曲率半径对弧形斗式风扇轴流及离心特性的影响规律研究

刘来全，戴 玥，马 越，薛 超

(1． 广东粤海珠三角供水有限公司，广州 511455；
2． 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

电机冷却系统是电机的重要组成部分，而电机冷却风扇更是在冷却系统中起着巨大的作用。风扇的叶片叶型对于冷却风扇的整体性能影响非常重要，相当程度上决定了风扇的气动性能，从而成为建立研究和优化设计的重要对象。随着发动机性能的提高，必须要求冷却风扇具有更强的散热能力，因此研究冷却风扇的气动性能有着重要意义。

风扇按其结构大致可分为离心式和轴流式风扇。离心式风扇风压高，可根据需要获得不同的压力；
轴流式风扇具有风量大、结构简单、普适性、用途广泛等特点。无论是轴流还是离心风扇，由于其自身结构特性，在电机上均只存在单一风路，导致电机整体散热能力差，影响其使用寿命。

有学者将一种用于水轮机上的弧形斗式风扇结构应用于电机冷却系统中。该风扇的气流走向主要可分为两路，一路为转子与定子中部(表现为轴流特性)，另一路为定子端部(表现为离心特性)。当电机运行时，由于弧形斗式风扇的加装，两侧气流将顺着风扇轴流方向流进转子磁极之间形成的凹槽内，接着被甩出凹槽从而达到冷却定子铁心中部的效果；
同样两侧气流也会顺着风扇离心方向，将气流沿转子径向甩出从而达到冷却定子铁心端部的效果。因此，弧形斗式风扇很好地解决了目前现有的轴流式与离心式风扇单一风路的问题。本文基于该弧形斗式风扇结构，分别改变风扇轴向及径向流动叶片叶型(即轴向与径向的曲率半径)，通过ANSYS CFX软件数值研究，着重分析曲率半径对弧形斗式风扇轴流及离心特性的影响规律，最终达到提高弧形斗式风扇气动性能目的。

1．1 轴流与离心特性

弧形斗式风扇气动特性本质上是风扇本体在轴向(轴流特性)与径向(离心特性)的综合表现，其在电机转子上的风路如图1所示。

图1 弧形斗式风扇风路示意图

1．2 物理模型及主要参数

本文就某水轮机上的弧形斗式风扇展开研究。风扇轴向剖面及改型方案如图2(a)、(b)所示，原始风扇轴流方向由两块直板和圆弧板构成。改型风扇由一块直板和圆弧板构成，Ra为风扇轴向曲率半径，风扇径向剖面及改型方案如图3(a)、(b)所示。其中，原始风扇离心方向仅由直板构成。改型风扇由一块直板和一块圆弧板构成，Rc为风扇离心曲率半径。

图2 弧形斗式风扇轴向叶片叶型

图3 弧形斗式风扇径向叶片叶型

1．3 计算域及网格分布

弧形斗式风扇布置在电机转子上，进口总压为大气压101 325 Pa，进口温度均设置为55 ℃，转速250 r/min。

使用ANSYS软件定义模型边界条件，采用C-block划分外流域，使用ANSYS CFX软件设置边界条件，入口边界条件为质量流量入口，方便任意更改质量流量；
出口边界条件为压力出口，压力为0 Pa；
进出口管道处设置监测面用于监测压升；
叶片表面为无滑移壁面。模型内部不同网格类型交界处设置为非一致边界网格条件，便于信息间的相互传递。基于有限体积法对纳维-斯托克斯(Navier-Stokes，N-S)流动控制方程进行离散，采用双时间步法对雷诺时均非定常N-S方程求解。用Simplec算法对速度和压力进行耦合，以加快收敛速度，动量方程、湍动能和湍流离散率采用二阶迎风格式，以保证计算精度。

风扇网格精细程度直接影响仿真结果的准确度，为提高计算精度，且节约计算时间，模型入口和出口处均采用六面体网格，风扇壁面采用边界层网格。由于风扇边缘处较窄，网格尺寸采用1.5 mm，首层网格高度为0.001 mm，以保证无量纲数y+≈1。弧形斗式风扇轴流及离心特性网格划分均在ANSYS ICEM中完成，网格数均为1 100万。轴流特性网格划分如图4所示；
离心特性网格划分如图5所示。

图4 轴流特性网格划分

图5 离心特性网格划分

1．4 湍流模型及计算方法

Balduzzi等[1-2]对比不同湍流模型对计算结果影响，其中SST k-ω湍流模型具有比较灵活的适应范围，且表现出优良的稳定性和准确度。因此本文选用SST k-ω湍流模型进行求解。

2．1 曲率半径对风扇轴流特性的影响

风扇气动性能一般可通过流量-全压曲线、流量-轴功率曲线及流量-全压效率曲线来表示。对现有弧形斗式风扇单独构建轴流风扇计算模型，保持其他参数不变，仅改变风扇轴向流动的曲率半径，给定曲率半径Ra=100 mm、150 mm及200 mm，分析曲率半径对风扇轴流特性的影响。图6为不同风量工况下原始及改新型弧形斗式风扇轴流特性气动参数变化曲线。

