前缘锯齿形叶片对对旋轴流风机气动性能的影响.pdf

前缘锯齿形叶片对对旋轴流风机气动性能的影响 张昕1 , 2 , 3高贵军1 , 2 , 3 ，钱钰1 , 2 , 3 ，李鑫鑫1 , 2 , 3 1 . 太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原0 3 0 0 2 4 ; 2 . 矿山流体控制国家地方联合工程实验室，山西太原0 3 0 0 2 4 ； 3 . 山西省矿山流体控制工程技术研究中心，山西太原0 3 0 0 2 4 摘要针对F B D N o . 8 . 0 型矿用对旋轴流局部通风机，在叶片前缘部分由叶顶到叶根1 / 3 段内开设锯 齿结构。利用A N S Y S 数值分析软件，对比叶片开设锯齿形结构前后的性能曲线和内流特性，探究了前缘锯 齿形叶片在不同锯齿结构参数下的影响。结果表明在设计工况点下，前缘锯齿形叶片能有效提高叶轮的做 功能力和碾压破坏叶片附近的涡，进而提高风机整体性能；一级叶轮前缘开设锯齿形结构对风机气动性能的 改善要优于二级叶轮；相对齿高为0 . 5 6 的一、二级叶轮均使用前缘锯齿形结构叶轮改善风机气动特性效果 最佳，其全压与效率分别提高了4 . 5 2 ％和2 . 5 3 ％。 关键词 锯齿形叶片； 对旋轴流风机; 数值分析； 气动性能 T H 1 3 8 ; T H 4 3 1 ; T D 4 4 1 B 1 0 0 0 - 4 8 5 8 2 0 2 0 0 9 - 0 0 8 7 - 0 6 1 0 . 1 1 8 3 2 / j . i s s n . 1 0 0 0 - 4 8 5 8 . 2 0 2 0 . 0 9 . 0 1 3 T h e I n f l u e n c e o f S e r r a t e d L e a d i n g E d g e B l a d e o n A e r o d y n a m i c P e r f o r m a n c e o f C o u n t e r - r o t a t i n g A x i a l F a n Z H A N G X i n G A O G u i - j u nQ I A N Y u L I X i n - x i n 2 0 2 0 - 0 1 - 1 5 基金项目山西省科技重大专项招标项目 M J 2 0 1 6 - 0 2 ；山西 省研究生教育创新项目 2 0 1 8 S Y 0 1 7 作者简介 张昕（1 9 9 2 - ）， 男， 山西大同人， 硕士研究生， 主要 从事通风机流体机械方面的研究。 万方数据 8 8液压与气动2 0 2 0 年第9 期 金听祥等心。基于数值分析和实验方法研究了前 缘锯齿形叶片对多翼离心风机的影响，指出前缘锯齿 形叶片可以有效降低轴的输入功率与噪声值。 H 0 w E 旧。4 1 研究正弦形锯齿尾缘和三角形锯齿尾缘的 降噪潜力时，在理论层面上指出，在一定的频率范围 内，合理的尾缘锯齿结构可以很大程度地减少叶片尾 缘噪声的产生，为锯齿结构在叶片上的使用奠定了基 础。唐俊。5o 针对轴流风机，基于叶片尾缘脱落涡是产 生噪声的重要因素，对叶片尾缘添加一种正弦锯齿形 结构，与原型风机相比低频段噪声有明显改善。 本研究F B DN o ．8 ．0 型矿用对旋轴流局部通风 机，对叶片前缘实施不同尺寸的锯齿形结构，基于数值 模拟叶片改型前后的对旋风机性能，对比了前缘锯齿形 叶片和未改型叶片的气动性能，为前缘锯齿形叶片在矿 用对旋轴流局部通风机中的应用提供了参考依据。 1 原型风机模型及锯齿结构参数 如图1 a 所示，为F B DN o ．8 ．0 型矿用对旋轴流局 部通风机，为确保数值模拟的准确性，对该型号对旋风 机进行模型简化，简化后如图1 b 所示，其设计参数见 表1 。 a 实物l 蛩 入口集流器导流器l 。 一级叶轮导流器2 7 7 ． 卜 二级叶轮 b 三维模型 图1 F B DN o ．8 ．0 型矿用对旋轴流局部通风机模型 运用s o l i d w o r k s 软件建立物理模型，考虑到在对 旋风机中，叶片上半部分为主要的做功区域，故只将原 型风机叶片前缘部分由叶顶到叶根1 ／3 处去除材料得 到所研究的前缘锯齿结构，如图2 a 所示。采用的锯齿 结构如图2 b 所示，其中￡为叶片高度。本研究采用3 种不同参数的锯齿结构叶片进行比对分析。但考虑到 对旋风机一、二级叶轮均为动叶，对不同叶轮开设锯齿 结构其结果可能并不相同，因此在接下来的分析中对 一级叶轮、二级叶轮和一、二级叶轮分别开设锯齿结 构，其各种参数见表2 。 