离心通风机设计.docx

第一章 绪 论

1.1 矿用通风机行业概况
世界各主要产煤国对矿井通风机需求逐年增加。原苏联主要产品Bц15型离心式通风机和BOд—18型轴流式通风机,离心式通风机直径达3.12～4.17m,效率84%～86%,轴流式通风机直径达1.18～4m,效率80%。美国矿井用的通风机以轴流式通风机为主,因为其调节范围宽,加速性能、动态性能和运行效率优于离心式通风机。其叶轮最大直径达4.127m,最大功率7600kW,最高转速3600r/min,动叶单独可调。近70年来,通风机在采矿工程中的应用方式不断变迁。从1922年J·R·罗宾逊所写的“实用矿井通风”技术手册时起,预示通风的控制由自然方式进入了机械方式。而此时所使用的大型、机械驱动的风机就是离心式的。当时的离心式风机运行速度低,大约300r/min,而且大部分是由蒸汽机驱动。20年代末至30年代初,矿井规模的扩大,要求增大风机的压力和流量。由电机驱动的高速(700～800r/min)轴流式风机应运而生。它体积小且安装费用低,在矿井通风的应用中占了统治地位。然而,由于开采方式的变更,矿井通风静压的需求逐步提高,离心式风机又成为矿井通风的一种较理想选择。70年代,后退长壁开采方式被普遍采用。早期的长壁工作面宽90～120m,长1200～1800m。90年代的超大型工作面宽达275m,长达4440m。在国外即使采空区塌落而形成废石充填区,但由于开采工艺要求,气流还需流通该区。塌落区的空气阻力系数明显高于开阔的风道,所以矿井主风扇还必须提高其压力以满足通风的需要。一些矿井曾尝试采用高转速的轴流风机(甚至为2级叶轮, 1.5m直径,运行转速1780r/min)。但该类风机噪音大,普遍存在叶片及轴承的故障。

1.2 通风机在矿上的应用
为了冲淡和排除井下的有害气体和粉尘,为井下各巷道及采、掘工作面提供新鲜风流,保证井下工作人员有足够数量、符合要求的空气供呼吸,确保井下工作人员的人身安全,改善井下工作环境,在煤矿生产中必须不间断地向井下供给大量的新鲜空气。煤矿用主通风机就是向井下输送空气的设备,通常情况井下每采1t煤炭就要向井下输送4～6t新鲜空气,矿井主通风机的电耗平均约占煤矿电耗的8%～15%,它是煤矿井下通风不可缺少的安全设备,也是矿井的关键设备。在通风设备的选择设计时,对其可靠性必须予以足够的重视。随着世界范围内能源短缺和经济增长对能源需求的增加,迫切要求人们节约能源和保护环境。而矿井主通风机每天都必须运行,选择节电、低噪型通风机就显得非常重要。20世纪80年代后,由于采用了新技术、新工艺,通风机的效率提高了5%～10%,扩大了调节范围,提高变负荷条件下通风机的运行效率,是通风机运行的重要方面。有的国家还应用电脑优化控制调节,成为代表世界科技进步的趋势之一。随着社会的不断发展,矿井主通风机会更加具备安全可靠、高效节能、低噪、自动化程度高和安装简便等特点,矿井理想的主通风设备会越来越多。
1.3 通风机选型对经济运转的影响
矿用通风机包括离心式和轴流式两类。一般说,离心式通风机较之流式通风机的额定效率高,但效率曲线陡,高效区窄,平均效率低。所以这类风机与网路的适应性差,一旦网路特性发生变化,工况效率则必大幅下降。因此,离心式通风机较适合在整个运转期间,网路阻力变化不大的矿井。而轴流式通风机虽最高效率不及离心机,但它的等效率曲线与网路特性曲线夹角很小,近似平行,故当网路特性发生变化时,工况效率的变化比离心式要小,所以运转期间的平均效率较高。尤其是90年代初,我国开始生产的2K56、KZS型轴流式通风机,不仅最高效率比80年代生产的2K60要高,而且高效区普遍向低压区移动,如表1所示,因而也就更适合我国矿井负压普遍较低的实际。

