對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)頂部間隙對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響

武 剛

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)， 山西 靈石 031300）

引言

對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)內(nèi)部是個(gè)復(fù)雜的三維流體場(chǎng)，從進(jìn)風(fēng)管到初級(jí)風(fēng)筒再到兩級(jí)葉輪最后通過(guò)次級(jí)風(fēng)筒，期間流場(chǎng)變化梯度大，尤其是兩級(jí)級(jí)葉輪部位，流場(chǎng)變化更為復(fù)雜。就物理模型來(lái)說(shuō)，影響風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的因素除過(guò)兩級(jí)葉輪葉片數(shù)、葉片安裝角、軸向間隙以及輪轂比以外，還有個(gè)重要的參數(shù)就是葉輪頂部間隙，相對(duì)徑向間隙也被稱(chēng)作徑向間隙，它是葉片外緣與機(jī)殼之間的微小差距，對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響也不容忽視[1-2]。目前，也有很多對(duì)頂部間隙進(jìn)行研究的理論分許與數(shù)值模擬方法，但是大都是基于單葉輪風(fēng)機(jī)，對(duì)于兩級(jí)葉輪或者多葉輪風(fēng)機(jī)，則缺乏必要的研究理論依據(jù)[3-5]。

1 數(shù)值模擬的前處理

頂部間隙物理模型在創(chuàng)建時(shí)也是采用SolidWorks軟件，以12/10葉片數(shù)配合為主，風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)尺寸

本文所說(shuō)的頂部間隙是機(jī)殼都葉片頂部邊緣的有效距離，葉片采用圓弧板型，取葉頂間隙為d，葉片高為l，d/l為相對(duì)頂部間隙，如表2所示，為頂部間隙模型數(shù)據(jù)。

表2 頂部間隙模型數(shù)據(jù)

物理模型創(chuàng)建完成后導(dǎo)入Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，與葉片數(shù)物理模型網(wǎng)格劃分所不同的是，在本章網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)流域進(jìn)行重新定義，主要分成四大部分，分別是集流器、初級(jí)葉輪、次級(jí)葉輪以及擴(kuò)散器，網(wǎng)格劃分情況如表3所示。網(wǎng)格劃分完成后導(dǎo)入Fluent進(jìn)行求解條件設(shè)置，相關(guān)設(shè)置和葉片數(shù)設(shè)置相同，以速度入口為入口邊界條件，采用多參考坐標(biāo)系，選擇分離式求解器，壓力速度耦合方式，近壁面采用無(wú)滑移固壁條件，出口選擇自由出口，設(shè)置完成進(jìn)行數(shù)值模擬求解，觀察收斂曲線，達(dá)到預(yù)設(shè)條件認(rèn)為其收斂，可進(jìn)一步進(jìn)行后處理分析。

表3 頂部間隙模型網(wǎng)格劃分

2 風(fēng)機(jī)的性能曲線

本文所考慮的出發(fā)點(diǎn)主要是從靜壓、全壓以及效率出發(fā)，來(lái)分析頂部間隙大小對(duì)對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)性能的影響。

圖1 不同相對(duì)頂部間隙下出口靜壓值隨流量的變化

從圖1、圖2中可以看出，隨著頂部間隙的增大，無(wú)論是出口靜壓值還是風(fēng)機(jī)全壓值都在逐漸降低，同時(shí)隨著間隙的增大，靜壓值和全壓值隨流量的變化率在逐漸降低。當(dāng)相對(duì)頂部間隙為2.5%時(shí)，風(fēng)機(jī)的靜壓值和全壓值都相對(duì)比較高，流量的大小對(duì)風(fēng)機(jī)靜壓值和全壓值影響比較大，當(dāng)質(zhì)量流量小于2.2 kg/s時(shí)，頂部間隙越小，出口面靜壓值和風(fēng)機(jī)全壓值隨流量變化更加敏感，當(dāng)質(zhì)量流量大于2.3 kg/s時(shí)，靜壓值和全壓值隨頂部間隙的變化程度減弱，流量的變化對(duì)其影響占到了主導(dǎo)地位。如果從影響因素的大小來(lái)看，頂部間隙的大小是影響出口面靜壓值和風(fēng)機(jī)全壓值的主要因素。

