弯掠动叶气动—声学优化设计及实验研究

第３１卷第２期　上海交通大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡ　ＧＨＡＩ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　

锣　弯掠动叶气动一声学优化设计及实验研究　蔡娜　李地　钟芳源　（动　系）　了　

摘要给出适于工程计算的弯掠动叶气动一声学优化设计方法，总结归纳了亚音速弯掠动叶　的弯掠角方向　弯一掠角度值、叶片重心型践联线以及加功量沿径向分布等主要结构和气动参　数的合理选择．根据优化设计方法，加Ｉ了３个叶轮（周向前弯动叶叶轮、轴向前掠动叶叶轮及　径向动叶叶轮）　实验结果表明：弯或掠动叶叶轮气动一声学性能均优于径向动叶叶轮，并且周　向前弯动叶的稳定工作范围扩大２Ｏ　以上，同时验证了优化设计中所讨论的结构和气动参数　的选择　美键词！苎　！；轴流风机；兰　：兰兰。堡　；　些堡　中图法分类号ｏ　３１７．２　凡靓　

弯掠动叶是一种新型的动叶片，它不仅具有气动一声学性能方面的优点，而且还能扩大稳定工作范　围　～　．　本文采用计算轴流式弯掠动叶主流的“双激盘”理论模型＿ｌ　和计及三元、旋转和弯掠等影响的损失　修正模型进行气动热力计算．气动声学模型采用Ｔｕｋａｎｏ等　和改进的Ｌｏｗｓｏｒ　理论模型分别进行弯　掠动叶和径向动叶风机的宽频噪声和动静叶干涉噪声的估计．在此基础上，详细讨论丁弯掠动叶的弯、　掠方向，弯、掠角度值，叶片重心型线联线的类型，以及加功量沿径向分布的规律等主要结构参数和气动　参数的台理选择，　期获得气动一声学性能的最佳设计方案．同时利用３种试验风机进行实验验证，一种　是周向前弯动叶，一种是轴向前掠动叶，作为对比实验的动叶轮为径向动叶（弯掠角为０。）．　

１　气动一声学性能优化设计　１．１计算模型　弯掠动叶片与径向动叶片不同，叶片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　的作用，这个径向分力不仅影响气动性能，而且也影响声学性能．其原因是由于这个不容忽略的径向分　力必将与周向和轴向分力一起，共同影响弯掠叶片的加功量（由流线位置、流速、气流转折角等决定），从　而也必将影响其流动损失值，同时径向力也会使沿动叶片表面的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，通过它直接决定着叶片气　动效率和气动噪声的大小　Ｊ．　双激盘理论就是在第一激盘中，不仅是周向、轴向和径向力全部参与作功，同时还集中了弯掠叶片　的全部气流损失；而在第二激盘上则仅在加功量不变和无气流损失的条件下释放其径向力　．“双激盘”　模型的计算基本方程　为　（２￣ｏ　ｃｏｔ　一　ｆｌ　ａ　ｃ　ｏ　ｔ／？Ｗ　一　卢一（Ｆ，＋雾，等　

考虑到缺少弯掠动叶平板叶型的试验综合数据，本文采用改进的Ｈｏｗｅｌｌ损失模型。。　．　利用Ｔｕｋａｎｏ等　的模型来估计宽频噪声．轴流压气机（风机）中动叶与静叶（或动叶与支杆）有离　散噪声（干涉噪声）．其机理是叶片尾迹对静叶（或支杆）的冲击，即动叶尾迹扫过静叶，在静叶上产生一　个非定常脉动力，从而形成噪声源．本文采用改进的ＬｏｗｓｏｎＥ６］模型（即多点辐射）来计算动叶尾迹与静　叶（或支杆）的干涉噪声．　弯掠动叶由于叶片在周向或轴向弯一掠．沿叶高多个半径上的脉动作用力相位不相同，台成后的声　

