（工程热物理专业论文）对旋轴流风机最优轮毂比的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 对旋轴流风机最优轮毂比的研究 摘要 对旋轴流风机，是指前后串联两个直径、轮毂比都相同，丽旋转方向相反的叶 轮，用两个电机分别驱动的一种两级轴流风机，两级叶轮组成对旋结构，既是工作 轮又互为导叶，不需要导流叶片，使结构变得简单而紧凑，大大缩短轴向尺寸刚 时可减少损失。轮毂比是轴流风机的重要结构参数，它直接影响着风机的综合性能， 所以轮毂比的选择有着重要意义。本论文在分析了普通轴流风机的空气动力特征和 结构的基础上，研究了对旋轴流风机的空气动力特性和结构特点，并根据轴流风机 空气动力学理论，分析了普通轴流风机的轮毂比对气动性能的影响，对对旋轴流风 机的轮毂比进行了优化分析研究。建立了以效率为目标的函数，并综合考虑流量、 全压、扩散因予等约束条件，以电子表格为优化手段，建立了效率与轮毅比的优化 电子表格，通过利用电子表格的强大计算功能对在不同的轮毂比条件下的效率进行 分析比较，并充分考虑其他结构参数的合理性，确定出最优的轮毂比。并以此轮毅 比设计了一台高效率的对旋轴漉风机，与同设计参数的样机相比，它们的结构参数、 效率、噪声等综合性能基本一致，这充分体现了优化设计的实际价值。本论文所采 用的电子表格优化计算方法，有着简便、快捷、直观的特点，是一种非常有效的设 计方法。 关键词：对旋轴流风机：轮毂比；优化设计；约束条件 - i i - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c l s t u d yo nh u b r a t i oo p t i m i z a t i o nd e s i g no f c o u n t e r - r o t a t i n g a x i a lf l o wf a n a b s t r a c t c o u n t e r r o t a t i n ga x i a lf l o wf a n h a st w oc o u n t e r - r o t a t i n gr o t o r sa n dt w om o t o r s t h e m o t o r so ft h ef a nc a nb es a n l eo rd i f f e r e n t t h e i rd i a m e t e r sa n dh u br a t i o sa r ee q u a l b e c a u s ei tn e e d n tp r e r o t a t o r ，s oi t ss t r u c t u r ei sv e r ys i m p l ea n dt h ee f f i c i e n c yw i l lb e i n c r e a s e d h u br a t i oi sa ni m p o r t a n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e ro ft h ea x i a lf l o wf a n i td i r e c t ly a f f e c t st h ec o m b i n a t i o np r o p e r t yo ft h ef a n s ot h ec h o i c eo fh u br a t i oi sv e r yi m p o r t a n t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ea e r od y n a m i c a lp r o p e r t ya n dt h ec o n s t r u c t i o no fu s u a la x i a l f l o wf a n ，t h ea e r od y n a m i c a lp r o p e r t ya n dt h ec o n s t r u c t i o no fc o u n t e r - r o t a t i n ga x i a lf l o w f a na r er e s e a r c h e di nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fa e r o d y n a m i c so fa x i a lf l o w f a n ，a f t e ra n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fu s u a la x i a lf l o wf a n sh u br a t i ot oa i rp o w e r ，t h eh u b r a t i oo fc o u n t e r - r o t a t i n ga x i a lf l o wf a ni so p t i m i z e da n dr e s e a r c h e d o nt h i sf o u n d m i o n ， t h ef u n c t i