圖2 不同相對(duì)頂部間隙下風(fēng)機(jī)全壓隨質(zhì)量流量的變化

對(duì)旋風(fēng)機(jī)作為一個(gè)能量轉(zhuǎn)換機(jī)械，效率是必須要考慮的一個(gè)性能指標(biāo)，如圖3所示，為不同葉頂間隙時(shí)風(fēng)機(jī)全壓效率隨流量的變化曲線。

圖3 不同相對(duì)頂部間隙下效率隨質(zhì)量流量的變化

從圖中可以看出，隨著葉頂間隙的增大，風(fēng)機(jī)全壓效率隨之逐漸減小，當(dāng)質(zhì)量流量小于2.2 kg/s時(shí)，隨著頂部間隙的增大，流量變化對(duì)效率的影響在隨之減弱，當(dāng)質(zhì)量流量值大于2.3 kg/s時(shí)，隨著頂部間隙的減小，流量變化率在逐漸加強(qiáng)，同時(shí)可以看出，隨著流量的進(jìn)一步增大，效率變化幅度在進(jìn)一步增大，近似線性關(guān)系。綜合可知，合理的設(shè)計(jì)葉頂間隙，有利于提高通風(fēng)機(jī)的全壓效率值。

3 不同間隙下兩級(jí)電機(jī)的軸功率匹配

工況點(diǎn)不同，對(duì)旋風(fēng)機(jī)的兩級(jí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率匹配情況也不盡相同，通過(guò)分析不同工況點(diǎn)下的通風(fēng)機(jī)功率匹配情況才能在實(shí)際運(yùn)行中避免次級(jí)電機(jī)過(guò)載或者輕載的現(xiàn)象發(fā)生，防止次級(jí)電機(jī)燒毀以及絕緣損壞等問(wèn)題產(chǎn)生。

如圖4為2.5%相對(duì)葉頂間隙下兩級(jí)電機(jī)功率的匹配情況，可以看出：隨著通風(fēng)距離的增加，次級(jí)電機(jī)的輸出功率逐漸增大，在質(zhì)量流量為2.4 kg/s左右時(shí)，初次級(jí)電機(jī)功率均在0.95 kW左右，匹配度高；隨著流量的減小、送風(fēng)距離的增加，次級(jí)電機(jī)功率逐漸增加，初級(jí)電機(jī)功率基本保持不變，在質(zhì)量流量為2.1 kg/s時(shí)，次級(jí)電機(jī)功率達(dá)到1.06 kW，初級(jí)電機(jī)功率在0.97 kW左右，兩級(jí)電機(jī)匹配度明顯降低。

圖4 相對(duì)頂部間隙為2.5%時(shí)的兩級(jí)電機(jī)功率匹配

圖5為相對(duì)頂部間隙為3.0%時(shí)的兩級(jí)電機(jī)功率匹配情況，可以看出：在流量為2.3 kg/s時(shí)，兩級(jí)電機(jī)功率匹配度較高，初級(jí)電機(jī)功率在0.96 kW左右，次級(jí)電機(jī)功率在0.97 kW左右；隨著送風(fēng)距離的逐漸增加，次級(jí)電機(jī)的功率在逐漸增大，當(dāng)送風(fēng)量達(dá)到2.2 kg/s附近時(shí)，次級(jí)電機(jī)的功率出現(xiàn)最大值，繼續(xù)增加送風(fēng)距離，次級(jí)電機(jī)的功率有所下降。對(duì)應(yīng)不同的工況點(diǎn)，選用不同的功率等級(jí)電機(jī)，可提高電機(jī)功率利用率，保證兩級(jí)電機(jī)都可以在額定功率范圍內(nèi)使用。

