（机械设计及理论专业论文）对旋轴流式通风机设计理论与方法的研究.pdf

对旋轴流式通风机殴计理论与方法的研究 中文摘要 对旋轴流式通风机是种近年才推广应用的井f 脚目离通风设备，对它的深入研究可 以使煤矿的安全生产得到大大保证。但是，山于长期以来对对旋轴流式j 豳风机的研究一直 停留在一元定常研究和低速系统上，使得对旋轴流式通风荆帧行过程中出现了很多问题 这就有必要对对旋轴流式通风机的设计理论和方法进行更深层次的探讨。 论文首先在作者参与的对对旋轴流式通风机进行的实验验证的基础上，完成了对旋轴 流式通风机总体性能的宏观把握；同时借助对级间稳态流场的测量和分析，进步论证了 对旋轴流式通风机确实具有更高的压比和流量以及更宽广的稳定工作范围。 其次，论文分析了等环量和变环量两种气动设计方法对对旋轴流式通风机气动性能的 影响，讨论了沿叶高加功量的分配方法和叶片的空间弯掠造型的问题。 再者，在速度三角形的基础上，详绌分析了两级叶轮的理论特性，提出了防止二级电 机过载的方法，并在参考有关文献的基础上提出了对旋轴流式通风机设计的新方法。 睑文最后对1 就的强度进行了有限元分析。 关键 趣：对旋轴流式通风机气动设计 过载 有限元分析 本项目得到安徽省教育厅自然科学基金资助( 项目号：2 0 略崎l o 对旋轴流式通风机设计理论j ，方法的研究 a b s t r a c t c o u n t e r r o t a t i n g a x i a l 岛1 i s a k i n d o f d o w n - h o l e l o n g d i s t a n c e v e n t i l a t e d e q u i p m e n t s t h a t j u s t 印蚀e di nr e c e n ty e a r s ；t h ei n - d e p t hr e s e a r c ho f i tc a n e n s i l r et h es a f ep r o d u c t i o no f t h ec o a l m i n e t h er e s e a r c ho f t h ec o t m t e rr o t a t i n ga x i a lf a ns t i l ls t a ya tt h es t e a d yw s c a r c ha n dt h el o ws p e e d s y s t e m ，w h i c h m a k e s t h e c o u n t e r r o t a t i n g a x i a l f a n o c c u r s m a n y p m b l e n a s i n t h e c o u r s e o f r u n n i n g ， s oi t sn e c e s s a r yt op r o g r e s st h em o r ed e e p s e a t e da n a l y s i st ot h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do f t h e c o u n t e rr o t a t i n ga x i a l 胁 f i r s t l yt h r o u g ht h et e s t e dc h e c ko f t h ec o u n t e rr o l a f i n ga x i a lf a nw h i c ht h ea u t h o rp a r t i c i p a t e d i i lb yo n e s e l f , t h em a e m s c o p i c a l l yo f t h ep e r f o r m a n c ei sc o m p l e t e d ；a tt h e5 a m ct i m ei ti sf l _ l n h e r p r o v e dt h a tt h ec o u n t e rr o t a t i n ga x i a lf a nr e 讪yh a sh i g h e rc o m p r e s s i o nr a t i o ，f l o wr a t ea n dw i d e r s t a b l e w o r k s c o p e s b y m e a n s o f t h e m e a s u r e m e n t a n d a n a l y s i s o f s t e a d y f l o w - f i e l d b e t w e e n s l a g e s ， s e c o n d l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h et w oa e r o d y n a m i cd e s i g nm e t h o d s ( t h e c o n s l a n tc i r c u l a t i o na n dt h ev a r i e