后級葉片安裝角對軸流通風機性能的影響研究

張錦荃

（晉能控股煤業(yè)集團四老溝礦， 山西 大同 037028）

在煤炭的開采過程中，通風機是必不可少的通風設備，在通風機的多種類型中[1]，對旋式軸流通風機具有風量大、風壓高及可進行動態(tài)調(diào)節(jié)等優(yōu)點，在煤礦的開采中具有廣泛的應用。由于軸流通風機的工作環(huán)境惡劣，在使用中存在著運行不穩(wěn)定、風流短路等問題，影響煤礦的安全生產(chǎn)[2]。隨著通風機設計技術的不斷發(fā)展，動葉可調(diào)式軸流通風機可進行后級葉片安裝角度的調(diào)節(jié)，從而使通風機滿足不同工況的需求，成為煤礦通風的主要設備[3]。針對后級葉片安裝角度對軸流通風機性能的影響，采用流體力學仿真分析的形式對其氣動性能進行分析，從而選擇合理的后級葉片安裝角度，為軸流通風機的安全高效運行提高保障[4]。

1 不同后級葉片安裝角軸流通風機分析模型的建立

動葉可調(diào)式軸流通風機采用結構相同的葉輪進行串聯(lián)，前后級葉輪均采用動葉角度可調(diào)的機械機構，實現(xiàn)對動葉安裝角度的調(diào)節(jié)[5]。機械調(diào)整機構具有結構簡單、穩(wěn)定可靠的特點，可實現(xiàn)對葉片安裝角度的可靠調(diào)節(jié)。軸流通風機的后級葉輪直接對外輸出做功，后級葉片的安裝角度對通風機的性能影響較大[6]。針對后級葉片的安裝角度進行模擬分析，葉片的安裝角度如圖1 所示，翼弦與葉珊額線之間的夾角即為葉片安裝角。機械式葉片角度調(diào)整機構對葉片安裝角度的調(diào)節(jié)范圍一般為±5°[7]，且極限位置受到的作用力較大。針對后級葉片的安裝角度進行分析，選定后級葉片的安裝角度變化為±3°[8]，依據(jù)某型號的軸流通風機為例進行分析，則選定后級葉片的安裝角度分別為40°、43°及46°。

圖1 軸流通風機葉片安裝角示意圖

對軸流通風機的性能進行模擬計算，首先依據(jù)葉輪的結構進行葉輪模型的建立，葉輪的輪轂直徑為900 mm，葉片數(shù)目為12，葉輪的直徑為2 000 mm，設計轉速為560 r/min。對所建立的葉輪模型采用非結構化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分處理[9]，得到葉輪的網(wǎng)格模型如圖2 所示，前后級葉輪的結構一致，從而依據(jù)軸流通風機的結構進行計算域的設定。

圖2 軸流通風機葉輪網(wǎng)格模型

軸流通風機的計算域主要包括風機的進口域、前級葉輪的計算域、內(nèi)容的計算域、后級葉輪的計算域及風機的出口計算域。為保證流體充分進入通風機，在進口域選擇長度為3 倍的葉輪直徑，出口域選擇長度為6 倍的葉輪直徑，從而使流體流出時更加穩(wěn)定[10]。相鄰的計算域之間采用交界面進行連接，前后級葉輪為旋轉的計算域，其他的計算域為靜止域，建立不同的后級葉片安裝角計算模型。對于通風機除葉輪外的計算域，由于其結構較為簡單，采用結構化的網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分處理[11]，這樣可以提高計算的準確性及計算效率。

設定軸流通風機運行過程中的流體介質為不可壓縮的黏性氣體，采用不可壓的雷諾時均N-S 方程進行全三維的定常數(shù)值模擬，湍流模型采用SST 模型。在模型分析時，設定進口處的入口壓力及流量，出口壓力為標準的大氣壓[12]，溫度為室溫，內(nèi)部筒體為無滑移的壁面，采用標準的壁面函數(shù)，由此進行軸流通風機性能的分析。

2 不同后級葉片安裝角軸流通風機性能的分析

2.1 軸流通風機靜壓效率的結果分析

對三種不同的后級葉片安裝角時軸流通風機的靜壓效率進行分析，得到靜壓效率性能曲線如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在不同的后級葉片安裝角下，靜壓效率隨流量增加的變化趨勢一致，呈先增加后減小的趨勢，三種不同的后級葉片安裝角的靜壓效率曲線相互交叉，說明靜壓效率的變化差別較大；在小流量的工況下，后級葉片安裝角為40°時的靜壓效率最大，說明此時在小流量工況下有利于較小的葉片安裝角高效運行。在大流量的工況下，后級葉片安裝角為46°時的靜壓效率最大，說明大流量的工況下有利于較大的葉片安裝角高效運行。風機的整體靜壓效率隨著流量的增加呈減小的趨勢，但46°后級葉片安裝角時效率的下降較慢，40°后級葉片安裝角時效率的下降最快，由此說明較大的安裝角能夠增加軸流通風機高效運行的范圍。

圖3 軸流通風機靜壓效率變化曲線

2.2 軸流通風機靜壓的結果分析

對三種不同的后級葉片安裝角時軸流通風機的靜壓性能進行分析，得到靜壓性能曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不同的后級葉片安裝角度下，靜壓隨流量增加的變化趨勢一致，均呈逐步減小的趨勢。在三種不同的后級葉片安裝角度下，僅在流量較小的工況下，46°后級葉片安裝角度時的靜壓值較小，在流量大于72.5 m3/s 后，46°后級葉片安裝角度的靜壓值均較大。在小流量的工況下，流量小于76 m3/s 時46°后級葉片安裝角時的靜壓值急劇下降，說明此時軸流通風機發(fā)生失速現(xiàn)象，不利于通風機的穩(wěn)定運行。

圖4 軸流通風機靜壓變化曲線

綜上可知，在小流量的工況下，安裝角較小時軸流通風機的整體性能較好，靜壓效率及靜壓均較大，46°后級葉片安裝角時存在一定的失速現(xiàn)象。在大流量的工況下，安裝角較大時風機的表現(xiàn)更好，靜壓效率的曲線下降較慢。從整體上看，較大的后級葉片安裝角效率的最高點對應的體積流量向大的一側移動，能夠增加軸流通風機的高效率工作范圍，有利于軸流通風機多工況下的高效運行。

3 結論

針對后級葉片安裝角度對軸流通風機性能的影響，采用流體力學仿真的形式進行建模分析。選定后級葉片的安裝角度變化范圍為±3°，對軸流通風機建立計算域模型，并對風機的靜壓效率及靜壓值進行模擬分析。結果表明，在小流量的工況下，較小的后級葉片安裝角有利于風機的高效運行，在大流量的工況下，較大的后級葉片安裝角有利于風機的高效運行。由于較大的后級葉片安裝角能夠在整體上提高軸流通風機高效運行的范圍，從而有利于軸流通風機多工況下的高效運行。在進行后級葉片安裝角度的調(diào)節(jié)時，可依據(jù)工況條件選擇合理的安裝角度，提高通風機的運行效率。