对旋式通风机Ⅱ级叶片扭曲角异常减小对气动性能的影响.pdf

2 0 1 2年2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 9卷第 1 期 对旋式通风机Ⅱ 级叶片扭曲角异常减小对气动性能的影响 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 0 4 4 0 0 0 摘要 介绍了通风机叶片扭曲角的检测方法， 通过实验表明通风机 Ⅱ级叶片扭曲角异常减小， 对通 风机全压、 轴功率皮全压效率影响较大， 对风量的影响较小， 并从速度三角形、 理论计算等方面分析了产 生这种结果的原 因。 关键词 通风机； 速度三角形； 叶片扭曲角异常； 气动性能 中图分类号 T D 7 2 4 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 2 0 1 0 0 7 4 0 3 对旋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 的两个等容量隔爆 电动机轴头相对并各 自驱动轴头 上的叶轮相向旋转 ， 气流进入第 1 级 叶轮获得能量 ， 再经第 Ⅱ级叶轮升压后排出； 第 Ⅱ级叶轮兼具静叶 栅的功能， 气流在获得整直圆周速度分量的同时， 又 增加能量， 从而提高气流的压力及通风机效率。因 此， 对旋通风机气动性 能的好坏在较大程度上取决 于两级 叶轮间气 流 的流动 是否 匹配 J 。曾有一批 F B D N o 8 ． 0 ／ 2 x 5 5 型局部通风机因 Ⅱ级 叶轮叶片扭 曲 角异常减小 ， 造成两级电动机异常超载 ， 笔者针对这 种现象进行 了分析 ， 探究其原因。 1 基元级速度三角形 对旋 式通风机 的基元级 速度三角形如 图 1所 示。对于第 1 级叶轮 ， C 1 2 为其进出口处气流的绝 对速度 ， W W 为其进出 口处气流的相对速度 ， ， 为其 相对人 口角 和出 15 I 角 ， M为 叶轮牵 连速度 ， c 为轴向速度， △ c 为气流出15 旋绕速度； 对于第 Ⅱ 级叶轮 ， 将以上各符号 的第一下标 1 换成 2 ， 符号 的 意义相同 量符号带上标“ ” ’ 的为扭曲角减小叶栅面 相应速度 J 。按对旋式通风机两级叶轮的最佳 匹 配原则 ， 气流在 I级 叶轮进 口和 Ⅱ级叶轮出 口处均 无旋绕速度， 且在设计工况点两级叶轮应承担相等 负荷， 即每级所产生的理论全压为通风机理论全压 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 2 2 ； 2 0 1 1 0 9 1 7修 订 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。 T e l 0 3 5 9 2 5 0 8 8 0 2， E- ma i l y x p 1 0 1 3 1 6 3 ． c o rn。 7 4 的一半 。因此当空 间流型一定时 ， 沿 叶轮高度方 向 任意半径处第 1 级叶轮气流出口绝对速度等于第 Ⅱ 级叶轮气流进 E l 的绝 对速度 C c ， 且 c C 2 2 及 c 方 向相同 ， 大小相等 作为理想气体考虑 E 3 ] 。 4 扭曲角异常减小 2 。 ． ． 。 A c I “ _ { f ； j f A 2 l 卢 2 卢 t “ 1 △ c 2 “ 。 垒 盐 “ 图 1 对旋式通风机基兀级的速度三角形 2叶片安装角与扭曲角的检测 为保证通风机气动性能 ， 对旋式通风机采用机 翼型叶片。采用蜡模铸叶片存在不可控变形 ， 特别 是叶片扭曲角的不可控变形有时会较大 ， 因此 叶片 从浇铸到冷却成型的工艺过程控制对叶片扭曲角影 响较大。重庆研究院 曾出现 6台 F B DI％8 ． 0 ／ 2 5 5 型通风机试验时两级 电动机异常超载 ， 经检测 6台 风机的 I 级叶片安装角 、 扭 曲角及 Ⅱ级 叶片安装 角 均在标定范围内， 但 Ⅱ级叶片扭 曲角出现异常减小 ， 均在 4 ． 8 2 。 一5 ． 9 8 。 设计认定值 为 8 ． 1 。 。检测方 法如图2所示。 