dc i r c u l a t i o n ) t ot h ea e r o d y n m u i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o u n t e r r o t a t i n ga x i a l 白r la n dt h ea l l o c a t i o nr u l eo ft h ec o m p r e s s i o nw o r ka l o n gt h eb l a d eh e i g h t , a n d s w e p t - c u r v e ds p a c em o u l do f b l a d e sa r ea l s od i s c u s s e d 删l y ，i n t h e f o u n d a t i o n o f v e l o c i t y t r i a n g l e ，t h e t h e s i s a n a l y z e s t h e t h e o r i e sc h a r a c t e r i s t i co f t h et w os t a g ei m 倒l e ti nd e t a i la n d p u t sf o r w a r d t h em e t h o do f p r e v e n t i n gt h eo v e r l o a do f t w o - s t e p m o t o r f u r t h e r m o r e a n e w d e s i g n m e t h o d o f t h e c o u n t e r r o t a t i n g a x i a l f a n i s i t l s o p u t f o r w a r d o n t h e b a s i so f c o n c e m i n gl i t e r a t u r e f i i l a l l y 船t h e s i sp r e c e d e dt h ef i n i t ed e m e n ta n a l y s i st ot h es t r e n g t ho f i m p e l l e r k e y w o r d s ：c o u n t e rr e l a t i n ga x i a lf a na e m d y r m m i cd e s i g n o v e r l o a d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h i s 州e c ti sf u n d e db yt h e n a t u r a ls c i e n c ef o n do f a n h u ie d u c a t i o nb u r e a u ( s u b j e c t n u m b e r ：2 0 0 3 k j l 0 4 ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞邀望三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文 中怍了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：董京友 签字吼弘髀月引日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解童徵堡王太堂有保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复f i j 件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞堂理工大堂可 d , - t 哿学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：量芬友导师签名：降掰 签字日期：必a o 年j 月37 日签字日期：矽咿厂年，月多日 对旋轴流式通风机设计理论与方法的研究 第一章绪论 本章回顾了目前国内外对旋轴流式通肛博l 领域的研究和发展，简单介绍了课题的研究 背景和本论文所要进行的主要工作。 1 1 对旋轴流式通风机概述 所谓对旋轴流式通刚儿是指6 u 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式 通风机。对旋轴流式通风机是中无静叶的两级轴0 劬i l ! l 由于省掉了导叶，从理论t 讲， 使风讥内耗减少了，阻力损失阿氐了，从而提高了风机的工作效率。对旋轴流式i 蓖风机的 性自缬 ，高效区宽，驼峰区胍压平稳，肛蜥急定，气流喘振与冲击现缘微弱，噪声较低。 与轴流式通风机相比，它的| ) c l 量有所提高，风压增加较多，适应性强，巷道长度可大可小， 最长可达约15 0 0 m 。 