1.4 矿井通风机使用情况
从我国的矿业发展过程看,五六十年代的中小矿井也大多采用离心式风机,随着矿井规模不断扩大,轴流式风机的采用逐渐增多,而且显示出流量大、风量调节简单、返风方便的优点。今后会不会向国外那样发展呢?根据我国矿井的开采工艺和有关规范规定分析认为: (1)虽然后退式长壁采煤方法在我国已普遍采用,但国内的采空区和塌陷区一般不需进行通风,而采取与工作面隔离的方式,因此矿井阻力不会大幅度增加;(2)目前我国矿井的采深普遍在600m以内, 随着矿井的开拓延深,工作面距离越来越远,通风阻力也会不断增加,在一定程度上选择高静压的离心式风机要好于轴流式风机。例如,河南省某矿井开采深度大于500m时,最小负压1143Pa,最大负压2928Pa,风量,选择G4-73-11No.28型离心式风机或BDK65A-10-No.28型轴流式风机都能满足要求。当开采深度在700m水平时,采区工作面距离井口约7km,负压将达到4020Pa,风量,这时如果仍利用原风井风机通风,轴流风机的静压就不够了,而离心风机仍旧可以使用。但是,我国《煤矿设计规范》第10.1.5条明确规定“矿井通风的设计负,压,不应超过2940Pa”,这在根本上限制了通风负压。
1.5　国内使用的矿井主通风机简介 [2]
目前,。我国煤矿在役的主要通风机,以下几个系列的使用占有90%以上。这对有些矿井在通风机能力不足时的改造、对设计及现场选购通风机、对现有通风机改造起到参考和帮助的作用。

1.5.1　2K系列通风机
2K系列轴流通风机按轮毂比不同分为2K56、1K58、2K58、2K60和KZS等几个系列,主要由沈阳鼓风机厂、沈阳风机厂和吉林鼓风机厂生产。叶轮直径从1.12m～3.16m,可满足不同大小矿井的需要。该系列通风机均为单、双级叶轮,机翼为扭曲叶片,叶片角度可在较大范围内进行有级(1K58、2K58、KZS)或无级(2K56、2K60)调节,且均可直接反转反风。这是我国煤矿以前用量较大、较多的一类通风机。可以满足多数矿井对通风机低压力、大风量的需要,刹车、测温、测震基座等附属装置也较为齐全。现场实测表明其静压效率可达75%以上,但气动噪声大。该系列通风机除适用于新建和改扩建矿井外,由于其外形与我国较早使用的70B2和2By型轴流通风机相近,更适用于对这类通风机的改造,可较大幅度的节约改造费用,缩短改造时间。

1.5.2　BD(K)系列通风机
BD(K)系列通风机近年来发展很快,生产厂家也较多,主要有湘潭平安、南阳、燕京等厂家,该系列通风机最大已经生产到了4m。该风机采用双级双电动机驱动结构,两级叶轮相对并反向旋转,其结构相当于两台同型号轴流通风机对接在一起串联工作,因此被广泛称之为对旋通风机。由于这种结构可省去中间及后置固定导叶,且涡流损失较小,具有传动损耗小、压力高、高效范围较宽、效率也较高的特点。厂家提供的通风机最大静压效率可达86%,现场实测其装置静压效率可达77%。该系列通风机除了可在较大范围内调整叶片角度外,还可对前后级安装角度进行适当组合,并可单级运行,因此可调范围更宽。但实测结果表明:单级运行时通风机的效率太低,仅有50%左右,不宜长期使用。此外,由于该系列通风机结构的整体性和密闭性均较好,且可以实现反转反风,使用该系列通风机可以不建通风机房,不用反风道,具有基建工期短、节省基建费用等优越性,适合于要求尽快投产的新建风井。

1.5.3　GAF系列通风机
GAF系列通风机是在引进国外技术的基础上,结合国内的实际情况加以改型改造的轴流通风机。该通风机具有风量风压调节范围宽、静压效率高、叶片角度调节自动化程度高等优点,尤其是采用液压调节和涡轮涡杆同步调节装置调整叶片的通风机,改变叶片运行角度非常容易,特别适用于需要经常改变运行工况的矿井使用。此外,GAF系列通风机的叶轮直径、轮毂比分档较多,再加上叶片数和转速等的变化,可形成上千种基本型号,上万种标准产品,为用户根据技术参数和使用要求进行量体裁衣式的选型提供了方便。由于叶片角度调整方便,这类通风机可通过改变风叶角度实现通风机反风,既不需要反风道,也不需要通风机反转控制装置,且反风量也满足规程要求。但该类通风机与同等能力的其他系列通风机相比,初期投资较大。

