對旋軸流通風機頂部間隙對風機性能的影響

武 剛

（山西汾西礦業集團南關煤業， 山西 靈石 031300）

引言

對旋軸流通風機內部是個復雜的三維流體場，從進風管到初級風筒再到兩級葉輪最后通過次級風筒，期間流場變化梯度大，尤其是兩級級葉輪部位，流場變化更為復雜。就物理模型來說，影響風機性能參數的因素除過兩級葉輪葉片數、葉片安裝角、軸向間隙以及輪轂比以外，還有個重要的參數就是葉輪頂部間隙，相對徑向間隙也被稱作徑向間隙，它是葉片外緣與機殼之間的微小差距，對風機內部流場的影響也不容忽視[1-2]。目前，也有很多對頂部間隙進行研究的理論分許與數值模擬方法，但是大都是基于單葉輪風機，對于兩級葉輪或者多葉輪風機，則缺乏必要的研究理論依據[3-5]。

1 數值模擬的前處理

頂部間隙物理模型在創建時也是采用SolidWorks軟件，以12/10葉片數配合為主，風機的基本參數如表1所示。

表1 風機的基本參數尺寸

本文所說的頂部間隙是機殼都葉片頂部邊緣的有效距離，葉片采用圓弧板型，取葉頂間隙為d，葉片高為l，d/l為相對頂部間隙，如表2所示，為頂部間隙模型數據。

表2 頂部間隙模型數據

物理模型創建完成后導入Gambit進行網格劃分，與葉片數物理模型網格劃分所不同的是，在本章網格劃分時對風機結構流域進行重新定義，主要分成四大部分，分別是集流器、初級葉輪、次級葉輪以及擴散器，網格劃分情況如表3所示。網格劃分完成后導入Fluent進行求解條件設置，相關設置和葉片數設置相同，以速度入口為入口邊界條件，采用多參考坐標系，選擇分離式求解器，壓力速度耦合方式，近壁面采用無滑移固壁條件，出口選擇自由出口，設置完成進行數值模擬求解，觀察收斂曲線，達到預設條件認為其收斂，可進一步進行后處理分析。

表3 頂部間隙模型網格劃分

2 風機的性能曲線

本文所考慮的出發點主要是從靜壓、全壓以及效率出發，來分析頂部間隙大小對對旋軸流通風機性能的影響。

圖1 不同相對頂部間隙下出口靜壓值隨流量的變化

從圖1、圖2中可以看出，隨著頂部間隙的增大，無論是出口靜壓值還是風機全壓值都在逐漸降低，同時隨著間隙的增大，靜壓值和全壓值隨流量的變化率在逐漸降低。當相對頂部間隙為2.5%時，風機的靜壓值和全壓值都相對比較高，流量的大小對風機靜壓值和全壓值影響比較大，當質量流量小于2.2 kg/s時，頂部間隙越小，出口面靜壓值和風機全壓值隨流量變化更加敏感，當質量流量大于2.3 kg/s時，靜壓值和全壓值隨頂部間隙的變化程度減弱，流量的變化對其影響占到了主導地位。如果從影響因素的大小來看，頂部間隙的大小是影響出口面靜壓值和風機全壓值的主要因素。

圖2 不同相對頂部間隙下風機全壓隨質量流量的變化

對旋風機作為一個能量轉換機械，效率是必須要考慮的一個性能指標，如圖3所示，為不同葉頂間隙時風機全壓效率隨流量的變化曲線。

圖3 不同相對頂部間隙下效率隨質量流量的變化

從圖中可以看出，隨著葉頂間隙的增大，風機全壓效率隨之逐漸減小，當質量流量小于2.2 kg/s時，隨著頂部間隙的增大，流量變化對效率的影響在隨之減弱，當質量流量值大于2.3 kg/s時，隨著頂部間隙的減小，流量變化率在逐漸加強，同時可以看出，隨著流量的進一步增大，效率變化幅度在進一步增大，近似線性關系。綜合可知，合理的設計葉頂間隙，有利于提高通風機的全壓效率值。

3 不同間隙下兩級電機的軸功率匹配

工況點不同，對旋風機的兩級驅動電機功率匹配情況也不盡相同，通過分析不同工況點下的通風機功率匹配情況才能在實際運行中避免次級電機過載或者輕載的現象發生，防止次級電機燒毀以及絕緣損壞等問題產生。

