- 梯形间隙结构对斜流风机性能影响的研究
摘要：将5种梯状间隙机壳处理结构，在斜流风机上进行数值模拟研究和试验研究， 比较分析了不同机匣结构对该斜流风机性能和稳定性的影响。
关键词： 斜流风机；梯状间隙结构； 失速裕度
中图分类号： TH43 文献标识码：B
文章编号： 1006-8155(2007)06-0008-05
Research on the Influence of Stepped Tip Gap Structure for Performance of Oblique Flow Fan
Abstract: In this paper, the five casing geometries with different step profiles under different clearance levels are examined and the numerical simulation research and test research on oblique flow fan are carried out respectively. Then the influences of different casing structures on performance and stability of the oblique flow fan are compared and analyzed.
Key words: oblique flow fan; stepped tip gap structure; stall margin
0 引言
斜流风机内部流动是介于轴流式和离心式的中间状态，沿着锥形流面的流动，气流在3个方向的速度分量大小相差不大，具有显著的三元流动特性。 风机转子叶片叶尖区域流场的流动情况直接影响到风机的整体性能。 如果能够抑制风机顶部区域的非稳态流动，就会扩大风机的稳定工作范围，提升其整机性能。国内外许多学者研究了斜流风机内部流场方面得出许多有用的结论（见文献[1-4]）。但有关斜流风机叶顶间隙变化对于斜流风机内部流场影响的研究还很少。本文通过借鉴轴流压缩机领域的梯状间隙结构机壳处理对于压缩机整机性能影响的研究成果(见文献[5-7])，将5种不同几何的梯状间隙机壳处理结构应用于某型高速斜流风机。结果表明：随着梯状间隙径向间隙尺寸 的加大，近失速点效率和近失速点压比会随之逐渐下降，而稳定裕度值则有所提高；而随着梯状间隙大径向间隙区域的轴向尺寸加大，近失速点效率和近失速点压比会有较大降低。 并通过对叶顶区域流场的分析，揭示了梯状间隙结构机壳处理扩稳的机理。该叶顶间隙结构能够有效地减小风机转子顶部区域阻塞团的负面影响，从而改善该风机的性能。
1 叶轮与处理机壳的结构参数
梯状间隙就是在斜流风机机壳的相应位置加工出一系列具有一定深度和宽度的周向槽，如图2所示，转子叶片尖部间隙的径向变化主要由特征尺寸Y1和Y2决定，而轴向变化主要由特征尺寸X1和X2决定。本次研究所采用的 5种梯状间隙机壳处理结构的具体几何数据可参见表1。方案1为本次研究梯状间隙机壳处理的基准方案。方案1通过与方案2、3的比较用于考察间隙的径向尺寸的变化对于斜流风机性能的影响。方案1通过与方案4、5的比较可用于考察梯状间隙的轴向尺寸变化对斜流风机性能的影响。
表1 梯状间隙机壳处理方案的几何数据 mm
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
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X 1 |
15 |
15 |
15 |
25 |
10 |
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X 2 |
25 |
25 |
25 |
15 |
30 |
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Y 1 |
0.2 |
0.1 |
0.4 |
0.2 |
0.2 |
|
Y 2 |
0.4 |
0.2 |
0.8 |
0.4 |
0.4 |
2 数值模拟方法
数值模拟采用 NUMECA FINE 软件包中的 Euranus求解器。应用Jameson有限体积差分格式并结合Spalart-Allmaras湍流模型对相对坐标系下的三维雷诺平均Navier-Stokes方程进行求解，采用显式四阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，同时加入二阶和四阶人工粘性系数项以消除数值计算中的伪数值振荡。为提高计算效率，采用了多重网格法、局部时间步长和残差光顺等加速收敛措施。
数值模拟计算中的边界条件：在轮毂、机壳以及叶片等固壁上给定绝热无滑移边界条件，通过出口背压的改变来得到斜流风机的整条性能曲线 。 此次计算的网格通过分区网格技术来生成，分为转子通道、叶顶间隙、梯状间隙结构机壳3部分组成，转子通道网格采用HI网格拓扑结构，沿径向、周向、子午方向的网格数分别为33×29×81；叶顶间隙采用蝶型网格，其沿径向、周向、子午方向的网格数分别为9×17×73；梯形间隙机壳处理结构内采用简单的H型网格，其沿径向、周向、，子午方向的网格数分别为9×45×33，总网格数（带机壳处理）约为20万。 
实壁机壳结构的近失速点特性计算结果见表2 。通过改变出口背压值由设计工况点一直向失速工况点逼近，数值计算发散前的最后一个能够得到收敛解的工况点即对应近失速工况点。通过对方案1 、2 、3的比较可见，随着梯状间隙径向尺寸的加大，近失速点效率和近失速点压比会随之逐渐下降，而稳定裕度值则有所提高。梯状间隙径向尺寸减小，近失速点效率和近失速点压比略有提高，稳定裕度值则随之降低。通过方案1 、4 、5的比较可见，梯状间隙大径向间隙区域的轴向尺寸变小，近失速点效率和近失速点压比有较大降低，稳定裕度值降低。而梯状间隙大径向间隙区域的轴向尺寸增大，近失速点效率和近失速点压比会随之逐渐下降，而稳定裕度值略有降低。通过以上分析可认为， 随着梯状间隙径向间隙尺寸 的加大，近失速点效率和近失速点压比会随之逐渐下降，而稳定裕度值则有所提高；而随着梯状间隙大径向间隙区域的轴向尺寸加大，近失速点效率和近失速点压比会有较大降低。