o nw i t he f f i c i e n c ya st a r g e ti sc r e a t e da n do p t i m i z i n ge x c e li sb u i l tu p a f t e r c o n s i d e r i n gt h ef l o w ，t o t a lp r e s s u r e ，d i f f u s i o nf a c t o re t c ，t h ee x c e lo fe f f i c i e n c ya n dh u b r a t i oi sc r e a t e d w i t ht h ep o w e r f u lf u n c t i o no ft h ee x c e l ，t h ee f f i c i e n c yt h a tu n d e r d i f f e r e n th u br a t i oi sa n a l y z e da n dc o m p a r e d o t h e rs t r u c t u r a l p a r a m e t e ri sf u l l y c o n s i d e r e dt o o i nt h ee n dt h eo p t i m u mh u br a t i oi sc o n f i r m e d a c c o r d i n gt ot h i sh u b r a t i oah i g h e f f i c i e n c yc o u n t e r r o t a t i n ga x i a lf l o wf a ni sd e s i g n e d i tf u l l ye x t e r n a l i z e s t h ea c t u a lv a l u eo ft h eo p t i m i z a t i o n i na d d i t i o n ，t h eo p t i m i z i n gc a l c u l a t i o nw i t he x c e l t h a tu s e di nt h i sp a p e rh a st h es i m p l ea n df a s tc h a r a c t e r i s t i c s ni sav e r yv a l i dm e t h o d k e yw o r d s ：c o u n t e r - r o t a t i n ga x i a lf a n ；h u br a t i o ；o p t i m u md e s i g n ； c o n s t r a i n tc o n d i t i o n s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包 括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任伺 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：_ 彩 篷舨 & 遐 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保窝并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论定 被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索、交流。 学位论文作者签名： 日期； 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名：否则视为同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外矿井风机的发展历史及现状 矿用局部通风机是我国井下采矿掘进过程中必不可少的设备之一，目前，全国 煤炭系统在运行的局部通风机有近3 0 万台左右，大多数都是2 0 世纪5 0 年代仿苏联 的j b t 型普通轴流风机，其性能羞、风压低、风量小。随着社会经济的发展和技术 的进步，我国煤矿并下高产高效、综合开采工作面得到了快速发展，走向越来越长， 已经达到或超过了2 0 0 0 m ，长距离、大断面掘进巷道随之产生，巷道用风是逐渐加 大，这就要求有大风量、高风压的局部通风机来满足其需求；同时，随着煤矿开采 深度的增加，地温升高，瓦斯涌出量和其它有害气体含量不断增加，降温、排放瓦 斯和有害气体所需风量越来越大，通风距离越来越长；铁路、公路隧道掘进，金属 与非金属矿山的开采，均需要使用大风璧、高风压的风机提供长距离通风。现有的 局部通风机不能满足大断面掘进巷道对大风量、高风压通风的要求。从满足矿井安 全生产通风需要、节约能源和改善矿井井下工作条件出发，开发新型局部通风机十 分必要。 1 】1 国外概况 从国外矿用局部通风机的发展趋势看，对旋轴流风机、斜流式轴流风机及高效 子午加速轴流风机己成为矿用局部通风机的发展方向。俄罗新、英国、日本和德国 等国都对矿用局部通风机进行了大量的研究： 俄罗斯目前多使用改进的c b m 型单级轴流局部通风机【l 】。