半开式轴流风机叶顶非均匀倒圆对泄漏流和噪声的影响.pdf

Chinese Journal of TurbomachineryEffect of Non-uniform Fillet on Leakage Flow and Noise ofSemi-open Axial Flow Fan Blade Tip*Si-te Hu1Qing-ming Cao1,*Yue-fei Li2Long-xin Zhang1Xiao-wen Hu1Peng Chen1(1.Corporate Research Center,Midea GROUP；2.Guangdong Midea Heating and Ventilating Equipment Co.,Ltd.)Abstract：Utilizing a combined approach of numerical simulations and experimental investigations,the present study aimed toinvestigate the control mechanism of the tip leakage flow on a semi-open axial flow fan,particularly focusing on the effect of thenon-uniform fillet structure on the pressure side,and its influence on the aerodynamic and noise performance of the fan.The studysuggests that the non-uniform fillet structure on the blade tip pressure side can effectively alleviate the separation vortex andsecondary vortex on the tip,thus reducing the blade tip loading.Additionally,it can also modify the separation point of the blade tipleakage vortex on the suction side,leading to a decrease in the strength of the vortex and subsequently reducing noise by up to 0.8dB(A)at a constant airflow rate.Meanwhile,its impact on airflow and power is negligible.Keywords：Blade Tip；Pressure Side；Non-uniform Fillet；Tip Leakage Flow摘要：采用数值仿真和实验结合的方法研究了半开式轴流风机叶顶压力面非均匀倒圆结构对叶顶泄漏流动的控制机理，以及对气动和噪声性能的影响。研究结果表明，叶顶压力面侧非均匀倒圆结构能够减弱叶顶的分离涡和二次涡，降低叶顶载荷，改变叶顶泄漏涡在吸力面的分离点，削弱叶顶泄漏涡强度，实现同风量噪声下降0.8dB(A)，而对风量和功率的影响可忽略。关键词：叶顶；压力面；非均匀倒圆；叶顶泄漏涡中图分类号：TH432.1；TK05文章编号：1006-8155-（2023）03-0054-05文献标志码：ADOI：10.16492/j.fjjs.2023.03.0009胡斯特1曹庆明1,*李跃飞2张龙新1胡小文1陈鹏1（1.美的集团中央研究院；2.广东美的暖通设备有限公司）半开式轴流风机叶顶非均匀倒圆对泄漏流和噪声的影响*基金项目：中国博士后基金（2021M701542）*通讯作者：曹庆明，0引言随着人们生活水平的提高，空调制冷系统和热泵系统越来越广泛的被人们使用，空气源热泵具有较广的运行范围、适应更低温制热等优点，加上当前能源价格高涨，激发欧洲各国加速转向使用热泵产品。