周向弯曲叶片内部三维流动扩稳机理的实验研究

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Experimental investigation of extending stall-free mechanism ofthree-dimensional flow in circumferential skewed axial fansJIN Guang-yuan ，OU YANG Hua ，DU Zhao-hui2(1.School of Mechanical Engineering，Jiang nan University，Wuxi Jiangsu 214122，China；2. School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240， China)Abstract：In this paper，the three-dimensional flow field at downstream of lower pressure axial fans with circumferential forward-skewed，backward-skewed blades are successfu11v measuredusing a hot-wire CTA system at off design conditions. An X hot～wire probe is used to obtainthree dimensionaI velocity. Based on measurement results，the evolution of three-dimensiona1flow in these fans according to flow rate，and the effect of circumferential skewed blades 0n trans-porting of boundary layer at off-design conditions are discussed. The measurement resuIts showthat as flow rate decreases， three-dimensional flow structure is changed by circumferentia1skewed blades；the obvious suppression of passage flow is found near shroud and hub region，which is benefitial to improve stable operation range of circumferential skewed rotors：as centrifu-gal force increases，blade radial force Fr of circumferential forward-skewed blade has a Dositiveeffect on pressure gratitude，and seems to be efficient to control the veloci ty and direction ofboundary layer movement。

Key words：hot wire；axial fan；skewed blade；off-design：outlet flow引 口叶轮 内部流动在小流量工况时变得十分复杂，对轴流风扇/压气机的气动稳定性和声学性能有着重要的影响，是重要的旋转不稳定性 和噪声来 源 ↑年来 ，弯掠技术在叶轮机械领域 的研究和应用 ，显示采用叶片弯掠技术可有效地实现减小流动损失、提高气动效率、降低气动噪声以及扩大稳定工作范围的目的。弯掠叶片对转子内流动的影响可总结为：展向流改变了叶片表面上的边界层厚度、叶栅内的通流被改变 、相邻 叶片间的相对流动分布被改变0 。对于具有弯掠特征的叶轮，运行工况变化后 ，流道 内流动变得十分复杂 ，其流动特性 与失速 、旋转不稳定性和气动噪声有着密切的联 系。研究其在设计工况和非设计工况下气动与声学的特点、结构和气动参数间的关系，可探索弯掠叶片使风扇/压气机扩大稳定工作范围的机理，寻求扩大稳定工作范围的新措施。

所研究的弯掠叶片，前期采用 PIV粒子图像测速技术和壁面动态压力测量技术捕 获了叶尖 区域 的不稳定流动特性随流量降低的变化规律 ，更关注收稿日期：2012-01-12；修订日期：2012-08-08基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(JUSRPl11A17)24 实 验 流 体 力 学 (2O13)第 27卷于偏离设计工况时，整个叶片通道内的三维流动特征变化，及其流动诱发的流动不稳定性～热线风速仪(X型热丝)和 NI采集系统联合而成的速度测量系统应用于周向弯曲叶轮若干工况下(流量分别为 -0.235、 -0.18和 -0.168)的出 口三维流场实验测量，基于测量结果，分析不同周向弯曲叶轮出口三维平均流动特征 ，讨论非设计工况下周向弯曲叶轮对出口三维流动的影响，结合径向平衡方程讨论了周向弯曲叶片对小流量工况下边界层迁移 的控制 ，分析扩稳机理 。

1 实验装置1.1 周向弯曲叶片模型弯掠叶片是弯叶片、掠叶片以及弯和掠组合叶片的统称 。如图 1所示 ，研究的弯曲叶片是通过将平板圆弧叶片的重心积迭线周向弯曲获得，顺旋转方向周向弯曲为周向前弯叶片，逆旋转方向周向旋转为周向后弯叶片。该 弯掠 叶片以低 压轴 流通风机 T35-11No.5为原型进行设计。T35原型叶片具有上反角度)，-2.42。，周向前弯角度 -1.27。。保持 T35原型叶片几何参数不变(叶片数、弦长和安装角等)，取消原型叶片前弯角，将叶片分别顺、逆叶轮旋转方向弯曲 8.3。，采用直线圆弧型积迭线 ，交点在相对叶高0.4处，几何模型如图 2所示。叶轮的主要设计参数有 ，额定转速为 1440r/min，轮毂比为 0.35，叶轮外径为 500mm，安装角为 25。(61.5 叶高)，叶顶间隙高度 2mm。周向弯曲叶轮的气动性能如图 3所示。随着流量减小原型叶轮的不稳定流动最早发生 ，后弯叶轮其次，前弯叶轮最迟，原型叶轮、前弯叶轮和后弯叶轮的稳定工作范围 △分别为 34 、42 、36 。其中是总压系数 ， 是流量系数，△是稳定工作范围，分别按公式(1)、(2)、(3)计算 。