从1 9 8 3 年开始，着 力推广七十年代中期研制成功的b m 型局部通风机。该型风机具有的特点是： ( 1 ) 采用单级予午加速叶轮，风机的压力得以大幅度提高； ( 2 ) 在矸轮的前部装置了分流器： ( 3 ) 安装了可调式前导叶： ( 4 ) 叶轮叶片用卡普纶树脂和钢骨架制成，由螺栓将其固定在铸铝轮毅上。 b m 1 2 的叶片为钢质空心铆焊结构。俄罗斯煤矿装备的局部通风机最大功率已 达1 1 0 k w 。 荚晷k e i t h b l a e k m a n 是生产局部遥风杌的专业厂【2 1 。该公司生产有时轮矗径为 5 1 0 r a m 、6 1 0 m m 、7 6 0 m m 三种对旋轴流风机，叶片用铸钢制成，磨损小，寿命长。 该公司生产的6 8 系列混流式局部通风机最商静压效率可超过7 5 。局部通风机叶 片用低碳钢制成，焊接在锥形轮彀上，叶轮后部装有静止导时。k c i t h b l a e k m a n 还 生产c 系列矿用局部通风机，这种局部通风机噪声比较低，c 4 0 噪声仅9 3 d b ( a ) ； 1 东北炙学硕士学位论文第一章绪论 英国d a v i l s o n 公司目前生产b 系列和a 系列局部通风机【lj 。b 系列局部通风机采用 轴流式叶轮，机壳用低碳钢制造，流道为分叉形式，使电机与工作气流隔离。a 系 列局部通风机是最为普通的轴流式局部通风机，机壳沿纵向用槽钢加固，电机用螺 栓紧圈在机架上。 日本三并株式会社三池制所已生产有时轮直径4 0 0 1 0 0 0 m m ，风肇 1 5 0 10 0 0 m 3 m i n ，全压1 9 6 l - 4 9 0 3 p a ，电机容量5 5 2 5 5 x 2 k w ，比普通局部通风机 风压离1 0 - 2 0 ，噪声降到7 0 8 0 d b ( a ) ；该公司也生产了一种f m a 标准型无声对 旋式局部通风机p l ，称为f m a 系列风机。其特点在于该风机能产生5 0 0 0 p a 以上的 高风压，最大功率已达9 0 2 k w 。功率在3 0 2 k w 以上的局部通风机可通过内部安 装的步进电机调整叶片安装角度。能满足长距离通风需要：风机的机壳由两层制成， 中间填充特殊的吸声材料；在风机的进出气漉的两端，装有两个直径与叶轮轮毅直 径大小相等的楚流锥筒与扩散锥筒，其中也填充特殊的吸声材料，这样使风机的噪 声降低到8 0 9 0 d b ( a ) ，吸声材料疲劳后可以方便她更换。 德国v o r t e x 生产的v t e x 系列轴流式局部通风机l lj ，搔大功率为3 0 x 2 k w 。 v t e x 结构是对旋式的，但配上标准的进风导时便可单级运行，以便用于压力较低 的场合。德国也生产f s 单级系列局部通风机，最大功率为7 0 k w 。 1 1 2 国内概况 在国内，1 9 5 4 年我国开始参照苏联b 型风机资料设计了第一代b y 型( 以后改 名为国为民7 0 b ) 矿井轴流风机，并在1 9 5 5 年试制成功了第台2 b y n 0 2 4 ，继后 又成批生产了各个机号 4 1 。1 9 5 9 年4 月试制成功了0 6 2 n 0 2 4 矿并轴流风机。0 6 2 型风机的主要特点是本身结构能够反风，反风量可达6 0 8 0 ，它为第二代矿井轴 流风机。第三代国产矿井轴流风机是6 2 a 1 4 1 1 和2 k 6 0 型。6 2 a 1 4 1 1 型矿井轴流 风机是代替2 b y ( 7 0 b ) 型而于1 9 7 5 年设计并试制成功的产品，其叶型采用扭曲机 翼型单级叶轮，最高效率达8 4 5 ，使用范围广。2 k 6 0 型矿井轴流风机是1 9 8 0 年 为代替2 b y ( 7 0 b ) 型的又研制成果。 国产矿井局部轴流风机的发展较为缓慢，六十年代以前，根据外国资料设计_ j b t 和j b t l 系列矿井局部遥风机，之后，我国矿用局部通风机太部分使用j b t 系 列局部通风机，由于其能耗高、噪声大，国家已命令将其予以淘汰。但是，由于新 型局部通风机型号、数量、使用范围极为有限，更新速度极慢，6 0 年代术冶金工业 部安全技术研究所首次研究成功了j f d 5 对旋式轴流局部通风机，直径5 0 0 m m ，流 量2 6 m 3 s ，全压2 1 5 8 p a ，电动机功率5 5 x 2 k w ，最高全压效率8 0 ，该系列局部 通风机曾在全国金属矿山推广应用 1 1 。之后，冶金工业郁安全技术研究所又研制了 j f d 6 型局部通风机，流量约5 m 3 s ，全压3 2 3 6p a ，电动机功率1 1 2 k w ，全压效 率8 2 。此后，山东矿业学院和沈阳鼓风机厂合作研制成功了我国第一台子午加速 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 型局部通风机b k j 6 6 ，用来代替煤矿中使用的j b t 局部通风机，这种b k j 6 6 局部通 风机的噪声比j b t 系列低6 - 8 d b ( a ) 。东北工学院与北桑矿山机械厂合作，用子午加 速叶轮对j b t 局部通风机进行了改造，并首次在国产局部通风机上采用了消除风机 性能不稳定区的分流器装置，它为改造j b t 节约能源打下了基础。