收稿日期：１　９９６　０３　０７　第一作者：女，】９６６年生，剐教授　上薄，２０００３０．　

维普资讯 http://www.cqvip.com ８２　上海交通大学学报　１　９９７年第２期　压值必将小于相位相同的径向动叶，这是弯掠动叶片干涉噪声降低的主要原因．本实验的测量结果证　明，上述两个理论模型计算值与实测值比较一致　】＿２优化设计结果　采用上面给出的气动一声学模型和计算方法，在给定的外径、轮毂比、叶片数和弦长（即稠度）值、平　板圆弧叶型以及设计点参数条件下，分别对不同的弯掠方向和角度值、不同的叶型重心联线的型线以及　不同的加功量沿叶高的分布规律进行计算，通过对获得的不同风机的气动效率７值和气动总声压级　ＳＰＩ　值的方案进行比较分析，即可选定上述主要参数的最佳（台理）推荐值，并得到效率和噪声指标可　望改进的量值．　１＿２．１弯掠方向以厦角度值图ｌ为具有周向弯曲（掠角　一０。）动叶片的轴流风机气动效率和气动　噪声值，随弯曲角　，　变化的计算曲线．从图中可以看出：与径向动叶片风机相比，周向前弯（　＝０。，　＞Ｏ。）动叶风机的气动效率提高，气动噪声降低；但是，当前弯角口，　＞ｌＯ。～１２。以后，效率和噪声的改　进量不再明显了，对低速轴流风机来说，采用周向后弯叶片是得不偿失的，因为它的噪声值降低的并不　多（只有ｌ～２　ｄＢ），但其效率也随之大幅度减小（达１　～２　）　图２是具有轴向掠（弯角　一０。）动叶的　轴流风机气动效率和噪声值也随掠角　，　变化的计算曲线．比较图１和图２可　发现，掠角　与弯角　对轴流风机气动效率和噪声级影响的基本趋势是一致的，但是掠动叶的效率提高值和噪声级降低值却　明显小于弯动叶．特别是在前弯（掠）角　（　，　）小于８。～ｌ０。的范围内．此外，掠角　的最佳（台理）值也　明显大于弯角　的最佳（合理）值．　

一［Ｉ，－　．　

曲　后弯——斗一前弯＋弯角　钆／（‘）　图ｌ　周向弯动叶风机气动娥率和噪声随夸角的变化规律　圉２　轴向掠动叶风机气动娥率和噪声随掠角的变化规律　过大的弯掠角将给动叶片的结构设计、强度计算以及制造工艺带来　诸多不便和困难，为此，弯掠角应该选取小于最佳值而又处于变化率最为　显著的区段．按此原则，具有叶型重心联线为圆弧的前弯、前掠动叶片的　推荐角度范围可分别选择为８。～１０。和２０。～２　５。．相应地，与径向动叶片　风机相比，其效率增高值和噪声降低值分别为３．２　和４．５　ｄＢ，１．３　～　３．２　和３～３，５　ｄＢ，　１．２．２叶型重∞联践的选择　以周向前弯动叶为例，重点讨论以二次曲　

∞　＼，一ｄｓｌ（　ｖ　目　、一ｄｓ－（　维普资讯 http://www.cqvip.com 蔡娜等：弯掠动叶气动声学优化设计及宴验研究　８３　附表４种ｔ心型线的周向前弯动叶的　轴流风机气动一声学性能　函　孬　面　

从图４和附表可看出，在相同的　前弯角　下，叶片下半部的倾角　值　愈小，叶片上半部的　愈大的叶型重　心联线（依次为直线一圆弧组合型、圆　弧型、等倾角型和直线型），能获得的　圈４　种重心型钱的动时出　附面层厚度和（面　静　级效率　褂叶高的分布规棒　

气动效率和气动噪声的收益量值也就愈大．显然，分界点在相对叶高０．４～０．４５处的直线圆弧组合型重　心联线是最值得予　推荐的．与圆弧重心联线的方案相比较，该方案还可望提高风机效率１．７８　，降低风　机噪声０．８５　ｄＢ．　１．２．３加功量沿叶高分布规律以厦弯掠角对加功量分布的影响优化设计中给定的径向动叶加功量　沿叶高分布的测量值（图５中第１方案）可用半径的四次幂函数来表示．　方案ｌ为基础，按不同半径上　的最大压升△声…值为代表（沿叶高平均加功量不变条件下），设置方案Ｉ、Ⅱ、Ⅲ、１ｖ、Ｖ、ｖＩ和０等７种　加功量沿叶高的分布方案，并且讨论径向动叶（　一０。）、周向弯角０－８。和２０。三种情况下进行轴流风　机的效率和噪声值的估计，其结果显示在图５的右半部分．由图可见，每给定一个前弯角　，就必有一　个相应于最高效率点和另一个相应于最低噪声的加功量沿叶高分布，前弯角钆越大，最大加功量的径　向位置就越适宜往轮毂方向移动．图中０方案表示沿叶高加功量均匀分布（图上用黑圆点表示）．显然，　即使对于径向动叶来说，径向等功分布也是不可取的．　