表1 对旋风机设计参数 设计参数数值 一级叶轮叶片数 1 4 二级叶轮叶片数 1 0 一级叶片安装角／ 。 4 6 二级叶片安装角／ 。 3 0 一、二级叶轮直径／m m 8 0 0 一、二级叶轮轮毂比 0 ．6 额定转速／m d m i n 。 2 9 0 0 1 叫 LT a 叶片 b 结构参数 图2 前缘锯齿形结构叶片 表2 不同方案的锯齿结构参数 m m 开设锯齿形 方案齿宽n周期6齿高危 结构的叶轮 1 一级叶轮 332 ．8 2 二级叶轮 332 ．8 3 一、二级叶轮 332 ．8 4 一级叶轮 552 ．8 5 二级叶轮 552 ．8 6 一、二级叶轮 552 ．8 7 一级叶轮 553 ．8 8二级叶轮553 ．8 9 一、二级叶轮 553 ．8 2 数值模拟方法及模型验证 2 ．1 网格划分与数值模拟 将未改型的原型风机与上述9 个方案种的风机模 万方数据 2 0 2 0 年第9 期液压与气动8 9 型分别导人到I C E MC F D 软件进行网格划分。将风筒 和两级叶轮分别使用四面体非结构化网格，然后叠加 两部分组成完整的网格模型∞o 。并且考虑到两级叶 轮的叶片前缘和叶顶附近流动的复杂性和保证计算结 果的精度，故对这两部分的进行网格局部加密。整体 模型的网格数大约为3 7 0 万网格，其中叶轮部分为 2 9 0 万网格，其全流场网格模型如图3 所示。 图3 全流场网格模型 将划分好的网格导人到F l u e n t 软件中，由于对旋 风机内部流场符合大雷诺数的湍流模型，故选用R N G 七一s 湍流模型，集流器人口端面与风筒尾部端面为整 个流场的进、出口，分别采用速度人口 V e l o c 蛔I n l e t 和自由出口 0 u t Ⅱo w 条件o7 。8 | 。方法选用多重参考 系法 M R F ，第一、第二级叶轮转速分别设置为 2 9 0 0r a d ／m i n ，选用效率最高的工况进行模拟研究， 故将人口速度设置为1 5 n ／s ，对两叶轮区域表面设置 为旋转面，剩下的其他面为静止面；在数据传递和交换 时，使用叶轮与风筒区域交界面定义I n t e 血c e 进行耦 合_ 9o ；求解方法使用s I M P L E 算法，选择标准压力、二 阶迎风得出结果；当检测曲线趋于稳定，且残差值小于 1 1 0 。5 时，则可认为计算收敛。10 I 。 2 ．2 模型验证 为了验证仿真结果的准确性，且根据对旋风机在 实际使用中是压入式通风的特点。因此，采用 G B ／T1 2 3 6 2 0 0 0 中的B 型装置。1 1 I ，如图4 所示。采 集了风机在各个流量工况下的全压与风机效率。图5 对比了风机的全压与效率的模拟值与实验值，可知风 机在流量为7 3 0m 3 ／m i n ，也就是设计工况时实验值与 模拟值的效率均达到最大，之后随着流量的继续增加， 效率随之减小。其中模拟值较实验值效率平均偏差和 全压分别为1 ．1 2 ％，0 ．4 7 ％，设计工况下的偏差为 0 ．7 9 ％和0 ．0 5 ％，都小于5 ％，则表明仿真结果可靠性 较高，建模与网格划分可以反映真实风机的运行 状况㈦ 丁堕些 1 丁 2 1 n 式中，丁叶轮转矩，N m P 。h 轴功率，k w n 车专速，r a d m i n 一1 叼字1 0 0 ％ 1s h 式中，卵效率，％ p 全压，P a 2 图4 风机实验平台 6 6 0 6 8 07 0 07 2 07 4 07 6 07 8 08 0 08 2 08 4 0 Q ／m 3 - m i l l 1 图5 模拟结果与实验结果对比 3 结果分析 3 ．1一级前缘锯齿形叶轮对风机性能的影响 图6 分别展示了方案1 、方案4 、方案7 与原风机 在第二级叶轮靠近出口端截面处的全压分布云图，由 此能够看到第二级叶轮靠近出口端截面处的全压分布 基本呈中心对称分布，其中叶片上半部分相较下半部 分的压强值较高，且由叶根到轮毂中心区域的压力值 依次递减。这主要是由于在相同转速下，叶轮越远离 旋转中心，其线速度越大，做功能力也就越强，所以其 压力值也越大。 除此之外，2 个相邻叶片中间区域的压强值相对 较大，产生这种现象的原因在于气体流动遭到了叶片 的阻碍，导致叶片之间的区域气体湍流动能升高，进一 步使得这些部位的压强值相对较高。 图7 展示了这3 种方案与原风机在第一级叶轮附 近的涡量分布，在第一级拥有锯齿结构叶片较原型风 机的涡量要少，这是因为在风机流道内，壁面边界层、 通道内涡流、叶片边界层和叶顶泄漏流的共同作用下， 对旋轴流风机性能受到影响，前缘锯齿形叶片能够对 万方数据 9 0液压与气动2 0 2 0 年第9 期 口／P a 嘲 嵫 a 原风机 b 方案l c 1 方案4 d 方案7 图6一级前缘锯齿形叶片靠近出口端面压强分布云图 流经叶片前缘流场中的涡进行碾压破坏，从而降低了 这些因素所造成的损失，进而提高了风机的气动性能。 