礦用軸流式通風機葉頂開槽深度對通風特性影響的研究

黃曉鵬

（陽煤集團開元公司通風部抽采隊， 山西 壽陽 045400）

引言

礦井通風機主要作用是通過高速旋轉形成持續的風流，為煤礦井下提供新鮮的空氣，降低井下粉塵和瓦斯的濃度，確保井下綜采作業的安全。為了充分確保井下的通風安全，在我國現行的煤礦通風系統設計規范中規定的較大的風機流量和壓頭余量系數，導致風機的實際運行持續處在低流量工況下，不僅造成風機運行時的喘振、穩定性差，而且導致風機運行效率低下，能耗較大[1]。根據研究發現，在風機葉片的頂部設置雙凹槽能夠優化風機運行時的通風特性，降低風機工作時的全壓并提升工作效率。但由于并沒有對風機葉片開槽深度對風機運行特性的影響進行分析，因此在實際使用中存在著較大的隱患。開槽深度太淺無法有效提升風機工作效率，開槽深度太深則極易降低葉片結構強度，導致高速運轉時出現斷裂[2]。因此本文利用工ANSYS仿真分析軟件和流體分析軟件對風機在不同開槽深度下的影響特性進行分析，確定最佳開槽深度，以滿足風機高效、高可靠性的運行要求。

1 仿真分析模型的建立

本文以YSF-5014型軸流式通風機為研究對象，對其在風機葉片頂部不開槽及開不同深度雙凹槽情況下的通風特性進行研究，利用三維建模軟件建立該通風機的三維結構模型，其風機的主葉輪的直徑為1 400 mm，葉片的葉頂間隙為3.5 mm，總共的葉片數量為16個，風機的額定工作轉速為1 200 r/min，導葉葉片的安裝角度為28°，風機的設計流量為37.1 m3/s。建立軸流式通風的整體三維結構模型后分別設置凹槽深度為1 mm、2.5 mm、4 mm三種深度的雙凹槽葉片結構，其開槽的長度均為葉頂長度的68%，風機原葉片結構及開槽后的葉片結構如圖1所示。

圖1 軸流式通風機葉片結構示意圖

在劃分網格的時候，綜合考慮計算精度和仿真分析效果，重點需要對葉片頂部區域網格進行加強，在頂部區域采用了Tet網格結構，而在風機的集流器、風機導葉和風筒位置則采用了Hybrid網格劃分方法[3]，使各個區域的網格尺寸能夠有效地銜接，滿足風機仿真分析要求。劃分完成后將三維模型導入到Fluent仿真分析軟件[4]中進行模擬仿真分析，確定不同凹槽深度情況下風機的通風特性。

2 不同凹槽深度下風機的風壓和效率變化

為了使仿真分析結果更符合實際情況，在進行仿真分析時，選擇在風機最常用的工作流量范圍30～4 430 m3/s內對風機在不同葉頂凹槽深度下的效率變化情況進行分析，結果如表1所示。

表1 不同開槽深度下風機的效率分布表

由分析結果可知，對葉頂進行開槽后，風機在個流量工況低于37 m3/s情況下的運行效率均高于不開槽的情況，當風機的流量工況超過37 m3/s時，風機開槽后的運行效率將全面低于開槽前，因此可知，當風機在中小流量工況下運行時，對葉片端部開槽能夠有效提升風機的運行效率。

在小流量工況下，當流量工況相同時，風機葉頂開槽深度為2.5 mm的情況下風機的運行效率均高于開槽深度為1 mm、4 mm情況下的風機運行效率，而且當風機流量為34 m3/s時的運行效率最高，達到了83.14%，比優化前提升了0.93%。

風機在凹槽深度為2.5 mm及凹槽深度為0 mm情況下的全壓變化情況如圖2所示，在進行分析時的風機工作時的各項參數均與進行效率分析時的工作參數相同，以確保仿真分析結果的準確性。

圖2 不同凹槽深度情況下的風機全壓變化曲線

由仿真分析結果可知，當風機葉片頂部的開槽深度為0 mm時，風機在工作過程中的最高全壓約為2 473 Pa，此時風機的工作流量qA約為33.2 m3/s。當風機葉片頂部的開槽深度為2.5 mm時，風機在工作過程中的最高全壓約為2 451 Pa，此時風機的工作流量qB約為31.8 m3/s。且當流量低于33.2 m3/s時，風機在切頂2.5 mm時的全壓高于切頂前，當流量大于33.2 m3/s時，風機在切頂2.5 mm時的全壓低于切頂前。

由于采用切槽后的最小流量31.8 m3/s比切槽前的33.2 m3/s降低了約1.4 m3/s，由此可知當采用葉頂切槽后風機運行過程中的穩定流量區間比開槽前增加了1.4 m3/s，因此能夠有效地提升風機在運行過程中的穩定性，降低了低流量工況下發生喘振的概率。

3 結論

1）風機在個流量工況低于36 m3/s情況下的運行效率均高于不開槽的情況，當風機的流量工況超過37 m3/s時，風機開槽后的運行效率將全面低于開槽前，因此可知，當風機在中小流量工況下運行時，對葉片端部開槽能夠有效提升風機的運行效率。

2）風機葉頂開槽深度為2.5 mm的情況下風機的運行效率均高于開槽深度為1 mm、4 mm情況下的風機運行效率，達到了83.14%，比優化前提升了0.93%。

3）當采用葉頂切槽后風機運行過程中的穩定流量區間比開槽前增加了1.4 m3/s，因此能夠有效地提升風機在運行過程中的穩定性，降低了低流量工況下發生喘振的概率。