随着全球气候变暖和世界各国对绿色低碳产品的要求提高，以及人们对于低噪声的极致追求，高效节能、低噪声成为家电产品设计的主半开式轴流风机叶顶非均匀倒圆对泄漏流和噪声的影响 54Chinese Journal of Turbomachinery第65卷，2023年第3期Http:/turbo- Vol.65，2023,No.3(a)热泵室外机箱体模型(b)半开式轴流风机叶片要技术指标。家电产品能否满足各国最新的能效指标，是否噪声更低，成为家电产品市场竞争力的重要体现。除了压缩机，轴流风机是空调室外机中主要的耗能部件和噪声源，如何改善轴流风机内部流动，降低非定常流动带来的噪声，成为当前轴流风机领域的热点。在轴流风机中，叶顶泄漏流和分离流动是气动损失和噪声增加的主要原因。叶顶泄漏流动具有很强的三维性与非定常性，严重影响了整机的气动和声学性能。因此，国内外学者提出许多流动控制方法对其进行抑制，其中最具代表的是叶顶小翼、叶顶沟槽、叶顶区域向吸力面翻边等，具有改动幅度小且控制效果明显的优点。胡小文等1研究了对旋风机第二级转子不同加载叶顶叶型对叶顶泄漏流动控制的影响。张龙新等2针对空调室外机的对旋风机，设计了叶顶吸力面小翼，增强了叶顶区域吸力侧流动稳定性，对旋风机噪声降低达0.9dB(A)。胡小文等3对比分析4种不同槽宽比的叶顶贯穿式沟槽结构对抑制叶顶泄漏涡发展的影响，槽宽比越大对风扇效率的提升效果越明显。Bin和Qi等4针对半开式轴流风机研究了叶顶翻边三个控制参数对泄漏流损失和噪声的影响，采用正交设计方法找到了一个最佳方案，能够在不同运转条件下降低宽频噪声达0.542.68dB(A)。叶顶小翼、叶顶翻边等技术应用在大流量、小压升的半开式轴流风机时会失效，噪声反而会恶化。叶顶倒圆具有同时减弱泄漏涡和叶顶分离涡的效果，在航空压气机和轴流泵中经常使用。高丽敏等提出了一种叶尖压力面小尺度倒圆修型，改善了扩压叶栅叶顶间隙流动状况5和一种在叶尖压力面单侧均匀倒圆修型，改善了扩压叶栅叶顶间隙流动状况，但倒圆半径增大会导致泄漏流量增大，总压损失增加6。Song等7针对轴流压气机研究了三种吸、压力面均匀倒圆结构对设计工况和非设计工况下间隙流动、效率和间隙流量的影响。郭正涛等8以高负荷压气机静子叶栅为对象，量化评估端壁倒圆半径误差对最小损失和近失速工况下气动性能不确定性影响。Montomoli等9研究了高压涡轮机中倒圆半径的不确定性影响。施卫东等10在平端面叶顶基础上研究了叶顶倒圆、斜切和倒圆斜切三种形状对轴流泵叶顶泄漏空化的影响。除了上述叶顶处理外，很多学者尝试非光滑叶片、仿生翼型、机匣处理等控制轴流风机通道内流动。张旭等11研究了轴流风机叶片压力面小凹坑对流量、压升和噪声的影响，发现凹坑叶片不仅可降低风机出口压力脉动幅值，还可有效减小通道内旋涡尺度，降低涡流噪声。王雷等12以原型轴流风机的中弧线为基础，叠加仿鸮翼型厚度分布，采用大涡模拟结合声类比方法，分析了原型和仿鸮叶片的气动和噪声特性，仿鸮翼型可以使叶顶气流平稳，延迟叶片表面的流动分离，减小叶片表面声压脉动范围。王雷等13采用长耳鸮截面厚度和翅膀边缘非光滑特征重构了轴流风机叶片，形成的仿生耦合叶片提升风量4.69%，整体降噪幅度达到2dB。吴立明等14对海鸥、雀鹰、长耳鸮和水鸭四种鸟类的翼型进行动态失速特性模拟，长耳鸮翼型升力峰最大，但其动态迟滞现象明显，仿海鸥翼型具有良好的稳定性和较低的阻力峰。谢芳等15针对轴流压缩机Rotor37采用减小叶顶间隙和周向槽方式，在不降低效率的同时，有效扩大了稳定裕度和提高压比。Alexej等16采用大涡模拟方法研究了叶顶间隙大小对泄漏涡的影响。综上所述，压力面均匀倒圆或者吸、压力面双侧均匀倒圆结构不能适应流向变厚度的叶顶截面，而非均匀倒圆结构可以很好的适应变厚度的叶顶，具有抑制泄漏涡和减小流动损失的优点，因此有必要开展相关研究。