图 1 叶片弯曲的定义示意图Fig.1 Circumferential skewed definition(a)原型叶片 (b)周 向后弯 8.3。叶片 (c)周向前 弯 8.3。叶片图 2 叶片模型Fig.2 M odels of blades图 3 3种叶轮气动性能曲线Fig.3 Aerodynamic and acoustic performance of axial fans： (1)7c trt - rt (2)△ - (3)mi1.2 流场测量系统实验在根据 GB1236-2000标准搭建的通风机实验台上完成 。三维流 场测量 系统 由丹麦 DANTEC公司 的 恒 温 式 热 线 风 速 仪 (Streamline CTA)、NI6143采集板、Labview采集平台、PC机及热丝探针组成的高速数据采集系统，并可加入声学信号采集实现多场同步测量。采用 X型 55P62热丝探针测量三维速度，在使用前对热线探头进行速度和方向性校准。首先获得两热丝所在平面(z， )内的二维速度(u，V)，然后将热丝绕探针轴旋转 90。，获得该平面( ，z)内的二维速度(厂 ，W)。忽略旋转探针过程 中的误差 ，即 UU ，故 X热丝探针测量 的探针坐标系内三维速度为(U，V，W)。最后将探针坐标系下的(U，V，w)转换 到实验坐标系下，获得三维瞬时绝对速度(C ，C ，C )，如图 4所示 ，由于 X型 55P62探针特点是热丝平面垂直于探针轴，实际测量中探针分别按两种方式固定获得三维速度常定义C 的正方向为来流方向，c 的正方向为由轮毂指向端壁，C 的正方向为叶片旋转方向。实验采用同步触发多点采样技术，采用-套反射式光电跟踪触发系统，在叶片上粘贴-虚反射片，在叶轮出口侧安装-个 FS-540光电反射传感器，叶片每旋转-周即产生-个光电信号，经 FG 1200型放大器整形 放大后通 过 Labview第 3期 金光远等 ：周向弯曲叶片内部三维流动扩稳机理的实验研究 25采集系统的 NI采集板上触发通道 PIO触发热线完成-次信号采集。实验结果表明，该系统可较好的实现 DANTEC Streamline热 线系统 的 同步触 发。在本实验中，热线单元仅作为电桥输出单元，因而并未考虑温度修正。本次热线测量方法误差为±1.0 。

I VuV(b)测量坐标 系转换图4 热线探针与待测叶轮位置示意图Fig.4 Positions of the hotwire probe in test rotor system1.3 流场测量方案实验测量平面位于叶轮下游距轮毂尾缘 0.1倍弦长(即 10mm)处，沿径向布置 33个测量点 (由轮毂至端壁)，沿径向移动热线探针。为进行全通道测量，本实验采用同步触发多点采样技术 ，获得叶轮出 口下游的全通道平均速度信息，单通道测量点分布如图 5所示。本实验中叶轮旋转频率(基频)f -24Hz，叶片通过频 率 为 f -120Hz，热线 采样 频 率 为 f -25000Hz，单点每个周期的采样次数为 An-(1/f )/(1/f )-1060。单点总共采样 200个周期(计算平均流臣虑多些)。由于转速误差 ，实际测得的叶片通过频率略低于 120Hz。由于本文研究的重点为稳定工作范围内周向弯曲叶片的出口下流动随流量变化规律，故实验测量工况点选定为设计工况、压力峰值工况 、近失速工况 (流量 为： -0.235、 -0.18和-0.168)，工况流量的调节通过阻力 网筛来控制 。

图 5 单通道内的测量点分布Fig.5 Velocity measurement distribution at fan outlet2 测量结果分析与讨论在稳定工作范围内，叶轮出口流成近似为稳态，对周期性采样信号可进行周向平均处理和锁相平均处理，获得不 同稳定工况下 ，出口的 3个方向速度的全通道平均分布和通道内锁相平均分布。各个速度分量用叶尖速度 u 无量纲化，测量点的径向位置相对叶高R用叶高进行无量纲化。下面结合测量结果讨论周向弯曲叶片在小流量工况下对气动性能的影响 ，通流结构变化和整个 叶片通道内的三维流动特征随流量变化规律并结合径向平衡方程讨论周向弯曲叶片对小流量工况下边界层运动的控制。