1.5.4　G4—73、4—72系列离心式通风机
我国矿井使用的离心式通风机主要就是这两个系列,生产厂家较多。G4—73系列离心式通风机最初是为锅炉通风(引风)设计的,后来被引用到矿井通风中并拥有一定的市场占有量。该系列离心式通风机的特点是特性曲线较平缓、无驼峰、运行噪声较小、效率高。启动时关闭调节门 (也叫前导器),具有启动功率较小,启动容易的特点。运行时调节门可在0°～70°范围内调节,用以改变运行工况,还可通过配置不同转速的电动机来改变其运行工况,适应性较好。4—72系列通风机的特性曲线较平缓,运行噪声较小,效率高,适用于通风阻力不是太大的中小型矿井。我国地方煤矿的矿井中使用该系列通风机较多,由于机型小,配置电动机的容量也小,可配用380V或660V电压的电动机,特别适用于无高压(6000V)供电的矿井使用。但对初、后期风压变化大的矿井,离心通风机的调节性能差。
1.6 离心通风机的应用现状与经济分析 【1】
鉴于我国风机的应用现状,研究高效率的风机,再大幅度地提高风机本身的效率不大可能。目前,研究和应用最佳的风机调速才是降低风机电耗的最有效途径。风机的耗电量与转速的立方成正比。风机的转速降低,其耗电量将以其立方的比例下降，例如:根据工艺要求,风机的风量下降到80%风机的转速也下降到80%,其风机轴功率则到额定功率的51%;若风机的风量下降到50%，则风机的转速也下降到50%,其风机轴功率降到额定功率的13%,节电87%;从节能角度以风机调速最为有利,调节范围最大,其经济也最佳。同时,采用变转速调节后,可以降低噪声,减轻引风机叶轮的磨损,延长叶轮的寿命。所以,风机的节能重点应放在风变转速调节上。风机变转速调节,需要通过装置来实现。
1.7　风机经济性评价方法【1】
采用“将来费用折算现值”的方法,对离心通风机调节方案进行经济性评价。所谓“费用折算现值”是指购买附加设备费、安装费，维持风机和附加设备在全部使用寿命期间运需的运行费、维修费的折算现值。总现值最小方案为最优方案。“将来费用折算现值”法,较全面而准确地反映各方案经济性的优劣,风机改造时可作为主要的参考依据。将来折算现值的计算公式为
F=T·TE+T·(HD·DF+WX)·Y
式中　 F———将来费用现值,万元
T———风机台数
TE———风机和附加装置的总投资,万元
HD———系统年耗电量,万kW·h/a
DF———电费,元/kW·h
WX———风机和附加设备的年维修费,万元
Y———使用寿命,a

1.8　离心通风机几种调速装置的特点 【1】
离心通风机调速装置有:液力耦合器、电磁滑差调速电机、双速电机、晶闸管串级调速装置及变频调速装置。
1.8.1 液力耦合器
是利用流体的动能来传递功率的一种动力式传动设备。安装在电动机和风机之间,可以在电动机转速不变的情况下,实现无级变速来改变风机的特性曲线和电动机的空载启动。但液力耦合器在调速的过程中,存在着固有的滑差功率损失,所以传动效率较低。液力耦合器装置技术上比较成熟,在电厂风机中应用也较多,并取得了一定的节电效果,但不能盲目使用。经过调查得出,若风机的富裕量不是太大,那么节电效果就不明显;若在锅炉带额定负荷时采用液力耦合器,不但不能省电,甚至还多耗电。电磁滑差调速电机能实现无级变速,速度调节平滑,无失控区能空载调速,转速变化率小;其控制设备也简单,初投资低,维护方便,节电效果明显。但在调速时其转差功率会以发热形式损耗掉,所以经济效益较低。双速电机是采用单绕组变极方法实现速度变换的,初投资低,使用时能使整机结构紧凑,可降低噪声和节约能源,维护也简单。但低速时的启动力矩小,往往需先在高速下启动,然后再切换到低速运行。运行人员不敢在运行中进行变速操作,开关的可靠性也差。

1.8.2 晶闸串级调速
就是在转子绕组回路中串接一个反电势,通过改变转差率来调节绕线式异步电动机转速的一种调节方法,该装置不仅可以对电机进行无级变速,而且在调速时还可将转差功率转化为机械能加到负载,或转化为电能返回电网,因而系统效率较高。该装置的初投资较高,调速装置需进行维护,还得采用绕线式电机,增加了维修工作量。

