两种尾缘凹陷方式对开式轴流叶轮内流特性及性能影响分析

梁 钟 王 军 蒋博彦 李佳俊

（华中科技大学能源与动力工程学院）

两种尾缘凹陷方式对开式轴流叶轮内流特性及性能影响分析

梁 钟 王 军 蒋博彦 李佳俊

（华中科技大学能源与动力工程学院）

开式轴流叶轮因其无外壳结构造成风机内部流动结构复杂。论文采用数值分析与实验结合的方法，以某室外机用开式3叶轴流叶轮为模型，通过改进叶轮尾缘结构，设计了两组不同的尾缘凹陷方案进行数值模拟和试验研究。结果显示：尾缘凹陷能够有效改善叶片表面压力分布，减小压力面与吸力面之间的压力差，减小叶顶间隙涡流区，改善角区分离，减弱叶轮尾迹，有效改善叶轮内部流动。对比实际工作流量点，在相同转速条件下，尾缘凹陷使得风机全压降低5.2Pa，功率降低28.0%；在相同工况条件下，叶轮功率降低达14.3%，节能效果明显。

开式轴流叶轮；空调；尾缘凹陷；尾迹

0 引言

开式轴流叶轮主要运用于空调室外机之中，不同于全管道式的风机系统。在室外机中，叶轮外侧的导流罩只覆盖叶顶的部分区域[1]，使得该区域涡流更为复杂；同时出口格栅与叶片尾缘脱落涡发生干涉作用，也使叶轮内流耗散较大，效率低下。对开式轴流叶轮内部流动进行控制是提升其性能的有效方法。其中弯掠优化设计[2]和前、后尾缘[3-6]的处理是当前研究的热点。

对于叶轮尾缘，Seung Heo[7]等研究发现斜S尾缘能有效减少湍流动能并降低宽频噪声；游斌[8]等研究发现对尾缘进行凹陷同时对前缘局部加厚和叶片其他区域整体减薄处理，能够减轻风轮质量，降低电机负荷同时减弱转子尾迹。

本文针对叶轮尾缘流动结构特征，通过改进叶轮尾缘结构，设计了两组不同的尾缘凹陷方案进行数值模拟和试验研究，旨在探究尾缘凹陷对风机内流及性能的影响。

1 研究对象

1.1 原型叶轮

本文以某款空调室外机为原型，其主要结构包括：压缩机、热交换器、电机及电机支架、出口格栅和风扇。为便于模拟对其进行结构简化，去除其中的热交换器、出口格栅等结构。简化后的三维模型如图1所示。其整体结构尺寸为885mm×340mm×680mm，叶顶间隙δr=6mm，轴流叶轮外径D2=528mm，内径D1=130mm，转速n=760r/min。

图1 空调室外机与叶轮三维模型图Fig.1 Air conditioning outdoor unit and impeller threedimensional model

1.2 两种叶轮尾缘凹陷方式

通过尾缘凹陷切割得到新的改型叶轮，凹陷型线是由6个控制点确定的非均匀有理样条曲线。图2为尾缘凹陷示意图。每一控制点的位置由两个参数h和θ确定，其中h=2e/(D2-D1)为相对叶高，决定控制点的径向位置；θ为同叶高下，控制点和原尾缘型线的夹角，决定控制点的周向位置。本文设计了两种不同的尾缘凹陷方式，分别对应改型叶轮B和叶轮C，原型叶轮对应叶轮A。两组型线深入叶轮中的程度不同但其1和6控制点相同。表1为两组型线各控制点的h和θ值。

图2 尾缘凹陷型线示意图Fig.2 Schematic diagram of the trailing edge depression scheme

表1 各控制点参数表Tab.1 Control points parameters

2 数值模拟与试验方法

2.1 网格生成与计算方法

本文采用商用软件Fluent进行数值模拟。将计算区域划分为3部分，分别为进口区域、叶轮区域、出口区域。图3为计算域示意图。其中进口区域网格数为90.4万，A，B，C三种方案叶轮区域的网格数分别为159.8万、157.7万、157.5万，出口区域网格数为84.7万。各区域间通过interface连接。

图3 计算域示意图Fig.3 Computational domain diagram

计算方法采用SEGREGATED隐式求解；湍流模型为Realizablek-ε模型；壁面附近应用标准壁面函数；湍流动能、湍流耗散项、动量方程都采用二阶迎风格式离散；压力-速度耦合采用SIMPLE算法。边界条件采用压力进口和压力出口，叶轮区域选用旋转坐标系。当各个速度分量和k、ε的计算残差小于10-4，监测值稳定后，认为当前计算已经收敛。

2.2 试验装置与方法

性能试验按照《GB/T1236-2000工业通风机用标准化风道进行性能试验》[9]进行，采用B型试验装置，通过多喷嘴流量计测量流量，电测法测量功率。图4(a)为性能试验装置结构示意图。图4(b)为空调室外机整机试验现场图，整机试验中包含了热交换器、出口格栅等部件。

