串列风机叶片间隙尺寸对风机性能的影响研究

董学智 张志鑫 许剑*/中国科学院工程热物理研究所

串列风机叶片间隙尺寸对风机性能的影响研究

董学智 张志鑫 许剑*/中国科学院工程热物理研究所

0 引言

在串列叶栅中，单列叶栅由前后两排叶片共同实现气流的折转，故可以对气流实现更大的折转。因此也加大了单级叶栅的做功能力，一般认为串列叶栅具有气流转折角大、总压损失小、工作范围宽广等优点。

早在1974年，美国NASA在研究高负荷轴流压气机时，就开始对串列叶栅进行研究[1]。Jonathan McGlumphy给出了一种亚音速串列叶栅设计准则，通过实验测试，证明其设计准则可以有效的预测串列叶栅损失发展并为设计提供支持[2]。日本学者Yusuke Sakai等人设计了使用串列叶片的跨音速动叶，通过实验测试证明其具备良好的做功能力以及较小的流动损失[3]。Ramzi Mdouki等人对高负荷扩压叶栅进行开缝处理后，进行了二维以及三维数值模拟。通过模拟计算，定性的得到了开缝位置对叶栅性能的影响，并给出了开缝前后叶片端壁极限流线的变化[4]。

最近，德国学者Martin Bohle教授对不同前后叶片弦长比以及不同冲角下串列叶栅的损失特性以及流场结构进行了详细的数值和实验研究，通过实验和数值的方法，发现串列叶栅的流动拓扑同普通叶栅存在着显著的区别[5]。

由于串列叶栅的实用价值，国内的学者也对其进行了大量的研究。吴国钏通过理论分析，数值模拟以及实验测量等方式对串列叶栅流动规律进行了系统深入的研究。苗厚武等在航空发动机压气机出口静叶上采用串列叶栅技术，提高了效率，扩大了压气机稳定工作范围[6]。李绍斌等对串列叶栅后排静叶周向位置对压气机性能的影响进行了相关的研究[7]。陈美宁等对一款末级静叶为串列叶栅的四级航空发动机用风扇进行了数值分析[8]。

1 计算模型

表1 引风机主要技术参数表

图1 风机子午通流图

本文对一款高炉引风机开展设计优化工作。风机的基本结构参数见表1。该风机采用子午加速技术，含一排反预旋导叶、一排动叶以及一排后导叶三排叶片。其子午通流结构如图1所示。动叶采用展向开缝叶片，静叶为前后两片等厚度直叶片构成的串列叶栅。风机三维几何模型如图2所示。由于引风机的压头较高，采用了子午加速风机以提高风机的出口压力。另外，为了提高风机压力，增大单级风机的压升能力和级负荷。

图2 风机三维模型

2 计算方法及边界条件

利用NUMECA软件对其内部流动进行三维数值分析，采用Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型。网格划分采用2.1.2 IGG/AUTOGRID网格生成程序。数值模拟中，导叶网格数约为33万，动叶网格数约为100万，静叶网格数为65万，网格总数约198万。

计算中重点分析了设计转速（2 100r/min）和最低工作转速（600r/min）下风机内部流动特性。设计点风机流量28.7kg/s，风机压比1.08。

3 不同静叶缝隙对比分析

由于原设计的风机效率不高，不能满足设计要求。根据流场结构的分析，将只针对串列结构的间隙结构进行优化设计。为比较不同间隙对流场结构的影响，分别设计了两种开缝形式，如图3所示（黑色为原型静叶型线，灰色为改型静叶型线）。原型缝隙形状略有扩张，改型1缝隙既不扩张也不收缩，改型2缝隙呈收缩形式。

图3 不同静叶开缝示意图

如图4，对比了不同方案下吸力面表面附近的轴向速度分布。从图中可以看到，原设计方案由于采用扩张的开缝结构，有串列叶栅间隙内流过的气体在扩张作用下，流动速度明显降低，使得其对后一叶片吸力面表面的影响较弱，受开缝泄漏气体影响的区域仅在开缝出口附近。方案1和方案2由于改变了原设计的扩张缝隙结构，泄漏气体的流速得到明显提升。方案2与方案1相比，开缝泄漏气体的影响区域更大，气体影响的区域扩张到尾部叶片吸力面的1/2位置。

图5所示为静叶端极限流线，由图中可以看到泄漏流动在端壁区域作用范围的差异。在原型中，端壁区域泄漏流动对端壁附面层基本没有影响，吸力面端壁区域的边界层的极限流线在缝隙泄漏流动作用下仅发生了少量的偏移，整体拓扑结构没有发生本质改变。对比方案2可以看到由于缝隙泄漏流动的作用，使得端壁吸力面附近的边界层完全发生改变，低能流体被泄漏流动加速，并离开端壁。上一列静叶的吸力面边界层没有延续到尾部叶片吸力面表面。

由于风机为逆压流动，在吸力面存在较大的逆压力梯度，附面层厚度增长迅速。在叶片吸力面端壁附近，受到来流附面层的影响，使得附面层厚度进一步增加。当附面层厚度增加到一定程度，将发生转捩和分离。在风机中，流动过早发生转捩和分离将导致流动损失显著提高，同时由于分离流动的扰动作用还会导致旋转失速和喘振的发生。

