高效礦用局部通風機的設計與應用

1 設計方法及約束條件

1.1 設計方法

子午加速軸流通風機葉輪的設計計算方法是基于氣流沿著錐形表面流動的假設，近似地把基元級所在的錐面展開到平面上，看作當量平面葉柵來處理。這種設計方法中，首先用簡單徑向平衡方程找出葉輪前后的流動滲數，然后借助于豐富的平面葉柵試驗數據，進行了子午加速葉輪的設計。

1.2 設計約束條件

1.2.1 擴壓因子約束

眾所周知，氣流通過風機葉柵的流動是擴壓性質的，而當流動的擴壓程度達到一定值時，就會在葉柵中產生嚴重的氣流分離而形成失速，擴壓因子D_R則反映了葉柵的擴壓程度，它不僅是葉柵型面上附面層發展的主要影響因素，同時也是確定葉柵極限氣動負荷的一個主要準則，從大量的國內外資料看，擴壓因子是表征風機性能最適宜的參數之一。同時它也在一定程度上反映了變工況性能和穩定裕度值。沿徑向變化的擴壓因子定義為：

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

式中 W——氣流的相對速度，m/s；

　　 r——計算半徑，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 反動度約束

反動度是影響基元級性能的重要參數，對效率及葉柵旋轉失速均有影響。如對Ω＝0的基元級，由于升壓全部在靜葉柵中進行，因此靜葉柵中擴壓厲害，負荷大，易造成較大的損失和旋轉失速。而對Ω＝0的級來說，由于馬赫數M_W1較大，且宜超過臨界值，所以流動易惡化。根據大量的實驗得出結論：100％的反動度與50％的反動度相比，風機的喘振點向左側移動，旋轉失速區也向小流量區移動，同時性能曲線也較為緩，即有較寬的工作范圍和較高的效率。因此采用＞50％的反動度有利于改善變工況性能。反動度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，在通流部分內外環端面及葉型型面處產生了附面層，使其通流面積減小，必須根據實際流量對理論流量進行修正。取總阻塞系數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——風機效率，％；

　　 u——圓周速度，m/s；

　　　C_u——旋繞速度，m/s；

　　 C_z——軸向速度，m/s。

2 設計參數的選擇

2.1 輪轂比的選擇

輪轂比是軸流通風機葉輪設計中的重要參數之一。它對通風機的壓力、流量、效率、壓力特性曲線形狀及工作區域大小等都有影響。在確定輪轂比時，不僅要考慮其對風機性能的影響，而且還要從風機結構方面考慮。例如，通風機葉輪葉片可調時，葉片排列的空間受到限制，此時輪轂比就不能過小；當電機裝在導葉的輪轂中時，輪轂的直徑要受電機尺寸的影響。因此，輪轂比的選擇是風機設計中的全局性問題。

2.2 風機效率

設計一種性能好的通風機，就是要在滿足給定設計參數的條件下及兼顧低噪、結構尺寸緊湊的某些要求后，使氣流通過所設計的流道損失最小，即效率盡可能高。

對于葉輪，通常是葉尖處、輪轂處的氣動效率比較低，但由于子午加速型軸流風機改善了葉根處的流動狀態，因此采用子午加速型葉輪可提高輪轂處的效率。另外，嚴格控制動葉徑向間隙，減少二次流損失，是提高葉尖處效率的有效途徑。而在葉片的設計中，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

子午加速軸流風機葉輪的輪殼傾角不宜選擇過小或過大，因為過小的傾角，為了保證確定的加速比，就使得葉輪偏寬，軸向尺寸加大。過大的傾角會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計時誤差就比較大了，因為此時徑向流速C_r的值已不能忽略。根據實驗的結果，子午加速軸流風機葉輪的輪殼傾角取15°～20°為宜。

2.4 流型的選擇

流型的選取對軸流風機設計十分重要，軸流風機流量大，輕殼小，動葉片長而寬，因此首先要確定葉片的扭曲規律。

在風機葉片設計中，一個極其重要的環節是進行無葉間隙中的流型計算，即給定氣流參數沿葉高的分布，然后根據徑向平衡方程求解出軸向流速及進出口氣流角等參數沿葉高分布，再進行葉片造型。常用的流型有：自由旋渦式、強制旋渦式、變位自由旋渦和自由旋渦與等周向速度組合式等。隨著計算機技術的發展，又進一步提出“最優流型”的設計，即要求在某些設計約束下，使級的某一特定性能指標（如級的功率或效率）達到最優值的葉片扭曲規律。