本文以热泵室外机半开式轴流风机为对象，通过实验和数值仿真结合的方法，研究叶顶压力面非均匀倒圆结构对控制叶顶载荷和泄漏流动的影响，以揭示叶顶倒圆降低泄漏流损失和噪声的机理。1研究对象和叶顶倒圆1.1研究对象本文研究对象是一种热泵室外机轴流风机，从相对机匣位置而言，该风机是一种半开式轴流风机，叶轮名义直径700mm，轴向高度与直径之比为0.3，轮毂比0.27，叶顶间隙10mm（间隙比2.8%），三叶，设计转速365r/min，设计风量3900m3/h，设计点全压升系数0.12。热泵室外机和轴流风机叶片如图1所示。1.2研究对象叶顶压力面倒圆前后几何结构如图2所示。压力面非均匀倒圆设计是在叶顶截面中线垂直的平面与叶片交线上沿着压力面侧创建参数化倒圆，在叶顶截面不同流向位置采用不同的倒圆半径，倒圆半径与叶顶截面处厚度相关，整个倒圆结构从叶顶前缘延伸到尾缘。本文采用沿流向参数化非均匀倒圆方法，不同流向位置处根据其垂直于中线截面厚度设置对应的倒圆，倒圆半径沿流向分布如图3所示。针对叶顶倒圆前后的半开式轴流风机进行了气动性能和流场数值计算。图1热泵室外机和轴流风机叶片Fig.1Heatpump outdoor unit and axial flow fan model 55Chinese Journal of Turbomachinery2实验和数值计算方法2.1实验测试装置和方法依据 GB/T 12362017 工业通风机用标准化风道进行性能试验、GB/T 177582010单元式空气调节机、GB/T 6882-2016声学 声压法测定噪声源声功率和声能量级消声室和半消声室精密法 分别对热泵室外机半开式轴流风机的气动和噪声性能进行测试，气动性能测试在美的集团中央研究院大风量试验台上开展，噪声性能测试按照 GB/T 177582010单元式空气调节机 在半消声室内开展。大风量试验台已通过“国家空调设备质量监督检验中心”认证评定。半消声室通过了国家权威计量机构CNAS认证，四周墙壁及屋顶安装消声尖劈，介质频率100Hz，背景噪声约为18dB(A)，远低于风机运行时的噪声，满足噪声试验要求。风量和噪声测试试验装置如图4所示。2.2数值计算方法及验证为准确捕捉空调室外机内部的流动特征，在仿真中对各关键过流组件均进行了建模。将整个计算域分为静止和旋转两部分，其中，静止域包含进出口、换热器、电机、电机支架和面板等，旋转域包含叶轮和轮毂。由于各部件形状较为复杂，全部采用非结构化网格。近壁面网格高度设置为2m，以确保壁面Y+值满足计算需求，包含叶轮的旋转域网格单元总数为420万，整个计算域网格单元总数达到2300万。计算域和局部网格，以及叶顶区域网格如图所示，采用四面体非结构化网格，为准确捕捉叶尖流动特征，对间隙区域内的网格进行了局部加密。数值仿真采用有限体积法求解器CFX。定常仿真湍流模型采用SST模型，壁面为采用无滑移边界。依据真实运行环境，进出口均采用开放边界条件，压力设置为标准大气压。非定常计算采用DDES模型，为提升计算准确性，对流项应用高精度模式，瞬态项选择二阶向后欧拉方程。转/静、转/转交界面设置为滑移边界条件。为了加速收敛，非定常计算以定常计算结果作为初场展开计算。非定常计算中，依据所需求解的最大频率，在转子一个旋转周期内设置1320物理时间步，每个物理时间步下设置4个虚拟时间步。非定常总计算时长约为14.5个周期，选择后4个周期的数据进行统计计算，获得各参数的平均值和波动量。