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三合风机：翼型厚度对轴流风机性能的影响

时间：2014/12/18 9:17:21 点击：4960

就轴流风机而言，影响其效率的因素有比转速、叶型安装角、叶轮进出口角、相对厚度、径向和轴向间隙等^[1-2] 。本文从相对厚度这一方面着手，研究减小翼型厚度对轴流风机性能的影响。在轴流通风机中，叶片的翼型有机翼型和圆弧板翼型等^[3] 。常用的机翼型叶片可以分为两种：翼型下表面是平的或接近于平的；翼型中线是弧形的，可以是单圆弧、双圆弧或近似的抛物线。本文研究采用双圆弧作为翼型中心线的翼型，以理论计算的轴流风机叶片进出口角的大小以及翼型的弦长，确定组成翼型中心线的两段圆弧的半径及长度。
1 Fluent流场模拟计算
1.1 几何模型的建立
　　基本翼型为CLERKY翼型，要研究的翼型是在其基础上，通过翼型弦长和厚度方向按比例放大或缩小得到的。本文为了描述轴流风机叶片的翼型，从叶片根部到叶片顶端等间距取了五个截面。三个模型五个翼型在翼型弦长和厚度之间的放大或缩小比例见表1。

表 1 五个翼型截面的放大或缩小比例

比例	模型 1	模型 2	模型 3
截面 1	1.96:1.96	1.96:1.96	1.96:0.98
截面 2	1.77 ： 1.77	1.77:1.5	1.77:0.885
截面 3	1.65:1.65	1.65:1.16	1.65:0.743
截面 4	1.55:1.55	1.55:0.853	1.55:0.853
截面 5	1.50:1.5	1.50:0.6	1.50:0.6

　　其中，模型1的五个截面的翼型由于越靠近顶部，叶片所受的离心力越大，顶端处叶片的厚度就会相对越薄。这样将按比例放大或缩小的翼型线叠加到翼型中心线上，便得到了两个模型的五个截面的翼型三维坐标。
　　模型1和模型2的五个截面中的中间截面的翼型比较见图1。

　　轴流风机空气动力设计的目的是在满足设计参数的前提下，根据获得高效率或低噪声的原则，计算出轴流风机有关部件在流道中的几何尺寸，并绘制轴流风机图纸。本文采用数值模拟的方法，利用CFD软件对轴流风机的流场进行模拟^[4-6]，以轴流风机全压效率最大为目标函数，建立了轴流风机的优化设计模型。
　　风机叶片可以看作是由无数个叠加在一起的翼型面组成的，轴流风机叶轮叶片采用变截面扭曲叶片，各个截面的翼型径向重叠采用重心对齐方式，每个截面的翼型形状相似，但面积不等^[7] 。
　　风机实体模型的建立^[8] ，是通过Fluent软件中的Gambit/Turbo模块实现的。计算区域包括风机进口段、叶轮和导叶三部分，根据通风机性能试验标准^[9] ，进口段增加长度为三倍的外壳直径的进口段。首先要通过几个不同截面能够描述叶片翼型的三维尺寸，建立满足Turbo模块建立三维模型所需的tur文件；然后导入Gambit中，通过Turbo模块建立风机叶片实体的三维模型；最后通过Gambit中的一系列的点、线、面操作，完成风机实体的完整的三维模型。由于模型的几何结构比较复杂，采用对复杂边界适应性比较强的三维非结构化四面体/六面体混合网格，网格总数大概为180万，见图2。