1.8.3 变频调速
是交流电动机调速的最新技术,是通过改变定子的供电电源频率来改变旋转磁场的同步转速,从而改变转子的转速。对于交流电动机,转速n与频率f成正比,所以,连续调节电动机的频率能改变电动机的转速,鼠笼式三相异步电动机采用变频方法可以实现无级变速。调节效率高、调速范围大(电机可在0%～100%频率转速下运行),与其他调节装置相比,性能最佳。当调速范围在同步转速的30%以上时,装置本身的效率不低于90%。变频调速不存在励磁滑差损耗和挡板、阀门节流功率损耗,不存在转差损耗,因此节能效果良好。

1.9 大型离心通风机叶轮的三维应力计算 【9】
利用三维有限元方法,对大型风机叶轮进行了强度的计算和分析。针对复杂形状叶片———机翼型叶片的特点,对具有复杂叶片叶轮模型建立的方法进行了探讨,并分析了整个叶轮的应力分布,在强度方面为叶轮的设计提供理论依据,以达到改进实际叶轮结构的目的。离心叶轮强度的常规算法仅反映叶轮平均应力的大概情况,不能很好地反映真实应力的分布。对实际叶轮的设计也就只能靠设定安全系数来保证叶轮的安全运行。有时为了保证强度,如果安全系数取得过大,就势必会造成原材料的浪费,对降低生产成本不利;如果安全系数给得过小,又不能在强度方面得到保证。
自从1960年克拉夫首次提出有限元的概念至今,有限元方法已发展成为数值分析计算中的一种有效方法。它同样在风机行业中得到了广泛的应用。目前,对有些离心压缩机强度采用轴对称有限元模型进行计算,这种有限元方法对实际的模型做了一些简化(如将弧型叶片简化成径向直叶片,并将其扩散成一变刚度、变质量的盘型夹层),与实际情况不太相符,不能很好地真实反映整个叶轮的应力分布,这种简化可能会影响结果的精确性。而且这种方法对机翼型叶片或曲线叶片的叶轮的计算存在一定的困难。对于三元流叶轮来说,叶片具有复杂的几何形状,如对带有筋板的机翼型叶片的叶轮,采用三维有限元计算方法可以很好地处理模型上复杂的几何问题,建立模型时不需做任何简化,可按实际叶轮的几何尺寸建立。故计算所建立的叶轮模型能较好地反映实际问题,并能更为详细和准确地反映真实应力的分布,能得到不同位置的应力和位移值,并能确定最大应力所处的确切位置。从而为叶轮的三元流设计在强度方面提供理论依据并达到改进叶轮结构设计的目的。

第二章 离心通风机的理论基础

2.1 通风机的基本方程式
离心通风机叶片入口和出口速度图

图2-1 叶片出入口速度图

表示相对速度；u表示圆周速度；c表示绝对速度，圆周速度u与绝对速度c之间的夹角用表示，称绝对速度角；相对速度与圆周速度反方向的夹角用表示，称为流动角。叶片切线与圆周速度反方向的夹角用表示，称为叶片安装角。则在叶片出入口得到下列关系式：

图2-2 速度三角形
气体在叶轮内的流动过程可作一些假定，把它当作一元流动讨论，即用流束理论进行分析，这些基本假定是：
（1） 通风机工作时没有任何损失，则原动机加到通风机上的能量等于被输送气体所获得的能量；
（2） 叶片数目无限多且无限薄，则气流将被分成微小流束，其形状和叶片完全一致，且叶片入口与出口没有突然收缩和突然扩张现象，因此可认为沿圆周各点的速度相等；
（3） 气体在作稳定流动；
（4） 不考虑气体压缩性。
原动机加到通风机轴上的外力矩为M (N*m)，设流过叶轮的理论流量为，流体密度为， 为叶片出口处半径，为叶片入口处半径，在dt时刻流过叶轮的流体质量流量为dt,则叶轮进出口处流体相对于轴面的动量矩分别为

