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        后級葉片安裝角對軸流通風(fēng)機(jī)性能的影響研究

        2022-11-12 08:48:50張錦荃
        機(jī)械管理開發(fā) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:后級軸流靜壓

        張錦荃

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦, 山西 大同 037028)

        在煤炭的開采過程中,通風(fēng)機(jī)是必不可少的通風(fēng)設(shè)備,在通風(fēng)機(jī)的多種類型中[1],對旋式軸流通風(fēng)機(jī)具有風(fēng)量大、風(fēng)壓高及可進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)等優(yōu)點,在煤礦的開采中具有廣泛的應(yīng)用。由于軸流通風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境惡劣,在使用中存在著運行不穩(wěn)定、風(fēng)流短路等問題,影響煤礦的安全生產(chǎn)[2]。隨著通風(fēng)機(jī)設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展,動葉可調(diào)式軸流通風(fēng)機(jī)可進(jìn)行后級葉片安裝角度的調(diào)節(jié),從而使通風(fēng)機(jī)滿足不同工況的需求,成為煤礦通風(fēng)的主要設(shè)備[3]。針對后級葉片安裝角度對軸流通風(fēng)機(jī)性能的影響,采用流體力學(xué)仿真分析的形式對其氣動性能進(jìn)行分析,從而選擇合理的后級葉片安裝角度,為軸流通風(fēng)機(jī)的安全高效運行提高保障[4]。

        1 不同后級葉片安裝角軸流通風(fēng)機(jī)分析模型的建立

        動葉可調(diào)式軸流通風(fēng)機(jī)采用結(jié)構(gòu)相同的葉輪進(jìn)行串聯(lián),前后級葉輪均采用動葉角度可調(diào)的機(jī)械機(jī)構(gòu),實現(xiàn)對動葉安裝角度的調(diào)節(jié)[5]。機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠的特點,可實現(xiàn)對葉片安裝角度的可靠調(diào)節(jié)。軸流通風(fēng)機(jī)的后級葉輪直接對外輸出做功,后級葉片的安裝角度對通風(fēng)機(jī)的性能影響較大[6]。針對后級葉片的安裝角度進(jìn)行模擬分析,葉片的安裝角度如圖1 所示,翼弦與葉珊額線之間的夾角即為葉片安裝角。機(jī)械式葉片角度調(diào)整機(jī)構(gòu)對葉片安裝角度的調(diào)節(jié)范圍一般為±5°[7],且極限位置受到的作用力較大。針對后級葉片的安裝角度進(jìn)行分析,選定后級葉片的安裝角度變化為±3°[8],依據(jù)某型號的軸流通風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行分析,則選定后級葉片的安裝角度分別為40°、43°及46°。

        圖1 軸流通風(fēng)機(jī)葉片安裝角示意圖

        對軸流通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行模擬計算,首先依據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行葉輪模型的建立,葉輪的輪轂直徑為900 mm,葉片數(shù)目為12,葉輪的直徑為2 000 mm,設(shè)計轉(zhuǎn)速為560 r/min。對所建立的葉輪模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[9],得到葉輪的網(wǎng)格模型如圖2 所示,前后級葉輪的結(jié)構(gòu)一致,從而依據(jù)軸流通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算域的設(shè)定。

        圖2 軸流通風(fēng)機(jī)葉輪網(wǎng)格模型

        軸流通風(fēng)機(jī)的計算域主要包括風(fēng)機(jī)的進(jìn)口域、前級葉輪的計算域、內(nèi)容的計算域、后級葉輪的計算域及風(fēng)機(jī)的出口計算域。為保證流體充分進(jìn)入通風(fēng)機(jī),在進(jìn)口域選擇長度為3 倍的葉輪直徑,出口域選擇長度為6 倍的葉輪直徑,從而使流體流出時更加穩(wěn)定[10]。相鄰的計算域之間采用交界面進(jìn)行連接,前后級葉輪為旋轉(zhuǎn)的計算域,其他的計算域為靜止域,建立不同的后級葉片安裝角計算模型。對于通風(fēng)機(jī)除葉輪外的計算域,由于其結(jié)構(gòu)較為簡單,采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[11],這樣可以提高計算的準(zhǔn)確性及計算效率。