华中工学院和韶 关冶金机械厂子1 9 8 5 年设计制造了g k j 6 7 z 4 5 型局部通风机，采用单级予午加速叶 轮，装置后导叶结构，叶轮设计上采用了准三元流动理论设计方法，该局部通风机 叶轮用z l l 0 4 铝合金整浇铸成型，电机整体装置在机壳的内筒中，4 5 型局部通风机 叶轮直径4 5 0 m m ，流蠹3 m 3 s 。全压1 5 6 9 p a ，电动机功率7 5 k w ，全压效率8 6 ， 噪声8 9 1d b ( a ) 。浙江大学也研制了一种具有一级子午加速时轮的局部通风机，定 名为j k f 4 8 ，其时轮直径4 8 0 m m ，流量3 1m 3 s ，全压9 5 1 p a ，电动机功率5 。5 k w ， 全压效率8 1 5 。湖南郴州煤矿机械厂研制出的b k y 6 3 1l 型2 2 k w 斜流式矿用局 部通风机，其噪声较低，为8 8 7 d b ( a ) ，但功率、流薰、压力都较小，只适用于短 距离通风，而且其比噪声级并不低。 近年来，我国煤炭科学研究总院熏庆分院与北京航空航天大学合作开发设计了 可以取代德国k o r f m a n n 公司生产的d g a l 7 2 0 4 2 4 0 风机的k d z 型高性能对旋轴流 风机。样机性能试验表明，其各项性能指标均优于德国的风机。该风机的主要技术 指标为：流量3 6 0 5 1 0 m 3 m i n ，全压6 6 0 0 2 5 0 0 p a ，电动机功率2 6 2 k w ，转速2 9 4 0 r p m ， 最高全压效率8 3 5 ，噪声( 比a 声级) 8 d b p j 。 由以上综述可知，虽然近年来我国的矿用局部通风机正在向大流量、商风压、 高效率、低噪声方向发展，但现有的风枫流量和压力都偏低，噪声都普遍较高，都 未能达到国家规定的8 5 d b ( a ) 。因此，有必要研制一种新型的局部通风机，提高风 量和压力，进一步降低其噪声。 1 2 对旋轴流风机作为矿井风机的应用特点 煤矿用轴流风机分为矿井主风机和井下局部通风机，是煤矿上使用量最大的重 要设备，其产品的引进、开发和改进一直受到科技人员的重视，煤矿的通风安全现 状也因此逐年得到改善。但由于营通轴流风机的晶种少，技术含量低，综合性能差 等因素，不能满足矿井向深部开采后通风阻力增大、所需风量增加以及高瓦斯矿) 二 对大风董通风的要求，并且能耗大。由于社会的发展和技术的进步，对产品的节能 要求更强烈。因此，从现场生产需要，经济性、安全性考虑，更需要新型轴流风机 技术先进、气动性能好、节能、运行可靠、综合性能好、结构简单和维护安装方便 等特点，对旋轴流风机就是一个很好的方案。 所谓对旋轴流风枫，是指前后串联两个直径、轮毂比都相同，而旋转方向相反 的叶轮( 两个叶轮的转速一般相同，但也可以不同) ，用两个电机分别驱动的一种两 级轴流风机，每台电机轴律端直接安装叶轮，两台主机的叶轮相对互为反向旋转 一3 - 东北太学硕士学位论文第一章绪沦 型局部通风机b k j 6 6 ，用来代替煤矿中使用的j b t 局都通风机，这种b k j 6 6 局部通 风机的噪声比j b t 系列低6 s a n ( a ) 。东j b 工学院与北累矿山机械厂合作，用子午加 速叶轮对j b t 局部通风机进行了改造，并首次在国产局部通风机上采用了消除风机 性能不稳定区的分流器装置，它为改造j b t 节约能源打下了基础。华中工学院和韶 关冶金机械厂子1 9 8 5 年设计制造了g k j 6 7 z 4 5 型局部通风机，采用单级子午加速叶 轮，装置后导叶结构，叶轮设计上采用了准三元流动理论设计方法，该局部通风机 叶轮用z l l 0 4 铝合金整浇铸成型，电机整体装置在机壳的内简中，4 5 型局部通风机 叶轮直径4 5 0 m m ，流量3 m 3 s 。全压1 5 6 9 p a ，电动机功率7 5 k w ，全压效率8 6 ， 噪声8 9 1d b 似1 。浙江大学也研制丁一种其有一级子午加速叶轮的局部通风机，定 名为j k f 4 9 ，其时轮直径4 8 0 m m ，流量3 1n 1 3 s ，全压9 5 l p a ，电动机功率5 5 k w ， 全压效率8 1 5 。湖南郴州煤矿机械厂研制出的b k y 6 3 1 1 型2 2 k w 斜流式矿用嗣 部通风机，其噪声较低，为8 8 7 d b ( a ) ，但功率、流薰、压力都较小，只适用于短 距离通风，而且其比嗓声级并不低。 近年来，我国煤炭科学研究总院熏庆分院与北京航空航天大学合作开发没计r 可以取代德国k o r f m a n n 公司生产的d g a l 7 - 2 0 4 2 4 0 风机的k d z 型高性能对旋轴流 风机。样机性能试验表明，其备项性能指标均优于德国的风机。该风机的主要技术 指标为；流量3 6 0 5 1 0 m 3 m i n ，全压6 6 0 0 - 2 5 0 0 p a ，电动机功率2 6 k 2 k w ，转速2 9 4 0 r p m ， 最高全压效率8 3 5 ，噪声( 比a 声级) 8 d b d j 。 