姜　華，邵珅菲，宮武旗，姬長發(fā)

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0　引　言

作為軸流風(fēng)機(jī)特殊形式的對旋軸流風(fēng)機(jī)，僅由動葉組成而無靜葉，兩級動葉轉(zhuǎn)向相反，第二級葉輪不僅具有普通軸流風(fēng)機(jī)靜葉導(dǎo)流作用，還能向氣體提供能量，因而具有結(jié)構(gòu)緊湊、流量大、壓升高、效率高且反風(fēng)性能良好等特點[1-2]，被廣泛應(yīng)用于礦山[3]、地鐵和隧道等領(lǐng)域的通風(fēng)工程。目前關(guān)于對旋軸流風(fēng)機(jī)的研究主要集中在兩級葉輪匹配[4-6]、氣動性能[7-8]、軸向間隙[9-12]、氣動噪聲[13-15]、兩級電機(jī)功率匹配[16]等方面。由于緊急情況下，常需要軸流風(fēng)機(jī)能快速反向運行，且要求反向通風(fēng)量不低于正向風(fēng)量的60%，因此軸流風(fēng)機(jī)的反風(fēng)特性逐漸成為人們關(guān)注的焦點。常用的反風(fēng)方法主要有：葉輪倒轉(zhuǎn)法[17]、動葉可調(diào)法[18-19]、反風(fēng)道法，其中葉輪倒轉(zhuǎn)法由于操作簡單而被廣泛應(yīng)用。若采用常規(guī)翼型設(shè)計的風(fēng)機(jī)葉輪直接反轉(zhuǎn)實現(xiàn)反向通風(fēng)，葉片進(jìn)出口速度不能滿足風(fēng)機(jī)正常通風(fēng)時葉片進(jìn)出口速度構(gòu)成的速度三角形，使得風(fēng)機(jī)與正常工作時相比，風(fēng)機(jī)的反風(fēng)風(fēng)量嚴(yán)重降低、性能惡化。為適應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)的反風(fēng)運行要求，李超俊等最早提出“雙頭雙機(jī)翼反向?qū)ΨQ翼型”(S翼型)[20]，試驗發(fā)現(xiàn)該新型風(fēng)機(jī)正反風(fēng)流量、壓頭、效率基本相同[21]。李景銀等通過實驗和數(shù)值模擬對比兩種以不同翼型為原始翼型的S翼型，指出在最大厚度相同時，翼型頭部形狀對阻力系數(shù)影響不大，而對升力系數(shù)影響較大[22-23]。目前將雙頭反向?qū)ΨQS翼型用于對旋風(fēng)機(jī)的研究很少，且?guī)缀鯖]有正向?qū)ΨQ翼型用于對旋風(fēng)機(jī)的報導(dǎo)。文中采用平面葉柵法設(shè)計一臺功率為55 kW的高效對旋軸流風(fēng)機(jī)，采用雙頭正向?qū)ΨQ思想在原始C-4翼型基礎(chǔ)上同時改變?nèi)~片前緣和尾緣形狀，即雙頭尖葉形和雙頭鈍葉形，對比研究分別以這兩種新型葉形和原始翼型為葉片的3種對旋軸流風(fēng)機(jī)正反風(fēng)性能。

1　原始對旋風(fēng)機(jī)設(shè)計及數(shù)值模型網(wǎng)格與邊界條件

1.1　設(shè)計參數(shù)及方法

對旋風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)：流量Q=44 000 m3/h，轉(zhuǎn)速n=2 950 rpm，功率55 kW，出口靜壓P=6 400 Pa，葉輪外徑Dt=800 mm，輪轂比d= 0.7，一級和二級葉輪葉片數(shù)分別為Z1=15，Z2=10.翼型C-4翼型[24]，采用平面葉柵設(shè)計法和等壓分配原則。

1.2　幾何模型與網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域包括集流器進(jìn)口到擴(kuò)散器出口流道，幾何模型如圖1所示。模擬為定常計算，故計算區(qū)域選為單流道區(qū)域。將計算區(qū)域分成4部分：進(jìn)口集流器區(qū)、第一級動葉區(qū)、第二級動葉區(qū)和出口擴(kuò)壓器區(qū)[25]。葉輪網(wǎng)格如圖2所示。