(a)倒圆前叶顶外形(b)非均匀倒圆后叶顶外形图2倒圆前后叶顶外形Fig.2The blade tip geometry before and after fillet图3非均匀倒圆半径沿流向分布Fig.3Non-uniform fillet radius streamwise distribution(a)风量测试台(b)噪声测试半消声室图4风量和噪声测试装置Fig.4Aerodynamic and acoustic test rigs图5计算域、局部区域及叶片表面网格Fig.5Numerical domain,refined domain and surface grid(a)计算域及局部网格(b)叶顶倒圆前叶片表面网格(c)叶顶倒圆后叶片表面网格半开式轴流风机叶顶非均匀倒圆对泄漏流和噪声的影响 56Chinese Journal of Turbomachinery第65卷，2023年第3期Http:/turbo- Vol.65，2023,No.3为了验证计算域和网格划分方式是否能够满足计算精度要求，本文以叶顶倒圆前的风机为对象进行数值验证，计算了零背压下不同转速的风量和电机功率，并与测试结果进行比较，结果如图6所示。设计风量附近，数值计算结果与实验结果相差3%，非设计工况误差最大4%以内，功率误差5%以内，因此该计算域设置和网格划分方式可以满足精度要求，证明数值方法的可靠性。3结果与分析3.1实验测试结果叶顶非均匀倒圆前后风机在热泵室外机系统内运行，通过风量台测量不同转速时的风量和电机功率，对比结果如图7所示。同转速下，叶顶倒圆前后风量和功率变化较小，叶顶倒圆后风量略为增加，电机功率略微减小，可以认为叶顶倒圆对于风量和功率几乎无影响。3.2非均匀倒圆对叶顶载荷的影响叶顶压力面非均匀倒圆改变了叶顶区域压力分布，减小了叶顶区域的逆压梯度，可以有效减小叶顶分离涡和二次涡，也间接改变了叶顶载荷分布。叶顶载荷大小和分布对叶顶泄漏涡及其附属涡发展有很大影响，取出叶顶压力面单侧倒圆前后的尾缘环量rCu，结果如图8所示。可以看出，叶顶压力面单侧非均匀倒圆后，从展向位置60%处到叶顶区域载荷略微减小，这对于降低叶顶泄漏涡，以及分离涡和二次涡均有利。3.3非均匀倒圆对泄漏涡的影响在轴流压气机中，叶顶间隙流动是由压力面分离涡、叶顶吸力面侧的二次涡和泄漏涡共同组成，压力面侧高压气体向叶顶流动形成分离涡，到达吸力面侧形成二次涡，这种三涡结构是叶顶泄漏损失和效率损失的主要原因。表征叶顶泄漏涡的特征参数主要是绝对涡量，其中流向涡风量s和径向涡分量n分别表征二次流和泄漏流的强弱，定义分别如下：s=2|=rr+zz2 2r+2+2z(1)n=|=rr+zz2r+2+2z 2r+2+2z(2)=V=rir+i+ziz(3)其中，表示风机角速度；表示绝对涡量。流向涡风量s表示旋涡在流向的衰减，经常用于确定旋涡的轨迹和旋向。径向涡分量n表示绝对涡量与相对速度夹角的余弦值，当在涡核中心处径向涡分量趋向于1，径向涡分量正负表示相对流向速度的旋涡方向。与流向涡分量不同的是，径向涡分量可以量化旋涡特性，特别有助于发现旋涡破碎导致的叶顶泄漏涡变化。图9显示了叶顶区域压力面非均匀倒圆前后流向涡分量和径向涡分量的分布云图，可以看出叶顶压力面倒圆后，泄漏涡分离点从距离吸力面前缘1/3位置移动到吸力图6零背压下不同转速风量和功率比较Fig.6Comparison of air volume and power at differentrotate speed with zero pressure图7零背压下倒圆前后风量和功率比较Fig.7Comparison of air volume and power at zeropressure with and without fillet图8叶顶压力面倒圆前后的尾缘载荷比较Fig.8Loading distribution at trailing edge of blade tippressure surface with and without fillet图9叶顶倒圆前后流向和径向涡分量比较(96%叶高)Fig.9Comparison of streamwise and radial vortex at 96%blade height with and without blade tip fillet(a)倒圆前流向涡量(b)倒圆后流向涡量(c)倒圆前径向涡量(d)倒圆后径向涡量 57Chinese Journal of Turbomachinery面尾缘，泄漏涡强度明显减弱，其在尾缘处进入导风圈后向切向偏转，但是由于强度减弱，所以其对下游相邻叶片压力面的冲击减弱。