應用S1/S2三元流動理論設計高性能礦用對旋軸流主通
風機。并應用美國NACA低速葉柵試驗結果確定流入角和落后角，設計中控制擴散因子和氣流折轉角。礦用主通風機是保證煤礦安全生產的關鍵設備，據不完全統計，全國大、小礦井至少有10萬臺主通風機在運行，每臺風機配備的電機功率從幾十千瓦至幾百千瓦，有的達幾千千瓦，通常大都是幾百千瓦。粗略估計，目前全國煤礦風機每年耗電至少4000億kW·h，風機效率每提高1%，每年可節電40億kW·h，所以研制高性能礦用主通風機，具有重大的意義。1設計理論設計理論采用吳氏三元流動理論1。吳氏三元流動理論，其核心思想是將復雜的三元流動分解為S1流面和S2流面上的兩個二元流動，再通過S1和S2的迭代，求得三元流動解。與吳氏三元流動理論相對應的全三維直接解有一個困難的問題尚未解決，那就是湍流模型，到目前為止，還沒有找到一個能普遍適用的模型，這是擺在國際流體力學學術界面前的一道難題。比之于全三元直接解法，S1和S2二類流面迭代求三元解的方法的確具有優越性，這已為國內外所公認，這種方法物理概念清晰，對反問題（設計問題）尤為適合，且計算速度快，特別適合于工程計算。國際葉輪機械學術界公認：到目前為止，對葉輪機械的設計，都廣泛采用S1/S2三元流動理論的解法，全三維直接解法的計算機軟件，則作最后校核設計之用。除應用吳氏三元流動理論的基本氣動力學方程以外，還必須應用試驗數據，才能設計出可靠的風機。本設計應用的是美國NACA（前美國航空咨詢委員會）低速葉柵試驗數據2。2設計特點（1）應用完全徑向平衡方程求解(S2計算)3，而不是用簡單徑向平衡方程求解,這樣可更準確地計算出β1，β2。與S1流面求解類似，由連續方程定義流函數ψ，代入運動方程，再無量綱化可得任意曲線坐標下S2流面徑向平衡方程的無量綱形式：（2）采用變環量設計。Cur沿葉高分布決定了葉片的扭曲規律，Cur沿葉高分布過去常用“等環量設計”，即Cur沿葉高為常數，為了提高效率，采用變環量設計，即Cur沿葉高分布可以根據需要來控制和安排。根據理論和經驗，Cur沿葉高分布在葉尖和葉根應小一些。（3）設計中考慮沿葉高效率分布。（4）應用美國NACA低速葉柵試驗數據2，在此基礎上編制的大型CAD設計軟件，既可應用于壓縮機的設計，也可應用于風機的設計。通風機可看作是壓縮機的1～2個級。設計軟件的框圖見圖1。NACA葉柵試驗數據主要用來決定，氣流流入葉片時最小損失流入角i和氣流流出葉片時的落后角δ。準確地決定i和δ是風機葉片設計的關鍵，設計出來的葉片能否滿足風機的風量、風壓和效率，全靠i和δ是否準確可靠。i=(Ki)sh(Ki)d(i0)10+nθ式中(i0)10為零彎度、最大相對厚度δmax/b=10%時，NACA65系列葉型損失最小的流入角，可由NACA葉柵試驗曲線查出。對S1流面計算結果，主要分析沿葉高各截面S1流面上葉片表面速度分布，葉面速度分布應平滑變化，載荷分布（即壓力面和吸力面速度差）應符合“中間大，兩頭小”的原則。3設計過程（1）總體尺寸優化計算。根據用戶給定的參數確定風機的總體尺寸，如葉輪直徑，輪轂比，葉片數目，進口集流器和整流罩尺寸，出口擴壓筒和擴壓錐尺寸，各特性截面上的氣動熱力參數。（2）葉片造型（反問題設計）。該模塊通過S2流面計算得到葉片前、后相對氣流角β1，β2沿葉高分布，調用美國宇航局（NASA）的葉柵試驗數據庫，得到準確的流入角i和落后角δ，葉型中弧線可由設計者選用拋物線，單圓弧，雙圓弧或給定的任意離散點，葉片厚度分布可選用美國NACA，美國C4，前蘇聯高效風機葉型的厚度分布，葉片造型最后得出可供加工的樣板坐標。（3）準三元流場分析（正問題分析）。由S1-S2m迭代得到相對速度和靜壓等氣動熱力參數沿葉片表面和中心流線上的分布以及沿葉高的分布，這些參數可使設計者用來分析判斷設計是否合理。圖1軸流壓縮機和風機氣動設計軟件總框圖4設計計算結果本設計通過S1/S2迭代（準三元迭代）得到收斂解。S2流面計算主要結果見圖2，由圖2可見，Cur沿葉高的分布是一條曲線，在葉根較低；另外，效率分布也是沿葉高變化的，在葉尖和葉根稍低，這符合實際情況。S2計算得到的擴散因子D葉根為0.36左右，葉尖為0.24左右，圖3為S1流面的計算結果。主要是沿葉高各截面相對速度在葉面表面和中心沿線上的分布。根據這些計算結果可按上述原則判斷設計是否合理。圖3S1流面計算結果5試驗結果本設計的風機在南陽防爆集團試制成功。由國家煤礦防塵通風產品質量檢測中心經過試驗室幾次測試，靜壓效率達80%～85%，見圖4所示性能曲線。2001年風機通過國家煤礦安全監察局組織的鑒定，專家們一致認為風機的氣動性能達到國內先進水平。本產品獲國家重點新產品證書、2004年河南省首屆安全科技進步一等獎。本產品已批量生產，并已形成系列化，至今已生產250多臺，在全國20多個大中型煤礦中使用，用戶反映良好。
