不同葉片切割量下機電類風(fēng)機的工作特性研究

王竹波

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司靈石公用事業(yè)分公司，山西 靈石 031302）

引言

目前，在進行通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計時為了確保緊急情況下對煤礦井下高速供風(fēng)的要求，對于風(fēng)機通常選擇比實際應(yīng)用需求大的多的型號，導(dǎo)致在日常運行中風(fēng)機時常處在低負(fù)荷運行的范圍，造成了極大的浪費[1]。根據(jù)多年的研究，對風(fēng)機的葉片進行切割是在確保緊急供風(fēng)量要求的情況下降低風(fēng)機有效運行功率的必要手段，因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用FLUENT流體仿真分析軟件對風(fēng)機在不同切割量情況下風(fēng)機的工作特性進行研究。

1 軸流式通風(fēng)機仿真分析模型的建立

本文以軸流式通風(fēng)機為研究對象，利用CREO三維建模軟件[2]建立其從風(fēng)機的擴散筒和集流器、風(fēng)機區(qū)域的全部的三維結(jié)構(gòu)模型，該風(fēng)機共有29個葉片，其中導(dǎo)葉葉片共15片，動葉的葉片數(shù)量為14片，風(fēng)機風(fēng)葉的翼形結(jié)構(gòu)為對稱薄蟬翼型結(jié)構(gòu)，風(fēng)機工作時的額定轉(zhuǎn)速為1 130 r/min，各導(dǎo)葉的安裝角度為29°，風(fēng)機的風(fēng)葉葉片的直徑約為1 500 mm。在對風(fēng)機葉片切割量進行設(shè)置時，結(jié)合風(fēng)機結(jié)構(gòu)，選擇對風(fēng)機葉片的切割量為葉片長度的5%、7%、10%情況下的風(fēng)機工作特性進行研究。由于軸流式通風(fēng)機的整體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，因此根據(jù)風(fēng)機在運行過程中各個區(qū)域的流場特性，對最關(guān)鍵的動葉區(qū)域、導(dǎo)葉區(qū)域、風(fēng)機集流器區(qū)域及流場擴壓區(qū)域進行加密式混合網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)[3]，對其他區(qū)域采用自動賦值的網(wǎng)格劃分方案，最終劃分的網(wǎng)格區(qū)數(shù)量為211萬個，風(fēng)機三維模型如圖1所示。

圖1 軸流式通風(fēng)機三維結(jié)構(gòu)模型

2 不同切割量下風(fēng)機全壓和效率的變化曲線

利用FLUENT流體仿真分析軟件[4]，對風(fēng)機葉片不同切割量情況下的工作特性進行分析，其葉片切割量下的全壓變化曲線如圖2所示。

圖2 不同切割量下風(fēng)機的全壓變化情況

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)對風(fēng)機葉片進行切割時，風(fēng)機工作時的全壓均會發(fā)生下降。當(dāng)風(fēng)葉的切割量為5%時，小流量工況（體積流量小于35 m3/s）下風(fēng)機的全壓比切割前降低了約0.06 kPa;當(dāng)風(fēng)葉的切割量為7%時，小流量工況下風(fēng)機的全壓比切割前降低了約0.22 kPa;當(dāng)風(fēng)葉的切割量為10%時，小流量工況下風(fēng)機的全壓比切割前降低了約0.29 kPa。且當(dāng)風(fēng)機工作時的體積流量繼續(xù)增加時，風(fēng)機的全壓將隨著風(fēng)葉切割量的增加而迅速下降。

其葉片切割量下的效率變化曲線如下頁圖3所示，由仿真分析結(jié)果可知，隨著風(fēng)機工作時的體積流量不斷增加，風(fēng)機運行時的效率均呈現(xiàn)降低的趨勢。當(dāng)在小流量工況下當(dāng)風(fēng)機葉片的切割量為5%時，風(fēng)機運行時的效率約為80.7%，優(yōu)于此工況下風(fēng)機優(yōu)化前79.6%的工作效率;當(dāng)風(fēng)機工作時的流量超過37.5%時風(fēng)機葉片切割前的工作效率開始高于風(fēng)機葉片的切割量為5%時的運行效率，但兩者之間在同流量工況下的差別較小。

圖3 不同切割量下風(fēng)機的效率變化情況

當(dāng)風(fēng)機葉片的切割量為7%、10%時，在全流程工況下風(fēng)機運行時的效率均小于風(fēng)葉切割前的運行效率，且隨著風(fēng)機流量的增加其效率下降的幅度不斷增加。

通過對風(fēng)機葉片不同切割量下風(fēng)機運行時工作特性的對比分析可知，當(dāng)風(fēng)機的葉片切割量為5%時，風(fēng)機的全壓是低于風(fēng)機葉片切割前的全壓的，且風(fēng)機流量越大的工況兩者之間的差距越大，在小流量工況下時風(fēng)機的風(fēng)壓差值最大為0.06 kPa，但在小流量工況下風(fēng)機運行時的效率要高于風(fēng)機風(fēng)葉切割前的運行效率。風(fēng)機多數(shù)情況下是處在小流量工況下運行，因此當(dāng)風(fēng)葉的切割量設(shè)置為5%時，既能夠滿足風(fēng)機長期在低流量工況下的運行經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的要求，而且還可以滿足改善風(fēng)機工作時風(fēng)量裕量較大的不足。

當(dāng)風(fēng)機葉片的切割量為7%和10%的情況下不管是風(fēng)機運行的全壓還是效率均要低于風(fēng)機風(fēng)葉切割前，因此雖然能夠降低風(fēng)機工作時的裕量，但是無法滿足長期運行時的經(jīng)濟性的要求，不適合用于對風(fēng)機風(fēng)葉的改造。

3 結(jié)論

本文針對礦用軸流式風(fēng)機工作時長期在低流量下運行經(jīng)濟性低、風(fēng)機風(fēng)量裕量大的缺陷，在對風(fēng)機工作原理進行分析的基礎(chǔ)上，利用FLUENT流體仿真分析軟件，建立其三維分析模型，對葉片切割量分別為5%、7%、10%工況下的風(fēng)機工作特性進行了研究，并與優(yōu)化前的工作特性進行了對比分析，根據(jù)分析結(jié)果表明：

1）當(dāng)對風(fēng)機葉片進行切割時，風(fēng)機工作時的全壓均會發(fā)生下降，且隨著風(fēng)機流量的增加其效率下降的幅度不斷增加。當(dāng)風(fēng)葉的切割量為5%時，小流量工況下風(fēng)機的全壓比切割前降低了約0.06 kPa；

2）隨著風(fēng)機工作時體積流量的不斷增加，風(fēng)機運行時的效率均呈現(xiàn)降低的趨勢。在小流量工況下當(dāng)風(fēng)機葉片的切割量為5%時，風(fēng)機運行時的效率約為80.7%，優(yōu)于此工況下風(fēng)機優(yōu)化前79.6%的工作效率。

3）當(dāng)風(fēng)葉的切割量設(shè)置為5%時，既能夠滿足風(fēng)機長期在低流量工況下的運行經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的要求，而且還可以滿足改善風(fēng)機工作時風(fēng)量裕量較大的不足。