兩級葉輪葉片數配合對風機性能的影響

白志偉

（汾西礦業集團雙柳煤礦， 山西 柳林 032000）

1 葉輪模型的建立和流域網格劃分

1.1 葉輪模型的建立

為了對比葉片數配合的影響，初級葉輪葉片數選擇 8、12、14，次級葉輪葉片數 8、10、14，考慮等葉片數不利于風量流通，共選取8/10，12/8，12/10，12/14，14/10共5種匹配關系作為研究對象進行分析，采用SolidWorks軟件，對設計葉輪進行打散拆分，然后通過圓周陣列，輪轂拉伸等操作完成不同葉片數葉輪模型設計[1-4]。

1.2 流域網格劃分

依據實驗樣機的數值模擬仿真，按照同樣的網格劃分要求與條件，分別劃分其他4種模型，網格數分別如表1所示。

表1 不同風機模型流道劃分網格數

2 不同葉片數配合對風機出口靜壓的影響

對旋軸流通風機作為礦用局部通風扇，必須保證出口風量，因此需降低出口動壓，提高出口靜壓值，才可以達到設計要求，滿足使用條件。

當初級葉輪葉片數為8時出口靜壓值偏小，隨著葉片數增加，當取葉片數為12時，出口靜壓值明顯增加，葉片數為14時可以看出，出口靜壓值非但沒有增加，反而出現下降的趨勢，也就是說，在一定范圍內，隨著初級葉輪葉片數的增加，出口靜壓值會增加，但是超過某個臨界值時，風機出口靜壓值出現下滑趨勢。綜合分析可知，對于初級葉輪來說，存在最優解，即臨界值，使得風機出口靜壓值達到最大。同時可以看出，隨著入口流量的增加，出口靜壓值出現明顯下滑現象，這不利于風機性能優化。

初級葉輪葉片數變化對出VI靜壓值存在著影響，次級葉輪即作為導葉，葉又作為能量結構裝置，葉片數的變化必然存在著類似的影響。當次級葉輪葉片數為8時出口靜壓值相對較高，葉片數增加為10時出口靜壓值有所增加，但是與初級葉輪葉片數變化所不同的是，出口靜壓值最低值出現在葉片數最大值的時候，同時相對初級葉輪來說，次級葉輪葉片數變化對出口靜壓值的影響變化幅度有所減小，入口流速越大，低葉片數變化影響越小，高葉片數變化影響越大，但就某一葉片數來說，隨著入口流速的增加，出口靜壓依然存在著下滑的趨勢。分析可知，次級葉片數變化對出口靜壓影響相對偏小，但是也不可輕視，次級葉片數依然存在最優解，可以使得風機出口靜壓值達到最大值，葉片數偏大或者偏小都將會影響到出口靜壓值變化，使得風機性能無法最優。

通過對比分析初級葉輪葉片數變化和次級葉輪葉片數變化可以看出兩級葉輪存在固定匹配可以使得風機出口靜壓值達到最大，從葉片數綜合來看，當葉片數為8/10時，出口靜壓值明顯偏低，當葉片數最大為12/14時，出口靜壓值并沒有取得最大值，相對來說只是比葉片數靜壓值最低值偏大，當葉片數為12/8和14/10時，出口靜壓值明顯增大，12/10時，出口靜壓曲線整體上移，出現靜壓值最大值。綜合分析可知，無論從單個葉輪來看，還是從兩級葉輪整體來說，出口靜壓值曲線都呈現出單駝峰狀，在葉片數偏大或者偏小，都無法使得出口靜壓值達到最優解，必須同時考慮兩級葉輪，合理選擇葉片數配合，才可以使得出口靜壓值達到峰值，單就從出口靜壓值來看，12/10的葉片數配合可以使得風機出口靜壓值達到最大值，為風機性能優化的最優解。

3 不同葉片數配合對風機全壓的影響

當初級葉輪葉片數較低時，風機全壓相對較低，隨著葉片數的增加，風機的全壓也在逐漸增加，當葉片數為12時，風機全壓取得最大值解，葉片數繼續增大，風機全壓沒有繼續增加，反而出現降低趨勢。在葉片數從8變為12再到14的過程中，通過縱向對比可以看出，風機全壓出現了先升高后降低的曲線特點，跟出口靜壓類似，在初級葉輪葉片數的逐漸增加過程中，存在某個值，可以使得風機全壓達到最大值，偏離這個值，風機的全壓都將出現不同幅度的降低。由橫向對比可知，隨著入口流速的增加，風機全壓會逐漸降低。對比不同初級葉輪葉片數時靜壓曲線可以發現，當兩級葉輪葉片數差距較大時，比如14/10，流場可能隨著流量的增加出現不穩定的情況，靜壓值和全壓值出現波動，這不利于風機正常運行，應盡量予以避免。

由圖1可知，當次級葉輪葉片數為8時，風機全壓相對比較低，在入口質量流速小于5.5 kg/s時，隨著入口流速的增大，風機全壓逐漸減小，但是變化幅度不大，當大于5.5 kg/s時，隨著入口流速的增加，風機全壓大幅度下降。葉片數取14時，風機全壓整體上移，呈現增大趨勢，但是全壓隨入口流速變化率增大，近乎直線，在低流速下和葉片數為8的曲線分離較大，高流速時近似重合，以致低于葉片數為8的情況，說明葉片數過多流場變化梯度會增大。在葉片數取10時可以明顯的看出，風機全壓值達到最大解，低流速和高葉片數相近，高流速出現較大偏離。綜合分析可知，隨著次級葉片數增加，風機全壓先逐漸升高，當葉片數超過某個值時全壓將會出現下滑趨勢，合理優化葉片數，找到葉片數最佳值有利于提高風機全壓值。

