安裝角和切割量對礦用軸流式風機通風安全性的影響

趙 豪

（山西蘭花科技創業股份有限公司望云煤礦分公司， 山西 晉城 048400）

引言

隨著煤礦井下綜采作業深度和巷道復雜程度的增加，在綜采作業時對通風系統工作效率和穩定性的要求越來越高，高的工作效率能夠降低風機在長期工作時的電能消耗，提升礦井通風系統的經濟性；穩定的工作特性能夠確保井下正常的氣流流動，使井下處在一個適宜的工作環境下，從而確保煤礦井下綜采作業的順利進行。軸流式通風機作為礦井通風系統最核心的組成部分，其風葉葉片的安裝角度和切割量[1]的不同直接影響風機工作時的效率和穩定性，因此本文利用流體仿真分析軟件，對風機在不同葉片安裝角和切割量情況下的工作特性進行研究，為優化風機結構，提升風機工作性能和工作安全性奠定基礎。

1 通風機三維分析模型的建立

本文以某型動葉可調式礦用軸流風機為研究對象，利用三維建模軟件建立其三維結構模型，該軸流式通風機的翼形結構為對稱式蟬翼型葉片結構[2]，葉片安裝角度為32°，利用六面體網格劃分方法，對風機進行分析網格劃分，為了確保分析結果的準確性，在進行劃分時，采用了局部加密的方案，對風機葉片進行網格細化處理，劃分完成后網格總數為241萬，其中導葉區域的網格數量為126萬。同時根據動葉可調軸流式風機的結構，將其分為動葉、擴壓器、風機集流器和風機導葉四個部分，風機的三維結構模型如圖1所示，該風機共設置14個動葉和15個導葉，工作時的額定轉速為1 200 r/min。

為了實現對風機工作狀態的精確仿真分析，采用了K-ε湍流模型，該模型能夠精確地模擬風機運行過程中氣流在葉片邊緣處的流場分布情況，同時有效地解決了傳統分析模型在風機喘振時仿真嚴重失真的情況，在分析的過程中將風機集流器的進口處設置為系統的氣流進口邊界，將擴壓器的出口處作為系統的出口邊界，分析時將進口的邊界條件設置為速度的進口，將出口處的邊界條件設置為自由流出的條件，滿足仿真分析的需求。

圖1 動葉可調軸流式通風機三維結構模型

根據軸流式通風機的實際截割參數，為了充分驗證在不同情況下的工作特性，選擇風機在無切割情況下對29°、32°、35°時的工作特性進行分析，然后對在安裝角相同情況下的不同切割量情況進行分析，風機的結構參數如表1所示。

表1 風機在不同切割量情況下的結構參數

2 軸流式通風機工作特性的仿真分析

2.1 風機全壓性能分析

葉輪葉片安裝角β分別為29°、32°、35°情況下，在不同的切割量下風機工作時的全壓性能曲線如圖2所示，圖中0、5%、10%、15%表示葉片切割量占葉輪葉片總長度的百分比。

圖2 不同葉片安裝角情況下風機的全壓性能曲線

由仿真分析結果可知，當葉輪葉片的安裝角為29°、32°時，不同的葉片切割量情況下的風機全壓性能曲線均隨著流量的增加而有序降低，且葉片切割量所占的葉片總長度越長其工作過程中的全壓效率就越低，這主要是由于隨著葉片切割量的增加，風機的葉頂間隙不斷地加大，增加了風機運行時在葉片頂部的渦流損失。當風機葉輪葉片的安裝角為35°的情況下，切割量占葉片總長度的百分比為0和5%的情況下風機工作時的全壓效率曲線出現了較大的波動，導致軸流式通風機在低速小流量工況下會出現明顯的“喘振”現象，這是由于在葉片安裝角增大的情況下，風機低速運行時在葉片根部產生了渦流沖擊，導致了運行不穩現象的出現。

經過對比可知，在各種安裝角的情況下，風機在小流量區域工作時均會出現一定的不穩定現象，導致其實際運行時的全壓效率較低，能耗高、穩定性差，因此表明當風機在小流量工況（≤36 m3/s）下的工作不穩定性較為顯著，在實際應用中，應避免使風機在小流量工況下運行。

