不同葉片結(jié)構(gòu)的離心通風(fēng)機(jī)性能對比研究

張 璟

（山西焦煤集團(tuán)臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 041000）

引言

通風(fēng)機(jī)是電力、煤礦、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛使用的氣體動(dòng)力設(shè)備，離心通風(fēng)機(jī)作為一種主要的設(shè)備類型，其在使用過程中存在較大的能量損失，主要包括流動(dòng)損失、容積損失及機(jī)械損失，造成離心通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率不高。葉片作為通風(fēng)機(jī)的核心零部件，其對通風(fēng)機(jī)的效率具有重要的影響。提高離心通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率[1]，優(yōu)化改善葉片的結(jié)構(gòu)形式是重要的方法。運(yùn)行效率的提高，伴隨著通風(fēng)機(jī)安全性能的提高，從而可保證通風(fēng)機(jī)使用過程中的安全[2]。

1 通風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用速度分布法及載荷分布法對通風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這兩種方法是針對葉片表面產(chǎn)生的流動(dòng)損失進(jìn)行優(yōu)化。葉片表面的速度或載荷的分布對葉片表面邊界層的厚度具有直接的影響，從而影響通風(fēng)機(jī)的性能及安全性[3]。針對某型號的離心通風(fēng)機(jī)，采用速度分布法及載荷分布法對其葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

速度分布法是指依據(jù)離心通風(fēng)機(jī)葉道內(nèi)平均速度的變化進(jìn)行通風(fēng)機(jī)葉片線形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，葉輪作為通風(fēng)機(jī)的主要部件，其流動(dòng)損失的大小決定了通風(fēng)機(jī)的性能。葉片表面的速度分布對葉片表面邊界層的厚度具有直接的影響[4]，采用三段分函數(shù)的形式對葉道內(nèi)的平均速度進(jìn)行模擬，從而進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

載荷分布法是指依據(jù)離心通風(fēng)機(jī)葉片各點(diǎn)處載荷進(jìn)行葉片角的計(jì)算，從而繪制葉片的線形結(jié)構(gòu)。葉片的載荷分布同樣采用三段分函數(shù)的形式，葉道的前緣及尾部采用二次函數(shù)，中間部分采用三次函數(shù)[5]，從而得到葉片的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。通風(fēng)機(jī)原有的葉片結(jié)構(gòu)定為模型A，速度分布法得到的葉片結(jié)構(gòu)為模型B，載荷分布法得到的葉片結(jié)構(gòu)為模型C，三者的中心型線結(jié)構(gòu)如圖1 所示，對三種模型的通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析。

圖1 三種通風(fēng)機(jī)葉片中心型線結(jié)構(gòu)

2 不同葉片結(jié)構(gòu)通風(fēng)機(jī)性能的分析

2.1 通風(fēng)機(jī)有限元分析模型的建立

采用有限元分析的方式對不同葉片結(jié)構(gòu)的通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析，有限元分析的方法可以方便地應(yīng)用于具有復(fù)雜邊界的流體運(yùn)動(dòng)，適用于對通風(fēng)機(jī)的流體性能進(jìn)行分析。首先建立通風(fēng)機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型，不同的葉片結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的通風(fēng)機(jī)模型。對通風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6]，由此得到如圖2 所示的通風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型。采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格可以采用不規(guī)則的網(wǎng)格對局部的模型進(jìn)行加密處理，對通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的空間適用性。

圖2 通風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型

本文建立了通風(fēng)機(jī)的有限元模型，針對三種不同的葉片模型對通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行有限元分析，分別對三種模型的全壓及全壓效率進(jìn)行分析。

2.2 通風(fēng)機(jī)性能的有限元結(jié)果分析

對所建立的離心通風(fēng)機(jī)有限元模型進(jìn)行仿真分析，分別計(jì)算三種葉片模型的全壓及全壓效率隨流量系數(shù)的變化，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)作圖，分別得到如圖3、圖4所示的全壓及全壓效率隨流量系數(shù)的變化曲線。

圖3 不同葉片結(jié)構(gòu)通風(fēng)機(jī)全壓-流量系數(shù)曲線

圖4 不同葉片結(jié)構(gòu)通風(fēng)機(jī)全壓效率-流量系數(shù)曲線

從圖3、圖4 可以看出，在三種不同的葉片結(jié)構(gòu)中，通風(fēng)機(jī)的全壓及全壓效率隨流量系數(shù)的變化曲線一致，在全壓-流量系數(shù)圖中，隨著流量系數(shù)的增加，三種葉片結(jié)構(gòu)的通風(fēng)機(jī)全壓不斷減小，在三種葉片結(jié)構(gòu)中，模型B 的全壓相對模型A、C 在大流量系數(shù)下具有一定的提高，在小流量系數(shù)下，三者之間相差不大。在全壓-流量系數(shù)曲線中，模型B 的葉片結(jié)構(gòu)全壓較大，模型C 葉片結(jié)構(gòu)全壓與原有模型相差不大。在全壓效率-流量系數(shù)圖中，隨著流量系數(shù)的增加，三種葉片結(jié)構(gòu)的全壓效率均呈現(xiàn)一定的先增加后減小的趨勢。在三種葉片結(jié)構(gòu)中，模型B、C的全壓效率相對模型A 具有較大的提高，且模型B的全壓效率最高。在全壓效率-流量系數(shù)的曲線中，速度分布法及載荷分布法設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)全壓效率均大于原有的葉片結(jié)構(gòu)，且速度分布法設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)全壓效率最大。由此說明，采用速度分布法及載荷分布法對離心通風(fēng)機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是切實(shí)可行的，其可以提高通風(fēng)機(jī)的效率及安全性能，采用速度分布法所設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)性能提升最大，是首選的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

3 結(jié)語

離心通風(fēng)機(jī)是生產(chǎn)領(lǐng)域常用的通風(fēng)設(shè)備，其運(yùn)行效率及安全性能對于生產(chǎn)效率的提升具有重要的作用。葉輪作為通風(fēng)機(jī)的重要部件，葉輪葉片的結(jié)構(gòu)對通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率及安全性能具有直接的影響。針對離心通風(fēng)機(jī)葉片的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，采用速度分布法及載荷分布法兩種方法對葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用有限元分析的形式對優(yōu)化后的通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行仿真分析。對離心通風(fēng)機(jī)的全壓及全壓效率進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示，通過速度分布法及載荷分布法所設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)在額定的功率下，相對原有葉片結(jié)構(gòu)對通風(fēng)機(jī)的全壓及全壓效率均有一定程度的提升，且全壓效率的提升較大。在速度及載荷分布兩種不同的方法中，以速度分布法所設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)對通風(fēng)機(jī)的效率及性能提升最大，是首選的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過對葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率及安全性能，從而更好地服務(wù)于各項(xiàng)生產(chǎn)，提高效率。