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離心式通風機作為流體機械的一種重要類型，廣泛應用于國民經(jīng)濟各個部門,是主要的耗能機械之一，也是節(jié)能減排的一個重要研究領域。研究過程表明：提高離心通風機葉輪設計水平,是提高離心通風機效率、擴大其工況范圍的關鍵。本文將從離心通風機葉輪的設計和利用邊界層控制技術提高離心通風機葉輪性能這兩個方面，對近年來提出的提高離心通風機性能的方法和途徑的研究進行歸納分析。 1　離心通風機葉輪的設計方法簡述 　　如何設計高效、工藝簡單的離心通風機一直是科研人員研究的主要問題，設計高效葉輪葉片是解決這一問題的主要途徑。 　　葉輪是風機的核心氣動部件，葉輪內部流動的好壞直接決定著整機的性能和效率。因此國內外學者為了了解葉輪內部的真實流動狀況，改進葉輪設計以提高葉輪的性能和效率，作了大量的工作。 　　為了設計出高效的離心葉輪,科研工作者們從各種角度來研究氣體在葉輪內的流動規(guī)律,尋求最佳的葉輪設計方法。最早使用的是一元設計方法[1]，通過大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和一定的理論分析，獲得離心通風機各個關鍵截面氣動和結構參數(shù)的選擇規(guī)律。在一元方法使用的初期，可以簡單地通過對風機各個關鍵截面的平均速度計算，確定離心葉輪和蝸殼的關鍵參數(shù)，而且一般葉片型線采用簡單的單圓弧成型。這種方法非常粗糙，設計的風機性能需要設計人員有非常豐富的經(jīng)驗，有時可以獲得性能不錯的風機，但是，大部分情況下，設計的通風機效率低下。為了改進，研究人員對葉輪輪蓋的子午面型線采用過流斷面的概念進行設計[2-3]，如此設計出來的離心葉輪的輪蓋為兩段或多段圓弧，這種方法設計的葉輪雖然比前一種一元設計方法效率略有提高，但是該方法設計的風機輪蓋加工難度大，成本高，很難用于大型風機和非標風機的生產(chǎn)。另外一個重要方面就是改進葉片設計，對于二元葉片的改進方法主要為采用等減速方法和等擴張度方法等[4]，還有采用給定葉輪內相對速度W沿平均流線m分布[5]的方法。等減速方法從損失的角度考慮，氣流相對速度在葉輪流道內的流動過程中以同一速率均勻變化，能減少流動損失，進而提高葉輪效率；等擴張度方法是為了避免局部地區(qū)過大的擴張角而提出的方法。給定的葉輪內相對速度W沿平均流線m的分布是通過控制相對平均流速沿流線m的變化規(guī)律，通過簡單幾何關系，就可以得到葉片型線沿半徑的分布。以上方法雖然簡單，但也需要比較復雜的數(shù)值計算。 　　隨著數(shù)值計算以及電子計算機的高速發(fā)展，可以采用更加復雜的方法設計離心通風機葉片。苗水淼等運用“全可控渦&dquo;概念[6],建立了一種采用流線曲率法在葉輪流道的子午面上進行葉輪設計的設計方法,該方法目前已經(jīng)推廣至工程界,并已經(jīng)取得了顯著效果[7]。但是此方法中決定葉輪設計成功與否的關鍵,即如何給出子午流面上葉片渦的合理分布。這一方面需要具有較豐富的設計經(jīng)驗；另一方面也需要在設計過程中對設計結果不斷改進以符合葉片渦的分布規(guī)律,以期最終設計出高效率的葉輪機械。對于整個子午面上可控渦的確定，可以采用Cu沿輪盤、輪蓋的給定，可以通過線性插值的方法確定Cu在整個子午面上的分布[8-9]，也可以通過經(jīng)驗公式確定可控渦的分布[10]，也有利用給定葉片載荷法[11]設計離心通風機的葉片。以上方法都是采用流線曲率法，設計出的是三元離心葉片，對于二元離心通風機葉片還不能直接應用。