齒形襟翼及跨度對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究

鄭 楠， 葉學(xué)民， 胡佳密， 李春曦

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003)

大型軸流風(fēng)機(jī)具有效率高、流量大和調(diào)節(jié)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于能源、航空和冶金等領(lǐng)域，但其運(yùn)行過(guò)程中仍存在高噪聲和高能耗等問(wèn)題。隨著智能工業(yè)4.0的推進(jìn)，對(duì)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行提出了高效低噪等新要求，為此開(kāi)展主動(dòng)流動(dòng)控制降噪和提高風(fēng)機(jī)性能的研究具有重要意義[1-2]。

翼型尾緣渦流噪聲是氣動(dòng)噪聲的重要組成部分，通過(guò)控制尾跡可有效降低翼型噪聲，常用的尾緣主動(dòng)流動(dòng)控制措施包括尾緣開(kāi)槽、鋸齒尾緣、尾緣吹氣和尾緣穿孔等[3-4]。鋸齒尾緣葉片技術(shù)簡(jiǎn)單易行，降噪效果突出，應(yīng)用廣泛。黃琪琪等[5]和馬揚(yáng)等[6]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明傾斜鋸齒尾緣降噪效果比傳統(tǒng)鋸齒尾緣更優(yōu)，可降噪1.15～2.38 dB。唐俊等[7]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了正弦形鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響。汪瑞欣等[8]采用數(shù)值模擬分析了齒高分別為2.5%、5.0%、7.5%和10.0%弦長(zhǎng)的鋸齒尾緣對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲的影響，結(jié)果表明隨齒高增加，噪聲先增后減。Zuo等[9]采用嵌入式大渦模擬(ELES)計(jì)算了齒長(zhǎng)分別為5%和10%弦長(zhǎng)的鋸齒尾緣對(duì)NACA0018氣動(dòng)噪聲的影響，結(jié)果表明較長(zhǎng)鋸齒可抑制尾緣噪聲。葉學(xué)民等[10]通過(guò)數(shù)值模擬指出鋸齒尾緣可顯著降低軸流風(fēng)機(jī)中低頻段噪聲，且降噪效果與齒長(zhǎng)成正比，但風(fēng)機(jī)性能有所下降。

已有研究發(fā)現(xiàn)，垂直于翼型尾緣的襟翼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增升效果突出。Li等[11]將高度分別為0.5%、1%、2%和3%弦長(zhǎng)的Gurney襟翼(GF)應(yīng)用于軸流風(fēng)機(jī)，其全壓分別提升12.01%、16.78%、18.16%和24.96%；同時(shí)研究了不同跨度GF對(duì)風(fēng)機(jī)性能和噪聲的影響，結(jié)果表明自葉根起占據(jù)50%葉高、高度2%的GF性能最優(yōu)，但風(fēng)機(jī)噪聲有所增加。楊瑞等[12]通過(guò)數(shù)值計(jì)算指出，風(fēng)力機(jī)增升效果隨GF高度增加先增后減，高度為3%弦長(zhǎng)的襟翼全壓提升最為明顯。陳榴等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了低雷諾數(shù)下高度分別為1.25%、2.5%和5%弦長(zhǎng)的GF軸流風(fēng)扇的性能，結(jié)果表明全壓提升效果與高度成正比。Graham等[14]發(fā)現(xiàn)翼型的增升效果與GF高度成正比，與GF厚度成反比。

綜上所述，GF可提升翼型和風(fēng)機(jī)等氣動(dòng)性能，但氣動(dòng)噪聲相應(yīng)增大；而鋸齒尾緣可降低氣動(dòng)噪聲，但風(fēng)機(jī)性能有所下降。為綜合利用兩者優(yōu)勢(shì)，筆者提出一種新型齒形襟翼結(jié)構(gòu)，采用大渦模擬及氣動(dòng)噪聲模型對(duì)比研究經(jīng)典GF、齒形襟翼(TGF)及其跨度對(duì)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能、噪聲和內(nèi)流特征的影響，獲得綜合性能更優(yōu)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，為風(fēng)機(jī)高效低噪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 齒形襟翼結(jié)構(gòu)的幾何模型

