復合彎掠定制葉型技術在對旋風機設計中的應用

蔣志軍，周拜豪

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

復合彎掠定制葉型技術在對旋風機設計中的應用

蔣志軍，周拜豪

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

簡要介紹了復合彎掠定制葉型技術及其特點，論述了將該技術應用于對旋風機改型設計的工程實例。風機改型設計結果表明，該技術的應用，使對旋風機的效率及喘振裕度明顯提高，葉片厚度和重量都有較大的減小。該實例驗證了基于航空發動機高壓壓氣機設計體系的復合彎掠定制葉型技術，在低速對旋風機設計中也具有良好的實用性和有效性。

對旋風機；定制葉型；效率；喘振裕度；節能減排

1 引言

對旋軸流通風機由于其在長距離送風、通風方面的優勢，被廣泛應用于礦井通風系統中。據統計，全國大小礦井至少有10萬臺主通風機在運行，風機效率每提高1%可節電40億千瓦時。因此，提高通風機的效率對節能減排、降低生產成本具有巨大的現實意義。

影響通風機性能的主要因素是風機的葉型設計，業內通常采用孤立翼型設計[1，2]。這種設計造型變化的是葉片安裝角和葉片截面的大小，葉片截面形狀與原始翼型幾何相似。這是一種相對簡單的設計方法，其設計風機的性能（尤其是非設計點性能好壞）與原始翼型的選取直接相關，原始翼型極大地限制了葉片設計的靈活度。本文引入基于航空發動機壓氣機設計體系的通流氣動布局設計技術及復合彎掠定制葉型造型技術，對風機風輪進行優化設計。與孤立翼型設計方法最大不同是，摒棄使用標準葉型(原始翼型)的思路，根據通流計算不同流線上的氣動參數，在不同高度流線截面上分別設計具有可控擴散葉型特點的葉型，以期提高風機性能。

2 定制葉型技術

定制葉型技術[3]是基于正問題迭代法設計可控擴散葉型的一種特定幾何造型方法，可設計出具有可控擴散葉型表面速度分布特點的葉型。正問題迭代法采用特定的幾何造型方法設計葉型，然后利用正問題分析葉柵流場，得到葉型表面速度分布。當表面速度分布不滿足要求時，則修改葉型設計，再進行正問題計算，如此反復迭代，最后得到滿意的葉型。正問題迭代法由于其設計的葉型幾何參數易于控制，能很好地保證葉片的徑向光滑，設計人員能很快得到葉型，在工程上具有很強的實用性。在航空發動機壓氣機中的眾多應用驗證表明，定制葉型損失小、攻角范圍大，性能優于其它常規葉型。其設計流程和方法見圖1。

圖1 定制葉型的設計流程Fig.1 Flow chart of custom tailoring

對于用幾何方法生成的葉型，影響其性能的因素主要有：中線形狀、厚度分布和前后緣形狀。中線形狀決定了葉型的彎度分布，也就一定程度上決定了功的分布。定制葉型技術選用兩段圓弧中線，通過分別控制其弧度來靈活控制功的優化匹配。

厚度分布影響葉背和葉盆的曲率，通過它能夠調整葉型表面壓力分布。定制葉型采用一種特殊的厚度分布形式，使設計的葉型具有類似于可控擴散葉型的形狀和性能。定制葉型造型控制的典型表面速度分布具有如下特點：

(1)葉背前緣有一段持續加速，避免層流附面層過早分離；

(2)控制葉背的速度峰值，以達到控制損失的目的；

(3)控制葉背速度峰值到后緣速度的曲率形式，以推遲或避免附面層發生分離；

(4)控制葉盆的速度分布形式，以保證一定的堵塞裕度。

在葉片前后緣選取上使用橢圓前緣設計。多年來前后緣一直采用圓弧設計，一方面是對其影響認識不足，另一方面是加工能力限制。實際上，前后緣形狀對葉型性能有很大影響，橢圓前緣可很好地控制膨脹波及分離泡，減小葉型損失。

3 在風機改型設計中的應用

為驗證定制葉型技術在風機設計中的實際效果，將該技術應用于一臺礦用主排氣風機風輪的改型設計中。

礦井在不同時期對主通風機的性能要求不同，一般而言，隨著礦井采掘的行進，越到后期通風風壓需求越高。某煤礦集團一礦井開采逐漸進入了后期，礦井排氣主通風機性能逐漸出現了不能滿足通風要求的問題，工作中出現喘振現象。礦井方面提出對風機風輪段進行改型設計，在原有電機條件下提高風機的效率和流量，解決風機喘振問題。根據客戶改型要求，結合定制葉型技術本身特點，針對風機主要用于礦井的抽風排氣，一年四季長期工作，工作環境的大氣參數變化范圍大，為設計的通用性和方便性，結合原型風機的性能參數，選取標況大氣作為設計狀態，以進口負壓2 700 Pa、設計流量87.5 kg/s、電機轉速742 r/min作為設計點，設計改型風機葉片，采用在不同進口負壓下適當調整葉片安裝角來盡可能增大風機通風量及保證風機高效率。