图6 弧形斗式风扇轴流特性性能曲线

由图6可知，随着质量流量的增加，原始风扇轴流特性下的全压不断减小；
轴功率先增大后减小，在质量流量为68 kg/s时，轴功率达到最大值；
全压效率同样先增大后减小，但增长幅度远小于下降幅度，在质量流量为50 kg/s时，达到最大值。三款优化轴向曲率半径的风扇全压远高于原始风扇全压，且最大全压均有所提升。在现有的质量流量范围内，随着质量流量的不断增加，三款优化风扇的轴功率在一直增大，且没有下降趋势。较原始风扇，三款优化风扇的全压效率明显提高，最大全压效率也有所提升，在质量流量为60 kg/s时，优化风扇全压效率达到最大。

曲率半径不断增大的同时，为保证风扇其他参数不变，叶片会逐渐增长，三款优化风扇全压效率虽均有所提升，但过长的叶片会提高流体沿程损失，随着曲率半径不断增大，提升效果却并不明显。因此，综合考虑以上因素，取轴向曲率半径Ra=150 mm为最优方案。

2．2 风扇轴向流场结构分析

为进一步探究弧形斗式风扇轴流特性下曲率半径对风扇气动性能的影响，选取原始风扇及Ra=150 mm最优方案下改型风扇轴向流场结构进行对比分析，如图7所示。

图7 弧形斗式风扇轴向流场结构

由图7(a)～(d)可以看出，原始风扇吸力面全压较大，最小值出现在叶片弯曲处，压力面全压分布不均匀，整体压差低，进而导致叶片整体轴流特性气动性能较低；
改型风扇吸力面全压较原始风扇明显降低，最小值同样出现在叶片弯曲处，叶片压力面全压分布均匀，整体压差提高，进而导致改型风扇叶片整体轴流特性气动性能提高。

由图7(e)～(h)可得，原始及改型风扇均在叶片弯曲处压力面速度最小，沿叶片弯曲方向速度逐渐增大。原始风扇叶片吸力面出现流动分离，产生失速涡，导致整体气动性能下降；
改型风扇由于曲率半径弯曲过渡平滑，流体可以吸附在壁面上流动，极大程度上延缓了流动分离，从而使得风扇轴流特性整体气动性能提高。

2．3 曲率半径对风扇离心特性的影响

对现有的弧形斗式风扇单独构建离心风扇计算模型，保持其他参数不变，仅改变风扇径向流动的曲率半径，给定曲率半径Rc=110 mm、150 mm及200 mm，分析曲率半径对风扇轴流特性的影响。图8为不同风量工况下原始及改新型弧形斗式风扇离心特性气动参数变化曲线。

图8 弧形斗式风扇离心特性性能曲线

由图8可得，较原型弧形斗式叶片的离心风扇，采用进口圆弧段的离心风扇运行工况范围扩大，且效率提升较为明显，尤其是在大流量工况区；
随着叶片型线曲率减小，优化方案离心风扇效率逐渐提高。在提高幅度逐渐减低并保持质量流量不变的前提下，全压效率随曲率半径的增大而增大，但增幅效果依旧不明显。当Rc增至200 mm时，效率基本无法继续提升，其原因在于，叶片径向曲率的继续减小已无法继续减低局部损失，但却使得表面摩擦损失明显增大；
此外，叶片径向长度的增加，亦会对电机其他部件的结构与布局造成影响。因此，综合考虑以上因素，取径向曲率Rc=110 mm为最优方案。

2．4 风扇径向流场结构分析

为进一步探究弧形斗式风扇离心特性下曲率半径对风扇气动性能的影响，选取原始风扇及Rc=110 mm最优方案下改型风扇轴向流场结构进行对比分析，如图9所示。

图9 弧形斗式风扇径向流场结构

由图9(a)～(d)可知，原始风扇全压大的区域大多集中在叶片压力面附近，吸力面压力较小，整体压差低，风扇整体离心气动性能低；
优化后改型风扇中部、上部区域整体全压增大，这是叶片离心特性做功的主要部位。叶片吸力面全压有所提高，但整体压差增大，较原始风扇，改型风扇整体离心气动性能提高。

由图9(e)～(h)可得，原始风扇上部整体速度远高于优化后改型风扇上部整体速度，最小速度大多集中在叶片压力面。原始风扇吸力面流动分离区域较大，分离点靠前；
优化后改型风扇延缓了流动分离点，流动分离区域明显减小，因此改型风扇离心特性整体气动性能提高。

本文以提高风扇气动性能为目标，基于已有的弧形斗式风扇，提出通过改变曲率半径的方法，着重分析曲率半径对弧形斗式风扇轴流及离心特性的影响规律，具体如下：

(1) 增大弧形斗式风扇轴向叶片的曲率半径可以减轻流体对叶片的冲击，延缓弧形斗式风扇流动分离，能有效提高风扇整体压差，增大风扇整体效率，使得风扇轴流特性气动性能增加。

(2) 将原有的弧形斗式风扇径向叶片叶型由一块直板优化成一块直板和一块圆弧板，通过增大叶片的曲率半径，可有效延缓叶片流动分离点，减小流动分离，叶片整体压差增大，使得风扇离心特性气动性能增加。

(3) 在质量流量不变的前提下，弧形斗式风扇轴流及离心特性气动性能随叶片的曲率半径的增大而增大，但增长幅度逐渐降低。

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