进一步对比，图7 c 与图7 d 相较于图7 b 在第一机叶轮 附近的涡量口要少，这是由于方案4 和方案7 的叶片 所拥有的锯齿形结构中，锯齿的齿宽与周期比方案1 大，对于涡流的碾压破坏效果要更好。 3 ．2 二级前缘锯齿形叶轮对风机性能的影响 图8 显示了方案2 、方案5 和方案8 在第二级叶轮 出口端截面处的全压分布云图，相较于原型风机 如 图6 a 所示 ，在二级叶轮出口截面压强明显增大，其 d 方案7 图7 一级叶轮叶片附近涡量分布云图 原因与一级前缘锯齿形叶轮类似。进一步对比分析， 图8 b 相较于图8 a 与图8 c 在第二级叶轮出口端截面 处的压强分布较高，其中方案5 相较于方案2 ，在锯齿 形结构中齿宽与周期更大，对涡流的破坏作用更强。 而方案8 与方案5 相比，方案8 的齿高较大，且由于锯 齿结构是对原型风机叶片前缘部分减料所得，相对较 大的齿高会使得对叶片减料也相对较多，这使方案8 的风机叶片对气流的做功面积减少，进而在二级叶轮 出口端截面压强值略低于方案5 。 0000000000000肌陀刀加∞鹋卯{g∞阻∞陀刚∞ 。■㈠㈠㈩㈠㈠_ 0000000000000 0000000000000 肌陀刀加明鹋盯{g皓阱∞陀刚∞ 佻他刀加∞鸥卯{g皓阱鸥陀刚∞ ，■㈠㈠㈩㈠㈠㈩U■ p■㈠㈠㈩㈠㈠㈩U■ 万方数据 2 0 2 0 年第9 期液压与气动9 1 a 1 方案2 b 方案5 c 方案8 图8 二级叶轮出口端截面处压强分布云图 对比图6 与图8 后发现，一级叶轮前缘开设锯齿 形结构的风机对气动性能的改善要优于二级叶轮，这 是由于在对旋轴流风机中，一级叶轮起到增加流量的 作用。图9 对比方案1 和方案2 在两级叶轮之间的涡 量勘分布云图，由图可知，当气流流经一级叶轮时，拥 秽／s _ E i E i 勘／s 一1 E i E i b 方案2 图9 两级叶轮间涡量v 分布云图 有前缘锯齿形结构的叶片会使两级叶轮之间的涡流减 少，从而使气流在进入二级叶轮时变得相对平稳。其 次因为一级叶轮的叶片数要多于二级叶轮，同时气体 在一级叶轮处的流速要低于二级叶轮，而两叶轮转速 大小相等，所以在单位时间内，一级叶轮对流场中涡流 的破坏要大于二级叶轮。在以上因素的综合作用下， 一级叶轮开设锯齿形结构要强于二级叶轮。 3 ．3 一、二级前缘锯齿叶轮对风机性能的影响 图1 0 显示了方案3 、方案6 、方案9 与在二级叶轮 出口端截面处的压力分布云图。与图6 、图8 作比较， 可以得到在一、二级叶轮上都开设前缘锯齿形结构对 风机整体性能提升最大。原因在于一级、二级前缘锯 齿形叶轮的综合作用，使得风机气动性能进一步提升， 其中方案6 也就是一、二级叶片均开设前缘锯齿形叶 片，其相对齿高为矗／o 0 ．5 6 时对风机提升效果最好， 全压与效率较原型风机分别提升了4 ．5 2 ％和2 ．5 3 ％。 a 方案3 ’ ， ．● b 方案6 c 方案9 图1 0 一、二级叶轮出口端截面压强分布云图 4 结论 本研究以F D BN o ．8 ．0 型矿用局部通风机对象， 0000000000000 0000000000000 0000000000000 a 0000000000000 a OOOOO00000000 a OOOO000000000 P 2，098765432，O P 2109876543210 R 2109876543210 √7776666666666 √7776666666666 ∥7776666666666 。●000●【f，e，1 0000000000000 jjjj 0DODDDDDODDD0肌蕊翮麟翮㈣2鳓躺麟黜‰鳓豳麟麟 o■ ㈩■I j■㈠㈠■■ ■㈠㈠㈠㈠㈠■■ 万方数据 [ 1 ] 史 永 忠 . 单 电 机 叶片 可 调对 旋 风机 设 计研 究 [ D ] . 太 原 太原理工大学，2 0 1 9 . S H I Y o n g z h o n g . D e s i g n a n d R e s e a r c h o f S i n g l e M o t o r B l a d e A d j u s t a b l e C o n t r a - r o t a t i n g F a n [ D ] . T a i y u a n T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , 2 0 1 9 . [ 2 ] 金听 祥 . 