表2 5种梯状间隙机壳结构和实壁机壳结构的斜流风机近失速点特性计算结果比较
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方案 |
近失速点流量 |
近失速点效率 |
近失速点压比 |
失速裕度 /% |
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1 |
1.09657 |
0.886412 |
1.14632 |
2.018 |
|
2 |
1.13741 |
0.891289 |
1.14667 |
－ 1.612 |
|
3 |
1.069 |
0.869992 |
1.14532 |
4.568 |
|
4 |
1.12529 |
0.892154 |
1.14662 |
－ 0.558 |
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5 |
1.11487 |
0.85495 |
1.14254 |
0.0134 |
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实壁 |
1.11949 |
0.876708 |
1.14712 |
— |
由于试验条件的限制，无法对内部流动流场细节进行测量， 下面将通过对比分析梯状间隙结构机壳处理和实壁机壳这两种情况数值计算结果，以揭示梯状间隙结构改善斜流风机稳定裕度的机理。图 3为梯状间隙结构方案1与实壁机壳结构的总性能比较图。通过图3可看到数值模拟结果与试验结果符合的很好。所以该数值模拟方法是正确可靠的。
通过对比发现在低流量工况时，梯状间隙机壳结构的绝热效率有所提高，而总压比略有降低；在高流量工况下，梯状间隙结构的绝热效率略有下降，总压比变化不大。通过梯状间隙机壳处理，该斜流风机的稳定工作范围由原先的流量 1.12kg/s 进入失速工况变为机壳处理后的流量 1.09kg/s 时进入失速工况，其稳定裕度改进量为 2.018 ％。分析其原因，是由于在实壁机壳情况，转子叶片叶顶区域的间隙泄漏流动与边界层内的低能阻塞团相互作用严重阻塞叶片顶部通道的气流流动，使斜流风机过早地进入失速状态。采用梯状间隙机壳结构后，叶顶区域的 间隙泄漏流与边界层内的低能阻塞团被抽吸进入处理槽并在槽内沿周向被拉伸和扩散，减小了低能阻塞团的径向强度，通过这种方式，梯状间隙结构使得叶片压力面附近的堵塞减缓。
由于叶顶区域的流动状况决定着斜流风机是否会过早进入非稳定流动工况，因此对叶顶区域流场进行分析是十分必要的。图4为近失速流量状况下斜流风机叶顶区域间隙泄漏流线示意图。从图中可看出，通过梯状间隙机壳处理，叶片顶部流场的间隙泄漏流线的强度有所降低，流动范围有所减少，有原先实壁机壳时几乎覆盖满整个转子顶部通道，到间隙处理后的只是靠近叶片吸力面。这说明一部分间隙泄漏流线被梯状间隙机壳抽吸入处理槽内，有效地削弱了斜流风机转子叶顶区域间隙泄漏涡的影响，并且较好的梳理了叶顶间隙气流泄漏流动，使之气流沿叶片通道主流流动方向流动， 有效地减小叶片通道内的阻塞，避免了斜流风机过早的进入失速状态。由于梯状间隙处理槽的槽深相对转子径向尺寸来说还很小，所以对叶片叶顶区域流场的影响也就很小，从图中可以看到，采用机壳处理后转子进口区域叶顶的相对总压较之实壁机壳时有所降低。
图5为99.5%叶高流面上的相对马赫数云图。从图中可见，实壁机壳时经过叶片进口处的激波后，转子叶片顶部通道内出现了大范围的相对马赫数小于0.1的区域，这些低速区内低能流体会在转子叶片顶部通道形成严重的阻塞。当斜流风机出口背压提升后，会进一步恶化叶顶区域的阻塞，使斜流风机过早的进入失速状态。经过梯状间隙机壳处理后，原先叶顶马赫数小于0.1的区域的相对马赫数有所提升达到0.25左右，这是由于梯状间隙结构将该区域的低能流体抽吸入处理槽内，改善了转子叶顶区域流场，减小叶顶区域的阻塞，抑制了失速状态过早的发生。
图6为实壁机壳和梯状间隙机壳处理在近失速工况下，于斜流风机转子进口截面处的沿S3流面的子午速度的三维分布图。由于叶片通道顶部附面层的粘性作用和斜流风机转子叶片叶顶间隙泄漏流动等的综合影响，从图6可看出，在斜流风机进口截面处，实壁机壳工况下靠近转子叶片叶顶区域的子午速度值很小；然而采用梯状间隙机壳结构后，靠近转子叶片叶顶区域的子午速度值有所增加，而在其他叶高区域，子午速度在经过机壳处理后变化不大。由此可看出，此梯状机壳结构主要影响范围是靠近叶片叶顶的区域，通过梯状间隙机壳结构的抽吸作用，抽吸了该斜流风机转子叶顶区域的低能粘性气流团和叶顶区域由于叶片压力面和吸力面之间压差而产生的间隙泄漏流动气流团，改善了转子叶片叶顶区域的气流流动状况，推迟失速的发生。
4 结论
（1）斜流风机叶顶间隙大小对其性能和工作稳定性有很大影响，随着梯状间隙径向间隙尺寸的加大，近失速点效率和近失速点压比会随之逐渐下降，而稳定裕度值则有所提高；而随着梯状间隙大径向间隙区域的轴向尺寸加大，近失速点效率和近失速点压比会有较大降低。
（2）利用转子叶片通道内的压差，梯状间隙结构的处理槽抽吸了转子叶顶区域的叶顶间隙泄漏涡和粘性低能流体，有效的改善了风机转子叶顶区域流场，减小阻塞，延迟了失速状态的发生。
参 考 文 献
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