白志偉

（汾西礦業(yè)集團(tuán)雙柳煤礦， 山西 柳林 032000）

1 葉輪模型的建立和流域網(wǎng)格劃分

1.1 葉輪模型的建立

為了對(duì)比葉片數(shù)配合的影響，初級(jí)葉輪葉片數(shù)選擇 8、12、14，次級(jí)葉輪葉片數(shù) 8、10、14，考慮等葉片數(shù)不利于風(fēng)量流通，共選取8/10，12/8，12/10，12/14，14/10共5種匹配關(guān)系作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，采用SolidWorks軟件，對(duì)設(shè)計(jì)葉輪進(jìn)行打散拆分，然后通過圓周陣列，輪轂拉伸等操作完成不同葉片數(shù)葉輪模型設(shè)計(jì)[1-4]。

1.2 流域網(wǎng)格劃分

依據(jù)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的數(shù)值模擬仿真，按照同樣的網(wǎng)格劃分要求與條件，分別劃分其他4種模型，網(wǎng)格數(shù)分別如表1所示。

表1 不同風(fēng)機(jī)模型流道劃分網(wǎng)格數(shù)

2 不同葉片數(shù)配合對(duì)風(fēng)機(jī)出口靜壓的影響

對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)作為礦用局部通風(fēng)扇，必須保證出口風(fēng)量，因此需降低出口動(dòng)壓，提高出口靜壓值，才可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足使用條件。

當(dāng)初級(jí)葉輪葉片數(shù)為8時(shí)出口靜壓值偏小，隨著葉片數(shù)增加，當(dāng)取葉片數(shù)為12時(shí)，出口靜壓值明顯增加，葉片數(shù)為14時(shí)可以看出，出口靜壓值非但沒有增加，反而出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，也就是說，在一定范圍內(nèi)，隨著初級(jí)葉輪葉片數(shù)的增加，出口靜壓值會(huì)增加，但是超過某個(gè)臨界值時(shí)，風(fēng)機(jī)出口靜壓值出現(xiàn)下滑趨勢(shì)。綜合分析可知，對(duì)于初級(jí)葉輪來說，存在最優(yōu)解，即臨界值，使得風(fēng)機(jī)出口靜壓值達(dá)到最大。同時(shí)可以看出，隨著入口流量的增加，出口靜壓值出現(xiàn)明顯下滑現(xiàn)象，這不利于風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化。

初級(jí)葉輪葉片數(shù)變化對(duì)出VI靜壓值存在著影響，次級(jí)葉輪即作為導(dǎo)葉，葉又作為能量結(jié)構(gòu)裝置，葉片數(shù)的變化必然存在著類似的影響。當(dāng)次級(jí)葉輪葉片數(shù)為8時(shí)出口靜壓值相對(duì)較高，葉片數(shù)增加為10時(shí)出口靜壓值有所增加，但是與初級(jí)葉輪葉片數(shù)變化所不同的是，出口靜壓值最低值出現(xiàn)在葉片數(shù)最大值的時(shí)候，同時(shí)相對(duì)初級(jí)葉輪來說，次級(jí)葉輪葉片數(shù)變化對(duì)出口靜壓值的影響變化幅度有所減小，入口流速越大，低葉片數(shù)變化影響越小，高葉片數(shù)變化影響越大，但就某一葉片數(shù)來說，隨著入口流速的增加，出口靜壓依然存在著下滑的趨勢(shì)。分析可知，次級(jí)葉片數(shù)變化對(duì)出口靜壓影響相對(duì)偏小，但是也不可輕視，次級(jí)葉片數(shù)依然存在最優(yōu)解，可以使得風(fēng)機(jī)出口靜壓值達(dá)到最大值，葉片數(shù)偏大或者偏小都將會(huì)影響到出口靜壓值變化，使得風(fēng)機(jī)性能無法最優(yōu)。