如圖4為2.5%相對葉頂間隙下兩級電機功率的匹配情況，可以看出：隨著通風距離的增加，次級電機的輸出功率逐漸增大，在質量流量為2.4 kg/s左右時，初次級電機功率均在0.95 kW左右，匹配度高；隨著流量的減小、送風距離的增加，次級電機功率逐漸增加，初級電機功率基本保持不變，在質量流量為2.1 kg/s時，次級電機功率達到1.06 kW，初級電機功率在0.97 kW左右，兩級電機匹配度明顯降低。

圖4 相對頂部間隙為2.5%時的兩級電機功率匹配

圖5為相對頂部間隙為3.0%時的兩級電機功率匹配情況，可以看出：在流量為2.3 kg/s時，兩級電機功率匹配度較高，初級電機功率在0.96 kW左右，次級電機功率在0.97 kW左右；隨著送風距離的逐漸增加，次級電機的功率在逐漸增大，當送風量達到2.2 kg/s附近時，次級電機的功率出現最大值，繼續增加送風距離，次級電機的功率有所下降。對應不同的工況點，選用不同的功率等級電機，可提高電機功率利用率，保證兩級電機都可以在額定功率范圍內使用。

圖5 相對頂部間隙為3.0%時兩級電機功率匹配

下頁圖6為相對頂部間隙為3.5%時兩級電機功率匹配情況，可以看出，隨著流量的減小，送風距離的增加，次級電機的功率在進一步提高，在2.2 kg/s時次級電機功率達到最大值，若送風距離進一步增加，次級電機功率則可能出現下滑趨勢。同時可以發現，當相對葉頂間隙為3.5%時，通風機兩級電機在遠距離送風時兩級電機功率匹配要比短距離送風更好，綜合相對葉頂間隙為2.5%、3.0%以及3.5%三種工況可以發現，隨著送風距離的增加，兩級電機的功率匹配度隨著葉頂間隙的增大而提高，也就是說，在稍遠距離的送風時，若要保證兩級電機同功率工作，則在電機選擇時功率等級應適時提高。

下頁圖7為相對頂部問隙為4.0%時兩級電機功率匹配情況，從圖中可以發現，當葉頂間隙逐步增大達到7.5 mm時，兩級電機的功率匹配度出現失衡現象，初級電機的最大功率點0.92 kW左右，次級電機的最大功率點0.84 kW左右，隨著送風距離增加，次級電機功率在逐步增加但是變化幅度相對有所減小，尤其是在短距離送風時兩級電機功率相差比較大，無法保證兩級葉輪可以選用同功率等級的電機作為驅動。頂部間隙過大，無法保證驅動電機的合理選型，在功率匹配方面存在一定難度。

圖6 相對頂部間隙為3.5%時兩級電機功率匹配

綜合分析可知，保證頂部間隙在一定范圍內，隨著頂部間隙的增大，兩級電機的功率匹配度向左出現偏移，在遠距離送風時兩級電機功率匹配度較高，但是當頂部間隙超過某個臨界值時，隨著頂部間隙的進一步增大，兩級電機功率匹配度降低，次級電機的輸出功率相對降低，若選用同等級電機作為驅動，次級電機則可能出現輕載現象。由于在兩級電機選用時，都是以初級電機負載作為參考，因此在選用兩級電機時應該分析不同工況點，根據實際運行情況合理選擇兩級電機功率等級。

4 結論

1）風機的靜壓、全壓以及效率隨著頂部間隙的增大在逐漸減小，在2.15～2.25 kg/s之間，存在著最大值，可以使得風機的綜合性能得到提高。

圖7 相對頂部間隙為4.0%時兩級電機功率匹配

2）隨著頂部間隙的增大，低壓區影響范圍在逐漸擴大，中心點逐漸向葉片尾緣靠近。相對單葉輪風機，對旋風機次級葉輪對泄漏流乃至泄漏渦更加敏感，在設計時應予以考慮。

3）樣機模型兩級電機功率匹配度高于7.5 mm模型但是低于其他間隙模型，在質量流量為2.1 kg/s、2.2 kg/s以及2.3 kg/s時頂部間隙為6.5 mm模型兩級電機功率匹配度較高，優于樣機模型和5.5 mm間隙模型，間隙為5.5 mm尺寸模型匹配度高于樣機模型但是低于6.5 mm間隙模型。綜合壓力值、效率變化以及兩級電機功率匹配度考慮，4.5 mm頂部間隙模型優于樣機模型，更適合遠距離送風運行工況。