葉片切割量對(duì)軸流風(fēng)機(jī)工作性能影響的研究

王海賓

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

引言

作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的核心，軸流式通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全，針對(duì)目前軸流式通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中葉頂流動(dòng)損失大、熵產(chǎn)低、經(jīng)濟(jì)性差的現(xiàn)狀，多數(shù)學(xué)者主要是從優(yōu)化軸流式風(fēng)機(jī)安裝角、優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度匹配等方面出發(fā)，取得了較大的成績，但風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)效率較大，無法滿足越來越高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性需求。因此本文提出了一種新的研究方案，即利用流體仿真分析軟件對(duì)相同安裝角下，不同風(fēng)葉切割量對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性的影響進(jìn)行研究。

1 仿真分析模型建立及定義

本文以軸流式通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，該風(fēng)機(jī)共有動(dòng)葉15 片，導(dǎo)葉16 片，風(fēng)機(jī)風(fēng)葉采用了薄蟬翼型結(jié)構(gòu)，翼型呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速約為1 440 r/min，風(fēng)機(jī)的葉輪的外徑為1 490 mm，輪轂比為0.5，風(fēng)機(jī)的葉頂間隙約為4.7 mm，對(duì)應(yīng)的間隙率為0.25，風(fēng)機(jī)葉片的安裝角為29°，以該軸流式通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)葉片切割量分別為0%、5%、10%、15%情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行研究。

利用三維仿真建模軟件建立該軸流式通風(fēng)機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型，為了簡化建模難度、提升分析準(zhǔn)確性，建模時(shí)將風(fēng)機(jī)殼體統(tǒng)一為一個(gè)整體，風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉部分按實(shí)際情況進(jìn)行等比例建模。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用Gambit 進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格劃分[1]，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加密劃分處理，將整個(gè)仿真分析的區(qū)域按動(dòng)葉、擴(kuò)散筒、導(dǎo)葉和集流器進(jìn)行劃分，該四部分區(qū)域采用加密網(wǎng)格，其他區(qū)域采用正常的網(wǎng)格定義，從而滿足在確保仿真分析準(zhǔn)確性情況下提升仿真分析速度的目的，風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分后，總計(jì)網(wǎng)格單元的數(shù)量約為247 萬個(gè)，其中加密網(wǎng)格數(shù)量為183 萬個(gè)，普通網(wǎng)格數(shù)量為64 萬個(gè)，網(wǎng)格劃分后的軸流式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 軸流式風(fēng)機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型

為了確保仿真分析的效果，利用FLUENT 流體仿真分析軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析時(shí)采用湍流模型，利用其穩(wěn)定性好的特性，解決傳統(tǒng)高速流體模型所存在的二次回流、梯度強(qiáng)逆性大的不足，滿足軸流式通風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的分析可靠性。

2 風(fēng)機(jī)性能仿真分析

利用FLUENT 仿真分析軟件[2]對(duì)風(fēng)機(jī)在不同葉片切割量情況下的運(yùn)行效率進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2。

由圖2 可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量一定的情況下，葉片切割量Δ 越大，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率越低。當(dāng)風(fēng)機(jī)的葉片切割量一定的情況下，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率隨著風(fēng)機(jī)流量的增加而逐漸降低。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片切割量為零的情況下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率達(dá)到了最高，約為81%。

圖2 不同切割量情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率

風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)在風(fēng)機(jī)內(nèi)部形成一個(gè)高壓面和一個(gè)低壓面，在壓力差的作用下氣流會(huì)從高壓面向低壓面流動(dòng)，流動(dòng)的氣流在風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下，又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從低壓面向高壓面流動(dòng)的動(dòng)力，使風(fēng)道內(nèi)的氣流在流到的上側(cè)和下次產(chǎn)生紊流，進(jìn)而造成了風(fēng)壓的泄漏[3]，產(chǎn)生能量流失（葉頂流動(dòng)損失），影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性。因此需要對(duì)不同葉片切割量情況下風(fēng)機(jī)的能量損失進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同風(fēng)葉切割量情況下風(fēng)機(jī)能量損失

由仿真分析結(jié)果可知，隨著葉片切割量的增大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的渦流逐漸向著風(fēng)機(jī)輪轂的方向偏移，越靠近輪轂的位置，氣流對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)紊流的干擾越大，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)的能量損失越大，從而造成了風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)全壓和運(yùn)行效率的低下。這主要是風(fēng)機(jī)葉片的切割量越大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)在葉片頂板的氣流泄漏量越大，使風(fēng)機(jī)內(nèi)部的正常氣流流道面變小，引起了渦流泄漏量的增大[4]。

風(fēng)機(jī)的熵產(chǎn)率是表征風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中不可避免的能量損失特性，風(fēng)機(jī)的熵產(chǎn)率越小說明能量損失越小，其運(yùn)行效率越高，不同葉片切割量情況下風(fēng)機(jī)的熵產(chǎn)率情況如圖4 所示。

由圖4 可知，隨著風(fēng)機(jī)葉片切割量的增加，風(fēng)機(jī)的熵產(chǎn)率逐漸加大。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片切割量逐漸增加時(shí)風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉區(qū)和動(dòng)葉區(qū)域上側(cè)的熵產(chǎn)率增加，同步帶動(dòng)擴(kuò)口區(qū)域熵產(chǎn)率的增加，這主要是由于風(fēng)葉被切割后使葉片整體的做功功率下降，氣流在風(fēng)機(jī)動(dòng)葉區(qū)域的流態(tài)發(fā)生變化，使氣流在導(dǎo)葉及擴(kuò)口區(qū)域的渦流效果增加，進(jìn)而導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)口區(qū)域內(nèi)熵產(chǎn)率的增加。

圖4 不同葉片切割量情況下的熵產(chǎn)率

3 結(jié)論

1）湍流模型具有穩(wěn)定性好的特性，能夠解決傳統(tǒng)高速流體模型所存在的二次回流、梯度強(qiáng)逆性大的不足，滿足軸流式通風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的分析可靠性。

2）葉片切割量越大，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率越低，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片切割量為零的情況下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率達(dá)到了最高，約為81%。

3）葉片切割量增大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的能量損失和熵產(chǎn)率越大，越不利于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的提升。