在通流計算環節，考慮到風機有反轉應急需求，采用了風輪段平直流道設計。同時為實現對旋級的良好匹配，修改原風機等環量設計為等功設計，該氣動布局可有效減少氣流在級間由徑向氣流摻混而造成的損失。在葉片子午投影布局上，引入掠型設計，該技術屬于葉片三維設計范疇，通過徑向適當掠型控制氣流在徑向的流量分布，達到增加主流區流量控制端壁流動的目的[3，4]；另外葉片掠型設計可降低風機噪聲。風機S2流路布局見圖2。通流計算程序選用中國燃氣渦輪研究院自主開發的具有國內先進水平的S2流面計算程序，該程序采用矩陣通流法逐站求解，能反映端壁區域流道信息，具有設計結果準確、合理性高的特點。計算時需要輸入流道幾何參數、靜子葉片出口環量分布、附面層堵塞系數、轉子葉片排效率或損失系數、靜子葉片排總壓恢復系數或損失系數、葉片排稠度和各級壓比。通流設計的關鍵控制參數擴散因子分布如圖3所示。

圖2 S2流路布局圖Fig.2 Layout of S2 flowpath

圖3 風機擴散因子分布Fig.3 Configuration of D-factor

在葉片造型環節，定制葉型造型的初始參數根據經驗給定，選用MISES、NUMECA軟件分別進行造型葉片的正問題分析迭代[3]。攻角、落后角、彎度比主要參考正問題分析結果優化選取(圖4)，最大相對厚度、最大厚度位置參考正問題計算和強度計算結果調整得出。同時，在葉片三維造型中引入先進的復合彎掠技術。通過彎掠設計，可減輕葉片根尖氣動負荷，控制葉片根尖的二次流動，提高葉片根尖的效率，最大限度地利用葉片中部的高效流動區，擴大穩定工作范圍，提高通風機抗流場畸變能力。另外，復合彎掠還可增加葉片剛度，降低葉片應力及風機噪聲；相對于傳統低速風機葉型定制葉型，極大地減薄了葉片厚度。和原型風扇葉片相比，改型葉片葉尖葉型厚度減薄近2/3，葉根葉型減薄近1/2，大大減輕了葉片重量(圖5)，為高稠度、高裕度風輪的實現提供了有利保障；同時輕質葉片對輪盤及風機整機減重都有益處。改型風輪在葉片數增加30%情況下較原型風輪依然減重約12%，就是最直接的體現。

4 改型風機實測性能

風機安裝地坑道風壓需求常年在2000～2600Pa之間，因此在風機安裝調試時對風機葉片安裝角進行了適當調整。風機現已在礦井正常穩定工作一年多，未出現喘振，圖6給出了風機試運行一個月后由專業風機性能測試機構測試的風機性能。

圖4 葉片的攻角、落后角以及幾何彎角分布Fig.4 Configurations of incidence angle,deviation angle and turning angle

圖5 第一級葉片Fig.5 Blade of the first stage

圖6 改型前后風機性能對比Fig.6 Performance comparison between the old and the new draught fans

和改型前風機性能[5]相比，風機的同風壓流量提高約8%，全壓效率提高6.2%(由于改型設計只修改了風機風輪，電機、排氣擴散塔仍使用風機原件，因此這里的效率不包括電機損失和排氣損失)。同時，風機的穩定工作范圍也明顯拓寬，由原型風機的2 250～2 600 Pa拓寬到改型風機的2 040～2 650 Pa。

5 結論

(1)高風壓對旋通風機設計中應用復合彎掠定制葉型技術，可以很好地發揮定制葉型效率高、穩定工作范圍寬的優點。改型風機在同風壓流量增加約8%的前提下，最高全壓效率提高6.2%，穩定工作風壓范圍擴大近260 Pa，成功解決了原型風機工作中的喘振現象。

(2)相對于傳統風機葉型，定制葉型的厚度有很大幅度的減薄，這對風機減重、控制材料成本及實現高稠度、高喘振裕度風機設計提供了有力保證。

[1]吳玉林，陳慶光，劉樹紅.通風機和壓縮機[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]李超俊，宇文龍.軸流壓縮機原理與氣動設計[M].北京機械工業出版社，1987.

[3]航空發動機手冊總編委會.航空發動機設計手冊：第8冊——壓氣機[K].北京：航空工業出版社，2001.

[4]彭澤琰，杜聲同，郭秉衡.航空燃氣輪機原理[M].北京：國防工業出版社.

[5]華鎣山廣能集團李子埡煤業有限公司.通風機性能數據測定報表[Z].2005.

Application of Curved-Swept Custom Tailoring Techniques in Counter-Rotating Draught Fans

JIANG Zhi-jun，ZHOU Bai-hao
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The curved-swept custom tailoring techniques and its engineering application of it in coun?ter-rotating draught fan design is introduced.The design results show that the efficiency and surge margin of draught fans increase obviously,while the thickness and weight of blade decreases greatly.It verified practicality and validity of the curved-swept custom tailoring techniques based on the design system of high pressure compressor in draught fan design.

counter-rotating draught fans；custom tailoring；efficiency；surge margin；energy saving and emission reduction

V232.4

A

1672-2620(2012)01-0005-04

2011-03-18；

2011-12-01

蔣志軍(1980-)，男，四川安岳人，高級工程師，主要從事航空發動機壓氣機氣動設計工作。