双向风机用叶型气动性能分析与实验研究

双向风机用叶型气动性能分析与实验研究

张季

中国电建集团透平科技有限公司

摘要：应用X-foil软件对对称叶型、非对称叶型、S型叶型气动性能展开计算，发现处于较大攻角条件下，非对称叶型升力、升阻性能显著优于对称叶型、S型叶型。以下通过设计三种叶型在双向风机中的应用试验，开展反风性能分析和空气动力学性能分析，

关键词：双向风机；叶型；气动性能；实验

1叶型气动性能分析

选取三款叶型，即R18（对称叶型）、S18（S型叶型）和FJ10（非对称叶型），结合表1所示特征参数和图1所示三种叶型型线图，应用X-foil软件展开处理。

表1 三种叶型特征参数

图1 三种叶型型线图

X-foil软件以面元法理论、边界层理论为基础，能够针对低速叶型展开快速分析，具有计算简单等优势[3]。为此，本文选择应用X-foil软件开展三种叶型气动性能计算，当Re=1.0×106时，可得到如图2所示的计算结果。

图2 三种叶型气动性能曲线

结合图2（a）曲线图可知，攻角低于9°时，基于同一攻角角度下，FJ10叶型升力系数（Cl）明显高于R18叶型、S18叶型；攻角高于9°时，在相同攻角角条件下，FJ10叶型Cl比S18叶型稍低。在1°-9°的攻角范围内，R18叶型和S18叶型的Cl-攻角曲线重叠。在角小于1°的情况下，S18叶型的Cl值比R18叶型高。

结合图2（b）曲线图可知，基于整个攻角数值范围内，三种叶型升阻比（Cl/Cd）-攻角曲线平台。当攻角低于10°时，FJ10叶型Cl/Cd显著高于R18叶型、S18叶型；伴随攻角数值增大，FJ10叶型Cl/Cd略低于R18叶型、S18叶型。当攻角处于负值范围内时，R18叶型Cl/Cd显著低于S18叶型。当攻角高于0°时，R18叶型Cl/Cd显著高于S18叶型。

从上述结果中可知，伴随风机运行状态变化，作用于叶片的速度大小和方向是不同的，这种改变可以通过叶型的攻角变化反映出来。在大流量工况下，叶型工作在小攻角范围，当气流减少时，攻角增加。因此，要想进一步提升双向风机的工作效能，就必须选用升阻比范围较宽叶型。

2双向风机用叶型性能测试

为进一步分析三种叶型在双向风机中的实际应用效果，设计一个风筒分别配以三种不同叶轮。由于三种叶型气动性能存在一定差异，为此在同种设计风量、全压情况下，三种叶型的叶片弦长、扭曲规律存在差异，为便于开展比较分析，针对三种叶型叶片弦长、扭曲规律加以调整，最终设计的三种叶型气动性能参数为：R18叶型、S18叶型的QR和全压分别为12.1m3/s、594Pa；FJ10叶型的QF和全压分别为12.5m3/s、700Pa。

3结果分析

针对三种叶型分别开展正风、反风空气动力试验，试验结果如图4所示。

图4 三种叶型空气动力性能试验结果

3.1反风性能分析

由图4可知，应用三种叶型设计的叶轮风量-效率曲线高效范围较为宽泛，产生此种结果的原因在于，本研究所设计的三种叶型在不同攻角条件下均能维持较高的Cl/Cd。为进一步验证三种叶型的反风性能，计算不同工况下三种叶型的全压与效率数值，

在正风和反风工况下，R18叶型的Q-Pa曲线和Q-效率曲线比较接近，基于三种不同工况下，该叶型全压与效率差值分别为1.89%,6.14%,1.62%与1.4%,1.82%,2.79%。S18叶型的Q-Pa曲线和Q-效率曲线在正反风条件下的一致性较为良好，于三种不同工况下，该叶型全压与效率差值分别为-7.9%,-2.68%,-0.85%,与-1.23%,0.63%,-0.36%。FJ10叶型叶片的回风率却很低，当最大回风量可达设计流量的97.4%时，其效率仅为39.2%。研究发现，尽管传统的不对称叶型叶轮能够获得较好的正风空气动力学性能，但其反向风量及效率并不理想，与之相比R18、S18叶型均具有较好的反风性能。

3.2空气动力学性能分析

由图4可知，R18叶型叶轮的最大正向风流量为14.99m3/s，反向风最大流量为14.76m3/s；S18叶型叶轮最大正向风流量为13.63m3/s，反向风最大流量为13.62m3/s，与R18叶型相比，S18叶型叶轮的最大反向风流量下降9.08%、7.73%。结果表明，在同一工况条件下，R18叶型叶片的正、反向风全压及效率比S18叶片小。具体表现为：在三种工况下，S18叶型正风全压较R18叶型下降1.63%、21.38%、36.57%和-14.57%、3.94%、14.74%。同理，在三种工况下，S18叶型反风全压较R18叶型下降10.97%、27.91%、38.11%和-11.61%、5.06%、17.36%。

基于上述结果可知，在三种叶型中，应用R18叶型开展叶轮设计的方案最为理想。即在额定工况条件下，R18叶型正风、反风空气动力性能数值均可满足设计要求，证实R18叶型具备良好的反风性能，可大幅提升双向风机的工作效率。

4结论

综上所述，通过本文研究可得出以下结论：

（1）应用X-foil软件对对称叶型、非对称叶型、S型叶型气动性能展开计算，结果显示处于较大攻角条件下，非对称叶型升力、升阻性能显著优于对称叶型、S型叶型。

（2）通过设计三种叶型在双向风机中的应用试验，开展反风性能分析和空气动力学性能分析，结果显示：三种叶型中，应用对称叶型设计的双向风机效果最为理想，基于额定工况条件下，对称叶型可满足双向风机性能要求，具有反风性能良好、空气动力性能良好等优势，可大幅提升双向风机的工作效率。

参考文献

[1]董青山,陈建,张喜峰.翼型选择对轴流风机性能影响的数值研究[J].能源工程,2019(03):76-81.

[2]王海民,高涌东,胡峰等.利用Clark Y构造非对称翼型风机的正向通风性能对比[J].流体机械,2020,48(01):46-52.