单位时间内的动量矩变化等于

根据以上假设和动量矩定理，上式应等于作用于该流体上的外力矩，此力矩即叶轮旋转时给予该流体的转矩M,则

叶轮旋转角速度为(rad/s)时，该力矩对流体所做的功率为M，则

因，，，，则

对理想流体而言，叶轮传递给流体的功率应该等于流体从叶轮所获得的功率，即

式中——单位重量流体通过无限多叶轮时所获得的能量
m （2—1）
对风机而言，风压，Pa,则风机的能量方程式为
（2-2）
上式即欧拉方程式，它是通风机，水泵，透平压缩机等叶轮机械的基本方程式。
有速度三角形得
（2-3）
当时，＝0，欧拉方程化简为
（2-4）
= （2-5）
因此，当，流体径向流入叶轮时，获得最大的理论能头。
由式（2-3）和（2-4）可知，与流体的密度无关，即与流体性质无关，如果泵与风机的尺寸相同，转速相同，流量相等时，则流体所获得的理论能头相等，即泵产生的液柱与风机产生的气柱高度相等。

2.2 叶片出口安装角对风机性能的影响
总压头由两部分组成，一部分为静压能：
（2-6）
另一部分为动压能
（2-7）
反作用度 表示静压能在总压能中所占的比例，即
（2-8）
当＝0时， - ＝在离心通风机中，一般，则上式变为
＝ （2-9）
由上式可见，值越大，叶轮出口动压越小，在通风机扩压部分把动压变为静压的损失就越小，对提高通风机效率越有利。
由叶片出口速度图得
（2-10）
把 （2-10）代入（2-9）得
＝ ＝ (2-11)
由图2-1出口速度三角形得

代入2-5式得
（2-12）
由式（2-12）可知，
1. 时，为正值，越小，越大，越小。当小到等于最小角时，此时

代入式（2-12）得
＝0
这时叶轮未给予流体能量，这是的最小极限值。
2. 时，，此时
＝0
代入式（2-12）得

3. 时，为负值，越大，越大。当增加到等于最大角时，，此时

代入式（2-12）得

（1） 当＝时，

表明当此时静压及动压均为零，流体为获得能量。
（2） 当时，

表明径向式叶片流体机械获得的静压头及动压头各占一半。
（3） 当 时，

表明此时流体机械获得的总压头中全部为动压头。
以上分析表明，随出口安装角增加，流体获得的理论压头增加，反作用度减小，当从增加到时，理论压头则从零增加到最大值，即越大，流体从叶轮获得的能量越多，因此，前弯式叶片产生的压头最大，径向式叶片次之，后弯式最小。
由以上分析可知，在相同的条件下，前弯式叶片产生的绝对速度比后弯式叶片大，而液体的流动损失与速度的平方成正比（）。因此，当流体流过叶轮及导叶或蜗壳时，其能量损失比后弯叶片大。同时为把动能转为压能，在能量转换过程中，必然又伴随着能量损失，因而其效率远低于后弯式叶片。但前弯式叶片有以下优点：当其和后弯式叶片的转速，流量及产生的能头相同时，可以减少叶轮外径，因此，可以减小风机的尺寸，缩小体积，减轻质量。又因风机输送的流体为气体，气体密度远小于液体，而摩擦力正比于密度，所以风机损失的能量远小于泵。

2.3 叶片出口角对风机性能的影响另解
高效后向通风机叶片出口角的限值理想流模型等于出口气流角,叶轮机械Euler方程的离心通风机全压公式是

式中　H、Q———分别为全压系数和流量系数
、、———分别是叶轮出口直径、宽度和叶片通道堵塞系数
μ、———分别为有限叶片系数和叶轮流动效率
由上式可知,如果后向通风机的越大,全压就越高。但是出口角的增大会导致气流滞后角的增大,叶片出口流动分离增大。这不仅会引起效率下降,全压也上不去。在现有的工程设计中,不可能给出高效后向通风机叶片出口角的限值。对于中压离心通风机可通过数值模拟得到:当出口角大于81后,一般不能再简单地设想用提高出口角来提高风机全压,因为这时随着出口角增大,全压将保持不变或下降,但效率已经下降。为此,提出中压离心通风机高效后向通风机叶片出口角的限值为。

2.4 离心通风机的理论特性曲线
通风机的理论全压与理论流量之间的关系曲线，叫做风机的理论全压特性曲线。

其中，

——叶片出口直径
——叶片出口宽度
式（2-11）右边各量，除以外都是常量，故式（2-11）可写成
（2-13）
式中A==常数，即流量等于零时的理论全压；
=常数
在图上，式（2-12）是一条直线。

