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高性能矿用主通风机的设计

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高性能矿用主通风机的设计

华耀南 饶 江 / 中科院北京科能中心
龚竟成 / 北京科技大学

摘要: 介绍了应用S1/S2三元流动理论设计高性能矿用对旋轴流主通风机。并应用美国NACA低速叶栅试验结果确定流入角和落后角,设计中控制扩散因子和气流折转角。
关键词轴流式通风机 设计
中图分类号:TH432.1    文献标识码:B
文章编号:1006-8155(2007)02-0027-05
Design of High Performance Fan for Mine Ventilation
Abstract: It is introduced that high performance fan for mine ventilation is designed by S 1 /S 2 3-D flow theory. The inlet flow angle and diviation angle were confirmed which was app li ed to low cascade experiment result of American NACA, and controlled diffuser factor and flow deflection angle in design.
Key words: Axial-flow fan Design

0  引言

  矿用主通风机是保证煤矿安全生产的关键设备,据不完全统计,全国大、小矿井至少有10万台主通风机在运行,每台风机配备的电机功率从几十千瓦至几百千瓦,有的达几千千瓦,通常大都是几百千瓦。粗略估计,目前全国煤矿风机每年耗电至少4000亿kW·h ,风机效率每提高1%,每年可节电40亿kW·h ,所以研制高性能矿用主通风机,具有重大的意义。

1 设计理论

  设计理论采用吴氏三元流动理论[1] 。吴氏三元流动理论,其核心思想是将复杂的三元流动分解为S1流面和S2流面上的两个二元流动,再通过S1和S2的迭代,求得三元流动解。
  与吴氏三元流动理论相对应的全三维直接解有一个困难的问题尚未解决,那就是湍流模型,到目前为止,还没有找到一个能普遍适用的模型,这是摆在国际流体力学学术界面前的一道难题。
  比之于全三元直接解法,S1和S2二类流面迭代求三元解的方法的确具有优越性,这已为国内外所公认,这种方法物理概念清晰,对反问题(设计问题)尤为适合,且计算速度快,特别适合于工程计算。国际叶轮机械学术界公认:到目前为止,对叶轮机械的设计,都广泛采用S1/S2三元流动理论的解法,全三维直接解法的计算机软件,则作最后校核设计之用。
   除应用吴氏三元流动理论的基本气动力学方程以外,还必须应用试验数据,才能设计出可靠的风机。本设计应用的是美国NACA(前美国航空咨询委员会)低速叶栅试验数据[2]

2  设计特点

  (1)应用完全径向平衡方程求解(S2计算)[3] ,而不是用简单径向平衡方程求解 , 这样可更准确地计算出β1β2
   与S1流面求解类似,由连续方程定义流函数ψ,代入运动方程,再无量纲化可得任意曲线坐标下S2流面径向平衡方程的无量纲形式:

  (2)采用变环量设计。 Cur沿叶高分布决定了叶片的扭曲规律, Cur沿叶高分布过去常用“等环量设计”,即Cur沿叶高为常数,为了提高效率,采用变环量设计,即Cur沿叶高分布可以根据需要来控制和安排。根据理论和经验,Cur沿叶高分布在叶尖和叶根应小一些。
  (3)设计中考虑沿叶高效率分布。
  (4)应用美国 NACA 低速叶栅试验数据[2] ,在此基础上编制的大型CAD设计软件,既可应用于压缩机的设计,也可应用于风机的设计。通风机可看作是压缩机的1~2个级。设计软件的框图见图1。
  NACA 叶栅试验数据主要用来决定,气流流入叶片时最小损失流入角i和气流流出叶片时的落后角δ。准确地决定iδ是风机叶片设计的关键,设计出来的叶片能否满足风机的风量、风压和效率,全靠 i δ是否准确可靠。

     i =(Ki)sh (Ki)d (i0)10+nθ

  式中(i0)10为零弯度、最大相对厚度δmax/b =10%时,NACA65系列叶型损失最小的流入角,可由 NACA 叶栅试验曲线查出。

  对S1流面计算结果,主要分析沿叶高各截面S1流面上叶片表面速度分布,叶面速度分布应平滑变化,载荷分布(即压力面和吸力面速度差)应符合“中间大,两头小”的原则。

3  设计过程

  (1)总体尺寸优化计算。根据用户给定的参数确定风机的总体尺寸,如叶轮直径,轮毂比,叶片数目,进口集流器和整流罩尺寸,出口扩压筒和扩压锥尺寸,各特性截面上的气动热力参数。
  (2)叶片造型(反问题设计)。该模块通过S2流面计算得到叶片前、后相对气流角β1,β2沿叶高分布,调用美国宇航局(NASA)的叶栅试验数据库,得到准确的流入角i和落后角δ,叶型中弧线可由设计者选用抛物线,单圆弧,双圆弧或给定的任意离散点,叶片厚度分布可选用美国NACA,美国C4 ,前苏联高效风机叶型的厚度分布,叶片造型最后得出可供加工的样板坐标。
  (3)准三元流场分析(正问题分析)。由S1-S2m 迭代得到相对速度和静压等气动热力参数沿叶片表面和中心流线上的分布以及沿叶高的分布,这些参数可使设计者用来分析判断设计是否合理。

  

图 1 轴流压缩机和风机气动设计软件总框图

4  设计计算结果
   本设计通过S1/S2迭代(准三元迭代)得到收敛解。 S2流面计算主要结果见图2,由图2可见, Cur沿叶高的分布是一条曲线,在叶根较低;另外,效率分布也是沿叶高变化的,在叶尖和叶根稍低,这符合实际情况。S2计算得到的扩散因子D叶根为0.36左右,叶尖为0.24左右,图3为S1流面的计算结果。主要是沿叶高各截面相对速度在叶面表面和中心沿线上的分布。根据这些计算结果可按上述原则判断设计是否合理。

 图3 S1流面计算结果

5  试验结果

  本设计的风机在南阳防爆集团试制成功。由国家煤矿防尘通风产品质量检测中心经过试验室几次测试,静压效率达80%~85% ,见图4所示性能曲线。2001年风机通过国家煤矿安全监察局组织的鉴定,专家们一致认为风机的气动性能达到国内先进水平。

  

  本产品获国家重点新产品证书、 2004 年河南省首届安全科技进步一等奖。
   本产品已批量生产,并已形成系列化,至今已生产250多台,在全国20多个大中型煤矿中使用,用户反映良好。

参 考 文 献

[1]Wu Chung-Hua .A General Theory of 3D Flow in Subsonic and Supersonic Turbomachines of Axial, Radial and Mixed-flow T yp es., NACA TN 2604,1952.
[2]秦鹏泽.轴流压气机气动设计[M].国防工业出版社,1965.
[3]朱荣国.使用非正交曲线坐标与速度分量S2流面反问题流场线松驰解[J].工程热物理学报,1980,11(1).

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