因此，由上面的分析可以看到，与采用扩张型缝隙结构相比，方案2采用收缩型的串列叶栅间隙结构，可加速间隙泄漏流动，使泄漏流动起到吹散尾部叶片吸力面边界层，延缓流动分离，降低流动损失的作用。

图4 静叶吸力面轴向速度分布图

图5 静叶端壁极限流线图

如图6所示，对比了原型和方案2在不同转速下吸力面极限流线。对比图6（a）和图6（b）可以看到与原型相比尾部叶栅吸力面的流动分离得到明显的抑制。在叶顶区域，原型在40％相对轴向位置流动就发生了分离；采用收缩间隙设计后，叶顶区域的流动分离区域基本消失。在叶片根部区域，与原型较大的分离相比，方案2在叶片根部局域的分离区域仅出现在尾部出口位置。

图6 叶栅在不同转速下吸力面极限流线图

在低转速工况，由于风机工作点偏离设计转速较大，产生了较大的正冲角。从原型低转速的极限流线可以看到较明显的分离流动。这表明与设计点相比，在低转速工况风机的流动损失更大。采用方案2设计的开缝结构后，由于缝隙流体对边界层发展的影响更强，使得静叶顶部和根部的分离都得到明显的改善。这也表明方案2与原设计相比具有更宽广的变转速区域，可适应更低的转速。对变频风机而言，当所需风量不多时，可通过降低转速，减少电能的消耗。其所能满足的转速范围越大，在非设计转速下效率越高，变频节能效果也越强。

为掌握改型后对风机总体性能的影响，通过计算方法对风机特性线进行了详细计算。图7和图8对比了原型设计和采用方案2改型后的风机特性线。由图中可以看到在风机压比——流量特性基本不变的前提下，采用方案2设计的风机流动效率得到明显提高。在设计转速和低转速工况风机效率都有1％以上的提升幅度。

图7 不同转速下风机效率特性线

图8 设计转速风机压比——流量特性线

4 结论

本文重点对比分析了在子午加速风机中采用不同形式的串列叶栅开缝结构对风机流场结构的影响。并得出以下主要结论：

串列静叶可有效提高风机的级负荷，前后叶片之间形成的通道形状对串列静叶气动性能具有重要明显的影响。

前后叶片之间的通道略呈收敛形结构，可在该通道中形成的高速流动，有效的减薄串列静叶后叶片吸力面的边界层厚度，抑制后叶片吸力面角区发生分离，降低串列静叶的流动损失。

[1]Wennerstrom A J.Highly Loaded Axial Flow Compressors：History and Current Developments.Journal of Turbomachinery, 1990,112(4)：567-578.

[2]McGlumphy J.Numerical Investigation of Subsonic Axial-Flow Tandem Airfoils for a Core Compressor Rotor[D].Virginia Polytechnic Institute and State University,2008.

[3]Sakai Y,Matsuoka A,Suga S.Design and Test of Transonic Compressor Rotor with Tandem Cascade.Proceedings of the International Gas Turbine Congress.2003：2-7.

[4]Mdouki R,Gahmousse A.Effects of Slotted Blading on Secondary Flow in Highly Loaded Compressor Cascade.Journal of Engineering Science and Technology,2013,8(5)：540-556.

[5]Bohle M,Frey T.Numerical and Experimental Investigations of the 3D-Flow Structure of Tandem Cascades in the Sidewall Region[J].Journal of Fluids Engineering,2014,136(7),071102.

[6]苗厚武,高金满,郭捷.串列叶片的应用研究[J].航空动力学报,1991,6(3)：203-206.

[7]李绍斌,王松涛,冯国泰,等.串列叶栅后排静叶周向位置对压气机性能影响的数值研究[J].工程热物理学报,2004,25(6)：943-945.

[8]陈美宁,朴英,王大磊.某型航空发动机风扇串列叶栅的数值模拟.航空动力学报,2010,25(5)：1117-1122.

■

本文对一款高炉引风机开展设计优化工作，引风机采用了串列叶栅结构以提高风机的级压比。重点研究了通过改善串列叶栅缝隙的结构尺寸，以降低流动分离提高性能。优化设计后风机效率得到明显改善，在各工作点风机效率都提高了1％以上。对比分析表明，串列叶栅前后叶片之间的通道略呈收敛形结构更有利于削弱叶片吸力面边界层，延缓流动分离，降低流动损失。

串列叶栅；子午加速风机；变频风机

Research of Effect on gap size of Blade in Tandem Cascade fans on fan Performance

Dong Xuezhi,Zhang Zhixin,Xu Jian,Tan Chunqing,Gao Qing/Insitute of Engineering Thermophysics,CAS

tandem cascade；meridian acceleration fans；frequency conversion fans

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）06-0044-05

10.16492/j.fjjs.2015.06.0117

*本文其他作者：谭春青高庆/中国科学院工程热物理研究所

2015-06-25北京100080

Abstract:The optimal design of a kind of blast furnace fans was discussed.The apptication of tandem cascade can improve the pressure ratio.The effect of the cascade gap size and shape was mainly studied to reduce flow separation and improve the fans performance.After the optimization, the fans efficiency was improved more than 1％in all working point.The comparative analysis shows that convergent type gap in tandem cascade was more conducive to weaken blade suction surface boundary layer,to delay flow separation,and reduce the flow loss.