風機葉片改造對煤礦通風機性能的影響研究

范 麗

（晉能控股煤業集團煤峪口礦， 山西 大同 037041）

引言

NACA 65 系列風機葉片廣泛應用于渦輪機械。自1940 年以來，已經在級聯配置中進行了廣泛的測試，這些實驗活動產生的數據對任何風扇設計師來說都是非常重要的資源[1-2]。然而，這些測試是在翼型截面上進行的，具有極薄的后緣。在風機行業，相對較小尺寸的葉片通常是通過大規模生產技術(如鑄造或注塑)獲得的，由于結構和制造問題，薄翼型后半部可能無法實現。因此，作為常見的做法，NACA 65 系列翼型的后部被部分修改，這種修改可以減少特征“襟翼效應”的原翼型[3-4]。因此，流偏轉能力的降低是預期的，而且級聯數據也存在差異。盡管廣泛接受的風扇葉片做法是修改這些翼型的后緣，但實際制造的形狀和這些修改如何影響風扇性能很少有文獻報告[5]。

為達到所需的偏轉角度，本文采用了兩種不同的策略。第一種情況，翼型幾何是被截斷為96%的弦長。第二種情況，通過一個恒定厚度來修改尾部幾何形狀，允許在制造的同時保持原始弦長。通過采用315 mm 單轉子軸流風機對兩個系列的葉片進行對比，并比較了風機的性能，評估了這些改進的效果。由于后緣形狀的原因，葉片形狀獨特。在ISO 5801 a類試驗臺上對兩種轉子進行了實驗測試，以獲得兩種不同葉尖泄漏下的特性曲線。通過量化實際風機相對于理想氣動外形的性能下降，提出了最佳的改造策略。

1 風扇和葉片截面的修改

該研究基于一個10 葉片、315 mm 轉子的軸流風機進行探索（如圖1 所示），其轂與葉尖比v=0.44。葉片被設計為可實現任意渦流，并呈現出一個相當簡單的幾何形狀。作為所需的設計流偏轉角大致恒定，選擇單個NACA 65 截面，在葉片與軸連接處用螺栓固定。由于葉片的堅固性（特別是葉根附近），相互干擾的效應是預期的。使用一個獨特的剖面，允許對后緣進行修改，弦的設計值是52 mm，圖2 顯示了三種幾何形狀之間的差異。對于情況1，翼型幾何形狀被截斷為約96%的弦長，最小厚度采用制造方法可實現。對于情況2，通過對0.02 c 弦長的固定來修改尾部的幾何形狀，以便在保持設計值長度的情況下進行制造。以直徑為1 mm 的圓沿著翼型平均線的中心和它們的包絡線定義上、下幾何輪廓，這導致了在吸力側和壓力側弦長分別為15%和11%的尾翼幾何形狀被修改。正如前面所提到的，這種修改預計會減少葉型上部的流動擴散（壓力側相反），并增加尾跡尺寸（即葉片阻力）。

圖1 風機轉子測試

圖2 不同后緣方式的比較

2 搭建實驗平臺和測試方法

無量綱風機流量系數為φ，風機總壓系數為ψ，風扇的總效率為η。

2.1 實驗儀器

實驗采用a 類ISO-5801 測試設備進行測試。在風機進口處設有一個靜壓室，采用合適的孔板對風機容積流量進行評估，并在氣室中獲得停滯壓力，在靜壓室和孔板壓力之間對靜壓進行測量。測量轉子軸扭矩，間接獲得效率值。電機安裝在一個擺動底盤上，在每次測試前后均測量滾珠軸承的摩擦力。對一些分散的數據進行分析后發現，轉子軸的扭矩值略高于ISO 標準所允許的扭矩值，因此，所有測試在1350 r/min 轉速下進行。由于輔助風機無法在較高流速下克服氣道中的壓力損失，因此需要逐漸降低測試風機的轉速，最高可達850 r/min 左右，但這種減少只影響更高流速的性能。因需要考慮的是在峰值效率點的壓力，因此雷諾數效應可以被忽略。

2.2 CFD 模型

所使用的CFD 雖然相當簡單，但這個模型在估計風扇的性能時，對于工程用途是足夠準確的。為了保證10 個葉片在旋轉運動中保持一致性并能周期性運轉，將10 個葉片等間距分布在直環形圓柱周圍，相鄰葉片間距相等，夾角為36°。靠近葉片的子域（稱為“轉子”）能夠通過相對參考框架方法來模擬轉子運動。流體域的其他部分和子域的上表面（外殼體）是固定的，葉片具有實際葉尖間隙。本文采用紊流閉合模型，為了減少模擬時間，采用了低墻壁處理方式。測量點是轉子入口和出口的總壓力和靜壓。性能曲線是通過運行模擬幾個不同的體積流量，在一個類似的方式下做的實驗曲線。模擬使用CD-Adapco STAR-CCM+CFD 代碼進行。

3 實驗與分析

試驗在3 個定位角度（23°、28°、33°）下進行，實驗曲線如圖3 所示。由于助推器能力的限制，僅獲得了在較高流量下降低風機轉速的實驗曲線，這種情況對效率曲線的影響較大。事實上，在較高流速時，在圖中可以清楚地看到坡度減小，對壓力上升曲線的影響雖然也存在，但不太明顯。

對比圖3-1 中的情況1 和情況2（葉尖泄漏相當于葉高的1.4%），與預期基本一致。截斷的后緣轉子（每組曲線中的下方曲線）比修改后的后緣轉子（每組曲線中的上方曲線）的壓力上升更低，這是由于弦長減少，大大減少了葉片在運動過程中與空氣接觸的橫截面積。相反，圖3-1 情況1 幾何圖形的效率略高。

圖3 情況1 和情況2 在三個葉片定位角度（23°、28°和33°）下的幾何形狀的性能曲線

正如預期的那樣，這兩種修改的性能損失相對于理想的剖面葉片，在峰值效率點的壓力上升差異非常顯著，與CFD 結果相比，截斷幾何結構的壓力下降了11.5%，而改進幾何結構的壓力下降了5%。

圖3-2 所示的葉尖泄漏（通道高度的2.5%）較高時，結果顯示了典型的性能下降，情況1 截尾部分葉片比情況2 受到的影響更大。

4 結語

本文研究了NACA 65 系列風機葉片的兩種改型對單轉子軸流通風風機性能的影響。在第一種情況下，翼型后緣被截斷在最小的制造厚度。在第二種情況下，通過恒定厚度來修正尾翼的幾何形狀。主要研究結果總結如下：

1）與理想幾何結構相比，這兩種改進都損失了壓力上升。恒定厚度的風機葉片下降幅度約為5%，截斷葉片的下降幅度更大，超過了11%。

2）葉尖發生泄漏較小時，截斷幾何形狀顯示相對于等厚后緣全弦長葉片的壓力上升有所下降，而效率相似。葉尖發生泄漏較大時，截斷翼型與全弦長等厚度尾翼相比，尾翼的壓力升高、效率降低。