第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风机旋转失速的影响_张磊

第 37 卷 第 6 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol 37 No 6 Mar 20 2017 2017 年 3 月 20 日 Proceedings of the CSEE 2017 Chin Soc for Elec Eng 1721 DOI 10 13334 j 0258 8013 pcsee 152467 文章编号 0258 8013 2017 06 1721 10 中图分类号 TH 4 O 355 第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风机 旋转失速的影响 张磊 蒋款 王松岭 张倩 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室 华北电力大学 河北省 保定市 071003 Effect of the First stage of Rotor With Single Abnormal Blade Angle on Rotating Stall of a Two stage Variable Pitch Axial Fan ZHANG Lei JIANG Kuan WANG Songling ZHANG Qian Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment North China Electric Power University Ministry of Education Baoding 071003 Hebei Province China ABSTRACT Taking a two stage axial fan with adjustable vanes as the research object the 3D unsteady numerical simulation was conducted on the axial fan with abnormal installation angle of the first rotor based on the throttle valve function and SST k w turbulence model The abnormal installation angles of the single blade in the first rotor were 6 and 6 respectively The numerical results show that the blade with abnormal angle will make the fan falling into unstable condition earlier The stall margin is 21 06 and 20 93 separately when the abnormal installation angle is 6 and 6 Meanwhile compared to the axial fan with normal installation angle the stall margins decrease 6 73 and 6 86 separately The existence of abnormal angle blade does not cause the change of the induced position and type of stall inception which are the same with the axial fan with normal blade angel However the single blade with abnormal installation angle in the first rotor has great influence on the 3D unsteady evolution process from stall inception to stall cell in the two rotors The results have great significance for understanding the complex phenomenon of rotating stall in multi stage axial turbo machine KEY WORDS two stage axial fan abnormal blade installation angle