圖1　對旋風(fēng)機(jī)幾何模型Fig.1　Geometric model of the contra-rotating axial-flow fan1 集流器　2 進(jìn)氣罩　3 第一級電機(jī)　4 第一級葉輪　5 第二級葉輪　6 第二級電機(jī)　7 尾椎

圖2　葉輪網(wǎng)格Fig.2　The mesh of impellers

1.3　邊界條件

模擬采用SIMPLE算法求解N-S方程，工質(zhì)為空氣。壁面采用無滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，區(qū)域交界面采用混合平面模型。兩級葉輪為旋轉(zhuǎn)區(qū)，轉(zhuǎn)動方向相反。

正風(fēng)運行時第一級和第二級葉輪轉(zhuǎn)速分別為2 950，-2 950 rpm.集流器進(jìn)口邊界條件為運行工況點的質(zhì)量流量，擴(kuò)壓器出口邊界條件為壓力出口。

反風(fēng)運行采用葉輪倒轉(zhuǎn)法，兩級葉輪同時旋轉(zhuǎn)反向，即：第一級葉輪轉(zhuǎn)速為-2 950 rpm，第二級葉輪轉(zhuǎn)速為2 950 rpm，集流器進(jìn)口為壓力出口，擴(kuò)壓器出口為流量進(jìn)口，其他設(shè)置條件與正風(fēng)相同。

1.4　網(wǎng)格無關(guān)性驗證

對設(shè)計翼型風(fēng)機(jī)用4種網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行模擬，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)由70萬增加到145萬時，全壓、功率、效率變化均已平穩(wěn)(圖3)，由此確定計算網(wǎng)格數(shù)目為145萬。

圖3　網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.3　Mesh independent verification

2　對旋風(fēng)機(jī)葉片形狀

翼型C-4形狀如圖4(a)，為原始翼型。改變?nèi)~片前緣和尾緣形狀為雙頭尖(圖4(b))、雙頭鈍(圖4(c))。

圖4　葉片形狀Fig.4　Shapes of the blades

3　結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬，得出對旋軸流風(fēng)機(jī)在設(shè)計轉(zhuǎn)速下原始翼型、改變?nèi)~片前緣和尾緣形狀翼型風(fēng)機(jī)正風(fēng)和反風(fēng)運行時的性能曲線圖，以及流場，對結(jié)果分析如下。

3.1　正風(fēng)性能

3種葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)正風(fēng)性能曲線和各級正風(fēng)性能曲線如圖5和圖6所示。采用平面葉柵法設(shè)計的原始翼型55 kW對旋軸流風(fēng)機(jī)其正風(fēng)運行內(nèi)效率最大可達(dá)到90%，可實現(xiàn)正風(fēng)高效運行。

圖5所示的整機(jī)性能對比顯示：對旋軸流風(fēng)機(jī)正風(fēng)運行時，雙頭尖葉形風(fēng)機(jī)壓升和功率明顯高于原始翼型，且性能曲線整體向大流量方向平移。大流量時，雙頭尖葉片內(nèi)效率高于原始翼型和雙頭鈍葉片。小流量時，雙頭尖葉片內(nèi)效率會低于原始翼型和雙頭鈍葉片。雙頭鈍葉片在各流量工況下，壓升和功率均略低于原始翼型，但內(nèi)效率略高于原始翼型。在設(shè)計流量下，雙頭尖葉形風(fēng)機(jī)壓升和功率分別高出原始翼型17.11%和16.35%，而雙頭鈍葉片的壓升和功率略低于原始翼型6.3%和6%，改后的2種葉片內(nèi)效率均高于原始翼型，且雙頭尖葉片更加突出，為3.4%.

