导叶形式对于两级动叶可调轴流风机的影响

周飞，叶学民，李优，李春曦

导叶形式对于两级动叶可调轴流风机的影响

周飞，叶学民，李优，李春曦

（华北电力大学 动力工程系，河北 保定 071003）

为探究导叶形式和结构对轴流风机的影响，选取某两级动叶可调轴流引风机为研究对象，构建了不同的导叶结构方案，方案一是将所有短导叶变为长导叶；方案二是将空心导叶改为长导叶；方案三是所有叶片均为长叶片。采用FLUENT软件进行三维定常数值模拟，分析了不同方案下风机性能和内流特征，得到最优的方案。研究表明，方案三是将所有导叶变为长叶片，风机在设计流量下全压和效率达到最佳，较原结构分别提升3.8%和1.8%；减少了相邻叶片之间流体的掺混，一级静叶区和二级动叶区流场得到改善；第二级动叶总压升系数有较大提升，风机整体做功能力变强。

动叶可调轴流风机；导叶结构；内流特征；性能

0 引言

两级动叶可调轴流风机具有效率高、噪声小、流量大等优点，逐渐成为大容量机组送、引风机及一次风机的主要选择[1-3]。轴流机械中，导叶具有改变流动方向以及减少流动损失的作用，其结构形式可改变上下游动叶区的做功能力[4]，进而影响整个叶轮的机械效率和经济性。因此，进一步探索导叶形式和结构对风机性能的影响。

导叶位置对于流体机械性能的影响已开展了许多研究。文献[5-6]发现适当增加导叶进口安装角可以有效提高轴流泵在大流量下的效率，同时导叶进口安装角过小会导致水泵高效区范围变小。文献[7]模拟分析了两级动叶可调轴流风机的第一级导叶周向和轴向位置对风机性能的影响。文献[8]发现当叶轮叶片数和导叶数不变时，叶轮出口至导叶进口距离过大或过小，导叶水力损失将增大，出水流道水力损失增大，泵整体效率将下降。

在导叶数量方面，文献[9]探索了不同导叶数下的立式斜流泵性能的影响，泵内水力损失随导叶数增加而增大，导叶数为3时，导叶出口速度分布较为合理。文献[10]通过改变两级动叶可调风机两级导叶数目，增加导叶数目方案效果不如导叶数方案明显。文献[11]认为不同导叶数下泵扬程基本不变，但是效率受叶片数影响较大，尤其大流量下叶片数越多，效率越低。

目前研究主要探讨导叶位置及导叶数目对性能的影响，而对导叶形式和结构对轴流风机的影响鲜有报道。为此，本文针对带后置导叶的两级轴流风机，其第一级导叶同时具有空心叶片、长叶片和短叶片，构建不同的3种方案，采用数值模拟的研究方法，对比各方案下的性能与内流特征，确定最优方案。

1 计算模型

1.1 模型及参数

本文所选风机为某两级动叶可调轴流引风机，其结构如图1所示，主要参数如表1所示。风机第一级导叶叶片分布不均匀，其包含短导叶、长导叶、与长导叶等长的空心叶片。3种改造方案皆针对第一级导叶进行改造，方案一是将所有短导叶变为长导叶；方案二是将空心导叶改为长导叶；方案三是所有叶片均为长叶片，其叶片数量如表2所示。

图1 两级动叶轴流可调风机模型图

1.2 计算方法及边界条件

控制方程采用连续性方程和三维雷诺时均N-S运动方程，湍流模型采用Realizable-模型，此模型可以有效解决旋转运动、二次流及回流情况，压力速度耦合采用Simplec算法，控制方程中的变量及粘性参数均采用二阶迎风格式离散，近壁面采用标准壁面函数。集流器作为整个计算域的入口，采用速度入口，和通过经验公式确定，扩压器作为计算域的出口，采用自由出流边界条件。进出口体积流量残差小于10–5，各方向的速度及、等参数的残差小于10–4，可认为计算已收敛。

表1 轴流风机的主要参数

表2 各方案下不同导叶数

1.3 网格无关性

基于风机结构特点，沿轴向依次将计算域分为集流器区、动叶区、导叶区、扩压器区，并分别进行网格划分，动叶区域网格进行网格加密确保结果的精准度，动叶网格如图2所示。为验证网格数量的无关性，选取5组不同数量的网格，网格数为595万、684万、796万、875万和987万，在设计流量下（v=424 m3/s）进行数值模拟，所得结果如图3所示。当网格数超过796万时，压力值和效率值不再发生显著变化，同时考虑到计算时长与计算资源，决定采用796 万网格进行整机模拟计算。

