1 设计方法及约束条件

1.1 设计方法

子午加速轴流通风机叶轮的设计计算方法是基于气流沿着锥形表面流动的假设，近似地把基元级所在的锥面展开到平面上，看作当量平面叶栅来处理。这种设计方法中，首先用简单径向平衡方程找出叶轮前后的流动渗数，然后借助于丰富的平面叶栅试验数据，进行了子午加速叶轮的设计。

1.2 设计约束条件

1.2.1 扩压因子约束

众所周知，气流通过风机叶栅的流动是扩压性质的，而当流动的扩压程度达到一定值时，就会在叶栅中产生严重的气流分离而形成失速，扩压因子D_R则反映了叶栅的扩压程度，它不仅是叶栅型面上附面层发展的主要影响因素，同时也是确定叶栅极限气动负荷的一个主要准则，从大量的国内外资料看，扩压因子是表征风机性能最适宜的参数之一。同时它也在一定程度上反映了变工况性能和稳定裕度值。沿径向变化的扩压因子定义为：

　　D_R＝1（W₂/W₁）－（ r₂W_2u/r₁W_1u）/2τ_Rr_mW₁

式中 W——气流的相对速度，m/s；

　　 r——计算半径，m；

　　 τ_R——叶栅稠度。

给定约束为：叶尖D_R≤0.4叶根D_R≤0.6。

1.2.2 反动度约束

反动度是影响基元级性能的重要参数，对效率及叶栅旋转失速均有影响。如对Ω＝0的基元级，由于升压全部在静叶栅中进行，因此静叶栅中扩压厉害，负荷大，易造成较大的损失和旋转失速。而对Ω＝0的级来说，由于马赫数M_W1较大，且宜超过临界值，所以流动易恶化。根据大量的实验得出结论：100％的反动度与50％的反动度相比，风机的喘振点向左侧移动，旋转失速区也向小流量区移动，同时性能曲线也较为缓，即有较宽的工作范围和较高的效率。因此采用＞50％的反动度有利于改善变工况性能。反动度Ω定义为：

Ω＝Ps_t/P_t

式中 Ps_t——静压值，Pa。

给定约束为：Ω_m≥0.75。

1.2.3 流量及压力约束

由于气体粘性的影响，在通流部分内外环端面及叶型型面处产生了附面层，使其通流面积减小，必须根据实际流量对理论流量进行修正。取总阻塞系数K_b＝0.98

2 设计参数的选择

2.1 轮毂比的选择

轮毂比是轴流通风机叶轮设计中的重要参数之一。它对通风机的压力、流量、效率、压力特性曲线形状及工作区域大小等都有影响。在确定轮毂比时，不仅要考虑其对风机性能的影响，而且还要从风机结构方面考虑。例如，通风机叶轮叶片可调时，叶片排列的空间受到限制，此时轮毂比就不能过小；当电机装在导叶的轮毂中时，轮毂的直径要受电机尺寸的影响。因此，轮毂比的选择是风机设计中的全局性问题。

2.2 风机效率

设计一种性能好的通风机，就是要在满足给定设计参数的条件下及兼顾低噪、结构尺寸紧凑的某些要求后，使气流通过所设计的流道损失最小，即效率尽可能高。

对于叶轮，通常是叶尖处、轮毂处的气动效率比较低，但由于子午加速型轴流风机改善了叶根处的流动状态，因此采用子午加速型叶轮可提高轮毂处的效率。另外，严格控制动叶径向间隙，减少二次流损失，是提高叶尖处效率的有效途径。而在叶片的设计中，一般将效率沿径向近拟地作均匀处理。

2.3 子午加速比的选择

子午加速轴流风机叶轮的轮壳倾角不宜选择过小或过大，因为过小的倾角，为了保证确定的加速比，就使得叶轮偏宽，轴向尺寸加大。过大的倾角会使子午速度加速加快，使分离提前，特别是基于平面叶栅理论设计时误差就比较大了，因为此时径向流速C_r的值已不能忽略。根据实验的结果，子午加速轴流风机叶轮的轮壳倾角取15°～20°为宜。

