特定几何造型方法，可设计出具有可控扩散叶型表面速度分布特点的叶型。正问题迭代法采用特定的几何造型方法设计叶型，然后利用正问题分析叶栅流场，得到叶型表面速度分布。当表面速度分布不满足要求时，则修改叶型设计，再进行正问题计算，如此反复迭代，最后得到满意的叶型。正问题迭代法由于其设计的叶型几何参数易于控制，能很好地保证叶片的径向光滑，设计人员能很快得到叶型，在工程上具有很强的实用性。在航空发动机压气机中的众多应用验证表明，定制叶型损失小、攻角范围大，性能优于其它常规叶型。其设计流程和方法见图1。

图1 定制叶型的设计流程Fig.1 Flow chart of custom tailoring

对于用几何方法生成的叶型，影响其性能的因素主要有：中线形状、厚度分布和前后缘形状。中线形状决定了叶型的弯度分布，也就一定程度上决定了功的分布。定制叶型技术选用两段圆弧中线，通过分别控制其弧度来灵活控制功的优化匹配。

厚度分布影响叶背和叶盆的曲率，通过它能够调整叶型表面压力分布。定制叶型采用一种特殊的厚度分布形式，使设计的叶型具有类似于可控扩散叶型的形状和性能。定制叶型造型控制的典型表面速度分布具有如下特点：

(1)叶背前缘有一段持续加速，避免层流附面层过早分离；

(2)控制叶背的速度峰值，以达到控制损失的目的；

(3)控制叶背速度峰值到后缘速度的曲率形式，以推迟或避免附面层发生分离；

(4)控制叶盆的速度分布形式，以保证一定的堵塞裕度。

在叶片前后缘选取上使用椭圆前缘设计。多年来前后缘一直采用圆弧设计，一方面是对其影响认识不足，另一方面是加工能力限制。实际上，前后缘形状对叶型性能有很大影响，椭圆前缘可很好地控制膨胀波及分离泡，减小叶型损失。

3 在风机改型设计中的应用

为验证定制叶型技术在风机设计中的实际效果，将该技术应用于一台矿用主排气风机风轮的改型设计中。

矿井在不同时期对主通风机的性能要求不同，一般而言，随着矿井采掘的行进，越到后期通风风压需求越高。某煤矿集团一矿井开采逐渐进入了后期，矿井排气主通风机性能逐渐出现了不能满足通风要求的问题，工作中出现喘振现象。矿井方面提出对风机风轮段进行改型设计，在原有电机条件下提高风机的效率和流量，解决风机喘振问题。根据客户改型要求，结合定制叶型技术本身特点，针对风机主要用于矿井的抽风排气，一年四季长期工作，工作环境的大气参数变化范围大，为设计的通用性和方便性，结合原型风机的性能参数，选取标况大气作为设计状态，以进口负压2 700 Pa、设计流量87.5 kg/s、电机转速742 r/min作为设计点，设计改型风机叶片，采用在不同进口负压下适当调整叶片安装角来尽可能增大风机通风量及保证风机高效率。

在通流计算环节，考虑到风机有反转应急需求，采用了风轮段平直流道设计。同时为实现对旋级的良好匹配，修改原风机等环量设计为等功设计，该气动布局可有效减少气流在级间由径向气流掺混而造成的损失。在叶片子午投影布局上，引入掠型设计，该技术属于叶片三维设计范畴，通过径向适当掠型控制气流在径向的流量分布，达到增加主流区流量控制端壁流动的目的[3，4]；另外叶片掠型设计可降低风机噪声。风机S2流路布局见图2。通流计算程序选用中国燃气涡轮研究院自主开发的具有国内先进水平的S2流面计算程序，该程序采用矩阵通流法逐站求解，能反映端壁区域流道信息，具有设计结果准确、合理性高的特点。计算时需要输入流道几何参数、静子叶片出口环量分布、附面层堵塞系数、转子叶片排效率或损失系数、静子叶片排总压恢复系数或损失系数、叶片排稠度和各级压比。通流设计的关键控制参数扩散因子分布如图3所示。