图2 网格划分示意图

图3 网格无关性验证

2 风机性能

2.1 整机性能

图4是不同方案下的性能对比。与原结构相比较，方案三在全流量下全压都有较大提高，平均提高约为5.2%，方案二仅在小流量下（v<424 m3/s）全压有增加，且增加量随流量增大而减少，方案一与原结构全压曲线基本重合。图4（b）对比了不同方案下的效率。与压力曲线相似，在研究流量范围内，方案三的效率有很大程度提高，平均达3.5%，方案二在小流量下提升效果明显，而方案一则有一定程度的下降。综上，方案三无论是在全压还是效率的提升都是最大，方案一拥有最差的性能，造成这种情况的原因可能有3个方面：空心叶片变为长叶片，仅在厚度上发生变化，增加了通流面积；短叶片改为长叶片仅是在轴向方向上长度变化，减少了尾部损失；原结构不仅同时拥有3种不同结构的导叶，且分布不均匀。方案三即将所有叶片改为长叶片使结构更对称，流动更加均匀，减少了流动损失。

图4 导叶形式对性能的影响

2.2 轴功率

轴功率sh定义为单位时间内原动机传递给风机轴上的能量，其大小可反映风机的能耗。图5为设计流量下轴功率的对比，该图表明，3种方案的轴功率较原结构都有一定程度的升高，方案三下轴功率升高最多，约60 kW。结合几种方案的效率和全压情况，方案三虽轴功率有轻微升高，但相对于其他方案，其对性能的提升是显著的，因此为最佳方案。下文将只比较方案三与原结构，另两种方案将不予讨论。

图5 不同方案下轴功率

为探究方案三对轴流风机整体的影响，从集流器入口到扩压器出口，沿轴向等距取20个截面，得到全压、静压、动压的轴向分布。图6表明，方案三并不改变整体压力趋势，改造前后变化主要体现在静压和全压的提升，两条动压曲线基本吻合。在轴向位置1~2 m处，此时流体经过一级动叶区，动压不断转化为静压，加上叶片对与流体的推动作用，静压以及全压得到大幅度提升。轴向位置2~3 m处，一级导叶起到导向作用，方案三较原结构静压增加明显，同时全压也较原结构上升约800 Pa。经过第2级动、导叶作用后，全压基本不再变化，动、静压也开始趋于平稳。

图6 风机轴向压力分布

3 内流特征

3.1 导叶进、出口的压力分布

为分析导叶改造对内流特征的影响，图7和图8分别给出了原结构和方案三下第一级导叶进、出口的压力分布。由图7可知，原结构下进、出口总压大小基本无变化，叶片顶部附近高低压区域交替出现，总压沿叶片底部至顶部增加。空心叶片一侧压力梯度较大，且高压影响区域比其他叶片更广，导致了气体在通道内流动不均匀，对第二级动叶做功产生不利影响。方案三下进、出口总压分布与原结构类似，但将叶片都换为长叶片使总压整体分布更均匀，整体总压较原结构提升约500~800 Pa。

图9和图10表明，导叶静压梯度主要沿周向变化。原结构下静压最低区主要集中在空心叶片底部，约0~2 000 Pa，流体经过导叶作用后，静压梯度沿周向分布更明显，整体静压提升约800~1 000 Pa。与原结构相比，方案三导叶进口整体静压分布更具有规律性，呈17个周向均匀的区域，静压沿周向线性变化。对比改造前后，方案三即把所有的叶片改为单一长叶片使流体在通道内流动更均匀，减少了流动损失，整体总压提升主要体现在静压上，静压提升约1 000 Pa，总压提升约500~800 Pa，与图6吻合，因此说明方案三对改善内流特征和提高风机性能都有很大作用。

图7 原结构第一级导叶区的总压分布

图8 方案三第一级导叶区的总压分布

图9 原结构第一级导叶区的静压分布

图10 方案三第一级导叶区的静压分布

3.2 动叶表面压力分布

图11和图12对比了原结构和方案三下第二级动叶区叶片表面的总压分布，以便观察方案三对动叶区内流特征的影响。原结构下压力面在前缘顶部出现一小段压力较低区域（<9 000 Pa），在尾缘顶部30%处形成较大范围高压区（>16 000 Pa），随后因靠近流道出口，受尾流影响，压力下降至约14 000 Pa。吸力面沿前缘至尾缘的总压逐渐升高，前缘存在细长条低压区，这是因为气流经过吸力面前缘时，不能有效附着在叶片表面导致流动分离的产生。同时，在叶顶靠近前缘约20%~40%处存在整个吸力面的总压最低区域，这是叶顶间隙泄漏流引起的，约3 000 Pa。方案三的叶片整体总压分布与原结构大致相同，方案三压力面前缘顶部的压力较小区范围变小，从底部至25%叶高处，整体压力上升了约1 000 Pa，改造前后吸力面压力分布无明显变化。