图10显示了叶顶非均匀倒圆前后96%叶高处通道内压力脉动情况，可以看出，通过叶顶压力面倒圆，改变了泄漏涡的轨迹，减弱了泄漏涡强度，从而明显降低了通道内气体脉动压力，这有助于降低叶顶泄漏涡引起的宽频噪声。3.4非均匀倒圆对气动噪声的影响由于叶顶压力面单侧非均匀倒圆结构改变了叶顶区域泄漏流动，叶顶区域逆压梯度减弱，降低了分离涡和二次流，同时因为叶顶载荷减小降低了泄漏涡强度，这些因素综合使得叶顶倒圆后半开式轴流风机同风量条件下噪声减小，对比结果如图11所示。在设计风量工况，叶顶压力面单侧倒圆可以使风机噪声降低达0.8dB(A)。设计风量工况下叶顶压力面侧倒圆前后噪声频谱对比如图12所示。叶顶压力面倒圆后，离散噪声略微下降，在1001200Hz范围内宽频噪声整体下降，间接验证了叶顶倒圆减弱了泄漏涡强度。4结论本文通过数值仿真和实验结合的方法，研究了半开式轴流风机叶顶压力面侧非均匀倒圆对风机气动、噪声、泄漏涡强度和轨迹的影响，通过数值模拟和实验的研究，主要得到以下结论：1）半开式轴流风机叶顶压力面单侧非均匀倒圆结构对风量和功率几乎无影响。2）叶顶压力面侧非均匀倒圆减小了叶顶区域的载荷rCu，对于降低叶顶泄漏涡，以及分离涡和二次涡均有利。3）叶顶压力面非均匀倒圆改变了泄漏涡在吸力面的分离点。泄漏涡分离点从距离吸力面前缘1/3位置移动到吸力面尾缘，泄漏涡强度明显减弱，其在尾缘处进入导风圈后向切向偏转，但由于其强度减弱，所以其对下游相邻叶片压力面的冲击减弱。4）叶顶压力面非均匀倒圆有效降低了叶顶泄漏涡引起的宽频噪声，同风量条件下噪声下降约0.8dB(A)。参考文献1胡小文，张龙新，胡斯特，等.叶顶小翼对不同加载叶顶型线轴流风扇的流动控制研究J.中国电机工程学报，2020，40(24):8090-8097.2张龙新，胡斯特，詹东文，等.应用叶尖小翼改善对旋风机性能的数值及实验研究J.工程热物理学报，2022，43(6):1691-1695.3胡小文，李景银，闻苏平，等.轴流风扇叶顶沟槽对间隙流动控制机理研究J.流体机械，2021，49（8）：57-63.4B Li,Q Lu,BY Jiang,et al.Effects of outer edge bending on theaerodynamic and noise characters of axial fan for air conditioners.Process,10(4),686,2022.DOI:10.3390/pr10040686.5高丽敏，刘思余，李永增，等扩压叶栅叶顶间隙流动结构研究J.工程热物理学报，2020，41(2)：329-3346高丽敏，王浩浩，赵磊，等.叶尖单侧倒圆对扩压叶珊叶顶间隙流动的影响J.航空动力学报，2020，35(9):1927-1935.7MR Song,YH Wang,R Zhou,et al.Study on the effect of rotor tipfillet edge in axial compressor.Journal of Power and Energy,236(6):1031-1047,2022.DOI:10.1177/09576509221086462.8郭正涛，楚武利，姬田园，等.端壁倒圆半径误差对高负荷静叶栅影响的不确定性分析J.航空动力学报，2021，36(10):2173-2185.9F Montomoli,M Massini，and S Salvadori.Geometrical uncertaintyin turbomachinery:tip gap and fillet 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