叶片厚度对可控涡设计轴流风机整体和局部性能影响的实验研究
Sarraf, H. Nouri, F. Ravelet, F. Bakir
Arts et Metiers ParisTech, DynFluid, 151 boulevard de lrsquo;Hocirc;pital, 75013 Paris, France
关键词：轴流式风机，涡轮机，叶片厚度，总体性能，压力波动，相平均风速测量
摘要：本文研究了叶片厚度对轴流式风机性能的影响。研究了两个叶片厚度不同的风扇。第一个风扇的设计是作为汽车动力装置冷却系统的一部分，它有非常薄的叶片。第二扇风机的叶片要厚得多，与旋铸成型工艺相适应。在按照ISO-5801标准设计的试验台上，对风机的总体性能进行了测量。对于厚叶片风机，气动特性曲线(压头与流量的关系)稍陡，公称点向低流量方向移动。厚叶片风机的效率低于薄叶片风机，但在较宽的流量范围内仍保持较高的效率。对于厚叶片风扇，转子下游的平均速度场在名义点上非常相似，但中心磨较小。此外，厚叶片风扇保持轴向出口流量范围更大的流量。主要的差别是流动的局部性质:在标称流动速率下，相平均风速和壁面压力波动有很大的差别。厚叶扇的总波动水平低于薄叶扇，壁面通量和速度信号的频谱分解显示厚叶扇的谐波较多，不同信号间的相关性较小。对于这种叶轮机械，使用厚叶片可以在更大的工作范围内，在气动性能和声学性能之间取得很好的折中。
1.导言
汽车动力装置冷却系统中的低速轴流风扇具有非常复杂的三维几何形状，影响其整体性能和声学性能。一个显著地改变性能的参数的例子是刀片扫掠[1-4]。影响性能的第二个参数是叶片厚度。低速轴流式风机通常采用传统的薄叶片。然而，为了主动控制叶片形状或使用旋转成型工艺过程[5,6]，设计者现在不得不面对叶片较厚的问题。叶片形状的控制可能有助于减少辐射噪声或扩大工作范围，因此对执行机构的需求意味着更厚的叶片。先前测试过的风力涡轮叶片转子成形工艺导致了厚的空心叶片，由于材料的增加，可能更经济。叶片的刚度越大，惯性矩越大。与传统的注塑成型方法相比，复杂形状的可回收叶片更容易制造，并且叶片可以用吸声泡沫填充。
在航空和汽车工业中，改变叶片厚度多年来一直被用作改变升力和阻力特性以及边界层分离过程的有效方法[7,8]。在低速轴流式风机中，叶片厚度的增加增加了叶片后风道的能量耗散，从而降低了风机的性能，提高了风机的尾流压强。叶片厚度对整体性能的影响还不是很清楚[9-12]，据我们所知，叶片厚度对动力学的影响仍然是一个悬而未决的问题。
因此，本研究拟比较两种仅在叶片厚度上有差异的轴流式风机的气动性能。风机的几何形状和实验设置在第2节中介绍。平均特征的结果在第3节中给出并讨论:两个风机的总体特征在第3.1节中给出;第3.2节比较了风机下游的平均速度场，3.3节简要讨论了这些结果。关于局部波动量的一些结果被提出，并在第4节中讨论:壁面压力波动的测量声学性能的图像在4.1节中给出，最后，相位平均速度信号的测量在一个点，然后比较在4.2节。然后在第5节中提出结束语。
2.实验装置
2.1.两台风机的几何结构
本研究中使用的风机是根据[13]中详细介绍的方法为汽车发动机冷却系统应用开发的两台样机。风扇由铝制成，除叶片厚度外具有相同的几何特性。薄叶片轴流风扇是参考，并被标记为 FA。厚叶片风扇标记为 FB。厚叶片风扇的图片如图 1 所示，图中 FA 和 FB 叶片的一部分位于轮毂、中间跨距和尖端。叶片叶栅的主要特性如表 1 所示。这些风扇每个都有六个叶片。转子由圆弧弧线叶片构成，在 0.95x/c 下剪裁平均弦 c =74 mm 的 NACA-65 轮廓。轮毂-叶尖半径比为 Rint/Rmax 0.365，头端半径比为 Rmax=179 mm。在自由流动实验装置中，为了缩小径向间隙，转子还用锯齿形的圆环覆盖(参见下文第 2.2 节)。按照可控涡流设计方法[3,13]:在目前的情况下, 转子 Vh 下游的绝对切向速度随半径线性增加，使得单位质量 xrVh 的欧拉功从轮毂到叶片头端呈二次曲线增加。叶片负载，即欧拉功与周向速度平方的比值，沿径向也是恒定的。采用这种设计，轮毂的损耗降低，刀片扭曲更小[3]。叶片叠放在后缘。刀片最终被向前扫去，以便从更低的音调噪声中受益，正如几项研究[1–4]所建议的那样。前向扫描还可能增加或降低整体性能，这取决于叶片载荷分布，如参考文献[3,4]所述。
图 1. 两个风扇的视图。从正面看，剖面各跨度处的厚薄剖面及厚度沿子午线的分布规律。表 1