虽然轴流式通风机有其自身的优点：气流流动比较理想，般可避免气流分离，凶而 效率高而噪声 氐叶片安装角根据需要可以调整，所以工况范围比较宽；叶轮反转时，可以 有反方向的气体流动( i i l j 返风) 等，但出于轴流式通风机比转速高，流量大而压头低，所 以在需要高压头而流量不是很大时，如一股锅炉的鼓、引风，轴流式通风机就不太固世。 在矿井主扇和局扇中，轴流式通煳经常出现压头不够的现象。过去常采用两台或多台风 机串联运行的方法克服这一不足，如2 k 6 0 ，t 2 k 5 8 型通风机等。这利憾咖机的布局见图 卜1 。气流沿轴向进入第级动叶，经过第一级静叶、第二级动叶，再由第二级静叶| 轴向流 山。 第一缓动叶第一接替叶第= 旺动叶第= 鳋静叶 盲首罩 尾量 幽1 1 传统二级轴流肛协l 布局刚 因气流需要前后两次通过动叶，使单轴向流变成旋转流，又通过静叶( 也称反扭导 流片) 再恢复成单轴向流，结果造成气流通道比较复杂，导致能量损失增加，效率下降， 以及结构复杂，风机尺寸加大等缺点，因此这种部件组合方式不能说是最佳的。更好的运 行方案是将两个旋转方向相反的轴流叶片串联起来，第一级叶轮产生的气流旋转恰好由第 二级反转而消除，壹接产生符合出口要求的单轴向流，也就是我们所况的对旋轴流式通 风机它的布局见图1 之。气流由第一级动时轴向进入，经过第二级动叶直接流出，中问 对旋轴流式通风机设计理论与方法的研究 4 i 需要经过两级静叶。由于对旋轴流式j x 协环需要导流片，使结构变得简单而紧凑，大大 缩短了轴向尺寸，同时可减小损失，完全避免了导流片上的气流分离，提高了效率和降 氐 厂噪声。 图1 - 2 对旋辅流式通风机布局幽 一般两级轴流式通风棚结构上的弊端使其不能有效地减少气流在风机中的流动阻力， 而两级对旋轴流式风机彦f 对此做了改造，取得了良好的效果。图1 - 3 为一搬两级轴流式风 机的气动图。为了提高风压及工作效率，在一、二级叶轮旧j 增d u t c h 导叶，在二级叶轮_ | 舌 加了后导叶。出图1 _ 3 ，可得风机一、二级叶轮风压特性方程为： h i = 肛c 1 2 。 ( 1 1 ) h 2 = n u c 2 2 。c 2 1 。) 式中：“一两级叶轮的圆周速度； c m 级叶轮出口旋绕速度； c ：。、c ：。一二级叶轮出、入口旋绕速度。 一蟠叶乾 中导叶 二堪叶托 后导叶 “一一、二级叶轮圆周速度；c 。一轴向速度 暇l 、m 2 、1 、2 一、2 级l t l 轮入、出口处相对速度 ( 卜2 ) 对旋轴流式通风机设计理论与方法的研究 c f i 、c pc 2 l 、c 2 2 一一、一级叶轮入、出口处绝对速度 c ：一后导叶山 j 绝对速度 一一、二级n i _ 轮入、山口处旋绕速度 c ：衙导叶i u 口旋绕速度 图卜3 一股二级轴流蜀风。机的气动示意图 图l - 4 为对旋轴流式风机两级叶轮的气动示意图。其一、二级叶轮相对转动，由 图矢量速度分解可知，一级叶轮叶片的出口旋绕速度c 。，恰好完全被二级反转的叶片 入口所利用，甚至二级叶轮绝对出e l 速度c ，也深受其影响，仅产生微小的旋绕速度 c ：。，即出口气流仅具有很小的旋绕( 使气流不仅沿轴向流动，且同时沿螺旋线方向 在扩散器中流动，有利于改善扩散器的工作) ，无需增加中、后导叶片。 闽t 慈 t - “= 图卜4 二级对旋轴流式通风机的气动示意图 囚两级对旋轴流式风机省掉了中、后导口r 片，在同等通风 t ，机身的尺寸幅度缩 短，风流运动阻力大大降低，使得风机总效率大为提高。 对旋轴流式通风机由集流器、前后消声器、d i 后机壳、两台电动机和两个叶轮组成， 如图卜5 所示。 l 集流器；2 前消声器；3 前机壳：4 第级电机：5 第级叶轮；6 第二级州轮： 7 第二级电机；8 屙机壳；9 后消声器：l o 吸卢材料 图l 一5 对旋轴、流式通风机结构示意图 风弗矽 筒及结构拇件均采用钢板焊接而成，内筒采用多孔饭焊接而成，内装消声材料 对旋轴流式通风机设计理论o 方法的研究 电动机外壳依靠止口法兰用螺栓联接在风机内，电动机外壳作为风道，j ) c 滞l l 夕h 筒可拆卸， 便于清洗和更换吸声材料，以确保风机k 期保持在低噪声状态下运行。 对旋1 ) ( 何l 独特的结构决定了它的特点：1 ) 对旋轴流式通风机因为没有静叶，不存在静 叶损失，因此，其效率比普通通风机要高；2 ) 对旋轴流式通风机具有较大的逆向送风量， 其一般可达7 0 - - 8 0 ，而普通通肛哺l 的逆向_ i 差j 扎量仅为3 0 - - 4 0 ；3 ) 根据不同的风量、 风压要求，列旋轴流式通风机可以采用第一级叶片与第二级叶片同时运转、第一级叶片停 p 第二级h - 轮运转、第一级叶轮运转第一级叶轮停止的三种运行方式，大大扩宽了使用运 行范围；4 ) 对旋轴流式通风机的压办流量特眭曲线较陡，因此在高效区，较小的风量变 化即可得到较大的刚玉变化，较好心蒴足了局部通风的要求；5 ) 在设计对旋轴流式通i x 帆 时第二级叶片的气动负荷比第一级叶片的气动负荷要小，因此不容易出现失速，并且其小 流量区特拦得到明显改善；6 ) 采用双电机双端驱动的方式，使单部哇撇痞量大幅b 科氐，这 不仅使电控系统的单机负荷大i | 酸下降，也使电控系统技术等级要求降低，从而使供r 乜及 电控设备的投资额和操作控制技术要求大大降低；7 ) 出于第一级叶轮与第二级叶轮的干涉 运转，其噪音应e e 普通风机大，但是合理的轴向唰隙、径向削隙，两级叶轮转速的合理分 配，可以有效的降低噪音，此外还可采用外包复式消声器的方法减低噪音。 