rotating stall numerical simulation 摘要 以某电站两级动叶可调式轴流风机为研究对象 基于 节流阀 UDF 函数和 SST k w 湍流模型 对轴流风机第一级 基金项目 国家自然科学基金项目 11602085 河北省自然科学基 金项目 E2016502098 Project Supported by National Natural Science Foundation of China 11602085 Natural Science Foundation of Hebei Province E2016502098 动叶轮中单个叶片异常偏转角度分别为 6 和 6 时的旋转 失速现象进行数值模拟 计算结果表明 当轴流风机第一级 动叶轮中存在叶片安装角异常时 会引起风机提前进入失 速 动叶异常偏转角度为 6 和 6 时 轴流风机失速裕度分 别为 21 06 和 20 93 较叶片正常偏转时分别降低了 6 73 和 6 86 第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风 机失速诱发起始位置及失速类型几乎没有影响 与动叶正常 偏转时相同 第一级动叶轮内单个叶片安装角异常对两级动 叶轮内由失速先兆演化为失速团的三维非定常演化过程具 有重要影响 研究结果进一步丰富了对多级轴流叶轮机械旋 转失速复杂流动现象的认识 关键词 两级轴流风机 动叶安装角异常 旋转失速 数值 模拟 0 引言 动叶可调式轴流风机在动叶调整过程中 有时 会发生一个或多个动叶安装角漂移 即动叶角度调 整不同步现象 这种现象将改变风机性能曲线 或 在微小扰动下诱导并列运行的风机出现抢风现象 研究动叶角度异常偏转与风机失速先兆诱发机理 的内在关联性 对轴流风机旋转失速的主动控制具 有重要价值 国内外学者对叶轮机械失速先兆的发生机理 展开了大量研究 2 9 以期对叶轮机械的设计及运行 提供参考 Yamada 10 用 30 个压力传感器测量一个 流道内瞬间机壳压力分布来捕捉突尖型失速先兆 过程中机壳非稳定的瞬时压力场 在转子前缘附近 检测到突尖型波后 有一低压区开始在转子前缘沿 周向移动 然后发展为连接叶片吸力面和机壳的类 1722 中 国 电 机 工 程 学 报 第 37 卷 旋风涡 揭示了突尖型失速产生的机理 Biela 11 研究了 1 5 级跨音速压缩机失速前和失速先兆时的 空气动力学特性 结果证明所有失速先兆都有突尖 型失速的特点 张丽 12 等对不同叶顶突起形状和数 量的风机进行数值模拟 证明了叶顶突起有助于泄 漏涡的形成 且半圆形突起的影响较明显 Taghavi Zenou 13 研究了亚音速轴流压缩机转子叶 片流道不同运行条件下叶顶间隙流结构 叶顶泄漏 流的频率随质量流的减少而降低 其结构也随时间 改变 Young 14 基于叶片信号不规则 研究了旋转 过程中叶顶间隙大小和偏心率对失速先兆的影响 Cameron 15 通过轴向布置在叶片前缘的压力传感器 来展示旋转失速前和失速发生后扰动的细节 Salunkhe 16 对单级轴流风机有无入口畸变进行小波 分析 研究失速先兆的产生机理 即无入口畸变和 逆旋转方向入口畸变时失速先兆由小尺寸波动引 起 顺旋转方向入口畸变时则由大尺寸波动引起 在两级动叶可调式轴流风机的实际运行过程 中 由于叶柄积灰造成卡涩或动叶检修安装误差等 原因 导致变工况时两级动叶中某个或某几个动叶 发生非同步调整现象 即叶片漂移现象 当两级动 叶可调式轴流风机中某级某一个或多个角度异常 偏转时 会引起局部区域流场及两级间相互作用的 改变 与动叶同步调整相比 由于异常动叶的存在 可能会引起不同的失速流场演化规律 目前 一些 学者对离心风机 17 和动叶角度同步调整的轴流风 机旋转失速的诱发机理展开研究 而当动叶角度异 常偏转时 仅研究了对轴流风机气动性能 18 和损失 的影响 19 然而动叶轮内单个叶片角度异常时 将 对叶轮机械的稳定性产生影响 20 本文基于非定常数值模拟 研究某两级轴流风 机内第一级动叶轮单个叶片异常偏转对失速诱发 的影响规律 研究结果对进一步认识失速先兆的诱 发机制具有重要的理论价值 1 数值计算方法 1 1 几何模型和网格划分 图 1 为基于 Gambit 软件建立的两级动叶可调 式轴流风机的几何模型 轴流风机分为六个部分 进口集流器 两级动叶 两级静叶及出口扩压器 风机主要参数见表 1 叶顶间隙对风机旋转失速的产生和演化过程 具有重要影响 图 2 为动叶区叶片与叶顶间隙相对 位置图 定义当动叶安装角增大时为正向偏离 即 y 0 反之为负向偏离 其示意图如图 3 所示 图 1 两级轴流风机的几何模型 Fig 1 Geometric model of the two stage axial fan 表 1 风机主要参数 Tab 