不同葉片相對(duì)厚度對(duì)礦用軸流通風(fēng)機(jī)性能的影響研究

王首君

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦風(fēng)井區(qū)， 山西 大同 037003）

引言

在煤礦開采作業(yè)中，通風(fēng)機(jī)成為煤礦井下生產(chǎn)中常用的一種通風(fēng)機(jī)械設(shè)備，它可以將井下產(chǎn)生的有害有毒氣體順利排出并引進(jìn)新鮮的空氣。另外，通風(fēng)機(jī)還是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，由定子、轉(zhuǎn)子、軸承等主要部件構(gòu)成，對(duì)礦用井下通風(fēng)起著不可替代的作用。礦用通風(fēng)機(jī)的種類有軸流式、離心式和混流式，本文研究的是軸流式通風(fēng)機(jī)，即是風(fēng)機(jī)在軸向截面上的葉輪流向中形成的氣流，沿著與礦用通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸平行的方向流動(dòng)[1]。軸流通風(fēng)機(jī)是由動(dòng)葉輪、機(jī)殼組成，而動(dòng)葉輪又包含有輪轂、葉輪兩部分；機(jī)殼是含有靜葉和葉輪。因此，風(fēng)機(jī)葉片屬于礦用軸流通風(fēng)機(jī)的重要部件，它可借助葉片的旋轉(zhuǎn)氣體做功獲得能量，并傳送出去，因此，對(duì)于礦用軸流通風(fēng)機(jī)的性能，就主要取決于風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的好壞程度。其中，風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)就包含有葉片相對(duì)厚度、葉頂間隙、葉片安裝傾角等，都對(duì)礦用軸流通風(fēng)機(jī)的性能產(chǎn)生影響[2]，而本文主要研究的是葉片相對(duì)厚度對(duì)礦用軸流通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)、全壓效率的影響，進(jìn)而確定合理的風(fēng)機(jī)葉片相對(duì)厚度參數(shù)，不僅為礦用軸流風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐，也可以進(jìn)一步優(yōu)化通風(fēng)機(jī)的性能。

1 礦用軸流通風(fēng)機(jī)性能的設(shè)計(jì)

軸流通風(fēng)機(jī)的工作原理是借助葉輪旋轉(zhuǎn)的方式，將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能、壓力能，因此，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、流體密度會(huì)影響礦用軸流風(fēng)機(jī)的性能，有研究表明，當(dāng)葉片安裝角度一定時(shí)，軸流通風(fēng)機(jī)的全壓、軸功率和全壓效率是隨流量變化的關(guān)系曲線[3]，因此，可通過通風(fēng)機(jī)全壓、軸功率、全壓效率等，得到礦用軸流通風(fēng)機(jī)的性能曲線。其中，通風(fēng)機(jī)的全壓是風(fēng)機(jī)出口截面的全壓值減去風(fēng)機(jī)進(jìn)口截面的全壓值后得到的差值；軸功率是葉輪葉片數(shù)、葉片旋轉(zhuǎn)的角度及單個(gè)葉片的扭矩三者相乘后計(jì)算取得；全壓效率是風(fēng)機(jī)全壓、風(fēng)機(jī)流量的乘積與軸功率的比值[4]。

2 不同葉片相對(duì)厚度對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)性能的分析研究

本文研究的是當(dāng)葉片相對(duì)厚度分別是20%、30%、40%、50%時(shí)，而其他葉片各截面的參數(shù)相同，并主要以軸向方向位置處12.5%、50%、87.5%，分析四種不同葉片厚度徑向截面上的速度分布情形，得到如圖1、下頁(yè)圖2、下頁(yè)圖3、下頁(yè)圖4 所示的分布圖。

