1 設(shè)計(jì)方法及約束條件

1.1 設(shè)計(jì)方法

子午加速軸流通風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是基于氣流沿著錐形表面流動(dòng)的假設(shè)，近似地把基元級(jí)所在的錐面展開到平面上，看作當(dāng)量平面葉柵來(lái)處理。這種設(shè)計(jì)方法中，首先用簡(jiǎn)單徑向平衡方程找出葉輪前后的流動(dòng)滲數(shù)，然后借助于豐富的平面葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了子午加速葉輪的設(shè)計(jì)。

1.2 設(shè)計(jì)約束條件

1.2.1 擴(kuò)壓因子約束

眾所周知，氣流通過(guò)風(fēng)機(jī)葉柵的流動(dòng)是擴(kuò)壓性質(zhì)的，而當(dāng)流動(dòng)的擴(kuò)壓程度達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)在葉柵中產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流分離而形成失速，擴(kuò)壓因子D_R則反映了葉柵的擴(kuò)壓程度，它不僅是葉柵型面上附面層發(fā)展的主要影響因素，同時(shí)也是確定葉柵極限氣動(dòng)負(fù)荷的一個(gè)主要準(zhǔn)則，從大量的國(guó)內(nèi)外資料看，擴(kuò)壓因子是表征風(fēng)機(jī)性能最適宜的參數(shù)之一。同時(shí)它也在一定程度上反映了變工況性能和穩(wěn)定裕度值。沿徑向變化的擴(kuò)壓因子定義為：

　　D_R＝1（W₂/W₁）－（ r₂W_2u/r₁W_1u）/2τ_Rr_mW₁

式中 W——?dú)饬鞯南鄬?duì)速度，m/s；

　　 r——計(jì)算半徑，m；

　　 τ_R——葉柵稠度。

給定約束為：葉尖D_R≤0.4葉根D_R≤0.6。

1.2.2 反動(dòng)度約束

反動(dòng)度是影響基元級(jí)性能的重要參數(shù)，對(duì)效率及葉柵旋轉(zhuǎn)失速均有影響。如對(duì)Ω＝0的基元級(jí)，由于升壓全部在靜葉柵中進(jìn)行，因此靜葉柵中擴(kuò)壓厲害，負(fù)荷大，易造成較大的損失和旋轉(zhuǎn)失速。而對(duì)Ω＝0的級(jí)來(lái)說(shuō)，由于馬赫數(shù)M_W1較大，且宜超過(guò)臨界值，所以流動(dòng)易惡化。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：100％的反動(dòng)度與50％的反動(dòng)度相比，風(fēng)機(jī)的喘振點(diǎn)向左側(cè)移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)失速區(qū)也向小流量區(qū)移動(dòng)，同時(shí)性能曲線也較為緩，即有較寬的工作范圍和較高的效率。因此采用＞50％的反動(dòng)度有利于改善變工況性能。反動(dòng)度Ω定義為：

Ω＝Ps_t/P_t

式中 Ps_t——靜壓值，Pa。

給定約束為：Ω_m≥0.75。

1.2.3 流量及壓力約束

由于氣體粘性的影響，在通流部分內(nèi)外環(huán)端面及葉型型面處產(chǎn)生了附面層，使其通流面積減小，必須根據(jù)實(shí)際流量對(duì)理論流量進(jìn)行修正。取總阻塞系數(shù)K_b＝0.98，其流量約束條件為：



考慮到損失的影響，壓力約束條件為：



式中 ρ——空氣密度，kg/m³；

　　η——風(fēng)機(jī)效率，％；

　　 u——圓周速度，m/s；

　　　C_u——旋繞速度，m/s；

　　 C_z——軸向速度，m/s。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

2.1 輪轂比的選擇

輪轂比是軸流通風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一。它對(duì)通風(fēng)機(jī)的壓力、流量、效率、壓力特性曲線形狀及工作區(qū)域大小等都有影響。在確定輪轂比時(shí)，不僅要考慮其對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，而且還要從風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)方面考慮。例如，通風(fēng)機(jī)葉輪葉片可調(diào)時(shí)，葉片排列的空間受到限制，此時(shí)輪轂比就不能過(guò)?。划?dāng)電機(jī)裝在導(dǎo)葉的輪轂中時(shí)，輪轂的直徑要受電機(jī)尺寸的影響。因此，輪轂比的選擇是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的全局性問(wèn)題。

