不同葉片結(jié)構(gòu)對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)切割性能的影響分析

王於雁

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦， 山西 大同 037001）

引言

軸流通風(fēng)機(jī)是煤礦、隧道等廣泛應(yīng)用的通風(fēng)設(shè)備，通過(guò)葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、風(fēng)量大、壓力高的特點(diǎn)[1]。在軸流通風(fēng)機(jī)工作的過(guò)程中，通風(fēng)機(jī)的軸向間隙、葉片安裝角、輪轂比等均對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能具有重要的影響，合理的參數(shù)設(shè)置可以減小通風(fēng)機(jī)的流動(dòng)損失，提高通風(fēng)機(jī)的效率[2]。在不同的影響因素中，葉片的結(jié)構(gòu)形式對(duì)通風(fēng)機(jī)的切割性能具有最重要的影響，板型葉片和翼型葉片是目前軸流通風(fēng)機(jī)廣泛使用的葉片結(jié)構(gòu)形式，針對(duì)兩種不同的葉片結(jié)構(gòu)[3]，采用流體仿真分析的形式對(duì)其切割性能進(jìn)行分析，從而為軸流通風(fēng)機(jī)性能的提高提供參考。

1 兩種葉片結(jié)構(gòu)軸流通風(fēng)機(jī)分析模型的建立

板型葉片和翼型葉片是軸流通風(fēng)機(jī)廣泛使用的兩種葉片形式，板型葉片的制作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低；翼型葉片采用航空機(jī)翼鍛鑄鋁合金或鋼板鉚焊技術(shù)進(jìn)行焊接[4]，生產(chǎn)成本較高。采用流體力學(xué)分析軟件Fluent 對(duì)兩種葉片結(jié)構(gòu)的軸流通風(fēng)機(jī)切割性能進(jìn)行分析，F(xiàn)luent作為專業(yè)的CFD 分析軟件[5]，通過(guò)質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程的求解，可對(duì)流體的問(wèn)題進(jìn)行較好的模擬，適用于對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行分析[6]。

針對(duì)兩種不同的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)模型的建立，通風(fēng)機(jī)的輪轂直徑為2.1 m，葉輪的直徑為3.76 m，葉片的角度為62.3°，葉片的轉(zhuǎn)速為745 rad/min，動(dòng)葉片數(shù)為18，后導(dǎo)葉片數(shù)為13。依據(jù)兩種不同的葉片結(jié)構(gòu)形式[7]，在SolidWorks 中建立葉片的三維模型如圖1 所示。依據(jù)葉輪的尺寸建立模型，以葉輪的軸心為軸線進(jìn)行圓周陣列葉片，生成相應(yīng)的18 個(gè)葉片，建立通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的定子和轉(zhuǎn)子段及集風(fēng)器和擴(kuò)散筒的模型[8]，即完成兩種不同葉片結(jié)構(gòu)的通風(fēng)機(jī)模型的構(gòu)建。

圖1 葉片的結(jié)構(gòu)模型

對(duì)所建立的通風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，由于軸流通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜流道不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，對(duì)于細(xì)小的間隙及相交處，先將相應(yīng)的面生成網(wǎng)格，然后進(jìn)行整體網(wǎng)格的劃分處理[9]。對(duì)通風(fēng)機(jī)的流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，F(xiàn)luent提供了多種模型，采用MRF 模型進(jìn)行通風(fēng)機(jī)切割性能的分析[10]。MRF 模型將風(fēng)道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化為葉輪在某一位置時(shí)的瞬時(shí)流場(chǎng)，從而通過(guò)定常分析的方式對(duì)非定常問(wèn)題計(jì)算。在計(jì)算的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子區(qū)域的網(wǎng)格保持靜止進(jìn)行定常計(jì)算[11]，定子區(qū)域在慣性坐標(biāo)系中作定常計(jì)算，在兩者的交界面位置交換相應(yīng)的流體參數(shù)，從而保證交界面的連續(xù)性。采用MRF 的定常計(jì)算方式，所需計(jì)算的模型簡(jiǎn)單，可以快速地達(dá)到收斂狀態(tài)[12]，節(jié)約計(jì)算所需的時(shí)間，提高分析效率。

2 兩種不同葉片結(jié)構(gòu)軸流通風(fēng)機(jī)切割性能的分析

2.1 初始條件設(shè)置

在對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)的切割性能進(jìn)行分析時(shí)，在求解區(qū)域的邊界上需設(shè)定相應(yīng)的邊界條件，軸流通風(fēng)機(jī)的主要邊界包括風(fēng)機(jī)的入口、出口及風(fēng)機(jī)葉片三部分。在入口端采用速度入流條件作為通風(fēng)機(jī)的入口，速度參數(shù)隨不同的工況變化；出口邊界采用壓力邊界作為整個(gè)氣體流域的出口，設(shè)定出口處的壓力為大氣壓力；風(fēng)機(jī)的葉片定義為旋轉(zhuǎn)壁面條件，將轉(zhuǎn)子段的葉片及輪轂定義為旋轉(zhuǎn)壁面，以計(jì)算通風(fēng)機(jī)的全效率，旋轉(zhuǎn)壁面的轉(zhuǎn)速定義為相對(duì)周?chē)黧w的相對(duì)速度為0。

