對旋式風(fēng)機(jī)在不同安裝角下的性能優(yōu)化研究

張 巖

（西山煤電鎮(zhèn)城底礦通風(fēng)科，山西 古交 030203）

引言

對旋式通風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低、風(fēng)量大的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于礦井通風(fēng)系統(tǒng)中。該類風(fēng)機(jī)具有前后兩級葉片，氣流通過集流器進(jìn)入第一級葉輪獲得能量后，再經(jīng)第二級反向旋轉(zhuǎn)消除并形成單一的軸向流動，因此兩級葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性具有十分重要的影響。目前多數(shù)學(xué)者對風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性的研究主要集中在單個葉片的安裝角或者風(fēng)葉葉型結(jié)構(gòu)上，對兩組葉片安裝角度的匹配特性研究較少，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時工作狀態(tài)和理論分析結(jié)果差異性較大，全壓效率和全壓低，工作穩(wěn)定性差，嚴(yán)重限制了礦井通風(fēng)系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。結(jié)合對旋式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，以正交組合優(yōu)化設(shè)計為基礎(chǔ)，對兩級風(fēng)葉在不同的安裝角組合下的工作特性進(jìn)行組合分析。

1 對旋式風(fēng)機(jī)三維流場的建立

以對旋式通風(fēng)機(jī)為例，其具有前后兩級風(fēng)葉，風(fēng)葉葉輪的前后側(cè)均具有導(dǎo)流錐，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的最大轉(zhuǎn)速為540 r/min，風(fēng)機(jī)輪轂的外徑為900 mm，葉片的葉頂間隙為9 mm，風(fēng)機(jī)動葉片的數(shù)量為12 個，靜葉的數(shù)量為5 個，前葉片的安裝角度為65°，后級葉片的安裝角度為43°。利用三維建模軟件建立風(fēng)機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型，為了確保仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時采用了混合網(wǎng)格劃分方案[1]，在葉輪區(qū)域采用加密網(wǎng)格，在其他區(qū)域則采用了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量為747 萬個，能夠最大程度上確保仿真分析結(jié)果的精確性，同時保證仿真分析的效率[2]，網(wǎng)格劃分后的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 對旋式風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分示意圖

2 正交組合設(shè)計

為了對不同葉片安裝角度下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行分析，對前級葉片設(shè)置63°、65°、67°三個角度，對后級葉片設(shè)置41°、43°、45°三個角度，分別進(jìn)行組合對比，獲取如表1 所示的正交組合試驗(yàn)[3]因素表。

表1 正交組合試驗(yàn)因素表

由于風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的風(fēng)壓和風(fēng)壓效率是風(fēng)機(jī)運(yùn)行的最關(guān)鍵特性，因此將該兩個參數(shù)指標(biāo)作為正交優(yōu)化試驗(yàn)的優(yōu)化目標(biāo)，對不同參數(shù)組合下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如下頁表2 所示。

表2 不同參數(shù)下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性參數(shù)表

由實(shí)際仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)葉前級葉片安裝角為65°、風(fēng)葉后級葉片安裝角為43°時，風(fēng)機(jī)具有最高的全壓效率。當(dāng)風(fēng)葉前級葉片安裝角為65°、風(fēng)葉后級葉片安裝角為41°時，風(fēng)機(jī)具有最高的全壓效率。與65°+41°的組合相比，65°+43°組合雖然全壓效率提升了27.4%，但全壓卻下降了44.2%，而且風(fēng)機(jī)全壓效率的降低對風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行穩(wěn)定性和影響不大[4]，僅對運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有一定的影響，因此綜合礦井通風(fēng)系統(tǒng)的工作特性和安全性需求，最終選擇風(fēng)機(jī)的最佳組合角度為65°+41°。

3 風(fēng)機(jī)優(yōu)化后的特性研究

為了對風(fēng)機(jī)優(yōu)化后的整體性能進(jìn)行研究，在相同的運(yùn)行工況下對優(yōu)化前后的工作特性進(jìn)行分析，其全壓效率和全壓變化狀態(tài)如圖2 所示。

由圖2-1 可知，風(fēng)機(jī)的全壓效率均隨著質(zhì)量流量的增加先增大再減少，但在最大質(zhì)量流量下優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的全壓效率約為73.2%，優(yōu)化前風(fēng)機(jī)運(yùn)行全壓效率僅43.7%，優(yōu)化后比優(yōu)化前提升了67.5%。

由圖2-2 可知，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全壓也是隨著質(zhì)量流量的增加而先增大在減少，在最大質(zhì)量流量下，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全壓為615 Pa，優(yōu)化前僅為157 Pa，因此優(yōu)化后比優(yōu)化前提升了約2.9 倍。

圖2 優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性對比

4 結(jié)論

1）為了確保仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時采用了混合網(wǎng)格劃分方案，在葉輪區(qū)域采用加密網(wǎng)格，在其他區(qū)域則采用了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，能夠?qū)崿F(xiàn)仿真效率和仿真準(zhǔn)確性的有機(jī)統(tǒng)一；

2）當(dāng)風(fēng)葉前級葉片安裝角為65°，風(fēng)葉后級葉片安裝角為41°時，風(fēng)機(jī)具有最優(yōu)的運(yùn)行特性；

3）優(yōu)化后風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全壓比優(yōu)化前提升了2.9倍，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全壓效率比優(yōu)化前提升了67.5%，顯著提升了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性。