(a)性能试验装置结构示意图(a)Performance experiment device structure diagram

图4 试验装置图Fig.4 Experiment device diagram

3 计算结果与分析

3.1 压力面与吸力面压力云图分析

针对两种尾缘凹陷形式和原始叶轮模型，计算了室外机在正常使用风量（3000m3/h）条件下的结果。为探究其对叶片载荷分布影响，对叶片压力面与吸力面压力云图进行了分析。

图6为A，B，C叶轮压力面的压力云图对比。从图6中可以看出：A，B，C叶轮压力面的最高压力分别为60Pa、55Pa、55Pa，依次降低。其中A叶轮约有1/3的面积压力处于55～60Pa并且在叶根处存在一个较小的高压区，B，C叶轮的高压区逐渐减小且在叶根处不存在高压区。A，B，C叶轮压力面的最高压力区均位于叶轮顶部距前缘1/2弦长的位置且压力面中部区域的压力值逐渐减小。

图7为A，B，C叶轮吸力面的压力云图对比。从图7中可以看出：A，B，C叶轮吸力面的最低压力分别为-70Pa，-70Pa，-60Pa，依次增加，低压区均位于叶轮顶部3/4弦长的位置且面积逐渐减小。吸力面其他区域压力变化不明显。

图6 A，B，C叶轮压力面压力云图对比Fig.6 A，B，C impeller pressure surface pressure nephogram comparison

图7 A，B，C叶轮吸力面压力云图对比Fig.7 A，B，C impeller suction surface pressure nephogram contrast

综合图6、7可得，随着尾缘凹陷向叶轮中部的深入，叶片整体压力分布更加均匀并且压力面与吸力面之间的压力差减小，改善了叶片的受力情况。

3.2 叶轮子午面压力云图与流线分析

图8为A，B，C叶轮子午面压力云图与流线对比。从子午面压力云图可以更加直观的看出尾缘凹陷之后，叶片两侧压差减小，叶片的受力改善。在流线图中捕捉到了叶片顶部的泄漏涡结构。在进行尾缘凹陷改型之后，叶顶间隙涡流区有一定程度的减小，角区分离得到改善，说明尾缘凹陷在一定程度上改善了叶道内的流动状态。

图8 A，B，C叶轮子午面压力云图与流线对比Fig.8 Comparison of meridian pressure nephogram and streamline of impeller A，B and C

3.3 叶轮尾缘后涡量图分析

图9为A、B、C叶轮尾缘后15mm处涡量图对比。从图中可得，A叶轮尾缘后有较强的涡流且其梯度较大。B、C叶轮尾缘后的涡强度减小且随着凹陷型线向叶轮中部的深入，尾缘后涡强度的绝对值逐渐减小，梯度降低，流动更加均匀，说明尾缘凹陷改善了叶片尾部流动状态，降低了尾迹强度。

图9 A，B，C叶轮尾缘后15mm处涡量图对比Fig.9 Comparison of vortices at 15mm after trailing edge of impeller A，B and C

4 外部性能模拟计算与试验结果分析

图10为在转速760r/imn条件下，A，B，C叶轮模拟与试验的全压-流量曲线对比图。从图中可看出模拟时对应流量下的压力大于试验值，但是分布趋势一致。一方面是数值计算本身的误差所造成，另一方面则是因为模拟时没有包含热交换器、出口格栅等部件，而出口格栅等造成的阻力损失与流量的平方成正比，热交换器造成的阻力损失与流量的n次方成比例[10]，其中n稍小于2，图中两者的压力差基本满足上述要求，故认为本文中的数值模拟结果是可靠的。

在实际工作流量点（3000m3/h）处：模拟结果中B、C叶轮的压力较A叶轮分别降低3.1Pa、6.8Pa；试验结果中B，C叶轮的全压较A叶轮分别降低2.5Pa、5.2Pa。两种情况下的压力降基本相同，说明尾缘凹陷会造成叶轮的做功能力有小幅度的降低。从10（b）中可以发现，B叶轮的压力特性与A叶轮差异较小，而C叶轮的压力特性与A叶轮相差较大，说明在一定范围内，尾缘凹陷向叶轮中部的深入对其压力特性基本无影响，当超过一定范围，叶轮全压将大幅降低。

图11为在转速760r/min条件下，A，B，C叶轮模拟与试验的功率-流量曲线对比图。在实际工作流量点（3000m3/h）处：模拟结果中B，C叶轮的功率较A叶轮分别降低9.8W、18.7W，占比11.0%、20.9%；试验结果中B，C叶轮的压力较A叶轮分别降低24.3W、42.6W，占比16.0%、28.0%。由功率特性分析可得：尾缘凹陷在造成叶轮压力小幅度降低的条件下能够大幅度降低叶轮耗功，从而达到节能的效果。

