《安全技术》之高效矿用局部通风机的设计与应用.doc

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高效矿用局部通风机的设计与运用

1设计方法及束缚条件1.1设计方法子午加速轴流通风机叶轮的设计计算方法是基于气流沿着锥形表面流动的假设，近似地把基元级所在的锥面展开到平面上，看作当量平面叶栅来处理。这类设计方法中，首先用简单径向平衡方程找出叶轮前后的流动渗数，然后借助于丰富的平面叶栅试验数据，进行了子午加速叶轮的设计。1.2设计束缚条件1.2.1扩压因子束缚尽人皆知，气流通过风机叶栅的流动是扩压性质的，而当流动的扩压程度达到必然值时，就会在叶栅中产生严重的气流分离而构成失速，扩压因子DR则反映了叶栅的扩压程度，它不仅是叶栅型面上附面层发展的主要影响要素，同时也是确定叶栅极限气动负荷的一个主要准绳，从大量的国内外材料看，扩压因子是表征风机功能最适宜的参数之一。同时它也在必然程度上反映了变工况功能和稳定裕度值。沿径向变化的扩压因子定义为：DR＝1（W2/W1）－（r2W2u/r1W1u）/2τRrmW1式中W——气流的相对速度，m/s；r——计算半径，m；τR——叶栅稠度。给定束缚为：叶尖DR≤0.4叶根DR≤0.6。1.2.2反动度束缚反动度是影响基元级功能的重要参数，对效率及叶栅旋转失速均有影响。如对Ω＝0的基元级，由于升压全部在静叶栅中进行，因而静叶栅中扩压厉害，负荷大，易构成较大的损失和旋转失速。而对Ω＝0的级来说，由于马赫数MW1较大，且宜超过临界值，所以流动易恶化。根据大量的实验得出结论：100％的反动度与50％的反动度相比，风机的喘振点向左侧挪动，旋转失速区也向小流量区挪动，同时功能曲线也较为缓，即有较宽的工作范围和较高的效率。因而采用＞50％的反动度有益于改善变工况功能。反动度Ω定义为：Ω＝Pst/Pt式中Pst——静压值，Pa。给定束缚为：Ωm≥0.75。1.2.3流量及压力束缚由于气体粘性的影响，在通流部分内外环端面及叶型型面处产生了附面层，使其通流面积减小，必须根据实际流量对理论流量进行修正。取总阻塞系数Kb＝0.98，其流量束缚条件为：考虑到损失的影响，压力束缚条件为：式中ρ——空气密度，kg/m3；η——风机效率，％；u——圆周速度，m/s；Cu——缭绕速度，m/s；Cz——轴向速度，m/s。2设计参数的选择2.1轮毂比的选择轮毂比是轴流通风机叶轮设计中的重要参数之一。它对通风机的压力、流量、效率、压力特性曲线外形及工作区域大小等都有影响。在确定轮毂比时，不仅要考虑其对风机功能的影响，而且还要从风机结构方面考虑。例如，通风机叶轮叶片可调时，叶片排列的空间受到限制，此时轮毂比就不能过小；当电机装在导叶的轮毂中时，轮毂的直径要受电机尺寸的影响。因而，轮毂比的选择是风机设计中的全局性问题。2.2风机效率设计一种功能好的通风机，就是要在满足给定设计参数的条件下及兼顾低噪、结构尺寸紧凑的某些要求后，使气流通过所设计的流道损失最小，即效率尽可能高。对于叶轮，通常是叶尖处、轮毂处的气动效率比较低，但由于子午加速型轴流风机改善了叶根处的流动形状，因而采用子午加速型叶轮可提高轮毂处的效率。另外，严厉控制动叶径向间隙，减少二次流损失，是提高叶尖处效率的有效途径。而在叶片的设计中，普通将效率沿径向近拟地作均匀处理。2.3子午加速比的选择子午加速轴流风机叶轮的轮壳倾角不宜选择过小或过大，由于过小的倾角，为了保证确定的加速比，就使得叶轮偏宽，轴向尺寸加大。过大的倾角会使子午速度加速加快，使分离提前，特别是基于平面叶栅理论设计时误差就比较大了，由于此时径向流速Cr的值已不能忽略。根据实验的结果，子午加速轴流风机叶轮的轮壳倾角取15°～20°为宜。2.4流型的选择流型的拔取对轴流风机设计十分重要，轴流风机流量大，轻壳小，动叶片长而宽，因而首先要确定叶片的扭曲规律。在风机叶片设计中，一个极其重要的环节是进行无叶间隙中的流型计算，即给定气流参数沿叶高的分布，然后根据径向平衡方程求解出轴向流速及进出口气流角等参数沿叶高分布，再进行叶片外型。常用的流型有：自在旋涡式、强制旋涡式、变位自在旋涡和自在旋涡与等周向速度组合式等。随着计算机技术的发展，又进一步提出“最优流型”的设计，即要求在某些设计束缚下，使级的某一特定功能目标（如级的功率或效率）达到最优值的叶片扭曲规律。近年来，对于径向不等功的设计日益得到广泛的注重和运用，把它看成是提高效率和负荷，挖掘潜力的一种重要手段。在所谓“受控涡”设计中，就建议采用不等功设计。对于子午加速轴流风机，由于根部形状得到改善，因而中压力系数（P≤0.4）的子午加速轴流风机可采用等环量流型，对高压力系数（P＞0.4）可采取变功设计，即顶部作功略在于根部作功，若再采用等环量流型则根部气流扭转角＞45°，载荷系数过大。2