通過對(duì)比分析初級(jí)葉輪葉片數(shù)變化和次級(jí)葉輪葉片數(shù)變化可以看出兩級(jí)葉輪存在固定匹配可以使得風(fēng)機(jī)出口靜壓值達(dá)到最大，從葉片數(shù)綜合來看，當(dāng)葉片數(shù)為8/10時(shí)，出口靜壓值明顯偏低，當(dāng)葉片數(shù)最大為12/14時(shí)，出口靜壓值并沒有取得最大值，相對(duì)來說只是比葉片數(shù)靜壓值最低值偏大，當(dāng)葉片數(shù)為12/8和14/10時(shí)，出口靜壓值明顯增大，12/10時(shí)，出口靜壓曲線整體上移，出現(xiàn)靜壓值最大值。綜合分析可知，無論從單個(gè)葉輪來看，還是從兩級(jí)葉輪整體來說，出口靜壓值曲線都呈現(xiàn)出單駝峰狀，在葉片數(shù)偏大或者偏小，都無法使得出口靜壓值達(dá)到最優(yōu)解，必須同時(shí)考慮兩級(jí)葉輪，合理選擇葉片數(shù)配合，才可以使得出口靜壓值達(dá)到峰值，單就從出口靜壓值來看，12/10的葉片數(shù)配合可以使得風(fēng)機(jī)出口靜壓值達(dá)到最大值，為風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化的最優(yōu)解。

3 不同葉片數(shù)配合對(duì)風(fēng)機(jī)全壓的影響

當(dāng)初級(jí)葉輪葉片數(shù)較低時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓相對(duì)較低，隨著葉片數(shù)的增加，風(fēng)機(jī)的全壓也在逐漸增加，當(dāng)葉片數(shù)為12時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓取得最大值解，葉片數(shù)繼續(xù)增大，風(fēng)機(jī)全壓沒有繼續(xù)增加，反而出現(xiàn)降低趨勢(shì)。在葉片數(shù)從8變?yōu)?2再到14的過程中，通過縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，風(fēng)機(jī)全壓出現(xiàn)了先升高后降低的曲線特點(diǎn)，跟出口靜壓類似，在初級(jí)葉輪葉片數(shù)的逐漸增加過程中，存在某個(gè)值，可以使得風(fēng)機(jī)全壓達(dá)到最大值，偏離這個(gè)值，風(fēng)機(jī)的全壓都將出現(xiàn)不同幅度的降低。由橫向?qū)Ρ瓤芍?，隨著入口流速的增加，風(fēng)機(jī)全壓會(huì)逐漸降低。對(duì)比不同初級(jí)葉輪葉片數(shù)時(shí)靜壓曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩級(jí)葉輪葉片數(shù)差距較大時(shí)，比如14/10，流場(chǎng)可能隨著流量的增加出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，靜壓值和全壓值出現(xiàn)波動(dòng)，這不利于風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，應(yīng)盡量予以避免。

由圖1可知，當(dāng)次級(jí)葉輪葉片數(shù)為8時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓相對(duì)比較低，在入口質(zhì)量流速小于5.5 kg/s時(shí)，隨著入口流速的增大，風(fēng)機(jī)全壓逐漸減小，但是變化幅度不大，當(dāng)大于5.5 kg/s時(shí)，隨著入口流速的增加，風(fēng)機(jī)全壓大幅度下降。葉片數(shù)取14時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓整體上移，呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但是全壓隨入口流速變化率增大，近乎直線，在低流速下和葉片數(shù)為8的曲線分離較大，高流速時(shí)近似重合，以致低于葉片數(shù)為8的情況，說明葉片數(shù)過多流場(chǎng)變化梯度會(huì)增大。在葉片數(shù)取10時(shí)可以明顯的看出，風(fēng)機(jī)全壓值達(dá)到最大解，低流速和高葉片數(shù)相近，高流速出現(xiàn)較大偏離。綜合分析可知，隨著次級(jí)葉片數(shù)增加，風(fēng)機(jī)全壓先逐漸升高，當(dāng)葉片數(shù)超過某個(gè)值時(shí)全壓將會(huì)出現(xiàn)下滑趨勢(shì)，合理優(yōu)化葉片數(shù)，找到葉片數(shù)最佳值有利于提高風(fēng)機(jī)全壓值。

單葉輪葉片數(shù)變化對(duì)全壓影響存在規(guī)律性，兩級(jí)葉輪葉片數(shù)配合是風(fēng)機(jī)全壓達(dá)到最大值的關(guān)鍵，如圖2所示。