对旋轴流式风机的工作原理是：工作时两级叶轮分别由两个容量相同，旋转方向相反 的电动机驱动，使两级叶轮产生相对旋转，即第级叶轮逆时针旋转、第二级叶轮顺时针 方向旋转( 从风机集流器端看) ，当气流通过集流器进入第一级叶轮获得能量后使其出【汽 流产生正旋绕，该气流速度等值同方向秽t 入第二缄叶轮，再次获得能量后使第二级叶轮的 出口气流产生负旋绕，最后气流从扩散器端轴向升压排出，两级叶轮互为导叶，从而达到 普通轴流式通驭1 机所不能达到的高风压、大流量、噪声低、高效节能、性能稳定及通i x 幔目 离长等优点，是煤矿高产高效掘进工作面及公路、铁路、隧道工程中最理想的通风殴备。 1 2 对旋袖流式j 歪风机的研究与发展 早在上个世纪三十年代，对旋轴流式通j ) ( 帆已为人们所悉知。设置在薨月o n e r a ( 法 国国家航空研究所) 的大型风洞是应用两台5 5 0 0 0 马力的水轮机作为对旋轴流式风机的动 力，其上游通风机的叶片数为十二片，下游为十片，试验段的直径为8 米，利用该i ) ( 恫试 验得到了转速在1 0 0 2 4 0 转分的综合特陛曲线。1 9 5 9 年t m u p e l 设计的l t g ( 空气输送 装置) ，其第级叶轮转速可以调节，第二级叶轮是固定的，并得到了第一级叶轮不同转速 的综合特性曲线屁总相对功率消耗曲线。九十年代，国内对于对旋轴流式通风机的研究卜 分活跃，研究的重点主要为新型高效率、低噪声通风机产品的研制，优化设计圾流场计算 与分析等。 在对旋轴流式风机的优化方面，文黼6 结合对旋轴流式风棚府勺结构特点，在流动为不 可压、等环量流型及进出口流速为轴向的假设下，通过基元平面叶栅理论，建立了对旋轴 流式风机的优化模型，并用混合函数法进行了优化，结果表明：优化结果能为对旋轴流式 风机轮毅参数的合理选择提供依据。文献阴从三维非定常雷诺时均n s 方程出发，应用 对旋轴流式通飙机设计理论o j 方法舱研究 一紊流模型，应用s i m p l e 算法，数值模拟了划旋轴流式风帆的非设计点流场，在一 定程度上模拟得到了非设计点的性能。文献 8 】通过较为详细的实验测量，研究了对旋轴流 式通风机的外特i 生及噪音。其实验方案为：1 ) 保持前置叶轮的转速为2 4 0 0 币m 不变，后置 叶轮转速为前置叶轮转速的6 0 1 1 0 ：2 ) 轴向间距采用一级叶轮叶片弦长的3 2 1 1 0 ；3 ) 对上述方案i 斯亍了外籽| 生测量，列部分方案进行了噪音期懂 ，结果表明：通过优化 前、后叶轮的转速匹配及轴向间距( 6 u 置叶轮叶片弦长的4 9 处最优) ，可以获得较大范 用的高效运行区( 1 0 最高效率范围) 及较低的运行噪音( 7 d b 1 0 d b ) 。文献【9 】以轮毂比 为0 6 ，直径为5 0 0 m m 的0 t 仑4 5 为对旋实验轮，以及时轮的叶片数分别采用11 、9 、7 片， 二级u 轮的叶片数分别为9 、7 、6 片，前后叶轮的转速比分别采用1 5 、l 、o 6 4 ，在转速 比为1 5 的条件一f ，实验轴向间距采用一级叶轮轴向弦长的o 2 5 2 倍，结果表明：对旋轴 流式通风机比普通固定导叶式轴流通风机具有更高的效率及更好的经济性：并认为自n 后i l | j 轮的轴向间距是影响对旋式轴流通风机失速裕度及效率的关键指标。文献 1 0 是以轮毂比 为o 6 6 7 ，直径为4 8 6m i l l 的叶轮作为对旋实验轮，重点考查了四种机匣形状( 平滑型、轴向 狭型，螺旋形狭型，环向沟槽) ，三种转速比( 1 ：0 ，即固定导叶压缩级、1 ：i ，1 ：1 5 ) 、 两种轴向间距( 1 3 ，2 倍的叶弦长) 的对旋压缩机，结果表明：剥旋级机黾形状、前后 叶轮的转速比及轴向间距是影响对旋级轴流压缩机失速裕度、运行高效率区、刺旋级压升 的关键因素。 1 3 课题背景与来源 对旋轴流式通风机是一种近十几年爿谁广应用的井f 长距离通) ( 1 设备。作为种新型 的叶轮机械，人们对这种叶轮机械的运行原理还不够了解，特别是对前后两级动叶之问的 匹配关系了解甚少。目前介绍对旋轴流式通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，存在效率较低、噪声偏高、 结构振动、叶片失速等问题，_ 般尤其会发生在第二级动叶上。对对旋轴流式通风机的设 计基本上是按照传统轴流风胴朐设计理论进行，所获得的叶轮栅械的效率也较低，所以有 必要对对旋轴流宴涸x 协l 的设计理论和方法进行更深层次的探讨，从而使这种新型叶轮机 械得到推广。从原始的叶轮机到现在的对旋轴流式通j x 帆，中间经历了个不断发展、不 断创新的过程。 