参考风扇 FA 的叶片级联参数。半径 R (mm)。弦长 c (mm)。串级固 r. 交错角 c（°）。根据参考文献中给出的命名法指定剖面。13：NACA 65 (xx) yy，其中 (xx) 代表相对外倾角，yy 代表相对厚度。Lieblein s 扩散因子 D。
薄叶片轴流式风机FA的最大叶片厚度为4mm，即跨中弦长的5.6%(常规轴流式风机的最大叶片厚度通常是变化的)，从轮毂的大约10%到头端[13]的7%)。第二扇FB叶片加厚至最大厚度10mm，即跨中弦长13.5%。FB风机厚度分布e为:eB = 2eA 2mm。风机FA设计满足标称角速度xN = 260 rad s-1时pdes = 270 Pa, QN.des = 0.736 m3 s-1的规格点。相应的比速度
2.2. 标准化测试平台和测量技术
2.2.1. 自由流动实验设施
图 2a 显示了用于确定轴流风扇在开放流动配置中的整体性能的实验装置。空气吸入试验台是在 Arts et Mtiers ParisTech 的 Dynfiuid 实验室按照 ISO-5801 标准设计建造的。它由一个大小1.3times;1.3times;1.8米的长方体组成，里面有一个穿孔板，防止流体发生预旋转。风扇放置在一端，锯齿形圆环与工作台紧密贴合。根据 ISO-5167 标准，通过设置位于另一端的各种尺寸的隔板的工作台液压阻抗来设置和测量空气流速。
以 0.1 Pa 的绝对精密度测量压力升高p。用 HBM 应变仪传感器测量风扇轴上的扭矩 C。扭矩测量的不确定性相当于最大测量扭矩的 0.1 倍。用相对精度为 0.2 的速度计测量角速度 x。然后通过产品 C估算风扇轴上吸附的功率。整个系统的精确度可在约 0.5 范围内测定效率。
采用双组分激光多普勒测速仪 (LDA) 和 DANTEC流量探测仪系统测量了风机尾迹处的平均速度场。风机下游平均速度场的三分量求解方法依赖于风机平均风速的轴对称性，即采用后验方法。实验室笛卡尔坐标系 X；Y；Z 和两个测量平面的定义如图 3 所示。LDA 系统测量 Y 轴和 Z 轴的速度。首先在距旋转轴一定径向距离 r 的 Y;Z 平面和距 Y 方向风扇后缘（轴向）距离 Z 处（图 3 中的点 1）进行测量。因此，在极坐标中测得的速度是径向速度 Vr (r,z) 和轴向速度 Vz (r,z)。然后将测量体积精确地遍历到相同的径向和轴向距离 r 和 z，但在 X；Y 平面（图 3 中的点 2）。特别注意系统的对准，在极坐标中该第二个点测量的速度与测量两次的切向速度 Vh (r,z) 和轴向速度 Vz (r,z) 相反。然后，我们检查两次测量给出相同的平均轴向速度：两个平面中的 Vz (r，z) 之间的差异在任何地方都小于 1%。
采用二维Dantec 55R51热纤维膜探针的恒温风速法(CTA)也得到了进一步的研究特别是速度波动和相位平均速度信号。得到三个速度分量的方法与文献中描述的相同。[2,4]，是基于两个测量在不同的角度位置的探针。
图 2. ISO-5801 测试工作台。(a) 开放式设施。尺寸是1.3times;1.3times;1.8 m。风扇通过试验台吸入液体。(b) 导管-流动装置。这种结构用于测量局部壁压波动。风扇把气流吹进管子里。
2.2.2导管-流动实验装置
为了比较两种风机在管道流态下的行为，测量壁面压力波动，根据ISO-5801标准建立了第二个试验台(图2b)。
图3 用双分量LDA系统测量平均出口流场。在显示为白线的两个平面中进行测量。坐标系原点以旋转轴为中心，原点的轴向位置对应于包含风机叶片尾缘的平面。LDA系统测量Y和Z方向上的速度。在点1这对应轴向Vz和径向速度Vr。在点 2，这对应轴向 Vz 和切向速度 Vh 的相反方向。
它由一个内径为D = 380毫米的圆柱管组成。在管道的进口处有一个钟形口。风机上游端面与管道进口距离D。直流电动机隐藏在直径0.3D、长度0.7D的机壳中，机头一端形状为弹头形。5根直径为8mm的棒材(即0.02D)保证与管的结合，使其影响最小化，而不考虑流量。风机上游端面与绑扎杆之间的距离为0.26D。在定子-转子机组下游放置8片厚度1.5 mm、长度2D的金属板组成的防回转装置，防止出流有任何旋转部件。轴流式风机的静压在防回转装置下游1D处测量，平均有4个以上冲装压力抽头。流量由一个归一化膜片测量，膜片位于防回转装置下游10D处，管道出口上游5D处。膜片直径为0.73D。在管道出口处还设置了不同尺寸的隔板，以改变试验台的水力阻抗，从而改变所研究的轴流式风机的工作点。
