應(yīng)用S1/S2三元流動(dòng)理論設(shè)計(jì)高性能礦用對旋軸流主通
風(fēng)機(jī)。并應(yīng)用美國NACA低速葉柵試驗(yàn)結(jié)果確定流入角和落后角，設(shè)計(jì)中控制擴(kuò)散因子和氣流折轉(zhuǎn)角。礦用主通風(fēng)機(jī)是保證煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國大、小礦井至少有10萬臺主通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行，每臺風(fēng)機(jī)配備的電機(jī)功率從幾十千瓦至幾百千瓦，有的達(dá)幾千千瓦，通常大都是幾百千瓦。粗略估計(jì)，目前全國煤礦風(fēng)機(jī)每年耗電至少4000億kW·h，風(fēng)機(jī)效率每提高1%，每年可節(jié)電40億kW·h，所以研制高性能礦用主通風(fēng)機(jī)，具有重大的意義。1設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)理論采用吳氏三元流動(dòng)理論1。吳氏三元流動(dòng)理論，其核心思想是將復(fù)雜的三元流動(dòng)分解為S1流面和S2流面上的兩個(gè)二元流動(dòng)，再通過S1和S2的迭代，求得三元流動(dòng)解。與吳氏三元流動(dòng)理論相對應(yīng)的全三維直接解有一個(gè)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(gè)能普遍適用的模型，這是擺在國際流體力學(xué)學(xué)術(shù)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(yōu)越性，這已為國內(nèi)外所公認(rèn)，這種方法物理概念清晰，對反問題（設(shè)計(jì)問題）尤為適合，且計(jì)算速度快，特別適合于工程計(jì)算。國際葉輪機(jī)械學(xué)術(shù)界公認(rèn)：到目前為止，對葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)，都廣泛采用S1/S2三元流動(dòng)理論的解法，全三維直接解法的計(jì)算機(jī)軟件，則作最后校核設(shè)計(jì)之用。除應(yīng)用吳氏三元流動(dòng)理論的基本氣動(dòng)力學(xué)方程以外，還必須應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能設(shè)計(jì)出可靠的風(fēng)機(jī)。本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是美國NACA（前美國航空咨詢委員會(huì)）低速葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)2。2設(shè)計(jì)特點(diǎn)（1）應(yīng)用完全徑向平衡方程求解(S2計(jì)算)3，而不是用簡單徑向平衡方程求解,這樣可更準(zhǔn)確地計(jì)算出β1，β2。與S1流面求解類似，由連續(xù)方程定義流函數(shù)ψ，代入運(yùn)動(dòng)方程，再無量綱化可得任意曲線坐標(biāo)下S2流面徑向平衡方程的無量綱形式：（2）采用變環(huán)量設(shè)計(jì)。Cur沿葉高分布決定了葉片的扭曲規(guī)律，Cur沿葉高分布過去常用“等環(huán)量設(shè)計(jì)”，即Cur沿葉高為常數(shù)，為了提高效率，采用變環(huán)量設(shè)計(jì)，即Cur沿葉高分布可以根據(jù)需要來控制和安排。根據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn)，Cur沿葉高分布在葉尖和葉根應(yīng)小一些。（3）設(shè)計(jì)中考慮沿葉高效率分布。（4）應(yīng)用美國NACA低速葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)2，在此基礎(chǔ)上編制的大型CAD設(shè)計(jì)軟件，既可應(yīng)用于壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，也可應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)。通風(fēng)機(jī)可看作是壓縮機(jī)的1～2個(gè)級。設(shè)計(jì)軟件的框圖見圖1。NACA葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要用來決定，氣流流入葉片時(shí)最小損失流入角i和氣流流出葉片時(shí)的落后角δ。準(zhǔn)確地決定i和δ是風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)出來的葉片能否滿足風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓和效率，全靠i和δ是否準(zhǔn)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(shí)，NACA65系列葉型損失最小的流入角，可由NACA葉柵試驗(yàn)曲線查出。對S1流面計(jì)算結(jié)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(yīng)平滑變化，載荷分布（即壓力面和吸力面速度差）應(yīng)符合“中間大，兩頭小”的原則。3設(shè)計(jì)過程（1）總體尺寸優(yōu)化計(jì)算。根據(jù)用戶給定的參數(shù)確定風(fēng)機(jī)的總體尺寸，如葉輪直徑，輪轂比，葉片數(shù)目，進(jìn)口集流器和整流罩尺寸，出口擴(kuò)壓筒和擴(kuò)壓錐尺寸，各特性截面上的氣動(dòng)熱力參數(shù)。（2）葉片造型（反問題設(shè)計(jì)）。該模塊通過S2流面計(jì)算得到葉片前、后相對氣流角β1，β2沿葉高分布，調(diào)用美國宇航局（NASA）的葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，得到準(zhǔn)確的流入角i和落后角δ，葉型中弧線可由設(shè)計(jì)者選用拋物線，單圓弧，雙圓弧或給定的任意離散點(diǎn)，葉片厚度分布可選用美國NACA，美國C4，前蘇聯(lián)高效風(fēng)機(jī)葉型的厚度分布，葉片造型最后得出可供加工的樣板坐標(biāo)。（3）準(zhǔn)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(dòng)熱力參數(shù)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(shù)可使設(shè)計(jì)者用來分析判斷設(shè)計(jì)是否合理。圖1軸流壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)軟件總框圖4設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果本設(shè)計(jì)通過S1/S2迭代（準(zhǔn)三元迭代）得到收斂解。S2流面計(jì)算主要結(jié)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(shí)際情況。S2計(jì)算得到的擴(kuò)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(jì)算結(jié)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(jù)這些計(jì)算結(jié)果可按上述原則判斷設(shè)計(jì)是否合理。圖3S1流面計(jì)算結(jié)果5試驗(yàn)結(jié)果本設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)在南陽防爆集團(tuán)試制成功。由國家煤礦防塵通風(fēng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心經(jīng)過試驗(yàn)室?guī)状螠y試，靜壓效率達(dá)80%～85%，見圖4所示性能曲線。2001年風(fēng)機(jī)通過國家煤礦安全監(jiān)察局組織的鑒定，專家們一致認(rèn)為風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。本產(chǎn)品獲國家重點(diǎn)新產(chǎn)品證書、2004年河南省首屆安全科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。本產(chǎn)品已批量生產(chǎn)，并已形成系列化，至今已生產(chǎn)250多臺，在全國20多個(gè)大中型煤礦中使用，用戶反映良好。