当叶轮机这种旋转机械最初出现时，人们普遍缺乏对这一内流空气动力学所代表的 流动主要规 聿及其原理的认识，这时的叶轮机械的设计基本上是按螺旋桨的片条理论进行 设计，所获得的叶轮机械的效率最好也只能达到5 0 6 0 ；随后随着空气动力学的发展， 叶轮机设计理论得到了极大的丰富，这时候孤立翼型理论被用于设计出压比适中而效率较 高的风机，但直到五十年代，叶轮机设计体系还停留在基于一维的气体动力学的理论分析 和计算上，比较典型的例子是国内在这时期引进的前苏联t 4 0 风机，这种风机广泛应用于 我国的矿业开采、煤矿、工厂通风领域，但它的效率即使是在设计工况下也只能达到6 0 6 5 之间。到6 0 年代末期，通流计算和基于叶栅吹风实验数据整理出的经验的二维叶片造 列旋轴流式通风机设计理论与方法的研究 型的使用，使这- - h q 期的叶轮机设计体系发展为二维无粘、定常流动的设计体系，出现了 叶棚稠度的概念，叶栅理论代替了孤立翼型理论而成为通风机设计中的主角。电正是在这 一时期，人们进行了大量的系统的平面叶栅吹风实验、平面叶栅水模拟实验，取得了很多 经验，建立了基于对内流合理的简化和假设的通风机设计一般原则，这些原则包括： ( j ) 假设气流参数沿周向均匀，即“轴剥称假设”； ( 2 ) 只考虑叶片排轴向间隙中的气流参数沿叶高的变化： ( 3 ) 不考虑作用于气流微团上的精眭力，气流被假设为定常流动： ( 4 ) 通过考虑径向平衡、流量连续和加功量分布，计算出不同半径处基元级流动的进 出口速度三角形； ( 5 ) 根据设计经验，可以选择合适的吹风实验叶型，如美国的n a c a 系列，前苏联的 b c 6 以及应用于低速气流的c 4 叶型，并确定中弧线形式； ( 6 ) 适当范围内进行非设计点性能的估算， 傲是根据设计经验和实验数掘库，在一 定速度范围和一定流量范围内，估计叶轮丁作特眭，并j 勘立改变叶型弯度和厚度来满足不 l 司的工作条件。 这种设计体系足b 匕车昭苦整和简便的，但是对它的设计质量的评定只有依赖于通风机实 验的验证。进入7 0 年代以后，位流解同简单的附面层计算模型加入到设计体系中，通流计 算的目的是，求解规定流面上基元级流动在各个站点上的气流速度和气流角度，以确定基 元级叶片的中弧线；任意造型则通过给定叶型的厚度分布、最大厚度相对位置，得到基元 缴叶型，然后通过规定积迭轴来生成三维叶片，这时设计的叶片陛能已经非常高。 计算流体力学的飞速发展，使基于三维n - - s 方程组的设计方法，得到迅速发展，而 且单级通风机叶栅的设计也越来越准确。c f d 技术出于周期短，成本 氐，已经进 流体力 学的每一个领域，完全的n - s 方程解也迅速成熟，并被嵌入到工程设计体系中，向定常 多级计算和非定常流场计算发展。这一发展使设计体系中基于物理流动机理的许多经验参 数和关系式逐渐被这种二维的设计问题和三维( 非定常求解时加上时间维) 的分析问题相 结合的新设计体系所代替。 对旋轴流式通风机的设计方法从本质i ：来说，与普通轴流式通风机的设计足完全样 的，其特殊性仪在于山于两级叶轮对旋而出现的一些独特的气动现豫。比如，第二级叫，片 进口处的气流参数与第级叶片出口处的气流参数是否仍然如前面假设那样致；由于受 到后级叶片反向旋转的影响，传统的二维设计体系中根据单级静止叶栅实验得到的落后角 经验公式是否反映了对旋轴流式通风机的真实流动；在对旋叶轮条件下，如何分别给定前 后两级叶片更加合理的沿叶高加功量分布，才能获得压升、流量、效率上的最大收益等等。 另一方面，作为设计体系中的三维分析问题计算，如何能够实现对对旋轴流式通风机流场 的完全数值模拟，如何通过这种定常的和非定常的流场“数值实验”，来揭示对旋轴流式通 风机的气动特点，并列经验的二维设计方法提出适当修正，将是对旋轴流式通风机设计体 系研究工作中要解决的主要问题。 传统的轴流风机设计的内容包括对动叶和静叶的设计，静叶的作用是把经过动叶加功 对旋轴流式通风机设计理论与方法晌研究 增压后的气流整流到轴向，并通过扩张通道，使气流的静压进一步升高；出于静叶是静止 1 ；动的，因此一般认为在不考虑非定常影响的前提下，气流进入静叶的参数与气流流出动 叶出口的参数是一致的，这也是轴流i x 帆设计方法中的一个基本 段设。但这种假设在对旋 n 十轮的情况下会有一些改变，因为后一级叶片同样要进行加功增压，因此气流在这时将面 i 临一个比普通动一静系统更高的逆压梯度，而这个逆压梯度是反向旋转的。这种高速旋转 的周期性逆压力梯度，对第级叶轮的出h 气流会产生怎样的诱导作用，到目前为l i ，幽 内外还没有任何文献、资糊做过这方面的研究和描述。因此在对旋轴流式通风机的设计体 系中，就有必要重新考虑原有的二维设训问题方法中传统的经验公式，比如对时棚落后角 经验公式的修正；如果是对对旋叶片通道作通流计算，那么就应该对气流转折角的大小作 同样的修正，以保证设计出的对旋叶轮的叶栅通道内的真实流动能与设计值较为吻合。 导致飙机真实流动与设计值有较大差异的更主要原因很大程度在于其：二次流，包括通 道涡、尾涡、角涡、叶尖漏流涡、l l j 削涡以及径向潜流和横向潜流。二次流和附面层之问 以及二次流之间的相互作用，构成了风机叶轮中复杂的三维粘性流动和旋涡流动，所形成 的分离，掺混等是导致所设计的风机损失增大，偏离设计点性能的主要原因。