礦用對旋通風機不同葉片安裝角度對葉輪靜力學特性的影響

焦國忠

（晉能控股煤業集團四臺礦通風區， 山西 大同 037003）

引言

煤礦的開采過程離不開通風機的作用，對旋通風機的通風流量大、結構緊湊，便于進行布置及維護，在煤礦的生產活動中具有廣泛的應用。對旋通風機作為煤礦的通風保證設備，其運行的性能及安全對煤礦的生產具有重要的影響。對旋通風機的調節方法主要包括改變煤礦的管網特性及調節通風機自身的性能[1]。在實際的運行過程中，葉片的安裝及調節至關重要，葉片的安裝角度不當容易造成葉輪的不匹配及磨損現象，影響設備的工作安全性。針對葉片的安裝角度，采用模擬仿真的形式對不同安裝角度的葉片的性能進行分析，從而確定合理的葉片安裝角度[2]，提高對旋通風機運行的安全穩定。

1 對旋通風機不同葉片安裝角度模型的建立

采用三維建模軟件繪制礦用對旋通風機的幾何模型，主要包括消聲器、彎管、集流器、兩級葉輪及擴散筒，葉輪的直徑為2 000 mm，轉速為980 r/min，兩級葉輪的葉片數量分別為19、17，輪轂比為0.618[3]。對旋通風機的葉片安裝角度選定為-3°、0°及3°三種不同的數值，分別進行通風機模型的建立。對通風機的流場模型在幾何模型的基礎上，對內部非流動區域的實體進行布爾減運算，簡化通風機內部流道，減少了建立流場模型的工作量。

對通風機的模型進行網格劃分處理，通風機為兩級葉輪的設置，其幾何結構較復雜，采用非結構化網格進行劃分，并對葉頂的間隙區域及葉輪內部的葉片的前后緣位置進行網格的加密處理，以提高計算結果的準確性[4]。對旋通風機中的其他區域包括消聲器、彎管機集流器、擴散筒等較為規則的區域，采用結構化的網格進行劃分，對其邊界部分進行加密處理，這樣可保證計算結果準確性的同時節約一定的計算資源，提高計算的效率[5]。經過網格劃分處理，得到對旋通風機的網格劃分模型如圖1 所示。

圖1 通風機網格劃分模型

對旋通風機在工作過程中輸送的氣體的馬赫數較低，將其看作不可壓的黏性湍流流動，設定外界壓力為標準的大氣壓，出口處為自由狀態，通風機的內壁面設定為無滑移的光滑壁面，采用自適應的壁面函數，對近壁面的流動狀況可進行準確的預測。在定常計算中采用Realizable 湍流模型，通過旋轉及曲率的設定，可對對旋通風機的復雜流動進行模擬。對流動過程采用二階迎風的格式對其進行離散化處理，設定葉輪的旋轉周期為0.06 s，每個時間步長的迭代次數為20 次。

2 對旋通風機不同葉片安裝角度靜力學特性的分析

礦用通風機的葉片結構復雜，采用反布爾運算的方式提取葉輪的三維結構，葉片受到重力及離心力的作用，同時氣流對葉片產生響應的氣動力，離心力對葉片產生拉伸變形的作用，氣動力對葉片產生彎曲變形的作用，氣動力載荷采用插值的形式加載到葉片及輪轂的表面，離心力采用設定轉速的形式進行加載。葉輪在工作過程中圍繞中心軸進行旋轉，在輪盤的中心位置處施加相應的圓柱面約束，從而約束葉輪的自由度，得到葉輪的載荷約束模型如下頁圖2 所示。

圖2 葉輪的載荷約束模型

2.1 葉片安裝角度對葉輪強度的影響

在三種不同的葉片安裝角度下，對葉輪的強度進行分析，經過計算統計，將三種不同安裝角度下的最大等效應力進行提取，得到如圖3 所示的不同安裝角度下的最大等效應力變化曲線。

圖3 最大等效應力隨葉片安裝角度的變化曲線

從圖3 中可以看出，在所設定的載荷工況下，不同安裝角度的后一級葉輪的最大等效應力均小于相應的前一級葉輪的等效應力，且當葉片的安裝角度增加時，兩級葉輪的等效應力均有所增加；在對旋通風機運行時，離心力載荷是影響葉輪強度的主要因素，離心力與氣動力的作用方向相互垂直，葉片的安裝角度增加，對離心力的影響較大，從而增加葉輪的應力作用。對旋通風機在運行過程中，葉片部位的強度不足常造成失效或者斷裂，文中所分析的葉片材料采用結構鋼，其屈服極限值較大，通過分析可知，不同角度下產生的最大應力值均小于材料的屈服極限，滿足葉片的使用需求，在此基礎之上，調整較小的安裝角度可減小葉片受到的應力作用。

2.2 葉片安裝角度對葉輪剛度的影響

在三種不同的葉片安裝角度下，對葉輪的剛度進行分析，經過計算統計，將三種不同安裝角度下的最大變形量進行提取，得到如圖4 所示的不同安裝角度下的最大變形量變化曲線。

圖4 最大變形量隨葉片安裝角度的變化曲線

從圖4 中可以看出，在所設定的載荷工況下，不同葉片安裝角度下后一級葉輪的變形量大于前一級葉輪的變形量，葉片的安裝角度增加時，兩級葉輪的變形量均呈現增加的趨勢，同樣是由于葉輪受到的離心力載荷作用較大，對葉輪的變形起到主要的影響作用。

3 結輪

對旋通風機是煤礦生產中常用的通風設備，葉片的安裝角度不同對通風機使用過程中的性能及使用壽命等具有重要的影響。采用仿真分析的方式，對三種葉片安裝角度下的葉輪的靜態性能進行仿真模擬，結果顯示，在-3°、0°、3°三種不同的安裝角度下，對旋通風機的后一級葉輪受的應力小于前一級葉輪，且隨著安裝角度的增加，所受到的最大應力值及產生的最大變形量均有所增加。在進行對旋通風機葉片安裝角度的設計過程中，應盡量減小葉片的安裝角度，從而減輕葉片的應力及變形量，更好的進行葉輪轉速的匹配，提高對旋通風機的使用穩定可靠性，保證煤礦的安全生產。