由以上综述可知，虽然近年来我国的矿用局郎通风机正在向大流量、商风压、 商效率、低嗓声方向发展，但现有的风机流量和压力都偏低，噪声都普遍较高，都 未能达到国家规定的8 5 t t a ( a ) 。因此，有必要研铷一种薪型的局部通风机，提高风 量和压力，进一步降低其噪声。 1 2 对旋轴流风机作为矿并风杌的应用特点 煤矿用轴流风机分为矿井主风机和井下局部通风机，是煤矿j 二使用量最大的重 要设备，其产品的引进、开发和改进一直受到科技人员的重视，煤矿的通风安全现 状也因此逐年得到改善。但由于普通轴瀛风机的品种少，技术含量低，综合性能差 等因素，不能满足矿井向深部开采后通风阻力增大、所需风篮增加以及高瓦斯矿井 对大风量通风的要求，并且能耗太。由于社会的发展和技术的进步，对产品的节能 要求更强烈。因此，从现场生产蔫要，经济性、安全性考虑，更需要新型轴流风机 技术先进、气动性能好、节能、运行可靠、综台性能好、结构简单和维护安装方便 等特点，对旋轴流风机就是一个很好的方案。 所谓对旋轴流风机，是指前后串联两个直径、辕毂比都相同，而旋转方向相反 的叶轮f 两个叶轮的转速一般裙同，但也可以不同) ，用两个电机分别驱动的一种两 级轴流风机，每台电机轴伴端直接安装时轮，两台主机的叶轮相对互为反向旋转， 级轴流风机，每台电机轴伸端直接安装叶轮，两台主机的叶轮相对互为反向旋转， - 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 组成对旋结构。两级叶轮既是工作轮又互为导叶既避免了电机和叶轮之间传动皱 置的能量损失，又避免了普通轴流风机的前、后导叶的能量损失，它与普通轴流风 机相比有以下几个优点【6 j ： ( 1 ) 可以省略导叶，因而具有较短的结构尺寸； ( 2 ) 效率高，它比圊样的带后置导叶的二级风机效率高出5 ，比带前置导u 的风机高约8 ； ( 3 ) 反风性好，一般动叶轮固定的风机，其反风量约为4 0 ，而对于二级反 转的风机来说，其反风量可达6 0 7 0 。 对旋轴流风枫的主要缺点为：每个叶轮的叶片尺寸不尽相同，噪声比普通轴流 风机高些，为解决这一问题可在机壳及流线罩等部件中放置吸声材料以降低风机噪 声【7 1 。 目前，介绍对旋轴流风机的系统理论和设计方法的资料还十分缺乏，实验结果 和数据也很少。市场上有些产品的质量还有待提高，存在效率低、噪声偏商、结构 振动、叶片失速等问题，一般尤其会发生在第二级动叶上，如叶片断裂、烧毁电机 等。究其原因是对对旋轴流风机设计还不够完善，所以，对对旋轴流风机进行理论 设计与实验研究，提高其产品的设计质量与运行效率是改进对旋轴流风机性能的根 本途径。 1 3 对旋轴流风机的设计方法综述 目前，虽有一定数量的对旋式风机用于井下，效率有较大的提高，但这些对旋 式风机均为采用工程设计方法设计，两极功率匹配不良，影响了效率的提高，常造 成烧电机的现象，影响生产。因此，如何保证对旋式风机在熬个工作期洲的起好性 能，尤其保证在高压、小流景区域内的高效性能更为重要。 对旋轴流风机的设计方法主要有两种，一是利用单独翼叶进行空气动力实验所 得到的数据进行设计，称为孤立叶型设计法；另一种是利用叶栅的理论和叶栅的送 风实验成果来进行设计，称为叶橱设计法。 除了上述两种方法以外，当今世界上各国的风机设计者们还相继提出了不少新 的设计方法。例如混合设计法l ”，就是将孤立翼型法与平面叶栅法相结合的新方法； 最佳无因次系数法【9 】，就是依据相似原理和现有不同类型轴流风机的实验数据，推 论出轴流风机主要参数之间的最佳结合，从而设计出又快又好的轴流风机的设计方 法等等。这些新方法迎合了不固使用环境和要求的需要。 本论文提出如下的设计思路：对于对旋轴流风机的空气动力设计，按照r + s 级 单级轴流风机的设计方法，在给定的设计参数条件下，设计第1 级叶轮，即进行第 1 级叶轮叶片的气动计算和几何尺寸计算；然后按照p + r 级单级轴流风机的设计：疗 法，在给定的设计参数条件下，设计第1 i 级时轮，即进行第1 l 级叶轮叶片的气动计 4 东北大学硕士学住论文 第一章姥沦 算和几何尺寸计算。设计中注意第1 级叶轮后的周向速度为第1 i 级叶轮的预旋绕速 度，雨第1 i 级叶轮啦口气流一艘取为轴向流动。 1 4 轴流风机的优化设计方法综述 在轴流风机的空气动力设计中日益趋向采用优化设计方法。国内外已经有专 家、学者纷纷利用最优化原理和数值计算方法，在满足轴流风机设计参数及各种工 程约束条件下，合理选择计算风机的气动参数和结构参数，从而使风机的效率撼高、 噪声降低、尺寸小及重量轻。 目前，轴流风机的优化气动设计方法的研究主要在以下几个方面 1 0 】： l ，4 1 轴流风机流型的优化设计 现代轴流风杌的叶轮叶片沿叶离方向都是扭曲的，其目的是使各基元级速度三 角形沿叶片高度方向上的变化符合客观存在的约束条件和加功量大致相等的要求， 使风机级具有良好的工作性能。决定叶片沿高度方向上的扭曲规律，即是进行叶片 的流型设计。目前在轴流风机的气动设计中，常采用等环量流型、等反作用度流型、 固体涡流型及确定环量指数的变环量流型等，这些流型都有其各自的优缺点。目前， 国内外已出现了一些轴流风机的最优流型设计研究，即要求轴流风机在满足某些t 程设计约束条件下，应用最优化原理和数值计算方法，找出使轴流风机的某个目标 函数达到最优值的叶片在叶高方向上的最佳扭曲规律。 