图2 S2流路布局图Fig.2 Layout of S2 flowpath

图3 风机扩散因子分布Fig.3 Configuration of D-factor

在叶片造型环节，定制叶型造型的初始参数根据经验给定，选用MISES、NUMECA软件分别进行造型叶片的正问题分析迭代[3]。攻角、落后角、弯度比主要参考正问题分析结果优化选取(图4)，最大相对厚度、最大厚度位置参考正问题计算和强度计算结果调整得出。同时，在叶片三维造型中引入先进的复合弯掠技术。通过弯掠设计，可减轻叶片根尖气动负荷，控制叶片根尖的二次流动，提高叶片根尖的效率，最大限度地利用叶片中部的高效流动区，扩大稳定工作范围，提高通风机抗流场畸变能力。另外，复合弯掠还可增加叶片刚度，降低叶片应力及风机噪声；相对于传统低速风机叶型定制叶型，极大地减薄了叶片厚度。和原型风扇叶片相比，改型叶片叶尖叶型厚度减薄近2/3，叶根叶型减薄近1/2，大大减轻了叶片重量(图5)，为高稠度、高裕度风轮的实现提供了有利保障；同时轻质叶片对轮盘及风机整机减重都有益处。改型风轮在叶片数增加30%情况下较原型风轮依然减重约12%，就是最直接的体现。

4 改型风机实测性能

风机安装地坑道风压需求常年在2000～2600Pa之间，因此在风机安装调试时对风机叶片安装角进行了适当调整。风机现已在矿井正常稳定工作一年多，未出现喘振，图6给出了风机试运行一个月后由专业风机性能测试机构测试的风机性能。

图4 叶片的攻角、落后角以及几何弯角分布Fig.4 Configurations of incidence angle,deviation angle and turning angle

图5 第一级叶片Fig.5 Blade of the first stage

图6 改型前后风机性能对比Fig.6 Performance comparison between the old and the new draught fans

和改型前风机性能[5]相比，风机的同风压流量提高约8%，全压效率提高6.2%(由于改型设计只修改了风机风轮，电机、排气扩散塔仍使用风机原件，因此这里的效率不包括电机损失和排气损失)。同时，风机的稳定工作范围也明显拓宽，由原型风机的2 250～2 600 Pa拓宽到改型风机的2 040～2 650 Pa。

5 结论

(1)高风压对旋通风机设计中应用复合弯掠定制叶型技术，可以很好地发挥定制叶型效率高、稳定工作范围宽的优点。改型风机在同风压流量增加约8%的前提下，最高全压效率提高6.2%，稳定工作风压范围扩大近260 Pa，成功解决了原型风机工作中的喘振现象。

(2)相对于传统风机叶型，定制叶型的厚度有很大幅度的减薄，这对风机减重、控制材料成本及实现高稠度、高喘振裕度风机设计提供了有力保证。

[1]吴玉林，陈庆光，刘树红.通风机和压缩机[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]李超俊，宇文龙.轴流压缩机原理与气动设计[M].北京机械工业出版社，1987.

[3]航空发动机手册总编委会.航空发动机设计手册：第8册——压气机[K].北京：航空工业出版社，2001.

[4]彭泽琰，杜声同，郭秉衡.航空燃气轮机原理[M].北京：国防工业出版社.

[5]华蓥山广能集团李子垭煤业有限公司.通风机性能数据测定报表[Z].2005.

Application of Curved-Swept Custom Tailoring Techniques in Counter-Rotating Draught Fans

JIANG Zhi-jun，ZHOU Bai-hao
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The curved-swept custom tailoring techniques and its engineering application of it in coun⁃ter-rotating draught fan design is introduced.The design results show that the efficiency and surge margin of draught fans increase obviously,while the thickness and weight of blade decreases greatly.It verified practicality and validity of the curved-swept custom tailoring techniques based on the design system of high pressure compressor in draught fan design.

counter-rotating draught fans；custom tailoring；efficiency；surge margin；energy saving and emission reduction

V232.4

A

1672-2620(2012)01-0005-04

2011-03-18；

2011-12-01

蒋志军(1980-)，男，四川安岳人，高级工程师，主要从事航空发动机压气机气动设计工作。