        設(shè)定軸流通風(fēng)機(jī)運行過程中的流體介質(zhì)為不可壓縮的黏性氣體,采用不可壓的雷諾時均N-S 方程進(jìn)行全三維的定常數(shù)值模擬,湍流模型采用SST 模型。在模型分析時,設(shè)定進(jìn)口處的入口壓力及流量,出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓[12],溫度為室溫,內(nèi)部筒體為無滑移的壁面,采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù),由此進(jìn)行軸流通風(fēng)機(jī)性能的分析。

        2 不同后級葉片安裝角軸流通風(fēng)機(jī)性能的分析

        2.1 軸流通風(fēng)機(jī)靜壓效率的結(jié)果分析

        對三種不同的后級葉片安裝角時軸流通風(fēng)機(jī)的靜壓效率進(jìn)行分析,得到靜壓效率性能曲線如圖3 所示。從圖3 中可以看出,在不同的后級葉片安裝角下,靜壓效率隨流量增加的變化趨勢一致,呈先增加后減小的趨勢,三種不同的后級葉片安裝角的靜壓效率曲線相互交叉,說明靜壓效率的變化差別較大;在小流量的工況下,后級葉片安裝角為40°時的靜壓效率最大,說明此時在小流量工況下有利于較小的葉片安裝角高效運行。在大流量的工況下,后級葉片安裝角為46°時的靜壓效率最大,說明大流量的工況下有利于較大的葉片安裝角高效運行。風(fēng)機(jī)的整體靜壓效率隨著流量的增加呈減小的趨勢,但46°后級葉片安裝角時效率的下降較慢,40°后級葉片安裝角時效率的下降最快,由此說明較大的安裝角能夠增加軸流通風(fēng)機(jī)高效運行的范圍。

        圖3 軸流通風(fēng)機(jī)靜壓效率變化曲線

        2.2 軸流通風(fēng)機(jī)靜壓的結(jié)果分析

        對三種不同的后級葉片安裝角時軸流通風(fēng)機(jī)的靜壓性能進(jìn)行分析,得到靜壓性能曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出,不同的后級葉片安裝角度下,靜壓隨流量增加的變化趨勢一致,均呈逐步減小的趨勢。在三種不同的后級葉片安裝角度下,僅在流量較小的工況下,46°后級葉片安裝角度時的靜壓值較小,在流量大于72.5 m3/s 后,46°后級葉片安裝角度的靜壓值均較大。在小流量的工況下,流量小于76 m3/s 時46°后級葉片安裝角時的靜壓值急劇下降,說明此時軸流通風(fēng)機(jī)發(fā)生失速現(xiàn)象,不利于通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運行。

        圖4 軸流通風(fēng)機(jī)靜壓變化曲線

        綜上可知,在小流量的工況下,安裝角較小時軸流通風(fēng)機(jī)的整體性能較好,靜壓效率及靜壓均較大,46°后級葉片安裝角時存在一定的失速現(xiàn)象。在大流量的工況下,安裝角較大時風(fēng)機(jī)的表現(xiàn)更好,靜壓效率的曲線下降較慢。從整體上看,較大的后級葉片安裝角效率的最高點對應(yīng)的體積流量向大的一側(cè)移動,能夠增加軸流通風(fēng)機(jī)的高效率工作范圍,有利于軸流通風(fēng)機(jī)多工況下的高效運行。

        3 結(jié)論

        針對后級葉片安裝角度對軸流通風(fēng)機(jī)性能的影響,采用流體力學(xué)仿真的形式進(jìn)行建模分析。選定后級葉片的安裝角度變化范圍為±3°,對軸流通風(fēng)機(jī)建立計算域模型,并對風(fēng)機(jī)的靜壓效率及靜壓值進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明,在小流量的工況下,較小的后級葉片安裝角有利于風(fēng)機(jī)的高效運行,在大流量的工況下,較大的后級葉片安裝角有利于風(fēng)機(jī)的高效運行。由于較大的后級葉片安裝角能夠在整體上提高軸流通風(fēng)機(jī)高效運行的范圍,從而有利于軸流通風(fēng)機(jī)多工況下的高效運行。在進(jìn)行后級葉片安裝角度的調(diào)節(jié)時,可依據(jù)工況條件選擇合理的安裝角度,提高通風(fēng)機(jī)的運行效率。

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