1 Main parameters of the fan 参数轮毂比 叶轮转速 r min 1 动叶片 数目 导叶数目 叶高与 叶顶间隙比 数值0 6681490 2 24 2 23 0 0155 图 2 叶片与叶顶间隙相对位置图 Fig 2 Location of the tip clearance 旋转方向 y 0 正常叶片 y 0 正向偏离 y 0 负向偏离 图 3 动叶角度异常偏转示意图 Fig 3 Sketch map of the abnormal blade angle 采用 ICEM CFD 软件对轴流风机进行结构化 网格划分 且对叶顶间隙区域进行网格加密 图 4 所示为动叶轮内的网格模型 采用分块划分网格技 术 在各部分交界面设置 interface 实现数据交换 进行了网格无关性检验 如图 5 所示 网格数目分 别约为 375 万 587 万 728 万与 845 万 将模拟 得到的性能曲线与样本值进行对比 综合考虑计算 精度和运算时间 选取总网格数为 728 万 1 2 控制方程及边界条件 采用双时间步法求解三维雷诺时均 N S 方程 湍流模型采用 SST k 模型 对流项与扩散项采用 二阶迎风差分格式进行离散 入口边界条件为总压入口 出口边界条件为静 压出口 非稳态计算时采用滑移网格模型 Moving 第 6 期 张磊等 第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风机旋转失速的影响 1723 图 4 动叶轮网格模型 Fig 4 Structured grid in the rotor 全压 Pa 体积流量 m3 s 75 85 10595 375 万 587 万 728 万 845 万 样本值 14000 12000 10000 8000 图 5 全压 流量性能曲线 Fig 5 Relation of total pressure and flow Mesh 且出口设置为节流阀模型 21 2 计算结果及分析 2 1 风机出口静压时域特性分析 风机出口静压随时间的变化曲线可判断失速 先兆出现的时刻 风机出现失速先兆时 其出口压 力出现陡降 图 6 所示为正常偏转角度和第一级动 叶轮单动叶异常偏转角度分别为 6 和 6 三种情 况下的风机出口静压变化曲线 图中 ks表示风机 进入失速状态时的阀门开度 ks 0 001 表示风机尚 未进入失速状态 图 6 a 中 在出口阀门开度为 ks 0 001 时 风 机出口静压基本稳定在约 13230Pa 当阀门开度降 为 ks时 出口静压约在旋转周期 T 11 本文中旋转 周期均用 T 表示 时开始降低 并在随后出现陡降 陡降后约在 T 18 时再次呈现稳定的小范围周期性 波动 即轴流风机在正常设计角度下 阀门开度为 ks时 约在旋转周期 T 11 流场扰动增强出现失速 旋转周期 a 无异常叶片 出口压力 Pa ks 0 10 30 20 40 60 50 ks 0 001 16000 12000 10000 14000 旋转周期 b 叶片异常偏转角度为 6 出口压力 Pa ks 0 10 30 20 40 60 50 ks 0 001 15000 11000 10000 14000 13000 12000 旋转周期 c 叶片异常偏转角度为 6 出口压力 Pa ks 0 10 30 20 40 60 50 ks 0 001 16000 10000 14000 12000 图 6 风机出口静压变化曲线 Fig 6 Variation of the outlet static pressure with time 先兆 失速先兆的出现使得风机出口静压呈陡降趋 势 约7个转子周期后 失速先兆演化为失速团 风机出口静压值表现为周期性波动 图6 b 为异常偏转角度为 6 时出口静压曲线 当阀门开度为 ks 0 001时 风机出口静压稳定在约 12900Pa 当阀门开度为 ks时 风机内流体扰动出 现在约 T 13时 随后失速先兆的产生和恶化使风 机出口静压出现陡降趋势 陡降后其值有所升高 并在约 T 18时呈稳定的周期性波动 生成失速团 单动叶异常偏转角度为 6 时风机出口静压如图6 c 所示 此图中 阀门开度为 ks 0 001时 出口静压 稳定在约12840Pa 阀门开度为 ks时 出口静压在 T 13时开始降低 流场恶化致使动叶轮中失速先兆 的产生 风机出口静压曲线出现陡降 陡降趋势在 约 T 21时结束并在其后的约3个旋转周期内稳定 1724 中 国 电 机 工 程 学 报 第 37 卷 维持在约11560Pa 随后在 T 24时再次出现降低并 呈陡降趋势 静压值在陡降后呈上升趋势 并在 T 37时呈稳定周期性波动 对比图6中各图可发现 第一级动叶轮中单动 叶异常偏转角度为 6 和 6 时 在近失速阀门开度 