图2-3 通风机的理论全压特性曲线
当时，离心通风机的理论全压曲线为距横坐标轴，且与横坐标平行的一条直线，不随改变；当时，随的增大而增高；当时，随的增大而减小。
理论功率：
（2-13）

图2-4 理论功率特性曲线
根据以上分析，离心通风机的叶片出口角的大小对通风机的特性起着很重要的作用，根据角叶片可分为三种形式：（1）后向叶片，；（2）径向叶片，；（3）前向叶片，

图2-5 前向，径向和后向叶片的比较
由图2-5可知，后向叶片，；径向叶片，；前向叶片，。根据式2-5，在不变的条件下，理论全压随着的增大而增高。所以得到下表2-1

超载能力
后向
小
大
高
大
径向
中
中
中
中
前向
大
小
低
小
（超载能力：当通风机的流量增大时后向叶片通风机的功率增加最慢，前向叶片的功率增加最快，径向叶片的功率在两者之间）

2.5 通风机的实际特性曲线
从关系式可知，考虑有限多叶片的影响后的理论全压，是无限多叶片时理论全压的k倍。叶轮内各部分损失与相应的速度平方成正比，因而与流量的平方成正比，可写为

式中为常数，与之间的关系曲线为一二次抛物线。冲击损失可表示为
式中为常数，为设计流量，当时，冲击损失为零。当或时，有不同值。

图2-6 用分析法绘制实际压力特性曲线
1-无限多叶片的理论曲线 2-有限多叶片的理论全压曲线 3-考虑流动损失的性能曲线 4-实际全压特性曲线
以上分析的曲线4未考虑通风机的容积损失，在一般情况下，容积损失很小，即实际流量Q与理论流量很接近，因此可把曲线4当作表示实际流量全压P与实际流量Q之间关系的特性曲线，称为实际全压特性曲线。曲线M点的损失最小，效率最高。
当容积损失较大时，应从曲线4中扣除容积损失，实际压力特性曲线4或5是根据理论计算的，与实验方法求出的实际全压特性曲线有一定差距，图2-7是用实验方法求出的全压特性曲线及实际功率曲线和效率曲线。某些前向离心通风机的实际压力曲线，在小流量段出现驼峰形状，如图2-8，这是因为，当通风机的流量很小时，气流只占叶道的一部分，因而叶道的有效断面积减小，气流速度增加，对于前向叶轮，气流未充满叶道时的全压将升高;对于后向叶轮，气流未充满叶道时的全压将降低。因此前向叶片的通风机在流量很小时，有可能因压力增高而出现如图2-8所示的驼峰，后向叶片的通风机则不能。

2.6 气体在离心通风机叶轮内的实际流动情况
实验表明，如果在气体运动的路径上存在某物体，则在此物体以前和以后都要发生气流扰动，当气流到物体之前，速度就开始发生变化。气流在进入轮也入口边缘前，在叶轮旋转方向有一预旋速度，即叶片入口处的气流绝对速度不是沿半径方向，而是向叶轮旋转方向偏斜，当与的与方向一致时，称为正预旋，反之为负预旋。如图2-5所示，与的比值叫做预旋系数，以表示：

图2-10 叶片入口前气流的预旋

实验证明：
由于也轮流道形状不理想，特别是通风机在非设计流量下工作时，叶道内的气流会产生附面层分离，分离区的位置和大小与叶片的形式及入口冲角大小有关。入口冲角，是指叶片入口角与入口相对速度与圆周切线所成角之差。由图2-6可知，在设计流量下，入口相对速度沿切线方向进入叶道，它与圆周切线所成角等于叶片入口角，故冲角为零。当流量小于设计流量时，子午速度减小，入口相对速度与圆周切线所成角度小于叶片入口角，冲角为：

图2-11 叶轮入口冲角
称为正冲角。当流量大于设计流量时，子午速度值增大，入口相对速度与圆周切线所成角大于叶片入口角，冲角为：

称为负冲角。

2.7 离心通风机最佳冲角的函数曲线 [11]
图2-12 最佳冲角函数曲线
图2示出了离心通风机的最佳冲角函数曲线。纵坐标KIZJ简称为叶轮叶片进口的最佳分离系数,横坐标为叶轮叶片进口的最佳冲角。其一般分离系数和最佳分离系数的数学表达式为

