許多場合要求軸流風機能完全反轉(zhuǎn)反風[1-3] ，如地鐵、隧道、礦井和地下工程等。可逆風機承擔著地下空間與外部自然空間的氣體交換工作，特別在事故工況下，例如列車阻塞和突發(fā)火災(zāi)時，需要風機進行應(yīng)急反向送風，而且要求風量、風壓與正向工作時相當，因此，地下工程通風系統(tǒng)配置的基本都是可逆轉(zhuǎn)式軸流風機。隨著各大城市地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，可逆風機的需求越來越廣泛，研發(fā)一種正反向通風效率都較高的可逆風機成為很多學者致力實現(xiàn)的目標。李俊超[4-7]等在國內(nèi)率先提出了一種采用普通翼型反向搭接構(gòu)成可逆風機新翼型和一種S形反向?qū)ΨQ翼型，并采用優(yōu)化方法開發(fā)出了可逆風機。隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國的地鐵和公共隧道里程大大增加，對各種可逆軸流風機的需求量也相應(yīng)增大。原有的可逆地鐵風機設(shè)計技術(shù)不能完全滿足要求，相應(yīng)的改進也不斷出現(xiàn)。
S翼型在可逆風機的設(shè)計中由于葉型的后半段無論是正向還是反向流動都不符合流動規(guī)律，因此其效率難以得到大幅度的提高，而組合葉柵相對于S翼型在升力系數(shù)和失速攻角范圍都有了很大程度的改善。當前后排葉片的軸向重合度為30%~50%時，組合葉柵的氣動性能明顯得到改善，這是因為前列葉片背弧面的分離點明顯后置。由于前列葉柵的環(huán)量誘導(dǎo)作用，氣流產(chǎn)生轉(zhuǎn)折，減小了進入后列葉片的攻角，使得后列葉片能夠與前列葉片一起，各自在最大升力系數(shù)附近的攻角下工作，因而，以這種方式將前后葉柵進行組合，能夠使前后列葉片各自在最適宜的工作條件下工作，從而使得組合葉柵整體性能的優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)。但是，目前組合葉柵依然存在葉型簡單、負荷低、運行效率低等問題，然而毋庸置疑，在可逆風機的葉型設(shè)計中它應(yīng)該是一種應(yīng)用潛力非常大的葉型。關(guān)于組合葉柵的優(yōu)化設(shè)計值得進一步花大力氣進行研究，本著這樣的目標，本文開展基于組合葉片的可逆軸流風機的設(shè)計和優(yōu)化，以期設(shè)計出一種具有更好可逆性能的完全可逆風機。
1 單轉(zhuǎn)子設(shè)計與性能模擬
1.1 單轉(zhuǎn)子氣動設(shè)計方法介紹
1.1.1 設(shè)計方法
為了抑制葉根區(qū)強烈的旋渦流動和減少分離損失，使風機效率、風量和風壓達到設(shè)計要求，采用可控渦扭向規(guī)律的設(shè)計方法，把加功量集中在葉中區(qū)域，而葉中區(qū)域可以視為無粘區(qū)，其二次流損失非常小。按照這樣的思路，可以根據(jù)以下步驟來設(shè)計扭向規(guī)律：
1） 首先根據(jù)設(shè)計流量值，由等環(huán)量規(guī)律計算出風輪扭速ΔCu沿葉高的分布。
根據(jù)中、尖部加功量加大，根部加功量小，等環(huán)量值進行適當?shù)匦拚?。原則是，葉尖部分增加的少一點，因為這里有較大的圓周速度，稍微增加一點，產(chǎn)生的效果就相當明顯；葉根部分可適當多減少一些，因為這里的圓周速度較低；葉中部分增加到合適的程度。
2） 由ΔCu（r）的確定方程、基元級壓升方程以及簡化徑向平衡方程三方程聯(lián)立，求出相應(yīng)的軸向速度沿徑向的分布Ca（r），來保證流線的穩(wěn)定性。另外，用流量Q確定這種扭向規(guī)律下Ca（r）方程中的積分常數(shù)。最后用加功量和流量Q來檢驗是否達到總的壓升和流量的設(shè)計指標。
對于這些參數(shù)進行無量綱化：

