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径向外流型斜流风机的设计和实验
摘要
以轴流式斜流风机的设计方法来设计的径向外流型斜流风机有更低的比转速约600-700（m3/min，m），实际比转速是670（m3/min，m），它是由一个准三维设计方法设计的。实验调查由风扇特性测试、五孔探针和一个热线探针的流量调查组成。风机特性测试与设计值吻合良好。在转子出口流量的调查中，观察到了特征区域。流量现象展现了形成特征区域的两个区域，一个是叶尖泄露涡附近，另一个是在转自叶片压力面分离处。
关键词：斜流风机、径向外流、五孔探针、热线探针
- 简介
斜流风机有轴流式通风机和离心风机的共有特征。因此，有两种设计方法来设计斜流风机，一种是基于轴流的方法设计，另一种是基于离心流的方法设计。基于轴流设计方法设计的有Inoue[1,2]提出的准三维设计方法。在他们的设计方法中，将一个三维流动分为两个二维流动，一个是子午流，另一个是叶片间流。在叶片间流中，叶片剖面图是基于实验级联数据修正以考虑表面倾角的影响和轴流速度的变化。在他们的研究中是采用叶片元素的选择来修改NACA65系列地毯图[3]。这种设计方法已经被证实对于轴流型斜流风机有用，具有具体速度约1200-1600（m3/min,m)。Kaneko[4]和Furukawa[5]已经证实这种设计方法设计的轴流型斜流风机是有效的，并且具有大比速。最近，Maeda[6]和Sawamura[7]表明，这种设计方法对于轴流混流泵的高比速是有用的。
如今，结合离心风机和卷轴的风机通常用于工业风扇中，具体速度600-700（m3/min，m），由于其经济优势，因为它由金属板廉价制造。另一方面，更高效的风机预计采用斜流风机来代替离心风机，因为斜流风机的设计可采用上述设计方法，能达到比离心风机更高的效率。
本研究的目的是应用基于轴流式斜流风机的设计方法来设计低比转速为600-700（m3/min，m）的径向外流型斜流风机。特定速为670（m3/min，m）的斜流风机是使用Inoue[1,2]的准三维设计方法设计的。在本文中，对风机的特点进行了实验调查，内部流程调查用五孔探针和热线探针组成，和径向外流型斜流风机的设计一样。
- 斜流风机的设计
表一显示了这项研究中风扇的规格，中心和套管的倾斜角度是相对较大的值50°和45°，以便符合径向外流的滚动需求。
Inoue[1,2]的准三维设计方法用以设计一个斜流风机，图1显示了斜流风机叶片元素的设计过程。首先，通过使用Novak[8]的过程反复计算子午流得到q方向（准正常方向子午流）的平衡；图2显示了子午流线计算LE和TE分别显示转子的前缘和后缘；其次，计算流表面转化形，叶片元素通过二维级联数据被选中。选用叶片元素NACA65系列地毯图修正，叶片配置的纠正是为了考虑流面倾角的影响和轴流的速度变化。最后，在保形平面上的叶片剖面图修正预计在原始流表面。图3显示了转子叶片几何角度的观点。
子午流计算 计算叶片间流 图2 子午流线 图3叶片几何
图1 叶片元素的设计过程
- 实验仪器和程序
图4显示了在这项研究中使用的实验仪器，流量控制是通过在下游转子流设置阻尼器，阻尼器6疏密度的设置来改变流量，流量通过入口喷嘴来测量，总压强的增加是通过在下游转子流的一个总压管来测量的（在图4中P(3t)），轴扭矩是通过扭矩仪测量的。
图4 图5
图5显示了风扇的轮廓，在这项研究中，斜流风机的内部流不滚动了，假设流场是对称的旋转轴，尽管斜流风机是专为滚动型风扇。因此，流出的空气完全径向和对称。转子叶尖间隙是0.75毫米。进行内部流动的测量是使用五孔探针和热线探针，这两个探测器都事先校准，热线调查中，锁相值是通过使用锁相平均技术[9]测量的。
- 实验结果和讨论
4.1 风机的特点
图6风机的特点
图6显示了测试风机的特性曲线，效率eta;、能量系数psi;和动力系数tau;的绘制对流量系数Phi;，这些值定义如下：
Phi;=Q/(AUt） （1）
Psi;=Delta;P/(rho;Ut2/2 (2)
tau;=Tw/(rho;U3tA/2) (3)
eta;=Phi;psi;/tau; (4)
A是参考区域，参考速度Ut被定义为转子顶端的速度。
对于曲线的能量系数psi;，试验数值和设计的流量值相一致，并且在低流速情况下失速特征区域是很小的。对于曲线的效率eta;，轮廓在设计的流量内是相对平的，效率eta;的最大值是90%。对于动力系数曲线tau;，轮廓在大范围的流量中几乎是平的，这是可取的电机规格。
风机特性的实验结果表明,该斜流风机具有较高的性能和稳定的特点。
4.2 利用五孔探针流量调查结果
- 径向速度 （a）径向速度
（b）切向速度 （b）切向速度
（c）总压力 （c）总压力
图7流量调查结果在转子进口用五孔探针 图8流量调查结果在转子出口用五孔探针
图7和图8显示了流量调查结果通过在转子进口和出口使用五孔探针，图7(a)和图8(a)显示了径向速度Vmer，图7(b)和图8(b)显示切向速度Vtheta;，图7(c)和图8(c)显示压力PT，在这些图表中，半径r是通过在中心rh和套管rc的半径规范化的，速度是根据参考速度Ut规范化的。图中的实线显示的设计值在设计流量的比例Phi;= 0.265。
