不同葉片結構對軸流通風機切割性能的影響分析

王於雁

（晉能控股煤業(yè)集團四臺礦， 山西 大同 037001）

引言

軸流通風機是煤礦、隧道等廣泛應用的通風設備，通過葉輪的旋轉運動實現(xiàn)通風，具有結構緊湊、風量大、壓力高的特點[1]。在軸流通風機工作的過程中，通風機的軸向間隙、葉片安裝角、輪轂比等均對通風機的性能具有重要的影響，合理的參數設置可以減小通風機的流動損失，提高通風機的效率[2]。在不同的影響因素中，葉片的結構形式對通風機的切割性能具有最重要的影響，板型葉片和翼型葉片是目前軸流通風機廣泛使用的葉片結構形式，針對兩種不同的葉片結構[3]，采用流體仿真分析的形式對其切割性能進行分析，從而為軸流通風機性能的提高提供參考。

1 兩種葉片結構軸流通風機分析模型的建立

板型葉片和翼型葉片是軸流通風機廣泛使用的兩種葉片形式，板型葉片的制作簡單，生產成本較低；翼型葉片采用航空機翼鍛鑄鋁合金或鋼板鉚焊技術進行焊接[4]，生產成本較高。采用流體力學分析軟件Fluent 對兩種葉片結構的軸流通風機切割性能進行分析，F(xiàn)luent作為專業(yè)的CFD 分析軟件[5]，通過質量和動量守恒方程的求解，可對流體的問題進行較好的模擬，適用于對軸流通風機的性能進行分析[6]。

針對兩種不同的葉片結構進行通風機模型的建立，通風機的輪轂直徑為2.1 m，葉輪的直徑為3.76 m，葉片的角度為62.3°，葉片的轉速為745 rad/min，動葉片數為18，后導葉片數為13。依據兩種不同的葉片結構形式[7]，在SolidWorks 中建立葉片的三維模型如圖1 所示。依據葉輪的尺寸建立模型，以葉輪的軸心為軸線進行圓周陣列葉片，生成相應的18 個葉片，建立通風機內部的定子和轉子段及集風器和擴散筒的模型[8]，即完成兩種不同葉片結構的通風機模型的構建。

圖1 葉片的結構模型

對所建立的通風機模型進行網格劃分處理，由于軸流通風機的結構相對復雜流道不規(guī)則，采用非結構化的網格進行網格劃分處理，對于細小的間隙及相交處，先將相應的面生成網格，然后進行整體網格的劃分處理[9]。對通風機的流動問題進行分析，F(xiàn)luent提供了多種模型，采用MRF 模型進行通風機切割性能的分析[10]。MRF 模型將風道內的流場進行簡化為葉輪在某一位置時的瞬時流場，從而通過定常分析的方式對非定常問題計算。在計算的過程中，轉子區(qū)域的網格保持靜止進行定常計算[11]，定子區(qū)域在慣性坐標系中作定常計算，在兩者的交界面位置交換相應的流體參數，從而保證交界面的連續(xù)性。采用MRF 的定常計算方式，所需計算的模型簡單，可以快速地達到收斂狀態(tài)[12]，節(jié)約計算所需的時間，提高分析效率。

2 兩種不同葉片結構軸流通風機切割性能的分析

2.1 初始條件設置

在對軸流通風機的切割性能進行分析時，在求解區(qū)域的邊界上需設定相應的邊界條件，軸流通風機的主要邊界包括風機的入口、出口及風機葉片三部分。在入口端采用速度入流條件作為通風機的入口，速度參數隨不同的工況變化；出口邊界采用壓力邊界作為整個氣體流域的出口，設定出口處的壓力為大氣壓力；風機的葉片定義為旋轉壁面條件，將轉子段的葉片及輪轂定義為旋轉壁面，以計算通風機的全效率，旋轉壁面的轉速定義為相對周圍流體的相對速度為0。

通風機風筒的內壁設定為墻體，旋轉無滑移的固壁邊界條件，壁面的流體速度與壁面處的速度相同，當壁面靜止時，壁面處的速度為0，當壁面旋轉時，壁面處與壁面的相對速度保持為0。流體的轉速設定為745 rad/min，由此對兩種不同葉片結構的軸流通風機進行模擬件計算。

2.2 結果分析

對兩種不同葉片結構的軸流通風機的葉片全壓進行分析，得到葉片周圍的全壓云圖如圖2 所示。從圖2 中可以看出，翼型葉片的周邊有較為明顯的氣流的加減速運動存在，有最大的速度區(qū)域；板型葉片的周邊氣流的速度分布均勻，變化較小。在軸流通風機的性能中，速度的變化代表啟動負荷沿著流向的分布狀態(tài)，翼型葉片存在著速度的變化，能夠較好地控制加工量前后的分布，從而有利于提高軸流通風機的效率及氣動載荷，同時可以減小流動的損失。

圖2 兩種葉片周圍全壓（Pa）分布

對兩種結構的葉片全壓及效率的變化從數值上進一步分析，得到葉片的全壓-流量曲線如圖3 所示，全壓效率-流量曲線如圖4 所示。從圖3 中可以看出，翼型葉片的全壓值要大于板型葉片的全壓值，在流量較小時，兩者之間的全壓值相差較大，隨著流量的增加，全壓值均呈減小的趨勢，兩者之間的差值有一定的縮小。從圖4 中可以看出，翼型葉片的全壓效率同樣大于板型葉片的全壓效率，且兩者之間的差值隨著流量的增加保持相對穩(wěn)定。

圖3 兩種葉片的全壓-流量曲線

圖4 兩種葉片的全壓效率-流量曲線

綜上可知，針對翼型葉片和板型葉片兩種結構形式的葉片對軸流通風機的切割性能進行分析，翼型葉片周邊的速度差較大，有利于提高葉片的效率及氣動載荷，進一步經過數值對比分析可知，翼型葉片的全壓及效率均大于板型葉片，且隨著流量的增加，全壓的差值逐漸減小而效率的差值保持穩(wěn)定。從軸流通風機的綜合切割性能來說，翼型葉片的性能要好于板型葉片，對其制作加工的成本相對較高，應采取合理的焊接加工措施，在提高軸流通風機性能的同時保證其經濟效益。

3 結論

軸流通風機是煤礦、隧道等通用的通風設備，對煤礦的開采安全具有重要的影響。在軸流通風機的葉片結構中，板型葉片和翼型葉片是應用較多的兩種葉片形式。采用Fluent 流體力學仿真分析的形式對翼型和板型兩種葉片的切割性能進行建模分析。首先建立兩種葉片的三維模型，依據葉輪的尺寸進行葉片的分布，然后建立整個通風機的三維模型，采用非結構化的網格進行網格劃分處理，設定軸流通風機的邊界條件對其切割性能進行模擬分析。結果表明，在兩種葉片結構中，翼型葉片周圍的速度分布差值較大，存在著速度的變化，能夠提高軸流通風機的效率及氣動載荷，翼型葉片在全壓及效率上均要高于板型葉片。由于翼型葉片的加工成本較大，在進行軸流通風機的設計使用時，在經濟允許的情況下，應首選翼型葉片代替板型葉片，從而提高軸流通風機的整體切割性能，保證工作環(huán)境的通風安全性。