对于轴流风机来说，有些是以达到风机的内部流动损失最小、效率最高为目标 函数 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 1 ，有些则是以达到风机的最低气动噪声为目标函数 ”】。一般认为，当 轴流风机的效率最高、损失最小时，其气动噪声也为最低，所以我们在这里仅概要 叙述以轴流风机的最高效率为目标函数的最优流型设计方法。 1 4 2 轴流风机结构参数的优化设计 正确地选择轴流风机的结构参数，就能有效地降低风枫内流动损失。轴流风机 的主要结构参数有叶轮直径d 、叶轮毂比d 、叶栅稠度t 、径向及轴向间隙等，它们 对风机效率及性能郝有很大影响。 目前在轴流风机的气动设计中已趋向采用最优化方法选择计算风机的结构参 数，在国内外已有利用最优化原理与数值计算方法，以使得风机效率最高为目标函 数，在满足各种工程设计约束条件下，求解轴流风机的最优结构参数。 1 5 应用优化设计方法求解对旋轴流风机最优轮毂比 优秀的设计方法可以在对旋轴流风机的优化设计方面窥见一二。有的学者【l “i 结合对旋轴流风机的结构特点。在流动为不可压、等环量流型及进出口流速为轴向 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的假设下，通过基元平面叶栅理论，建立了对旋轴流风机的优化模型，并用混合罚 函数法进行了优化，结果表明：优化结果能为对旋轴漉风机轮毂参数的合理选择提 供依据；或在给定最优叶栅稠度和确定的流型这一假设的前提下 1 7 j 。对子午流道和 总功沿级的分配进行优化控制，建立结构参数的优化数学模型，求解出了满足对旋 轴漉风机设计参数的最优轮毂参数。在这些地方。对旋轴流风杌的设计逐渐地与计 算机的使用相联系。 所以，本论文旨在研究新的对旋轴流风机的优化设计方法，将计算机e x c e l 计 算程序应用到风机的设计中去，会大大提高设计的实用性，缩短设计的周期、步骤 和成本，进而设计出高效率、低能耗、适应性强的对旋轴流风机。本论文结合对旋 轴流风机的结构特点，在流动为不可压、流型按照等环爨流型( 环量指数为1 ) 来 处理及进出口流速为轴向的假设下，遥过孤立翼型理论，建立了对旋轴流风机的优 化模型，用e x c e l 计算程序对对旋轴流风机进行优化设计，实例表明优化结果能为 选择合理的对旋轴流风机轮毂比提供依据。 1 6 本论文研究的主要内容 现有局部通风机风量小、风压低，不能满足井下大断面长距离掘进巷道通风的 要求，而且效率低、能耗大、噪声大、污染环境，设计一种新型的大功率低噪声对 旋式局部通风机用于长距离、大断面掘进巷道通风具有重要的工程实际意义。本沦 文根据风机空气动力设计计算理论，在分析研究现有轴流风机的设计理论的基础一t - ， 优化分析研究了轴流风机的主要气动参数、几何参数、轴向间隙、径向间隙等对辅 流风机的噪声和气动性能的影响。通过对对旋轴流风机的噪声、气动性能和结构参 数等的综合优化分析，确定出叶轮气动力参数、几何参数的选取、轴向间隙以及径 向间隙等的优化选取方法。在以上研究的基础上，总结过去研究小型对旋式局部通 风机的实践经验，结合煤矿的生产实际需要，针对对旋轴流风机豹特点，以效率为 目标函数，对对旋式风机的气动参数进行优化设计。 本论文的主要内容安排如下： ( 1 ) 绪论，综述轴流局部通风机的当前国内外研究成果，以及本论文的主要 研究内容： ( 2 ) 轴流风机的空气动力设计，介绍了轴流风机气动设计的基本理论，分析 了轴流风机的空气动力设计的基本方法； ( 3 ) 对旋轴流风机的设计及优化理论，对对旋轴流风机进行系统定义，假定 风机流型已优化，针对设计出最优轮毂比这个目的，规定假设条件以及约束条件， 根据流体力学知识、风机结构原理以及空气动力学原理等相关知识建立了对旋轴流 风机轮毂比优化设计模型，并给出应用电子表格求解的计算方法； ( 4 ) 对旋轴流风机最优轮毂比的选择计算与实例验证，设计了一台给定设计 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 参数下的具有最优轮毂比的对旋轴流风机叶轮级，并与一台实际风机做实例验证 ( 5 ) 优化计算结果分析与结论，对优化的结果进行分析，总结本论文所做 作和取得的研究成果。 7 东北大学硕士学位论文 第二章轴流风杌的空气动力设计 第二章轴流风机的空气动力设计 2 1 轴流风机级的工作过程 图2 1 为一典型的单级轴流风机结构示意图，前导流器、叶轮及后导流器织成 轴流风机一个完整的级。气体从集流器进入，经过前导流器使气流在叶轮入口产生 负旋绕，以提高风机全压，通过叶轮使气流获得能量，然后流入后导流器将一部分 偏转的气流动能变为静压能，最后气流通过扩散器将一部分轴向气流动能变为静t l i 能后流出。 图2 1轴流风机结构示意图 1 集流器2 一流线罩3 前导流器4 叶轮5 后导流器 f i g u r e2 1c o m p o n e n t so ft h ea x i a lf l o wf a n 1 一c o n i c a li n l e t 2 - n o s ef a i r i n g3 - p r e r o t a t o r4 - r o t o r5 - s t r a i 曲t e n e r 气流经过轴流风机级的叶栅对，在大多数情况下，是在以轴为对称的圆柱面上 流动，但是，在不同圆柱面上的气流参数是变化的。