后級(jí)葉片安裝角對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)性能的影響研究

張錦荃

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦， 山西 大同 037028）

在煤炭的開采過程中，通風(fēng)機(jī)是必不可少的通風(fēng)設(shè)備，在通風(fēng)機(jī)的多種類型中[1]，對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)具有風(fēng)量大、風(fēng)壓高及可進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦的開采中具有廣泛的應(yīng)用。由于軸流通風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境惡劣，在使用中存在著運(yùn)行不穩(wěn)定、風(fēng)流短路等問題，影響煤礦的安全生產(chǎn)[2]。隨著通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，動(dòng)葉可調(diào)式軸流通風(fēng)機(jī)可進(jìn)行后級(jí)葉片安裝角度的調(diào)節(jié)，從而使通風(fēng)機(jī)滿足不同工況的需求，成為煤礦通風(fēng)的主要設(shè)備[3]。針對(duì)后級(jí)葉片安裝角度對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)性能的影響，采用流體力學(xué)仿真分析的形式對(duì)其氣動(dòng)性能進(jìn)行分析，從而選擇合理的后級(jí)葉片安裝角度，為軸流通風(fēng)機(jī)的安全高效運(yùn)行提高保障[4]。

1 不同后級(jí)葉片安裝角軸流通風(fēng)機(jī)分析模型的建立

動(dòng)葉可調(diào)式軸流通風(fēng)機(jī)采用結(jié)構(gòu)相同的葉輪進(jìn)行串聯(lián)，前后級(jí)葉輪均采用動(dòng)葉角度可調(diào)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)葉安裝角度的調(diào)節(jié)[5]。機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片安裝角度的可靠調(diào)節(jié)。軸流通風(fēng)機(jī)的后級(jí)葉輪直接對(duì)外輸出做功，后級(jí)葉片的安裝角度對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能影響較大[6]。針對(duì)后級(jí)葉片的安裝角度進(jìn)行模擬分析，葉片的安裝角度如圖1 所示，翼弦與葉珊額線之間的夾角即為葉片安裝角。機(jī)械式葉片角度調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)葉片安裝角度的調(diào)節(jié)范圍一般為±5°[7]，且極限位置受到的作用力較大。針對(duì)后級(jí)葉片的安裝角度進(jìn)行分析，選定后級(jí)葉片的安裝角度變化為±3°[8]，依據(jù)某型號(hào)的軸流通風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行分析，則選定后級(jí)葉片的安裝角度分別為40°、43°及46°。

圖1 軸流通風(fēng)機(jī)葉片安裝角示意圖

對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行模擬計(jì)算，首先依據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行葉輪模型的建立，葉輪的輪轂直徑為900 mm，葉片數(shù)目為12，葉輪的直徑為2 000 mm，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為560 r/min。對(duì)所建立的葉輪模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[9]，得到葉輪的網(wǎng)格模型如圖2 所示，前后級(jí)葉輪的結(jié)構(gòu)一致，從而依據(jù)軸流通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算域的設(shè)定。

圖2 軸流通風(fēng)機(jī)葉輪網(wǎng)格模型

軸流通風(fēng)機(jī)的計(jì)算域主要包括風(fēng)機(jī)的進(jìn)口域、前級(jí)葉輪的計(jì)算域、內(nèi)容的計(jì)算域、后級(jí)葉輪的計(jì)算域及風(fēng)機(jī)的出口計(jì)算域。為保證流體充分進(jìn)入通風(fēng)機(jī)，在進(jìn)口域選擇長(zhǎng)度為3 倍的葉輪直徑，出口域選擇長(zhǎng)度為6 倍的葉輪直徑，從而使流體流出時(shí)更加穩(wěn)定[10]。相鄰的計(jì)算域之間采用交界面進(jìn)行連接，前后級(jí)葉輪為旋轉(zhuǎn)的計(jì)算域，其他的計(jì)算域?yàn)殪o止域，建立不同的后級(jí)葉片安裝角計(jì)算模型。對(duì)于通風(fēng)機(jī)除葉輪外的計(jì)算域，由于其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[11]，這樣可以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性及計(jì)算效率。