ＳＰＬ／ｄＢ　

圈５　挥动叶加功量甜叶两鲫分币规律　综上所述，可以选取的方案为：分界点为０．４５相对叶高的直线一圆弧组合型重心联线型线，周向前　弯角度值为９．７。，加功量（压升）沿叶高分布方案Ⅱ（最大压升在０．６１　５相对叶高处）．按此方案设计并估　算的轴流风机的效率为８６．８５　，噪声值为８４．５７　ｄＢ，与相同设计点的径向动叶片风机相比，效率提高　４．６３　，噪声降低５．５７　ｄＢ．　

２　实验模型和实验测试系统　本文的实验研究是在上海交通大学热力涡轮机械研究所的气动消声室里进行的，实验装置如图６所　示．风机排气实验台的进口设置在消声室内，风机转速在实验范围内无级调速．采用消声末端和消声截流　锥，是为了防止外界噪声从管道末端进人消声室，引起声学性能测量的误差．气动性能测量系统是由测量　

维普资讯 http://www.cqvip.com 上海交通大学学报　１９９７年第２期　图６实验装置图　１一风筒．２一动叶轮，３静叶轮，４整流格橱，５一消声末端．　６蒲声节流锥，＾消声室内大气压和温度，Ｂ动叶前五孔探针，　ｃ动叶后五孔探针和热线风速仪，Ｄ静压和温度，Ｅ锰度、总压和　静压，Ｆ声级计和声强倥　

３　实验结果和优化设计结果　

消声室内的压力、温度及管道总压升、静压、温度来完　成的，然后通过换算得到风机的总压升、流量和效率．　稳态流场测量是由布置在动叶前后的微型五　Ｌ探针　和热线风速仪来完成的．气动声学测量系统主要由放　置在消声室的声级计和声强仪组成的．　实验模型是自行设计和加工的有３个弯掠动叶　轮和径向动叶轮的风机．周向前弯动叶风机的外径　为６００　ｍｍ，轮毂比０．４，动叶为６片，静叶为７片，　弯掠角８．３。．轴向前掠动叶风机的外径是５００　ｍｌｉ１，　轮毂比０．４．动叶为８片，静叶为３片，弯掠角２０。．径　向动叶风机的外径为６００　ｆｉｌｍ，轮毂比０．４，动叶为６　片，静叶为７片，弯掠角０。．　

根据气动一声学计算模型，对以上３种弯掠动叶径向动叶风机进行气动一声学性能的实验研究．其中轴　向掠动叶轮的气动一声学性能曲线是利用气动曲线（图略），转化成外径为６００　ｍｍ的风机．它的相似性气　动一声学性能曲线如图７～图９所示．图７是弯掠动叶和径向动叶风机的流量系数和压升系数的无因次性　能曲线，图示出周向前弯动叶风机的压升系数明显高于径向动叶（１　３．１　），轴向前掠动叶风机的压升系数　同样也高予径向动叶（５．１％）．弯掠动叶风机在小流量处，特性比较平坦．在保持相同转速下，弯掠动叶的　最高效率点至稳态非失速点的流量裕度（或稳定工作状态裕度）比径向动叶扩大２１　以上，这说明弯掠动　叶的稳定工作范围大幅度扩大，稳定运行工况性能明显好于径向动叶风机．图８和图９是弯掠动叶和径向　动叶风机的气动噪声性能曲线和气动效率曲线．可以看出，随着流量的不同，弯掠动叶风机的噪声值始终　低于径向动叶风机，在同样转速条件下弯掠动叶风机的气动效率明显高于径向动叶风机．　

流量幕救　图７弯掠动叶和径向动叶试验风机无因敬性能曲线　

∞　《　邕　扭　

图８弯掠动叶和径向动叶试验风机在转速　１　４４１　ｒｉｍｉｎ下声学性能曲线