武 剛

（山西汾西礦業(yè)集團南關(guān)煤業(yè)， 山西 靈石 031300）

引言

對旋軸流通風(fēng)機內(nèi)部是個復(fù)雜的三維流體場，從進風(fēng)管到初級風(fēng)筒再到兩級葉輪最后通過次級風(fēng)筒，期間流場變化梯度大，尤其是兩級級葉輪部位，流場變化更為復(fù)雜。就物理模型來說，影響風(fēng)機性能參數(shù)的因素除過兩級葉輪葉片數(shù)、葉片安裝角、軸向間隙以及輪轂比以外，還有個重要的參數(shù)就是葉輪頂部間隙，相對徑向間隙也被稱作徑向間隙，它是葉片外緣與機殼之間的微小差距，對風(fēng)機內(nèi)部流場的影響也不容忽視[1-2]。目前，也有很多對頂部間隙進行研究的理論分許與數(shù)值模擬方法，但是大都是基于單葉輪風(fēng)機，對于兩級葉輪或者多葉輪風(fēng)機，則缺乏必要的研究理論依據(jù)[3-5]。

1 數(shù)值模擬的前處理

頂部間隙物理模型在創(chuàng)建時也是采用SolidWorks軟件，以12/10葉片數(shù)配合為主，風(fēng)機的基本參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機的基本參數(shù)尺寸

本文所說的頂部間隙是機殼都葉片頂部邊緣的有效距離，葉片采用圓弧板型，取葉頂間隙為d，葉片高為l，d/l為相對頂部間隙，如表2所示，為頂部間隙模型數(shù)據(jù)。

表2 頂部間隙模型數(shù)據(jù)

物理模型創(chuàng)建完成后導(dǎo)入Gambit進行網(wǎng)格劃分，與葉片數(shù)物理模型網(wǎng)格劃分所不同的是，在本章網(wǎng)格劃分時對風(fēng)機結(jié)構(gòu)流域進行重新定義，主要分成四大部分，分別是集流器、初級葉輪、次級葉輪以及擴散器，網(wǎng)格劃分情況如表3所示。網(wǎng)格劃分完成后導(dǎo)入Fluent進行求解條件設(shè)置，相關(guān)設(shè)置和葉片數(shù)設(shè)置相同，以速度入口為入口邊界條件，采用多參考坐標系，選擇分離式求解器，壓力速度耦合方式，近壁面采用無滑移固壁條件，出口選擇自由出口，設(shè)置完成進行數(shù)值模擬求解，觀察收斂曲線，達到預(yù)設(shè)條件認為其收斂，可進一步進行后處理分析。

表3 頂部間隙模型網(wǎng)格劃分

2 風(fēng)機的性能曲線

本文所考慮的出發(fā)點主要是從靜壓、全壓以及效率出發(fā)，來分析頂部間隙大小對對旋軸流通風(fēng)機性能的影響。

圖1 不同相對頂部間隙下出口靜壓值隨流量的變化

從圖1、圖2中可以看出，隨著頂部間隙的增大，無論是出口靜壓值還是風(fēng)機全壓值都在逐漸降低，同時隨著間隙的增大，靜壓值和全壓值隨流量的變化率在逐漸降低。當相對頂部間隙為2.5%時，風(fēng)機的靜壓值和全壓值都相對比較高，流量的大小對風(fēng)機靜壓值和全壓值影響比較大，當質(zhì)量流量小于2.2 kg/s時，頂部間隙越小，出口面靜壓值和風(fēng)機全壓值隨流量變化更加敏感，當質(zhì)量流量大于2.3 kg/s時，靜壓值和全壓值隨頂部間隙的變化程度減弱，流量的變化對其影響占到了主導(dǎo)地位。如果從影響因素的大小來看，頂部間隙的大小是影響出口面靜壓值和風(fēng)機全壓值的主要因素。

圖2 不同相對頂部間隙下風(fēng)機全壓隨質(zhì)量流量的變化

對旋風(fēng)機作為一個能量轉(zhuǎn)換機械，效率是必須要考慮的一個性能指標，如圖3所示，為不同葉頂間隙時風(fēng)機全壓效率隨流量的變化曲線。

圖3 不同相對頂部間隙下效率隨質(zhì)量流量的變化

從圖中可以看出，隨著葉頂間隙的增大，風(fēng)機全壓效率隨之逐漸減小，當質(zhì)量流量小于2.2 kg/s時，隨著頂部間隙的增大，流量變化對效率的影響在隨之減弱，當質(zhì)量流量值大于2.3 kg/s時，隨著頂部間隙的減小，流量變化率在逐漸加強，同時可以看出，隨著流量的進一步增大，效率變化幅度在進一步增大，近似線性關(guān)系。綜合可知，合理的設(shè)計葉頂間隙，有利于提高通風(fēng)機的全壓效率值。

3 不同間隙下兩級電機的軸功率匹配

工況點不同，對旋風(fēng)機的兩級驅(qū)動電機功率匹配情況也不盡相同，通過分析不同工況點下的通風(fēng)機功率匹配情況才能在實際運行中避免次級電機過載或者輕載的現(xiàn)象發(fā)生，防止次級電機燒毀以及絕緣損壞等問題產(chǎn)生。