通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的內(nèi)壁設(shè)定為墻體，旋轉(zhuǎn)無(wú)滑移的固壁邊界條件，壁面的流體速度與壁面處的速度相同，當(dāng)壁面靜止時(shí)，壁面處的速度為0，當(dāng)壁面旋轉(zhuǎn)時(shí)，壁面處與壁面的相對(duì)速度保持為0。流體的轉(zhuǎn)速設(shè)定為745 rad/min，由此對(duì)兩種不同葉片結(jié)構(gòu)的軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬件計(jì)算。

2.2 結(jié)果分析

對(duì)兩種不同葉片結(jié)構(gòu)的軸流通風(fēng)機(jī)的葉片全壓進(jìn)行分析，得到葉片周?chē)娜珘涸茍D如圖2 所示。從圖2 中可以看出，翼型葉片的周邊有較為明顯的氣流的加減速運(yùn)動(dòng)存在，有最大的速度區(qū)域；板型葉片的周邊氣流的速度分布均勻，變化較小。在軸流通風(fēng)機(jī)的性能中，速度的變化代表啟動(dòng)負(fù)荷沿著流向的分布狀態(tài)，翼型葉片存在著速度的變化，能夠較好地控制加工量前后的分布，從而有利于提高軸流通風(fēng)機(jī)的效率及氣動(dòng)載荷，同時(shí)可以減小流動(dòng)的損失。

圖2 兩種葉片周?chē)珘海≒a）分布

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的葉片全壓及效率的變化從數(shù)值上進(jìn)一步分析，得到葉片的全壓-流量曲線如圖3 所示，全壓效率-流量曲線如圖4 所示。從圖3 中可以看出，翼型葉片的全壓值要大于板型葉片的全壓值，在流量較小時(shí)，兩者之間的全壓值相差較大，隨著流量的增加，全壓值均呈減小的趨勢(shì)，兩者之間的差值有一定的縮小。從圖4 中可以看出，翼型葉片的全壓效率同樣大于板型葉片的全壓效率，且兩者之間的差值隨著流量的增加保持相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 兩種葉片的全壓-流量曲線

圖4 兩種葉片的全壓效率-流量曲線

綜上可知，針對(duì)翼型葉片和板型葉片兩種結(jié)構(gòu)形式的葉片對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)的切割性能進(jìn)行分析，翼型葉片周邊的速度差較大，有利于提高葉片的效率及氣動(dòng)載荷，進(jìn)一步經(jīng)過(guò)數(shù)值對(duì)比分析可知，翼型葉片的全壓及效率均大于板型葉片，且隨著流量的增加，全壓的差值逐漸減小而效率的差值保持穩(wěn)定。從軸流通風(fēng)機(jī)的綜合切割性能來(lái)說(shuō)，翼型葉片的性能要好于板型葉片，對(duì)其制作加工的成本相對(duì)較高，應(yīng)采取合理的焊接加工措施，在提高軸流通風(fēng)機(jī)性能的同時(shí)保證其經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

軸流通風(fēng)機(jī)是煤礦、隧道等通用的通風(fēng)設(shè)備，對(duì)煤礦的開(kāi)采安全具有重要的影響。在軸流通風(fēng)機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)中，板型葉片和翼型葉片是應(yīng)用較多的兩種葉片形式。采用Fluent 流體力學(xué)仿真分析的形式對(duì)翼型和板型兩種葉片的切割性能進(jìn)行建模分析。首先建立兩種葉片的三維模型，依據(jù)葉輪的尺寸進(jìn)行葉片的分布，然后建立整個(gè)通風(fēng)機(jī)的三維模型，采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，設(shè)定軸流通風(fēng)機(jī)的邊界條件對(duì)其切割性能進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，在兩種葉片結(jié)構(gòu)中，翼型葉片周?chē)乃俣确植疾钪递^大，存在著速度的變化，能夠提高軸流通風(fēng)機(jī)的效率及氣動(dòng)載荷，翼型葉片在全壓及效率上均要高于板型葉片。由于翼型葉片的加工成本較大，在進(jìn)行軸流通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)使用時(shí)，在經(jīng)濟(jì)允許的情況下，應(yīng)首選翼型葉片代替板型葉片，從而提高軸流通風(fēng)機(jī)的整體切割性能，保證工作環(huán)境的通風(fēng)安全性。