2.1 变工况下气动性能特征3种叶轮在不同流量下出口区域轴向、周向、径向周 向平均速度分量沿 叶高分布情况 ，如图 6所示 。

其中速度 C 、c 、c 为叶轮全通道周向平均速度，按公式 (4)计算 ：1C - > C (4)其中，N为采样次数。

对于轴向平均速度，在设计工况下，3种叶轮的轴向平均速度沿叶高逐步增大 ，至叶尖 附近减小 ；随着流量减小，近轮毂区域其量值显著降低，特别是原型叶轮，而周向弯曲叶轮的速度降低幅度较小，表明虽然叶根区域流通能力降低，但周向弯曲叶轮要优于原型叶轮，近叶尖区域 3种叶轮的轴向速度均略有增加。

对于周向平均速度，三种叶轮在设计流量下沿叶高略有降低，在叶尖处降低较多；随着流量减小，在叶根区域周向速度显著降低，特别是原型叶轮，而叶片中部叶高区域(R-0.2～0.98)量值增大，前弯叶轮增大较为显著，但在近叶尖区域增大幅度较校对于径向平均速度，整体上量值较小，在零值附近。在设计工况下其量值沿叶高增大，且 3种叶轮分布差异较明显，相比于原型叶轮，前弯叶轮的量值降低，后弯叶轮的量值增大；随着流量减小，原型叶轮的径向速度在叶展中部增加显著，前弯叶轮和后弯叶轮沿叶高变化较小，仅在近轮毂区域有所降低，周向弯曲叶片显著改变了流道 内径 向速度分布 ，特别是在 近轮毂 区域。上述分析显示，周向弯曲叶片显著改变了出口平均流动，特别是非设计工况下，抑制了近轮毂区域的轴向速度降低，使中部叶高的周向速度增加，进而使做功能力增大 ，改变径向速度分布 。

实 验 流 体 力 学 (2013)第 27卷O00.O O 1 O.2 0.3CJU，0.0 0.1 0 2 0.0O 0 05 010C/U， CJt(a)原型 叶轮(b)前弯 叶轮0.0 0.1 0.2 0.3 0.0 0.1 0.2 0.O0 005ctJ c/u， c/(c)后弯叶轮图 6 叶轮出口下游周向平均速度分布Fig.6 Circumferential averaged velocity distributions at fan outlet2.2 三维流动特征 随流量变化规律周向后弯叶轮出口下游的三维速度随流量变化规律如图 7～8所示 ，速度 C ，C，，C 为锁相平均速度结果 。图中横坐标为相位，包含 5个叶片的 0。～360。

通道区间，纵坐标为测量点的相对叶高R。因采用同步触发多点采样技术测量 ，O。相位即为测量点相对于叶片位置。图 7(a)为 R-0.65处的速度 C 、C 、C，的幅值分布特征，用ps和ss代表叶片的压力面和吸力面，3个速度分量在尾迹区都具有显著的波峰。图7(b)、(c)、(d)和图 8为沿叶高分布的速度云图，由于叶片加工的精度以及上游来流的影响，每个通道内的流动并不完全-致。由不同叶高的速度分布来看，不同叶高出口区域同名速度分量是相似的。随流量降低，从轴向速度分布来看，主流通区域逐步向叶中退缩 ，近叶根的端壁 区形成低 能流动 ，尾迹 区内的轴 向速度显著降低，尾迹变浅变宽；叶尖区内，设计工况( -0.235)下从压力面到吸力面存在明显的速度梯度 ，表 明存在横 向二次流 ，即叶顶泄漏流，该低能流动随着流量降低而减弱；从径向速度分布来看，尾迹区内径向速度显著增加 ，表明因径向流动加剧而使叶片表面边界层减薄，叶尖区域较强的径向速度减缓上端壁附近边界层堆积，但近轮毂的端壁区存在较弱的径向流动；从周向速度分布来看，随流量降低，流道内中低叶高区域的周向速度逐步增加，做功能力增强；同时尾迹区逐步增大，近轮毂端壁区出现低能流动。

3种叶轮压力峰值工况( -0.18)出口速度分布如图 9所示 ，图中包含 120。～220。相位 区间的流动 ，包含-个完整单流道 。对于轴向速度，主流通 区域主要集中于中部叶高区域，上、下端壁由于边界层及叶顶泄漏流动形成的堵塞 区域扩大 ；与原型叶轮相 比，周向弯 曲叶轮上、下端壁 附近的流动堵塞 区域发展相对较小，流通性较好，特别是前弯叶轮。而原型phase/(。

