高负荷轴流风扇中弯曲动叶的应用研究∗

陈榴胡磊戴韧

（1.上海理工大学能源与动力工程学院；2.上海电气电站发电设备有限公司）

高负荷轴流风扇中弯曲动叶的应用研究∗

陈榴1胡磊2戴韧1

（1.上海理工大学能源与动力工程学院；2.上海电气电站发电设备有限公司）

本文采用弯曲叶片设计方法，对前期设计的大折转角高负荷轴流风扇的叶轮叶片进行根部正弯处理，弯角为30°。采用数值模拟方法，对比了直叶片和正弯叶片的叶轮流场，确定了弯叶片气动作用的有效性。结果表明设计工况下，利用径向叶片力，压制了由于旋转和叶栅高扩压度引起的轮毂分离流动。正弯动叶级效率提高了1.64%，静压升增大了10.74%。动叶吸力面根部分离区位置后移，强度减弱，静叶吸力面流动有明显改善，低速区均明显减小，通流能力增大，降低了叶栅内部流场中的能量损失。

高负荷；轴流风扇；弯曲动叶

0 引言

通过增大叶型的折转角来提升风扇的切向扭矩，提高叶型的气动载荷，从而提升风扇的压比，降低风扇级数，是缩小电站大型冷却风扇结构尺寸的一个有效措施，同时也被广泛应用于航空发动机的设计，以达到减轻重量，提高推重比的目的。

叶片负荷的增加势必导致扩压叶栅内逆压梯度增强，使得叶片端壁及吸力面附面层更易发生分离，造成二次流损失增大，效率下降[1]。Shang[2]通过风洞实验指出，静叶倾斜或者弯曲，可以有效的控制流道内角涡的生成。

弯曲叶片通过控制叶片表面与气流的作用力在径向的分量，控制径向压力梯度，以实现控制边界层迁移的目的。该技术最早是由王仲奇教授和前苏联的费里鲍夫于60年代提出的。有研究表明，当压气机静叶使用弯叶片时，效率可提高1%左右[3]。

Bogod[4]等人将6种不同弯曲形式的出口导叶栅应用在多级压气机的中亚音速级中进行试验，结果表明所有5种弯曲叶片级的总特性都有所改善。王会社等[5]对不同弯角的正弯曲叶片压气机叶栅进行了试验，结果表明叶片弯曲可以降低叶栅端部损失，合理的叶栅正弯角度将会降低叶栅总损失。

弯曲导叶通过改善动叶进口的进口冲角，间接改善了高负荷风扇的内部流动。在高负荷风扇中，叶片表面的附面层在径向压力梯度的作用下，从叶顶向叶片根部迁移，并与轮毂上的附面层在角区交汇，形成附面层低能流体的堆积，造成了高负荷叶片的二次流增强。上述文献均通过改善导叶流动，从而间接改善动叶的流动状态。对于弯曲动叶对风扇性能的影响机理研究，公开的文献较少[6-8]，需要进一步深入的分析。

因此，本文对某高负荷轴流风扇整级流场进行数值模拟，分析了弯曲动叶对高负荷风扇气动性能的影响，为应用弯曲叶片提升高负荷风扇效率提供理论依据。

1 物理模型

本文以前期设计的高负荷风扇为原型[9]，具体设计参数如表1所示，采用积叠线法对风扇根部进行正弯处理，此时叶片压力面与内端壁的夹角为锐角[10]，如图1（a）所示。

压气机中采用弯曲叶片的效果可能不如透平中明显，叶片的最佳倾角可能大于透平[11]。基于某些静叶实验结果[12]以及作者对叶片弯角的正交实验，本文报告了其中相对效果比较明显的一个应用案例，弯角选为30°，弯高约为30%的叶片高度。30%～100%的叶高范围内，积叠线为直线，弯曲动叶的几何模型如图1（b）所示。

