不同葉片設(shè)計方式的軸流式通風(fēng)機性能對比分析

陳方方

（晉能控股煤業(yè)集團忻州窯礦通風(fēng)區(qū)，山西 大同 037001）

引言

在進行煤炭等能源開采的過程中，通風(fēng)機作為必需的通風(fēng)設(shè)備，對于煤礦的安全開采具有重要的影響。軸流式通風(fēng)機是通風(fēng)設(shè)備中常用的一種設(shè)施，通風(fēng)機自身對于能源的消耗也是影響煤礦經(jīng)濟效益的重要參數(shù)之一。葉片是軸流式通風(fēng)機的重要零部件，其結(jié)構(gòu)形式對于通風(fēng)機的性能具有重要的影響[1]。針對通風(fēng)機的葉片結(jié)構(gòu)，采用不同的設(shè)計形式對其性能進行分析，從而確定最優(yōu)的葉片形式及設(shè)計方式，從而提高通風(fēng)機的性能，保證煤礦的通風(fēng)安全，并提高經(jīng)濟效益。

1 不同軸流式通風(fēng)機葉片的設(shè)計方法

軸流式通風(fēng)機葉片的設(shè)計在傳統(tǒng)上主要依靠二維簡化理論進行，不考慮空氣的黏性及空氣流動對通風(fēng)機性能的影響。隨著設(shè)計方法及計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，采用離散化的數(shù)學(xué)方法對葉片進行設(shè)計，并通過計算機進行數(shù)值仿真分析，對于葉片的設(shè)計提供了更好的方式。采用平面葉珊的方式對葉片進行設(shè)計[2]，圖1-1所示為雙圓弧中弧線繪制方式的方法，虛線即表示得到的葉片弧線的位置，由葉片截面的弦長、進口氣流角及出口幾何角度等設(shè)計參數(shù)即可得到葉片的結(jié)構(gòu)形式；改變圖1-1圓弧的約束形式，即為圖1-2中葉片設(shè)計的第二種方法[3]。

圖1 葉片設(shè)計雙圓弧約束方法

采用兩種不同的設(shè)計方法，依據(jù)某型號的軸流式通風(fēng)機對其葉片進行優(yōu)化設(shè)計，得到兩種不同的葉片形式，采用有限元分析的方式對不同葉片形式軸流式通風(fēng)機的性能進行分析。

2 不同葉片形式軸流式通風(fēng)機的性能分析

2.1 通風(fēng)機性能有限元分析模型的建立

采用有限元分析的方式對兩種不同設(shè)計方法設(shè)計的通風(fēng)機性能進行分析，建立軸流式通風(fēng)機的整體模型如圖2所示，主要分為進口計算域、葉輪計算域、導(dǎo)葉計算域及出口計算域四個部分，葉輪計算域為轉(zhuǎn)動計算域，安裝不同的葉片構(gòu)成不同的形式，其他計算域為靜止計算域，相互之間通過交界面連接[4]。由于軸流式通風(fēng)機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)對葉輪和導(dǎo)葉計算域部分進行網(wǎng)格劃分，能夠具有較好的適應(yīng)性貼合扭曲的葉片表面，采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)對進出口計算域進行網(wǎng)格劃分[5]。

圖2 軸流式通風(fēng)機整體模型

軸流式通風(fēng)機內(nèi)部流場的變化較為復(fù)雜，針對兩種不同的葉片形式進行對比分析，則重點關(guān)注風(fēng)機的全壓、全壓效率等重要的性能參數(shù)，對于內(nèi)部流場的細(xì)節(jié)進行一定的簡化，并忽略氣體流動的不定常性，將通風(fēng)機內(nèi)部的流場簡化為不定壓的定常流動，對兩種不同葉片形式通風(fēng)機性能進行分析。采用有限體積法對通風(fēng)機的性能進行分析，設(shè)定空氣流體為25℃的不可壓縮空氣，壁面設(shè)定為無滑移的邊界條件，采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)進行分析。進口邊界條件設(shè)定為質(zhì)量流量進口，出口邊界條件為靜壓出口，進出口的總壓保持不變。

2.2 不同葉片形式的通風(fēng)機全壓效率分析

對兩種不同葉片結(jié)構(gòu)形式的通風(fēng)機進行數(shù)值模擬，得到通風(fēng)機的全壓效率曲線變化如圖3所示。從圖3可以看出，在兩種不同設(shè)計方法得到的葉片結(jié)構(gòu)中，隨著流量系數(shù)在不同工況下的變化，兩者之間的曲線變化形式一致，均呈現(xiàn)全壓效率先升高后降低的趨勢，其中方法二設(shè)計的葉片形式在不同的流量系數(shù)下的全壓效率值均高于方法一所設(shè)計的葉片形式。對不同的數(shù)值進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在小流量工況下全壓效率的提升效果好于大流量的工況，最高的全壓效率位于通風(fēng)機的設(shè)計流量附近位置，保證通風(fēng)機在正常流量下的高效運行。

圖3 兩種葉片形式通風(fēng)機全壓效率的對比

2.3 不同葉片形式的通風(fēng)機出口速度分析

通風(fēng)機的出口速度對于通風(fēng)的作用空間及距離具有重要的影響，出口速度可以分為徑向速度和周向速度，即沿著通風(fēng)機徑向及周向的速度分布。對兩種不同的葉片結(jié)構(gòu)形式的通風(fēng)機進行數(shù)值模擬，得到通風(fēng)機的速度變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，在徑向速度上，方法一葉片的徑向速度要遠(yuǎn)大于方法二模型的，甚至達(dá)到幾倍的差值，方法二葉片的徑向速度值較小，均在0值附近波動，徑向速度是氣體的離心力與壓力差綜合表現(xiàn)的結(jié)果，這說明方法二設(shè)計的葉片形式的氣體流動均勻性好；在周向速度上，兩者之間的變化趨勢一致，在中間位置處兩種葉片的周向速度相差不大，在兩端位置處，方法二設(shè)計的葉片周向速度要大于方法一設(shè)計的，這說明在葉輪的葉根及葉尖位置的流動性要好，沒有明顯的邊界效應(yīng)存在。

圖4 兩種葉片形式通風(fēng)機出口速度的對比

3 結(jié)論

軸流式通風(fēng)機是煤礦等礦山開采常用的通風(fēng)設(shè)備，可對煤礦的井下通風(fēng)提供安全保障。軸流式通風(fēng)機的葉片性能不僅影響煤礦的安全生產(chǎn)，對自身的能量消耗也具有重要的影響。采用兩種不同的設(shè)計方法對軸流式通風(fēng)機的葉片結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，依據(jù)兩種結(jié)構(gòu)形式的葉片對其通風(fēng)機的全壓效率及出口速度進行分析。結(jié)果表明，采用約束方法二得到的葉片結(jié)構(gòu)在全壓效率及出口速度上均具有良好的效果，由此可以進行通風(fēng)機葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而提高通風(fēng)機的性能，保證煤礦的安全生產(chǎn)，并提高礦井的綜合效益。