叶顶间隙非均匀对大型轴流风机性能的影响

2022-11-02成铠陈云瑞孟凡杰李景银

西安交通大学学报 2022年10期

成铠,陈云瑞,孟凡杰,李景银

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

大型民用轴流风机使用范围极其广泛。为了减重和降低成本,大型民用轴流风机机壳刚度偏低,经常导致较明显的机壳变形,造成叶顶间隙沿周向的不均匀分布,影响风机的性能和流场变化。

叶顶间隙是影响轴流风机气动性能十分关键的因素,国内外学者已对均匀分布的叶顶间隙开展了大量的研究。Freeman等[1-2]研究了叶顶间隙尺寸对轴流压气机性能的影响,发现随着叶顶间隙的增加,压气机性能显著降低。

随着数值模拟技术的发展和试验测试技术的进步,现在的研究进一步着重于叶顶间隙与叶顶泄漏涡的发展之间的联系。祁明旭等[3]通过分析不同间隙情况下的间隙流动发现,随着动叶叶顶间隙的增加,间隙涡的产生位置提前,强度增大,损失增大;此外,动叶顶部的高损失区域位置和范围发生变化,通道涡被破坏,高损失区向压力面迁移,并远离端壁。Moghadam等[4-5]通过分析叶顶间隙大小对叶顶泄漏流的影响,指出随着叶顶间隙的增加,叶顶泄漏涡的尺度和强度均增大,涡核向叶根位置移动,增强了对主流的堵塞。吴艳辉等[6]通过分析3种间隙的泄漏流特点,发现泄漏涡在近失速工况发生破碎,造成泄漏涡体积突然膨胀,对来流阻塞效应增大,大间隙时最先发生泄漏涡破碎。高杰等[7]通过数值模拟发现,间隙对泄漏涡破碎位置的影响比较明显,掺混损失主要发生在泄漏涡破碎之后。Nho等[8-10]的研究发现,随着叶尖间隙的增加,叶尖泄漏涡流变得更加强烈。此外,随着叶顶间隙的增加,叶顶泄漏涡流的位置从叶片吸力侧表面向邻近叶片的压力侧移动。陆华伟等[11]通过对叶栅试验测试发现,在固定马赫数和冲角时,随着叶顶间隙的增加,近端壁面层低能流体的聚集和发展受到影响,叶栅损失呈现先减小后增大的趋势。You等[12]采用大涡模拟研究了叶顶间隙对涡轮机的叶顶泄漏流动的影响,发现随叶顶间隙的减小,泄漏流中的旋涡和湍动能的强度逐渐降低。Gamil等[13]通过对工业风机的数值模拟,展示了叶尖泄漏流在不同流速、叶尖间隙和安装角下的泄漏流结构分布。Khalid等[14]已经证明,随着叶片安装角的增加,叶尖泄漏涡流的强度降低,并向转子出口移动。Han等[15]使用DMD、POD对混流泵叶尖泄漏涡的流动结构进行分解和重构,发现一次叶尖涡(PLTV)的演变频率为8.4倍叶轮旋转频率,且PLTV主要分为振荡的PLTV-A和脱落的PLTV-B。Han等[16]进一步通过提高混流泵转速,发现叶尖泄漏流量和轴向动量均有所增加,并提出叶尖泄漏涡分离角预测模型。

研究人员也研究了安装误差导致叶顶间隙不均匀的影响。Storace等[17-18]开展涡轮转子的偏心引起的叶顶间隙不均匀的研究,发现穿过不同间隙的叶片载荷不同,从而引起涡流诱导力。Graf等[19]通过试验和理论分析,研究了叶尖间隙周向不均匀对轴流压气机性能和稳定性的影响。结果表明,间隙不对称使压缩机失速裕度减小,非均匀间隙对峰值效率的影响小于对峰值压力的影响。Chen等[20]通过数值模拟对Rotor 67的周向非均匀间隙下的外特性进行了研究,结果表明风机性能主要受到间隙不均匀性和平均间隙水平的影响。陈秀颖等[21]通过研究3种周向间隙布局对多排转子的影响,发现后排转子叶尖流场非对称性大,且非均匀间隙布局与叶片气动力分布有对应关系。Ma等[22]通过比较3种在叶轮轴向方向上的叶顶间隙变化对Rotor37性能的影响,发现最佳不均匀间隙的轴向分布,可以削弱叶尖泄漏涡,吹扫边界层中的低能流体,改善压气机的性能。叶学民等[23]对OB-84风机进行研究,发现轴向渐缩型间隙可减少叶顶泄漏,提高风机性能。姬田园等[24]发现叶片加工误差引起的不确定性间隙会对叶顶泄漏流产生影响,并降低叶片稳定裕度。Hao等[25]对由于一个叶片高度变化,导致叶顶间隙非对称,对“泵-水轮机”型叶轮的瞬态空化流动进行研究,发现这会恶化空化性能,同时影响径向力的大小和方向。