2.2 風機工作效率分析

葉輪葉片安裝角β分別為29°、32°、35°情況下，在不同的切割量情況下風機工作時的工作效率變化曲線如圖3所示。

圖3 不同葉片安裝角情況下風機的效率變化曲線

由仿真分析結果可知，當安裝角為29°、32°的情況下，風機運行時的效率均隨著流量的增加而呈現整體降低的趨勢，當流量相同的情況下風機葉片的切割量越大其運行效率就越低。這主要是由于風機運行的流量越大，在工作時產生的不穩性喘振就越嚴重，進而導致了風機整體運行效率的降低。流量相同的情況下風機葉片切割量越大，頂部間隙越大，工作時的壓差越小，進而導致了風機運行效率的降低。

當風機葉片的安裝角度為35°時，不同切割情況下的運行效率存在著較大的差異性。當流量超過39 m3/s時，效率降低較小，整體穩定性相對較高。由此可知當風機在不同的安裝角和葉片切割量情況下具有不同的工作特性，因此可以針對風機工作時的實際工況對其葉片安裝角和葉片切割量進行調節，確保礦井通風系統始終處于高效率的工作狀態下。

2.3 風機渦流分布情況分析

風機在工作過程中風葉在壓力面上的壓力要高于在吸力面上的壓力，在該壓差作用下，風機將使氣流從壓力面向著吸力面逐漸流動，而風機在工作時葉輪高速旋轉將使吸力面上的空氣受離心力的作用向著壓力面流動，二者在風機中部形成抵消流場，使氣流向著葉面的橫向進行流動，在風機持續運轉的過程中，該壓差不平衡和離心力作用下的氣流抵消現象連續發生，進而導致了風機工作時的能量的損失，不同葉片切割量情況下的葉片上的渦流分布如圖4所示。

圖4 不同工況下葉片上渦流分布示意圖

由圖4-1—圖4-4可知，同一個安裝角下葉片的切割量越大，渦流分布中心離風機的輪轂就越近，在運行過程中的渦流損失量就越大，因此風機在運行過程中的全壓和工作效率就越低。這主要是由于在切割量增加的情況下，風機葉片的葉頂間隙就越大，葉片頂部的氣流泄露量增加，從而導致了泄露渦流的變大，渦流損失量增加。由圖4-5、圖4-6可知，當葉片的切割量相同，安裝角度不同的情況下，渦流分布中心保持不變，且渦流量隨著安裝角度的增加而增大，主要是由于隨著安裝角的增加，氣流在隨葉片高速旋轉的過程中離心力逐漸小于壓差力，泄露氣流逐漸向著葉片根部移動，進而導致在葉片根部處的渦流泄露情況變大，形成了顯著的渦流損失。

3 不同切割量情況下風機熵產率的變化分析

熵產率是表示風機內部流場流動過程中不可逆能量損失大小的量[3-4]，風機在不同的葉片切割量情況下的熵產率分布情況如圖5所示。

圖5 優化后風機熵產率變化曲線

由仿真分析結果可知，當葉片的切割量為0°時，風機在運行過程中的熵產率主要集中在風機的導葉區，且在導葉區流道的底部和頂部處的熵產率最高，在風機的擴壓器處的熵產率分布較小，這主要是由于風機在流動過程中氣流在風機的導葉區出現了偏流，并與葉片出現了撞擊，導致在葉片的邊界處出現了旋渦流動現象[5]，引起了大量的能量損失，因此其熵產率最高，而在擴壓器的位置氣流流動較為規則，因此其在流動過程中的能量損失小，熵產率低。

當葉片切割量開始增加時，整機的熵產率隨著切割量的增加而逐漸加大，說明風機在工作中葉片的切割量越大，流量損失越大，工作時的效率和全壓越低，因此在實際應用中，需要根據實際情況調整風機的葉片切割量，確保風機工作時的效率和經濟性。

4 結論

1）當葉輪葉片的安裝角為29°、32°情況下，各種葉片切割量情況下的風機全壓性能曲線均隨著流量的增加而降低；

2）當風機葉輪葉片的安裝角為35°的情況下，切割量所占的葉片總長度為0%和5%情況下風機工作時的全壓效率曲線出現了較大的波動，導致軸流式通風機在低速小流量工況下會出現“喘振”現象；

3）同一個安裝角下葉片的切割量越大渦流分布中心離風機的輪轂就越近，在運行過程中的渦流損失量就越大，當葉片的切割量相同，安裝角度不同的情況下，渦流分布中心保持不變，且渦流量隨著安裝角度的增加而增大；

4）整機的熵產率隨著切割量的增加而逐漸加大，因此在實際應用中，需要根據實際情況調整風機的葉片切割量，確保風機工作時的效率和經濟性。