2 0 1 2 年2月 矿 业安 全 与环 保 第3 9 卷第1 期 图2 Ⅱ级叶片扭曲角检测示意图 利用游标卡尺测量根部 叶栅 I I截面弦长 b b 、 b 分别为前、 后缘点 ， 顶部 叶栅 Ⅶ一Ⅶ截面弦 长 口 口 、 0 分别为前 、 后缘点 。 Ⅱ级 叶片示意图如 图 3所示 。利用高度尺测量对应 叶栅 截面前 、 后缘 点相对高度 五 、 瓦 、 、 ， 运用三角函数计算出 I I 截面根部安装角 即叶片安装角 和叶栅顶 部安装角 咖 ， 二者差值就是 Ⅱ级叶片扭曲角 。 0 2a r e s i n [ ，一 6 ／ 6 ] 1 咖 8 r c s i N [ 。 一 ， ／ 口 ] 2 2 2一 3 音 6i 图3Ⅱ级叶片示意图 同理 ， 可得 出 I 级叶片安装角 0 、 扭曲角 。 3 气动性能实验 根据 G B ／ T 1 2 3 6 --2 0 0 0 { q 业通风机用标准化风 道进行性能试验 的要求， 试验装置采用带进口侧试 验巷道的标准方法 C型装置 ， 对 F B D N o 8 ． 0 ／ 2 5 5 型异常超载与正常负载的风机进行气动 陛能测试。 F B D N o 8 ． 0 ／ 2 x 5 5标定的主要技术指标 叶片的 设计值 1 4 5 ． 5 。 ， 1 1 9 ． 9 。 ， 0 2 2 6 ． 5 。 ， 2 8 ． 1 。 如下 1 风 量1 6 ． 5 0～1 1 ． 6 5 m ／ s ； 2 全压1 5 0 0 7 0 0 0 P a ； 3 功率2 x 5 5 k W； 4 转速2 9 7 0 r ／ mi n ； 5 最高全压效率38 0 ％。 经测试 ， 其中 1台编号为 0 7 1 2的通风机出现异 常超载 性能指标见表 1 ， 对其 叶片进行检测 ， 得 出 1 4 5 ． 6 7 。 ， 1 1 9 ． 4 5 。 ， 2 2 6 ． 6 2 。 ， 2 4 ． 8 2 。 ， 发现 Ⅱ级叶片的扭曲角异常减小 ； 编号为 0 6 3 5的通风机 属于正常负载 性 能指 标见表 2 ， 同样测得其叶片 4 5 ． 7 1 。 ， 1 1 9 ． 6 3 。 ， 2 2 6 ． 5 8 。 ， 2 8 ． 0 1 。 ， 实’ 钡 0 角度均接近设计值。 表 1 标准状态下通风机空气动力性能测试计算结果 I 注 风机编号 0 7 1 2， 1 4 5 ． 6 7 o ， 1 1 9 ． 4 5 。 ， 2 6 ． 6 2 。 ， 2 4 ． 8 2 。 。 表2 标准状态下通风机空气动力性能测试计算结果 Ⅱ 注 风 机编 号 0 6 3 5， l 4 5 ． 7 1 。 ， 妒 1 1 9 ． 6 3 。 ， 2 6 ． 5 8 。 ， 妒 2 8 ． 0 1 。。 7 5 2 0 1 2 年2 月 矿 业安 全 与环保 第3 9 卷第1 期 4实验数据分析 1 从编号 0 6 3 5通风机可 以看出， 实测其 I、 Ⅱ 级叶片安装角、 扭 曲角与设计标定值基本相符 ， 误差 在允许范围内 0 ． 5 。 ， 气动性能参数与标定 的性 能指标相符， 表明设计时认定的叶片参数合理。 2 编号 0 7 1 2与 0 6 3 5风机相 比 I级叶片安装 角、 扭 曲角 、 Ⅱ级 叶片安装角 的实 测值与设计 值相 近 ， 且误差均在标定范围内， 而Ⅱ 级叶片的扭 曲角相 差较大， 达到4 ． 8 2 。 ， 与设计认定值相差3 ． 2 8 。 ； 从表 1 、 表 2的数 据 可看 出， 0 7 1 2风 机 的最高 全压效 率 比 0 6 3 5风机低 ， 轴功率超载 ； 数据表 明这些差别对 I、 Ⅱ级叶轮轴功率均有影响， 且对 Ⅱ级影响较大 ； 在最 高效率点处， 两风机风量差异较小 相差 0 ． 6 2 ％ ， 但全压上升明显， 变化比为5 ． 2 2 ％， 最高全压效率下 降 2 ． 6 9 ％。 从图 1 可以看出， 两级叶轮最佳流动匹配是 流 经 I 级叶轮的气流 ， 在牵连速度 的作用下 ， 产生与 其旋 向相 同的旋绕速度， 由于 I级叶轮出 口的绝对 速度 c 等于 Ⅱ级叶轮入 口的绝对速度 c ， ， 两级叶轮 相向旋转， 该旋绕速度对第 Ⅱ级叶轮形成负的预旋 速度 ， 经第 Ⅱ级 叶轮整直升压后 ， 出 口绝对 速度 c 成为单一轴向速度 。 