基 于前 缘 锯齿 形 叶片的多翼离心风机数值分析 与实验研究[ J ] . 制冷学报，2 0 1 9 , 4 0 1 3 5 - 4 1 . J I N T i n g x i a n g . N u m e r i c a l A n a l y s i s a n d E x p e r i m e n t a l R e s e a r c h o f M u l t i - b l a d e C e n t r i f u g a l F a n B a s e d o n L e a d i n g - e d g e S e r r a t e d B l a d e [ J ] . J o u r n a l o f R e f r i g e r a t i o n , 2 0 1 9 , 4 0 1 3 5 - 4 1 . [ 3 ] H O W E M S . A e r o d y n a m i c N o i s e o f a S e r r a t e d T r a i l i n g E d g e [ J ] . J o u r n a l o f F l u i d s a n d S t r u c t u r e s , 1 9 9 1 , 5 1 3 3 - 4 5 . [ 4 ] H O W E M S . N o i s e P r o d u c e d b y S a w - t o o t h T r a i l i n g E d g e [ J ] . J o u r n a l o f A c o u s t i c a l S o c i e t y o f A m e r i c a , 1 9 9 1 , 9 0 1 4 8 2 - 4 8 7 . [ 5 ] 唐俊 . 正 弦 锯齿 尾 缘对 轴 流风 机尾迹及气动性能的影响 [ J ] . 工程热物理学报，2 0 1 7 , 3 8 1 0 2 1 4 5 - 2 1 5 0 . T A N G J u n . T h e I n f l u e n c e o f S i n u s o i d a l S e r r a t e d T r a i l i n g E d g e o n t h e W a k e a n d A e r o d y n a m i c P e r f o r m a n c e o f A x i a l F a n [ J ] . J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g T h e r m o p h y s i c s , 2 0 1 7 , 3 8 1 0 2 1 4 5 - 2 1 5 0 . [ 6 ] 李春 曦 . 弦 向掠 叶 片对 动 叶可 调轴流风机性能影响模拟 [ J ] . 机械工程学报，2 0 1 9 , 5 5 1 4 1 5 1 - 1 5 9 . L I C h u n x i . S i m u l a t i o n o n A e r o d y n a m i c P e r f o r m a n c e o f a V a r i a b l e - p i t c h A x i a l F l o w F a n w i t h C h o r d w i s e S w e p t B l a d e s [ J ] . J o u r n a l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , 2 0 1 9 , 5 5 1 4 1 5 1 - 1 5 9 . [ 7 ] 范 福 伟 . 弯 掠 叶 片 对 轴 流 风 机 气 动 和 声 学 性 能 影 响 的 数 值研究[ D ] . 北京华北电力大学，2 0 1 9 . F A N F u w e i . N u m e r i c a l S t u d y o n t h e I n f l u e n c e o f S w e p t B l a d e s o n t h e A e r o d y n a m i c a n d A c o u s t i c P r o p e r t i e s o f A x i a l F l o w F a n [ D ] . B e i j i n g N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y , 2 0 1 9 . [ 8 ] 李 鑫 鑫 . 