图11 原结构第二级动叶表面总压分布

图12 方案三第二级动叶表面总压分布

3.3 轴向压力、速度分布

为进一步探究第一级导叶对第二级动叶的影响，在50%叶高处取截面进行分析。因导叶结构的特殊性，原结构下沿周向存在连续分布的长、短和空心叶片，图13给出了总压分布，导叶进出口总压基本不变。空心叶片吸力面存在压力较大区域，约11 000 Pa，其尾缘处至第二级动叶流道入口流场变化梯度大，短叶片压力面存在一压力较小区域A（<8 000 Pa），影响范围从入口一直延续到出口。方案三下全压整体提升约1 000 Pa，静叶区压力分布更均匀，区域B处压力梯度变小。如图14所示，原结构下空心、长叶片吸力面前缘处有明显低压区，空心叶片压力面尾缘有一小片低压区域C，短叶片尾缘至静叶区出口两个相邻流道内静压较大。方案三下区域C消失，不同流道间流体基本无掺混，静压周向分布变均匀。

图13 50%叶高截面处的轴向总压分

图14 50%叶高截面处的轴向静压分布

轴向速度分布反映了流道内的流量分布和流动分离特征。图15显示，在空心叶片吸力面形成一半椭圆形高速区域D，速度高于90 m/s；因叶片厚度较厚，流体在尾缘堆积，存在速度较小区域E，同时也造成下游动叶压力侧速度较小（<50 m/s）。短叶片压力侧形成条状小速度区，约70 m/s，速度小的流体接触到动叶前端，在压力侧形成速度较小区域F。改造后，区域E基本消失，减少了能量损失，同时下游动叶压力侧速度场得到改善。原短叶片位置压力侧速度提高，区域F速度提升至60 m/s。

图15 50%叶高截面处的轴向速度分布

综上，采用方案三即将所有叶片改为长叶片，一级静叶区和二级动叶区流场得到改善，且叶片尾缘处减少了相邻叶片流体的掺混，压力、速度分布更加均匀，尾部流动分布更优，这也是改造后全压和效率上升的重要原因之一。

沿不同叶高处总压系数能够反映不同叶高处动叶的做功能力[12]。图16表明，第一级动叶总压升系数在设计流量下沿叶高呈递减趋势，且改造前后基本不变，方案三下第二级动叶总压升系数较原结构有较大提升，叶轮做功能力得到增强。

图16 设计流量下不同叶高处的总压升系数

4 结论

（1）导叶形式和结构对轴流风机性能有较大影响。全压方面，与原结构相比，方案一下的全压略有减小，方案二在小流量下有小幅上升，而方案三在全流量范围内有明显提升，平均提高约5.2%；效率方面，方案一效果较差，方案二和方案三在全流量范围都有显著提升，方案三效果更好，平均提升达到3.5%。

（2）第一级导叶改造对内流特征产生影响。采用等长的长叶片时，一级静叶区和二级动叶区流场得到改善，且叶片尾缘处减少了相邻叶片流体的掺混，压力、速度分布更加均匀，尾部流动分布更优；方案三下第二级动叶压力面前缘顶部的压力较小区范围变小，整体压力上升了约1 000 Pa，改造前后吸力面压力分布无明显变化；第二级动叶总压升系数在设计流量下有较大增加，增强了做功能力。

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Influence of Guide Vane Form on a Two-stage Axial Flow Fan with Adjustable Blades

ZHOU Fei, YE Xuemin, LI You, LI Chunxi

(Department of Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

To explore the influence of the guide vane form and configuration on axial flow fans, a two-stage axial flow fan with adjustable blades is selected in this study, and different guide vane schemes are constructed. The first option is to change all short guide vanes into long guide vanes; the second option is to change the hollow guide vanes to long guide vanes; the third option is to change all the blades to long guide vanes. FLUENT is used for the three-dimensional steady numerical simulation. The performance and internal flow characteristics under different schemes are examined and the optimal scheme is obtained. Simulated results show that scheme 3 that all guide vanes are replaced with long vanes achieves the best total pressure and efficiency at the design flow rate, which are increased by 3.8% and 1.8% respectively compared with the original one. The mixing of fluid between adjacent blades is reduced, and the flow fields in the first-stage static vanes area and the second-stage rotating blade area are improved. The total pressure rise coefficient of the second-stage rotating blades is greatly improved, and the overall working capacity of the fan is strengthened.

axial flow fan with adjustable blades; guide vane configuration; internal flow characteristics; performance

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.02.009

TH4

A

1672-0792(2021)02-0064-09

2020-10-27

中央高校基本科研业务费专项基金（13MS98）

周 飞（1995—），男，硕士研究生，研究方向为流体机械理论及工程应用；

叶学民（1973—），男，教授，研究方向为流体力学理论及应用、大型旋转机械动力学特征及运行经济性及新能源技术利用；

李 优（1994—），男，硕士研究生，研究方向为流体机械理论及工程应用；

李春曦（1973—），女，教授，主要从事流体机械、流体动力学理论及应用方面的研究。

叶学民