例如，气流在叶轮中圆周速度 u 随半径的不同面不同。为了便于研究，可从图2 1 所示典型的单级轴流风机中， 用半径r 截取基元半径为r 的环状叶栅，并展开到平面上，便得到如图2 2 a 所示 的由前导流器、叶轮和后导流器叶片所组成的三排平面直列叶栅，把它称为轴流风 机的基元级。图中，0 一o 为前导流器入口截面，1 一l 与2 2 分别为回转叶轮叶栅 进、出口截面，而3 3 为后导流器出口截面。如果将各截面速度三角形重叠在一起， 则可得到如图2 2 b 所示基元级速度三角形。图中有关气流各速度方向，除非特殊说 明，都是用该速度与叶据额线间的夹角表示的，绝对速度与圆周速度正方向之间的 夹角用占表示，相对速度与圆周速度反方向之间的夹角用口表示。 8 - 董苎苎茎矍主苎垒垒查 苎三兰塑垫墨垫塑窒墨邈垄墨三 一即干 日4 f v 乳h v 蔓1 明刀枝，r 。! 土 一。 参参 - 主虿 善。 酉2 ， 一f 一 稚| 除羹 1 - ，土l ll j ， 一i i a c 。l il a _ hllc ”7 c i i；j一e i 。o l |1 一 uf 图2 , 2 轴流风机基元级及其速度三角形 f i g u r e2 2 v e l o c i t yt r i a n g l eo f t h ea x i a lf l o wf h 当风机工作时，气流在风机入口经过由集流器和流线罩所构成的收敛光滑流 道，流到基元级的入口0 - - - 0 截面a 在该截蔚处，气体绝对速度沿径向没有变化，u 等于轴向速度，当气流经过前导流器的弯曲流道对改变了方向。在1 - - 1 截面，气流 的绝对速度为c i ，它与叶栅额线间豹夹角为点，绝对速度c 。在时栅轴向及周向方向 的分速度分别为c 一。及c n 。通常称c 。为旋绕速度，旋绕速度与叶轮圆周速度方向相 l 司时为正，反之为负。在0 - - 0 截面和1 - - 1 截面阃取不可压缩流体的连续方程可群 流经基元级的流量 却，3 2 咖。= 2 咄。= 2 砒托2 。( 2 一1 ) 其中，为基元级高度由上式可得基元级中气流的轴向速度 2o o a2 c k 。c 2 口 ( 2 - 2 ) 在叶轮入口的1 - - 1 截面处，气流的绝对速度为五，相对速度蛾，牵连速度为 圆周速度厅- ，且曩= 羁+ 玩。在2 8 2 截面处，气流的绝对速度为瓦，相对速度谛、， 牵连速度为圆周速度畋，且有磊= 吐+ 碗。由于气流是在同一豳柱面上流动，并以 - 9 - 东北足学硕士学位论文第二章袖流风机的空气动力设计 “l = “2 = ”= ，甜 ( 2 3 ) 式中，叶轮旋转角速度，单位为1 s 。 由图2 - 2 可得到旋绕速度的变化为 a c 。= c h 一( - e i 。) = a w 。= w l 。一w 2 。 ( 2 - 4 ) 气流的平均相对速度为 w ，= , v 厅w m a _ - i w m u = 扛2m 一等_ ( _ 钆) 】2 ( 2 _ 5 ) 气流的平均相对速度与叶栅额线问的夹角为 l 甜一争七。l “) i p ，：肿c o t l 2 _ ：a r c s i n 旦 ( 2 6 ) 气流在2 2 截面以绝对速度c ，流出叶轮，流向后导流器叶片，这些叶片使气 流往圆周速度反方向倾斜，致使叶片出1 2 的旋绕速度小于其入口旋绕速度，即 c 。 c ：。，从而有效减少了风机出1 2 1 旋绕动能损失。 2 2 轴流风机的基本方程 2 2 1 轴流风机基元级的理论全压方程 假设通过轴流风机的气体流动为不可压缩、稳定的理想气体，即气流流过风枫 级时没有任何能量损失，由基元级速度三角形可知，单级轴流风机基元级的理论全 压方程式可写成f m l ： p = 删( n w 2 。) = 用岷= 班c 。= m ( c 2 。一c 】。) ( 2 - 7 ) 当无前导流器时，q 。= 0 ，则式( 2 7 ) 变为 卧m = # u c 2 。 ( 2 - 8 ) 2 2 2 轴流风机的空气动力基本方程 当粘性气流流过平面直列叶栅时，空气动力负荷系数贮。为 贮。：塾趔；2 s i n 以( 嘲一c t g f l ：) ( 2 9 ) w m 上式即为用于轴流风机空气动力计算的空气动力基本方程【1 0 1 。 2 2 3 轴流风机的径向平衡方程 假设流过风机的气流是理想气体、稳定流动，在圆柱面上流动及气流参数是轴 对称的，c 。= 0 。在叶轮后2 2 截面处的气流中，取个基元分离体得到叶轮( r ) + 后导流器( s ) 级计算截面半径r 处的简单径向平衡方程： 1 0 东北大学硕士学位论文第二章轴流风机的空气动力设计 拿：堕( 2 1 0 ) 谢， 式中p 、巳分别为计算截面半径r 处的气流静眶与旋绕速度。 经整理可得 屯车g r 卸咱。，( 等+ 孥 味 、r鄱j 上式为叶轮后沿叶片高度方向气流速度分布的轴流风机径向平衡方程【】。求解 该微分方程，可得到气流沿圆柱面上流动豹简单径向平衡条件。 如果进一步假设：叶轮后2 - 2 截藤沿叶高方向气流轴向速度为常数，即c 。