趙 豪

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司， 山西 晉城 048400）

引言

隨著煤礦井下綜采作業(yè)深度和巷道復(fù)雜程度的增加，在綜采作業(yè)時(shí)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)工作效率和穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，高的工作效率能夠降低風(fēng)機(jī)在長(zhǎng)期工作時(shí)的電能消耗，提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；穩(wěn)定的工作特性能夠確保井下正常的氣流流動(dòng)，使井下處在一個(gè)適宜的工作環(huán)境下，從而確保煤礦井下綜采作業(yè)的順利進(jìn)行。軸流式通風(fēng)機(jī)作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)最核心的組成部分，其風(fēng)葉葉片的安裝角度和切割量[1]的不同直接影響風(fēng)機(jī)工作時(shí)的效率和穩(wěn)定性，因此本文利用流體仿真分析軟件，對(duì)風(fēng)機(jī)在不同葉片安裝角和切割量情況下的工作特性進(jìn)行研究，為優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，提升風(fēng)機(jī)工作性能和工作安全性奠定基礎(chǔ)。

1 通風(fēng)機(jī)三維分析模型的建立

本文以某型動(dòng)葉可調(diào)式礦用軸流風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，利用三維建模軟件建立其三維結(jié)構(gòu)模型，該軸流式通風(fēng)機(jī)的翼形結(jié)構(gòu)為對(duì)稱式蟬翼型葉片結(jié)構(gòu)[2]，葉片安裝角度為32°，利用六面體網(wǎng)格劃分方法，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析網(wǎng)格劃分，為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行劃分時(shí)，采用了局部加密的方案，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，劃分完成后網(wǎng)格總數(shù)為241萬(wàn)，其中導(dǎo)葉區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量為126萬(wàn)。同時(shí)根據(jù)動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，將其分為動(dòng)葉、擴(kuò)壓器、風(fēng)機(jī)集流器和風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉四個(gè)部分，風(fēng)機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，該風(fēng)機(jī)共設(shè)置14個(gè)動(dòng)葉和15個(gè)導(dǎo)葉，工作時(shí)的額定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的精確仿真分析，采用了K-ε湍流模型，該模型能夠精確地模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中氣流在葉片邊緣處的流場(chǎng)分布情況，同時(shí)有效地解決了傳統(tǒng)分析模型在風(fēng)機(jī)喘振時(shí)仿真嚴(yán)重失真的情況，在分析的過(guò)程中將風(fēng)機(jī)集流器的進(jìn)口處設(shè)置為系統(tǒng)的氣流進(jìn)口邊界，將擴(kuò)壓器的出口處作為系統(tǒng)的出口邊界，分析時(shí)將進(jìn)口的邊界條件設(shè)置為速度的進(jìn)口，將出口處的邊界條件設(shè)置為自由流出的條件，滿足仿真分析的需求。

圖1 動(dòng)葉可調(diào)軸流式通風(fēng)機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)軸流式通風(fēng)機(jī)的實(shí)際截割參數(shù)，為了充分驗(yàn)證在不同情況下的工作特性，選擇風(fēng)機(jī)在無(wú)切割情況下對(duì)29°、32°、35°時(shí)的工作特性進(jìn)行分析，然后對(duì)在安裝角相同情況下的不同切割量情況進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)在不同切割量情況下的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 軸流式通風(fēng)機(jī)工作特性的仿真分析

2.1 風(fēng)機(jī)全壓性能分析

葉輪葉片安裝角β分別為29°、32°、35°情況下，在不同的切割量下風(fēng)機(jī)工作時(shí)的全壓性能曲線如圖2所示，圖中0、5%、10%、15%表示葉片切割量占葉輪葉片總長(zhǎng)度的百分比。

圖2 不同葉片安裝角情況下風(fēng)機(jī)的全壓性能曲線

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)葉輪葉片的安裝角為29°、32°時(shí)，不同的葉片切割量情況下的風(fēng)機(jī)全壓性能曲線均隨著流量的增加而有序降低，且葉片切割量所占的葉片總長(zhǎng)度越長(zhǎng)其工作過(guò)程中的全壓效率就越低，這主要是由于隨著葉片切割量的增加，風(fēng)機(jī)的葉頂間隙不斷地加大，增加了風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)在葉片頂部的渦流損失。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪葉片的安裝角為35°的情況下，切割量占葉片總長(zhǎng)度的百分比為0和5%的情況下風(fēng)機(jī)工作時(shí)的全壓效率曲線出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，導(dǎo)致軸流式通風(fēng)機(jī)在低速小流量工況下會(huì)出現(xiàn)明顯的“喘振”現(xiàn)象，這是由于在葉片安裝角增大的情況下，風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)在葉片根部產(chǎn)生了渦流沖擊，導(dǎo)致了運(yùn)行不穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，在各種安裝角的情況下，風(fēng)機(jī)在小流量區(qū)域工作時(shí)均會(huì)出現(xiàn)一定的不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致其實(shí)際運(yùn)行時(shí)的全壓效率較低，能耗高、穩(wěn)定性差，因此表明當(dāng)風(fēng)機(jī)在小流量工況（≤36 m3/s）下的工作不穩(wěn)定性較為顯著，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)避免使風(fēng)機(jī)在小流量工況下運(yùn)行。