2.4 流型的选择

流型的选取对轴流风机设计十分重要，轴流风机流量大，轻壳小，动叶片长而宽，因此首先要确定叶片的扭曲规律。

在风机叶片设计中，一个极其重要的环节是进行无叶间隙中的流型计算，即给定气流参数沿叶高的分布，然后根据径向平衡方程求解出轴向流速及进出口气流角等参数沿叶高分布，再进行叶片造型。常用的流型有：自由旋涡式、强制旋涡式、变位自由旋涡和自由旋涡与等周向速度组合式等。随着计算机技术的发展，又进一步提出“最优流型”的设计，即要求在某些设计约束下，使级的某一特定性能指标（如级的功率或效率）达到最优值的叶片扭曲规律。

近年来，对于径向不等功的设计日益得到广泛的重视和应用，把它看成是提高效率和负荷，挖掘潜力的一种重要手段。在所谓“受控涡”设计中，就建议采用不等功设计。对于子午加速轴流风机，由于根部状态得到改善，因此中压力系数（P≤0.4）的子午加速轴流风机可采用等环量流型，对高压力系数（P＞0.4）可采取变功设计，即顶部作功略在于根部作功，若再采用等环量流型则根部气流扭转角＞45°，载荷系数过大。

2.5 叶型的选取

轴流式通风机的流动损失主要由3部分组成：叶型损失、环端而损失、二次流损失。此3种损失与流量系数及效率的关系如图1所示。



图1 效率与流量系数的关系曲线

局部通风机的工作特点是风阻随着送风距离的增加而增大，这就要求在整个工作范围内平均效率要高，即效率曲线要平缓，从图1曲线可以看出，环端面损失，二次流损失随流量变化不敏感，而叶型损失随流量变化较大，因此选择适合局部通风机工作特点的叶型至关重要。实验结果表明，叶型的选取应以低速性能好，叶型尖部钝，对冲角不敏感，失速攻角范围大为好。

2.6 子午加速轴流风机的工况调节

子午加速轴流风机采用前导叶可调时，能提高风机的性能，适应管网特性的变化，达到节能、安全运行的目的。

图2所示其调节方法，在某一工况点下，管网阻力特性曲线与风机特性曲线相交于1点。当管网阻力特性曲线为P₂时，增加前导叶安装角5°可使工况点由2点升至3点，此时风压提高的幅度大，风量减少的幅度小，仍能满足掘进通风的需要。
采用静叶可调具有如下一些优点：①静叶可调使稳定工作区更宽，效率较高；②气流与叶片的几何参数配合较好，减少了冲击现象，流动状况好，噪声低；③工况调节方便，快捷。

2.7 喘振定性裕度的确定

子午加速型局部通风机的压力系数大，对正冲角较敏感。当工况点位于小流量区时，压力增加，叶片负荷明显增大，叶尖部分更易分离，为了加长送风距离，过了设计工况点，局部通风机仍要工作，这就要求喘振稳定性裕度要大，为适应变工况点性能的需要，一般取喘振稳定性裕度△K_y≥20％。另外，由于采用前导叶可调使这个问题得以进一步改善，加大前导叶安装角，可使风机特性曲线右移，改善小流量区工作状况。

3 应用实例

采用上述设计方法及约束条件我们进行了FB№6.3/55型矿用隔爆压入式轴流局部通风机的设计。其主要设计参数为：风量Q＝500m³/min；全压P=4 500 Pa；η≥80％；电机功率N＝55kW；转速n＝2 940r/min。设计中采用可控涡方法设计流型，确定了展向流速分布。按整体优化进行了整机结构参数设计。图3所示FB№6.3/55型风机与MFA60P2-SC4型风机性能曲线的对比。在全压效率≥60％，Q_max/Q_min的比值为前者1.35，后者1.25；P_max/P_min的比值为前者1.67，后者1.5，可见FB№6.3/55型风机的高效区域宽。在风阻66.1～21.8kg/m7范围内，前者较后者风量增加3％～18％，表明FB№6.3/55型风机的风量大，适用于高瓦斯掘进工作面通风；当FB№6.3/55型风机2 940r/min及1 480r/min运行与MFA60P2-SC4型对旋风机及二级运行时的相应对比，前者较后者节能8.5kW和3.3kW；FB№6.3/55型风机采用了可调前导叶和双速电机，使风机具有4种工况调节方法，风机的风量范围为200～700m³/min，全压范围为300～4 900 Pa，实现了较大范围的工况转移，具有较强的适用性。

4 结论

（1）合理选择气动参数及整体优化设计，提高了风机的整机性能水平；

（2）子午风机与对旋式风机各具特点，满足了煤矿生产的不同需要。