对旋风机转速改变对其气动特性的影响<sup>*</sup>
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对旋风机转速改变对其气动特性的影响
孙文龙, 方祥军     
北京航空航天大学 能源与动力工程学院, 北京 100083
摘要: 对旋风机前后级转速比对风机气动特性影响较大,合适的转速比有利于提高对旋风机气动性能。采用数值计算和实验模拟方法研究对旋风机前后两级叶轮转速改变对风机气动特性的影响。首先,通过速度三角形定量分析转速改变对风机功率和内部流动参数的影响。之后,数值计算的结果与实验进行对比,分析基准转速下风机整体性能的变化。最后,通过数值计算结果对风机内部气体的流动进行具体分析,发现在保持进口条件不变的条件下,前后两级叶轮转速改变相同百分比时,第1级转速改变可以更加有效的改变风机的流动参数和性能,综合比较整体性能变化与实际应用确定了最优转速比为1.1:1,此转速比下传动效率为88.4%时对旋风机效率为75%。
关键词: 对旋风机     CFD     转速比     性能     速度三角形     气动特性    
Influence of rotating speed variation on aerodynamic characteristics for counter rotating fan
SUN Wenlong, FANG Xiangjun     
School of Energy and Power Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China
Received: 2017-03-21; Accepted: 2017-05-12; Published online: 2017-06-19 11:55
Corresponding author. FANG Xiangjun, E-mail: 185352895@qq.com
Abstract: The aerodynamic characteristics of counter rotating fan was effected by rotating speed ratio of first and second stages, appropriate speed ratio could improve aerodynamic characteristics of counter rotating fan. The influence of rotating speed variation of first and second stages on the aerodynamic characteristics of counter rotating fan was studied by numeral calculation and experiments. First, the influence of changes in rotating speed on powers and internal flow parameters was quantitatively analyzed by velocity triangle. Then, the results of calculation were compared with the results of experiment to analyze the performance of fan under the standard rotating speed. Finally, air flows in the fan were analyzed with the results of calculation. It is found that the flow parameters and performance of fan change more efficiently by changing the rotating speed of the first stage under the same rotating speed changing percentage of first and second stages when the conditions of inlet keep invariant. Combined with the performance of fan and the demand of reality, the most optimal rotating speed ratio is 1.1:1. The efficiency of counter rotating fan is 75% under this rotating speed ratio and transmission efficiency of 88.4%.
Key words: counter rotating fan     CFD     rotating speed ratio     performance     velocity triangle     aerodynamic characteristics    

轴流对旋风机是一种由2个旋转方向相反的叶轮组成的风机,有着结构紧凑和工作范围宽等优点。对旋风机减少了一级静叶,降低了静叶中的损失,也带来了内部流场存在着转-转干涉等复杂流动的问题,导致第2级叶轮进口气流变化较大容易出现过载。

Roy等[1]通过实验研究发现对旋风机可以提高风机的整体性能并改善内部流动并讨论了对旋风机之后改进的措施。Pundhir和Sharma[2]通过实验的方法研究了转速比和转子间轴向间距对对旋风机气动性能的影响。陈云永等[3]通过实验和数值的方法对不同转速比和轴向间隙条件对压气机性能影响进行了研究。杨小贺和单鹏[4]设计并通过数值计算分析了2种对旋风机设计的流动以及2种设计的失速裕度。高丽敏等[5]通过数值方法研究了转速比对压气机最先失速级的影响。Mistry和Pradeep[6]通过实验研究了对旋风机受来流畸变的影响,比较分析了轮毂处畸变较强和机匣处畸变较强2种情况。王卓奇等[7]通过实验方法验证了对旋风机不同转速分配可以改变失速关键级。Zhang等[8]通过非定常数值计算的方法研究了对旋风机受转-转干涉的影响,发现非定常流动对第2级转子影响较大。王掩刚等[9]通过实验的方法研究了对旋风机的失速,结果发现失速最先发生在第2级且只有一个失速团。Cho等[10]对高效对旋风机的气动设计进行了数值和实验的分析。艾子健等[11]利用速度三角形推导出不同工况下两级叶轮转速匹配的计算公式,提出了不同工况对应不同两级叶轮转速的转速匹配方法。Wang等[12]通过实验研究了改变前后两级转子的载荷分布和旋转速度的比对风机性能的影响。刘波等[13]通过实验和计算研究了对旋风机前后级转子不同转差下的特性以及对流场和性能的影响。

上述文献从气动方面研究了对旋风机的转速变化主要集中在对风机流动和性能影响等方面的定性分析。但是,并未对转速改变后相关流动参数进行定量的阐述。因此本文在此方面进行研究,通过速度三角形分析给出速度变化后流动参数的定量分析,通过数值和实验分析转速改变后风机内部流动改变,对速度三角形的分析进行验证分析确定最优转速比。

1 对旋风机物理模型和数学模型 1.1 物理模型

本文研究的风机的叶轮分别由2个11 kW的电机驱动,前后两级叶片数目分别为11和9。两级叶轮的旋转速度都是3000r/min,旋转方向相反,原型风机设计质量流量为7.57 kg/s,设计全压升为2 000 Pa。风机的基本结构和实验测点如图 1所示,叶片结构如图 2所示。

图 1 对旋风机的基本结构及测点分布 Fig. 1 Fundamental structure of counter rotating fan and distribution of measuring points
图 2 对旋风机的叶片几何 Fig. 2 Blade geometry of counter rotating fan
1.2 数值方法

本文采用Numeca软件以理想气体为工质对风机的中气体流动进行计算,气动计算采用雷诺应力湍流模型(RSM)进行计算。

相比于单方程和双方程模型,雷诺应力湍流模型可以用来计算各向异性的复杂三维湍流流场,并准确地反映湍流各向异性的特点,且可以清楚地给出涡的结构[14-15],因此本文采用雷诺应力湍流模型进行计算。由于计算的工质空气的温度未超过500 K且计算过程中最大压力未超过101 325 Pa过多,故采用理想空气模型简化空气的密度变化。

1.3 网格模型

在确定原型几何与湍流模型后,根据湍流模型对网格的要求划分网格。本文的网格采用更容易控制质量和加密的结构化网格(见图 3),对单一通道划分了网格,网格数量为150万,第1层网格的高度为10-5 m,经计算后验证Y+满足湍流模型的要求,经过了网格无关性验证,计算结果表明网格质量满足计算模型需求。

图 3 计算网格 Fig. 3 Computational grid