ks 0 001时 风机出口静压的稳定值低于无异常偏 转时 在失速阀门开度 ks下 风机失速先兆的出现 在时间上迟于正常偏转角度时 对比图6 a 和图 6 b 异常偏转角度为 6 时 风机出口静压在陡降 后出现上升趋势 而最终呈现的稳定周期性波动的 幅度也较大 异常偏转角度为 6 时 风机出口静 压出现两个陡降区 在第一个陡降区后风机出口静 压出现约3个转子周期的稳定 并在其后出现第二 个陡降区 第二个陡降区后出口静压值呈上升趋 势 其后出口静压呈稳定周期性波动 波动幅度大 于正常偏转角度时 2 2 失速起始流量和失速裕度 风机失速模拟过程中出现失速先兆时的工况 所对应的流量即为失速起始流量 失速起始流量表 征风机稳定范围 图7所示为不同异常偏转角度下 风机失速起始流量 其中第一级动叶轮单个动叶片 异常偏转角度为 6 和 6 时失速起始流量分别为 65 05m3 s和65 15m3 s 两者相差0 1m3 s 而正常 偏转角度下失速起始流量为59 5m3 s 叶片异常偏 转角为 6 和 6 时 失速起始流量较正常偏转角度 时增大 以上数据表明 第一级动叶轮单个动叶片 异常偏转角度为 6 和 6 时 相比于正常角度 风 机在较大的流量下进入失速 风机稳定运行范围减 小 异常偏转角度为 6 时 风机的稳定运行范围 较异常偏转角度为 6 时稍小 其对风机失速影响 较大 异常偏转角度 失速起始流量 m3 s 失速起始流量 75 70 65 60 55 50 6 2 2 6 图 7 不同异常偏转角度下风机失速起始流量 Fig 7 Flow rate under different abnormal angle 失速裕度主要表征了稳定流量范围占总流量 范围的比值 能够较为清晰的反应风机稳定运行范 围的大小 本文对失速裕度进行计算分析 根据公 式 2 可以计算出异常动叶角度下的失速裕度 m 100 VVS V qq m q 2 式中 q V为设计工况流量 82 4 m3 s qVS为失速起 始流量 m3 s 计算结果如下表2所列 其中0 表示叶片无异常偏转 表 2 轴流风机失速裕度 Tab 2 Stall margin of the axial fan 异常角度 6 0 6 qVS m3 s 65 05 59 5 65 15 m 21 06 27 79 20 93 从表2中可以看出 相对于正常偏转角度 第 一级动叶轮中 6 和 6 异常偏转叶片的存在降低 了风机的失速裕度 两异常偏转角度对风机失速裕 度的影响相差不大 与正常偏转叶片相差分别为 6 73 和6 86 以上关于风机失速起始流量以及出口静压随 时间的变化曲线虽可判断第一级动叶轮 6 和 6 异常安装角叶片的存在使得风机在较大流量下进 入失速 亦可判断失速先兆产生 发展和演化为完 整失速团的时刻 但并不能完全解释这种变化出现 的原因 下文根据布置在第一 二级动叶轮中监视 点处相对速度值 以分析失速先兆产生位置和失速 类型 2 3 失速先兆起始位置和类型分析 利用数值探针获得第一 二级动叶轮内相对 速度随时间的变化 可判定失速起始位置 数值探 针布置在两级动叶轮50 与90 径向叶高处 且周 向间隔3个叶轮流道 第一级动叶轮内监测点分别 标记为m1 1 m1 2 m1 3 h1 1 h1 2 h1 3 第 二级动叶轮中监测点分别标记为m2 1 m2 2 m2 3 h2 1 h2 2 h2 3 图8为动叶轮内数值探 针布置图 图 8 监测点分布图 Fig 8 Distribution of monitoring points 第 6 期 张磊等 第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风机旋转失速的影响 1725 图9所示为阀门开度为 ks时第一 二级动叶轮 数值探针获取的相对速度变化曲线 图9 a 和 b 为 动叶正常偏转时第一 二级动叶轮监测点相对速度 随时间的变化曲线 为方便对比 将m1 2 m1 3 m2 2 m2 3相对速度值分别向上平移30 m s与 转子周期 a 叶片角度正常偏转 第一级动叶监视点 5 15 10 20 相对速度 m s 130 110 90 70 50 h1 2 h1 1 h1 3 h2 2 h2 1 h2 3 转子周期 b 叶片角度正常偏转 第二级动叶监视点 5 15 10 20 相对速度 m s 140 120 80 60 40 100 转子周期 c 异常偏转角度为 6 第一级动叶监视点 相对速度 m s 300 180 100 60 20 260 220 140 h1 1 h1 2 10 20 15 30 25 转子周期 d 异常偏转角度为 6 第二级动叶监视点 相对速度 m s 300 180 100 60 20 260 220 140 10 20 15 30 25 h2 