彎掠動葉在對旋通風機中的應用

摘要：分析了彎掠動葉在對旋通風機中的應用，提出了適合對旋通風機獨特氣動設計方法的葉片彎掠造型。

關鍵詞：對旋通風機  彎掠動葉

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

對旋通風機是指前后串聯(lián)兩個直徑、輪轂比都相同，而旋轉(zhuǎn)方向相反的葉輪，用兩個電機分別驅(qū)動的一種兩級軸流式通風機。它是一種無靜葉的兩級軸流式通風機，由于省掉了導葉，從理論上講，使風機內(nèi)耗減少了，阻力損失降低了，從而提高了風機的工作效率。對旋通風機由于性能好，高效區(qū)寬，駝峰區(qū)風壓平穩(wěn)，風流穩(wěn)定，使它在煤礦的生產(chǎn)中得到了廣泛應用。但是，作為一種新型的機械，對旋風機在運行過程中還存在許多問題，以效率低、噪聲大較為突出。

為了提高對旋通風機的效率、降低噪聲、擴大穩(wěn)定工作范圍，就應該對對旋通風機內(nèi)部甚至外部（主要指風機出口處）的流場進行簡單的理論和試驗分析，對兩級葉片和流道的結(jié)構(gòu)尺寸進行合理設計，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。方法之一就是對葉片進行彎掠處理。采用彎掠動葉的目的是降低動葉的葉型損失和二次流損失，擴大其穩(wěn)定工作范圍。

近年來，對旋通風機通過采用彎掠動葉，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的青睞。

2  彎掠動葉的定義

彎掠動葉的名稱來源于航空機翼，按照離心通風機的術(shù)語，葉片在周向順旋轉(zhuǎn)方向傾斜稱為“前彎”，逆旋轉(zhuǎn)方向傾斜稱為“后彎”；按照航空機翼的術(shù)語，葉片在軸向逆來流方向傾斜稱為“前掠”，順來流方向稱為“后掠”，圖1為示意圖。

         (a) 周向彎

  (b) 軸向掠

圖1  彎掠動葉分類示意圖

彎掠動葉對氣流不僅有周向和軸向分力作用，而且還存在一個徑向分力。 這個徑向分力不僅影響對旋風機的氣動性能，還影響其聲學性能。其原因是徑向分力與周向和軸向分力共同影響了對旋風機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大的攻角值，這樣就充分利用彎掠動葉中徑及上半葉高流動損失小的特點，擴大了彎掠動葉的穩(wěn)定工作范圍；同時徑向力也會使沿動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，通過它直接影響葉片氣動效率和氣動噪聲的大小。

目前彎掠動葉的應用，顯示出了一定的優(yōu)越性，在國外已有許多研究成果。動葉片周向彎曲后，由于動葉片離心力的作用，前彎葉片具有隨著轉(zhuǎn)速增加而葉頂間隙減小的特點，同時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葉效率，降低寬頻噪聲的重要手段之一）。同時，很多研究表明：前掠轉(zhuǎn)子在改進葉片尖部的激波強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。

3  對旋風機的彎掠造型

在對旋通風機的氣動設計時，為了提高壓升，要求在每一個基元葉柵設計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，由于葉根和葉尖區(qū)強烈的旋渦流動是二次流損失的主要根源，并且對旋級二次流動的相互干擾和摻混使端壁區(qū)的流動更加復雜，流動環(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，而葉尖和葉根的弦較短，但為了滿足強度要求往往只使葉尖處的弦較短，葉根處在滿足強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，將給對旋風機的葉片造型帶來很大困難；另一方面由于對旋轉(zhuǎn)子間三維粘性、非定常流動和相互干擾效應非常強烈。因此，必須考慮到前級葉片尾緣和后級葉片前緣曲線在空間的相互位置，以盡量減小損失，使級間氣流受到較小的誘導作用，而基本能按設計值流入后級葉片?；谶@種考慮，在文獻[3]的基礎上在設計對旋通風機時，采取前級葉片前緣曲線后掠和尾緣曲線適度前傾空間的造型方式。尾緣曲線適度前傾，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堆積，并且通過適當拉大葉尖區(qū)與后級轉(zhuǎn)子前緣曲線按徑向積疊稍有前傾的方式，以保證前級氣流流出后，能較均勻地進入后級葉輪，從而減弱級間流場沿徑向的強烈的非均勻性；后級葉片尾緣曲線同樣是適度前傾，使后級葉片不會在葉尖區(qū)產(chǎn)生附面層堆積，以利于提高整機效率。

4  結(jié)束語

對旋通風機彎掠葉片的研究具有理論和實用雙方面的意義。在理論上，該研究緊密地和當前葉輪機械中存在的一些問題結(jié)合在一起。例如：在透平機械中，流體的流動是三維粘性非定常紊流流動，由于N－S方程中紊流模型的機理尚未被人們認識清楚，所以還有待于進一步研究。因此，選擇合適的模型對彎掠葉片進行性能計算就顯得比較重要；另一方面，關于氣動損失預測一級非穩(wěn)定工況的分析，這和葉柵幾何和氣動參數(shù)緊密相關，從而影響葉柵之間的角度匹配以及對喘振的控制、噪聲的預估和優(yōu)化設計。通過對損失的研究，可以弄清楚對旋通風機彎掠動葉節(jié)能降噪的流動機理，完善和發(fā)展所提出的計算模型和方法。從實用的角度來看，由于彎掠動葉展現(xiàn)出在效率、噪聲以及穩(wěn)定工作范圍較寬的優(yōu)越性，所以受到國內(nèi)外學者和用戶的廣泛重視。