尽量减少_ 1 次流损失，是提高舢l 设计质量的关键，对旋叶轮情况下更是如此，因为前后级动叶所产 生的二次流很可能会在级问产生强烈的干扰、增强效应。在这样的情况下，能够对对旋轴 流式通风机减小二次流动及减4 , - - 次流动之间的相互作用起控制作用的，便是沿时高加功 量的分配和叶片三维空间的弯掠造型的控制。沿叶高加功量的分布，在几寸年的发展过程 中出现了如等环量规律、等反动度规律、 司体旋绕规律等。如何通过对加功量的分配形式 的控制，来减小二次流，是本文对旋轴流式通风机设计中的一个重要环i i 十。本文比较分析 了等环量和变环量气动设计规律，讨论了变环量指数对对旋轴流式通风机气动性能参数的 影响，试图通过优化的方法使设计的对旋轴流式通风机性能达到最佳。 对通屡t k j l 床说，理想的气动设计体系包括设计问题和分析问题两个组成部分，而且在 设讨过程中，应是反复交叉进行且不断优化的。数值模拟手段是种比较理想的分析问题 研究工具，但是在对对旋轴流式通j i 帆流l 猫行数删时需要解决以下几个问题：第一， 是必须对对旋轴流式通风机进行全流场的粘性计算，这样才能完全模拟两级对旋清况下的 流场的特点；第二，是必须作非定常的计算工作，得到的应该是不同瞬时的非定常解，才 能反映对旋叶轮间的非定常干扰效应；第三，在差分格式和求解方程组的算法上，必须保 证程序有很高的数值稳定性才能使在计算非定常效应可能很强烈的级问流场时不至于发 散；第四，对不i r 压流来说，气流速度通量主要与压力相关联，而与气流密度关联很弱， 密度与压力的关系不能通过完全状态方程得出，因此为了模拟工程实际应用的对旋轴流式 通风机，采用不可压流的压力修正方法求解。 三维数值模拟的结果可以从以下几方面所述的设计进行检验，首先，可以从总性甚上 比较，计算域的进出口截面上的气流平均参数如流量、压力是否与设；懈目符，气动效率 是否达到设计要求；其次，在s 1 流面上基元级的流动情况与设讣时考虑的理论值有多人 差异，气流是否在叶片表面存在分离现象；再次，在s 2 流面上叶片吸力面和压力面均压 对旋轴流式通风机设计理沦与方法的研究 力分布是否合理，是否体现了控制加功量分配的好处，在周向计算截面上的压力、速度等 气流参数分布是否均匀，是否满足弯掠造型对气流参数控制的要求；最后，应浚从以上分 析对比中提炼出对原设计结构参数的优化修们：，然后重新进行新一抛简化设计计算，如此 反复优化，直到得出最理想的气动设计结果。 在完全的三维设计问题数值方法还没有成熟的今天，论文仍然认为以丰富的经验参数 为基础的简便驻确的二维设计方法，并以完全的三维粘性数值模拟进行最优化修正的方法， 足瑚阶段成功的和可靠的设计体系，并且通过实验验证和数值模拟的分析研究，可以不断 的将一些针对不同流场特性而提出的新式设计思椰口理念，加入到这个设计体系中并使之 不断丰富。这样的一个丌放的对旋轴流蜀蕴风机气动设计体系，也同样可以作为其他新型 叶轮机械设计方法的借鉴。 课题来源：本论文课题来源于作者参加的安徽省教育厅自然科学基金项目“对旋轴流 式通风机设计理论与试验研究”。 1 4 论文的主要工作 对旋轴流式通冈棚是种新型的风机，由于它只有动叶而无静叶，使其轴向距离大大 缩短，从而使其结构得到简化。对旋轴流式通风机设置的第二级叶轮兼备轴流j 刮x 帆中静 叶栅的功能，在获得扭转圆周方向速度分量的同时，又加给气流能量，从而达到普通轴流 式风机所不自欧暨4 的高风压、高效率。与普通轴流式1 ) c 啪相比，在产生相同风压和风量的 情况下，对旋轴流式通风机的效率明显高于普通轴流肛帆。但是在对旋、没有静叶的情况 下对旋轴流式通风f 【是否仍然能够保证性能的稳定性，按照传统设计方法设计的对旋轴流 式通刚晴什么不足，对旋轴流式通风机的气动设计有什么新特点，等等问题是本论文要 女u 以深入研究并做出回答的几个主要方面。在进行这些分析研究的同时论文把一些研究 方法、手段以及工具随对旋轴流式通风机的研究工作主线推向前台，事实上，这些研究方 法和研究工具，比如针对两级叶片进行的有限元强度分析、针对气动设计进行的仿真计算， 在其它类型的通风机的研究和开发中也具有实用意义和工程价值。 论文的开展是从笔者参与煤炭科学研究总院重庆分院对安徽省淮南市望峰岗机械厂生 产的对旋轴流式通风桃趟亍的试验验证开始的，论文第二章进一步分析了实验的结果，通 过对实验数据的整理，分析了对旋轴流式i 砬肛眦的压力、功率、效率等参数随流量的变化 规律；在论文第三章中分析了两种叶片扭曲规律( 等环量扭曲规律、变环量扭曲规律) ，重 点分析了变环量扭曲规律，讨论了对旋轴流两融肛帆前后两级叶片的气动参数( 扭速，轴 向速度等) 随叶高和变环量扭曲规律指数的变化规律。出于在气动设计中，我们主要考虑 要尽量减少叶轮上气流流动的各种损失，提高整个叶片的加功效率，而等环量或者叫等功 分配原则中叶尖的损失又较大，所以对对旋轴流式通风机的口1 臂应采用变环量气动设计方 案。在加功量分配方法上，论文将最大加功量赶妊茁叶片中部，而将较少的加功量放在叶尖 和 卜根处；同时，论文还对叶片进行了适当的弯掠处理。