2.2 風(fēng)機(jī)工作效率分析

葉輪葉片安裝角β分別為29°、32°、35°情況下，在不同的切割量情況下風(fēng)機(jī)工作時(shí)的工作效率變化曲線如圖3所示。

圖3 不同葉片安裝角情況下風(fēng)機(jī)的效率變化曲線

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)安裝角為29°、32°的情況下，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率均隨著流量的增加而呈現(xiàn)整體降低的趨勢(shì)，當(dāng)流量相同的情況下風(fēng)機(jī)葉片的切割量越大其運(yùn)行效率就越低。這主要是由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行的流量越大，在工作時(shí)產(chǎn)生的不穩(wěn)性喘振就越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行效率的降低。流量相同的情況下風(fēng)機(jī)葉片切割量越大，頂部間隙越大，工作時(shí)的壓差越小，進(jìn)而導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率的降低。

當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片的安裝角度為35°時(shí)，不同切割情況下的運(yùn)行效率存在著較大的差異性。當(dāng)流量超過(guò)39 m3/s時(shí)，效率降低較小，整體穩(wěn)定性相對(duì)較高。由此可知當(dāng)風(fēng)機(jī)在不同的安裝角和葉片切割量情況下具有不同的工作特性，因此可以針對(duì)風(fēng)機(jī)工作時(shí)的實(shí)際工況對(duì)其葉片安裝角和葉片切割量進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)始終處于高效率的工作狀態(tài)下。

2.3 風(fēng)機(jī)渦流分布情況分析

風(fēng)機(jī)在工作過(guò)程中風(fēng)葉在壓力面上的壓力要高于在吸力面上的壓力，在該壓差作用下，風(fēng)機(jī)將使氣流從壓力面向著吸力面逐漸流動(dòng)，而風(fēng)機(jī)在工作時(shí)葉輪高速旋轉(zhuǎn)將使吸力面上的空氣受離心力的作用向著壓力面流動(dòng)，二者在風(fēng)機(jī)中部形成抵消流場(chǎng)，使氣流向著葉面的橫向進(jìn)行流動(dòng)，在風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，該壓差不平衡和離心力作用下的氣流抵消現(xiàn)象連續(xù)發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)工作時(shí)的能量的損失，不同葉片切割量情況下的葉片上的渦流分布如圖4所示。

圖4 不同工況下葉片上渦流分布示意圖

由圖4-1—圖4-4可知，同一個(gè)安裝角下葉片的切割量越大，渦流分布中心離風(fēng)機(jī)的輪轂就越近，在運(yùn)行過(guò)程中的渦流損失量就越大，因此風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的全壓和工作效率就越低。這主要是由于在切割量增加的情況下，風(fēng)機(jī)葉片的葉頂間隙就越大，葉片頂部的氣流泄露量增加，從而導(dǎo)致了泄露渦流的變大，渦流損失量增加。由圖4-5、圖4-6可知，當(dāng)葉片的切割量相同，安裝角度不同的情況下，渦流分布中心保持不變，且渦流量隨著安裝角度的增加而增大，主要是由于隨著安裝角的增加，氣流在隨葉片高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中離心力逐漸小于壓差力，泄露氣流逐漸向著葉片根部移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致在葉片根部處的渦流泄露情況變大，形成了顯著的渦流損失。

3 不同切割量情況下風(fēng)機(jī)熵產(chǎn)率的變化分析

熵產(chǎn)率是表示風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)過(guò)程中不可逆能量損失大小的量[3-4]，風(fēng)機(jī)在不同的葉片切割量情況下的熵產(chǎn)率分布情況如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)熵產(chǎn)率變化曲線

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)葉片的切割量為0°時(shí)，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的熵產(chǎn)率主要集中在風(fēng)機(jī)的導(dǎo)葉區(qū)，且在導(dǎo)葉區(qū)流道的底部和頂部處的熵產(chǎn)率最高，在風(fēng)機(jī)的擴(kuò)壓器處的熵產(chǎn)率分布較小，這主要是由于風(fēng)機(jī)在流動(dòng)過(guò)程中氣流在風(fēng)機(jī)的導(dǎo)葉區(qū)出現(xiàn)了偏流，并與葉片出現(xiàn)了撞擊，導(dǎo)致在葉片的邊界處出現(xiàn)了旋渦流動(dòng)現(xiàn)象[5]，引起了大量的能量損失，因此其熵產(chǎn)率最高，而在擴(kuò)壓器的位置氣流流動(dòng)較為規(guī)則，因此其在流動(dòng)過(guò)程中的能量損失小，熵產(chǎn)率低。

當(dāng)葉片切割量開(kāi)始增加時(shí)，整機(jī)的熵產(chǎn)率隨著切割量的增加而逐漸加大，說(shuō)明風(fēng)機(jī)在工作中葉片的切割量越大，流量損失越大，工作時(shí)的效率和全壓越低，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整風(fēng)機(jī)的葉片切割量，確保風(fēng)機(jī)工作時(shí)的效率和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

1）當(dāng)葉輪葉片的安裝角為29°、32°情況下，各種葉片切割量情況下的風(fēng)機(jī)全壓性能曲線均隨著流量的增加而降低；

2）當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪葉片的安裝角為35°的情況下，切割量所占的葉片總長(zhǎng)度為0%和5%情況下風(fēng)機(jī)工作時(shí)的全壓效率曲線出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，導(dǎo)致軸流式通風(fēng)機(jī)在低速小流量工況下會(huì)出現(xiàn)“喘振”現(xiàn)象；

3）同一個(gè)安裝角下葉片的切割量越大渦流分布中心離風(fēng)機(jī)的輪轂就越近，在運(yùn)行過(guò)程中的渦流損失量就越大，當(dāng)葉片的切割量相同，安裝角度不同的情況下，渦流分布中心保持不變，且渦流量隨著安裝角度的增加而增大；

4）整機(jī)的熵產(chǎn)率隨著切割量的增加而逐漸加大，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整風(fēng)機(jī)的葉片切割量，確保風(fēng)機(jī)工作時(shí)的效率和經(jīng)濟(jì)性。