第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
在煤矿、隧道、化工等关系到国家经济命脉的大型项目中，为保证具有良好的通风环境，对旋风机被大量使用。煤层采掘过程中，工作面通风是否良好，风量是否充足直接影响巷道中的瓦斯浓度，一旦通风不良，引起瓦斯含量增大到一定程度，就有可能发生爆炸造成重大的生产事故。可见，对旋风机在矿井中占有至关重要的地位，其安全性和可靠性直接关系到工作人员的生命安全和生产的正常进行，曾形象地被誉为“矿井的肺腑”。对旋风机作为高耗能机械设备，使得如何通过节能提高经济效益成为一个研究的热点。目前矿井中使用最多的是变频调速对旋风机，相比于变极调速，该方法操作复杂、稳定性较差，有时无法适用于恶劣的工作环境，但是变极调速时叶轮转速不能连续变化，会造成风机全压无法与巷道流阻相匹配现象。为了能够合理地设计出高效节能的对旋结构，详细地分析变极调速时对旋风机的压力、流量、叶片强度、风机叶片压力脉动等问题显得尤为重要。风机是用来输送气体的机械。从能量的观点看，风机运行的过程就是能量转化的过程，电机输出的机械能经过叶轮传递给气体，转化为气体的压力能，从而克服流体阻力后使得气流在风机流道内流动[1]，能量转化过程中叶轮起到了枢纽的作用。对旋风机作为轴流风机中一个特例，两级叶轮旋转方向相反，互为导叶，加上两级叶轮都与电机轴端直接连接，使得对旋风机结构紧凑。独立运行的两级叶轮可以自由地以不同转速进行旋转，组合成许多种不同的运行工况，非常适合于恶劣环境下的长距离通风系统，也正因为如此其被大量的用于井下通风。异于普通轴流风机的结构使得对旋轴流通风机内部流场流动情况异常复杂，在不同的转速比下两级叶轮受力分布不尽相同。为了使得对旋轴流通风机能够适用于复杂的通风环境，除了对不同转速比下功率匹配、旋绕速度等问题进行分析外，两级叶轮在不同转速比下的强度、变形方面也要进行详细的研究验证[2]。
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1.2 对旋风机国内外研究现状
对旋式轴流通风机的研究开始于上世纪 30 年代，起源于螺旋桨叶片在轴流通风机中广泛应用之后。最早由 Taylor、Bourdon、Fairhurst 等人提出，是多级轴流风机充分发展后，为解决如何提高螺旋桨叶片做功效率和为突破单级通风机如何具有较高的压力比而出现的产物。20 世纪 70 年代初期，人们对对旋结构在定常状态下的流体流动情况进行了深入研究，揭示了一些独特的气动特性。Nagano 在 1971 年进行了对旋气压机级间转速比的研究，证明在一定的转速匹配下，流道中失速团移动速度可以降低到接近于零[4]。1972 年，Miller 和 Chappel 在多级气压机上首次使用了双转子对旋结构，详细的进行了对旋结构在失速方面的研究[5]。1985 年，德里工学院的 P.B.Sharma 等人在大量对旋风机实验的基础上，详细地分析了对旋结构在不同转速比、两级叶轮不同轴向间距以及不同叶形下的气动性能和声学特性，在证明 Nagano 发现的基础上，得出转速比很大程度上决定了对旋风机的失速特性，当转速比小于 1.5 时，一级转子出现了很宽的非失速工作区域[6]。1988 年，Rao 在研究中发现，当对旋风机二级转速大于一级转速时，对旋风机工作稳定性提高。1992 年，Roy 等人研究了在一级转速恒定，二级转速可变情况下的流场内部流动情况，在试验中发现，二级叶片在大功角的作用下，并没有导致气流的失速或分离，同时静止的一级叶片上的失速和分离区也被抑制在一个小的范围内[7]。目前，国外许多企业已经把对旋双转子结构作为一个新型的研究项目，投入巨大资金进行研究，许多成果已经被应用在各个领域。
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第2章 对旋风机结构分析与模型建立
2.1 对旋风机的基本结构和特点
对旋风机由集流器、流线罩、一级风筒、一级电机、一级叶轮、二级叶轮、二级电机、二级风筒和扩散器组成。叶轮分别由两台转速为 2900r/min 的三相隔爆型异步电动机直连驱动，外壳使用隔音隔爆物质填充，电机接线端设计在风机外部，采用隔爆型接线盒，风机结构如图 2-1 所示。集流器与流线罩构成对旋风机光滑的渐变流道，使气流在较小的损失下得到较快的加速，以便在空气进入叶轮入口时具有稳定的速度和均匀的压力，其结构如图 2-2 所示。集流器和流线罩能够为风机创造一个合理的入口条件，有利于改善风机运行性能，提高全压水平和减小湍流失速。实践证明，设计合理的集流器和流线罩能够提高风机全压约 10%~12%及提高全压效率约10%~15%，而且有流线罩的通风机流量也可以提高 10%左右，流量系数也要增加一些。扩散器是为了降低轴流风机出口气流速度而设计的，一般由扩散筒和整流体组成，扩散筒和消声材料组成扩散器外壳，扩散器内部带有锥形的整流体，其结构如图 2-3 所示。轴流风机工作时，出口轴向速度较大，对应的动压约占通风机全压的 40%左右，而离心式通风机出口动压仅仅占风机全压的 8%左右。气流的轴向高速流动产生的动压造成了风机压力损失，降低了风机全压效率，因此在轴流通风机中为了降低出口速度，提高静压及静压效率，需要在风机出口处安装扩散器。不同的扩散筒和整流体组成的扩散器不同，一般有三种形式：尾流锥形整流体和圆筒型扩散筒、尾流锥形整流体和逐渐型扩散筒、尾流锥形整流体和收缩型扩散筒。FBD5.0/2×7.5 型对旋风机采用尾流锥形整流体和圆筒型扩散器。