圖6所示的兩級葉輪性能對比顯示：兩級葉輪性能曲線變化趨勢均與整機(jī)類似，但對各葉形，第一級葉輪性能曲線變化相對平緩，第二級葉輪性能曲線下降趨勢均大于第一級葉輪。當(dāng)流量小于設(shè)計流量時，第二級葉輪的壓升和功率均高于相同流量條件下第一級葉輪的壓升和功率。當(dāng)流量大于設(shè)計流量時，第二級葉輪的各性能參數(shù)下降幅度隨流量的增加而增加。

圖5　3種葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)正風(fēng)性能曲線Fig.5　Forward rotating performance of the whole machine for three kinds of blades

圖6　3種葉形風(fēng)機(jī)各級正風(fēng)性能曲線Fig.6　Forward rotating performance of the stage for three kinds of blades

3.2　反風(fēng)性能

3種葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)性能曲線如圖7所示，反風(fēng)內(nèi)效率最大可到達(dá)63%，反向風(fēng)量可達(dá)正風(fēng)額定風(fēng)量的60%以上，可以實現(xiàn)高效運行效果。

圖7所示的整機(jī)性能對比顯示：雙頭尖葉形和雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)全壓和功率性能相差不多，均優(yōu)于原始翼型，2種變?nèi)~形的葉片壓升值最高高于原始翼型約4%，功率值最高高于原始翼型約6%.雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)內(nèi)效率值平均高于原始翼型風(fēng)機(jī)6.3%，雙頭尖葉形與原始翼型內(nèi)效率相差不多。

圖8所示的兩級葉輪性能對比顯示：反風(fēng)運行時，3種葉形風(fēng)機(jī)兩級反風(fēng)各級性能曲線趨勢差別較大。雙頭尖葉形風(fēng)機(jī)第一級葉輪(反風(fēng)氣流后進(jìn)入)流量大于33 000 m3/h時壓升和功率均優(yōu)于原始翼型，小于該流量時兩者相差不多，在整個流量范圍內(nèi)，效率兩者相差不大；第二級葉輪性能(反風(fēng)氣流先進(jìn)入)各性能在不同流量工況下均優(yōu)于原始翼型。雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)第一級葉輪(反風(fēng)氣流后進(jìn)入)壓升和功率在流量小于33 000 m3/h時明顯低于雙頭尖葉形和原始翼型，效率與兩者相差不多，流量大于35 000 m3/h時其性能變優(yōu)，壓升和功率高于原始翼型，效率略高于其他2種葉形；第二級葉輪性能(反風(fēng)氣流先進(jìn)入)各性能參數(shù)在不同流量工況下均明顯優(yōu)于雙頭尖葉形和原始翼型。

圖7　3種葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)性能曲線Fig.7　Reverse rotating performance of the whole machine for three kinds of blades

圖8　3種葉形風(fēng)機(jī)變?nèi)~形各級反風(fēng)性能曲線Fig.8　Reverse rotating performance of the stage for three kinds of blades

3.3　正風(fēng)和反風(fēng)性能對比與分析

綜合上述結(jié)果和分析，可以看出采用平面葉柵法設(shè)計的55 kW對旋軸流風(fēng)機(jī)其正風(fēng)運行內(nèi)效率最大可達(dá)到90%，反風(fēng)內(nèi)效率最大可到達(dá)63%，反向風(fēng)量可達(dá)正風(fēng)額定風(fēng)量的60%以上，可以實現(xiàn)高效運行效果。

整機(jī)性能比較分析可以看出，正風(fēng)運行時，雙頭尖葉形風(fēng)機(jī)壓升和功率明顯高于原始翼型，性能曲線整體向大流量方向平移。大流量時，雙頭尖葉片內(nèi)效率高于原始翼型和雙頭鈍葉片；小流量時，其內(nèi)效率低于原始翼型和雙頭鈍葉片。雙頭鈍葉片的壓升和功率略低于原始翼型，內(nèi)效率略高于原始翼型。反風(fēng)運行時，雙頭尖葉形和雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)全壓和功率性能相差不多，均優(yōu)于原始翼型。雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)內(nèi)效率略高于雙頭尖葉形和原始翼型，原始翼型和雙頭尖葉形反風(fēng)內(nèi)效率相差不多。

各級性能比較分析可以看出，正風(fēng)運行時，兩級葉輪性能曲線變化趨勢均與整機(jī)類似，但對各葉形，第一級葉輪性能曲線變化相對平緩，第二級葉輪性能曲線下降趨勢均大于第一級葉輪。反風(fēng)運行時，雙頭尖葉形風(fēng)機(jī)兩級反風(fēng)性能均優(yōu)于原始翼型。雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)第二級葉輪性能(反風(fēng)氣流先進(jìn)入)優(yōu)于雙頭尖葉形和原始翼型，第一級葉輪(反風(fēng)氣流后進(jìn)入)性能明顯低于雙頭尖葉形和原始翼型。

