安裝角和切割量對礦用軸流式風(fēng)機通風(fēng)安全性的影響

摘 要：隨著煤礦井下開采深度的增加，通風(fēng)系統(tǒng)的高效性顯得尤為重要，軸流式通風(fēng)機是通風(fēng)系統(tǒng)的核心組成部分，其葉片安裝角度對其工作效率具有較大影響。本文通過流體仿真分析軟件，對風(fēng)機在不同葉片安裝角和切割量情況下的工作特性進行分析，旨在優(yōu)化風(fēng)機性能，提高其安全性。

關(guān)鍵詞：安裝角;切割量;風(fēng)機;工作特性

1 通風(fēng)機三維分析模型的建立

本文以某型動葉可調(diào)式礦用軸流風(fēng)機為研究對象，利用三維建模軟件建立其三維結(jié)構(gòu)模型，該軸流式通風(fēng)機的翼形結(jié)構(gòu)為對稱式蟬翼型葉片結(jié)構(gòu)，葉片安裝角度為32°，利用六面體網(wǎng)格劃分方法，對風(fēng)機進行分析網(wǎng)格劃分，為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進行劃分時，采用了局部加密的方案，對風(fēng)機葉片進行網(wǎng)格細(xì)化處理，劃分完成后網(wǎng)格總數(shù)為241萬，其中導(dǎo)葉區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量為126萬。同時根據(jù)動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機的結(jié)構(gòu)，將其分為動葉、擴壓器、風(fēng)機集流器和風(fēng)機導(dǎo)葉四個部分，該風(fēng)機共設(shè)置14個動葉和15個導(dǎo)葉，工作時的額定轉(zhuǎn)速為1200r/min。為了實現(xiàn)對風(fēng)機工作狀態(tài)的精確仿真分析，采用了K-ε湍流模型。

根據(jù)軸流式通風(fēng)機的實際截割參數(shù)，為了充分驗證在不同情況下的工作特性，選擇風(fēng)機在無切割情況下對29°、32°、35°時的工作特性進行分析，然后對在安裝角相同情況下的不同切割量情況進行分析。

2 軸流式通風(fēng)機工作特性的仿真分析

2.1 風(fēng)機全壓性能分析

葉輪葉片安裝角β分別為29°、32°、35°情況下，分析風(fēng)機在不同的切割量下工作時的全壓性能曲線。

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)葉輪葉片的安裝角為29°、32°時，不同的葉片切割量情況下的風(fēng)機全壓性能曲線均隨著流量的增加而有序降低，且葉片切割量所占的葉片總長度越長其工作過程中的全壓效率就越低，這主要是由于隨著葉片切割量的增加，風(fēng)機的葉頂間隙不斷地加大，增加了風(fēng)機運行時在葉片頂部的渦流損失。當(dāng)風(fēng)機葉輪葉片的安裝角為35°的情況下，切割量占葉片總長度的百分比為0和5%的情況下風(fēng)機工作時的全壓效率曲線出現(xiàn)了較大的波動，導(dǎo)致軸流式通風(fēng)機在低速小流量工況下會出現(xiàn)明顯的“喘振”現(xiàn)象，這是由于在葉片安裝角增大的情況下，風(fēng)機低速運行時在葉片根部產(chǎn)生了渦流沖擊，導(dǎo)致了運行不穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

經(jīng)過對比可知，在各種安裝角的情況下，風(fēng)機在小流量區(qū)域工作時均會出現(xiàn)一定的不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致其實際運行時的全壓效率較低，能耗高、穩(wěn)定性差，因此表明當(dāng)風(fēng)機在小流量工況（≤36m3/s）下的工作不穩(wěn)定性較為顯著，在實際應(yīng)用中，應(yīng)避免使風(fēng)機在小流量工況下運行。

2.2 風(fēng)機工作效率分析

葉輪葉片安裝角β分別為29°、32°、35°情況下，分析風(fēng)機在不同的切割量情況下工作效率變化曲線。

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)安裝角為29°、32°的情況下，風(fēng)機運行時的效率均隨著流量的增加而呈現(xiàn)整體降低的趨勢，當(dāng)流量相同的情況下風(fēng)機葉片的切割量越大其運行效率就越低。這主要是由于風(fēng)機運行的流量越大，在工作時產(chǎn)生的不穩(wěn)性喘振就越嚴(yán)重，進而導(dǎo)致了風(fēng)機整體運行效率的降低。流量相同的情況下風(fēng)機葉片切割量越大，頂部間隙越大，工作時的壓差越小，進而導(dǎo)致了風(fēng)機運行效率的降低。