單葉輪葉片數變化對全壓影響存在規律性，兩級葉輪葉片數配合是風機全壓達到最大值的關鍵，如圖2所示。

當兩級葉輪葉片數差值偏大時曲線變化幅度較大，也就是說風機內部流場變化梯度增加。在低葉片數配合時風機全壓相對較低，隨著葉片數的增加，葉片數配合的改變，風機全壓逐漸增大，在超過某個數值時或者說達到某種配合時若繼續增加葉片數或者改變配合將會導致全壓出現降低趨勢，葉片數過低或者過高都無法使得風機全壓得到最大。當葉片數取12/10時風機全壓最高，雖說在高質量流速（大于5.5 kg/s）低于14/10的全壓值，但是從整體變化情況看，14/10配合只是在某個區間內高于12/10全壓值，從理論分析和實際運行看，12/10是風機運行最佳葉片數配合，此時全壓值整體最高。

圖2 不同葉片數配合風機全壓變化曲線

4 不同葉片數配合對風機全壓效率的影響

通風機的效率有內效率、靜壓效率和全壓效率之分，所不同的是每個效率計算的分母是不相同的，全壓效率是以驅動電機軸功率為分母，內效率則是軸功率去除機械損耗剩余的功率值，靜壓效率則是用靜壓代替全壓，計算的有效功率。

當次級葉輪葉片數恒定為10，初級葉輪葉片數取8時，風機平均效率處于中間位置，當葉片數取12，風機平均效率曲線整體上移，效率隨葉片數增加而增大，當葉片數取14時，風機平均效率沒有繼續上升的趨勢，反而低于葉片數為12的情況。當葉片數為12時，效率最高點在5.2～5.3 kg/s之間，當葉片數為8時，效率最高點發生右移，位于5.3～5.4 kg/s之間，葉片數取14時，效率最高點繼續右移，同時效率最大值相對葉片數為8有明顯增大趨勢，最高點位于5.6～5.7 kg/s之間，最大值接近于葉片數為8的情況。綜合分析可知，葉片數偏大或者偏小都無法使得風機平均效率達到最大，隨著流量的增大，最高效率可能隨著葉片數增大或者減小發生偏移，效率變化幅度增大，流場不穩定因素增加，只有將初級葉輪葉片數控制在某個合理的范圍內，才可以使得風機正常運行效率最高。

初級葉輪葉片數對風機效率影響相對比較明顯，次級葉輪作為流體的次做功裝置，對風機效率也有著不可忽視的影響。當次級葉輪葉片數取8時，風機效率在65%左右，變化率不大，由于兩級葉輪葉片數相差較大，在5.5 kg/s左右出現低效率運行，當葉片數取10時，風機全壓效率隨著葉片數增加而增大，全壓效率整體上移，出現效率最大值，變化率偏小，流場比較穩定，當葉片數繼續增大為14時，風機全壓效率出現大幅度下降，并沒有隨著葉片數增多而增大，且隨著流量的增大全壓效率出現急劇下滑的趨勢，效率最大值出現在低流量區域。綜合分析可知，初級葉輪葉片數對風機全壓效率最高點影響較大，次級葉輪葉片數對風機全壓效率平均值影響較大，但共同點是，葉片數偏多或者偏少，都不利于風機效率的提高，應合理設計次級葉輪葉片數，滿足不同工況需要。

葉片數配合對風機的全壓效率影響是個很復雜的過程，單葉輪葉片數和兩級葉輪葉片數配合影響存在差異性，須同時考慮兩級葉輪葉片數，才可以分析風機全壓效率變化。風機效率曲線基本都為漸縮型，隨著質量流量的增大而逐漸減小，只有12/8和14/10兩種情況下效率曲線變化幅度偏大，葉片數數值相差較大，導致風機內部流場變化梯度增大，效率曲線出現偏移。當兩級葉輪葉片數取12/14時，風機全壓效率平均值偏低，且隨著流量的增大出現急劇下滑現象，曲線斜率偏低，當葉片數取8/10最小數值時，風機效率平均值居中，且相對平穩，當葉片數取12/10，風機效率平均值整體上移居高，風機效率達到最高值，曲線平穩，流場穩定。通過縱向和橫向對比分析可知，無論是從單葉輪葉片數還是兩級葉輪整體葉片數，葉片數偏多或者偏少都會進一步限制風機效率的提高，同時，兩級葉輪葉片數數值相差較大時可能會出現流場變化梯度增大的后果，影響流場的穩定性，對風機性能改善起到阻礙作用，應該根據風機實際運行工況，合理設計兩級葉輪葉片數，不管是從葉片數值還是從匹配角度，都應該找到最優解，使得風機效率最大化，保證風機高效率運行。

5 結論

1）風機的壓力曲線隨流量以及送分距離成單駝峰狀，在遠距離送風質量流速低于2.3 kg/s時樣機模型壓力值相對較高，當質量流速高于2.3 kg/s時，12/10葉片數配合全壓值高于樣機12/8葉片數配合，分析可知，在近距離大流量時，適當增加兩級葉輪葉片數并且保證兩級葉片數之間存在差值，可以使得風機全壓值得到提高。

2）葉片數偏多或者偏少都將會影響風機全壓效率的提高，當葉片數取8/10時或者12/14時風機效率整體偏低，在流量高于2.3 kg/s時14/10配合風機效率要高于樣機模型，當質量流量低于2.3 kg/s時風機效率低于樣機模型。

3）對于單葉輪風機，壓力以及效率曲線呈單駝峰狀，對于多級葉輪分級來說，初級葉輪對壓力值以及效率值影響占主要地位，末級葉輪葉片數變化對流場梯度變化占主要地位，葉輪級數越多，影響越大。