图2-13 9-26模型级的特性曲线及冲角特性
（1）
（2）
式中 （3）
（4）

式中 ——叶轮进口平均直径
——叶轮叶片进口宽度
——叶轮叶片进口安装角
——转速
——进口容积流量
——最佳工况对应的进口容积流量
当i < 0时，叶片的工作边形成封闭的涡区，而在非工作边靠近叶轮出口处，由于气流速度巨降，也能产生漩涡；当i > 0时，叶片的非工作边出现附面层分离，随着流量的减小，则分离速度增大，引起很大的涡流损失。
表2-2 不同模型级的最佳冲角

2.8 最佳冲角函数曲线的应用
最佳冲角函数曲线对从事离心通风机设计研究的技术人员十分有用。初步分析至少有如下几个方面的用途:
(1) 从图1和表1可以看出最佳冲角的变化范围很大,远远超出了一般风机技术手册中推荐的冲角变化范围值。一般风机手册或教材中推荐的冲角值为0°～5°(也有推荐-8°～8°)。而实际最佳冲角变化范围为-10°～20°。所以设计模型级时应根据选择的叶轮结构具体参数来决定,过去不知道这条最佳冲角函数曲线,所以也不知如何选择,今后就可以参考图1和表1来选择了。
(2) 一般情况下，冲角为0°时损失最小,易获得高效率。但从图1上可看出最佳冲角为0°的极少,仅有代号为52的模型级，，其最佳冲角才接近0°。这就告诉设计者,设计工况下对应的最佳冲角是不能随意选择0°的。不同结构参数的模型级的最佳冲角一般都是不同的。
(3) 随着技术的进步,一般大中型离心通风机的设计都逐步走向个性化设计,这是通风机技术发展的必然趋势。但真正的离心通风机个性化设计并不是现在一般常用的变型设计方法这种方法达不到个性化设计的客观要求。真正个性化设计,一种是按照模型级的气动性能曲线和几何参数来进行全相似设计,这种方法可靠性高,但有时受到转速的限制很难实现。另一种是变型相似设计,即找一种性能参数相近的模型级,应用个性化设计计算软件,对模型级进行切割计算,并保证新设计产品的叶轮和模型级的叶轮的进出口速度三角形保持基本相似。不管风机个性化设计软件有多少种,其中至少有一种软件系统中要运用到最佳冲角参数和最佳分离系数。
(4) 应用于模型级的开发,当深刻理解掌握最佳冲角函数曲线之后,在开发新型模型级时会少走弯路,可节省模型级的试验次数,并能尽快地设计出达到预期目标的模型级。
(5) 从图1可以看出9-26模型级的最佳效率工况点距离喘振工况点比较近,说明这种模型级的特性曲线的形状不够理想。尤其对个性化设计选择模型级的标准就更不理想,这种模型级的特性曲线就得进行改造,对于有经验的模型级设计者来说,知道级的哪些流道结构尺寸对最佳冲角有影响,便会通过修改相应的结构尺寸来改变模型级特性曲线的形状,以确保达到预期目标。

2.9 离心通风机性能曲线的拟合及应用研究
用于表示离心通风机性能的主要参数,如压力(H)、流量(Q)、功率(N)和效率(η)以及它们之间变化关系的曲线H=f(Q)、N=f(Q)、η=f(Q),目前仍很难用十分准确的计算方法求得。因此风机生产企业提供的两种产品样本———风机性能表或选择性性能曲线,只能是以试验数据为依据而编制或绘制出来。使用者通常采用手工作图法和差值法来确定离心通风机的工作点,并与风网特性曲线相匹配,准确性差。另外,在风机运行过程中,风机工作状况有时要根据风网运行的要求进行调节,由于风机实际工作点参数受到风网特性与风机特性的综合影响,依据风机产品样本难以对风机运行时工作点偏移造成的效率及轴功率的变化进行量化分析。