但數(shù)值計算顯示，離心通風機的二元葉片內部流動的結構是更復雜的三維流動。因此，如何利用三維流場計算方法進一步來設計高效二元離心葉輪是提高離心通風機設計技術的關鍵。 　　隨著計算技術的不斷發(fā)展，三維粘性流場計算獲得了非常大的進步，據(jù)此，有一些研究者提出了近似模型方法。該方法是針對在工程中完全采用隨機類優(yōu)化方法尋優(yōu)時計算量過大的問題，應用統(tǒng)計學的方法，提出的一種計算量小、在一定程度上可以保證設計準確性的方法。在近似模型方法應用于葉輪機械氣動優(yōu)化設計方面,國內外研究者們已經(jīng)做了相當一部分工作[12-14],其中以響應面和人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法應用居多。如何有效地將近似模型方法應用于多學科、多工況的優(yōu)化問題,并用較少的設計參數(shù)覆蓋更大的實際設計空間,是一個重要的課題。 　　2007年，席光等提出了近似模型方法在葉輪機械氣動優(yōu)化設計中的應用[15]。近似模型的建立過程主要包括:（1）選擇試驗設計方法并布置樣本點,在樣本點上產(chǎn)生設計變量和設計目標對應的樣本數(shù)據(jù)；（2）選擇模型函數(shù)來表示上面的樣本數(shù)據(jù)；（3）選擇某種方法,用上面的模型函數(shù)擬合樣本數(shù)據(jù)，建立近似模型。以上每一步選擇不同的方法或者模型，就相應產(chǎn)生了各種不同的近似模型方法。該方法不僅有利于更準確地洞察設計量和設計目標之間的關系，而且用近似模型來取代計算費時的評估目標函數(shù)的計算分析程序，可以為工程優(yōu)化設計提供快速的空間探測分析工具，降低了計算成本。在氣動優(yōu)化設計過程中，用該模型取代耗時的高精度的計算流體動力學分析,可以加速設計過程,降低設計成本?；诮y(tǒng)計學理論提出的近似模型方法，有效地平衡了基于計算流體動力學分析的葉輪機械氣動優(yōu)化設計中計算成本和計算精度這一對矛盾。該近似模型方法在試驗設計方法基礎上，將響應面方法、Kiging方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術成功地應用于葉輪機械部件的優(yōu)化設計中，在離心壓縮機葉片擴壓器、葉輪和混流泵葉輪設計等問題中得到了成功應用,展示了廣闊的工程應用前景。目前，席光課題組已經(jīng)建立了離心壓縮機部件及水泵葉輪的優(yōu)化設計系統(tǒng)，并在工程設計中發(fā)揮了重要作用。 　　2008年，李景銀等在近似模型方法的基礎上提出了控制離心葉輪流道的相對平均速度優(yōu)化設計方法[16]，將近似模型方法較早的應用于離心通風機葉輪設計。該方法通過給出流道內氣流平均速度沿平均流線的設計分布，設計出一組離心風機參數(shù)，根據(jù)正交性準則，在充分考慮影響葉輪效率因素的基礎上，采用正交優(yōu)化方法進行優(yōu)化組合，并結合基于流體動力學分析軟件的數(shù)值模擬，最終成功開發(fā)了與全國推廣產(chǎn)品9-19同樣設計參數(shù)和葉輪大小的離心通風機模型，計算全壓效率提高了4%以上。該方法簡單易行、合理可靠，得到了很高的設計開發(fā)效率。 　　隨著理論研究的不斷深入和設計方法的不斷提高，對于降低葉輪氣動損失、改善葉輪氣動性能的措施，提高離心風機效率的研究，將會更好的應用于工程實際中。 