彎掠動(dòng)葉在對(duì)旋通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用
摘要：分析了彎掠動(dòng)葉在對(duì)旋通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用，提出了適合對(duì)旋通風(fēng)機(jī)獨(dú)特氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法的葉片彎掠造型。
關(guān)鍵詞：對(duì)旋通風(fēng)機(jī) 彎掠動(dòng)葉
Application of Sweeping-curved Rotor on Counter-rotating Fan
Abstract: Application of sweeping-curved rotor on counter-rotating axial fan is introduced, the mode of sweeping-curved rotor suitable for unique design method of counter-rotating axial fan is put forward.
Key words: Counter-rotating axial fan Sweeping-curved rotor
1 引言
對(duì)旋通風(fēng)機(jī)是指前后串聯(lián)兩個(gè)直徑、輪轂比都相同，而旋轉(zhuǎn)方向相反的葉輪，用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的一種兩級(jí)軸流式通風(fēng)機(jī)。它是一種無(wú)靜葉的兩級(jí)軸流式通風(fēng)機(jī)，由于省掉了導(dǎo)葉，從理論上講，使風(fēng)機(jī)內(nèi)耗減少了，阻力損失降低了，從而提高了風(fēng)機(jī)的工作效率。對(duì)旋通風(fēng)機(jī)由于性能好，高效區(qū)寬，駝峰區(qū)風(fēng)壓平穩(wěn)，風(fēng)流穩(wěn)定，使它在煤礦的生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但是，作為一種新型的機(jī)械，對(duì)旋風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中還存在許多問(wèn)題，以效率低、噪聲大較為突出。
為了提高對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的效率、降低噪聲、擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍，就應(yīng)該對(duì)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)內(nèi)部甚至外部（主要指風(fēng)機(jī)出口處）的流場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的理論和試驗(yàn)分析，對(duì)兩級(jí)葉片和流道的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以便找到抑制環(huán)壁和葉片表面附面層分離，減小附面層的厚度，乃至降低各種損失的途徑。方法之一就是對(duì)葉片進(jìn)行彎掠處理。采用彎掠動(dòng)葉的目的是降低動(dòng)葉的葉型損失和二次流損失，擴(kuò)大其穩(wěn)定工作范圍。
近年來(lái)，對(duì)旋通風(fēng)機(jī)通過(guò)采用彎掠動(dòng)葉，以其高效、低噪聲、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、安裝方便而備受廣大煤礦用戶(hù)的青睞。
2 彎掠動(dòng)葉的定義
彎掠動(dòng)葉的名稱(chēng)來(lái)源于航空機(jī)翼，按照離心通風(fēng)機(jī)的術(shù)語(yǔ)，葉片在周向順旋轉(zhuǎn)方向傾斜稱(chēng)為“前彎”，逆旋轉(zhuǎn)方向傾斜稱(chēng)為“后彎”；按照航空機(jī)翼的術(shù)語(yǔ)，葉片在軸向逆來(lái)流方向傾斜稱(chēng)為“前掠”，順來(lái)流方向稱(chēng)為“后掠”，圖1為示意圖。
(a) 周向彎
(b) 軸向掠
圖1 彎掠動(dòng)葉分類(lèi)示意圖
彎掠動(dòng)葉對(duì)氣流不僅有周向和軸向分力作用，而且還存在一個(gè)徑向分力。 這個(gè)徑向分力不僅影響對(duì)旋風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，還影響其聲學(xué)性能。其原因是徑向分力與周向和軸向分力共同影響了對(duì)旋風(fēng)機(jī)加功量沿徑向分布的規(guī)律（由輪轂向中部偏移），從而可以明顯降低輪轂處過(guò)大的攻角值，這樣就充分利用彎掠動(dòng)葉中徑及上半葉高流動(dòng)損失小的特點(diǎn)，擴(kuò)大了彎掠動(dòng)葉的穩(wěn)定工作范圍；同時(shí)徑向力也會(huì)使沿動(dòng)葉表面附面層的低速氣流承受著由其離心力所產(chǎn)生的、垂直于葉型表面分力的作用，這必將改變?nèi)~片出口附面層的厚度，通過(guò)它直接影響葉片氣動(dòng)效率和氣動(dòng)噪聲的大小。
