双向轴流通风机设计方法的研究

双向轴流通风机设计方法的研究
田琳;苏莫明
【摘要】阐述了用流线曲率法设计双向轴流风机,解决在发生火灾等紧急情况下,使风机具有反向通风能力.对这种可逆风机的要求是风机在正向和逆向送风时,都能具有良好的气动性能.
【期刊名称】《风机技术》
【年(卷),期】2010(000)005
【总页数】4页(P32-34,39)
【关键词】轴流式通风机;流线曲率法;反问题
【作者】田琳;苏莫明
【作者单位】西北工业大学;西北工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】TH432.1
0 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。

文献[1]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。

具体说，工程上要求这种可逆翼型无论翼型前缘向前或后缘向前，其升阻特性不要有太大的差别。

可逆风机的气动设计由流线曲率法来完成。

该方法的特点是用两类相对流面将三维
问题化为一系列二维问题，并进一步利用流线的曲率和斜率作为迭代手段，把二元问题化简为一系列相互关联的一元问题来迭代求解。

本问题主要是通过流线曲率法得出若干个翼型基元级的进气角和出气角，并选定攻角、翼型、弦长和栅距，叠加出叶片。

双向轴流通风机通常用于通风和消防排烟双重要求的场合。

通过风机的实际的气体流动是三元非定常的粘性流动，其流动十分复杂，而描述这种流动的气动方程组又无法直接求解。

因此，目前应用于工程上的三元流动计算不得不采用一些简化条件:主要是将空间粘性气体分为无粘主流区和有粘性附面层区。

对于无粘主流区，可采用两类相对流面的三元流动理论。

1 基本理论
1.1 基元级叶栅造型
文献[2]提出：对可逆翼型的主要要求是，在正向和逆向送风时，翼型都能提供较
好的气动性能。

一般采用S型翼型，S型叶片的构造一般借鉴现有成熟叶片的前半段弧，现以NACA4系列叶型（图1）为例加以说明。

把该翼型后半部分擦掉，将前半部分绕O点（水平方向中线与垂直方向中线的交点）旋转180°，可得到如图2所示的基本S型翼型。

1.2 叶片扭曲规律
文献[3]中提到目前存在的较典型的扭曲规律包括：等环量扭曲规律、等反动度扭
曲规律、固体旋绕扭曲规律和指数扭曲规律。

文献[4]中指出，应用变环量流型设计方法，使叶片的做功分布更加符合运动规律，从而实现更高的功能转换效益。

笔者采用的是指数扭曲规律。

指数扭曲规律一般是通过控制变换量指数α而实现的，即满足下列方程
式中Cu为叶轮进出口处气体速度周向分量；r沿叶轮径向坐标；A为环量，是常数。

2 流线曲率法
2.1 流线曲率法概述
20世纪50年代初，吴仲华提出了三元流动的通用理论。

这种三元解法，就是把
一个三元气流的求解问题，简化为两个相对流面的二元气流的求解。

从一个叶片到相邻叶片之间的周向扭曲流面为S1流面，从内廓到外廓的径向扭曲流面为S2流面，每一个周向和径向流面上的气流都是二元的。

文献[5]中提到速度法是用二维解的组合来得到准三维解。

作为准三维解的第一步，是求得平均流面上的二维解，再求得一组跨叶片回转面上的解。

然后，再从这一组回转面的解，得出一组子午面上的解。

如此多次反复，直到得到全部在允许范围内的准三维解。

无论是子午面分析还是跨叶片分析，都是沿着流面上任意固定不变的曲线建立求解用的方程，并沿此曲线求解，此曲线称为准正交线。

通常以q表示准正交线，故
又常把准正交线简称为q曲线。

文献[6]里提到流线曲率法可以在两种求解域内应用，一种是只在叶片排前后轴向
间隙中设置计算站，求解主方程；另外，也可以在轴向间隙和叶片通道内都设置计算站，常采用的是第一种方法。

根据文献[7]中所述，流线曲率法的求解，一般分为正命题和反命题两类。

正命题
就是根据已有的叶轮和轮盘形状，求解出叶轮内部流场。

因此，正问题也可以称为性能分析问题。

反问题反之，根据规定的速度分布，设计出叶片形状。

因此，反问题也可以称为设计问题。

本文是设计问题，故为反问题。

2.2 子午流面的计算
文献[5]提到在子午流面的计算中，是以叶片中心面为跨盘盖方向平均相对流面。

这样的假定只有当气流流过具有无限多无限薄叶片叶轮时才是正确的。

因此，假定叶道内跨盘盖方向平均相对流面与叶片中心面相重合。

下面讨论在假定的平均相对流面下准正交坐标系中，子午面的流动分析和求解过程。

作子午线的分析必须先在S2流面上取定准正交线。

准正交线可以这样选取，使其在子午面上的投影为盘盖间的一条直线，将此投影直线记为，这里以wm表示子午分速，wu表示击向速度，α表示子午流线倾角，β表示流动角（即w同子午分速wm之间的夹角）。

为了计算方便，以沿方向的导数来表达沿q方向的导数。

由方程（2）作相关推导便得到沿方向的速度梯度方程，即方程（3）。

其中
对子午面流线分析，流片的厚度为
其中Δφ为流片的法向角厚度，它同叶片厚度有关，并由回转面计算获得。

2.3 反问题求解
在求解正问题中，是已知出气角β。

在反问题中，有一个设计的自由度，这里选择了指数扭曲规律，取指数α为0.5，则有下面式（8）～（13）。

将上式代入正问题公式中，经过变形即可
得到反问题总公式如下：
3 算例分析
已知参数：质量流量G=60kg/s，转速n=960r/min，总压pt=1000Pa。

该解法中选取了指数扭曲规律curα=A，其中A为常数，α在-1～1之间取值，取α=0.5，则扭曲规律为cur0.5=A，A值在α=0.5时取11.008。

通过平面叶栅设计得到风机均径处的速度分布见表1。

表1 风机均径速度分布（m/s）注：Z为叶片数。

C1C1uw1C2C2uW2Z
29.67.8778.337.710.960.38
把以上各级均径处的速度分布当作准三维设计参考流线上的速度分布，并应用其相应的压强和温度。

有了这些初始数据就可以应用流线曲率法求解S2流面反问题微分方程。

微分方程数值解法详见文献[8]，然后运用FORTRAN语言编程计算[9]。

并在选定攻角（选为18°）的情况下即可得出图3和图4所示的各基元级，在此只给出部分基元级。

图3、图4是clark y翼型和goe459翼型做出的基元级。

从上到下依次是第11条流线、第5条流线和第1条流线上的基元级。

由图可以看出风机叶片的大致扭向。

这里可以看出选择的攻角比较大，这是因为双向轴流风机的叶型为对称的，在小攻角情况下，叶型的进气角和出气角大致相同，这样气流没有折转角几近为零，因此不做功，只有在大攻角的情况下，气流才会有折转角，此时叶片才能对气体做功。

4 结论
本文用流线曲率法设计双向轴流风机，通过选取中心对称翼型，保证叶片进出口安装角大小相等，就可以由进口安装角直接获得基元级叶栅，进而叠加成整个叶片。

尽管流线曲率法为无粘设计，但实践表明，在实际应用中流线曲率法依然有效。

参考文献
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技术，2009（5）：7-10.
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