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2.2 对旋风机的工作原理
对旋风机两级叶轮旋转后，气流沿着集流器入口进入风机风筒后，在风机内部沿光滑流道平滑流动，一级叶轮对气体做功使得气体产生轴向速度和切向旋绕速度，二级反向旋转叶轮对气体做功消除了一级叶轮产生的切向旋绕速度后使得轴向速度继续增加，当高速气流流经设计良好的扩散器后，轴向速度开始下降到一个较小的数值，减小了风机的动压损失。在不考虑任何外部损失的情况下，叶片把单位时间内获得原动机输入的功全部传递给气体，当气体获得的能量可以完全克服外界流体阻力时，它就会沿着轴 oa 负方向离开叶片，这时叶片气流入口位置处压力值降低，叶片前面压力值不变，压力差使得空气由叶片前的高压区流向叶片的低压区，当这部分流动的气体获得足够大能量时，便从叶片流道流到大气中。由此可见，只要叶片持续获得能量，就会连续不断的向外输送空气。
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第 3 章 对旋风机数值模拟分析........18
3.1 模型的网格划分......... 18
3.2 Fluent 数值模拟.... 20
3.2.1 仿真前处理.......... 20
3.2.2 仿真后处理.......... 21
3.3 Ansys 叶片强度分析.......... 27
3.4 本章小结....... 39
第 4 章 对旋风机空气动力对电磁转矩的影响.....40
4.1 对旋风机空气压力脉动分析.......... 40
4.1.1 一级叶轮入口干涉面压力脉动...... 41
4.1.2 一级叶轮出口干涉面压力脉动...... 43
4.1.3 二级叶轮入口干涉面压力脉动...... 45
4.1.4 二级叶轮出口干涉面压力脉动...... 47
4.2 对旋风机叶轮转矩分析.... 48
4.3 叶轮转矩波动对电机的影响.......... 50
4.4 本章小结....... 51
第4章 对旋风机空气动力对电磁转矩的影响
4.1 对旋风机空气压力脉动分析
对旋风机在结构上与其它两级轴流风机有着本质的区别，两级叶轮反向旋转，一级和二级叶片相互作用相互影响，其叶轮附近的空气压力变化直接反应了叶轮叶片上压力的脉动。本节基于对旋风机模型的基础上，取对旋风机两级叶轮进出口 4 个干涉面上共 12 个监测点为研究对象，分别绘制出这 12 个监测点处压力随时间的变化曲线，并采用快速傅里叶变换得到了对应的频谱图，并进行了详细分析。干涉面分别位于一级叶轮气流进口、出口和二级叶轮气流进口、出口，每一个干涉面上沿径向分布三个监测点，分别位于叶片流道靠近轮毂、流道中央和风筒处，监测点的位置如图 4-1 所示。12 个监测点压力值准确地反应出气流经过叶轮流道时不同位置处压力的变化情况，表 4-1 列出了 12 监测点对应的坐标值。
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结论
本文以一台型号为 FBDNo5.0/2×7.5 矿用局部对旋风机为模拟和实验对象，经过详细的理论研究和仿真计算得出了如下重要结论：
1．比较转速比为 1450/1450、1450/960、960/1450、960/960 四种情况下风机内部流场的发展与形成过程，得出在较高的转速匹配下，风机将获得较高的压力升值，二级转速的提高会使得风机在小流量情况下获得较大的压升。在叶片表面静压分布上，不论何种转速匹配都会出现迎风面静压力值高于背风面，且转速越高两面的静压差越大。从压力分布区域上可以发现迎风面上靠近叶片尾缘处静压值会较大，压力值会从后往前逐渐过渡，而在叶顶附近静压值较小，这些现象证明在靠近叶顶处气流回流较为严重，在设计风机叶片是应该尽量的避免。
2．对对旋风机在转速比为 1450/1450、1450/960、960/1450、960/960 四种情况下两极叶片变形和应力分布上具体研究，得出了在不同转速匹配下，叶片形变量随转速升高而增大，但形变分布不会随转速变化，空气压力对形变量影响较小，因此在叶片形变上，转速决定了值得大小，空气压力和叶片固有结构影响了值得分布。在叶片应力分布上，叶根靠近前缘处应力较大，转速不同仅仅引起应力值的不同，气流压力不同没有引起应力在值和分布上较大的变化。
3．为了分析叶片周期性旋转对空气压力的影响，分析了两级叶轮流体域进出口 4 个干涉面 12 个监测点处压力脉动变化，结果表明，在叶轮的进出口干涉面上会存在一个与叶片数目和转速成正比的压力周期分量，由于该次频率的分量幅值较大且不可避免的存在，从防止叶片振动和风机噪声方面考虑应该采取必要的措施保证风机的安全运行。
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参考文献（略）