论文的第四章通过对传统设计方 法的分析，指出了按照传统设计方法设计的对旋轴流式i 恿风机所出现的问题( 主要是二级 对旋轴流式通风机设计理论与方法的研究 洲载问题) ，从分讧寸旋轴流式通风机速度三角形入手，详细分析了两级f ) ( 帆的理论特 性、影响两级风机负载的主要因素及二级电机过载的原因，并提出了防止二级电机过载的 方法，在比较分析传统设计方法与改进的对旋辅流式通风机设计方法的优缺点和借鉴有关 文献的基础上，将计算机仿真技术应用于对旋轴流式通x i 棚的设计，提出了种新的设计 方法。在论文的第五章币吐hs o l i d w o r k s 绘图软件绘制出了对旋轴流式j 霞x 哺l 的两级叶 片的实体图，建立对旋轴流式通姚帆的叶轮模型，利用a n s y s 有# 艮元软件分析了叶片的 受力， = l = 分析结果得出了叶片在工作过程中的受力分布，从而可以提出防止叶片折断的方 法。论文的最后对本论文进行了总结与展望，指出了今后对旋轴流式通j 1 ) c 究i ：作的发 展方向。 对旋轴流式通风机设计理论与方法的研究 第二章对旋轴流式通风机的实验研究 对旋轴流式通风机的性能参数与传统动一静叶t 栅系统相比有何变化? 这唑陛能参数的 变化规律如何? 影响因素又有哪些? 本章通过对一“台刺旋轴流式通风机进行的实验瞄正， 分另暇积寸旋轴流式通风机各性能参数的变化规律、x 0 旋轴流式通风机的性能等大家关心的 问题进行了探讨，并在对旋轴流式通风机加功量分配方法上针对其独特的气动特点提出了 适合于对旋轴流式通风机的经验模型。 2 1 实验方案和实验设备 本章中性能参数的测量实质上是指对邑们的周向平均值的测量，并且这些值是经过时 间平均的。由于在低速流场中空气基本上 葫足不可压流动的假设，因此在实验中对温度的 测量就显得意义不大。本章主要讨论压力、功率、效率等性能参数随流量的变化规律，通 过分析性能曲线，得出在、陂计对旋轴流式通风机时值得注意的地方和需要解决的问题。经 过上述目的的分析，本章实验研究的规划如下： ( 1 ) 实验现场布置： 实验规程、设备布置均按照国家标准g b f f l 2 3 6 - - 2 0 0 0 工业通j ) 回佣标准化风道进 行性能实验和g b 2 8 8 8 - - 9 2 风机和罗茨风帆噪声测量方法执行。实验所用的风机眦 筒内直径为6 0 0 栅，实验台布置如图2 - 1 所示，通过抛纸片法加载，调节流量改变工况点。 抛纸片法是在实验现场缺少节流阀的情况下，改变工况的种简便方法，具体做法是，实 验过程中在试验i ) ( 憎谜口处将纸片均匀地撤入风管内，由于吸力的作用纸片被吸附到节流 金属网上，从而改变了金属网的过流面积，通过调节风机负载改变其流量。 图2 一l 对旋轴流式通风机实验台示意图 ( 2 ) 测量站布置： 根据通风棚空气动力实验标准，在气动测量上沿对旋轴流式通风机进气方向上共设置 了四个钡4 薰截面。第一个测量截面位于风机进口前气流速度为0 的地方，此处放置标准大 气压力表和标准大气温度计。第二个测量截面位于风机进口前与胍机中心点的距离为1 米， 对旋轴流式通风机没计理论与方法的研究 测量点距地面高度与胍机轴线p e 地面高度相等，与“几牟自线夹角为4 5 度，在此处测量噪声 声压级。第三个测量截面位于整流栅上游3 0 0 毫米处，在实验) ( 1 筒上沿周向均布四个静压 孔，内径为l 。5 毫米，静压孔通过其上的焊接管嘴及胶管与均压器连通，用于测量对旋轴 流式通弘啪出口静压。第四个测量截面位于整流栅下游6 8 0 毫米处，用于测量不同半径的 动压，可以计算流量和总压。 ( 3 ) 实验用对旋轴流式通风机主要性能参数及分析 实验所用的对旋轴流式逦噼帆叶轮外径为6 0 0i n n l ，轮毂比v 为0 5 7 ，所选的电机额定 转速为2 9 0 0 w m ，设计流量为5 ，6 m 3 s ，设计总压升为5 2 3 0 p a 。对旋轴流式通j ) c 啪l 叶片 的气动设计准则是沿叶商按变环量规律分配加功量，以叶尖的加功增压最高，沿叶高环量 控制方程为： c 。r “= c o i s t ，其中a 为变环量设计指数。 在实验所用的对旋轴流j ) ( 帆p t 片的气动设计中没有采用等环量扭向规律，而把沿叶高 加功量最大部分分配给了叶尖原因在于以下两点：l 、叶片轮毅处叶盆到叶背的窜流非常 严重，由此卷起的通道涡流是叶片二次流损失的最要组成部饼图2 2 ) 【3 l ，因此减少叶片根 部加功量而把加功增压负荷上移是种解决途径：2 、叶片尖部由于圆周速度大，因此只须 少量增加此处的a c 。就自班加功量增加许多。这种充分利用叶尖圆周速度加功增压的思想 在很多叶轮机械的气动设计中被采纳，甚至在航空涡扇发动机风扇，压气机中也广泛应用。 图2 - 2 叶栅i 郾苴涡 本章实验研究的另一个重要意义在于：检验了匕述气动设计思想在对旋轴流风机设计 体系中的适用性。在后面的实验结果分析中，论文将得出结论：为什么加大叶尖加功量的 做法在对旋轴流式通煳1 系统中有不合适处( 增加了叶尖的二次流损失) 。为了进一步提高 对旋轴流式通风机的效率和总压升，应该通过何种途径设计出一种新型的气动布局理论。 这样的新设计思想和气动布局的效果将在第三章中详细讨论。 