改變軸流通風(fēng)機葉片厚度對其安全作用的影響分析

賈海崗

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100）

引言

我國工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展離不開能源的支撐，在能源使用過程中，對能量形式的轉(zhuǎn)換是必不可少的步驟。通風(fēng)機作為主要的葉輪機械是進行能量轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備。通風(fēng)機在我國工業(yè)、煤礦、港口、電力等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用，通風(fēng)機在進行能量轉(zhuǎn)換的過程中，往往伴隨著一定的能量損失，造成能源的利用率較低[1-2]，并且盲目采用大功率的通風(fēng)機會造成一定的安全隱患，不利于通風(fēng)機的穩(wěn)定可靠運行。

1 不同厚度葉片的設(shè)計選取

軸流式通風(fēng)機作為主要的通風(fēng)機類型，對其研究的重點主要在葉片的安裝角、進出口氣流角等，但葉片厚度作為葉片結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，對其研究較少。葉片厚度的改變，對氣流的轉(zhuǎn)折角具有一定的影響，從而影響葉片的升阻比[3]，使通風(fēng)機的性能發(fā)生改變。

對不同厚度的葉片進行設(shè)計，以兩級軸流式通風(fēng)機為基礎(chǔ)進行研究，改變?nèi)~片的厚度時，不改變?nèi)~片的截面參數(shù)，從而針對葉片厚度的影響進行分析。葉片的厚度采用NACA 四位數(shù)字厚度分布，沿葉片徑向的不同翼型位置進行等分，將不同位置的中弧線作切線及發(fā)現(xiàn)，得到各位置的傾斜角，將翼型上的坐標點進行連接，即可得到翼型的截面，對葉片的厚度進行選定，選擇葉片的相對厚度為6%～24%，四種不同的厚度形式，由此可建立通風(fēng)機的模型進行模擬分析。

2 不同厚度葉片通風(fēng)機的性能分析

2.1 通風(fēng)機仿真分析模型的建立

通風(fēng)機的計算流體力學(xué)CFD 分析，通過數(shù)值計算機圖像技術(shù)的結(jié)合，對通風(fēng)機的流動特性進行深度的分析。由于葉輪葉片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對試驗設(shè)備的要求較高，僅靠試驗方法不能對葉片厚度的性能影響進行有效的分析，而采用CFD 仿真分析，可以減輕對設(shè)備的依賴，并可對通風(fēng)機的性能有更深入的研究，加快設(shè)計分析的周期，節(jié)約生產(chǎn)及時間的成本。

采用CFD 數(shù)值仿真的形式對不同厚度葉片的通風(fēng)機性能進行分析，對通風(fēng)機進行不可壓縮的湍流流動進行分析，采用三維時均N-S 方程進行求解，適用于通風(fēng)機這種內(nèi)部流動復(fù)雜，具有反向壓力及分離邊界的流場分析。

建立通風(fēng)機的三維模型，葉輪的直徑為600 mm，動葉片數(shù)為6，靜葉片數(shù)為9，采用有限體積法對控制方程進行分析，設(shè)定流體為標準空氣，不考慮空氣的壓縮及熱傳導(dǎo)特性，采用無滑移的邊界條件。為了保證分析結(jié)果的準確性，在葉輪的計算區(qū)域分別增加進口計算區(qū)域及出口計算區(qū)域，通風(fēng)機的仿真分析模型分為如圖1 所示的4 個計算域。葉輪部分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，其余為靜止區(qū)域，采用混合網(wǎng)格的形式對模型進行網(wǎng)格劃分，分別建立4 種不同葉片厚度的通風(fēng)機模型進行模擬計算，對不同葉片厚度的通風(fēng)機全壓性能及全壓效率進行仿真計算。

圖1 通風(fēng)機計算模型的區(qū)域劃分

2.2 不同葉片厚度的通風(fēng)機性能仿真分析

對4 種不同厚度的葉片通風(fēng)機性能進行分析，經(jīng)過計算統(tǒng)計得到不同葉片厚度下通風(fēng)機的全壓性能及全壓效率曲線分別如下頁圖2、圖3 所示，圖中45 000 m3/h 為通風(fēng)機的設(shè)計流量。從圖中可以看出，在設(shè)計的流量點位置，葉片厚度為6%、12%、18%三種厚度的通風(fēng)機的全壓及全壓效率相差不大，繼續(xù)增加葉片厚度至24%時，全壓及全壓效率均小于上述的三種厚度值；對4 種厚度的全壓性能及全壓效率曲線進行整體對比，葉片厚度為6%時，當(dāng)通風(fēng)機在大流量區(qū)域時，全壓性能及全壓效率均大于其他葉片厚度的通風(fēng)機，但當(dāng)通風(fēng)機在小流量區(qū)域時，全壓發(fā)生較大的減小，發(fā)生一定的旋轉(zhuǎn)失速；當(dāng)葉片厚度為12%及18%時，通風(fēng)機在小流量區(qū)域的全壓及全壓效率性能較好，在大流量區(qū)域時表現(xiàn)不好。在通風(fēng)機設(shè)計流量45 000 m3/h 時，12%葉片厚度的通風(fēng)機表現(xiàn)較好，葉片厚度增加到24%時，通風(fēng)機的性能明顯發(fā)生惡化，全壓及全壓效率明顯表現(xiàn)不好。

圖2 不同葉片厚度全壓性能曲線

圖3 不同葉片厚度全壓效率曲線

通過上述的分析可知，在不同的葉片厚度中，隨著通風(fēng)機工作流量區(qū)域的變化，在大流量區(qū)域，6%葉片厚度的通風(fēng)機性能最好；在小流量區(qū)域，12%葉片厚度的通風(fēng)機性能最好，在一定的流量范圍內(nèi)，隨著葉片厚度的增加，通風(fēng)機的最高壓力有較大的提高，穩(wěn)定的工作區(qū)間也相對增加，但在設(shè)計的流量點位置，葉片厚度較小時，通風(fēng)機的性能最好。

3 結(jié)語

通風(fēng)機是進行能量轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，為提高通風(fēng)機的使用性能及安全性，針對通風(fēng)機的葉片厚度進行分析。在不改變通風(fēng)機的葉片截面參數(shù)的條件下，采用NACA 4 位數(shù)字厚度分布的方法對通風(fēng)機的葉片厚度進行了4 種不同的選型設(shè)計，采用CFD仿真分析的方式對通風(fēng)機的全壓性能及全壓效率進行分析。結(jié)果顯示，在4 種不同的葉片厚度中，當(dāng)通風(fēng)機在大流量區(qū)域及設(shè)計流量位置時，葉片的厚度越小則通風(fēng)機的性能越好；在小流量區(qū)域，中等厚度的通風(fēng)機具有較好的性能，且隨著葉片厚度的增加，通風(fēng)機的最高壓力及穩(wěn)定區(qū)域都有增加的趨勢，這有利于提高通風(fēng)機的穩(wěn)定性及安全使用。在實際應(yīng)用過程中，可依據(jù)通風(fēng)機的工作條件，選擇適合的通風(fēng)機葉片厚度，從而提高通風(fēng)機的性能，提高能量的利用率及使用的安全性。