基于AxSTREAM的动叶可调轴流风机后导叶的匹配设计*

肖云峰 黄俊强 张志莲 孙哲/北京石油化工学院

邓若飞/北京航天试验技术研究所

基于AxSTREAM的动叶可调轴流风机后导叶的匹配设计*

肖云峰 黄俊强 张志莲 孙哲/北京石油化工学院

邓若飞/北京航天试验技术研究所

基于一体化透平机械设计平台xSTREAM完成对某型商用R级动叶可调轴流风机的后导叶匹配设计；并对比分析了设计后R+S级和设计前R级风机的性能。结果表明，对R级动叶可调轴流风机匹配后导叶，能够部分地利用叶轮出口旋绕动能，提高通风机的压力，使得通风机效率也相应地得到提高。此外，为轴流风机的气动设计计算提供了快捷高效的数值方法。

轴流通风机；动叶可调；气动设计；性能分析

0 引言

动叶可调轴流风机在运行中可调动叶安装角，其工况范围不是一条曲线，而是一个面。所以流量变化范围大、高效率运行区宽广，多用于大容量机组，特别是大容量变工况机组采用动叶可调轴流风机，其节能效果非常显著，大大地降低了运行成本。轴流风机的型式主要有：单叶轮级（R级）、叶轮+后导流器级（R+S级）、前导流器+叶轮级（P+R级）、前导流器+叶轮+后导流器级（P+R+S级）4种[1]。其中R级的型式只有单个叶轮，这种级的压力和效率均较低。由于没有后导流器，风机出口绕流速度的部分动能未加以利用，产生了无益的损失。这种级型式虽然结构简单、制造方便，但它的全压相对较低，这种型式的风机主要用在压力比较低的低压轴流风机中[2]。

本文主要基于现有的某型商用R级动叶可调轴流风机进行后导叶匹配设计，目的在于能够部分或全部地利用叶轮出口旋绕动能，以提高通风机的压力，使得通风机效率也相应地得到些提高。采用商业叶轮气动设计软件AxSTREAM，进行了动叶气动分析及叶型构造，得到了动叶不同截面的速度三角形、气流出口角等参数；根据分析得到的气动参数进行后导叶的气动计算，完成动叶后导叶的匹配设计。并对匹配设计后的风机性能进行分析研究。

1 后导叶的匹配设计与分析

1.1 R级叶型重构及气动分析

根据动叶可调轴流风机的原型机，进行逆向测绘建模，得到动叶的9个截面（section1～section9）坐标参数以及轮毂和机匣的几何参数。依据得到的几何参数，在AxSTREAM中构建动叶叶型如图1所示。由动叶工况参数（表1）完成动叶气动分析，得到动叶各截面气流参数（表2）和气动性能曲线（图2）。

图1 动叶叶片模型图

表1 动叶叶片工况参数及主要机构尺寸参数表

表2 各截面的气流参数表

图2 动叶根部安装角15°时性能曲线图

图3 安装角随叶高的变化图

综合流量工况范围和效率特性，本文选取流动叶安装角为15°时进行后导叶的匹配计算。由图2可知，全压效率在710kg/s左右达到最大值，而出口压力在流量为580kg/s时达到最大值。根据实际工况综合分析，选取700kg/s的流量作为这次后导叶匹配设计点的流量工况。

1.2 后导叶的数值设计和三维成型

在已有的动叶结构尺寸参数和计算得到的动叶气流参数基础上；设定后导叶进口轮毂直径、机匣直径以及轴向间隙分别为动叶出口轮毂直径、机匣直径及轴向间隙；叶片的数目Zs的选择不应与动叶叶片个数之间互成公倍数，这可减轻动叶出口的气流对后导叶的冲击，从而减弱气流在叶轮中的脉动及噪声[3]。根据经验公式计算，确定后导叶叶片数为31个。在AxSTREAM中完成后导叶的气动设计计算，并完成DOE优化。计算得到安装角、进口气流角随叶高的关系如图3和图4所示。选取风机常用且易加工的圆弧板翼型[4]建立后导叶的三维模型，如图5a所示。

图4 进口气流角随叶高的变化图

图5 后导叶叶片和(R+S)级图

1.3 R+S级气动计算

完成后导叶的匹配设计，得到整级（R+S级）的风机模型（图5右）。图6给出整级的全压效率-质量流量性能图和出口压力-质量流量性能图。对比图2可知，最高效率工况点保持在710kg/s，最大出口全压则出现在650kg/s；整体趋势没有太大变化，保持了原有R级风机的宽工况特性。

图6 R+S级性能曲线图

2 R+S级气动数值分析

2.1 计算模型

主要研究R+S级在不同动叶安装角下的整级性能，忽略叶片根部的漏气损失、进气箱的影响以及导叶后扩压器的影响。由于计算量和篇幅的限制，现根据不同的动叶安装角不同，只选择了7种不同的叶轮(R+S)级计算模型（15°为模型1、10°为模型2、5°为模型3、0°为模型4、20°为模型5、25°为模型6、30°为模型7），每个安装角下，又根据进口流量的不同分为多种工况，其中流量为700kg/s的工况点为后导叶设计点流量。总共建立7个模型，完成32个计算工况点的模拟计算。