2.2 風(fēng)機(jī)效率

設(shè)計(jì)一種性能好的通風(fēng)機(jī)，就是要在滿足給定設(shè)計(jì)參數(shù)的條件下及兼顧低噪、結(jié)構(gòu)尺寸緊湊的某些要求后，使氣流通過(guò)所設(shè)計(jì)的流道損失最小，即效率盡可能高。

對(duì)于葉輪，通常是葉尖處、輪轂處的氣動(dòng)效率比較低，但由于子午加速型軸流風(fēng)機(jī)改善了葉根處的流動(dòng)狀態(tài)，因此采用子午加速型葉輪可提高輪轂處的效率。另外，嚴(yán)格控制動(dòng)葉徑向間隙，減少二次流損失，是提高葉尖處效率的有效途徑。而在葉片的設(shè)計(jì)中，一般將效率沿徑向近擬地作均勻處理。

2.3 子午加速比的選擇

子午加速軸流風(fēng)機(jī)葉輪的輪殼傾角不宜選擇過(guò)小或過(guò)大，因?yàn)檫^(guò)小的傾角，為了保證確定的加速比，就使得葉輪偏寬，軸向尺寸加大。過(guò)大的傾角會(huì)使子午速度加速加快，使分離提前，特別是基于平面葉柵理論設(shè)計(jì)時(shí)誤差就比較大了，因?yàn)榇藭r(shí)徑向流速C_r的值已不能忽略。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，子午加速軸流風(fēng)機(jī)葉輪的輪殼傾角取15°～20°為宜。

2.4 流型的選擇

流型的選取對(duì)軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)十分重要，軸流風(fēng)機(jī)流量大，輕殼小，動(dòng)葉片長(zhǎng)而寬，因此首先要確定葉片的扭曲規(guī)律。

在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)中，一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)是進(jìn)行無(wú)葉間隙中的流型計(jì)算，即給定氣流參數(shù)沿葉高的分布，然后根據(jù)徑向平衡方程求解出軸向流速及進(jìn)出口氣流角等參數(shù)沿葉高分布，再進(jìn)行葉片造型。常用的流型有：自由旋渦式、強(qiáng)制旋渦式、變位自由旋渦和自由旋渦與等周向速度組合式等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，又進(jìn)一步提出“最優(yōu)流型”的設(shè)計(jì)，即要求在某些設(shè)計(jì)約束下，使級(jí)的某一特定性能指標(biāo)（如級(jí)的功率或效率）達(dá)到最優(yōu)值的葉片扭曲規(guī)律。

近年來(lái)，對(duì)于徑向不等功的設(shè)計(jì)日益得到廣泛的重視和應(yīng)用，把它看成是提高效率和負(fù)荷，挖掘潛力的一種重要手段。在所謂“受控渦”設(shè)計(jì)中，就建議采用不等功設(shè)計(jì)。對(duì)于子午加速軸流風(fēng)機(jī)，由于根部狀態(tài)得到改善，因此中壓力系數(shù)（P≤0.4）的子午加速軸流風(fēng)機(jī)可采用等環(huán)量流型，對(duì)高壓力系數(shù)（P＞0.4）可采取變功設(shè)計(jì)，即頂部作功略在于根部作功，若再采用等環(huán)量流型則根部氣流扭轉(zhuǎn)角＞45°，載荷系數(shù)過(guò)大。

2.5 葉型的選取

軸流式通風(fēng)機(jī)的流動(dòng)損失主要由3部分組成：葉型損失、環(huán)端而損失、二次流損失。此3種損失與流量系數(shù)及效率的關(guān)系如圖1所示。



圖1 效率與流量系數(shù)的關(guān)系曲線

局部通風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn)是風(fēng)阻隨著送風(fēng)距離的增加而增大，這就要求在整個(gè)工作范圍內(nèi)平均效率要高，即效率曲線要平緩，從圖1曲線可以看出，環(huán)端面損失，二次流損失隨流量變化不敏感，而葉型損失隨流量變化較大，因此選擇適合局部通風(fēng)機(jī)工作特點(diǎn)的葉型至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，葉型的選取應(yīng)以低速性能好，葉型尖部鈍，對(duì)沖角不敏感，失速攻角范圍大為好。

