軸流式通風機導葉結構特征對通風性能的影響研究

班耀武

（陽泉煤業集團翼城東溝煤業有限公司， 山西 翼城 043500）

引言

礦井通風系統作為“礦井肺腑”其主要用于將新鮮的空氣傳入井下巷道內，確保井下的空氣流動，排出井下的有害氣體，其工作時的通風特性直接關系到煤礦的經濟效益和井下的通風安全。軸流式通風機是一種被廣泛應用在煤礦通風系統中的設備，其一級導葉的結構特性對風機工作時的通風特性有直接的影響，多數學者對軸流式風機工作性能的影響主要集中在葉片結構等方面，對導葉結構特性對風機通風特性影響的研究較少，因此本文對此進行了專門的研究，為優化軸流式通風機導葉結構、提升其工作效率、降低電能消耗等奠定基礎。

1 導葉結構形式對通風特性的影響

軸流式通風機的一級導葉的結構形式主要包括單一常葉片結構及長短復合式葉片結構，其不同結構形式下風機工作特性曲線如圖1 所示。

圖1 不同導葉形式對通風特性的影響研究

由圖1 可知，當軸流式通風機采用長短復合式導葉結構時，其工作時的全壓和工作效率要顯著地優于單一長葉片結構的風機。特別是當風機在小流量工況下工作時，復合葉片風機的性能要遠優于單一長葉片結構的風機，在兩級動葉可調軸流風機額定運行工況下（即風機的流量為82.3 m3/s）復合葉片結構的風機在出風口位置的總壓比單一長葉片結構的風機增加了約75.12 Pa，運行效率提升了約71%，由此可知在軸流式風機中，采用長短復合式葉片結構時風機的工作特性顯著優于單一長葉片結構的風機。

熵產率是衡量軸流式通風機工作效率的核心參數，其主要是表述了風機工作時的不可逆轉的能量損失。風機的熵產率主要包括黏性耗散熵產率SVD以及湍流耗散熵產率STD，其分別可表示為：

總熵產率為：

式中：V為氣體體積，m3；μ 為氣體的流體動力黏度，kg/（m·s）；εij為氣體平流場的變形率張量；ε'ij為氣體脈動流場的變形率張量平均值；T為溫度，K。

利用Kock 計算模型對風機工作時的單位體積熵產率分布進行仿真計算，結果如下頁圖2 所示。

由仿真分析結果可知，風機在導葉進口位置吸力面上的熵產率較大，這主要是由于當風機工作時，其氣流在葉片進口處的排擠和沖擊造成的，同時在葉片尾部邊緣的位置由于氣流尾旋渦流的作用使改成的熵產率也同步增加。當風機采用單一長葉片時其熵產率的分布范圍為50～1 050 W/（m3·K），而采用長短復合葉片時其熵產率的分布范圍為30～240 W/（m3·K），因此復合葉片形式下風機工作時的熵產率要遠小于單一長葉片結構的熵產率，同時單一長葉片導葉形式的葉片工作時產生的尾流對風機的二級動葉片工作性能影響較大，極易產生渦流噪聲，因此采用長短復合葉片的導葉形式對提升風機工作效率和穩定性具有顯著的作用。

圖2 不同葉片結構下風機的熵產率分布

2 導葉片周向位置對通風性能的影響

根據以上分析，本文以長短復合葉片導葉結構為對象，對短葉片相對于長葉片的吸力面處在不同的周向位置時的通風特性進行研究，分別對d=t/8、d=t/4、d=t/2、d=3t/4、d=7t/8（式中：d為短葉片相對于長葉片吸力面位置的周向長度，mm；t為風機內兩個長葉片支架的格柵距離，mm）情況下的風機工作特性進行研究，結果如圖3 所示。

由圖3 可知，當風機的短葉片距離長葉片的軸向距離由d=t/8 逐漸增加為d=t/2 后，風機工作時的效率和全壓均顯著增加，當風機的短葉片距離長葉片的軸向距離由d=7t/8 逐漸增加為d=t/2 后，風機工作時的壓力面慢慢地向中間格柵位置靠近，風機的通風特性也逐漸增加，因此可知當風機短葉片到長葉片的周向距離為d=t/2 時風機的全壓和效率均衡性最好，風機具有最優的工作性能。

3 導葉片長度對風機性能的影響

不同導葉片長度情況下風機工作時的全壓和效率分布曲線如圖4 所示，不同葉片長度情況下風機各個區域的總的熵產率S和湍流耗散熵產率STD的變化如圖5 所示。

圖3 不同軸向距離情況下風機的工作特性曲線

圖4 不同葉片長度下風機的風壓和效率變化曲線

圖5 不同葉片長度下風機總熵產率和湍流耗散熵產率變化曲線

由分析結果可知，當風葉的長度為320 mm 的情況下風機工作時的效率和全壓均處在最佳的狀態，其他情況下風機工作時的效率和全壓的變化曲線均低于導葉片長度為320 mm 時的工作狀態，同時風機工作時葉片長度對風機效率的影響要大于對風機工作時風壓的影響。

由圖5 可知，葉片長度對風機熵產率的影響主要體現在第二級的葉輪支護，其氣體流動時的不穩定性越高，風機不穩定的幅度就越大。在風機的二級葉輪之前不同長度葉片對風機總熵產率的影響基本不大，當過了第二級的葉輪支護，葉片長度為320 mm 情況下風機工作時的總熵產率就顯著低于其他情況下風機的總熵產率。

綜上分析可知，通風機的導向葉片的長度為320 mm 的情況下風機具有最佳的工作性能。

4 結論

1）當軸流式通風機采用長短復合式導葉結構時，其工作時的全壓和工作效率要顯著地優于單一長葉片結構的風機；

2）當風機短葉片到長葉片的周向距離為d=t/2時風機的全壓和效率均衡性最好，風機具有最優的工作性能；

3）通風機的導向葉片的長度為320 mm 的情況下風機具有最佳的工作性能。