2 2 样机总体实验测试及结果分析 本次样机性能测试的数据如表2 一l ： 对旋轴流式通风机设计理沦o 方法的研究 表2 - 1 现场所测实验数据 a 只 气碰强十湿度* 黼级风机功率及效率：级尻i 帆功率及效率 噪声值 ( 珊脚也o )( m m h 3 d ) ( m m l f g ) m w ) ( k w ) ( d b ) ( )( ) 12 4 8 8 03 2 0 7 6 1 01 9 51 5 01 2 5 5o 8 0 1 6 2 3 00 6 1 88 9 0 22 2 9 4 58 2 o7 6 1 o1 9 01 5 o1 3 5 60 8 2 68 1 8 30 7 28 9 0 32 n 7 5 5 1 3 357 6 1 01 9 01 5 01 4 4 7 0 8 3 79 7 2 0o 7 4 88 9 0 4 1 9 0 i o1 8 0 07 6 1 01 9 01 5 o1 52 00 ；4 61 1 4 60 7 9 3 8 1 5 5 1 7 1 1 52 2 7 o7 6 1 o1 9 o1 5 ol s 8 40 8 5 41 3 1 5 o 8 2 18 1 5 61 5 1 8 52 8 4 07 6 1 01 8 51 5 01 6 4 00 8 6 41 5 6 7 0 8 4 98 1 5 7 1 2 9 2 53 3 7 07 6 1 01 & 51 501 6 5 20 8 6 5 1 6 5 70 8 6 28 1 5 89 ，6 8 03 6 3 07 6 1 o1 & 51 5o1 5 6 30 8 5 9 1 7 0 30 8 6 5引5 92 ，5 9 53 7 1 57 6 1 01 8 51 5 01 2 7 40 8 2 41 5 8 1 0 8 5 88 1 s 对旋轴流式通风机胜能实验参数换算如下： 大气锻：成。惫培伽3 其中为绝对温度：r 为空气常数，一般取月= 2 8 8 5 j k g k 。 进气密度 旷业掣 其中妒为流量系数，圆弧形集流器妒= 0 9 9 。 进气口动压：e ，= 妒2 陋。i p a 出气口擞= 譬蟾脯 龅嘲医e d 2 = 蚓甜 音一旦。吲 可忽略不计，故 其中m 为额定转速下的负载转矩。 躯删腻幽，= ，弓只 2 m3 3 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 一- 6 ) ( 2 7 ) 小 所一i一 搬彬巫n= 挈 差1 叩 悻；叫悱皆降 一 i i i b 胪 扼 与 净 鲜 q 罢| 潼 对旋轴流式通风机设计理论与方法的研究 其中厂为摩擦系数，一般耿厂= 0 0 2 5 ；，为测压段管长，进气实验， 3 d ；d 为风简 直径，一般d = d 。 j 撕静匪尸f ，= 1 只j + a h ! 一只n p a( 2 8 ) 风机全压：，= 只：+ 只，只 ( 29 ) 仝压效率：”： ! ! 望 一 ( 2l o ) 6 0 ( d + ：2 ) 。仉 其中电机效率7 。= 0 8 9 5 ；n 小n ：为一、二级风机的轴功率。 换算到标准大气条件下的流量和总压升的计算： q o ：( 2 9 4 0 + 2 9 4 0 ) 2 q ( 2 1 1 ) h im 2 p o ：( 2 9 4 0 + 2 9 4 0 ) 2 4 x ( 堕1 p ( 2 一1 2 ) n l2p 口 上式中2 9 4 0 为电机产品样本上的额定转速，n 1 f l n ：分别为第一级和第二级电机的转 速，在本论文所做的计算和实验中，两级电机的转速取为相同，所以上述两式变为： q o = q ( 21 3 ) 只：( 望) 。p ( 2 1 4 ) p a 对实验数据进行处理可得到： 表2 - 2 处理后的数据 ( 州写。) p | v z l z 2 ( 尸，) ( 七w )( k w ) 卵 1 9 4 83 3 7 0 6 51 0 0 53 8 52 2 册 2 9 1 08 2 5 0 71 1 26 3 4 54 2 8 38 6 5 713 1 3 1 8 1 2 1 17 2 75 8 6 6 4 8 2 8 51 7 8 1 81 2 8 69 0 8 86 7 2 6 5 7 8 62 2 4 0 61 3 5 31 0 7 9 67 2 4 67 4 0 52 7 9 7 51 4 1 71 3 37 5 4 1 76 8 33 4 1 3 41 4 2 91 4 2 88 l - 5 9 85 9 1 23 6 4 0 41 3 4 3 1 5 7 37 6 - 4 3 93 0 63 6 4 3 1 41 0 5 1 3 5 6 54 6 3 2 对旋轴流式通风机设计理沦j 方法的研究 由表2 - 2 可以得到实验风机的性能曲线如r 图2 - 5 两级n l _ 轮的功率与流最的关系曲线 型：壁塑堕垫塑垦塑堡盐堡笙! 塑鲨塑堡塞 两级叶轮同时工作时，由于受动叶流场条件的限制，难以准确测出每个动叶产生的风 压，而只能测出总压升。从获得的性能曲线可以看出：按传统设计方法姑r 的) c = = i 旋轴流式 _ 1 ) ( 啪l 虽然最大效率达到了8 0 ，但由于前后两级叶片结构设计的匹配 生不好当通i x 诳巨离 稍增大，两级