表1 风扇主要设计参数表Tab1.The main design parameters

图1 弯动叶积叠线及叶片形状示意图Fig.1The stacking line and bowed blades

2 计算方法

风扇动叶和静叶流道空间离散网格使用商业软件IGG/AutoGrid模块生成。在风扇进、出口采用H型网格，在叶片排通道中采用O型网格，如图2所示。动叶流道网格分布为：41×61×105（周向×展向×流向），动叶网格分布为：17×61×161（周向×展向×流向）；静叶流道网格分布为：41×61×101（周向×展向×流向），静叶网格分布为：17×61×153。动、静叶排在计算中均加入1.9mm间隙，间隙内采用蝶形网格，网格径向分布为13层，网格总数约为82万。

图2 网格结构示意图Fig.2Portion of the mesh

使用FINE/Turbo求解三维N-S方程组，采用Extended Wall Functionk-ε湍流模型。为提高计算效率使用了多重网格法，当地时间步长等加速收敛措施。

在轮毂、机匣以及叶片等固壁上给定绝热无滑移边界条件；进口给定总温、总压和轴向进气方向；出口给定质量流量。

3 计算结果与分析

3.1 级性能的改进

图3、图4给出了原始直动叶风扇级与弯动叶风扇级的性能对比曲线。从流量与效率图上可以看出，在设计流量系数0.556的工况下，正弯动叶级效率提高了1.64%，静压升增大了10.74%。可见，动叶采取正弯叶片极大改善了叶栅内部流动情况，提高了静压升和效率。

图3 效率-流量关系曲线图Fig.3Efficiency Vs.Mass flow rate

图4 静压升-流量关系曲线图Fig.4Static pressure rise vs.mass flow rate

从图5给出的设计工况下直动叶风扇级与弯动叶风扇级出口总压比和等熵效率沿叶高分布可以看出，弯曲动叶极大改善了根部区域流动特性。在30%叶高以下区域，风扇级总压比和等熵效率均得到了提升。在20%叶高处，总压比提高了1%，等熵效率提升了19%。

图5 设计工况下气动性能参数沿叶高分布Fig.5Distribution of parameters along span

3.2 弯曲动叶的作用

图6给出了动叶吸力面极限流线图。从图中可以看出，弯曲动叶有效的抑制了扩张流道内由于逆压梯度造成的流动分离。当动叶弯曲后，叶片前部吸力面逆压梯度减小，边界层增厚减弱，分离延迟。该结论与文献[13]中的结论一致，即合适的弯角可以使角区分离起始点后移。

图6动叶吸力面极限流线图(0.556 2)Fig.6Limit streamline along suction surface of rotor blade

图7 给出了动叶栅S3流面上的速度云图。从图中可以看出，加弯动叶根部的低速区明显减小，其堆积在根部的低能流体较少，从而降低了端部损失。

图7 S3流面速度云图Fig.7Velocity contour along S3 surface

为了更好的研究弯曲动叶内部的流动，定义动叶能量损失系数：

图8 动叶沿叶高能量损失系数Fig.8Energy loss coefficient of rotor along span

图9 给出了不同叶高处的叶型载荷分布。从图中可以看出弯曲动叶根部载荷有所降低，有效的减少低能流体在叶根处聚集，抑制了端部流动的分离。中部叶型载荷几乎不变，保证了风扇的做功能力。同时顶部叶型载荷略微有些减小，但是可以降低叶顶间隙的泄漏流损失，又提高做功效率。因此叶轮总体做功能力并不受影响，反映在叶轮出口轴向平均总压在30%～100%叶高范围，几乎没有变化，如图10所示。

图9 不同叶高处的动叶片载荷分布Fig.9Distribution of static pressure on the different span surface of rotor blade

