风机叶片改造对煤矿通风机性能的影响研究

2022-03-24范丽

机械管理开发 2022年1期

范丽

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西大同 037041）

引言

NACA 65 系列风机叶片广泛应用于涡轮机械。自1940 年以来，已经在级联配置中进行了广泛的测试，这些实验活动产生的数据对任何风扇设计师来说都是非常重要的资源[1-2]。然而，这些测试是在翼型截面上进行的，具有极薄的后缘。在风机行业，相对较小尺寸的叶片通常是通过大规模生产技术(如铸造或注塑)获得的，由于结构和制造问题，薄翼型后半部可能无法实现。因此，作为常见的做法，NACA 65 系列翼型的后部被部分修改，这种修改可以减少特征“襟翼效应”的原翼型[3-4]。因此，流偏转能力的降低是预期的，而且级联数据也存在差异。尽管广泛接受的风扇叶片做法是修改这些翼型的后缘，但实际制造的形状和这些修改如何影响风扇性能很少有文献报告[5]。

为达到所需的偏转角度，本文采用了两种不同的策略。第一种情况，翼型几何是被截断为96%的弦长。第二种情况，通过一个恒定厚度来修改尾部几何形状，允许在制造的同时保持原始弦长。通过采用315 mm 单转子轴流风机对两个系列的叶片进行对比，并比较了风机的性能，评估了这些改进的效果。由于后缘形状的原因，叶片形状独特。在ISO 5801 a类试验台上对两种转子进行了实验测试，以获得两种不同叶尖泄漏下的特性曲线。通过量化实际风机相对于理想气动外形的性能下降，提出了最佳的改造策略。

1 风扇和叶片截面的修改

该研究基于一个10 叶片、315 mm 转子的轴流风机进行探索（如图1 所示），其毂与叶尖比v=0.44。叶片被设计为可实现任意涡流，并呈现出一个相当简单的几何形状。作为所需的设计流偏转角大致恒定，选择单个NACA 65 截面，在叶片与轴连接处用螺栓固定。由于叶片的坚固性（特别是叶根附近），相互干扰的效应是预期的。使用一个独特的剖面，允许对后缘进行修改，弦的设计值是52 mm，图2 显示了三种几何形状之间的差异。对于情况1，翼型几何形状被截断为约96%的弦长，最小厚度采用制造方法可实现。对于情况2，通过对0.02 c 弦长的固定来修改尾部的几何形状，以便在保持设计值长度的情况下进行制造。以直径为1 mm 的圆沿着翼型平均线的中心和它们的包络线定义上、下几何轮廓，这导致了在吸力侧和压力侧弦长分别为15%和11%的尾翼几何形状被修改。正如前面所提到的，这种修改预计会减少叶型上部的流动扩散（压力侧相反），并增加尾迹尺寸（即叶片阻力）。

图1 风机转子测试

图2 不同后缘方式的比较

2 搭建实验平台和测试方法

无量纲风机流量系数为φ，风机总压系数为ψ，风扇的总效率为η。

2.1 实验仪器

实验采用a 类ISO-5801 测试设备进行测试。在风机进口处设有一个静压室，采用合适的孔板对风机容积流量进行评估，并在气室中获得停滞压力，在静压室和孔板压力之间对静压进行测量。测量转子轴扭矩，间接获得效率值。电机安装在一个摆动底盘上，在每次测试前后均测量滚珠轴承的摩擦力。对一些分散的数据进行分析后发现，转子轴的扭矩值略高于ISO 标准所允许的扭矩值，因此，所有测试在1350 r/min 转速下进行。由于辅助风机无法在较高流速下克服气道中的压力损失，因此需要逐渐降低测试风机的转速，最高可达850 r/min 左右，但这种减少只影响更高流速的性能。因需要考虑的是在峰值效率点的压力，因此雷诺数效应可以被忽略。

2.2 CFD 模型

所使用的CFD 虽然相当简单，但这个模型在估计风扇的性能时，对于工程用途是足够准确的。为了保证10 个叶片在旋转运动中保持一致性并能周期性运转，将10 个叶片等间距分布在直环形圆柱周围，相邻叶片间距相等，夹角为36°。靠近叶片的子域（称为“转子”）能够通过相对参考框架方法来模拟转子运动。流体域的其他部分和子域的上表面（外壳体）是固定的，叶片具有实际叶尖间隙。本文采用紊流闭合模型，为了减少模拟时间，采用了低墙壁处理方式。测量点是转子入口和出口的总压力和静压。性能曲线是通过运行模拟几个不同的体积流量，在一个类似的方式下做的实验曲线。模拟使用CD-Adapco STAR-CCM+CFD 代码进行。