當(dāng)兩級(jí)葉輪葉片數(shù)差值偏大時(shí)曲線變化幅度較大，也就是說風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)變化梯度增加。在低葉片數(shù)配合時(shí)風(fēng)機(jī)全壓相對(duì)較低，隨著葉片數(shù)的增加，葉片數(shù)配合的改變，風(fēng)機(jī)全壓逐漸增大，在超過某個(gè)數(shù)值時(shí)或者說達(dá)到某種配合時(shí)若繼續(xù)增加葉片數(shù)或者改變配合將會(huì)導(dǎo)致全壓出現(xiàn)降低趨勢(shì)，葉片數(shù)過低或者過高都無法使得風(fēng)機(jī)全壓得到最大。當(dāng)葉片數(shù)取12/10時(shí)風(fēng)機(jī)全壓最高，雖說在高質(zhì)量流速（大于5.5 kg/s）低于14/10的全壓值，但是從整體變化情況看，14/10配合只是在某個(gè)區(qū)間內(nèi)高于12/10全壓值，從理論分析和實(shí)際運(yùn)行看，12/10是風(fēng)機(jī)運(yùn)行最佳葉片數(shù)配合，此時(shí)全壓值整體最高。

圖2 不同葉片數(shù)配合風(fēng)機(jī)全壓變化曲線

4 不同葉片數(shù)配合對(duì)風(fēng)機(jī)全壓效率的影響

通風(fēng)機(jī)的效率有內(nèi)效率、靜壓效率和全壓效率之分，所不同的是每個(gè)效率計(jì)算的分母是不相同的，全壓效率是以驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸功率為分母，內(nèi)效率則是軸功率去除機(jī)械損耗剩余的功率值，靜壓效率則是用靜壓代替全壓，計(jì)算的有效功率。

當(dāng)次級(jí)葉輪葉片數(shù)恒定為10，初級(jí)葉輪葉片數(shù)取8時(shí)，風(fēng)機(jī)平均效率處于中間位置，當(dāng)葉片數(shù)取12，風(fēng)機(jī)平均效率曲線整體上移，效率隨葉片數(shù)增加而增大，當(dāng)葉片數(shù)取14時(shí)，風(fēng)機(jī)平均效率沒有繼續(xù)上升的趨勢(shì)，反而低于葉片數(shù)為12的情況。當(dāng)葉片數(shù)為12時(shí)，效率最高點(diǎn)在5.2～5.3 kg/s之間，當(dāng)葉片數(shù)為8時(shí)，效率最高點(diǎn)發(fā)生右移，位于5.3～5.4 kg/s之間，葉片數(shù)取14時(shí)，效率最高點(diǎn)繼續(xù)右移，同時(shí)效率最大值相對(duì)葉片數(shù)為8有明顯增大趨勢(shì)，最高點(diǎn)位于5.6～5.7 kg/s之間，最大值接近于葉片數(shù)為8的情況。綜合分析可知，葉片數(shù)偏大或者偏小都無法使得風(fēng)機(jī)平均效率達(dá)到最大，隨著流量的增大，最高效率可能隨著葉片數(shù)增大或者減小發(fā)生偏移，效率變化幅度增大，流場(chǎng)不穩(wěn)定因素增加，只有將初級(jí)葉輪葉片數(shù)控制在某個(gè)合理的范圍內(nèi)，才可以使得風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行效率最高。

初級(jí)葉輪葉片數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)效率影響相對(duì)比較明顯，次級(jí)葉輪作為流體的次做功裝置，對(duì)風(fēng)機(jī)效率也有著不可忽視的影響。當(dāng)次級(jí)葉輪葉片數(shù)取8時(shí)，風(fēng)機(jī)效率在65%左右，變化率不大，由于兩級(jí)葉輪葉片數(shù)相差較大，在5.5 kg/s左右出現(xiàn)低效率運(yùn)行，當(dāng)葉片數(shù)取10時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓效率隨著葉片數(shù)增加而增大，全壓效率整體上移，出現(xiàn)效率最大值，變化率偏小，流場(chǎng)比較穩(wěn)定，當(dāng)葉片數(shù)繼續(xù)增大為14時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓效率出現(xiàn)大幅度下降，并沒有隨著葉片數(shù)增多而增大，且隨著流量的增大全壓效率出現(xiàn)急劇下滑的趨勢(shì)，效率最大值出現(xiàn)在低流量區(qū)域。綜合分析可知，初級(jí)葉輪葉片數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)全壓效率最高點(diǎn)影響較大，次級(jí)葉輪葉片數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)全壓效率平均值影響較大，但共同點(diǎn)是，葉片數(shù)偏多或者偏少，都不利于風(fēng)機(jī)效率的提高，應(yīng)合理設(shè)計(jì)次級(jí)葉輪葉片數(shù)，滿足不同工況需要。