图10 总压比沿叶高分布Fig.10Comparison of total pressure ratio along the spanwise

3.3导向叶栅流动

图11给出了静叶栅吸力面的极限流线。从图中可以看出，由于原型风扇上游动叶根部产生了很大的分离区，该低能流体向下游传播，在静叶吸力面根部靠近尾缘处重新附着，导致整个静叶流动损失增加。而弯曲动叶有效地抑制了动叶出口的分离区，减弱了端部低能流体的堆积，因此在向下游传播的过程中，很容易耗散，在下游静叶的吸力面上几乎看不到分离区的影响。但是，从图中也可以看出，正弯风扇静叶顶部的分离区略有所增大。

图11 静叶吸力面极限流线图Fig.11Limitstreamlinealongsuctionsurfaceofstatorblade

从图12给出的静叶栅流道内的速度云图可以看出，由于正弯动叶风扇静叶根部的低能流体聚集较少，而原型风扇静叶根部低能流体在出口处大量堆积，导致了流动损失增大。

图12 S3流面速度云图Fig.12Velocity contour along on S3 surface

为了更好的说明静叶栅内的流动损失，定义静叶总压损失系数：

从图13中可以看出，由于动叶正弯后改善了其吸力面根部分离流的情况，流体流入静叶后流动状况良好，正弯动叶级中静叶10%到40%叶高范围损失系数明显小于直动叶级中的静叶。在20%叶高处，静叶总压损失降低了60%。

图13静叶沿叶高总压损失系数Fig.13Energy loss coefficient of stator along span

图14 给出了不同叶高处静叶表面载荷分布。从图中可以看出，与原始风扇相比，弯动叶风扇的静叶具有较高的静压升。其中根部叶片表面载荷有所降低。对于端部低能流体而言，横向压力梯度减小，不容易在端壁处堆积，造成流动损失增大。

图14 不同叶高处静叶片载荷分布Fig.14Distribution of static pressure on the different span surface of stator blade

4 结论

本文通过对直动叶风扇级和正弯动叶风扇级流场进行数值模拟，得到以下结论：

1）动叶采用正弯叶片后，整级性能及做功能力都有明显提升。在设计工况流量系数为0.556时，正弯动叶级效率提高了1.64%，静压升增大了10.74%。

2）正弯动叶级动、静叶吸力面根部分离流强度降低，低速区明显减小，低能流体不会堆积在静叶根部吸力面处，减小了损失。

3）动叶根部进行正弯能够改善高负荷轴流风扇根部流动情况，降低叶栅内部流场中的能量损失。

[1]Bryce,J.D.,M.A.Cherrett,and P.A.Lyes,Three-Dimensional Flow in a Highly Loaded Single-Stage Transonic Fan[J].Journal of Turbomachinery,1995.117(1)：22-28.

[2]Shang,E.,Z.Q.Wang,and J.X.Su.The Experimental Investigations on the Compressor Cascades With Leaned and Curved Blade[C].ASME 1993 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition.1993.

[3]陈矛章.“叶轮机械弯扭叶片的研究现状及发展趋势"简评[J].中国工程科学,2000(6)：94-94.

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Flow Performance of Highly Loaded Axial Fan with Bowed Rotor Blades

Liu Chen1Lei Hu2Ren Dai1
(1.University of Shanghai for Science and Technology；2.Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.,Ltd.Generator Plant)

high-loaded,axial fan,bowed rotor blade

TH452；TK05

1006-8155-(2017)03-0014-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0003

上海市科委战略新兴产业引导专项（16DZ1121202）

2017-05-12上海200093

Abstrac：Partial bowed rotor blade was proposed for a newly design high-loaded axial fan.The blade was positively bowed 30 degree from hub to 30 percent spanwise position.Flows of radial blade and bowed blade fans were numerically compared for various operation conditions.The results show that the bowed blade induces radial forces on the fluid,so that the separations caused by the rotation and high diffusion on the endwall are suppressed.And the fan’s performance are obviously improved.At the designed condition,the efficiency of bowed fan is increased 1.64%and the static pressure rise is increased 10.74%.Comparing the flow structure,it can be found that the separation in the bowed fan is reduced and postponed.Inlet flow to downstream stator is improved and the low momentum area is obviously decreased.The flow losses is reduced significantly.