2 h2 1 转子周期 e 异常偏转角度为 6 第一级动叶监视点 相对速度 m s 300 180 100 60 20 260 220 140 10 30 20 40 h1 2 h1 1 转子周期 f 异常偏转角度为 6 第二级动叶监视点 相对速度 m s 300 180 100 60 20 260 220 140 10 30 20 40 h2 2 h2 1 图 9 监测点相对速度曲线 Fig 9 Variation of relative velocity with time at monitor points 60 m s 由图9 a 和 b 可知 约13个转子周期后 各监视点的相对速度开始出现较大幅值波动 叶轮 内诱发出失速先兆 且在3个转子周期后 失速先 兆演化为失速团 相对速度呈现周期性震荡 震荡 周期即为失速团旋转周期 第二级动叶内相对速度 值在第12T 左右出现一个明显的跃升 即风机内出 现了失速先兆 出现时间较第一级提前1个旋转周 期左右 此后叶轮内从出现失速先兆到成熟失速团 过程中监视点相对速度的整体规律与第一级大致 相同 从上述分析可以看出 失速先兆首先起始于 第二级动叶 然后逐渐演化影响第一级流场 导致 第一级流场出现恶化 由图9 a 和 b 中可知 在12 14T 范围内 监 视点m1 1与m1 3相差0 333T 即失速先兆旋转 速度 245 0 75 0 333 360 m srrr s p p 3 同理 可得失速团的周向传播速度为 245 0 55 0 458 360 m Trrr T p p 4 失速团的个数为 1726 中 国 电 机 工 程 学 报 第 37 卷 0 458 1 1 833 245 360 T c Tm P N TP 5 其中 r为转子速度 Pm Ps PT 分别为两监测 点相位差 失速先兆相位差 失速团相位差 TT为 失速团周期 采用同样的方法可计算出第二级动叶中失速 先兆与失速团的旋转速度相同分别为0 75 r 0 55 r 失速团个数为1个 由此可知 两级轴流 风机内失速起始于第二级叶轮 第一 二级叶轮内 失速先兆的转速一致 且失速发展完全后 两级叶 轮内的失速团转速也一致 轴流风机第一 二两级 动叶轮内出现的失速先兆均表现出了2个相同的特 点 叶轮内的非定常波动呈现小尺度特征 失速先 兆旋转速度较高 且在2 3个转子周期内演化为失 速团 失速团旋转速度明显下降 因此 判定失速 先兆类型为突尖型 由于异常安装角叶片的存在 速度波动范围较 大 因此只选其中两个监视点相对速度随时间的变 化进行分析 并将监测点h1 2处相对速度平移 120 m s 图9 c 和 d 为异常偏转角度为 6 时监测 点速度变化曲线 在约第14 T 时第二级动叶轮内出 现失速先兆 约7个转子周期后演化为失速团 第 一级动叶轮受第二级动叶轮失速先兆的影响在第 17 5 T 出现失速先兆 也在约第21T 时发展成稳定 失速团 异常偏转角度为 6 时监测点相对速度变 化曲线如图9 e 和 f 所示 图中可以看出 风机叶 轮内失速先兆在第二级动叶轮内首先出现 第二级 动叶轮约在第13T 时出现失速先兆 并在近16T 之 后呈现周期性波动 在第28T 时这种周期性波动被 破坏 并在第31 5T 时呈现出较大的周期性波动 第一级动叶轮监测点相对速度在第15T 时出现波 动 但只是小范围波动 随时间推移 第25T 时出 现较大的波动 这种波动在第31 5T 时形成周期性 波动 以上分析表明 第二级动叶轮失速先兆的出 现 13T 影响了第一级动叶轮内流场 并使其产生了 一定不稳定 15T 这种流动不稳定的进一步恶化 25T 反过来又促进了第二级动叶内流场的进一步 恶化 28T 最后 第一 二级动叶轮失速先兆基本 在同一时间 31 5T 演化成完整失速团 这与图6 c 所示一致 也说明了第一 二级动叶轮流场相互间 的影响 利用上述同样方法 通过公式 3 5 可计算出 异常偏转角度为 6 和 6 时失速先兆和失速团的 旋转速度 其结果列于下表3中 其中 R1 R2 分别代表第一级 第二级动叶轮 表 3 失速先兆和失速团的旋转速度 Tab 3 Relative velocity of the stall inception and cell 6 0 6 异常角度 R1 R2 R1 R2 R1 R2 失速先兆速度 r 0 7760 796 0 75 0 75 0 710 71 失速团速度 r 0 5660 534 0 55 0 55 0 5310 581 与动叶角度正常偏转时相比 当存在单个异常 动叶偏转角度为 6 时 第一 二级动叶轮内失速 先兆旋转速度为转子旋转速度的70 以上 发展为 失速团后 旋转速度减小 且两级动叶轮中失速先 兆及失速团的速度不同 异常偏转角度为 6 时 两级动叶轮中失速先兆旋转速度相同 均为转子旋 