2.6 子午加速軸流風(fēng)機(jī)的工況調(diào)節(jié)

子午加速軸流風(fēng)機(jī)采用前導(dǎo)葉可調(diào)時(shí)，能提高風(fēng)機(jī)的性能，適應(yīng)管網(wǎng)特性的變化，達(dá)到節(jié)能、安全運(yùn)行的目的。

圖2所示其調(diào)節(jié)方法，在某一工況點(diǎn)下，管網(wǎng)阻力特性曲線與風(fēng)機(jī)特性曲線相交于1點(diǎn)。當(dāng)管網(wǎng)阻力特性曲線為P₂時(shí)，增加前導(dǎo)葉安裝角5°可使工況點(diǎn)由2點(diǎn)升至3點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)壓提高的幅度大，風(fēng)量減少的幅度小，仍能滿足掘進(jìn)通風(fēng)的需要。



圖2 調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)工況的性能變化曲線

采用靜葉可調(diào)具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：①靜葉可調(diào)使穩(wěn)定工作區(qū)更寬，效率較高；②氣流與葉片的幾何參數(shù)配合較好，減少了沖擊現(xiàn)象，流動(dòng)狀況好，噪聲低；③工況調(diào)節(jié)方便，快捷。

2.7 喘振定性裕度的確定

子午加速型局部通風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)大，對(duì)正沖角較敏感。當(dāng)工況點(diǎn)位于小流量區(qū)時(shí)，壓力增加，葉片負(fù)荷明顯增大，葉尖部分更易分離，為了加長(zhǎng)送風(fēng)距離，過(guò)了設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，局部通風(fēng)機(jī)仍要工作，這就要求喘振穩(wěn)定性裕度要大，為適應(yīng)變工況點(diǎn)性能的需要，一般取喘振穩(wěn)定性裕度△K_y≥20％。另外，由于采用前導(dǎo)葉可調(diào)使這個(gè)問(wèn)題得以進(jìn)一步改善，加大前導(dǎo)葉安裝角，可使風(fēng)機(jī)特性曲線右移，改善小流量區(qū)工作狀況。

3 應(yīng)用實(shí)例

采用上述設(shè)計(jì)方法及約束條件我們進(jìn)行了FB№6.3/55型礦用隔爆壓入式軸流局部通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：風(fēng)量Q＝500m³/min；全壓P=4 500 Pa；η≥80％；電機(jī)功率N＝55kW；轉(zhuǎn)速n＝2 940r/min。設(shè)計(jì)中采用可控渦方法設(shè)計(jì)流型，確定了展向流速分布。按整體優(yōu)化進(jìn)行了整機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。圖3所示FB№6.3/55型風(fēng)機(jī)與MFA60P2-SC4型風(fēng)機(jī)性能曲線的對(duì)比。在全壓效率≥60％，Q_max/Q_min的比值為前者1.35，后者1.25；P_max/P_min的比值為前者1.67，后者1.5，可見(jiàn)FB№6.3/55型風(fēng)機(jī)的高效區(qū)域?qū)?。在風(fēng)阻66.1～21.8kg/m7范圍內(nèi)，前者較后者風(fēng)量增加3％～18％，表明FB№6.3/55型風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大，適用于高瓦斯掘進(jìn)工作面通風(fēng)；當(dāng)FB№6.3/55型風(fēng)機(jī)2 940r/min及1 480r/min運(yùn)行與MFA60P2-SC4型對(duì)旋風(fēng)機(jī)及二級(jí)運(yùn)行時(shí)的相應(yīng)對(duì)比，前者較后者節(jié)能8.5kW和3.3kW；FB№6.3/55型風(fēng)機(jī)采用了可調(diào)前導(dǎo)葉和雙速電機(jī)，使風(fēng)機(jī)具有4種工況調(diào)節(jié)方法，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量范圍為200～700m³/min，全壓范圍為300～4 900 Pa，實(shí)現(xiàn)了較大范圍的工況轉(zhuǎn)移，具有較強(qiáng)的適用性。

4 結(jié)論

（1）合理選擇氣動(dòng)參數(shù)及整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了風(fēng)機(jī)的整機(jī)性能水平；

（2）子午風(fēng)機(jī)與對(duì)旋式風(fēng)機(jī)各具特點(diǎn)，滿足了煤礦生產(chǎn)的不同需要。