单级轴流式通风机导叶片安装角对气动性能的影响.pdf

2 0 1 1 年8月 矿 业安 全 与环 保 第3 8卷第4期 单级轴流式通风机导 叶片安装 角 对气动性 能的影响 袁小平 1 ． 中煤科工集团重庆研究院， 重庆 4 0 0 0 3 9 ； 2 ． 山西渝煤科安运风机有限公司， 山西 运城 O 4 4 O O O 摘 要 介绍 了单级轴流式通风机 的结构 ， 对风机气动性能进行 了实验研究， 结果表 明， 在前导 叶与 叶轮匹配、 叶轮与后导叶匹配的条件下， 前导叶叶片安装角 变化起 到改变风 量的作用， 后导 叶叶片安装 角变化则起到改变风压 的作用。 关键词 单级轴流式通风机 ； 前导叶； 后导叶； 安装角 ； 气动性能 中图分类号 T D 4 4 1 ． 2 文献标志码 C 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 1 0 4 0 0 7 0 0 3 轴流式通风机是我国煤矿井下 、 铁路 和公路 隧 道工程 中广泛使用的通风设备。普通对旋式通风机 是两个等容量隔爆电动机轴头相对各 自驱动轴头上 的叶轮相向旋转 ， 两级叶轮互 为导叶 ， 其出 口压力较 高 。在南方一些小煤矿或在大巷道掘进初期 ， 风压 要求不高 ， 往往采用单级轴流式通风机 以下 简称单 级风机 供风。单级风机为了获得较高的效率 ， 通常 在气流进入叶轮前 布置前 导叶 PR 或者在气流 流出叶轮后布置后导 叶 RS 。笔者论述 了这两 种导叶安装方式 的空气动力性能 ， 并对实 验数据进 行分析 1 风机结构和气 动设计 特点 为了考察单级风机前 后 导叶对其气动性能的 影响， 保证风机流道有 良好 的进气 和排气条件 ， 单级 风机设计有圆弧形集流器 、 筒体 、 叶轮 、 前 后 导叶、 消声器及风筒接头等部件 ， 其结构如图 1 所示 。 1 ． 1 单级风机工作原理 单级风机 叶轮获得 电动机能量后高速旋转 ， 叶 片对周围气体做功 ， 气流产生与叶片旋转方 向相 同 的旋绕速度 ， 设置前导 叶让空气通过时产生一个与 叶轮旋向相反的预选速度， 此预选速度与叶片诱导 的旋流速度相抵消， 气流形成单一轴向速度， 风机达 到较 高运行效率 。 同理 ， 设置后导 叶亦是 消除流经 收 稿 日期 2 0 1 01 21 4 作者简介 袁小平 1 9 7 8 一 ， 男， 四川广安人， 2 0 0 3年毕 业于西华大学机械工程学院， 现主要从事通风机研制工作 ， 完 成科研项 目1 0余项， 获得专利 3 项。E m a i l y x p l 0 1 3 1 6 3 ． C O I I 10 7 0 l 6 5 4 2 3 7 蔽 l I l ＼ I L I h l ● l ● ／ 一1 一一 I．1 r ’ _ a 前导叶叶轮 P R 1 2 3 4 5 6 7 b 叶轮 后 导叶 R S 1 一 集流器； 2 一 筒体 ； 3 一 电动机 ； 4 ～ 叶轮 ； 5 一前 后 导叶 ； 6 一 消声 器； 7 一风 筒接 头。 图 1 单级风机结构示意图 叶轮后气流的旋转速度 ， 达到较高的运行效率。 1 ． 2气动设计原理 前导叶 叶轮 PR 及叶轮 后导 叶 RS 形式 ， 其速度三角形见图 2 。 根据轴流式通风机气动特点 ， 结合普通单级风 机叶栅的设计方法 ， 计算 叶轮 叶片及导 叶片的气动 参数 j 。叶轮叶片为机翼型 ， 采用精密铸造 ， 导叶片 采用等厚圆弧板。以全压效率最高和通风机质量最 小为气动设计的目标函数， 从气动性能、 结构和低噪 声等角度考虑， 计人一些约束条件， 如 2 0 1 1 年8月 矿 业安 全 与环 保 第3 8卷第4期 1 2 3 a 前导叶 叶轮 速度三 角形 P R 叶轮 叶片安装角； P 一 前导叶 片安 装 角； C l 一 气流 流入 前导 叶的 绝对速度 ； C 2 一 气流 流出前导 叶的绝对速度 ； C 3 一 气流流出叶轮 的绝 对速度； 一牵连速度； A C 一扭速； l 一气流流入叶轮的相对速度； 2 一 气流流 出叶轮的相对速度。 ．一U l 【 ， 2 b 叶轮 后导叶 速度 三角形 R S 叶轮 叶片安装 角； s 一后导 叶片安装 角； C l 一 气流流入 叶轮 的绝 对速度 ； C 2 一 气流流 出叶轮的绝对速度； C 3 一 气流流 出后导叶 的绝 对 速度 ； M 一 牵连 速 度 ； A C 一 扭 速 ； 1 一 气流 流 入 叶 轮 的 相 对 速 度； ， 一气流流 出叶轮的相对速度。 图2 速度三角形图 1 优化变量限制在一定范围内； 2 明确叶轮及导叶的当量扩散因子取值范围， 以保证不超过负荷极限 ； 3 叶轮与导叶的叶片数有一定 比例 ， 以保证 降 4 叶轮与导叶的叶片数互为质数 ， 并各具有足 够的刚度 ， 以保证叶片的抗振动性能； 5 圆周速度应小于一定值 ； 6 叶根部有足够抗弯扭合成应力的安全系数 。 