綜合分析上述結(jié)果，可以看出，大流量時雙頭尖葉形對旋風(fēng)機(jī)可以更好達(dá)到同時滿足正反風(fēng)高效運行的目的，小流量時其性能會下降。

3.4　流場分析

截取3種葉形R=0.33 m的葉片圓柱面，正風(fēng)設(shè)計流量和反風(fēng)65%設(shè)計流量下的流線和壓力云圖如圖9所示。

圖9　3種葉形風(fēng)機(jī)正風(fēng)流線和壓力云圖Fig.9　Forward flow lines and pressure cloud for three kinds of blades

在設(shè)計流量正風(fēng)情況下，壓力云圖顯示雙頭尖葉形可獲得更多的壓升，原始翼型次之，雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)壓升最低。兩級壓升比較可知，第一級壓升3種葉形風(fēng)機(jī)相差不多，第二級壓升3種葉形風(fēng)機(jī)相差較大。

由設(shè)計流量正風(fēng)時流線圖知，雙頭尖葉形進(jìn)氣氣流沖角小，沖擊損失和葉片表面邊界層分離損失小，葉輪效率較高，原始翼型和雙頭鈍葉形兩者則相差不多。

在反風(fēng)65%設(shè)計流量情況下(圖10)，雙頭尖葉形和雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)壓升相差不多，優(yōu)于原始翼型風(fēng)機(jī)。兩級壓升比較可知，雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)第二級葉輪壓升2 900 Pa(反風(fēng)氣流先進(jìn)入)優(yōu)于雙頭尖葉形(2 500 Pa)和原始翼型(近2 400 Pa)；第一級葉輪(反風(fēng)氣流后進(jìn)入)壓升2 400 Pa低于雙頭尖葉形和原始翼型約2 800 Pa.

風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)運行時，葉片的頭尾倒置，從流線圖可見氣流入口沖角變大引起壓力損失增大，加快葉片表面氣流分離，使得反風(fēng)性能大大降低。而雙頭鈍葉形可以改善這種現(xiàn)象，其流動損失相對較小，故其內(nèi)效率略高。

圖10　3種葉形風(fēng)機(jī)反風(fēng)流線和壓力云圖Fig.10　Reverse flow lines and pressure cloud for three kinds of blades

4　結(jié)　論

1)采用平面葉柵法設(shè)計的55 kW對旋軸流風(fēng)機(jī)其正風(fēng)運行內(nèi)效率最大可達(dá)到90%，反風(fēng)內(nèi)效率最大可到達(dá)63%，反向風(fēng)量可達(dá)正風(fēng)額定風(fēng)量的60%以上，可以實現(xiàn)高效運行效果；

2)正風(fēng)運行時整機(jī)性能而言，雙頭尖葉形風(fēng)機(jī)各性能顯高于原始翼型。大流量時，雙頭尖葉片內(nèi)效率高于原始翼型和雙頭鈍葉片；小流量時，其內(nèi)效率低于原始翼型和雙頭鈍葉片。雙頭鈍葉片的壓升和功率略低于原始翼型，內(nèi)效率略高于原始翼型；

3)正風(fēng)運行時級性能而言，3種葉形風(fēng)機(jī)兩級葉輪級性能與整機(jī)性能趨勢類似；

4)反風(fēng)運行時整機(jī)性能而言，雙頭尖葉形和雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)全壓和功率性能相差不多，均優(yōu)于原始翼型。雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)內(nèi)效率略高于雙頭尖葉形和原始翼型，原始翼型和雙頭尖葉形反風(fēng)內(nèi)效率相差不多；

5)反風(fēng)運行時級性能而言，雙頭尖葉形風(fēng)機(jī)兩級反風(fēng)性能均優(yōu)于原始翼型。雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)第二級葉輪性能(反風(fēng)氣流先進(jìn)入)優(yōu)于雙頭尖葉形和原始翼型，第一級葉輪(反風(fēng)氣流后進(jìn)入)性能明顯低于雙頭尖葉形和原始翼型。

綜上所述，雙頭尖葉形對旋風(fēng)機(jī)大流量時可以更好達(dá)到同時滿足正反風(fēng)高效運行的目的，小流量時其性能會下降。

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