2　改善離心通風機內葉輪流動的方法 　　葉輪是離心風機的心臟，離心風機葉輪的內部流動是一個非常復雜的逆壓過程，葉輪的高速旋轉和葉道復雜幾何形狀都使其內部流動變成了非常復雜的三維湍流流動。由于壓差，葉片通道內一般會存在葉片壓力面向吸力面的二次流動，同時由于氣流90°轉彎，導致輪盤壓力大于輪蓋壓力也形成了二次流，這一般會導致葉輪的輪蓋和葉片吸力面區(qū)域出現(xiàn)低速區(qū)甚至分離，形成射流—尾跡結構[17]。由于射流—尾跡結構的存在，導致離心風機效率下降，噪聲增大。為了改善離心葉輪內部的流動狀況，提高葉輪效率，一個重要的研究方向就是采用邊界層控制方式提高離心葉輪性能，這也是近年的熱點研究方向。 　　2007年，劉小民等人采用邊界層主動控制技術在壓縮機進氣段選擇性布置渦流發(fā)生器，從而改變葉輪進口處流場,通過數(shù)值計算對不同配置參數(shù)下離心壓縮機性能進行對比分析[18]。該文章對渦流發(fā)生器應用于離心葉輪內流動控制的效果進行了初步的驗證和研究,通過數(shù)值分析表明這種方法確實可以改善葉輪內部流動,達到提高葉輪性能的效果。但是該主動控制技術結構復雜，而且需要外加控制設備和能量，對要求經(jīng)濟耐用的離心通風機產(chǎn)品不具有競爭力。 　　采用邊界層控制方式提高離心葉輪性能的另外一種方法就是采用自適應邊界層控制技術。1999年，黃東濤等人提出了離心通風機葉輪設計中采用長短葉片開縫方法[19-20]，該方法采用的串列葉柵技術，綜合了長短葉片和邊界層吹氣兩種技術的優(yōu)點，利用邊界層吹氣技術抑制邊界層的增長，提高效率，而且試驗結果表明[20]，該方法可以有效的提高設計和大流量下的風機效率，但對小流量效果不明顯。文獻[21]用此思想解決了離心葉輪內部積灰的問題。雖然串列葉柵技術在離心壓縮機葉輪[20]內沒有獲得效率提高的效果，但從文獻內容看，估計是由于該文作者主要研究的是串聯(lián)葉片的相位效應，而沒有研究串聯(lián)葉片的徑向位置的變化影響導致的。 　　理論和試驗都表明，離心葉輪的射流尾跡結構隨著流量減小更加強烈，而且小流量時，尾跡處于吸力面，設計流量時，尾跡處于吸力面和輪蓋交界處。為了提高設計和小流量離心通風機效率，2008年，田華等人提出了葉片開縫技術[22]，該技術提出在葉輪輪蓋與葉片之間葉片尾部處開縫，引用葉片壓力面?zhèn)鹊母邏簹怏w吹除吸力面?zhèn)鹊牡退傥槽E區(qū)，直接給葉輪內的低速流體提供能量。最終得到在設計流量和小流量情況下，葉輪開縫后葉片表面分離區(qū)域減小，整個流道速度和葉輪內部相對速度分布更加均勻，且最大絕對速度明顯減小的結果。這種方法改善了葉輪內部流場的流動狀況，達到了提高離心葉輪性能和整機性能的效果，而且所形成的射流可以吹除葉片吸力面的積灰，有利于葉輪在氣固兩相流中工作。 　　2008年，李景銀等人提出在離心風機輪蓋上靠近葉片吸力面處開孔的方法[23]，利用蝸殼內的高壓氣體產(chǎn)生射流，從而直接給葉輪內的低速或分離流體提供能量，以減弱由葉輪內二次流所導致的射流-尾跡結構，并可用于消除或解決部分負荷時,常發(fā)生的離心葉輪的積灰問題。通過對離心風機整機的數(shù)值試驗，發(fā)現(xiàn)輪蓋開孔后，在設計點附近的風機壓力提高了約2％，效率提高了1％以上，小流量時壓力提高了1.5％，效率提高了2.1％。在設計流量和小流量時，由于輪蓋開孔形成的射流，可以明顯改善葉輪出口的分離流動，減小低速區(qū)域，降低葉輪出口處的最高速度和速度梯度，從而減弱了離心葉輪出口處的射流—尾跡結構。此外，沿葉片表面流動分離區(qū)域減小，壓力增加更有規(guī)律。