目前对于均匀叶顶间隙的研究较多,对于非均匀间隙的研究主要集中在叶顶切割的轴向非均匀间隙的情况;以及一些具有周向非均匀间隙的压气机等高压高速设备。对于量大面广的大型民用低压轴流风机而言,机壳尺寸大和机壳薄,导致机壳刚度明显不足,因此必须预留较大的叶顶间隙,同时,由机壳变形导致的叶顶间隙沿周向的不均匀性变化显著,但目前对此类风机的不均匀叶顶间隙影响的研究很少。

本文针对某大型家畜养殖场用大型轴流通风机的非均匀叶顶间隙,开展了定常、非定常数值模拟。对该风机的叶顶间隙,采用非均匀度和平均间隙两个因素控制周向非均匀度,研究非均匀间隙对风机外特性、静压分布、叶顶泄漏流等方面的影响,旨在为低压轴流风机的加工制造精度要求、高效运行等方面提供一定的指导。

1 研究方法

1.1 研究对象

本文中叶轮直径D为1 445 mm,设计叶顶尖隙为10 mm。风机在使用过程中机壳出现椭圆化,偏心化等问题都会造成轴流风机周向间隙的不均匀,周向非均匀叶顶间隙示意图如图1所示。对于均匀间隙,可由机壳与叶轮的半径之差表示间隙的大小。椭圆形等非均匀机壳,引入平均间隙Ca表示其叶顶间隙水平,即

(1)

式中:S为机壳内流道截面积;L为机壳周长。

为了更好地研究此类问题,引入一个表示非均匀度的因子λ来量化机壳的非均匀度,即

(2)

式中:a、b分别为最小、最大间隙处的半径;r为叶轮半径。

λ的取值在0～1之间,0代表均匀间隙,即机壳为正圆形,1代表极不均匀间隙,可表示为短半轴等于叶轮半径的椭圆形。本文选取0、0.5、0.8这3种非均匀度的间隙进行研究。

1.2 计算模型与网格

为了准确模拟叶顶周向非均匀间隙,将计算模型分为内、外两个区域,内部区域为叶轮旋转域,外部区域为非均匀间隙区域。为了两个计算域更好地传递数据,在内部叶轮旋转域中带有一部分均匀间隙,区域分区图如图2所示。

叶轮网格在Turbo Grid软件中生成,叶片周围采用O型剖分,外流域网格在Ansys ICEM软件中生成,壁面Y+保持在30左右。内外区域均划分为结构化网格,在叶顶部分共有30层网格,其中7层在内部旋转域,23层在外部区域,如图3所示。

为了验证网格的无关性,在相同边界条件设置下,共选择了7组网格数进行数值模拟并比较其总压效率,结果如图4所示。综合计算精度与计算速度,最终选择总网格数450万,其中内部网格数260万,外部网格数190万。

1.3 数值计算方法试验验证

风机性能试验方法按照GB/T1236—2017《工业通风机用标准化风道性能试验》,采用C型试验装置。流量用多喷嘴流量计测得,功率用电测法测得。流量与压力试验数据均通过自动采集系统得到。试验装置结构如图5所示。

本文使用Ansys CFX进行计算,采用多重参考系方法(MRF)用于叶轮与机壳的动静交界面处,其中叶轮流域为旋转坐标系求解,外壳流域用静止坐标系求解。采用SSTk-ω湍流模型、Scalable壁面函数,压力与速度耦合采用SIMPLE算法,空间离散二阶迎风格式,进口采用速度边界条件,出口采用压力边界条件。由于机壳与内旋转域的相对旋转,对于非定常计算,数值格式采用高分辨率平流空间精度和二阶后向欧拉离散化的时间精度,瞬态模拟的时间步长为2.3×10-4s。定子-转子界面处的边界设置为瞬态转子-定子界面,以便正确模拟从静止框架到旋转框架的滑动界面。

基于上述计算方法和设置,对平均间隙为10 mm的模型进行数值计算,并将计算结果与试验数据进行对比,如图6所示。计算模型的压力、效率随流量的变化与试验值基本一致,全压的最大误差为3.85%,效率的最大误差为2.04%,所以认为此风机性能模拟的模型方法可靠。

2 稳态结果分析

为了研究间隙非均匀度和平均间隙水平对风机外特性的影响,开展固定平均间隙,改变非均匀度,固定非均匀度,改变平均间隙两种情况进行研究,具体情况如表1、表2所示。

表1 平均间隙相同但非均匀度不同的间隙情况

表2 非均匀度相同但平均间隙不同的情况

定常计算的叶片周向位置如图7所示,图中φ1表示叶顶间隙最小位置,φ2表示小间隙旋入大间隙位置,φ3表示大间隙旋入小间隙位置。

2.1 非均匀度的影响

表1中方案1、方案2、方案3的效率-流量曲线和静压-流量曲线如图8所示。从图8中可以看出,平均间隙大小不变,随着非均匀度的增加,效率明显下降,其中效率下降最大值约为2.30%,静压略微下降,下降最大值约为1.91 Pa。可知在相同平均间隙下,非均匀度对效率的影响大于对压力的影响。