(a)R-0.65处速度幅值特征phase/(。)(b)轴向速度l O O O O 0 l O O O O O 第 3期 金光远等：周向弯曲叶片内部三维流动扩稳机理的实验研究 29相互作用。根据完全径 向平衡方程 ：1 aP C W dW sina ，- - 1 。 - - 十 r式 中， 为子午 面流线方 向速度 和轴 向的夹角 ，r 为子午面流线曲率半径，F 为叶片径向力。对于压升较低、气流转折角较小的低压轴流风扇/压气机来说，子午面内流线曲率变化引起的离心惯性力的径向分量和子午面气流加速度惯性力的径向分量-般均较小 ，可以忽略。则径向平衡方程可简化为：-1- F (6)fJ Or r 、。

公式(6)表明在弯曲叶片的流道 内，主要是利用完全径向方程 中 F，的大型符号达到控制径向压力梯度的目的。对于给定的叶轮，F 和流体的圆周分速度-般也是给定的，F 是由叶片周向弯曲角度决定的，-般周向弯曲角越大，F 越大。

对于周向前弯叶片来说，F 的方向是指向转轴的，与流体旋转产生的离心力相反，因此叶片高度方向上的压力梯度存在两种可能。流量降低后 ，由图 6可以看出，在大部分叶高(尺>0.2)显著增加，即流体旋转产生的离心力增大，对于前弯角度较小的叶轮，F 不足以克服该力，沿叶片高度方向仍然维持正压力梯度，叶片边界层内的低能流体仍然向叶顶方向聚集；当前弯角度达到某-值以后，F 的大小与旋转离心力相当时，那么这时 叶片表面边界层 的移 动很微弱，对边界层厚度影响较小，减弱了边界层内低能流体向叶顶端壁区的积聚；当 F 的大小超过了旋转离心力时 ，叶片表面的边界层开始 向叶根方 向移动 ，从而使流道内的损失重新分布。对于周向后弯叶片来说，F，是指向叶顶方向的，与流体旋转产生的离心力同向。无论叶片对流体作用力和后弯角度的大小如何，叶片流道内沿叶高方向都会存在正向压力梯度，边界层流动方向不会发生变化。对于小流量工况情况仍然如此，但这种快速的径向流动使低能流体的迁移速度加快，叶片边界层厚度减薄，但加剧了端壁区的低能流体积聚。若主流速度较高，端壁区的低能流体可被主流快速带走，降低其在端部区域的积聚。

对于本研究的周向弯曲叶片，主要是利用 4O叶高以上叶片的弯曲对边界层进行控制。由于 4O叶高以下叶片在圆周方向没有弯曲，叶片边界层流体受到的作用力只有旋转离心力，它驱使叶片表面的低能流体向上半叶高方向移动。对于小流量工况，由图8(b)可以看出，虽然中高部叶高的旋转离心力增加，但周向前弯叶片吸力面侧的径向流动很微弱，表明这时叶片表面边界层的移动很微弱 ，因而减弱了边界层内低能流体向叶顶端壁区的积聚；而对于周向后弯叶片，由图 9(c)可以看出，由于上半叶高的 F 使得边界层内低能流体向叶顶方向的流动加速，从而使叶片边界层厚度减薄，并使端壁区的低能流体快速被主流带走，从而降低其在端部区域的积聚。

3 结 论(1)测量系统整合了NI采集平台和热线采集单元，其成功应用为基于 NI系统平台的多场同步测量提供了技术参考。综合各个工况的出口流动可以看出，周向弯曲叶片显著改变了流道内流动结构，改善上下端壁区域的流通性 ，对于扩大稳定工作范围有着积极的作用，特别是周向前弯叶片。

(2)随流量减小 ，对于轴 向速度 ，在小流量工况下，主流通区域主要集中于中部叶高，端壁区由于边界层及叶顶泄漏流动形成的堵塞区域扩大 ；与原型叶轮相比，周向弯曲叶轮端壁区附近的流动堵塞区发展相对较小，流通性较好，特别是前弯叶轮。而原型叶轮的低速流区域已经发展至压力面侧 ，表明不稳定流动发生；不同周向弯曲叶片对径向流动控制差别显著，控制了上下端壁低能流体的运动方向。

(3)随流量减小，由于旋转离心力的增大，F 对径向压力梯度的影响尧生变化 ，从而改变边界层的迁移方式和速度。叶片的周向弯曲方向和角度对边界层的控制效果是不相同的，前弯曲方向对边界层影响较为复杂，当 F 不大于旋转离心力时，叶片前弯方向对于低速转子的边界层控制更有利 ，控制边界层的迁移速度，降低端壁区低能流体积聚，当 F 大于旋转离心力时，改变了边界层的迁移方向，使损失分布发生变化；而后弯方向对于高速转子更为有利，既可加快边界层的径向迁移，又可因主流携带而降低端壁区低能流积聚。