如圖4為2.5%相對葉頂間隙下兩級電機功率的匹配情況，可以看出：隨著通風(fēng)距離的增加，次級電機的輸出功率逐漸增大，在質(zhì)量流量為2.4 kg/s左右時，初次級電機功率均在0.95 kW左右，匹配度高；隨著流量的減小、送風(fēng)距離的增加，次級電機功率逐漸增加，初級電機功率基本保持不變，在質(zhì)量流量為2.1 kg/s時，次級電機功率達到1.06 kW，初級電機功率在0.97 kW左右，兩級電機匹配度明顯降低。

圖4 相對頂部間隙為2.5%時的兩級電機功率匹配

圖5為相對頂部間隙為3.0%時的兩級電機功率匹配情況，可以看出：在流量為2.3 kg/s時，兩級電機功率匹配度較高，初級電機功率在0.96 kW左右，次級電機功率在0.97 kW左右；隨著送風(fēng)距離的逐漸增加，次級電機的功率在逐漸增大，當送風(fēng)量達到2.2 kg/s附近時，次級電機的功率出現(xiàn)最大值，繼續(xù)增加送風(fēng)距離，次級電機的功率有所下降。對應(yīng)不同的工況點，選用不同的功率等級電機，可提高電機功率利用率，保證兩級電機都可以在額定功率范圍內(nèi)使用。

圖5 相對頂部間隙為3.0%時兩級電機功率匹配

下頁圖6為相對頂部間隙為3.5%時兩級電機功率匹配情況，可以看出，隨著流量的減小，送風(fēng)距離的增加，次級電機的功率在進一步提高，在2.2 kg/s時次級電機功率達到最大值，若送風(fēng)距離進一步增加，次級電機功率則可能出現(xiàn)下滑趨勢。同時可以發(fā)現(xiàn)，當相對葉頂間隙為3.5%時，通風(fēng)機兩級電機在遠距離送風(fēng)時兩級電機功率匹配要比短距離送風(fēng)更好，綜合相對葉頂間隙為2.5%、3.0%以及3.5%三種工況可以發(fā)現(xiàn)，隨著送風(fēng)距離的增加，兩級電機的功率匹配度隨著葉頂間隙的增大而提高，也就是說，在稍遠距離的送風(fēng)時，若要保證兩級電機同功率工作，則在電機選擇時功率等級應(yīng)適時提高。

下頁圖7為相對頂部問隙為4.0%時兩級電機功率匹配情況，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當葉頂間隙逐步增大達到7.5 mm時，兩級電機的功率匹配度出現(xiàn)失衡現(xiàn)象，初級電機的最大功率點0.92 kW左右，次級電機的最大功率點0.84 kW左右，隨著送風(fēng)距離增加，次級電機功率在逐步增加但是變化幅度相對有所減小，尤其是在短距離送風(fēng)時兩級電機功率相差比較大，無法保證兩級葉輪可以選用同功率等級的電機作為驅(qū)動。頂部間隙過大，無法保證驅(qū)動電機的合理選型，在功率匹配方面存在一定難度。

圖6 相對頂部間隙為3.5%時兩級電機功率匹配

綜合分析可知，保證頂部間隙在一定范圍內(nèi)，隨著頂部間隙的增大，兩級電機的功率匹配度向左出現(xiàn)偏移，在遠距離送風(fēng)時兩級電機功率匹配度較高，但是當頂部間隙超過某個臨界值時，隨著頂部間隙的進一步增大，兩級電機功率匹配度降低，次級電機的輸出功率相對降低，若選用同等級電機作為驅(qū)動，次級電機則可能出現(xiàn)輕載現(xiàn)象。由于在兩級電機選用時，都是以初級電機負載作為參考，因此在選用兩級電機時應(yīng)該分析不同工況點，根據(jù)實際運行情況合理選擇兩級電機功率等級。

4 結(jié)論

1）風(fēng)機的靜壓、全壓以及效率隨著頂部間隙的增大在逐漸減小，在2.15～2.25 kg/s之間，存在著最大值，可以使得風(fēng)機的綜合性能得到提高。

圖7 相對頂部間隙為4.0%時兩級電機功率匹配

2）隨著頂部間隙的增大，低壓區(qū)影響范圍在逐漸擴大，中心點逐漸向葉片尾緣靠近。相對單葉輪風(fēng)機，對旋風(fēng)機次級葉輪對泄漏流乃至泄漏渦更加敏感，在設(shè)計時應(yīng)予以考慮。

3）樣機模型兩級電機功率匹配度高于7.5 mm模型但是低于其他間隙模型，在質(zhì)量流量為2.1 kg/s、2.2 kg/s以及2.3 kg/s時頂部間隙為6.5 mm模型兩級電機功率匹配度較高，優(yōu)于樣機模型和5.5 mm間隙模型，間隙為5.5 mm尺寸模型匹配度高于樣機模型但是低于6.5 mm間隙模型。綜合壓力值、效率變化以及兩級電機功率匹配度考慮，4.5 mm頂部間隙模型優(yōu)于樣機模型，更適合遠距離送風(fēng)運行工況。