近年來，對于徑向不等功的設計日益得到廣泛的重視和應用，把它看成是提高效率和負荷，挖掘潛力的一種重要手段。在所謂“受控渦”設計中，就建議采用不等功設計。對于子午加速軸流風機，由于根部狀態得到改善，因此中壓力系數（P≤0.4）的子午加速軸流風機可采用等環量流型，對高壓力系數（P＞0.4）可采取變功設計，即頂部作功略在于根部作功，若再采用等環量流型則根部氣流扭轉角＞45°，載荷系數過大。

2.5 葉型的選取

軸流式通風機的流動損失主要由3部分組成：葉型損失、環端而損失、二次流損失。此3種損失與流量系數及效率的關系如圖1所示。



圖1 效率與流量系數的關系曲線

局部通風機的工作特點是風阻隨著送風距離的增加而增大，這就要求在整個工作范圍內平均效率要高，即效率曲線要平緩，從圖1曲線可以看出，環端面損失，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機工作特點的葉型至關重要。實驗結果表明，葉型的選取應以低速性能好，葉型尖部鈍，對沖角不敏感，失速攻角范圍大為好。

2.6 子午加速軸流風機的工況調節

子午加速軸流風機采用前導葉可調時，能提高風機的性能，適應管網特性的變化，達到節能、安全運行的目的。

圖2所示其調節方法，在某一工況點下，管網阻力特性曲線與風機特性曲線相交于1點。當管網阻力特性曲線為P₂時，增加前導葉安裝角5°可使工況點由2點升至3點，此時風壓提高的幅度大，風量減少的幅度小，仍能滿足掘進通風的需要。



圖2 調節風機工況的性能變化曲線

采用靜葉可調具有如下一些優點：①靜葉可調使穩定工作區更寬，效率較高；②氣流與葉片的幾何參數配合較好，減少了沖擊現象，流動狀況好，噪聲低；③工況調節方便，快捷。

2.7 喘振定性裕度的確定

子午加速型局部通風機的壓力系數大，對正沖角較敏感。當工況點位于小流量區時，壓力增加，葉片負荷明顯增大，葉尖部分更易分離，為了加長送風距離，過了設計工況點，局部通風機仍要工作，這就要求喘振穩定性裕度要大，為適應變工況點性能的需要，一般取喘振穩定性裕度△K_y≥20％。另外，由于采用前導葉可調使這個問題得以進一步改善，加大前導葉安裝角，可使風機特性曲線右移，改善小流量區工作狀況。

3 應用實例

采用上述設計方法及約束條件我們進行了FB№6.3/55型礦用隔爆壓入式軸流局部通風機的設計。其主要設計參數為：風量Q＝500m³/min；全壓P=4 500 Pa；η≥80％；電機功率N＝55kW；轉速n＝2 940r/min。設計中采用可控渦方法設計流型，確定了展向流速分布。按整體優化進行了整機結構參數設計。圖3所示FB№6.3/55型風機與MFA60P2-SC4型風機性能曲線的對比。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FB№6.3/55型風機的高效區域寬。在風阻66.1～21.8kg/m7范圍內，前者較后者風量增加3％～18％，表明FB№6.3/55型風機的風量大，適用于高瓦斯掘進工作面通風；當FB№6.3/55型風機2 940r/min及1 480r/min運行與MFA60P2-SC4型對旋風機及二級運行時的相應對比，前者較后者節能8.5kW和3.3kW；FB№6.3/55型風機采用了可調前導葉和雙速電機，使風機具有4種工況調節方法，風機的風量范圍為200～700m³/min，全壓范圍為300～4 900 Pa，實現了較大范圍的工況轉移，具有較強的適用性。

4 結論

（1）合理選擇氣動參數及整體優化設計，提高了風機的整機性能水平；

（2）子午風機與對旋式風機各具特點，滿足了煤礦生產的不同需要。