兩級葉輪轉速匹配下的通風機性能研究

趙智勝

（晉能控股煤業有限公司永定莊煤業有限公司，山西 大同 037024）

引言

在地下煤炭開采過程中，需要礦井通風系統不斷為井下輸送新風，排出有害氣體，保障生產安全。通風機是礦井通風系統中的重要設備，是整個通風系統的動力裝置，需要全天運轉，在整個通風系統中耗費能源占比最大[1-2]。因此對通風機的性能進行研究，對提高整個礦井通風系統的運行效率，減少能源損耗是十分必要的。

1 兩級葉輪對旋通風機

通風機是一種動力機械，能夠將機械能轉化為氣體的動能，提高氣體的壓力和流速。根據結構形式不同，主要有離心式通風機和軸流式通風機兩大類。目前煤礦企業使用的一般都是軸流式風機，其中又以兩級葉輪對旋通風機最多，其體積小，風量大，適用于井下強制通風工況，結構如圖1所示。

圖1 對旋通風機結構示意圖

對旋風機是由集流器和流線罩、一級風筒、二級風筒、一級葉輪、二級葉輪、一級防爆電機、二級防爆電機和擴散器組成的。一級與二級防爆電機的型號一般都相同，可以帶動一級和二級葉片以不同轉速不同方向旋轉，使氣體從集流器和流線罩處流入，沿軸向從擴散器處流出。集流器和流線罩在對旋風機進氣口構成了一個光滑平順的流道，可以減少入口損失，使氣體更加容易地進入對旋風機。氣體在進入一級風筒后，在一級葉輪的作用下經過一級流體域初步加壓，再經過二級風筒，在二級葉輪的作用下經過二級流體域進行二次加壓。葉輪的表面是非常光滑的曲面，可以更好的帶動氣體旋轉，提高效率，并且根據不同的工況要求可以通過改變葉輪的安裝角改變風壓和風量。葉輪一般采用非金屬材料制作，因為金屬材料容易發生摩擦產生火花，在高瓦斯濃度的環境下可能引發爆炸[3]。擴散器裝在對旋風機的出口處，能夠降低風機速壓提高風機靜壓，降低氣體的動能損失，提高風機效率。

2 仿真模型的建立

在明確對旋風機結構的基礎上，需要建立能夠滿足仿真需要的三維模型。本文根據某礦實際使用的對旋風機建立仿真模型，其型號為FBD5.0/2X7.5kW，一級防爆電機與二級防爆電機的功率均為7.5 kW，額定轉速為2 900 r/min。為了提高仿真效率和精度，在建立模型時采用分段建模的方法，并適當簡化，將整個流體模型劃分為四段，第一段為集流器區域，即氣流入口，第二段為一級葉輪處的一級流體域，第三段為二級葉輪處的二級流體域，最后一段為擴散器區域，即氣流出口。

在建立葉輪的三維模型時，由于葉輪表面為曲面，采用三維軟件進行建模比較困難，因此選擇將葉輪通過3D掃描儀掃描到電腦中的方式建模。需要注意的是，在掃描過程中需要將定位點貼片貼在葉輪表面，使掃描儀能夠通過定位點進行空間坐標定位，定位點的位置越沒有規律，掃描得到的模型結果就越接近葉輪的真實形狀。在進行6～8次正反掃描后，通過軟件將多次掃描結果進行擬合，即可得到葉輪的三維模型[4]。

將所有分段建立的流體模型組合到一起，即可得到對旋風機的仿真模型，如圖2所示。

圖2 對旋風機流體仿真模型

3 FLUENT軟件仿真

將建立好的仿真模型導入到在流體領域仿真應用最廣泛的FLUENT軟件中去，并對模型進行網格劃分和參數設置，為了研究兩級葉輪轉速匹配下風機的性能[5]，設置四種工況進行仿真：第一種為兩級葉輪轉速均為2 900 r/min，即2 900-2 900；第二種為兩級轉速均為1 450 r/min，即1 450-1 450；第三種為一級葉輪轉速1 450 r/min，二級葉輪轉速2 900 r/min，即1 450-2 900；第四種為一級葉輪轉速2 900 r/min，二級葉輪轉速1 450 r/min，即2 900-1450。

圖3是四種工況下的一級流體域和二級流體域的全壓升曲線圖。從圖中可以看出，當一級葉輪的轉速為1 450 r/min和2 900 r/min時，氣體的全壓升是不同的，很明顯在2 900 r/min的葉輪轉速下氣體的全壓升要大于葉輪轉速為1 450 r/min的情況，同樣，無論一級葉輪轉速是多少，二級葉輪轉速為2 900 r/min時氣體全壓升大于葉輪轉速為1 450 r/min的情況，這說明葉輪的轉速和氣體的全壓升具有正相關性，葉輪轉速越快氣體的全壓升就越高。從圖中還可以看出，在2 900-2 900和1 450-1 450兩種工況下，一級葉輪和二級葉輪的負載分配基本相同，兩級全壓基本相等，但在1 450-2 900和2 900-1 450兩種工況下，兩級全壓曲線差別很大，此時兩個電機的功率輸出不同。對比1 450-2 900和2 900-1 450兩種工況，發現一級流體域全壓升明顯是2 900-1 450工況下大，但是二級流體域全壓升相對較小，兩種工況下一級流體域全壓升的之間的差值要大于二級流體域全壓升的差值，這是由于一級葉輪是二級葉輪的導葉，一級葉輪轉速比二級葉輪大時，氣體在一級葉輪處獲得的能量多，二級葉輪功率不大，出現尾跡干涉現象，二級葉輪的能量并沒有全部轉化到氣體動能中，反而有一部分做了負功。

圖4 四種工況下流體跡線

圖4為四種工況的流體跡線圖。從圖中可以看出，氣流入口處的氣流沿著光滑的流道進入通風機，在集流器的作用下，流體跡線非常平穩，在進入一級流體域后和二級流體域后會隨著葉輪的轉動改變速度方向，做螺旋線運動。當兩級葉輪轉速相同時，氣體流動方向基本還是沿著通風機軸向的，徑向方向速度變化不大。當兩級葉輪轉速不同時，氣體在一級和二級流體域的流動方向與兩級葉輪轉速相同時流體跡線區別不大，但當氣體通過二級流體域去往氣流出口時，氣體流動跡線明顯發生，螺旋運動明顯，當工況為2 900-1 450時，氣體旋轉方向與一級葉輪旋轉方向一致，當工況為1 450-2 900時，氣體旋轉方向與二級葉輪旋轉方向一致，說明葉輪轉速是氣體流動方向的重要影響因素。

4 結論

仿真結果表明氣體全壓升隨著葉輪的轉速變快而升高，且流向與兩級葉輪中轉速較大的一級葉輪相同。該研究結果可為不同工況下通風機葉輪轉速的匹配選擇提供理論依據。