圖1 葉片相對(duì)厚度為20%時(shí)徑向截面上的速度（m/s）分布圖

圖2 葉片相對(duì)厚度為30%時(shí)徑向截面上的速度（m/s）分布圖

圖3 葉片相對(duì)厚度為40%時(shí)徑向截面上的速度（m/s）分布圖

圖4 葉片相對(duì)厚度為50%時(shí)徑向截面上的速度（m/s）分布圖

從四個(gè)圖中明顯可知，在四個(gè)不同葉片相對(duì)厚度參數(shù)下，礦用軸流通風(fēng)機(jī)在徑向截面上的速度分布表現(xiàn)為：整體上沿周向?qū)ΨQ，分別存在有6 個(gè)主流區(qū)域和非主流區(qū)域。對(duì)于軸向位置是12.5%，緊靠葉輪吸力面的是主流區(qū)域，而非主流區(qū)域則是位于壓力面的周圍；對(duì)于軸向位置是50%，主流區(qū)域是逐漸向葉輪流道頂部擴(kuò)散，遠(yuǎn)離了葉輪吸力面，而原先位于壓力面周圍的非主流區(qū)域則出現(xiàn)消失；對(duì)于軸向位置是87.5%，主流區(qū)域又集中在輪轂和葉輪壓力面周圍，完全脫離葉輪吸力面，而非主流區(qū)域是集中在流道中部，并且向礦用軸流風(fēng)機(jī)殼體逐漸擴(kuò)散。

從上述圖中還可對(duì)比看出，對(duì)于礦用軸流通風(fēng)機(jī)徑向截面上的速度，其隨著葉片葉輪相對(duì)厚度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，對(duì)于葉片相對(duì)厚度參數(shù)是30%時(shí)，礦用軸流通風(fēng)機(jī)徑向截面上的速度最大值是13.2 m/s；對(duì)于葉片相對(duì)厚度參數(shù)是40%時(shí)，礦用軸流通風(fēng)機(jī)徑向上的速度最大值是12.3 m/s，出現(xiàn)下降。因此，從徑向截面上的速度分布角度來(lái)分析，葉片相對(duì)厚度參數(shù)是30%時(shí)，通過葉片葉輪對(duì)氣體做功，其能量轉(zhuǎn)化效率最高，此時(shí)礦用通風(fēng)機(jī)的流動(dòng)性最優(yōu)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，再對(duì)礦用軸流通風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口風(fēng)壓、出口總壓、風(fēng)機(jī)效率進(jìn)行分析計(jì)算，得到表1 所示的不同葉片相對(duì)厚度對(duì)比表。

表1 不同葉片相對(duì)厚度下礦用軸流通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率比照

從表1 可以看出，礦用軸流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速隨葉輪相對(duì)厚度的增大先增大后減小，在葉輪相對(duì)厚度為40%時(shí)，礦用軸流通風(fēng)機(jī)出口速度是6.6 m/s，風(fēng)速最大。此外，還可看出，礦用軸流通風(fēng)機(jī)全壓、運(yùn)行效率都隨葉輪相對(duì)厚度的增大先增大后減小，在葉輪相對(duì)厚度是40%，礦用軸流風(fēng)機(jī)全壓是114.8 Pa，運(yùn)行效率是51.24%，比葉輪相對(duì)厚度是30%下的運(yùn)行效率提高3.05%。因此，從風(fēng)機(jī)全壓、運(yùn)行效率角度分析，葉片葉輪相對(duì)厚度是40%時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)性能最佳。

綜合分析可知，對(duì)于礦用軸流通風(fēng)機(jī)，其在徑向上的速度分布是先增大后減小，在葉片相對(duì)厚度是40%時(shí)，徑向速度出現(xiàn)下降，但是風(fēng)機(jī)全壓和運(yùn)行效率卻最高，此時(shí)運(yùn)行效率達(dá)51.24%，因此可得出葉片相對(duì)厚度是40%，為最優(yōu)的參數(shù)值。

3 結(jié)論

1）隨著葉片葉輪相對(duì)厚度的增大，礦用軸流通風(fēng)機(jī)徑向截面上的速度先增大后減小，且葉片葉輪相對(duì)厚度是30%時(shí)，軸流通風(fēng)機(jī)的流動(dòng)性較好。

2）對(duì)于礦用軸流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速、風(fēng)機(jī)全壓、運(yùn)行效率，是隨著葉片葉輪相對(duì)厚度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，在葉片相對(duì)厚度是40%時(shí)，比相對(duì)厚度是30%時(shí)的運(yùn)行效率提高了3.05%。

3）綜合對(duì)比可知，當(dāng)葉片相對(duì)厚度是40%時(shí)，軸流通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率最高，為最優(yōu)的參數(shù)值。