圖1為某兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)模型結(jié)構(gòu)圖，包括集流區(qū)、兩級(jí)動(dòng)葉區(qū)、兩級(jí)靜葉區(qū)和擴(kuò)壓區(qū)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。已有研究表明，高度h為2%c(c為弦長(zhǎng))、寬度b為0.5%c的襟翼具有良好的氣動(dòng)性能，且齒長(zhǎng)l、齒寬λ分別為0.8%c和4.5%c的全齒形襟翼在提升風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和降低噪聲方面具有綜合優(yōu)勢(shì)[15-16]。為對(duì)比研究GF、齒形襟翼及其跨度的影響，在葉片尾緣安裝跨度K依次遞增的齒形襟翼結(jié)構(gòu)，即取K為0.6、0.7、0.8、0.9和1.0開(kāi)展研究。跨度K=y/Y,其中Y為尾緣處葉根至葉頂?shù)母叨?，y為T(mén)GF頂部至葉根的高度。為便于表達(dá)，不同跨度的TGF按如下規(guī)則命名：TGF-K,如TGF-0.6表示跨度為0.6的齒形襟翼。原葉片、GF葉片及齒形襟翼葉片模型如圖2所示，原葉片和改型方案幾何參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 全流道風(fēng)機(jī)模型

表1 風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

圖2 葉片模型示意圖

表2 改型方案幾何參數(shù)

1.2 計(jì)算模型及邊界條件

采用Ansys Fluent求解三維定常不可壓縮雷諾時(shí)均方程和連續(xù)性方程，湍流模型選用帶有旋流、二次流及強(qiáng)逆壓梯度修正的Realizablek-ε模型。壓力-速度耦合選用收斂更優(yōu)的SIMPLEC算法，方程中對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)等采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。動(dòng)葉區(qū)域與機(jī)殼間采用多參考坐標(biāo)系模型，壁面采用無(wú)滑移邊界和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；動(dòng)靜區(qū)域間采用interface邊界實(shí)現(xiàn)工質(zhì)交換，集流器進(jìn)口采用速度入口邊界，擴(kuò)壓器出口邊界設(shè)為自由出流，當(dāng)各參數(shù)殘差小于10-4時(shí)，認(rèn)為計(jì)算已收斂。

在大渦模擬計(jì)算中，采用考慮壁面湍流效應(yīng)與動(dòng)量傳遞作用的局部渦黏度的壁面自適應(yīng)模型(Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity Model, WALE)，選用PISO算法求解壓力-速度耦合方程，采用精度較高的二階差分格式離散偏微分方程，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為動(dòng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)1°的時(shí)間1.11×10-4s，計(jì)算步數(shù)為720步，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)最大迭代次數(shù)為10。

1.3 網(wǎng)格劃分及模型驗(yàn)證

采用ICEM對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行分區(qū)域網(wǎng)格劃分，動(dòng)葉及靜葉區(qū)域采用適應(yīng)性好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，集流器及擴(kuò)壓器區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，整機(jī)網(wǎng)格如圖3(a)所示。為獲得高精度的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)葉頂及尾緣區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密以提高網(wǎng)格質(zhì)量，TGF-0.8齒形襟翼葉片網(wǎng)格如圖3(b)所示。所研究的空氣體積流量范圍對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為1.82×106～2.24×106，為保證y+<1，在動(dòng)葉表面設(shè)置垂直于葉片表面的棱柱層網(wǎng)格，首層網(wǎng)格高度為4.4×10-5m，增長(zhǎng)率設(shè)為1.2，共計(jì)18層，以滿(mǎn)足大渦模擬對(duì)網(wǎng)格分辨率的要求。

(a)整機(jī)網(wǎng)格

為驗(yàn)證風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的無(wú)關(guān)性，對(duì)原風(fēng)機(jī)整機(jī)網(wǎng)格數(shù)分別為640萬(wàn)、790萬(wàn)、910萬(wàn)、1 010萬(wàn)和1 140萬(wàn)進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，風(fēng)機(jī)效率和全壓均隨網(wǎng)格數(shù)增加逐步提高，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過(guò)1 010萬(wàn)后，網(wǎng)格數(shù)對(duì)模擬結(jié)果影響很小，但計(jì)算時(shí)長(zhǎng)大幅提高。綜合考慮模擬精度及計(jì)算時(shí)長(zhǎng)后，確定選用1 010萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)方案。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)原風(fēng)機(jī)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。在所選體積流量80.0～92.5 m3/s內(nèi)，全壓Δp和風(fēng)機(jī)效率η平均偏差分別為0.77%和3.2%，故數(shù)值計(jì)算結(jié)果可滿(mǎn)足準(zhǔn)確性要求。

