可逆式轴流风机的三维设计

可逆式轴流风机的三维设计 3-D Design of Reversible Axial Fan
黄典贵 李孝伟/上海大学 力学研究所
摘要： 应用三维雷诺平均Navier-Stokes 方程模拟可逆式轴流风机的粘性流动，仔细分析涡流产生的机制，并结合风机正反向旋转速度、风压、风量和效率等要求，对地铁用可逆式轴流风机的叶型和装配角进行了优选设计，取得了良好的效果。

关键词：轴流式通风机 可逆式 三维设计 中图分类号：TH432.1 文献标识码: B 文章编号: 1006-8155(2005)03-0008-03
Abstract ：A code based on 3-D Reynolds-A veraged Navier-Stokes equations is used to design a reversible axial fluid fan for metro. Carefully analyzing the viscous fluid structure in the passage among hundreds of tests, a best shape of blade for the target fan is obtained. The rotative veloc ity, flux, exit pressure and efficiency are anticipative. Keywords ：Axial Fan Reversible 3-D Design
1 引言
通常，在发生火灾等紧急情况下，要求风机具有反向通风能力,这种风机称为可逆风机，其翼型称为可逆翼型。

对可逆风机的具体要求就是风机在正向和逆向送风时，都能具有良好的气动性能。

文献［1，2］对可逆翼型进行了一些研究，S 型叶片是可逆风机中比较常用的一种叶片，但是，研究表明，这种正反向性能相同的双对称翼型在升力系数与失速攻角方面并不令人满意［1］。

有时并不要求正反向具有完全相同的性能要求，对地铁而言，为了保持地铁内良好的环境，正常情况下通风机都是常年在设计工况下工作的，从节能角度讲，当然希望风机具有较高的工作效率。

但是，一旦地铁内发生火灾，要求风机必须得具有迅速反向排风的功能，由于这种状况极为罕见，因此，并不要求此时风机具有高效率，但要求排风量大。

针对这一工程背景，受某风机制造厂的委托，对这类风机进行了设计研究。

确认了风机运转中的流场结构是风机设计的基础，为此，根据轴流风机的三维雷诺平均Navier-Stokes 方程来模拟其流道内的粘性流动。

然后又仔细分析了流动中漩涡的产生机制，并结合风机正反向旋转速度、风量、风压和效率等要求，对地铁用可逆式轴流风机的叶型和装配角进行了设计，取得了良好的效果。

2 流动控制方程
在固连于风机的非惯性旋转坐标系下观察流体的绝对运动，流场是定常的。

因此，将控制方程在非惯性的相对坐标系下表达对于计算来说是非常方便的。

参照文献[3]，相对坐标系下的控制方程可以写为
0d d d d =+
⋅-
⋅+∂∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰τ
ν
τ
τ
τG A n H A n H
W t
A
A
r
式中
___________________
收稿日期:2005-12-27 上海市 200072
⎥⎥
⎥
⎥⎥
⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=E w v u W r r r
ρρρρρ (
)
()()()()⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-+-+-+--=br
br
r
zr br r r yr br r r xr br r r br
r q
p q q
H
I p q q w I p q q v
I p q q
u q q H ρρρρρ
()()()
⎥
⎥
⎥
⎥⎥
⎥
⎦⎤
⎢⎢⎢
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
⨯⨯⨯=00zr
yr xr q q
q G ϖρϖρϖρ ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++++++=zr
yr
xr
zr
zz yr yz
xr xz zr yz
yr yy xr
xy zr xz yr xy xr xx I
h I
g I f I I
I I
I I I I I H 5550
ττ
ττ
τττττν 在上述公式中，T k p H E w v u ,,,,,),,,(,μρ分别为流体的密度、速度在绝对坐标系下的分量、总能、总焓、压强、粘性系数、热传导系数和温度；(
)z y x I I I ,,和(
)zr
yr
xr I
I
I ,,分别为
绝对坐标系和相对坐标系下坐标轴方向的单位矢量；r ϖ为相对坐标系的旋转角速度矢量；下标r 表示绝对量在相对坐标系的分量。