目前彎掠動(dòng)葉的應(yīng)用，顯示出了一定的優(yōu)越性，在國(guó)外已有許多研究成果。動(dòng)葉片周向彎曲后，由于動(dòng)葉片離心力的作用，前彎葉片具有隨著轉(zhuǎn)速增加而葉頂間隙減小的特點(diǎn)，同時(shí)還使葉頂串流隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。葉片表面附面層向葉頂遷移過(guò)程中，由于葉片表面徑向分力的作用，部分附面層被推入主流中，從而使附面層減薄（減薄附面層厚度是提高動(dòng)葉效率，降低寬頻噪聲的重要手段之一）。同時(shí)，很多研究表明：前掠轉(zhuǎn)子在改進(jìn)葉片尖部的激波強(qiáng)度和二次流在葉尖區(qū)的堆積方面有很好的效果，并且比其它轉(zhuǎn)子具有失速裕度大、峰值效率高的特點(diǎn)。
3 對(duì)旋風(fēng)機(jī)的彎掠造型
在對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高壓升，要求在每一個(gè)基元葉柵設(shè)計(jì)中盡可能增大其加功量，然而葉根區(qū)易堵塞和葉尖區(qū)易旋轉(zhuǎn)失速給等功分配原則提出了高的要求；同時(shí)，由于葉根和葉尖區(qū)強(qiáng)烈的旋渦流動(dòng)是二次流損失的主要根源，并且對(duì)旋級(jí)二次流動(dòng)的相互干擾和摻混使端壁區(qū)的流動(dòng)更加復(fù)雜，流動(dòng)環(huán)境也更加惡劣。因此，宜將最大加功量放在葉片中部，而將較小的加功量分給做功環(huán)境惡劣的葉片和葉根處。這就決定了葉片中部附近截面的弦最長(zhǎng)，而葉尖和葉根的弦較短，但為了滿(mǎn)足強(qiáng)度要求往往只使葉尖處的弦較短，葉根處在滿(mǎn)足強(qiáng)度的前提下盡量使之較短。因此，如果只是硬搬前掠或后掠的方法，將給對(duì)旋風(fēng)機(jī)的葉片造型帶來(lái)很大困難；另一方面由于對(duì)旋轉(zhuǎn)子間三維粘性、非定常流動(dòng)和相互干擾效應(yīng)非常強(qiáng)烈。因此，必須考慮到前級(jí)葉片尾緣和后級(jí)葉片前緣曲線(xiàn)在空間的相互位置，以盡量減小損失，使級(jí)間氣流受到較小的誘導(dǎo)作用，而基本能按設(shè)計(jì)值流入后級(jí)葉片。基于這種考慮，在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上在設(shè)計(jì)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)時(shí)，采取前級(jí)葉片前緣曲線(xiàn)后掠和尾緣曲線(xiàn)適度前傾空間的造型方式。尾緣曲線(xiàn)適度前傾，有利于減少葉尖區(qū)由于附面層的徑向遷移造成的低能團(tuán)堆積，并且通過(guò)適當(dāng)拉大葉尖區(qū)與后級(jí)轉(zhuǎn)子前緣曲線(xiàn)按徑向積疊稍有前傾的方式，以保證前級(jí)氣流流出后，能較均勻地進(jìn)入后級(jí)葉輪，從而減弱級(jí)間流場(chǎng)沿徑向的強(qiáng)烈的非均勻性；后級(jí)葉片尾緣曲線(xiàn)同樣是適度前傾，使后級(jí)葉片不會(huì)在葉尖區(qū)產(chǎn)生附面層堆積，以利于提高整機(jī)效率。
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)旋通風(fēng)機(jī)彎掠葉片的研究具有理論和實(shí)用雙方面的意義。在理論上，該研究緊密地和當(dāng)前葉輪機(jī)械中存在的一些問(wèn)題結(jié)合在一起。例如：在透平機(jī)械中，流體的流動(dòng)是三維粘性非定常紊流流動(dòng)，由于N－S方程中紊流模型的機(jī)理尚未被人們認(rèn)識(shí)清楚，所以還有待于進(jìn)一步研究。因此，選擇合適的模型對(duì)彎掠葉片進(jìn)行性能計(jì)算就顯得比較重要；另一方面，關(guān)于氣動(dòng)損失預(yù)測(cè)一級(jí)非穩(wěn)定工況的分析，這和葉柵幾何和氣動(dòng)參數(shù)緊密相關(guān)，從而影響葉柵之間的角度匹配以及對(duì)喘振的控制、噪聲的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)損失的研究，可以弄清楚對(duì)旋通風(fēng)機(jī)彎掠動(dòng)葉節(jié)能降噪的流動(dòng)機(jī)理，完善和發(fā)展所提出的計(jì)算模型和方法。從實(shí)用的角度來(lái)看，由于彎掠動(dòng)葉展現(xiàn)出在效率、噪聲以及穩(wěn)定工作范圍較寬的優(yōu)越性，所以受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和用戶(hù)的廣泛重視。