當(dāng)風(fēng)機葉片的安裝角度為35°時，不同切割情況下的運行效率存在著較大的差異性。當(dāng)流量超過39m3/s時，效率降低較小，整體穩(wěn)定性相對較高。由此可知當(dāng)風(fēng)機在不同的安裝角和葉片切割量情況下具有不同的工作特性，因此可以針對風(fēng)機工作時的實際工況對其葉片安裝角和葉片切割量進行調(diào)節(jié)，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)始終處于高效率的工作狀態(tài)下。

2.3 風(fēng)機渦流情況分析

風(fēng)機在工作過程中風(fēng)葉在壓力面上的壓力要高于在吸力面上的壓力，在該壓差作用下，風(fēng)機將使氣流從壓力面向著吸力面逐漸流動，而風(fēng)機在工作時葉輪高速旋轉(zhuǎn)將使吸力面上的空氣受離心力的作用向著壓力面流動，二者在風(fēng)機中部形成抵消流場，使氣流向著葉面的橫向進行流動，在風(fēng)機持續(xù)運轉(zhuǎn)的過程中，該壓差不平衡和離心力作用下的氣流抵消現(xiàn)象連續(xù)發(fā)生，進而導(dǎo)致了風(fēng)機工作時的能量的損失。分析不同葉片切割量情況下的葉片上的渦流分布。

結(jié)果表明：同一個安裝角下葉片的切割量越大，渦流分布中心離風(fēng)機的輪轂就越近，在運行過程中的渦流損失量就越大，因此風(fēng)機在運行過程中的全壓和工作效率就越低。這主要是由于在切割量增加的情況下，風(fēng)機葉片的葉頂間隙就越大，葉片頂部的氣流泄露量增加，從而導(dǎo)致了泄露渦流的變大，渦流損失量增加。當(dāng)葉片的切割量相同，安裝角度不同的情況下，渦流分布中心保持不變，且渦流量隨著安裝角度的增加而增大，主要是由于隨著安裝角的增加，氣流在隨葉片高速旋轉(zhuǎn)的過程中離心力逐漸小于壓差力，泄露氣流逐漸向著葉片根部移動，進而導(dǎo)致在葉片根部處的渦流泄露情況變大，形成了顯著的渦流損失。

3 不同切割量情況下風(fēng)機熵產(chǎn)率的變化分析

熵產(chǎn)率是表示風(fēng)機內(nèi)部流場流動過程中不可逆能量損失大小的量。分析風(fēng)機在不同的葉片切割量情況下的熵產(chǎn)率分布情況。由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)葉片的切割量為0°時，風(fēng)機在運行過程中的熵產(chǎn)率主要集中在風(fēng)機的導(dǎo)葉區(qū)，且在導(dǎo)葉區(qū)流道的底部和頂部處的熵產(chǎn)率最高，在風(fēng)機的擴壓器處的熵產(chǎn)率分布較小，這主要是由于風(fēng)機在流動過程中氣流在風(fēng)機的導(dǎo)葉區(qū)出現(xiàn)了偏流，并與葉片出現(xiàn)了撞擊，導(dǎo)致在葉片的邊界處出現(xiàn)了旋渦流動現(xiàn)象，引起了大量的能量損失，因此其熵產(chǎn)率最高，而在擴壓器的位置氣流流動較為規(guī)則，因此其在流動過程中的能量損失小，熵產(chǎn)率低。當(dāng)葉片切割量開始增加時，整機的熵產(chǎn)率隨著切割量的增加而逐漸加大，說明風(fēng)機在工作中葉片的切割量越大，流量損失越大，工作時的效率和全壓越低，因此在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)實際情況調(diào)整風(fēng)機的葉片切割量，確保風(fēng)機工作時的效率和經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

①當(dāng)葉輪葉片的安裝角為29°、32°情況下，各種葉片切割量情況下的風(fēng)機全壓性能曲線均隨著流量的增加而降低;②當(dāng)風(fēng)機葉輪葉片的安裝角為35°的情況下，切割量所占的葉片總長度為0%和5%情況下風(fēng)機工作時的全壓效率曲線出現(xiàn)了較大的波動，導(dǎo)致軸流式通風(fēng)機在低速小流量工況下會出現(xiàn)“喘振”現(xiàn)象;③同一個安裝角下葉片的切割量越大渦流分布中心離風(fēng)機的輪轂就越近，在運行過程中的渦流損失量就越大，當(dāng)葉片的切割量相同，安裝角度不同的情況下，渦流分布中心保持不變，且渦流量隨著安裝角度的增加而增大;④整機的熵產(chǎn)率隨著切割量的增加而逐漸加大，因此在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)實際情況調(diào)整風(fēng)機的葉片切割量，確保風(fēng)機工作時的效率和經(jīng)濟性。

作者簡介：

袁輝（1984- ），男，山西大同人，本科，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，機電工程師，從事軸流式通風(fēng)機優(yōu)化研究。