葉片數(shù)配合對(duì)風(fēng)機(jī)的全壓效率影響是個(gè)很復(fù)雜的過程，單葉輪葉片數(shù)和兩級(jí)葉輪葉片數(shù)配合影響存在差異性，須同時(shí)考慮兩級(jí)葉輪葉片數(shù)，才可以分析風(fēng)機(jī)全壓效率變化。風(fēng)機(jī)效率曲線基本都為漸縮型，隨著質(zhì)量流量的增大而逐漸減小，只有12/8和14/10兩種情況下效率曲線變化幅度偏大，葉片數(shù)數(shù)值相差較大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)變化梯度增大，效率曲線出現(xiàn)偏移。當(dāng)兩級(jí)葉輪葉片數(shù)取12/14時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓效率平均值偏低，且隨著流量的增大出現(xiàn)急劇下滑現(xiàn)象，曲線斜率偏低，當(dāng)葉片數(shù)取8/10最小數(shù)值時(shí)，風(fēng)機(jī)效率平均值居中，且相對(duì)平穩(wěn)，當(dāng)葉片數(shù)取12/10，風(fēng)機(jī)效率平均值整體上移居高，風(fēng)機(jī)效率達(dá)到最高值，曲線平穩(wěn)，流場(chǎng)穩(wěn)定。通過縱向和橫向?qū)Ρ确治隹芍?，無論是從單葉輪葉片數(shù)還是兩級(jí)葉輪整體葉片數(shù)，葉片數(shù)偏多或者偏少都會(huì)進(jìn)一步限制風(fēng)機(jī)效率的提高，同時(shí)，兩級(jí)葉輪葉片數(shù)數(shù)值相差較大時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)流場(chǎng)變化梯度增大的后果，影響流場(chǎng)的穩(wěn)定性，對(duì)風(fēng)機(jī)性能改善起到阻礙作用，應(yīng)該根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，合理設(shè)計(jì)兩級(jí)葉輪葉片數(shù)，不管是從葉片數(shù)值還是從匹配角度，都應(yīng)該找到最優(yōu)解，使得風(fēng)機(jī)效率最大化，保證風(fēng)機(jī)高效率運(yùn)行。

5 結(jié)論

1）風(fēng)機(jī)的壓力曲線隨流量以及送分距離成單駝峰狀，在遠(yuǎn)距離送風(fēng)質(zhì)量流速低于2.3 kg/s時(shí)樣機(jī)模型壓力值相對(duì)較高，當(dāng)質(zhì)量流速高于2.3 kg/s時(shí)，12/10葉片數(shù)配合全壓值高于樣機(jī)12/8葉片數(shù)配合，分析可知，在近距離大流量時(shí)，適當(dāng)增加兩級(jí)葉輪葉片數(shù)并且保證兩級(jí)葉片數(shù)之間存在差值，可以使得風(fēng)機(jī)全壓值得到提高。

2）葉片數(shù)偏多或者偏少都將會(huì)影響風(fēng)機(jī)全壓效率的提高，當(dāng)葉片數(shù)取8/10時(shí)或者12/14時(shí)風(fēng)機(jī)效率整體偏低，在流量高于2.3 kg/s時(shí)14/10配合風(fēng)機(jī)效率要高于樣機(jī)模型，當(dāng)質(zhì)量流量低于2.3 kg/s時(shí)風(fēng)機(jī)效率低于樣機(jī)模型。

3）對(duì)于單葉輪風(fēng)機(jī)，壓力以及效率曲線呈單駝峰狀，對(duì)于多級(jí)葉輪分級(jí)來說，初級(jí)葉輪對(duì)壓力值以及效率值影響占主要地位，末級(jí)葉輪葉片數(shù)變化對(duì)流場(chǎng)梯度變化占主要地位，葉輪級(jí)數(shù)越多，影響越大。