轴流风机薄板叶型设计方法的比较

改进轴流风机设计的核心是改进叶轮的叶片 型线设计。为了提高叶轮效率,机翼型叶片是经 常采用的,如NACA-65系列、C4系列等。但是 机翼型叶片制造工艺较为复杂,不易准确控制形 状,并且制造成本也较高。薄板叶型具有与机翼 叶型类似的气动性能,但是加工简单,经济性较 好。考虑到风机负载较小,叶片断面厚度基本不 受强度所限制,从而钢制薄板叶型得到广泛应用。 薄板叶型可以设计成多种曲线形式,如单圆弧、双 圆弧、抛物线等。本文应用计算流体力学的方法, 对上述三种薄板叶型的气动性能进行比较,为薄 板叶型的实际应用提供一些有益的理论借鉴。

1　薄板叶型的设计方法

决定叶型设计的主要参数是:进口气流角 β1、出口气流角β2、叶片安装角λ以及叶栅弦节 比S/B。叶栅设计如图1所示。

1·3　三次抛物线叶型

如图1所示,给定叶片的设计条件,叶片前、 后缘位置确定,在理想流动的条件下,前、后缘的 型线斜率由进出气角唯一确定,因此描述型面曲 线的多项式有4个定解条件,唯一确定一个三次 多项式。

2　叶栅内流动的计算方法

假定叶栅内为无粘、相对定常的不可压缩流动,平面二维流动方程为:

采用四节点有限元方法离散方程式,引入叶栅流动的边界条件后,得出叶栅内部的流场分布,详细计算方法见文献[1]。

3　设计实例

以某型轴流风机设计工况下,叶轮平均直径 的速度三角形作为叶型设计的初始条件,进气角 β1=30°,出气角β2=0°,叶片安装角λ=15°,叶栅 弦节比S/B=1·0。

4　流场的计算分析

4·1　叶面速度分布的比较

图2表示三种曲线叶型在设计工况和+10°、 -10°冲角工况下的叶片表面沿流向的速度分布。 从图中的对比可以看出,单圆弧与抛物线叶型的 速度分布是基本一致的,几乎没有差别,但是双圆 弧叶型的速度分布明显不同。在设计工况下,单 圆弧叶型从进口至叶片中部负荷均匀,速度变化 平缓;而双圆弧在进口负荷较大,其后负荷迅速降 低,尽管叶片出口速度变化平缓,但是吸力面流动 扩压过早,使流动分离提前,流动损失增加。在负 冲角下,有着类似的流动趋势。随着进口冲角的 增加,三种叶型的流动分布趋于一致。

比较三种叶型的几何型线,双圆弧叶型的前 半部曲率大于后半部,并且在最大弯度处不连续, 从而造成进口气流迅速加速流动,在曲率变化处, 流动突然扩压;单圆弧叶型曲率均匀,抛物线叶型 曲率连续,因此叶栅内的气流是连续地加速和减 速扩压流动。在负冲角时,叶片背弧曲率的连续 性更加重要,如果使用双圆弧叶型,在设计时,应 留有一定的正冲角余量。