圖5 相對(duì)頂部間隙為3.0%時(shí)兩級(jí)電機(jī)功率匹配

下頁(yè)圖6為相對(duì)頂部間隙為3.5%時(shí)兩級(jí)電機(jī)功率匹配情況，可以看出，隨著流量的減小，送風(fēng)距離的增加，次級(jí)電機(jī)的功率在進(jìn)一步提高，在2.2 kg/s時(shí)次級(jí)電機(jī)功率達(dá)到最大值，若送風(fēng)距離進(jìn)一步增加，次級(jí)電機(jī)功率則可能出現(xiàn)下滑趨勢(shì)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相對(duì)葉頂間隙為3.5%時(shí)，通風(fēng)機(jī)兩級(jí)電機(jī)在遠(yuǎn)距離送風(fēng)時(shí)兩級(jí)電機(jī)功率匹配要比短距離送風(fēng)更好，綜合相對(duì)葉頂間隙為2.5%、3.0%以及3.5%三種工況可以發(fā)現(xiàn)，隨著送風(fēng)距離的增加，兩級(jí)電機(jī)的功率匹配度隨著葉頂間隙的增大而提高，也就是說(shuō)，在稍遠(yuǎn)距離的送風(fēng)時(shí)，若要保證兩級(jí)電機(jī)同功率工作，則在電機(jī)選擇時(shí)功率等級(jí)應(yīng)適時(shí)提高。

下頁(yè)圖7為相對(duì)頂部問(wèn)隙為4.0%時(shí)兩級(jí)電機(jī)功率匹配情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉頂間隙逐步增大達(dá)到7.5 mm時(shí)，兩級(jí)電機(jī)的功率匹配度出現(xiàn)失衡現(xiàn)象，初級(jí)電機(jī)的最大功率點(diǎn)0.92 kW左右，次級(jí)電機(jī)的最大功率點(diǎn)0.84 kW左右，隨著送風(fēng)距離增加，次級(jí)電機(jī)功率在逐步增加但是變化幅度相對(duì)有所減小，尤其是在短距離送風(fēng)時(shí)兩級(jí)電機(jī)功率相差比較大，無(wú)法保證兩級(jí)葉輪可以選用同功率等級(jí)的電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。頂部間隙過(guò)大，無(wú)法保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)的合理選型，在功率匹配方面存在一定難度。

圖6 相對(duì)頂部間隙為3.5%時(shí)兩級(jí)電機(jī)功率匹配

綜合分析可知，保證頂部間隙在一定范圍內(nèi)，隨著頂部間隙的增大，兩級(jí)電機(jī)的功率匹配度向左出現(xiàn)偏移，在遠(yuǎn)距離送風(fēng)時(shí)兩級(jí)電機(jī)功率匹配度較高，但是當(dāng)頂部間隙超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，隨著頂部間隙的進(jìn)一步增大，兩級(jí)電機(jī)功率匹配度降低，次級(jí)電機(jī)的輸出功率相對(duì)降低，若選用同等級(jí)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，次級(jí)電機(jī)則可能出現(xiàn)輕載現(xiàn)象。由于在兩級(jí)電機(jī)選用時(shí)，都是以初級(jí)電機(jī)負(fù)載作為參考，因此在選用兩級(jí)電機(jī)時(shí)應(yīng)該分析不同工況點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況合理選擇兩級(jí)電機(jī)功率等級(jí)。

4 結(jié)論

1）風(fēng)機(jī)的靜壓、全壓以及效率隨著頂部間隙的增大在逐漸減小，在2.15～2.25 kg/s之間，存在著最大值，可以使得風(fēng)機(jī)的綜合性能得到提高。

圖7 相對(duì)頂部間隙為4.0%時(shí)兩級(jí)電機(jī)功率匹配

2）隨著頂部間隙的增大，低壓區(qū)影響范圍在逐漸擴(kuò)大，中心點(diǎn)逐漸向葉片尾緣靠近。相對(duì)單葉輪風(fēng)機(jī)，對(duì)旋風(fēng)機(jī)次級(jí)葉輪對(duì)泄漏流乃至泄漏渦更加敏感，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。

3）樣機(jī)模型兩級(jí)電機(jī)功率匹配度高于7.5 mm模型但是低于其他間隙模型，在質(zhì)量流量為2.1 kg/s、2.2 kg/s以及2.3 kg/s時(shí)頂部間隙為6.5 mm模型兩級(jí)電機(jī)功率匹配度較高，優(yōu)于樣機(jī)模型和5.5 mm間隙模型，間隙為5.5 mm尺寸模型匹配度高于樣機(jī)模型但是低于6.5 mm間隙模型。綜合壓力值、效率變化以及兩級(jí)電機(jī)功率匹配度考慮，4.5 mm頂部間隙模型優(yōu)于樣機(jī)模型，更適合遠(yuǎn)距離送風(fēng)運(yùn)行工況。