張澤君

（山西焦煤西山分公司馬蘭礦機(jī)電部外維一隊， 山西 太原 030205）

引言

通風(fēng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為氣體動能進(jìn)行高壓氣體輸送的葉輪設(shè)備，在煤礦開采、石油化工、車輛工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，特別是在煤礦等礦井的開采中，通風(fēng)機(jī)作為重要的通風(fēng)設(shè)備，對于井下的安全通風(fēng)具有重要的作用。由于煤礦井下開采會產(chǎn)生大量的有毒氣體，對通風(fēng)機(jī)的要求比較嚴(yán)格[1]，必須保證通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、操作、性能及安全措施等具有足夠的保障，保證通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全可靠。葉片作為葉輪機(jī)構(gòu)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)形式對通風(fēng)機(jī)的性能及安全具有重要的影響，針對分流葉片的不同結(jié)構(gòu)形式采用模擬仿真的方式對其性能進(jìn)行分析[2]，優(yōu)化通風(fēng)機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高通風(fēng)機(jī)的性能及安全作用。

1 不同結(jié)構(gòu)形式分流葉片通風(fēng)機(jī)模型的建立

在通風(fēng)機(jī)的作業(yè)過程中，葉輪附近的湍流強(qiáng)度較大，對氣體的流動造成一定的擾動作用，且葉輪的尾端位置容易引起二次流動，造成通風(fēng)機(jī)出口位置的壓力和流量較小，降低了通風(fēng)機(jī)的性能。采用分流葉片的形式安裝在葉輪的周邊位置[3]，如圖1 所示，可以改善葉輪內(nèi)部氣體的流動狀態(tài)，從而提高通風(fēng)機(jī)的性能，保證通風(fēng)機(jī)的安全使用。

圖1 分流葉片通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

分流葉片的結(jié)構(gòu)形式不同對于通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣體流場的改善作用也不同，為使通風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣體達(dá)到最佳的流動狀態(tài)，針對不同結(jié)構(gòu)形式的分流葉片對通風(fēng)機(jī)的性能改善作用進(jìn)行分析。以某型號的通風(fēng)機(jī)為例，以分流葉片與葉輪的長度比不同進(jìn)行兩種不同結(jié)構(gòu)分流葉片的設(shè)計[4]，依據(jù)分流葉片的長軸長度與葉輪整體長度的比值進(jìn)行分類，設(shè)計兩種分流葉片，其中分流葉片1 與葉輪的長度比為1∶2.4，分流葉片2 與葉輪的長度比為1∶2。采用CFD 分析軟件FLUENT 對分流葉片的性能進(jìn)行分析，建立通風(fēng)機(jī)的物理結(jié)構(gòu)模型，為進(jìn)一步分析分流葉片的性能，分別建立無分流葉片及分流葉片1、2 的通風(fēng)機(jī)模型，采用自適應(yīng)網(wǎng)格的形式對葉片的流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到存在著湍流邊界效應(yīng)的作用，對通風(fēng)機(jī)的輪轂及外殼網(wǎng)格進(jìn)行加密處理[5]，得到通風(fēng)機(jī)單流道流體區(qū)域的網(wǎng)格模型如圖2 所示，設(shè)定通風(fēng)機(jī)流場介質(zhì)為理想氣體，由此對分流葉片的性能進(jìn)行分析。

圖2 通風(fēng)機(jī)單流道流體區(qū)域網(wǎng)格劃分模型

2 不同結(jié)構(gòu)形式下分流葉片對通風(fēng)機(jī)性能的影響仿真分析

2.1 通風(fēng)機(jī)葉片靜壓分布分析

對所建立的無分流葉片及分流葉片1、分流葉片2 三種模型進(jìn)行葉片靜壓分析，葉片靜壓的分布直接決定了葉片表面載荷的大小，對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性具有直接的影響。對葉輪壓力面的靜壓分布進(jìn)行統(tǒng)計，得到如下頁圖3 所示的三種靜壓分布曲線。從圖3 中可以看出，在相同的工況下，采用分流葉片的靜壓分布明顯好于沒有分流葉片的靜壓分布，在兩種結(jié)構(gòu)形式的分流葉片中，分流葉片2 對通風(fēng)機(jī)葉輪壓力面靜壓分布的影響要優(yōu)于分流葉片1。分流葉片2 的軸向尺寸較長，使得流體進(jìn)入分流流道的時間較早，分流葉片2 的靜壓下降速度要快于分流葉片1；同時，由于分流葉片2 的流道較為細(xì)長，使得氣體的靜壓不斷轉(zhuǎn)化為動能，對葉輪壓力面的靜壓值下降具有較好的效果。隨著分流葉片結(jié)束之后的流道變寬，氣體的動能向靜壓轉(zhuǎn)化，使得靜壓值上升，從而可以有效改善葉輪末端的尾流，降低氣體的動能損失，提高出口位置的氣體流速[6]。

圖3 葉輪壓力面的靜壓分布曲線

2.2 通風(fēng)機(jī)葉片近壁面湍流強(qiáng)度分析

對所建立的無分流葉片及分流葉片1、分流葉片2 三種模型進(jìn)行近壁面湍流強(qiáng)度分析，近壁面湍流強(qiáng)度對于近壁面氣體的流動具有直接的影響，從而對通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣體流動造成影響。對葉輪壓力面的近壁面湍流強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計，得到如圖4 所示的三種靜壓分布曲線。從圖4 中可以看出，在相同的工況下，采用分流葉片可以改善通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣體流動狀態(tài)，葉輪近壁面位置氣體的流動更加穩(wěn)定，氣體進(jìn)入分流葉片形成的分流流道時，氣體的流速上升，壓力面的湍流強(qiáng)度增加，分流葉片2 的湍流強(qiáng)度大于分流葉片1，隨著分流流道的擴(kuò)大，氣體的流速降低，葉輪壓力面的湍流強(qiáng)度也隨之減小。

圖4 葉輪壓力面的近壁面湍流強(qiáng)度曲線

3 結(jié)語

通風(fēng)機(jī)是廣泛應(yīng)用于礦井開采中的通風(fēng)設(shè)備，由于礦井作業(yè)的環(huán)境惡劣，對于通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全可靠性能具有較高的要求。分流葉片可以改善葉輪在工作過程中的流體狀態(tài)，提高通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定及安全性能。針對兩種不同長度比的分流葉片對通風(fēng)機(jī)性能的影響，采用有限元模擬仿真的方式進(jìn)行分析。結(jié)果表明，存在分流葉片時，氣體經(jīng)過分流流道的作用，使得流道變小，靜壓能轉(zhuǎn)化為氣體的動能，氣體的流速增加而靜壓值降低，分流葉片2 的流道較為細(xì)長，對壓力面的靜壓分布影響要優(yōu)于分流葉片1，但同時形成的近壁面的湍流強(qiáng)度也大于分流葉片1，在綜合性能上，較長的分流葉片對改善葉輪內(nèi)部氣體的流動狀態(tài)具有較好的效果。在實際的設(shè)計應(yīng)用中，應(yīng)據(jù)此進(jìn)行分流葉片的設(shè)計，從而提高通風(fēng)機(jī)氣體的穩(wěn)定性，保證通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定安全。