2.9.1 离心通风机性能曲线拟合
(1)　曲线拟合原理
由于离心通风机性能曲线H=f(Q)、N=f(Q)、η=f(Q)近似于抛物线,因此可以用最小二乘法构建离心通风机性能的数学模型,以二阶或三阶多项式进行曲线拟合。二阶回归曲线拟合方程为:
。
三阶回归曲线的拟合方程为：
η0+C1Q+C2Q+C3Q。
以上各式中,Q为离心通风机流量,m/h;H为离心通风机压力,Pa;η为离心通风机效率,%;N为离心通风机轴功率,kW;均为回归系数。
(2)　回归系数求解
对于回归系数的求解,以往采用的方法是利用最小二乘法原理得到回归曲线正规方程组(线性代数方程组),解该方程组得到各个回归系数,计算、求解很烦琐。实际上,应用Excel2000程序中的图表功能,通过制作散点图,可十分方便地确定风机回归曲线拟合方程。操作方法如下:选择数据(如表中流量和全压两组)→制作图表→制作散点图→添加趋势线→设置趋势线属性→选择采用二阶多项式拟合并显示公式→完成。

第三章 离心通风机的气动设计

3.1 本设计的技术要求
选型：目前,矿井通风设备有2 种类型:离心式风机和轴流式风机。这两种风机性能各异,各有所长。离心式风机结构紧凑,风压高,可以通过调整风机主轴转速来改变风机的工作状态,如果配置变频调速装置,可以很方便地做到这一点,以满足矿井在不同时期的通风要求。该类型风机的价格也比同等能力的轴流风机要低。对于资金紧张,技术力量不足的中小型煤矿,也可以采取更换电机或改变电机与风机的转速比来改变工况,以适应矿井开采后期的通风要求。但是离心风机的机房布置较为复杂,安装工作量大,需要反风道反风,漏风损失较大。因此,从经济的角度考虑,离心式风机用于地方中小煤矿作主通风机较为合适,但在安装和日常维护上,对地方中小煤矿的要求很高。
在山西煤矿安全装备技术测试中心所测试的矿井中,用4 —72 型离心式风机作为主通风机的占了大多数。对于年产量6 万t ,风量
的中小煤矿,选用这种风机是合适的。
7-35通风机的气动设计采用了离心通风机现代设计方法,其特点是引入三维粘性数值方法来分析离心通风机内部复杂流场,考虑了其各部件间的相互影响,数值预估离心通风机性能,并对现有工程设计方法作了重大改进。它以良好的工程气动设计为基础,Navier-Stokes方程分析三维湍流场为关键,其中最困难的是叶轮—蜗壳耦合流场计算,最后用风机性能实验来考核,三者有相互依赖关系,
　　清华大学和北京西山风机厂经过4年多的共同努力,完成了这种高性能离心通风机现代设计方法,开发了一个离心通风机三维流场数值模拟软件包,包括:(1)离心通风机进风口—叶轮耦合的子午通道流场数值模拟软件,主要用来提供叶轮计算的进口流场和优选高效进风口;(2)叶轮内部流场数值模拟软件,主要用来优选高效叶轮,并给出蜗壳计算的进口流场;(3)蜗壳内部流场数值模拟软件,主要用来优选高效蜗壳;(4)叶轮和蜗壳内部流场耦合计算及离心通风机整机性能预估的数值模拟软件,主要用来考虑高效叶轮和高效蜗壳的耦合影响,并预估离心通风机整机性能;对5种风机的数值预估整机性能与实测结果相比,全压和效率误差均约2%,两者吻合良好。7-35系列通风就是按此方法设计的,并于1999年11月获得实用新型专利。
用途：矿井通风
型号：离心通风机，皮带传动
技术要求: 全压P=2.9kP,流量Q=186000,空气密度
3.2 风机选型
3.3 风机的气动力设计
3.3.1 选通风机转速为n=700r/min，则其比转速为，

根据已知技术要求和风机比转速，查离心通风机产品目录知，4-72型离心通风机与设计要求最接近，故以4-72型离心通风机为原型进行设计。
3.3.2 选择叶片出口角

由于比转速较小，在后向叶轮中为了减少进口冲击，和提高效率，选择后弯机翼形叶片。叶片流型设计其他方法,现有工程设计习惯选用等减速或等当量扩张角流型,已得到一些好的叶片型线,但终究流型选择的余地太小。工程设计中需要扩充可供选择的流型,但由于新流型的使用要有实践考核,不便轻易改变。现在有了三维数值模拟软件,可先进行数值计算优化,这样就可大胆选择新流型。为此提出一种扩充流型。

它既包括已有的两种流型(因为当a=0和c=0时,此流型即为等减速流型;当a=-1.5和c=0时,此流型即为等当量扩张角流型),又包含更多的流型优化参数。在实际应用中,通过叶轮通道流场的三维数值模拟对此流型中的3个