式中：腳標t表示葉片尖部的參數(shù)；u為圓周速度；p為壓力升。得無量綱方程組如下：

 
解上述方程組，其中積分方程的解中有常數(shù)項，通過流量連續(xù)Q確定這種扭向規(guī)律下Ca（r）方程中的積分常數(shù)。

1.1.2 計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)
計算機輔助設(shè)計(CAD-Computer Aided Design)的應(yīng)用，可以大大提高產(chǎn)品的設(shè)計工作效率和質(zhì)量。因此，為了加快風機的設(shè)計進程和設(shè)計水平，本設(shè)計應(yīng)用了風機CAD系統(tǒng)，包括氣動設(shè)計、幾何造型和CFD特性網(wǎng)圖計算。整套的CAD系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 CAD設(shè)計流程圖

1.3 單轉(zhuǎn)子氣動校核
數(shù)值模擬程序采用商用軟件ANSYS/CFX求解三維流場，求解器是CFX-Solver Manager，可以完成二維/三維的歐拉方程/N-S方程粘性求解?；趯Φ退賶嚎s機內(nèi)部流動的充分認識，數(shù)值模擬中采用了軸對稱假設(shè)，對通風機轉(zhuǎn)子進行單通道三維粘性定常計算。求解方程為雷諾平均的三維粘性N-S方程，差分格式采用了二階精度的迎風格式，湍流模型選用k-epsilon模型，前后級之間的連接面上采用周向平均的數(shù)據(jù)傳遞方式。
1） 計算網(wǎng)格與邊界條件
計算網(wǎng)格由NUMECA軟件中的AutoGrid5模塊生成，圖4和圖5為計算網(wǎng)格的子午面流道及葉輪轉(zhuǎn)子壁面網(wǎng)格，葉輪帶有1mm的葉尖間隙，網(wǎng)格數(shù)共約22萬，網(wǎng)格正交性>15°，延展比<3，長寬比<3 000，均滿足計算要求。
邊界條件：進口給定標準大氣壓；出口給定平均靜壓；計算域左右兩邊界面給定周期性邊界條件；葉輪機匣為絕對坐標系下靜止的固體壁面；葉片和葉片輪轂為相對坐標系下靜止的固體壁面。

圖１１　轉(zhuǎn)子模型示意圖

圖12 子午道流面圖

從不同布局形式的效率曲線來看，效率最高點為軸向重合度10%，周向弧度系數(shù)為75%布局形式，最高點效率系數(shù)為1.008，效率為85.56%，正反向效率完全相同。通過分析可以看出，周向弧度系數(shù)的改變對于固定周向重合度的轉(zhuǎn)子葉片性能影響不大，與壓氣機和風扇設(shè)計的串列葉片不同，串列葉片的優(yōu)勢體現(xiàn)在后排葉片能減少前排葉片吸力面的分離，從而改善整體性能。而分離發(fā)生嚴重的工況大多是非設(shè)計工況，對于風機的設(shè)計情況則不同，風機幾乎所有的工作時間都是設(shè)計工況，前排葉片的吸力面并沒有發(fā)生明顯的分離現(xiàn)象。所以對于組合葉片來說，后排葉片的插入并沒有明顯的改善轉(zhuǎn)子的整體性能，隨著軸向重合度的不斷增加，組合葉輪轉(zhuǎn)子葉根前后排葉片有大范圍的重疊，造成流動堵塞，使得正反向轉(zhuǎn)子性能同時下降，周向重合度對于組合葉片的正反向性能具有較大影響。
2.3 最佳布局方案轉(zhuǎn)子性能
圖16～圖18分別給出了最高效率點組合葉輪轉(zhuǎn)子的效率、功率和壓升特性曲線，組合葉輪轉(zhuǎn)子正反向工作效率均達85%以上，全壓升800Pa，流量9m3/h，均在可逆風機設(shè)計指標范圍內(nèi)，且具有較高的效率。這對于常年日工作時間在12小時以上的可逆風機來說，節(jié)能效益非常明顯。 

圖16 最佳布局組合葉片的壓升特性圖

圖17 最佳布局組合葉片的效率特性圖

圖18 最佳布局組合葉片的功率特性圖

本文轉(zhuǎn)載自中國風機技術(shù)網(wǎng)，僅供大家參考。