學(xué)生們出現(xiàn)的不良的行為規(guī)范。在高中學(xué)習(xí)期間由于學(xué)習(xí)壓力增大，學(xué)生們會(huì)出現(xiàn)一些行為上的不規(guī)范現(xiàn)象。例如在學(xué)習(xí)上，學(xué)生們的學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，態(tài)度不端正，經(jīng)常有抄襲作業(yè)，上課遲到的現(xiàn)象。有些同學(xué)甚至利用學(xué)習(xí)的時(shí)間來(lái)打游戲和談戀愛(ài)。在生活上過(guò)度的娛樂(lè)化使學(xué)生們沉迷于第三世界。在網(wǎng)絡(luò)上聊天經(jīng)常使用虛假信息以及發(fā)布具有人身攻擊的語(yǔ)言，同時(shí)有的學(xué)生會(huì)散布一些虛假的信息，給網(wǎng)上秩序造成了一定的影響。

表3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)機(jī)性能

采用穩(wěn)態(tài)RANS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能比較，不同跨度TGF對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響如圖5所示。由圖5(a)可知，葉片尾緣增設(shè)GF或TGF可有效提升風(fēng)機(jī)全壓，且全壓增幅隨TGF跨度增加逐步提升，TGF-0.9與TGF-1下的全壓增幅基本一致，在設(shè)計(jì)體積流量下，其全壓分別提升1 409 Pa和1 432 Pa。

由圖5(b)可知，采用TGF后，其最高效率點(diǎn)由小體積流量側(cè)向大體積流量側(cè)移動(dòng)。當(dāng)K>0.6時(shí)，改型后的風(fēng)機(jī)效率在小體積流量側(cè)有所下降，而在大體積流量側(cè)大幅提升。當(dāng)體積流量大于85 m3/s時(shí)，TGF-0.9的風(fēng)機(jī)效率增幅最大，在體積流量為92.5 m3/s時(shí)其風(fēng)機(jī)效率較原風(fēng)機(jī)提升1.72%。GF結(jié)構(gòu)的全壓雖提升相對(duì)較大，但風(fēng)機(jī)效率提升區(qū)間較窄。TGF-0.6在全體積流量范圍內(nèi)效率較原風(fēng)機(jī)下降明顯，下文不再對(duì)其進(jìn)行噪聲和內(nèi)流結(jié)構(gòu)分析。TGF-0.9在改善全壓和風(fēng)機(jī)效率、拓寬風(fēng)機(jī)效率提升區(qū)間等綜合性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。

(a)全壓特性曲線(xiàn)

2.2 噪聲頻譜

風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲主要包括葉片周期性沖擊周?chē)橘|(zhì)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)而形成的旋轉(zhuǎn)噪聲，以及葉片紊流附面層及尾渦分裂脫落引起葉片表面壓力脈動(dòng)所形成的渦流噪聲。其中，旋轉(zhuǎn)噪聲表現(xiàn)為強(qiáng)度較高的單音噪聲，渦流噪聲為寬頻連續(xù)噪聲。采用CAA(computational aeroacoustics)直接法計(jì)算分析近場(chǎng)噪聲頻譜、內(nèi)流結(jié)構(gòu)與TGF跨度之間的聯(lián)系，將穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為大渦模擬的初場(chǎng)，獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)壓力的時(shí)間變化序列，通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲進(jìn)行頻域分析[17]。在動(dòng)葉尾緣相對(duì)葉高R為0.25、0.5和0.75的流域內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1～P6，用來(lái)監(jiān)測(cè)Ⅰ、Ⅱ級(jí)動(dòng)葉尾緣的瞬時(shí)壓力脈動(dòng)值[18]，其中相對(duì)葉高定義為R=(r-rh)/(rt-rh)，r、rh、rt分別為徑向葉高、輪轂半徑和葉頂高度。由葉片旋轉(zhuǎn)造成壓強(qiáng)和速度周期性脈動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲基本頻率(即基頻)f=Zn/60，其中Z為葉片數(shù)，n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min。可知，該風(fēng)機(jī)的基頻為596 Hz。