2.2 计算方法和边界条件

数值计算采用NUMECA商用软件包FINE/ Turbo，求解三维定常雷诺平均的N-S方程组。应用格子中心式有限体积法，空间差分采用二阶中心差分格式，时间项采用4阶Runge-Kutta法迭代求解，湍流模型采用S-A(Spalart-Allamaras)一方程模型。采用多重及全多重网格方法，结合变时间步长以及残差光顺方法加速收敛。进口为总压边界条件，出口为流量边界并赋予初始静压；收敛残差为10-4，求解区域进出口流量差小于0.1％。为排除网格数量对计算结果的影响，对网格进行了无关性验证。

2.3 计算结果及分析

2.3.1 设计点工况特性分析

表3给出了R+S级R设计点工况特性参数值。其中R级特性参数为原性能曲线图中动叶根部安装角为15°时的性能参数值，R+S级性能参数为后导叶匹配设计后由数值计算得到。对比R+S级和R级性能参数可知，R+S级的全压比、全压差、全压效率在设计点安装角下均较R级有一定的提升，达到了对R级改造充分利用叶轮出口绕旋动能的目的，而且通风机效率也相应的得到提高。

2.3.2 非设计工况特性曲线分析

图7和图8分别给出了7个模型在不同流量下的效率-流量特性曲线和降压比-流量特性曲线。由图可见，模型1～5的最高效率基本一致，而模型6，7的最高效率都偏低，这是由于在小流量情况下，气流以很小攻角或负攻角进入叶栅通道，在叶片表面产生较大气流分离。在设计点附近的工况效率很高，这与气动设计计算的结果相吻合；500～1 000kg/s的流量范围内均有较高的效率，进而保证了风机的大容量变工况的优势。从图7可以看出在400～600kg/s的流量下风机效率随流量的增加增速很大，接近成正比关系；在600～1 000kg/s的流量范围内效率基本保持在较平缓的位置，但当大于1 000kg/s时效率迅速下降，尤其动叶在0°安装角（模型4）情况下。对比图7和图8可知当流量小于600kg/s时，随着流量的减少压比也下降，同时效率也是下降的。流量的减少使得动叶进口轴向速度降低，动叶进口相对速度方向趋向于周向速度，进而动叶做功能力下降。在流量大与1 000kg/s时，流量的增加使得轴向速度增加，动叶进口相对速度趋向于轴向，使气体很快流过动叶，做功时间下降较多；同时流量的增加使得出口量流速增加，使静压降低。

表3 设计点工况特性对比表

图7 效率-流量特性图

图8 静压压比-流量特性图

3 结论

采用通流概念设计和多学科高效优化模块一体化的透平机械设计平台AxSTREAM，对某型商用R级动叶可调轴流风机进行后导叶的匹配设计，对比设计前后的性能参数。研究表明：

1）对R级动叶可调轴流风机增加后导叶，能够部分或全部地利用叶轮出口旋绕动能，提高通风机的压力，使得通风机效率也相应地得到提高。

2）基于透平设计平台AxSTREAM的轴流风机的叶型设计，可以大大减少设计时间并能使厂家更快的将产品投入市场。

[1]商景泰.通风机实用技术手册[M].通风机实用技术手册.机械工业出版社,2005.

[2]牛东霞.带后导叶动叶可调轴流风机的优化设计[D].北京建筑大学,2013.

[3]张雨珍.轴流式通风机气动设计程序的开发与研究[D].北京:华北电力大学,2009.

[4]Markku J.Lampinen,Voitto W.Kotiaho and M.El Haj Assad, Application of axial fan theory to horizontal-axis wind turbine[J]. International Journal of Energy Research,2006(30):1093-1107.

The Matching Design of Back Vanes for RotorBladeAdjustableAxialFans BasedonAxSTREAM

XiaoYun-feng,HuangJun-qiang,Zhang Zhi-lian,SunZhe/BeijingInstituteof PetrochemicalTechnology.
Deng Ruo-fei/Beijing institute of aerospace testingtechnolgy

The matching design of back vanes for R stage rotor blade adjustable axial fans based on the integration of turbo machinerydesignplatformAxSTREAM was completed.Additionally,a comparison and analysis of fan performance between the new model(R+S stage)and initial model（R stage）was conducted.The results showed that matching back vanes can utilize some of the kinetic energy generated by the impeller outlet to increase fan pressurewhichimproves,fanefficiency accordingly.What'smore,afastand efficient numerical method for aerodynamic design was provided for axial fans.

axialfan；rotorblade adjustable；aerodynamic design；performance analysis

TH432.1;TK05

A

1006-8155（2016）02-0062-04

10.16492/j.fjjs.2016.02.0146

北京市大学生科研训练计划深化项目（160320820031016）项目名称：动叶可调轴流通风机的静叶匹配设计及气动优化

2015-06-26北京102617