1.2 数值计算
　　本文以CZ80A轴流风机为研究对象，其叶轮轮毂直径为420mm，外壳直径为800mm，转速为1 460r/min，动叶的叶片数为9，静叶的叶片数为4，流体介质为理想气体。图2为风机转动部分的物理模型，图3为静止部分的物理模型。湍流模型采用标准的k-ε模型，压力速度耦合采用SIMPLE算法。耦合过程中采用PRESSURE BASED隐式方法，湍流动能、湍流耗散项、动量方程都采用一阶迎风格式离散。
　　边界条件为：质量进口，方向垂直于进口端面；出口为压力出口（等于大气压）；固壁采用无滑移壁面条件；动静部件交界面采用多参考系模型进行处理，为了加强交界面处速度、压力等的连续性，对静止部分的轮毂面进行图3所示的结构上的处理。这样交界面处交换惯性坐标系下的流体参数，保证了交界面的连续性，达到了用定常计算来研究非定常问题的目的。
　　本研究选择了四个基本工况（Q_v1=21 000m³/h，Q_v2=24 000m³/h，Q_v3=27 000m³/h，Q_v4=30 000m³/h）进行数值模拟。
1.3 结果分析
1.3.1 风机效率分析
　　图4和图5为采用两种不同的风机模型，通过CFD计算得到的性能曲线图。

　　由图4中可以看出风机模型1、模型2和模型3均满足设计全压要求，即在四种工况下模拟计算得到的全压均不小于设计要求的全压。图5显示在同一种工况下，模型2的全压效率均比模型1至少高了2%；除去最大风量工况，模型3的效率均比模型2高。由于现有轴流风机的效率已经很高了，所以通过减小叶型厚度让全压效率至少提高2%，已经可以达到提高风机全压效率的目的。
1.3.2 叶片进口处的湍流动能
　　三个模型在风机叶片进口处的湍流动能如图6~8所示，为了便于图形比较，三个图形的标尺相同。从图中可以看出最大湍流动能均在叶片进口尖端靠近中间处；另外很明显的叶片进口处模型3要比模型1和模型2的湍流动能小很多；同时在改善湍流动能方面，模型2比模型1要好一些。

2 ANSYS强度分析
2.1 风机叶轮模型的建立
　　轴流风机事故中，叶片断裂占有很大的比例^[10] ，同时由于本文研究的风机模型只在风机轮毂和动叶部分存在强度问题，所以ANSYS强度分析的模型只有这两部分。
　　本文中叶轮材质为铝，其杨氏模量为7e4，泊松比为0.3，许用应力为90MPa。叶轮模型的建立是这样的：首先在ANSYS中导入叶片的三维坐标，然后通过askin函数生成叶片的面部图形，之后构造叶片的实体模型，最后通过复制功能生成叶轮的实体模型。然后利用ANSYS自动划分网格的功能，对叶轮模型进行网格划分。
2.2 载荷
　　轴流风机叶片和轮毂连接的部分施加固定约束，且轮毂部分也施加全约束。风机在工作过程中主要受到两种载荷的作用：一是叶轮高速旋转产生的离心力，在本文中这是通过施加Z向的转动速度实现的；二是气流通过叶轮通道时产生附着于叶片上的压力载荷。在小流量Q_v1=21 000m³/h的工况下，风机的全压最大，同时叶片所承受的压力也最大。所以本文在施加压力载荷时，选用了最大叶片压力0.002MPa。
2.3 结果分析
2.3.1 位移分析
　　图9为模型3的变形图，最大位移为0.050 1mm。模型1、模型2的变形图和模型3很相似，只是大小不同，其最大位移均在叶片顶端，其值分别为0.010 8mm和0.040 7mm。相对于叶片材料和尺寸，这些变形在可承受范围内。

2.3.2 应力分析
　　图10为模型3的应力图，最大应力在叶片的根部，为4.85MPa。模型1和模型2的应力图与模型3相似，只是大小不同，最大应力分别为0.910MPa和2.66MPa，但都在材料允许的范围内。

　　由此可见上述减小厚度的轴流风机叶型是满足叶片的强度要求的。
3 结论
　　1）在满足风机叶片强度要求的前提下，减小风机翼型厚度来构造新的叶型，以此来研究叶型厚度对风机性能的影响是可行的。
　　2）通过Fluent软件，在已知条件下对轴流风机模型进行数值模拟。通过模拟结果可知，减小翼型厚度确实能达到提高轴流风机全压效率的目的。

　　　　　　　　　　　　　　　　　参考文献

[1] 昌泽舟，审庆丰，冯成戈.轴流式通风机实用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
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[8] 杨樱，田世俊，张欢，等.利用CFD研究地铁用轴流风机的安装角度与效率的关系[J].风机技术，2007(4):18-20.
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