王海賓

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司靈石公用事業(yè)分公司，山西 靈石 031302）

引言

作為礦井通風系統(tǒng)的核心，軸流式通風機運行時的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了礦井通風系統(tǒng)的運行安全，針對目前軸流式通風機運行過程中葉頂流動損失大、熵產(chǎn)低、經(jīng)濟性差的現(xiàn)狀，多數(shù)學者主要是從優(yōu)化軸流式風機安裝角、優(yōu)化風機運行速度匹配等方面出發(fā)，取得了較大的成績，但風機運行時的工況點效率較大，無法滿足越來越高的運行經(jīng)濟性需求。因此本文提出了一種新的研究方案，即利用流體仿真分析軟件對相同安裝角下，不同風葉切割量對風機運行特性的影響進行研究。

1 仿真分析模型建立及定義

本文以軸流式通風機為研究對象，該風機共有動葉15 片，導(dǎo)葉16 片，風機風葉采用了薄蟬翼型結(jié)構(gòu)，翼型呈對稱結(jié)構(gòu)，風機的額定轉(zhuǎn)速約為1 440 r/min，風機的葉輪的外徑為1 490 mm，輪轂比為0.5，風機的葉頂間隙約為4.7 mm，對應(yīng)的間隙率為0.25，風機葉片的安裝角為29°，以該軸流式通風機為研究對象，對葉片切割量分別為0%、5%、10%、15%情況下的風機運行特性進行研究。

利用三維仿真建模軟件建立該軸流式通風機的三維結(jié)構(gòu)模型，為了簡化建模難度、提升分析準確性，建模時將風機殼體統(tǒng)一為一個整體，風機的風葉部分按實際情況進行等比例建模。在進行網(wǎng)格劃分時，采用Gambit 進行數(shù)據(jù)網(wǎng)格劃分[1]，對重點區(qū)域進行加密劃分處理，將整個仿真分析的區(qū)域按動葉、擴散筒、導(dǎo)葉和集流器進行劃分，該四部分區(qū)域采用加密網(wǎng)格，其他區(qū)域采用正常的網(wǎng)格定義，從而滿足在確保仿真分析準確性情況下提升仿真分析速度的目的，風機網(wǎng)格劃分后，總計網(wǎng)格單元的數(shù)量約為247 萬個，其中加密網(wǎng)格數(shù)量為183 萬個，普通網(wǎng)格數(shù)量為64 萬個，網(wǎng)格劃分后的軸流式風機結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 軸流式風機三維結(jié)構(gòu)模型

為了確保仿真分析的效果，利用FLUENT 流體仿真分析軟件對其進行仿真分析時采用湍流模型，利用其穩(wěn)定性好的特性，解決傳統(tǒng)高速流體模型所存在的二次回流、梯度強逆性大的不足，滿足軸流式通風機在高速運行時的分析可靠性。

2 風機性能仿真分析

利用FLUENT 仿真分析軟件[2]對風機在不同葉片切割量情況下的運行效率進行分析，結(jié)果見圖2。

由圖2 可知，當風機的流量一定的情況下，葉片切割量Δ 越大，風機的運行效率越低。當風機的葉片切割量一定的情況下，風機的運行效率隨著風機流量的增加而逐漸降低。當風機葉片切割量為零的情況下風機的運行效率達到了最高，約為81%。

圖2 不同切割量情況下的風機運行效率

風機在高速運轉(zhuǎn)時，會在風機內(nèi)部形成一個高壓面和一個低壓面，在壓力差的作用下氣流會從高壓面向低壓面流動，流動的氣流在風機高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下，又會產(chǎn)生一個從低壓面向高壓面流動的動力，使風道內(nèi)的氣流在流到的上側(cè)和下次產(chǎn)生紊流，進而造成了風壓的泄漏[3]，產(chǎn)生能量流失（葉頂流動損失），影響風機運行的效率和穩(wěn)定性。因此需要對不同葉片切割量情況下風機的能量損失進行分析，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同風葉切割量情況下風機能量損失

由仿真分析結(jié)果可知，隨著葉片切割量的增大，風機運行時的渦流逐漸向著風機輪轂的方向偏移，越靠近輪轂的位置，氣流對風機內(nèi)紊流的干擾越大，導(dǎo)致運行時風機的能量損失越大，從而造成了風機運行時全壓和運行效率的低下。這主要是風機葉片的切割量越大，風機運行時在葉片頂板的氣流泄漏量越大，使風機內(nèi)部的正常氣流流道面變小，引起了渦流泄漏量的增大[4]。

風機的熵產(chǎn)率是表征風機運行過程中不可避免的能量損失特性，風機的熵產(chǎn)率越小說明能量損失越小，其運行效率越高，不同葉片切割量情況下風機的熵產(chǎn)率情況如圖4 所示。

由圖4 可知，隨著風機葉片切割量的增加，風機的熵產(chǎn)率逐漸加大。當風機葉片切割量逐漸增加時風機導(dǎo)葉區(qū)和動葉區(qū)域上側(cè)的熵產(chǎn)率增加，同步帶動擴口區(qū)域熵產(chǎn)率的增加，這主要是由于風葉被切割后使葉片整體的做功功率下降，氣流在風機動葉區(qū)域的流態(tài)發(fā)生變化，使氣流在導(dǎo)葉及擴口區(qū)域的渦流效果增加，進而導(dǎo)致了風機導(dǎo)葉區(qū)和擴口區(qū)域內(nèi)熵產(chǎn)率的增加。

圖4 不同葉片切割量情況下的熵產(chǎn)率

3 結(jié)論

1）湍流模型具有穩(wěn)定性好的特性，能夠解決傳統(tǒng)高速流體模型所存在的二次回流、梯度強逆性大的不足，滿足軸流式通風機在高速運行時的分析可靠性。

2）葉片切割量越大，風機的運行效率越低，當風機葉片切割量為零的情況下風機的運行效率達到了最高，約為81%。

3）葉片切割量增大，風機運行時的能量損失和熵產(chǎn)率越大，越不利于風機運行時經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的提升。