由于Ⅱ 级叶栅异常， 扭曲角减小， 相当于增加了 各个叶栅截面安装角， 使气流通道增加， 整个叶栅面 尾迹变窄 J ， 翼型面的迎角加大 ， 从而增加叶片迎风 面的受力， 致使电动机负荷加大， 若长时间超负荷运 行 ， 则有可能烧毁 电动机。 从 图 1中还可 以看出 ， 当 Ⅱ级叶栅扭 曲角减小 时， 破坏了原有两级叶栅气流流动匹配 ， 第 Ⅱ级叶轮 不能完全消除 I 级 叶轮产生 的旋绕速度 ， 但 Ⅱ级叶 轮人口的绝对速度为 c ， 与 c ， 仍然相同， 牵连速度 不变 ， 由速度三角形知其入 口相对速度 W 与 W 相同， 人口角 。 与卢 相同， 但出口绝对速度 c 与 c c 形成一个夹角 表明出 口气流仍有旋绕速 度 。由于牵连速度 不变 ， 出 口相对速度 t 2 2 发生 变化 ， 得出 Ⅱ级 出口角 。基元级理论全压方 程如下 P l F ． t h p u c c o t 卢 l c o t 2 4 式中 p 为理论全压 ； J D为标准状况下空气密度 ， k g ／ m ； “为牵连速度 ， m ／ s ； 卢 为气流 入 口角 ， 。 ； 为气流出 口角， 。 ； c 为轴 向速度 ， m ／ s 。 式 4 中P 、 为定值 ， 影响全压的因素是轴 向速 度 c 及 c o t 。 - c o t 卢 。已有研究表 明， Ⅱ级叶轮对 通风机主要起升压作用 ， 对风量影 响较小 ， 由于同型 号通风机出口截 面积不变 ， 因此标定叶栅与异常叶 栅轴向速度 c 几乎没有变化 ； 根据 函数单调性 ， 有 c o t 卢 1 1 - c o t 卢 1 2 c o t 卢 2 1 - c o t 卢 2 2 ， 故 Ⅱ级叶栅扭 曲角减小 ， 通风机全压升高。 图 1 还显示 ， 由于 Ⅱ级叶栅扭曲角减小 ， 其入 口 的绝对速度 c 相对于 Ⅱ级叶栅改变 了标定 的入 口 气流角的方 向， 即加大了 Ⅱ级叶栅的人 口攻角， 增大 了气流对叶栅翼 型面的摩擦和碰撞 ， 并在 叶片迎风 侧产生涡流， 破坏 了气流 的连续性 ， 造成能量损失 ， 从而降低了通风机的全压效率。 5 结论 1 Ⅱ级叶栅扭 曲角 的异常减小对通风机 的风 量影响较小 ， 对其全压及全压效率影响较大。 2 Ⅱ级叶栅扭 曲角 的异 常减小 ，I、 Ⅱ级电动 机轴功率增大， 且Ⅱ级变化比大于 I 级。 3 对旋式通风机所标定的具体每一个叶栅面 扭曲角的变化 ， 以及 I 级叶栅扭曲角变化 ， 对其气动 性能的影响还有待进一步研究 。 参考文献 [ 1 ]王晓林． 对旋式通风机两级叶轮最佳流动匹配条件的探 讨[ J ] ． 矿业安全与环保， 2 003 5 ． [ 2 ]陈燎原， 潘地林， 黄家友． 对旋式风机 Ⅱ级动叶理论特性 的研究[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 4 5 ． [ 3 ]商景泰． 通风机[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 004 ． [ 4 ]李俊． 轴流通风机 动叶安装角异常的气动特性研究 [ D] ． 保定 华北电力大学， 2 0 0 8 ． [ 5 ]B 埃克． 通风机[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 3 ． 责任编辑 卫蓉 上接第6 9页 [ 2 ]钱鸣高， 刘听成． 矿山压力及其控制[ M] ． 北京 煤炭工 业 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 3 ]钱鸣高， 缪协兴， 许家林． 岩层控制的关键层理论[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 3 ． [ 4 ]曹允伟， 王春成， 陈雄， 等． 煤矿开采方法[ M] ． 北京 煤 炭工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 7 6 [ 5 ]张荣立， 何国纬， 李铎． 采矿工程设计手册[ K] ． 北京 煤 炭工业 出版 社， 2 0 0 3 ． [ 6 ]国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察局． 煤 矿安全规程[ s ] ． 北京 煤炭工业出版社， 2 0 1 0 ． 责任编辑 陈玉涛