設(shè)定軸流通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的流體介質(zhì)為不可壓縮的黏性氣體，采用不可壓的雷諾時(shí)均N-S 方程進(jìn)行全三維的定常數(shù)值模擬，湍流模型采用SST 模型。在模型分析時(shí)，設(shè)定進(jìn)口處的入口壓力及流量，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓[12]，溫度為室溫，內(nèi)部筒體為無滑移的壁面，采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)，由此進(jìn)行軸流通風(fēng)機(jī)性能的分析。

2 不同后級(jí)葉片安裝角軸流通風(fēng)機(jī)性能的分析

2.1 軸流通風(fēng)機(jī)靜壓效率的結(jié)果分析

對(duì)三種不同的后級(jí)葉片安裝角時(shí)軸流通風(fēng)機(jī)的靜壓效率進(jìn)行分析，得到靜壓效率性能曲線如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在不同的后級(jí)葉片安裝角下，靜壓效率隨流量增加的變化趨勢(shì)一致，呈先增加后減小的趨勢(shì)，三種不同的后級(jí)葉片安裝角的靜壓效率曲線相互交叉，說明靜壓效率的變化差別較大；在小流量的工況下，后級(jí)葉片安裝角為40°時(shí)的靜壓效率最大，說明此時(shí)在小流量工況下有利于較小的葉片安裝角高效運(yùn)行。在大流量的工況下，后級(jí)葉片安裝角為46°時(shí)的靜壓效率最大，說明大流量的工況下有利于較大的葉片安裝角高效運(yùn)行。風(fēng)機(jī)的整體靜壓效率隨著流量的增加呈減小的趨勢(shì)，但46°后級(jí)葉片安裝角時(shí)效率的下降較慢，40°后級(jí)葉片安裝角時(shí)效率的下降最快，由此說明較大的安裝角能夠增加軸流通風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行的范圍。

圖3 軸流通風(fēng)機(jī)靜壓效率變化曲線

2.2 軸流通風(fēng)機(jī)靜壓的結(jié)果分析

對(duì)三種不同的后級(jí)葉片安裝角時(shí)軸流通風(fēng)機(jī)的靜壓性能進(jìn)行分析，得到靜壓性能曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不同的后級(jí)葉片安裝角度下，靜壓隨流量增加的變化趨勢(shì)一致，均呈逐步減小的趨勢(shì)。在三種不同的后級(jí)葉片安裝角度下，僅在流量較小的工況下，46°后級(jí)葉片安裝角度時(shí)的靜壓值較小，在流量大于72.5 m3/s 后，46°后級(jí)葉片安裝角度的靜壓值均較大。在小流量的工況下，流量小于76 m3/s 時(shí)46°后級(jí)葉片安裝角時(shí)的靜壓值急劇下降，說明此時(shí)軸流通風(fēng)機(jī)發(fā)生失速現(xiàn)象，不利于通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 軸流通風(fēng)機(jī)靜壓變化曲線

綜上可知，在小流量的工況下，安裝角較小時(shí)軸流通風(fēng)機(jī)的整體性能較好，靜壓效率及靜壓均較大，46°后級(jí)葉片安裝角時(shí)存在一定的失速現(xiàn)象。在大流量的工況下，安裝角較大時(shí)風(fēng)機(jī)的表現(xiàn)更好，靜壓效率的曲線下降較慢。從整體上看，較大的后級(jí)葉片安裝角效率的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體積流量向大的一側(cè)移動(dòng)，能夠增加軸流通風(fēng)機(jī)的高效率工作范圍，有利于軸流通風(fēng)機(jī)多工況下的高效運(yùn)行。

3 結(jié)論

針對(duì)后級(jí)葉片安裝角度對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)性能的影響，采用流體力學(xué)仿真的形式進(jìn)行建模分析。選定后級(jí)葉片的安裝角度變化范圍為±3°，對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)建立計(jì)算域模型，并對(duì)風(fēng)機(jī)的靜壓效率及靜壓值進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，在小流量的工況下，較小的后級(jí)葉片安裝角有利于風(fēng)機(jī)的高效運(yùn)行，在大流量的工況下，較大的后級(jí)葉片安裝角有利于風(fēng)機(jī)的高效運(yùn)行。由于較大的后級(jí)葉片安裝角能夠在整體上提高軸流通風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行的范圍，從而有利于軸流通風(fēng)機(jī)多工況下的高效運(yùn)行。在進(jìn)行后級(jí)葉片安裝角度的調(diào)節(jié)時(shí)，可依據(jù)工況條件選擇合理的安裝角度，提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。