礦用通風機葉片結構對噪聲特性的影響研究

范 麗

（晉能控股煤業集團煤峪口礦， 山西 大同 037041）

引言

礦井通風系統被稱為“礦井之肺”，其運行特性直接關系到煤礦井下通風的效率和經濟性。礦用對旋式通風機具有結構簡單、運行效率高的優點，是礦井通風系統最常用的風機之一。為了滿足井下通風需求，通風系統通常需要保持風機處于高速運轉的狀態，但受風機結構特性和通風環境的限制，在風機高速運行的過程中，會產生巨大的噪聲和振動，不僅造成了嚴重的噪聲污染，而且限制了風機運行速度的進一步提升，不利于礦井通風經濟性和穩定性的提升。

通過對影響風機運行噪聲的因素分析，發現葉片形態是影響最大的因素之一，因此在前人研究的基礎之上，提出了一種新型仿生葉片結構。

1 葉片結構優化分析

本文所提出的優化后的葉片結構分為三種，第一種是在葉片后側設置鋸齒狀結構，第二種是在葉片前側設置圓齒狀結構，第三種是在葉片后側設置鋸齒狀結構、在葉片前側設置圓齒狀結構。各類葉片對比結構如圖1 所示[1]。

圖1 不同結構葉片對比示意圖

由圖1 可知，在葉片后側的鋸齒結構高為4.81 mm、鋸齒角為90°，前側的圓弧狀鋸齒結構高為6.37 mm、齒寬為28 mm。以對旋式通風機為研究對象，其額定流量為125 00 m3/h，運行效率為83%，風機額定轉速為2 900 r/min，前側的葉片數量為8 個、后側的葉片數量為7 個，風機葉輪的直徑為500 mm。利用三維建模軟件建立該對旋式通風機的三維模型，然后利用非結構化四面體網格劃分的方法對風機各部件進行網格劃分。為了提高仿真分析的準確性，在風機葉頂間隙邊界層處進行了網格加密劃分，網格劃分后的對旋式通風機模型如圖2 所示。

圖2 對旋式風機三維結構模型

利用Fluent 流體分析軟件，對不同葉片結構下的風機運行特性進行分析，考慮到仿真分析能力，在分析時采用RNG k－ε 模型在大渦流的狀態下進行[2]，邊界條件設置時將氣流速度入口選擇在集流器的截面位置，將氣流的壓力入口選擇在擴散器出口的截面上，進行仿真分析時獲取不同時間段的流場和聲場特性，在選擇分析結果時，應選取穩定運行100 r/min 以后的流場，提高分析的精確性。

2 不同葉片狀態下靜壓分布分析

風機在額定流量和轉速下，不同結構葉片前級和后級表面上的靜壓分布結果如下頁圖3 所示。

圖3 風機前、后側葉片靜壓分布示意圖

由仿真分析結果可知，在相同的葉型結構下，風機后側葉輪葉片靜壓分布的均勻性，均優于前側葉輪葉片靜壓分布，僅在葉片的高壓區域存在梯次減少的情況，進而影響了風機運行時后側風葉的有效做功，降低了風機運行時全壓效率的減少[3]。

與風機原始葉片相比，優化結構1 前側葉片在靠近頂部的位置低壓區域顯著降低，表明在葉片后側設置鋸齒狀的結構，能夠減少葉片吸力面和壓力面上的壓差情況，降低風機運行時葉片表面的壓力脈動，使葉頂間隙位置的渦流量減少。優化結構2 前側的壓強從頂部到根部不斷減少，氣流在前側圓齒的影響下，氣流從葉片軸向向著徑向偏轉，與正常流動的氣流形成交匯，在葉片后側形成了一個干擾氣流，進而導致出現大的渦流，影響風機運行的穩定性。優化結構3和原始葉片相比，前側和后側的葉片表面壓力分布均勻性高、壓力損失率低，而且在后側鋸齒狀結構的影響下，將前側形成的渦流團擊碎[4]，增加了單位時間內的有效氣流量，提升了風機在運行時的效率和穩定性。

3 不同葉片結構下的壓力脈動變化

在同樣的工況下對風機在運行過程中不同葉片結構下的壓力脈動變化情況進行分析，將仿真分析結果繪制成壓力脈動變化曲線，結果如圖4 所示。

由圖4 可知，原始葉片的平均壓力脈動達到了0.007 Pa，其波動范圍為±0.025 Pa。葉片1 的平均壓力脈動為0.005 Pa，其波動范圍為±0.016 Pa。葉片2的平均壓力脈動為0.003 Pa，其波動范圍為±0.006 Pa。葉片3 的平均壓力脈動為0.001 Pa，比原始葉片降低了85.7%，其波動范圍為±0.002 Pa。

圖4 不同葉片結構下壓力脈動示意圖

由此可知，采用優化后的葉片，能夠顯著降低風機在運行時的壓力脈沖波動，且采用葉片前端增加圓齒狀前緣、在葉片后側增加鋸齒狀后緣的結構，具有最明顯的降低壓力脈沖效果，顯著提升了風機在運行時的穩定性。

4 瞬時噪聲變化

在同樣的工況下對風機在運行過程中不同葉片結構下的噪聲變化情況進行分析，結果如圖5 所示。

圖5 不同葉片結構下運行噪聲變化示意圖

由圖5 可知，風機采用原始葉片情況下運行時的平均聲壓級約為107 dB，采用葉片1 的平均聲壓級約為102 dB，采用葉片2 的平均聲壓級約為97 dB，采用葉片3 的平均聲壓級約為91 dB，比優化前降低了約16 dB，顯著提升了風機運行時的穩定性和舒適性。

5 結論

針對目前礦井通風機運行時振動、噪聲大，影響礦井通風效率和安全的現狀，提出了一種新的通風葉片結構，利用大渦流模擬的方法對不同葉片方案下的通風機運行特性進行仿真分析，結果表明：

1）利用Fluent 仿真分析軟件和RNG k－ε 模型在大渦流的狀態下對風機運行特性進行分析，能夠比較真實地反映風機的運行狀態，為風機結構優化提供依據。

2）葉片3 結構前側和后側的葉片表面的壓力分布均勻性高、壓力損失率低，增加了單位時間內的有效氣流量，提升了風機在運行時的效率和穩定性。

3）當在葉片前端增加圓齒狀前緣、在葉片后側增加鋸齒狀后緣時，能夠將風機運行時的噪聲降低16 dB，將風機運行時的壓力脈動降低了87.5%，對優化風機結構、提升風機運行穩定性具有十分重要的意義。