2 单级风机气动性能实验研究 根据 G B ／ T 1 2 3 6 --2 0 0 0 工业通 风机用 标准化 风道进行性能试验 的要求_ 2 J ， 对单级风机 的空气动 力性能进行试验研究 ， 试验装置采用带进 口侧试验 巷道 的标 准 方 法 C 型 装 置 。实 验 风 机 选 用 F B N o 6 ． 3 ／ 3 7型 ， 其主要技术指标如下 1 风量1 1 ． 6 5 7 ． 5 0 m ／ s ； 2 全压7 5 0～ 2 8 5 0 P a ； 3 功率3 7 k W； 4 转速2 9 5 0 r ／ m i n ； 5 最高全压效率I8 0 ％ ； 6 叶轮直径6 3 0 m m； 7 轮毂直径3 9 0 m m。 根据导叶与叶轮的匹配 关系， 结合 导叶片不 同 的安装角度 ， 组合 4种不同形式进行实验 ， 得 出 4组 不 同的气动参数 。 2 ． 1 改变前导叶安装角的实验 前导 叶 PR， 0 R5 7 ． 5 。 ， 咖 P l1 4 ． 5 。 ； 0 R 5 7 ． 5 。 ， 1 6 ． 5 。 。得出的实验数据见表 1 。 2 ． 2 改变后导叶安装角的实验 后导叶 R S ， 0 R 5 7 ． 5 。 ， s 1 1 3 。 ； R 5 7 ． 5 。 ， 低通风机 的噪声 ； 咖 跎1 5 ． 5 。 。得出的实验数据见表 2 。 表 1 改变前导叶安装角的实验数据 7l 2 0 1 1 年8月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 8 卷第4期 2 ． 3实 验数 据分 析 1 从表 1的实验数据可以看出， 单级风机 P R 在叶轮叶片安装角度 0 5 7 ． 5 。 时 ， 改变前导叶片 的安装角度 。 1 4 ． 5 。 ， 1 6 ． 5 。 ， 通风机 的气 动性能表现如下 最高全压效率基本没有变化 相差 0 ． 4 9 ％ ， 最 高效率 点 的全压 变化 较小 ， 变化 比为 0 ． 9 1 ％ ， 相 比之下风量变化较大 ， 变化 比为 5 ． 9 ％。 2 从表 2的实验数据可以看出， 单级风机 R S 在叶轮叶片安装角度 0 5 7 ． 5 。 时 ， 改变后导叶安 装角度 ， 1 3 。 ， 1 5 ． 5 。 ， 通风机 的气动性能 表现 如 下 最 高 全 压 效 率 基 本 没 有 变 化 相 差 0 ． 2 8 ％ ， 最高 效率 点 的风 量变 化较 小 ， 变化 比为 0 ． 8 6 ％ ， 而全压变化较大， 变化 比为 5 ． 6 7 ％。 从图 2可知 ， 当采用 PR形式时 ， 气流以 C 速 度流人前导叶后 ， 气流无牵连速度 ， 仅在前导叶安装 角影响下产生一个 旋绕速度 ， 以绝对速度 C 流出 ， 然后 以相对速度 W ． 进入叶轮 ， 在叶轮牵连速度 U和 叶轮叶片安装角的共同作用下 ， 以相对速度 W 、 绝 对速度 C 流 出。由于前导 叶安装 角增大 ， C ，容易 切入叶轮叶片 ， 即减少了摩擦碰撞损耗 ， 同时受到叶 轮 的牵连速度影响 ， 流经 叶轮 叶片 的气流产生与导 叶气流相反 的方向变化 ， 气流最终得 到能量并加速 ， 从而增加了风机的流量 。 当采用 R S形式 时， 气 流绝对速度 C 在牵 连 速度 ／2 , 的作用下 ， 以相 对速度 W ， 进入 叶轮 ， 以相 对 速度 W 、 绝对速度 c 流 出， 气流产生与 叶片旋转方 向相同的旋绕 速度。 由于后导 叶 固定 了一定 的角 度 ， 旋绕气流经过后导叶整流后 ， 消除了气流的旋绕 速度 ， 把气流旋绕动能变成风机 的压力能 ， 并以绝对 速度 C 流出， 但 由于后导叶片安装角增加 ， 也相应 使 C ， 容易切入后导叶 ， 减少摩擦碰撞 的能量损失 ， 因此使全压有所提高。 3 结论 1 单级风机在前导叶与叶轮相互 匹配 的条件 下 ， 叶轮叶片的安装角不变， 通过改变前导叶的安装 角 ， 可以起到定风压 、 改变流量的作用。 2 在单级风机后导 叶与叶轮相互 匹配的条件 下 ， 叶轮叶片的安装角不变 ， 通过改变后导叶的安装 角， 可以起到定风量 、 改变风压的作用。 3 单级风机无论是 PR或者 RS形式 ， 在叶 轮与导叶相互匹配的条件下 ， 无论是改变前导叶还是 改变后导叶的安装角， 最高效率点基本上无变化 。 参考文献 [ 1 ]吴秉礼， 李文洲． 轴流通风机的工程设计方法[ M] ． 长 春 吉林大 学出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ]刘拥军， 张元银． 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