輪蓋開孔方法可以提高設計流量和小流量下的閉式離心葉輪性能和整機性能，如果結合離心葉輪串列葉柵自適應邊界層控制技術，有可能全面提高離心葉輪性能。 3　結論 　　綜上所述,近年來對離心通風機葉輪內部流動的研究取得了明顯進展,有些研究成果已經(jīng)應用到實際設計中，并獲得令人滿意的結果。目前,對離心通風機葉輪內部流動的研究仍是比較活躍的研究領域之一，筆者認為可在如下方面進行進一步研究： 　?。?）如何將近似模型方法在通風機方面的應用進行更深入的研究，結合已有的葉片設計技術，探索更加高效快速的優(yōu)化設計方法； 　　（2）如何將串列葉柵、輪蓋開孔和葉片開縫等離心葉輪自適應邊界層控制技術結合起來，在全工況范圍內改善離心通風機葉輪的性能，提高離心風機的效率； 　　（3）考慮非定常特性的設計方法研究。目前，研究離心通風機葉輪內部的流動均仍以定常計算為主，隨著動態(tài)試驗和數(shù)值模擬的發(fā)展,人們對于葉輪機械內部流動的非定?，F(xiàn)象及其機理將越來越清楚,將非定常的研究成果應用于設計工作中是非常重要的方面。

可以看出，主扇風機轉速的改變，可以使主扇風機風量與轉速成一次方正比變化，風壓與轉速成二次方正比變化，軸功率與轉速成三次方正比變化。又根據(jù)n-風機轉速；/-交流電頻率；p-電機極對數(shù)；s-電機轉差率）得知，電機的轉速是隨著頻率的改變而改變的。 　　風壓（H）-風量（Q）特性曲線由上述說明，改變電動機的供電頻率，可以改變電動機的轉速即風機的風量，可以調整主扇風機的工況。當風量下降到80%時，電機軸功率下降到原來軸功率的51%；當風量下降到50%時，則電機軸功率下降到原來軸功率的13%，節(jié)電效果十分明顯。應該說明一點，依比例定律計算出的電機理論軸功率是沒有考慮轉速降低所引起風機效率降低及附加控制裝置的效率影響，即使扣除這部分的影響，節(jié)電效果也比其它方法有效。 　　◎S99吳成亮年出生11咕96年畢河北煤炭建筑工程學院。制理2應用變頻調速器的優(yōu)越性應用變頻調速器對電機有以下優(yōu)越性：實現(xiàn)電機轉速的無級變化。 　　有無功就地補償功能，使功率因數(shù)提高到98%以上。 　　轉矩補償功能，即保持電壓/頻率（V/f）為一常數(shù)，避免當電源頻率下降，造成電機磁路過飽和，增大勵磁電流，使電機負載能力下降，功率因數(shù)變小。 　　變頻器自身的保護功能齊全。有輸入電壓不足保護，直流過電壓保護，過流保護，短路保護，冷卻散熱片過熱保護，失速的防止，燒損的防止，保險絲短路的保護等，大大提高了電機運行的可靠性。 　　電機可直接啟動，啟動電流不超過電機額定電流的1.7倍，減少對電網(wǎng)和設備的沖擊。 　　降低電機的噪音和溫升，延長電機的使用壽命，改善操作環(huán)境。 　　3變頻調速器在主扇風機上的適用范圍并非所有的主扇風機利用價格昂貴的變頻調速器都能節(jié)電。如果風機在運行中風量正好或略大于正常安全生產(chǎn)所需的風量時，就不能再應用變頻調速器。因為此時風機運行風量己經(jīng)飽和，如再降低電機供電頻率，則不能滿足礦井安全生產(chǎn)的要求，在煤礦安全規(guī)程》中也是不允許的。但西山煤電集團公司風機設計選型時，一般都按最大需風量而定，因此經(jīng)常出現(xiàn)供電量大于實際需風量的現(xiàn)象。這樣調節(jié)范圍越大，使用變頻調速器的節(jié)電效果就越好。因此變頻調速器適用于主扇風機有富余風量的礦井。 　　