葉輪葉片數對通風機性能的影響

高 偉

（潞安集團五礦，山西 陽泉 045000）

引言

煤礦通風系統被稱為煤礦的“肺”，其主要任務為降低工作面瓦斯、粉塵的濃度，以保證其滿足《煤炭安全規程》的相關標準要求。此外，通風機還能保證工作面溫濕度參數為最佳，以保證工作環境更優。因此，保證工作面通風機的高性能、高效率運轉尤為重要[1]。從理論上講，影響通風機性能的因素眾多，包括通風機葉輪的葉片數量、頂部間隙、輪轂比等。本文將著重針對葉輪葉片數量對通風機性能的影響機理進行分析研究。

1 通風機模型搭建

本文所研究通風機為煤礦工作面應用最為廣泛的對旋軸流式通風機，具體型號為FBDZ80，該通風機為兩級軸流式通風機，其主要結構包括葉輪、葉片、風筒等。該通風機的關鍵參數如表1 所示。

表1 FBDZ80 對旋軸流式通風機關鍵參數

為了保證后續針對不同葉輪葉片數量對通風機性能仿真結果的準確，除了在實際建模過程中須嚴格按照實際參數1∶1 完成SolidWorks 三維模型的搭建外，還需對關鍵部位進行網格劃分操作。其中，根據通風機的實際運行工況，將基于SolidWorks 所搭建的三維模型的前級葉輪葉片的網格劃分結果確定為226 658，后級葉輪葉片的網格劃分結果確定為225 808，其他區域的網格劃分結果確定為264 736。將網格劃分完畢的模型導入FLUENT 軟件中開展葉輪葉片數量對通風機性能影響機理的研究[2]。

從理論上講，葉輪葉片數量將直接影響通風設備的風壓、風量等參數，從而間接影響通風機的性能。本文將主要研究不同葉片數配合對通風機性能的影響。其中，前級葉輪葉片數量為8 個、12 個和14個，后級葉輪葉片的數量為8 個、10 個和14 個。結合葉片數對風量流通的直接影響，本文將對8/10、12/8、12/10、12/14、14/10 五種情況進行數值模擬研究。

2 葉輪葉片數量對通風機出口靜壓的影響

2.1 前級葉輪葉片數量對通風機出口靜壓的影響

本小節將對后級葉輪葉片數量為10 個，前級葉輪葉片數量分別為8 個、12 個和14 個三種情況下通風機出口靜壓隨著流量的變化進行數值模擬研究。經仿真分析得出如下結論：

在同一流量下，通風機出口靜壓隨著前級葉輪葉片數量的增加呈現先增大后減小的變化趨勢。也就是說，對于初級葉輪葉片而言，存在一個臨界值可使得通風機出口靜壓達到最大。同時，當前后葉輪葉片數量一定時，隨著流量的增加通風機出口靜壓降低，使得設備性能下降[3]。

2.2 后級葉輪葉片數量對通風機出口靜壓的影響

鑒于上述研究可知，當前級葉輪葉片數量為12 個時，對應通風機的出口靜壓最大。因此，本小節確定前級葉輪葉片數量為12 個，對后級葉輪葉片數量分別為8 個、10 個和14 個三種情況下通風機出口靜壓隨著流量的變化進行數值模擬研究。經仿真分析得出如下結論：

后級葉輪葉片數量對通風機出口靜壓值影響較小；但是，仍需對后級葉輪葉片數量進行優化，因為后級葉輪葉片數量偏大或偏小也會影響通風機的整體性能。

綜合分析不同前級和后級葉輪葉片數量下通風機的出口靜壓值得出如下結論：

1）當前級葉輪葉片數量為8、后級葉輪葉片數量為10 時，整個通風機的出口靜壓值偏低；而當前級葉輪葉片數量為12、后級葉輪葉片數量為14 時，整個通風機的出口靜壓值未達到最大值。

2）當前級葉輪葉片數量為12、后級葉輪葉片數量為8，前級葉輪葉片數量為14、后級葉輪葉片數量為10 時，通風機的出口靜壓值明顯增加。

3）當前級葉輪葉片數量為12、后級葉輪葉片數量為10 時，通風機的出口靜壓值達到最大。

因此，并不是葉輪葉片數量取極限值時通風機的出口靜壓值最大，而當前級葉輪葉片數量為12、后級葉輪葉片數量為10 時，出口靜壓值最大，對應通風機的性能最佳。

3 葉輪葉片數量對通風機出口全壓的影響

本節首先分別對前級葉輪葉片數量和后級葉輪葉片數量對通風機出口全壓的影響機理進行研究，然后對不同葉輪葉片配合數量對通風機出口全壓的影響進行研究[4]。具體闡述如下：

3.1 前級葉輪葉片數量對通風機出口全壓的影響

當后級葉輪葉片數量為10，分別對前級葉輪葉片數量為8、12 和14 時通風機的出口全壓進行對比，對比結果如表2 所示。

表2 不同前級葉輪葉片數量對通風機出口全壓的影響 Pa

由表2 可知，當風量小于2.3 kg/s 時，隨著前級葉輪葉片數量的增加，通風機出口全壓呈現先增加后減小的變化趨勢；而當風量大于2.3 kg/s 時，隨著前級葉輪葉片數量的增加，通風機出口全壓呈現增加的變化趨勢。

3.2 后級葉輪葉片數量對通風機出口全壓的影響

當前級葉輪葉片數量為12 時，分別對后級葉輪葉片數量為8、10 和14 時通風機的出口全壓進行對比，對比結果如表3 所示。

表3 不同后級葉輪葉片數量對通風機出口全壓的影響Pa

由表3 可知，隨著后級葉輪葉片數量的增加，對應通風機出口全壓呈現先增大后減小的變化趨勢；當后級葉輪葉片數量為10 時對應通風機出口全壓最大；而當后級葉輪葉片數量為8 和14 時，對應通風機出口全壓均較小，且二者相差不大。

綜上，當前級葉輪葉片數量為12、后級葉輪葉片數量為10 時，對應通風機出口全壓最大。因此，針對通風機出口全壓最優的葉輪葉片數量配合如下：前級葉輪葉片數量為12，后級葉輪葉片數量為10。

4 葉輪葉片數量對通風機全壓效率的影響

采用上述同樣的方法對不同葉輪葉片數量對通風機全壓效率的影響進行對比分析，并綜合得出如下結論：當前后級葉輪葉片數量為12、14 時，通風機的全壓效率值偏低，同時隨著流量的增加通風機全壓效率還會繼續降低；當前后級葉輪葉片數量為8、10 時，通風機的全壓效率值居中；當前后級葉輪葉片數量為12、10 時，通風機的全壓效率曲線整體提高，對應的曲線平穩且流量穩定[5]。

5 結論

通風機是綜采工作面的關鍵設備，其工作性能直接決定其能耗和通風效率，對于工作面的安全生產具有重要意義。對于通風機而言，可通過出口靜壓值、出口全壓值及全壓效率對其性能進行綜合評估。本文著重對不同葉輪葉片數量對通風機性能的影響機理進行研究，并得出當前級葉輪葉片數量為12、后級葉輪葉片數量為10 時，對應通風機的性能最佳。