在图7(a）的子午速度分布，尖端附近的Vmer值减少因为在进气装置的边界层。在图7的切向速度分布(b)，Vtheta;的值几乎为零因为这个风机没有预旋转。在图7的总压分布(c)，PT的值几乎为零，但是PT的值在尖端附近降低了因为在进气装置的边界层。在图7(a),7(b)和(c)中，数值在Phi;=0.276时几乎与设计值一样。
图8(a)的子午速度分布，Vmer的数值在尖端和中心附近都减少了，在中心附近的数值减少是沿着中心的边界层的影响，在尖端附近的减少被认为是叶尖泄漏涡的堵塞的影响，这是因为在风扇集合中长宽比相对较低。在Phi;=0.276时的Vmer几乎和在跨距中点的设计值一样，对于低流量来说，Vmer在尖端附近增加，这表明，在低流量时流形会变化。
在图8(b)的切向速度分布，Vtheta;的数值在尖端附近大幅度增加，这被认为是叶尖泄露涡的影响和图8(a)一样，在theta;=0.276时的Vtheta;几乎和在跨距中点的设计值一样。
在图8的总压分布(c)，在高流量的情况下PT的数值几乎是不变的，在低流量的情况下在尖端附近的PT值大幅度增加，这被认为是叶尖泄漏涡的影响与图8(a)和图8(b)一样。
4.3 用热线探针流量调查结果
为了调查在转子出口处叶片间的流量，流量调查通过热线进行了调查，六个图表从图9图到图14分别显示了流量调查结果轮廓图，图9到图14的Phi;分别为0.399、0.355、0.276、0.215、0.169、0.139。在每个图表中，图(a)显示了径向速度Vmer和图(b)显示了切向速度Vtheta;,它们的统一参考速度都是Ut，流量是从下游观察,实线显示了转子叶片的后缘，图中的叶片顺时针旋转，SS和PS代表着吸力面和压力面转子叶片。
在图9到图14的数据中，特征区域的位置在圆周方向，在那可以清晰的观察到子午速度降低切向速度增加。子午速度降低切向速度增加的区域在下面仅仅被称为特征区域。在图11中Phi;=0.276和设计值0.265相近，在6个图中的特征区域是最小的，特征区域定位几乎在叶片尖端之间的中心，当Phi;的数值减少时，图12Phi;=0.215，图13Phi;=0.169，图14Phi;=0.139，特征区域的面积向圆周方向扩展，特征区域的位置向转子叶片尖端的吸力面移动。当Phi;的数值增加时，在图10中Phi;=0.355，在图9中Phi;=0.399，特征区域的面积径向扩展，特征区域的位置向转子叶片尖端的压力面移动。
特征区域的原因从图11到图14主要是由于转子叶尖泄漏涡，转子叶片的压力面分离可以被视为另一个特征区域的原因，在整个跨度相当大的高流率在图9和图10所示特征区域的面积变化相当大，流量变化造成特征区域的现象的详细说明在数据和实验上应该被进一步研究。
图10等高线地图规范化速度转子出口的热线探针调查Phi;=0.355
图9等高线地图规范化速度转子出口的热线探针调查Phi;=0.399
图11等高线地图规范化速度转子出口的热线探针调查Phi;=0.276
图12等高线地图规范化速度转子出口的热线探针调查Phi;=0.215
图13等高线地图规范化速度转子出口的热线探针调查Phi;=0.169
图14等高线地图规范化速度转子出口的热线探针调查Phi;=0.139
- 结论
比速为670（m3/min）的径向外流型斜流风机是由一个准三维设计方法设计的，根据风机特性测试实验进行了调查，流量调查是通过一个五孔探针和一个热线探针，结论总结如下：
（1）风机特性测试的实验结果和风扇规格吻合较好,五孔探针调查流量结果也与设计流量和实验流量结果一致。
（2）在转子出口使用五孔探针测量中，在转子尖端观察到子午速度减少切向速度增加。
（3）在转子出口使用热线探针测量中，能够清晰的看到，特征区域的位置在圆周方向，子午速度降低切向速度增加。
（4）特征区域定位几乎在叶片之间的中心的流量系数为0.276，在低流量的情况下，特征区域的位置向转子叶片的吸力面移动，在高流量时向转子叶片的压力面移动。
（5）特征区域的原因主要是转子叶尖泄漏涡，但是在高流量情况下，表面的压力分离被认为是它的另一个原因。
（6）造成特征区域的流量的详细说明应该从实验和数据上进一步的研究，在转子附近的汽缸壁测量的不稳定压力正在调查和稳定，为了弄清特征区域的流量结构三维N-S数值模拟正在进行。
致谢
作者要感谢Dr. K. Kaneko、佐贺大学的Honorary 教授的合作，此外，作者真诚的感谢Teral Inc的实验仪器的支持。
注释
A 参考面积[m] Vmer 径向速度 [m/s]
Dc 套管直径[m] Vtheta; 切向速度[m/s]
Dh 轮毂直径[m] Phi; 流量系数[-]
Delta;P 总升压[Pa] eta; 效率[-]
PT 总压力[Pa] rho; 空气的密度[kg/m]
Q 体积流量[m/s] tau; 功率系数[-]
r 半径[m] omega; 角速度[1/s]
T 转矩[Nm] psi; 能量系数[-]
Ut 参考速度[m/s]
参考文献
[1] Inoue, M., Ikui, T., Kamada, Y. and Tashiro, M., 1980, “A Quasi Three-Dimensional Design of Diagonal Flow Impellers by Use of Cascade Data,” Pro
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