4變頻調速器的選擇購進國外高質量的變頻調速器，由于控制的自動化程度高，除能改變電源的頻率外，其輔助功能也有較高的水準，它可以近控或遠控，也可以將參數(shù)的變化通過傳感器達到自動控制的目的，直至電腦程序控制，由于水準越高它的價格就越昂貴，應謹慎選用，以免造成不必要的投資。變頻調速分為電壓/頻率（V/f）比恒定控制和矢量/頻率（F/f）控制兩大類，因為西山煤電集團公司主扇風機是一種對調速精度要求不太高的生產(chǎn)設備，所以應選用F/f比恒定的風機，應優(yōu)先考慮選用輔助功能少，而保護功能又能滿足風機電機基本保護要求的變頻調速器。 　　主扇風機使用變頻調速器的容量選擇，應采用比例定律，計算出變頻后的電機功率，而后確定多大的容量的變頻調速器，其方法是依比例定律：P1、P2-變頻前后的電機輸入功率；運行中的風機只要測出基頻運行的風量和電機輸入功率，當確定了井下實際所需風量時，就可以計算出所需風量對應的電機功率。依據(jù)：Pe-變頻調速器所承受的容量；就可以確定變頻調速器所承受的容量Pe值。最后選擇高于Pe等級的變頻調速器，并考慮礦井延深變化，所需風量增加等因素，以延長變頻調速器的使用年限。 　　5變頻調速器的調試功能選好變頻調速器的型號、容量、并計算出理論運行頻率后，仍要以井下實際測定風量來校核。調試過程見。 　　變頻調速過程示意圖由可看出，變頻后測得風量偏小時，加大變頻器的頻率；變頻后測得風量偏大時，減小變頻器的頻率；測得風量恰好滿足安全生產(chǎn)要求時，確定變頻調速器的實際運行頻率，使風機進入穩(wěn)定運行。 　　定控制。對通1風系統(tǒng)完一邊鉆一個中13mm孔，以固定道爪，另用中12mm鋼筋制成U型鋼件，或分別制作兩件特制零件在軌道下部焊接做道爪。為了防滑，在軌道與軌枕的接合面要加墊35mm厚的膠墊（或廢皮帶均可）。軌枕拆除回收后，將原道爪敲掉重換道爪就可以多次復用。 　　3安裝與使用注意事項在上下山鋪設軌道時，防止坡度較大底板打滑的情況。要采取防止軌枕整體下竄的措施，即使用一些200mm寬的木模，由坡的下方，向上每根墊背兩個。 　　如果遇有底板軟在軌枕承重時，工字鋼容易鉆入底板，在這種情況下，亦可在工字鋼下邊鋪墊一些超越工字鋼的木頭背板。 　　4效益分析-1）西山煤電集團公司東曲礦經(jīng)過一年來的使用，效果良好，達到了預期目的。 　　2）經(jīng)濟效益顯著。使用的回收舊礦用工字鋼均為回收廢舊棚梁，連加工費，每根成本按15元計，改制軌枕使用年限按5年計，年折舊成本費僅3元，提高效率20倍，年節(jié)約費用按400萬礦井計，僅此一項，可節(jié)約：%，工資最少10萬元。 　　由于工字鋼重量輕30kg，砼軌枕45kg減輕了勞動強度，受到了工人師傅的歡迎。 　　5推廣前景如果該項成果在全公司乃至全國推廣使用，經(jīng)濟效益可觀。 　　更主要的是為礦井廢舊鋼材復用開創(chuàng)了一條新渠道。11工字鋼因原來做了支護，一般不再復用，都按廢鋼材賣掉，如果如此復用，可節(jié)約大量原材料。 　?。ㄉ辖拥?5頁）6節(jié)電效益分析礦井在選擇通風時，風機風量往往遠大于井下實際所需風量，采用風門調節(jié)時，風機遠不能進入高效區(qū)，電機耗電高，效率低。如在滿足同樣需風量的前提下，使用變頻調速器對風機進行調速控制，比非調速狀態(tài)下，用風門控制流量時，電機的軸功率下降到原來軸功率的1040%，一年可節(jié)電幾百萬kWh.按0.3元HcWh計算，一年可節(jié)約電費幾十萬元。而集團公司大部分風機均沒有進入高效運行區(qū)，電力的損耗是很大的。如普遍采用變頻調速器的方法節(jié)約電力，效益將十分顯著。