不同葉片切割量下機電類風機的工作特性研究

王竹波

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司靈石公用事業分公司，山西 靈石 031302）

引言

目前，在進行通風系統的設計時為了確保緊急情況下對煤礦井下高速供風的要求，對于風機通常選擇比實際應用需求大的多的型號，導致在日常運行中風機時常處在低負荷運行的范圍，造成了極大的浪費[1]。根據多年的研究，對風機的葉片進行切割是在確保緊急供風量要求的情況下降低風機有效運行功率的必要手段，因此本文在前人研究的基礎上，利用FLUENT流體仿真分析軟件對風機在不同切割量情況下風機的工作特性進行研究。

1 軸流式通風機仿真分析模型的建立

本文以軸流式通風機為研究對象，利用CREO三維建模軟件[2]建立其從風機的擴散筒和集流器、風機區域的全部的三維結構模型，該風機共有29個葉片，其中導葉葉片共15片，動葉的葉片數量為14片，風機風葉的翼形結構為對稱薄蟬翼型結構，風機工作時的額定轉速為1 130 r/min，各導葉的安裝角度為29°，風機的風葉葉片的直徑約為1 500 mm。在對風機葉片切割量進行設置時，結合風機結構，選擇對風機葉片的切割量為葉片長度的5%、7%、10%情況下的風機工作特性進行研究。由于軸流式通風機的整體結構相對復雜，因此根據風機在運行過程中各個區域的流場特性，對最關鍵的動葉區域、導葉區域、風機集流器區域及流場擴壓區域進行加密式混合網格劃分結構[3]，對其他區域采用自動賦值的網格劃分方案，最終劃分的網格區數量為211萬個，風機三維模型如圖1所示。

圖1 軸流式通風機三維結構模型

2 不同切割量下風機全壓和效率的變化曲線

利用FLUENT流體仿真分析軟件[4]，對風機葉片不同切割量情況下的工作特性進行分析，其葉片切割量下的全壓變化曲線如圖2所示。

圖2 不同切割量下風機的全壓變化情況

由仿真分析結果可知，當對風機葉片進行切割時，風機工作時的全壓均會發生下降。當風葉的切割量為5%時，小流量工況（體積流量小于35 m3/s）下風機的全壓比切割前降低了約0.06 kPa;當風葉的切割量為7%時，小流量工況下風機的全壓比切割前降低了約0.22 kPa;當風葉的切割量為10%時，小流量工況下風機的全壓比切割前降低了約0.29 kPa。且當風機工作時的體積流量繼續增加時，風機的全壓將隨著風葉切割量的增加而迅速下降。

其葉片切割量下的效率變化曲線如下頁圖3所示，由仿真分析結果可知，隨著風機工作時的體積流量不斷增加，風機運行時的效率均呈現降低的趨勢。當在小流量工況下當風機葉片的切割量為5%時，風機運行時的效率約為80.7%，優于此工況下風機優化前79.6%的工作效率;當風機工作時的流量超過37.5%時風機葉片切割前的工作效率開始高于風機葉片的切割量為5%時的運行效率，但兩者之間在同流量工況下的差別較小。

圖3 不同切割量下風機的效率變化情況

當風機葉片的切割量為7%、10%時，在全流程工況下風機運行時的效率均小于風葉切割前的運行效率，且隨著風機流量的增加其效率下降的幅度不斷增加。

通過對風機葉片不同切割量下風機運行時工作特性的對比分析可知，當風機的葉片切割量為5%時，風機的全壓是低于風機葉片切割前的全壓的，且風機流量越大的工況兩者之間的差距越大，在小流量工況下時風機的風壓差值最大為0.06 kPa，但在小流量工況下風機運行時的效率要高于風機風葉切割前的運行效率。風機多數情況下是處在小流量工況下運行，因此當風葉的切割量設置為5%時，既能夠滿足風機長期在低流量工況下的運行經濟性和穩定性的要求，而且還可以滿足改善風機工作時風量裕量較大的不足。

當風機葉片的切割量為7%和10%的情況下不管是風機運行的全壓還是效率均要低于風機風葉切割前，因此雖然能夠降低風機工作時的裕量，但是無法滿足長期運行時的經濟性的要求，不適合用于對風機風葉的改造。

3 結論

本文針對礦用軸流式風機工作時長期在低流量下運行經濟性低、風機風量裕量大的缺陷，在對風機工作原理進行分析的基礎上，利用FLUENT流體仿真分析軟件，建立其三維分析模型，對葉片切割量分別為5%、7%、10%工況下的風機工作特性進行了研究，并與優化前的工作特性進行了對比分析，根據分析結果表明：

1）當對風機葉片進行切割時，風機工作時的全壓均會發生下降，且隨著風機流量的增加其效率下降的幅度不斷增加。當風葉的切割量為5%時，小流量工況下風機的全壓比切割前降低了約0.06 kPa；

2）隨著風機工作時體積流量的不斷增加，風機運行時的效率均呈現降低的趨勢。在小流量工況下當風機葉片的切割量為5%時，風機運行時的效率約為80.7%，優于此工況下風機優化前79.6%的工作效率。

3）當風葉的切割量設置為5%時，既能夠滿足風機長期在低流量工況下的運行經濟性和穩定性的要求，而且還可以滿足改善風機工作時風量裕量較大的不足。