叶片前缘尖角对低压轴流风机气动性能的影响研究

发布时间：2020-07-22 14:03

【摘要】：低压轴流风机中在运行中存在多种能量损失,由叶顶间隙存在而造成的泄漏流和泄漏涡一直是学术界研究重点。本文针对轴流风机叶顶间隙泄漏流动现象,分析叶片的吸力面泄漏涡的生成机理和影响泄漏涡的主要因素,并提出了在叶片前缘扩增尖角的方法来改善风机的叶顶泄漏流动。文中基于CFD数值仿真,分析研究轴流风机叶片前缘尖角参数对于轴流风机叶顶泄漏流的影响规律,并通过优化分析改善轴流风机间隙处的流动,进而提升轴流风机的气动性能。本文的主要研究内容如下:(1)研究了叶片前缘尖角周向宽度对轴流风机流动过程及叶顶泄漏涡的影响规律。叶片前缘尖角在圆周方向的宽度增加时,增加了叶顶部位的面积,提升了叶片的做功能力,宽度的增加也增加了叶顶间隙的长度,使得间隙处的阻力增加,从而降低了叶顶区压力面和吸力面的压差,迫使叶片吸力面的流体向叶顶区流动,同时带动泄漏涡向叶顶间隙处流动,从而导致泄漏流的阻力增加,减少了通过间隙的流体量,降低了由于大量流体回流造成的能量损失及气动噪音。其次圆周方向的宽度的增加也使得风机风道的有效面积减少,减小了流道的过流能力,所以合理的宽度将带来的叶轮气动性能的增益。(2)考察了叶片前缘尖角圆周宽度保持不变基础上增加径向长度对风机气动性能的影响。发现增加了叶片前缘与流体接触的长度,使得部分流体提前与前缘接触,加速了流体通过叶轮的时间,提高了风机在工作压力下的风量和效率,从而使得叶轮的做功能力显著提升,但对叶片叶顶间隙处的泄漏流的改善效果并不明显。(3)基于前弯掠叶片的优点,本文增加了叶片前缘尖角轴向方向上的倾角,在增加倾角时叶片前缘与来流方向之间的夹角随之减小,使得来流能够贴叶片流动,减少了来流与叶片冲击造成的进口能量损失,但同时也使得尖角与叶片前缘连接处形成了一定程度的凹面,这就造成了流体的脱流,使得产生在叶片叶顶部的泄漏涡向叶片的进口处移动增加了流体流动阻力,使得叶轮的做功能力有所下降。所以在此次轴向倾角增加的过程中得到了最佳的倾角为5°。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK83
【图文】：

模型图,几何模型

风机叶片的优劣直接决定了风机做功能力的大小，考虑到原模型的流型以及减逡逑少叶片等因素对研究结果的影响和基于翼型叶片良好的气动性能，并结合刘颖、金逡逑元日［２５］、蔡娜［２６］等人的研究，对样机做出了如图２－１中（ｃ）所示实测叶片流型，（ａ）逡逑中为原有叶轮基础之上加了前缘尖角的叶轮，由于决定叶片前缘尖角的参数为沿叶逡逑轮圆周方向的宽度、沿叶轮径向上的长度以及尖角与叶片前缘水平之间的夹角，所逡逑以后续章节将去探讨叶片前缘尖角在随着参数的改变是如何影响轴流风机的气动性逡逑能；（ｂ）中为后导叶的模型图。逡逑为了给定合适的物理边界条件和使得计算更易收敛，在叶轮前端加半球体的进逡逑口可改善进口流动，提高风机全压和全压效率；后端附加一段延伸的出口段使得出逡逑口的不均匀的周向和轴向速度变得均匀，可提高风机的静压和静压效率［２７］，如图２－２逡逑所示。逡逑球面进Ｄ逡逑卜．擎逦■逡逑Ｉ邋ｔ逦ｊ逡逑|`备ｎ逦ｍ逦Ｊ逡逑图２－２模拟计算整机建模图逡逑２．邋３网格划分逡逑本次优化过程中整个计算区域分为四个部分，分别为进口、叶轮、后导叶和出逡逑１０逡逑

模型图,整机,模拟计算,建模

（ａ）前缘尖角叶轮逦（ｂ）后导叶逦（ｃ）叶片流型逡逑图２－１几何模型逡逑机叶片的优劣直接决定了风机做功能力的大小，考虑到原模型的流型以及等因素对研究结果的影响和基于翼型叶片良好的气动性能，并结合刘颖、、蔡娜［２６］等人的研究，对样机做出了如图２－１中（ｃ）所示实测叶片流型，（ａ叶轮基础之上加了前缘尖角的叶轮，由于决定叶片前缘尖角的参数为沿向的宽度、沿叶轮径向上的长度以及尖角与叶片前缘水平之间的夹角，节将去探讨叶片前缘尖角在随着参数的改变是如何影响轴流风机的气动中为后导叶的模型图。逡逑给定合适的物理边界条件和使得计算更易收敛，在叶轮前端加半球体的进口流动，提高风机全压和全压效率；后端附加一段延伸的出口段使得匀的周向和轴向速度变得均匀，可提高风机的静压和静压效率［２７］，如图２－

网格,无关性,轴流,模拟计算

逡逑口段，如图２－２所示，本文使用的网格划分软件是ＡＮＳＹＳ里面的ＩＣＥＭ进行网格划分，逡逑计算域网格划分均采用结构化网格，由于模拟是差分计算，网格越粗，差分距离越逡逑大，而且叶轮和出口导叶的计算精度对风机性能计算影响较大，因此对于叶轮和出逡逑口导叶的叶片及叶片连接处采取局部加密进行网格划分。对于每次修改的叶片类型逡逑的模型，其网格数与第一个模型的网格数相当，其网格质量都满足大于０．４，满足计逡逑算要求，最后得到整体模型的网格，选择求解器为Ａｎｓｙｓ邋ｆｌｕｅｎｔ，导出模型的ｍｅｓｈ逡逑文件。逡逑由于数值计算模拟的结果会受到网格数的多少及关键部位网格疏密程度的影逡逑响，所以为了找到一个合适的网格数去消除这种情况带来的影响，在此进行了网格逡逑数的无关性验证，由网格无关性验证可知，当网格数达到５．０Ｘ１０６之后计算结果趋于逡逑稳定。所以本文每次整机计算模型的网格总数为６３０万左右，网格无关性验证如图逡逑２－３所示。逡逑６０逦逡逑５０邋－逦＿逡逑４０邋－逦／逡逑＾逦ｒ逡逑Ｅ邋．逦／逦Ｆ＂－网格无关性验证Ｉ逡逑Ｊ邋３０－逦／逡逑０邋．邋／逡逑２０邋－邋Ｉ逡逑．１逡逑１０邋—｜逦｜逦｜逦１逦｜逦ｆ邋Ｉ逦１邋Ｉ逦１邋Ｉ逦１邋Ｉ逡逑１００００００逦２００００００逦３００００００逦４００００００逦５００００００逦６００００００逦７００００００逡逑网栛Ｎ逡逑图２－３网格无关性验证逡逑在此次模拟计算的过程中

【参考文献】