弯掠动叶在对旋通风机中的应用

摘要：分析了弯掠动叶在对旋通风机中的应用，提出了适合对旋通风机独特气动设计方法的叶片弯掠造型。

关键词：对旋通风机  弯掠动叶

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

对旋通风机是指前后串联两个直径、轮毂比都相同，而旋转方向相反的叶轮，用两个电机分别驱动的一种两级轴流式通风机。它是一种无静叶的两级轴流式通风机，由于省掉了导叶，从理论上讲，使风机内耗减少了，阻力损失降低了，从而提高了风机的工作效率。对旋通风机由于性能好，高效区宽，驼峰区风压平稳，风流稳定，使它在煤矿的生产中得到了广泛应用。但是，作为一种新型的机械，对旋风机在运行过程中还存在许多问题，以效率低、噪声大较为突出。

为了提高对旋通风机的效率、降低噪声、扩大稳定工作范围，就应该对对旋通风机内部甚至外部（主要指风机出口处）的流场进行简单的理论和试验分析，对两级叶片和流道的结构尺寸进行合理设计，以便找到抑制环壁和叶片表面附面层分离，减小附面层的厚度，乃至降低各种损失的途径。方法之一就是对叶片进行弯掠处理。采用弯掠动叶的目的是降低动叶的叶型损失和二次流损失，扩大其稳定工作范围。

近年来，对旋通风机通过采用弯掠动叶，以其高效、低噪声、结构紧凑、性能稳定、安装方便而备受广大煤矿用户的青睐。

2  弯掠动叶的定义

弯掠动叶的名称来源于航空机翼，按照离心通风机的术语，叶片在周向顺旋转方向倾斜称为“前弯”，逆旋转方向倾斜称为“后弯”；按照航空机翼的术语，叶片在轴向逆来流方向倾斜称为“前掠”，顺来流方向称为“后掠”，图1为示意图。

         (a) 周向弯

  (b) 轴向掠

图1  弯掠动叶分类示意图

弯掠动叶对气流不仅有周向和轴向分力作用，而且还存在一个径向分力。 这个径向分力不仅影响对旋风机的气动性能，还影响其声学性能。其原因是径向分力与周向和轴向分力共同影响了对旋风机加功量沿径向分布的规律（由轮毂向中部偏移），从而可以明显降低轮毂处过大的攻角值，这样就充分利用弯掠动叶中径及上半叶高流动损失小的特点，扩大了弯掠动叶的稳定工作范围；同时径向力也会使沿动叶表面附面层的低速气流承受着由其离心力所产生的、垂直于叶型表面分力的作用，这必将改变叶片出口附面层的厚度，通过它直接影响叶片气动效率和气动噪声的大小。

目前弯掠动叶的应用，显示出了一定的优越性，在国外已有许多研究成果。动叶片周向弯曲后，由于动叶片离心力的作用，前弯叶片具有随着转速增加而叶顶间隙减小的特点，同时还使叶顶串流随着转速的增加而减小。叶片表面附面层向叶顶迁移过程中，由于叶片表面径向分力的作用，部分附面层被推入主流中，从而使附面层减薄（减薄附面层厚度是提高动叶效率，降低宽频噪声的重要手段之一）。同时，很多研究表明：前掠转子在改进叶片尖部的激波强度和二次流在叶尖区的堆积方面有很好的效果，并且比其它转子具有失速裕度大、峰值效率高的特点。

3  对旋风机的弯掠造型

在对旋通风机的气动设计时，为了提高压升，要求在每一个基元叶栅设计中尽可能增大其加功量，然而叶根区易堵塞和叶尖区易旋转失速给等功分配原则提出了高的要求；同时，由于叶根和叶尖区强烈的旋涡流动是二次流损失的主要根源，并且对旋级二次流动的相互干扰和掺混使端壁区的流动更加复杂，流动环境也更加恶劣。因此，宜将最大加功量放在叶片中部，而将较小的加功量分给做功环境恶劣的叶片和叶根处。这就决定了叶片中部附近截面的弦最长，而叶尖和叶根的弦较短，但为了满足强度要求往往只使叶尖处的弦较短，叶根处在满足强度的前提下尽量使之较短。因此，如果只是硬搬前掠或后掠的方法，将给对旋风机的叶片造型带来很大困难；另一方面由于对旋转子间三维粘性、非定常流动和相互干扰效应非常强烈。因此，必须考虑到前级叶片尾缘和后级叶片前缘曲线在空间的相互位置，以尽量减小损失，使级间气流受到较小的诱导作用，而基本能按设计值流入后级叶片。基于这种考虑，在文献[3]的基础上在设计对旋通风机时，采取前级叶片前缘曲线后掠和尾缘曲线适度前倾空间的造型方式。尾缘曲线适度前倾，有利于减少叶尖区由于附面层的径向迁移造成的低能团堆积，并且通过适当拉大叶尖区与后级转子前缘曲线按径向积叠稍有前倾的方式，以保证前级气流流出后，能较均匀地进入后级叶轮，从而减弱级间流场沿径向的强烈的非均匀性；后级叶片尾缘曲线同样是适度前倾，使后级叶片不会在叶尖区产生附面层堆积，以利于提高整机效率。

4  结束语

对旋通风机弯掠叶片的研究具有理论和实用双方面的意义。在理论上，该研究紧密地和当前叶轮机械中存在的一些问题结合在一起。例如：在透平机械中，流体的流动是三维粘性非定常紊流流动，由于N－S方程中紊流模型的机理尚未被人们认识清楚，所以还有待于进一步研究。因此，选择合适的模型对弯掠叶片进行性能计算就显得比较重要；另一方面，关于气动损失预测一级非稳定工况的分析，这和叶栅几何和气动参数紧密相关，从而影响叶栅之间的角度匹配以及对喘振的控制、噪声的预估和优化设计。通过对损失的研究，可以弄清楚对旋通风机弯掠动叶节能降噪的流动机理，完善和发展所提出的计算模型和方法。从实用的角度来看，由于弯掠动叶展现出在效率、噪声以及稳定工作范围较宽的优越性，所以受到国内外学者和用户的广泛重视。