对 旋 轴 流 风 机 叶 顶 间 隙 对 其 气 动 噪 声 的 影 响 [ J ] . 液压与气动，2 0 1 9 , 7 4 4 - 4 9 . L I X i n x i n . I m p a c t o f B l a d e T i p C l e a r a n c e o n A e r o d y n a m i c N o i s e o f C o u n t e r - r o t a t i n g A x i a l F a n [ J ] . C h i n e s e H y d r a u l i e s P n e u m a t i c s , 2 0 1 9 , 7 4 4 - 4 9 . [ 9 ] 李 鑫 鑫 ， 高 贵 军 ， 邢 亚 东 ， 等 . 对 旋 轴 流 风 机 叶 顶 形 态 对 其 性能的影响[ J ] . 液压与气动，2 0 1 9 , 5 5 8 - 6 3 . L I X i n x i n , G A O G u i j u n , X I N G Y a d o n g , e t a l . I m p a c t o n C o u n t e r - r o t a t i n g A x i a l F a n P e r f o r m a n c e o f B l a d e T i p G e o m e t r y [ J ] . C h i n e s e H y d r a u l i c s P n e u m a t i c s , 2 0 1 9 , 5 5 8 - 6 3 . [ 1 0 ] 官 武 旗 . 叶 片 锯 齿 尾 缘 对 降 低 空 调 室 外 机 气 动 噪 声 影 响 的 试 验 研 究 [ J ] . 工 程 热 物 理 学 报 ， 2 0 1 1 , 3 2 1 0 1 6 8 1 - 1 6 8 4 . G O N G W u q i . E x p e r i m e n t a l S t u d y o f t h e E f f e c t o f S e r r a t e d B l a d e T r a i l i n g E d g e o n A x i a l F a n N o i s e R e d u c t i o n i n a n O u t d o o r A i r C o n d i t i o n e r [ J ] . J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g T h e r m o p h y s i c s , 2 0 1 1 , 3 2 1 0 1 6 8 1 - 1 6 8 4 . [ 1 1 ] 幸 欣 ， 基 于 叶 片 安 装 角 调 节 的 对 旋 局 部 通 风 机 特 性 研 究 [ D ] . 太原太原理工大学，2 0 1 7 . X I N G X i n . R e s e a r c h o n C o n r t r a - r o t a t i n g A u x i l i a r y F a n B a s e d o n B l a d e P i c t h A d j u s t m e n t [ D ] . T a i y u a n T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , 2 0 1 7 . [ 1 2 ] 杨 冰 冰 ， 李 超 宇 ， 王 松 岩 . 对 旋 轴 流 风 机 叶 片 穿 孔 的 气 动 噪声研究[ J ] . 煤炭技术，2 0 1 8 , 3 7 8 2 4 3 - 2 4 5 . Y A N G B i n g b i n g , L I C h a o y u , W A N G S o n g y a n . S t u d y o n F l o w F i e l d P e r f o r m a n c e o f C o u n t e r - r o t a t i n g A x i a l F a n w i t h H o l e s i n B l a d e [ J ] . C o a l T e c h n o l o g y , 2 0 1 8 , 3 7 8 2 4 3 - 2 4 5 . 万方数据