圖6給出了不同方案下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲頻譜。由圖6可知，在葉片旋轉(zhuǎn)和渦流的作用下，在風(fēng)機(jī)基頻及倍頻處的聲壓級(jí)出現(xiàn)了較高峰值，且隨頻率的提高聲壓級(jí)逐步降低。對(duì)比圖6(a)～圖6(c)可知，各方案下的聲壓級(jí)在1 192 Hz(二倍頻)以下無(wú)明顯差異；在1 200 Hz以上，原風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)波動(dòng)劇烈，沿葉高方向逐漸降低，平均聲壓級(jí)由75 dB降低至66 dB，其原因是葉片尾緣分離渦剝落頻率較快，壓力脈動(dòng)劇烈，且尾渦沿葉高方向逐漸減小，其相互作用沿葉高方向逐漸減弱，渦結(jié)構(gòu)分布如圖7所示。

(a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1

葉片尾緣安裝GF后，其聲壓級(jí)在1 500～2 400 Hz頻段內(nèi)較原風(fēng)機(jī)平均增加3.6 dB，在3 500 Hz頻段以上沿葉高急劇增大，由R=0.25處的56 dB增至R=0.75處的73 dB，在3 000～3 500 Hz頻段內(nèi)雖有所改善，但整體聲壓級(jí)遠(yuǎn)超原風(fēng)機(jī)，表現(xiàn)出噪聲增加，這與Zhang等[19]給出的GF使風(fēng)機(jī)或翼型的氣動(dòng)噪聲和聲功率級(jí)增大的研究結(jié)果相一致。其原因是尾渦傾斜發(fā)展，相互作用強(qiáng)烈，在尾緣頂部與葉頂泄漏渦相互摻混，脈動(dòng)劇烈[11]。對(duì)于TGF，其可有效降低中高頻聲壓級(jí)的波動(dòng)幅度，TGF-1的平均降噪量可達(dá)13 dB；不同跨度的TGF降噪量隨K的減小逐步增大，TGF-0.9、TGF-0.8和TGF-0.7的平均降噪量分別為15.64 dB、16.66 dB和18.33 dB，其沿葉高方向的分布規(guī)律與原風(fēng)機(jī)相同。

圖6(d)～圖6(f)為Ⅱ級(jí)動(dòng)葉區(qū)噪聲分布頻譜。由圖6可知，此區(qū)域產(chǎn)生了較為明顯的六階諧波，且其峰值隨頻率增大逐漸降低。在2 000 Hz頻段以上，聲壓級(jí)沿葉高方向的分布呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，原風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)波動(dòng)明顯，安裝GF或TGF后其波動(dòng)顯著降低，安裝TGF后較原風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)平均下降2.15 dB；在2 000 Hz頻段以下，各方案下的聲壓級(jí)無(wú)明顯差異。綜上所述，TGF-0.9在提升全壓、改善高效運(yùn)行區(qū)間和降噪等方面的綜合性能最優(yōu)。

為分析二級(jí)動(dòng)葉區(qū)噪聲變化的內(nèi)在機(jī)理，采用對(duì)渦結(jié)構(gòu)捕捉較好的基于速度梯度張量特征值的第二代渦識(shí)別法(即Q準(zhǔn)則法)進(jìn)行分析。Q的定義式為：

(1)

Hunt等[20]認(rèn)為速度梯度張量的第二個(gè)伽利略不變量Q>0代表渦結(jié)構(gòu)，即在渦結(jié)構(gòu)中渦量不僅要存在，且需要克服應(yīng)變張量所產(chǎn)生的變形效果。原葉片動(dòng)葉區(qū)渦結(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7(b)可知，在I級(jí)動(dòng)葉的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)作用下，進(jìn)入Ⅱ級(jí)動(dòng)葉區(qū)的氣流壓力脈動(dòng)劇烈，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,漩渦相互作用強(qiáng)烈。

(a)I級(jí)動(dòng)葉

2.3 尾渦結(jié)構(gòu)

