不同葉片切割量下機(jī)電類風(fēng)機(jī)的工作特性研究

王竹波

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司靈石公用事業(yè)分公司，山西 靈石 031302）

引言

目前，在進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)為了確保緊急情況下對(duì)煤礦井下高速供風(fēng)的要求，對(duì)于風(fēng)機(jī)通常選擇比實(shí)際應(yīng)用需求大的多的型號(hào)，導(dǎo)致在日常運(yùn)行中風(fēng)機(jī)時(shí)常處在低負(fù)荷運(yùn)行的范圍，造成了極大的浪費(fèi)[1]。根據(jù)多年的研究，對(duì)風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行切割是在確保緊急供風(fēng)量要求的情況下降低風(fēng)機(jī)有效運(yùn)行功率的必要手段，因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用FLUENT流體仿真分析軟件對(duì)風(fēng)機(jī)在不同切割量情況下風(fēng)機(jī)的工作特性進(jìn)行研究。

1 軸流式通風(fēng)機(jī)仿真分析模型的建立

本文以軸流式通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，利用CREO三維建模軟件[2]建立其從風(fēng)機(jī)的擴(kuò)散筒和集流器、風(fēng)機(jī)區(qū)域的全部的三維結(jié)構(gòu)模型，該風(fēng)機(jī)共有29個(gè)葉片，其中導(dǎo)葉葉片共15片，動(dòng)葉的葉片數(shù)量為14片，風(fēng)機(jī)風(fēng)葉的翼形結(jié)構(gòu)為對(duì)稱薄蟬翼型結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)工作時(shí)的額定轉(zhuǎn)速為1 130 r/min，各導(dǎo)葉的安裝角度為29°，風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉葉片的直徑約為1 500 mm。在對(duì)風(fēng)機(jī)葉片切割量進(jìn)行設(shè)置時(shí)，結(jié)合風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，選擇對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的切割量為葉片長(zhǎng)度的5%、7%、10%情況下的風(fēng)機(jī)工作特性進(jìn)行研究。由于軸流式通風(fēng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此根據(jù)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)區(qū)域的流場(chǎng)特性，對(duì)最關(guān)鍵的動(dòng)葉區(qū)域、導(dǎo)葉區(qū)域、風(fēng)機(jī)集流器區(qū)域及流場(chǎng)擴(kuò)壓區(qū)域進(jìn)行加密式混合網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)[3]，對(duì)其他區(qū)域采用自動(dòng)賦值的網(wǎng)格劃分方案，最終劃分的網(wǎng)格區(qū)數(shù)量為211萬(wàn)個(gè)，風(fēng)機(jī)三維模型如圖1所示。

圖1 軸流式通風(fēng)機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型

2 不同切割量下風(fēng)機(jī)全壓和效率的變化曲線

利用FLUENT流體仿真分析軟件[4]，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片不同切割量情況下的工作特性進(jìn)行分析，其葉片切割量下的全壓變化曲線如圖2所示。

圖2 不同切割量下風(fēng)機(jī)的全壓變化情況

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行切割時(shí)，風(fēng)機(jī)工作時(shí)的全壓均會(huì)發(fā)生下降。當(dāng)風(fēng)葉的切割量為5%時(shí)，小流量工況（體積流量小于35 m3/s）下風(fēng)機(jī)的全壓比切割前降低了約0.06 kPa;當(dāng)風(fēng)葉的切割量為7%時(shí)，小流量工況下風(fēng)機(jī)的全壓比切割前降低了約0.22 kPa;當(dāng)風(fēng)葉的切割量為10%時(shí)，小流量工況下風(fēng)機(jī)的全壓比切割前降低了約0.29 kPa。且當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)的體積流量繼續(xù)增加時(shí)，風(fēng)機(jī)的全壓將隨著風(fēng)葉切割量的增加而迅速下降。

其葉片切割量下的效率變化曲線如下頁(yè)圖3所示，由仿真分析結(jié)果可知，隨著風(fēng)機(jī)工作時(shí)的體積流量不斷增加，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。當(dāng)在小流量工況下當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片的切割量為5%時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率約為80.7%，優(yōu)于此工況下風(fēng)機(jī)優(yōu)化前79.6%的工作效率;當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)的流量超過(guò)37.5%時(shí)風(fēng)機(jī)葉片切割前的工作效率開(kāi)始高于風(fēng)機(jī)葉片的切割量為5%時(shí)的運(yùn)行效率，但兩者之間在同流量工況下的差別較小。

圖3 不同切割量下風(fēng)機(jī)的效率變化情況

當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片的切割量為7%、10%時(shí)，在全流程工況下風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率均小于風(fēng)葉切割前的運(yùn)行效率，且隨著風(fēng)機(jī)流量的增加其效率下降的幅度不斷增加。

通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片不同切割量下風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)工作特性的對(duì)比分析可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)的葉片切割量為5%時(shí)，風(fēng)機(jī)的全壓是低于風(fēng)機(jī)葉片切割前的全壓的，且風(fēng)機(jī)流量越大的工況兩者之間的差距越大，在小流量工況下時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓差值最大為0.06 kPa，但在小流量工況下風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率要高于風(fēng)機(jī)風(fēng)葉切割前的運(yùn)行效率。風(fēng)機(jī)多數(shù)情況下是處在小流量工況下運(yùn)行，因此當(dāng)風(fēng)葉的切割量設(shè)置為5%時(shí)，既能夠滿足風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在低流量工況下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的要求，而且還可以滿足改善風(fēng)機(jī)工作時(shí)風(fēng)量裕量較大的不足。

當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片的切割量為7%和10%的情況下不管是風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全壓還是效率均要低于風(fēng)機(jī)風(fēng)葉切割前，因此雖然能夠降低風(fēng)機(jī)工作時(shí)的裕量，但是無(wú)法滿足長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性的要求，不適合用于對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)葉的改造。

3 結(jié)論

本文針對(duì)礦用軸流式風(fēng)機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)期在低流量下運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性低、風(fēng)機(jī)風(fēng)量裕量大的缺陷，在對(duì)風(fēng)機(jī)工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用FLUENT流體仿真分析軟件，建立其三維分析模型，對(duì)葉片切割量分別為5%、7%、10%工況下的風(fēng)機(jī)工作特性進(jìn)行了研究，并與優(yōu)化前的工作特性進(jìn)行了對(duì)比分析，根據(jù)分析結(jié)果表明：

1）當(dāng)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行切割時(shí)，風(fēng)機(jī)工作時(shí)的全壓均會(huì)發(fā)生下降，且隨著風(fēng)機(jī)流量的增加其效率下降的幅度不斷增加。當(dāng)風(fēng)葉的切割量為5%時(shí)，小流量工況下風(fēng)機(jī)的全壓比切割前降低了約0.06 kPa；

2）隨著風(fēng)機(jī)工作時(shí)體積流量的不斷增加，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在小流量工況下當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片的切割量為5%時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率約為80.7%，優(yōu)于此工況下風(fēng)機(jī)優(yōu)化前79.6%的工作效率。

3）當(dāng)風(fēng)葉的切割量設(shè)置為5%時(shí)，既能夠滿足風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在低流量工況下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的要求，而且還可以滿足改善風(fēng)機(jī)工作時(shí)風(fēng)量裕量較大的不足。