管壁压力波动由分布均匀的8个传声器同时测量。它们安装在风机的下游，位于风机和确保与管道连接的五根杆之间(见图2b)。麦克风为 G.R.A.S 40 bp 1400 型偏振压力传声器，灵敏度为 1.65 mV Pa 1, 配有 G.R.A.S 26AC 前置放大器和 G.R.A.S 12AG 电源模块。信号放大增益为 30db，采用截止频率为20hz的三极巴特沃思滤波器进行高通滤波。然后使用NI数据采集卡(m6211, 16位)以12 kHz的采样速率对信号进行数字化。
3.比较两个风扇的平均特性
3.1.总体特征
两种风机的特性及参考风机的设计工作点如图4a所示。流速系数 (U) 和压力上升系数 (W) 分别由公式 (1) 和 (2) 定义
图 4. 风扇特征：(a) 压力上升系数 W 与固定速率系数 U 和 (b) 风扇效率 g 与固定速率系数 U，e T：薄叶片风扇 FA，(h)：厚叶片风扇 FB 和（●）：设计规格点。通过 5 项独立实验评价重现性，显示的是误差线，(a) 放大 3 倍，(b) 放大 6 倍。
因此，设计点对应于Udes = 0.156, Wdes = 0.200，由图4a中的点表示。
这些曲线是在公称转速xN = 260 rad s-1下五次测量的结果。图4a中的误差条代表U和W的5个测量值的标准差，为了更好地显示，用因子3表示。压力系数系数分布较为相似。薄叶片风机FA与图4所示的规格点相匹配。在设计流量下，厚叶片风机FB产生的压力上升比规定的压力上升低8%。FB曲线比FA曲线更陡，两扇风机之间存在交叉:在U = 0.11以下的部分流量下，FB比FA产生更大的压力上升;在超流率下，大约超过U = 0.2时，FA这一次产生的压力上升大于FB，两个风扇之间的压力上升差几乎保持不变。效率系数(g)由式(3)定义:
两种风机的效率如图4b所示，设计点的流量系数用垂直虚线标出。效率分布具有经典的形状，部分流量的演化较慢，标称流动速率后显著下降。FA的标称流量为,相应的压力系数为,.效率是，这对于这种类型的叶轮机械是相当公平的[13]。最大值向最低点方向移动。这一点将在3.3讨论。
厚叶片风扇FB的最大效率为。叶片增厚导致eta;max降低0.03。FB的标称流动速率相对于FA的标称流动速率向大约17%的部分流动速率移动，因此厚叶片风扇提供了非常接近设计点des0.156的流动速率N,B=0.15的最佳效率。相应的压力系数为Psi;N,B=0.19。FB效率的分布比FA效率的分布更均匀：FB效率从eta;max下降3%所对应的流动速率范围为0.3/N，而FA效率仅为0.2/N。得出一定结论，注意，尽管厚叶片风扇FB在标称角速度omega;N=260rad时不符合质量标准点，但在以omega;N=270rad旋转的风扇下，可达到标称点(∆p=270Pa,QN=0.736)中的预期点。由于这两种风扇的效率在此类流动速率(eta;asymp;0.55)下相同，在汽车冷却应用中使用omega;=270rad的FB与使用omega;=260rad的FA相同的功耗。
3.2.平均出口流场的比较
转子下游的平均出口流量可以提供进一步的信息，以帮助理解所观察到的关于总体特征的差异。为了比较两种风机FA和FB，分别对两种风机的流场进行了测量。每一组包括选择一维工作点(自由流动实验装置进口固定膜片、流量Q和压力上升∆p)，调整两台风机的转速，使其在同一工况下运行。
第一组非常接近FB的标称流量，(N,B=0.15)，如图5所示。第二组非常接近FA的标称流量，(N,A=0.18)，如图6所示。流场的测量在笛卡尔网格扩展通常从z=20毫米到z=150毫米的间距10毫米轴向(14分)和r=40毫米从r=r=220毫米或65毫米r=255毫米的间距5毫米(38分在径向方向上)。平均数据速率为2000hz，信号采集时间为15s，即转子在每个位置的转速约为500转。因此，平均值和标准偏差充分收敛。
3.2.1.卸料流组件
子午面内的流场，即放电成分Vz(rz)和离心分量Vr(r,z)如图5、6a、b所示。
两个风机的一个共同特点是，无论流量如何，都存在一个较大的再循环，靠近轮毂的上游速度较小:排出的流量rgt;100mm。用CTA测量靠近轮毂的流场时，无法得到速度方向。主要区别在于两个风机对流量的离心作用。<!--资料编号：[4609]
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