转速度的约70 但失速团的旋转速度不同 分析 其原因可能有两种 考虑异常偏转叶片的存在 失 速团的旋转并不是严格意义上的周期性 数据的采 集 计算可能存在一定误差 另外异常叶片的存在 可能也在一定程度上影响了失速先兆 失速团在动 叶轮中的传播速度 以致其在不同动叶轮中的旋转 速度不同 2 4 流场特征分析 叶片角度正常偏转时 第一 二级动叶轮失速 过程基本相同 所以以第二级动叶轮中间截面3 个典型时刻相对速度和湍动能进行分析 如图10 所示 图10 a 为风机处于近失速工况 各叶片流道内 流场相对均称 但在叶顶处存在着较小的径向速 度 流量出现小范围波动是由叶顶泄漏涡增强引起 速度 m s 1 湍动能 J kg 1 a 近失速阶段 速度 m s 1 湍动能 J kg 1 b 失速发展阶段 第 6 期 张磊等 第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风机旋转失速的影响 1727 速度 m s 1 湍动能 J kg 1 c 稳定失速团阶段 图 10 动叶正常偏转时第二级动叶轮中间 截面典型时刻流线及湍动能图 Fig 10 Streamline and the turbulent kinetic energy contour of the second rotor mid section 的 叶轮湍动能分布沿周向均匀分布 叶顶附近的 高湍动能区域明显增大 几乎覆盖了整个叶顶间隙 区域 这是由于随着流量的减小 正冲角逐渐增大 叶顶分离涡面积增大 引起湍流脉动的提高 流道 中间的低湍动能区向叶顶方向发展 低湍动能区呈 椭圆形分散 并且面积有所增加 在图10 b 中失速诱发阶段 相邻的8个叶轮 流道内可以观察到回流现象及叶顶区域的流动分 离现象 叶轮流道内的回流过程为 空气从叶片吸 力面流向压力面 在流体掺混之后 流回至吸力面 由图中可以看出 中间几个叶轮流道内的回流区面 积相对较大 沿顺时针方向的相邻几个流道内的回 流区面积较小 但是通过比较可知其回流区面积具 有增长的趋势 同时 沿逆时针方向的相邻流道内 的回流面积也较小 但是具有逐渐减小的趋势 与 流场对应的湍动能分布具有类似的规律 即此时高 湍动能区占据了由叶顶至70 径向叶高附近的较 大面积区域 且湍动能增大 沿顺时针方向的相邻 几个流道内高湍动能区面积具有增长的趋势 而沿 逆时针方向相邻流道则具有相反的趋势 这是由于 旋转失速先兆的传播速度比叶轮转速小 从相对坐 标系的角度 失速先兆沿顺时针旋转 导致沿顺时 针相邻流道的流动恶化 而沿逆时针相邻流道内部 流动得到改善 失速先兆演化为失速团后某一时刻的速度及 湍动能分布如图10 c 所示 此时失速团以某一固定 速度沿周向旋转 由图可知 失速团沿周向占据了 约 11个叶轮流道 失速团中间5个流道堵塞区域 较大 占据了叶顶至50 叶高范围内 与图10 a 相比 此时失速团的影响范围较大 且在很短的时 间内由失速先兆演化为失速团 符合突尖型失速的 特点 同时由图可以看出 对应失速团的区域出现 了高湍动能区 与图10 b 相比 叶轮流道内最高 湍动能数值几乎不变 但高湍动能区面积明显增 大 随着失速团沿周向旋转 叶轮流道内经历了高 湍动能区沿径向先增大 再减小的动态演化过程 湍动能表示湍流脉动所具有的动能 该参数可 以反映雷诺应力中正应力的大小以及湍流脉动的 强烈程度 正常角度下湍动能分布云图分析可知 高湍动能区在叶轮变化情况可清楚判断失速先兆 产生 发展和变化 下文以异常偏转角度为 6 时 第一 二级动叶轮湍动能变化为例 分析其旋转失 速过程 图11所示为异常偏转角度为 6 时第一级动叶 中间截面在4个典型时刻的湍动能图 由图11 a 中可以看出 对应失速先兆区域的两个叶轮流道内 湍动能最大 其顺时针方向相邻流道在叶顶方向出 现较高湍动能 并完全占据叶顶区域 而其逆时针 方向流道内较高湍动能区则很小 随着流场演化 如图11 b 所示时 高湍动能区发展为两个区域 分 别占据4个和2个流道 其中最高湍动能区基本占 据50 到90 径向叶高 从图11 b 到图11 c 的发 展可知 流场受失速团影响高湍动能区沿两个方向 发展 沿径向从叶顶发展到50 径向叶高处 沿周 向发展为更多流道 两高湍动能区域间隔变为一个 流道 失速先兆的进一步发展 两失速先兆发展为 湍动能 J kg 1 a 失速产生阶段 湍动能 J kg 1 b 失速发展阶段 c 失速发展阶段 湍动能 J kg 1 1728 中 国 电 机 工 程 学 报 第 37 卷 d 稳定失速团阶段 湍动能 J kg 1 图 11 异常偏转角度为 6 时第一级动叶轮 中间截面在 4 个典型时刻的湍动能图 Fig 11 Turbulent kinetic energy contour of the first rotor