尾渦結(jié)構(gòu)的變化能夠反映渦流噪聲產(chǎn)生的原因，為探究齒形襟翼跨度對(duì)葉片降噪的影響機(jī)制，圖8給出不同跨度下I級(jí)動(dòng)葉區(qū)域的渦系結(jié)構(gòu)。由圖8(a)可知，葉片吸力面尾緣脫落的尾渦分布密度沿葉高方向逐漸減小，如I區(qū)域所示，此渦結(jié)構(gòu)分布與圖6中原葉片噪聲沿葉高方向減小的分布規(guī)律一致。同時(shí)，吸力面葉根處尾渦與輪轂附著渦相互摻混，形成了尺寸較大的泡狀渦，在壓力面和吸力面壓力梯度及主流氣流牽連作用的相互影響下交替剝落，如Ⅱ區(qū)域所示。由圖8(b)可知，GF吸力面尾緣沿葉高方向形成了較為密集連續(xù)的附著渦，延緩了葉片尾緣處的尾渦脫落，由尾緣至下游形成了緊密的管狀渦結(jié)構(gòu)，且自葉根向葉頂傾斜發(fā)展，該尾渦結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[18]中的研究結(jié)論一致。該尾渦分布驗(yàn)證了噪聲頻譜中GF聲壓級(jí)沿葉高方向增大的結(jié)論。同時(shí)，附著渦與尾渦相互作用減弱，泡狀渦尺寸及強(qiáng)度明顯改善，如圖8中Ⅲ區(qū)域所示。

(a)原葉片

對(duì)比圖8(c)～圖8(f)可知，TGF削弱了葉片尾緣附著渦，使尾渦沿主流方向間歇性脫落，改善尾跡強(qiáng)度的同時(shí)，大大削弱了葉根泡狀渦尺寸及脫落頻率，如圖8中Ⅳ區(qū)域所示。不同跨度TGF改善了葉片尾跡渦與葉頂泄漏渦的摻混作用，降低了當(dāng)?shù)貕毫Φ拿}動(dòng)及氣動(dòng)噪聲；當(dāng)K<1時(shí)，在TGF頂部形成一股自齒頂向下游發(fā)展的較長(zhǎng)管狀渦，如圖8中Ⅴ區(qū)域所示，此管狀渦將TGF尾渦與葉頂泄漏渦隔離開(kāi)，減弱其相互作用，且跨度K越小，此管狀渦距離葉頂泄漏渦越遠(yuǎn)，改善效果越顯著，降噪效果越好，這與噪聲頻譜分析結(jié)果一致。

2.4 靜壓分布

(a)R=0.25

增設(shè)GF后，葉片壓力面靜壓由前緣開(kāi)始逐步提升，越接近尾緣，提升效果越顯著，在R=0.5處的靜壓系數(shù)較原葉片由-0.32增大至0.05，但葉片前緣最大靜壓系數(shù)略有減小，吸力面靜壓系數(shù)變化不明顯；在R=0.75處，葉片壓力面靜壓系數(shù)與原葉片吻合，由于受到傾斜尾渦和葉頂泄漏渦的共同作用，在吸力面靠近尾緣處?kù)o壓系數(shù)有較大波動(dòng)。

安裝TGF-1后，靜壓系數(shù)沿葉高方向逐步提升，提升幅值較GF略有下降，在R=0.5處的靜壓系數(shù)由GF的0.05減小至-0.06，但相較原葉片有較大提升；葉片前緣的最大靜壓系數(shù)減小較顯著，在R=0.5處相較原葉片由0.19減小至-0.14。采用TGF-0.7、TGF-0.8和TGF-0.9后，在保持壓力面靜壓系數(shù)分布與GF相差不大的前提下，葉片前緣最大靜壓系數(shù)恢復(fù)至與原葉片一致。在R=0.75處，TGF-0.7壓力面的靜壓系數(shù)分布趨勢(shì)與原葉片一致，TGF-0.9壓力面的靜壓系數(shù)相對(duì)最大，做功能力最優(yōu)。

各改型方案下的吸力面靜壓系數(shù)與原葉片基本保持一致，在靠近葉片尾緣處?kù)o壓系數(shù)較原葉片有所減小，且靜壓系數(shù)沿葉高方向表現(xiàn)出逐步減小的趨勢(shì)，即壓力面與吸力面壓差增大，做功能力增強(qiáng)。