图11中反映的尾缘凹陷在相同转速下的降功能力中包含了压力损失所带来的功率降。因此为探究尾缘凹陷实际的节能效果，通过相似变换公式，提升B，C叶轮的转速，使其全压-流量曲线与A叶轮基本吻合来消除压损影响。在试验结果中将B，C叶轮的转速分别提升至775r/min、800r/min时，其全压-流量曲线与A叶轮基本相同，如图12（a）所示，此时认为消除了压损影响。变转速之后的A,B,C叶轮试验的功率-流量曲线对比图如图12（b）所示。在实际工作流量点（3 000m3/h）处： B,C叶轮的功率较A叶轮分别降低5.9W、21.7W，占比6.6%、14.3%。由以上数据说明在现有型线范围内，尾缘凹陷能够明显降低叶轮功耗，具有很强的节能作用。

图10 A，B，C叶轮模拟与试验的全压-流量曲线对比图（转速760r/min）Fig.10 Theptf-Qcurve comparison chart of simulation and experiment at speed with 760r/min of impeller A，B and C

图11 A，B，C叶轮模拟与试验的功率-流量曲线对比图（转速760r/min）Fig.11 Thep-Qcurve comparison chart of simulation and experiment at speed with 760r/min of impeller A，B and C

图12 A，B，C叶轮试验的全压/功率-流量曲线对比图(变转速)Fig.12 The comparison of the totalptf-Qcurve andp-Qcurve in the test of impeller A，B and C

5 结论

本文以尾缘作为切入点进行了凹陷改型，并对设计的两种凹陷程度不同的改型方案进行了数值模拟与实验研究，对比了内流和性能曲线，得出如下结论：

1）对轴流叶轮尾缘进行凹陷改型能够较为明显的改善叶片表面受力情况与内部流动，叶顶间隙涡流域稍有减小，角区分离得到改善，尾迹有比较明显的减弱；

2）凹陷尾缘有较大的节能潜力。对比实际流量工作点，在相同转速下，尾缘凹陷使得风机全压降低5.2Pa，功率降低28.0%；提升转速到同等工况条件下，叶轮功率降低达14.3%；

3）在现有范围内，尾缘凹陷越深入叶轮中部，其对叶轮内部流动改善与节能效果越明显。

[1]田杰.空调器室外机轴流风机系统内部复杂流动及其气动声学研究[D].上海交通大学,2009.

[2]李杨，欧阳华，杜朝辉.基于叶片弯掠技术的优化设计[J].热能动力工程，2007(6):605-609.

[3]刘火星，李凌，蒋浩康，等.二维NACA65叶型前缘几何形状对气动性能的影响[J].工程热物理学报，2003(2):231-233.

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[5]Zhao X,Sun J,Wang C,et al.Experimental and numerical study of electronic module-cooling heat sinks used in a variable frequency air-conditioneroutdoorunit[J].InternationalJournalofRefrigeration，2014,38:10-21.

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[7]Heo S,Cheong C,Kim T H.Development of low-noise centrifugal fans for a refrigerator using inclined S-shaped trailing edge[J]. International Journal of Refrigeration.2011,34(8):2076-2091.

[8]游斌，刘东瀛，伍光辉，等.尾缘凹陷轴流风轮内流特性分析与降噪研究[J].工程热物理学报，2010(3):411-413.

[9]沈阳鼓风机研究所.工业通风机用标准化风道进行性能试验[S].2000.

[10]李庆宜.通风机[M].机械工业出版社,1981.

Internal Flow and Performance Analysis of an Unshrouded Axial Impeller with Two Types of Concave Trailing Edges

Zhong Liang Jun Wang Bo-yan Jiang Jia-jun Li
（School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology）

The axial unshrouded impeller exhibits a complex inner flow field due to the missing volute casing.Based on the combination of numerical simulation and experimental investigations,a three-bladed axial unshrouded impeller for outdoor air-conditioning is analyzed.To investigate the influence of the impeller trailing edge on the flow characteristics,two concave shaped trailing edges of the impeller are designed and studied by numerical analysis and experimental measurements.The results show that the concave trailing edge can effectively improve the pressure distribution on the blade surface and reduce the pressure difference between the pressure and the suction surface,It also reduces the vortex shedding,attenuates the corner separation,weakens the impeller wake and effectively improves the internal flow of the impeller.The concave trailing edge of impeller reduces the total pressure of the fan by 5.2Pa and the power of fan by 28%when operated at the same rotational speed as the unshrouded impeller.Under the same operating conditions,the impeller power is reduced by 14.3%such that the energy saving benefit is obvious.

unshrouded axial impeller,air conditioning,concave trailing edge,wake

TH432.1；TK05

1006-8155-(2017)04-0008-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.04.0002

2017-01-09 湖北 武汉 430074