不同葉片相對厚度對礦用軸流通風機性能的影響研究

王首君

（晉能控股煤業(yè)集團四臺礦風井區(qū)， 山西 大同 037003）

引言

在煤礦開采作業(yè)中，通風機成為煤礦井下生產(chǎn)中常用的一種通風機械設(shè)備，它可以將井下產(chǎn)生的有害有毒氣體順利排出并引進新鮮的空氣。另外，通風機還是一種旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備，由定子、轉(zhuǎn)子、軸承等主要部件構(gòu)成，對礦用井下通風起著不可替代的作用。礦用通風機的種類有軸流式、離心式和混流式，本文研究的是軸流式通風機，即是風機在軸向截面上的葉輪流向中形成的氣流，沿著與礦用通風機旋轉(zhuǎn)軸平行的方向流動[1]。軸流通風機是由動葉輪、機殼組成，而動葉輪又包含有輪轂、葉輪兩部分；機殼是含有靜葉和葉輪。因此，風機葉片屬于礦用軸流通風機的重要部件，它可借助葉片的旋轉(zhuǎn)氣體做功獲得能量，并傳送出去，因此，對于礦用軸流通風機的性能，就主要取決于風機葉片結(jié)構(gòu)的好壞程度。其中，風機葉片結(jié)構(gòu)就包含有葉片相對厚度、葉頂間隙、葉片安裝傾角等，都對礦用軸流通風機的性能產(chǎn)生影響[2]，而本文主要研究的是葉片相對厚度對礦用軸流通風機內(nèi)部流場、全壓效率的影響，進而確定合理的風機葉片相對厚度參數(shù)，不僅為礦用軸流風機葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論支撐，也可以進一步優(yōu)化通風機的性能。

1 礦用軸流通風機性能的設(shè)計

軸流通風機的工作原理是借助葉輪旋轉(zhuǎn)的方式，將電動機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?、壓力能，因此，風機的轉(zhuǎn)速、流體密度會影響礦用軸流風機的性能，有研究表明，當葉片安裝角度一定時，軸流通風機的全壓、軸功率和全壓效率是隨流量變化的關(guān)系曲線[3]，因此，可通過通風機全壓、軸功率、全壓效率等，得到礦用軸流通風機的性能曲線。其中，通風機的全壓是風機出口截面的全壓值減去風機進口截面的全壓值后得到的差值；軸功率是葉輪葉片數(shù)、葉片旋轉(zhuǎn)的角度及單個葉片的扭矩三者相乘后計算取得；全壓效率是風機全壓、風機流量的乘積與軸功率的比值[4]。

2 不同葉片相對厚度對軸流通風機性能的分析研究

本文研究的是當葉片相對厚度分別是20%、30%、40%、50%時，而其他葉片各截面的參數(shù)相同，并主要以軸向方向位置處12.5%、50%、87.5%，分析四種不同葉片厚度徑向截面上的速度分布情形，得到如圖1、下頁圖2、下頁圖3、下頁圖4 所示的分布圖。

圖1 葉片相對厚度為20%時徑向截面上的速度（m/s）分布圖

圖2 葉片相對厚度為30%時徑向截面上的速度（m/s）分布圖

圖3 葉片相對厚度為40%時徑向截面上的速度（m/s）分布圖

圖4 葉片相對厚度為50%時徑向截面上的速度（m/s）分布圖

從四個圖中明顯可知，在四個不同葉片相對厚度參數(shù)下，礦用軸流通風機在徑向截面上的速度分布表現(xiàn)為：整體上沿周向?qū)ΨQ，分別存在有6 個主流區(qū)域和非主流區(qū)域。對于軸向位置是12.5%，緊靠葉輪吸力面的是主流區(qū)域，而非主流區(qū)域則是位于壓力面的周圍；對于軸向位置是50%，主流區(qū)域是逐漸向葉輪流道頂部擴散，遠離了葉輪吸力面，而原先位于壓力面周圍的非主流區(qū)域則出現(xiàn)消失；對于軸向位置是87.5%，主流區(qū)域又集中在輪轂和葉輪壓力面周圍，完全脫離葉輪吸力面，而非主流區(qū)域是集中在流道中部，并且向礦用軸流風機殼體逐漸擴散。

從上述圖中還可對比看出，對于礦用軸流通風機徑向截面上的速度，其隨著葉片葉輪相對厚度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，對于葉片相對厚度參數(shù)是30%時，礦用軸流通風機徑向截面上的速度最大值是13.2 m/s；對于葉片相對厚度參數(shù)是40%時，礦用軸流通風機徑向上的速度最大值是12.3 m/s，出現(xiàn)下降。因此，從徑向截面上的速度分布角度來分析，葉片相對厚度參數(shù)是30%時，通過葉片葉輪對氣體做功，其能量轉(zhuǎn)化效率最高，此時礦用通風機的流動性最優(yōu)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，再對礦用軸流通風機的進出口風壓、出口總壓、風機效率進行分析計算，得到表1 所示的不同葉片相對厚度對比表。

表1 不同葉片相對厚度下礦用軸流通風機運行效率比照

從表1 可以看出，礦用軸流風機出口風速隨葉輪相對厚度的增大先增大后減小，在葉輪相對厚度為40%時，礦用軸流通風機出口速度是6.6 m/s，風速最大。此外，還可看出，礦用軸流通風機全壓、運行效率都隨葉輪相對厚度的增大先增大后減小，在葉輪相對厚度是40%，礦用軸流風機全壓是114.8 Pa，運行效率是51.24%，比葉輪相對厚度是30%下的運行效率提高3.05%。因此，從風機全壓、運行效率角度分析，葉片葉輪相對厚度是40%時，軸流風機性能最佳。

綜合分析可知，對于礦用軸流通風機，其在徑向上的速度分布是先增大后減小，在葉片相對厚度是40%時，徑向速度出現(xiàn)下降，但是風機全壓和運行效率卻最高，此時運行效率達51.24%，因此可得出葉片相對厚度是40%，為最優(yōu)的參數(shù)值。

3 結(jié)論

1）隨著葉片葉輪相對厚度的增大，礦用軸流通風機徑向截面上的速度先增大后減小，且葉片葉輪相對厚度是30%時，軸流通風機的流動性較好。

2）對于礦用軸流風機出口風速、風機全壓、運行效率，是隨著葉片葉輪相對厚度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，在葉片相對厚度是40%時，比相對厚度是30%時的運行效率提高了3.05%。

3）綜合對比可知，當葉片相對厚度是40%時，軸流通風機運行效率最高，為最優(yōu)的參數(shù)值。