mid section when the abnormal angle is 6 一个稳定失速团 占据约10个流道 如图11 d 所示 图12所示为第二级动叶轮中间截面4个典型 时刻湍动能分布图 图12 a 所示为近失速阶段 此 时较高湍动区在各流道叶顶区域均匀分布 随后 流道内几乎同时产生4个未成熟小失速团 后发展 为占据约3个流道的稳定小失速团 如图12 b 所 示 高湍动能区从叶顶区域发展到70 径向叶高 处 受第一级动叶轮失速产生的影响 其中两个失 速先兆沿周向发展到更多流道并合为一个大的失 速团如图12 c 图12 d 所示为失速的进一步恶化 4个失速团发展为一个稳定的失速团 此失速团占 a 近失速阶段 湍动能 J kg 1 b 失速发展阶段 湍动能 J kg 1 c 失速发展阶段 湍动能 J kg 1 d 稳定失速团阶段 湍动能 J kg 1 图 12 异常偏转角度为 6 时第二级动叶轮中间 截面 4 个典型时刻湍动能分布图 Fig 12 Turbulent kinetic energy contour of the second rotor mid section when the abnormal angle is 6 据约12个流道 较高湍动能区占据流道40 到90 径向叶高 2 5 95 径向叶高处流线分析 流线图可以清晰揭示叶顶泄漏流运动规律 以 揭示叶轮机械旋转失速的诱发机理 图13为失速 前兆阶段3种情况下第二级动叶轮内95 叶片径向 高度截面流线分布图 由图可看出 3种情况下 叶顶附近流线图虽不全然相同 但其流动规律基本 一致 叶片前缘附近产生了泄漏涡 泄漏涡出现在 叶片吸力面附近 与主流流体作用后使得流道内产 生低速区并使流体流向发生改变 由叶片吸力面流 向压力面 低速区内存在回流 造成流道内流场的 恶化 并产生失速 由此判断 3种情况下失速产 生机制相同 a 无异常偏转叶片 b 叶片异常偏转角度为 6 c 叶片异常偏转角度为 6 图 13 95 径向叶高处流线图 Fig 13 Streamline of the 95 radial blade height under three conditions 第 6 期 张磊等 第一级单个动叶安装角异常对两级轴流风机旋转失速的影响 1729 3 结论 本文基于节流阀UDF函数和SST k w 湍流模 型 对轴流风机第一级动叶内存在单个动叶安装角 异常偏转时的旋转失速现象进行数值研究 得到以 下结论 1 单个动叶角度异常偏转诱导风机提前进入 失速状态 安装角异常动叶片的存在使得风机较叶 片角度正常偏转时在大流量下进入失速 风机失速 裕度降低 即异常叶片的存在使得风机稳定运行范 围减小 2 第一级动叶轮内单个动叶安装角异常对两 级轴流风机失速先兆诱发位置和先兆类型几乎没 有影响 且失速诱发机制相同 本文研究的异常偏 转角度下 风机内失速先兆均首先出现在第二级动 叶轮内 且失速先兆均为突尖型 3 第一级动叶轮内单个叶片安装角异常对两 级动叶轮内由失速先兆演化为失速团的三维非定 常演化过程具有重要影响 参考文献 1 叶学民 李俊 王松岭 等 动叶可调轴流式通风机叶 片安装角异常工况下的气动特性 J 中国电机工程学 报 2009 29 26 79 84 Ye Xuemin Li Jun Wang Songling et al Aerodynamics of adjustable blade axial fan under abnormal installation angles J Proceedings of the CSEE 2009 29 26 79 84 in Chinese 2 吴艳辉 赵奎 田江涛 等 跨音压气机转子近失速工 况叶尖非定常流动分析 J 工程热物理学报 2012 33 3 401 404 Wu Yanhui Zhao Kui Tian Jiangtao et al Analysis of near tip unsteady flowfield in a transonic compressor rotor at near stall condition J Journal of Engineering Thermophysics 2012 33 3 401 404 in Chinese 3 Choi M Vahdati M Imregun M Effects of fan speed on rotating stall inception and recovery J Journal of Turbomachinery 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results are analyzed to realize the influence of the abnor