= 常 数，解式( 2 1 1 ) 微分方程，可褥到气流的筒单径向平餐条件； 坠+ 垒：0 或生+ 勉：0 ( 2 - 1 2 ) 咖， r c 2 “ 对上式积分，得到 f c ：。= 常数 上式也可写成 f 2 ( r ) = 2 n r c 2 。= 常数 ( 2 一1 3 ) 径向平衡条件也可写成 r a c 。= 常数 ( 2 1 4 ) 根据沿叶片高度的环量为常数，来设计轴流式叶轮机械的叶片以保证气流的径 向平衡，通常把这种流型称为等环量流型或自由涡流型。凡是建立在r ( r ) = 常数纂 础上的轴流风机叶片环的空气动力计算方法，称为等环曩计算方法。按这种方法所 设计的级为等环量级。 若一c 2 。= 0 或垒；= 常数( 2 15 ) 在这种情况下，气体微团好象一个在各质点间无相对位移的整体绕叶轮轴心旋 转，因而把这种旋绕速度沿叶片高度的变化规律，称为“固体旋绕规律”，这种流型 称为固体涡流型。 在轴流风机设计中，我们还常常遇到环量r ( r ) 书常数的情况。凡是r ( r ) 常数 的流型统称为变环量流型，固体涡流型就是一种变环薰流型。此外，当考虑c ，。常 数的条件下，求解式( 2 1 1 ) 径向平衡微分方程，得到的结果也常常是变环量流型。 2 2 ，4 轴流风机的损失与效率 ( 1 ) 叶片环中的损失 为了能够用简化的计算方法来计算气流经过叶片环中总的压力损失，通常假想 地把它分成四部分：翼型阻力损失卸。、环形壁面损失衄。、涡流损失印。及径向 间隙损失卸。于是，气流经过叶片环中总的压力损失印，可以写成： 东北大学硕士学位论文第二章轴流风机的空气动力设计 肇，= 肇。+ a p 。+ 劬。+ z p j ( 2 - 1 6 ) 上式两端同时乘以( f s i n 成) ，( 晏1 ，：6 ) ，可得总的压力损失系数c 。： c 0 = e 。+ c 。+ c 。+ c x d ( 2 1 7 ) 按前述的假设，沿叶片高度各压力损失都是相同的，所以只要研究基元长度叶 片的压力损失就可以了。可以得出流经基元长度空间叶栅的总的压力损失为： 2 b 舰2 裔 。” 从上述分析可知，叶片环中的压力损失与叶栅稠度f 、叶轮毂比d 、翼型相对 厚度c 、叶栅中翼型升力系数c 。( 或儒考夫斯基力系数c g ) 、相对径向间隙d ，及 气流进口冲角i 等参数有关，在进弦轴流风机设计时，对于这些参数的选择计算要 特别注意，因为它们直接影响到风机的效率。 ( 2 ) 轴流风机的效率 风机的效率是用来表征风机损失大小的，是衡量风机空气动力性能的重要指标 之一。 轴流风机的全压效率和静压效率可分别表示为： 7 口= = 叩，矸。 ( 2 _ 1 9 ) 哆口= j 芋- = 7 7 ( 2 2 0 ) 在轴流风机的气动设计中所需的风机全压效率孙，可以通过两种途径得到。一 是参考已有轴流风机的孙一一，曲线得出：另一种是通过计算的方法得出，这主要用 于风机效率校核计算及为了选择电动机时需要计算风机全压效率等情况。 流动效率叩，是反映气流经过轴流风机流道时压力损失大小的指标，即 口，：盟：堕二丝 ( 2 2 1 ) p mp 口“ 可得到 r ：丝：! ：! 竺! ：竺! 塑! ：竺：竺! ：竺! ：一垫墅11：rs(2-2271 - z = - - - - - - - - - - - - - - - - 。- - - - - - - - - - - - - - - 。二o = = 一二。- 。- 一 j p w | h p l f i h 式中孤轴流风机的级效率，即 r l ：! 篓些二! 竺! 竺：垒! ! 垒坠11s(2-23 = 。：。1 ”。：一 ， p 萨啦 当忽略集流器损失舰和流线罩损失卸时，轴流风机的流动效率玎，在数值上等于 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章轴流风机的空气动力设训 其级效率r 。但应注意，风机的全压效率、流动效率r i 和级效率r 。三者是有艮 别的，不能把它们相混淆。 在轴流风机中还有一些辅助部件，例如进气箱、进气弯道、扩散器及轴承支座等。 考虑这些辅助部件引起的风机压力损失所计算出来的效率，称为风机装置效率，7 。 它可由下式计算： r p = ( 1 一鼻丝) ( 2 - 2 4 ) p p 式中玉风机装置损失系数，具体数值参见文献【7 】： p a r 风机动压； 耶风机全压艮与风机装置的压力损失肇p 之差，即p ，= p ，一肇， 2 3 轴流风机的空气动力设计 轴流风机空气动力设计的目的是在满足设计参数的前提下，根据获得高效率或 低噪声的原则，计算出轴流风机有关部件在流道中的几何尺寸，并绘制轴流风机图 形。 在进行轴流风机气动设计时，已知的主要设计参数有风机全压p 。和流量q ，。 如果所给的设计参数不是对应于标准进气状态的，应将其换算成标准状态_ f 的设计 参数，然后再根据标准状态下的设计参数进行设计计算。 在轴流风机叶片环的空气动力计算中，遵循着两种不同的方法，即等环量和变 环量方法。等环量方法适用于压力较高、轮毂比较大的轴流风机叶片环的空气动力 计算中，而变环量方法则适用于压力较低、轮毂比较小的轴流风机计算中。 在风机空气动力设计计算以后，必须对叶轮等旋转部件进行强度校核。若强度 不够，应当更换材料或