為比較I級(jí)、Ⅱ級(jí)動(dòng)葉片的做功能力，圖10給出了Ⅱ級(jí)動(dòng)葉片在R=0.5處的靜壓系數(shù)分布。由圖10可知，Ⅱ級(jí)動(dòng)葉片壓力面和吸力面靜壓系數(shù)均有較大提升，且在壓力面前緣產(chǎn)生了較I級(jí)動(dòng)葉片更大的變化，這是因?yàn)檫M(jìn)入Ⅱ級(jí)動(dòng)葉區(qū)的氣流經(jīng)I級(jí)動(dòng)葉片做功后能量更高所致。壓力面靜壓系數(shù)始終大于原葉片，且越靠近尾緣區(qū)域，靜壓系數(shù)增大越顯著。壓力面靜壓系數(shù)在x/c>0.8后突降至原葉片以下，吸力面與壓力面壓差逐漸增大，葉片做功能力不斷增強(qiáng)。

圖10 Ⅱ級(jí)動(dòng)葉片R=0.5處的靜壓系數(shù)分布

2.5 變安裝角

為分析TGF對(duì)變安裝角工況下風(fēng)機(jī)性能的影響，選取綜合性能較優(yōu)的TGF-0.9進(jìn)行研究。圖11給出了5種不同安裝角下原葉片與TGF-0.9葉片風(fēng)機(jī)的性能曲線(xiàn)。設(shè)計(jì)工況下的動(dòng)葉安裝角β為39.13°。由圖11(a)可知，當(dāng)動(dòng)葉安裝角β分別為34.13°、36.13°、39.13°、42.13°和44.13°時(shí)，TGF-0.9均可有效提升風(fēng)機(jī)全壓，使風(fēng)機(jī)全壓平均提高16.84%、15.42%、13.40%、11.94%和12.12%。

(a)全壓特性曲線(xiàn)

由圖11(b)可知，最高效率點(diǎn)隨安裝角增大向大體積流量側(cè)偏移，且高效運(yùn)行區(qū)間逐漸變寬；在β=34.13°或36.13°時(shí)，原風(fēng)機(jī)效率隨體積流量增大而降低，TGF-0.9下的風(fēng)機(jī)效率在較大體積流量側(cè)較原風(fēng)機(jī)有明顯提升；當(dāng)β>39.13°時(shí)，TGF-0.9下的風(fēng)機(jī)效率在小體積流量側(cè)較原風(fēng)機(jī)明顯下降，且風(fēng)機(jī)效率下降區(qū)間隨β增大而增寬，但在大體積流量側(cè)有小幅提升。綜上所述，TGF-0.9在所研究的安裝角及體積流量范圍內(nèi)均可提升風(fēng)機(jī)全壓，并有效改善大體積流量側(cè)效率。

3 結(jié) 論

(1)齒形襟翼可有效提升風(fēng)機(jī)全壓，其全壓增幅與跨度成正比，且使效率最高點(diǎn)向大體積流量側(cè)偏移，跨度為0.9時(shí)全壓增幅為1 409 Pa；齒形襟翼降噪量隨跨度的減小而增大，跨度為0.9時(shí)平均降噪量達(dá)15.64 dB?？缍葹?.9的齒形襟翼在改善全壓、拓寬效率提升區(qū)間和降噪等方面的綜合性能最優(yōu)，且在變安裝角工況下可有效提升風(fēng)機(jī)全壓、改善大體積流量側(cè)效率。

(2)齒形襟翼削弱了葉片尾跡強(qiáng)度，改善了葉根泡狀渦尺寸及脫落頻率，在襟翼頂部形成一較長(zhǎng)管狀渦，減弱了尾渦與葉頂泄漏渦的相互作用，且跨度越小，此管狀渦距離葉頂泄漏渦越遠(yuǎn)，改善效果越顯著，降噪效果越好。

(3)改型后的I級(jí)動(dòng)葉片壓力面靜壓系數(shù)自前緣逐步增大，越接近尾緣，壓力面與吸力面壓差越大，做功能力增幅越大；在R=0.75處，跨度為0.9的齒形襟翼壓力面靜壓系數(shù)相對(duì)最大，做功能力最優(yōu)。