控制方程的空间离散采用的是中心有限体积格式，时间方向采用的是五步龙格-库塔法
求解。

3 设计结果与讨论
由于三维风机粘性流场的计算非常耗时，所以无论是采用伴随方程法或是采用遗传算法等先进的设计方法，计算工作量都是难以承受的。

经验表明，在设计工况下, 叶片流道中的漩涡越小，风机的通风量将越大，并且由粘性引起的能量消耗将越小。

因此，本研究从工程应用和工程实际需求出发，采用了流场结构分析和叶片外形调整相结合的办法来进行可逆式轴流风机的叶型和装配角的优选设计，以分别达到正、反向旋转速度下要求的风量和效率及全压。

从数百个算例中优选出最后的设计方案, 应该指出, 在同等条件下, 得到的优选结果不一定是最优的,可能还有一定的潜力可以挖掘。

受某公司委托,希望设计出一个地铁用可逆轴流风机, 由于该风机将长期正向运行, 只有在地铁发生火灾等意外情况时, 才需要反向排风。

因此,希望正向运行时具有较高的效率, 反向运行时流量比较大，效率要求不高，基本条件与要求如下:
（1）反向运行要求
①叶轮直径：2000mm ②风量：60m 3/s ③全压：1000Pa
④轮毂直径：950mm ⑤叶轮转速：985r/min
⑥风机全压效率：≥60%
⑦叶片个数：14
⑧叶根厚度：≥35mm
（2）正向运行要求
①直径：2000mm
②风量：50m3/s
③全压：700Pa
④轮毂直径：950mm
⑤叶轮转速：≤750r/min
⑥风机全压效率：≥0%
以全三维雷诺平均Navier-Stokes方程的计算程序为基础，通过数百个算例，分析流场结构与细节，不断修改叶片几何形状与安装角度，得到了一个最好的叶片形状造型，其三维造型如图1所示。

该叶型的反向风量为61.4m3/s，全压效率为63.5%，全压为1100Pa；正向风量为56.6m3/s，全压效率为84.5%,全压为1000Pa，达到了设计要求。

由于篇幅所限，设计过程中的各种算例我们就不再描述了，下面只给出最后的结果。

图1可逆风机流道三维造型
图1是设计得到的可逆风机流道三维造型, 图2分别为正向转动时根部、中部与顶部的流线图。

从流线图中可以看出，风机正向运行时，流道内流动合理，基本不存在漩涡, 因此，流动效率比较高。

图3分别为反向转动时根部、中部与顶部的流线图。

可以看出, 叶片根部和顶部由粘性产生的漩涡较为明显，所以风机效率会相对较低，但叶片中部基本没有漩涡，也就是说，在主流区，流道实际通流面积还是能保证的，因此，流量达到了设计要求，但由于根部与顶部漩涡的存在，使得反转时流动效率偏低，这也是我们预料之中的。

图2 风机正向运行时叶片根部、中部、顶部的流线图
(a) 根部（b）中部
图3 风机反向运行时叶片根部、中部、顶部的流线图
总体上，设计的可逆式轴流风机达到了委托方的要求，尤其是正向运行的各项指标都是令人满意的。

但从流场图可以看出，在反向运转时，粘性消耗比较明显，所以再进一步提高反转效率的空间还比较大。

采用更先进的设计方法，如利用正反组合叶片，在不降低正向运行效率的前提下，肯定会大大提高反向运行时的效率。

目前, 该风机已经通过委托方的性能试验,各项性能指标达到了要求,说明本设计研究达到了预期目的。

5 结论
通过对风机粘性流场进行精确的数值模拟，再仔细分析流场结构，并在此基础上结合工程实际需求，对叶片造型进行调整，设计出了性能良好的可逆式轴流风机。

参考文献
[1] 钟方源，杨波，欧阳华.轴流风机叶片设计新方案的探讨.流体机械，2000,28(12):13～17.
[2] 席德科，张仲寅，陆森林等.可逆风机叶片的翼型研究.机械科学与技术，1999,18(4):628～630.
[3] 杨爱明，乔志德.悬停旋翼粘性绕流N-S方程数值模拟.西北工业大学学报，2000，18（4）:579～582.。