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地铁风机椭圆形叶片空气动力学特性研究与结构改进

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  摘要:地铁专用风机作为地下通风系统的核心设备之一,在其使用过程中出现了旋转失速的严重问题。为了研究地铁风机椭圆形叶片空气动力学特性、探究其可靠的叶型绕流计算模拟方法,根据计算流体力学理论,建立了其数学模型及流体力学模型,运用商用软件NUMECA,分析了产生旋转失速的原因,并有针对性的进行叶片的结构改进。所得结果为地铁风机叶片的研究具有重要的理论意义和实际意义。
   关键词:地铁风机;椭圆形叶片;空气动力学;旋转失速;结构改进
  
  中图分类号:U231文献标识码: A
  0 前言
  叶片作为地铁用风机的“心脏”,它的性能的好坏是决定风机性能好坏的最重要的因素,对风机装置效率和安全可靠运行有着重要影响。椭圆形叶片由于具有双向通风的性能,被大量应用到地铁风机中,但是在实际试用过程中,出现了旋转失速的问题,这对地铁出现紧急事故时的排烟造成一定的负面影响。旋转失速是指气流冲角达到临界值附近时,气流会离开叶片凸面,发生边界层分离从而产生大量区域的涡流造成风机风压下降的现象。同时会使气流与叶片相对速度接近声速造成空气在叶片前缘堆积,旋转失速的发生决定于叶轮本身结构性能、气流情况等因素。所以我们有必要专门研究地铁风机椭圆形叶片的空气动力特性,以便获得性能更好的叶片结构,更好地为工程服务,为风机的叶轮设计提供参考依据,同时对提高风机特别是地铁轴流风机本身的效率有着重要的意义。
  1风机叶轮模型的建立
  采用NUMECA中专门针对旋转机械而开发了的强大网格生成系统中IGG特有的AutoGrid子模块中的网格生成器进行模型的网络划分。由于风机的结构较复杂且属于不规则形状,非结构化网格在处理复杂结构上有其特殊的优点,因此本课题选择了非结构化网格,但是这样就增加了网格的数量和计算的难度,这对于计算机来说只要控制好网格的大小和数量就可以在不影响精度的情况下减少计算时间,达到预期的效果。这里笔者在兼顾计算的精确性和计算速度的前提下,将网格大小定为40mm。
  
  图1七个周期性重复网络划分
  2迭代结果的分析
  当流量值达到60m3/s且总压达到接近600Pa的时候,跨中部分的迹线以及轮毂部分的迹线分布图如下,从图中可以明显看出,在这个时刻叶轮内部的气体发生了明显的旋转失速,产生较为明显的涡流。图5为叶片尖端形成的涡流。从图中可以推测,如果改变叶片尖端的叶片形状,或许可以缓解这一问题。
  
  图2跨中处的迹线
  
  图3 轮毂处的迹线
  
  图4叶片尖端涡流的形成
  3椭圆叶片及其改进叶片的性能
  研究
  现在分析椭圆叶片以及椭圆叶片40%弦长头部分别转动5°、10°、15°等几种情况下,叶片性能的变化情况,并且分析得出这几种方案中性能较优的一种,为今后叶片研究提供参考。
  本文为方便起见,将改进后的三个叶片分别命名为ty-gj-04-05、ty-gj-04-10、ty-gj-04-15。其中ty为椭圆;gj为改进叶片;04为0.4倍弦长的叶片前部;05、10、15分别代表前部旋转过的角度分别为、、。
  
  ty-gj-04-00 叶片
  
  ty-gj-04-05 叶片
  
  ty-gj-04-10 叶片
  
  ty-gj-04-15 叶片
  图5椭圆叶片及其改进叶片速度矢量分布图
  从上图可以看出,首先分析头部范围,从ty-gj-04-00叶片到ty-gj-04-10叶片三个之间可以看出速度较高区域逐步的增大,而从ty-gj-04-10叶片到ty-gj-04-15叶片来看叶片头部的速度较高区则减小很多,甚至于在ty-gj-04-15叶片头部范围内都没有见到相应的速度较高的区域。四种叶片的尾部区域都是存在一个低速区,这是由于叶片尾部较厚造成的。另外从叶片ty-gj-04-10和ty-gj-04-15叶片中部对接处可以看出上表面出现一个速度较高的区域,而在叶片下表面相应位置则是出现了速度较低的区,这是由于该处不够“光滑”造成的。但是却使得叶片尖端处的涡流得到了有效的缓解。通过比较得出几组叶片中ty-gj-04-10叶片性能最优。
  4结论
  本文针对地铁用风机旋转失速的问题,通过进行叶片的结构改进,通过模拟仿真分析,使得该问题得到明显的缓解,为叶片的设计提供了参考,而且性能更优,效率更高。通过分析得出系列叶型中性能最优的一个叶型为将叶片弦长方向前40%的头部绕该处的叶弦上的中心点分别旋转10°。
  参 考 文 献:
   [1] 黄典贵,张媛媛. 高效可逆风机的全三维正交优化设计[J]. 风机技术. 2011(04)
  [2] 田琳,苏莫明. 双向轴流通风机设计方法的研究[J]. 风机技术. 2010(05)
  [3] 李永胜,张运伟,高远,李景银. 完全可逆地铁轴流通风机气动设计综述[J]. 风机技术. 2010(01)
  [4] 李景银,陈魏巍,吕峰. 带有前后导叶的新型可逆轴流风机数值研究[J]. 机械工程学报. 2010(02)
  [5] Harrison A. Belt conveyor research 1980~2000 [J]. Bulk Solids Handling,2001, 21(2):159-164.
  [6] Nordell L K, Ciozada Z P. Transient belt stresses during starting and stopping: elastic response simulated by finite element method [J]. Bulk Solid Handling, 1984, 4(1): 93-98.

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