体积流量为50 000 m3/h时,3个叶片的叶顶静压分布图如图9所示。从图9可以看出,随着不均匀度的增加,叶顶截面的静压分布沿周向位置的变化更加显著。对于φ1位置,在平均间隙一样的前提下,不均匀度的增加,意味最小间隙φ1处的间隙减小,虽然方案3中φ1处间隙最小,受泄漏流的影响,该叶顶间隙处的叶顶低压区反而最小,而对于其他两个叶片位置,叶片在前缘和后缘的径向间隙不同,且随着不均匀度增加,径向间隙的差别增大;在φ2位置处,受泄漏流的影响,低压区的分布区域在轴向上(接近垂直叶片方向)随非均匀度的增大有扩大的趋势;在φ3位置处,泄漏的影响在周向上有明显扩大的趋势。

方案3在φ2位置处的叶顶泄漏流线图和Q准则下(Q=8×105s-1)的涡结构如图10所示,一般的叶顶间隙泄漏流动会形成漩涡,并形成涡核流动。由图10可知:叶顶间隙泄漏可分为3个部分,靠近叶尖处形成两股带涡核流动的泄漏流,其中泄漏流A涡延展距离明显大于泄漏流B;此外,在靠近机壳壁面还形成了一个没有涡核的附加泄漏流动,该泄漏沿轴向发展一段距离后,再与主泄漏流一起沿周向流动。

2.2 不同平均间隙的影响

非均匀度为0.5时3种平均间隙的性能曲线图如图11所示,可知随着平均间隙的增加,效率和静压都有明显的下降,其中效率在小流量下降最大,达2.97%,静压接近等量下降。与非均匀度增大的情况相比,平均间隙的增大对效率的影响同样比对压力的影响显著,但是平均径向间隙的增大对压力的影响程度比非均匀度增加更显著。

方案4、5、6的叶顶静压分布如图12所示,可知随着平均间隙的增大,低压区在3个叶片位置上,都随间隙的增大而在轴向上有减小的趋势,在周向有所增加。这与讨论均匀叶顶间隙的文献[7]中所述结论一致。由于叶顶间隙的增加使泄漏在周向的扩大影响了叶片的做功,从而导致了整体性能下降。

2.3 机壳周长不变条件下的变形对风机性能的影响

实际风机的机壳变形往往导致间隙的不均匀度和平均值同时变化,为此进行了在固定周长下两个因素的变化情况。在周长一定的情况下,随着非均匀度的增大,叶顶间隙的平均径向间隙反而有所减小。表3所示为固定周长L=4 461.1 mm情况下,不同均匀度和相应的平均径向间隙的3种情况。

表3 具有相同周长的机壳不同变形情况的间隙

在表3给定周长情况下,由于机壳变形,导致风机性能曲线的变化如图13所示。在定周长情况下,非均匀度的增加导致了平均间隙的减小。由图13可以看出,在两种间隙参数相反变化的共同作用下,效率-流量曲线未发生较大的变化,而在静压-流量曲线中,压力有一定的上升。这说明在保证机壳设计间隙的条件下,机壳的轻微变形,对风机的性能影响不显著。

3 瞬态结果分析

以方案3模型为例,进行非定常模拟,研究非均匀间隙下轴流风机的非定常特性和非均匀间隙对叶顶泄漏的影响,非定常计算的风机模型如图14所示。对一特定叶片从0°转到180°的流场特性进行分析,即可得到整周不同间隙的影响,其中叶片旋转到0°、180°为两个最小间隙,90°为最大间隙所在位置。

周向角为0°～180°的叶顶静压分布与泄漏流量如图15所示,图中红线标示了叶背后面低压区的摆动方向。叶片从0°位置旋转至180°位置,叶顶间隙先增大后减小,由叶顶泄漏所引起的低压区也有先增大后减小的趋势。在0°～120°区间内,低压区向后移动,如图15中黑线连线所示,不同相位角时,吸力面上具有同样的静压值的起始位置不断后移;在120°～180°区间内,有相反的变化。由图15可以看出,叶片由0°旋转至180°过程中,泄漏引起的低压区位置在120°时最为靠后,在这一过程中低压区的摆动在90°偏离最大。由图15(b)可以发现,在此过程中,0°、180°两个小间隙处的泄漏量反而最大,而介于其中的间隙泄漏量逐渐减小,并在120°时达到最小值。

叶片在不同周向角度时的S3流面流线及静压云图如图16所示,可以看出:在30°～150°相位处,叶片受到前向叶片泄漏涡的影响,叶顶的泄漏流一部分被卷吸,造成了泄漏流量的减小;而在0°～180°相位处,泄漏流并未受到影响,故而泄漏流量更大,泄漏涡形状也更传统。

图17展示了叶顶基元环形叶片的流场平面展开图,以叶片沿周向前进30°显示了不同时刻的叶片整周静压流场,图中标出了最大和最小间隙所在位置。当叶顶产生的泄漏流穿过逐渐减小的间隙时,泄漏涡流迅速耗散,对相邻后向叶片的做功影响减小;反之,当叶顶产生的泄漏流穿过逐渐增大的间隙时,泄漏涡流在一段距离内耗散不明显,有所增强,对相邻后向叶片的做功影响增大。