離心通風機進氣口彎管結構對其通風作用的影響分析

王 巍

（晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037003）

引言

提高離心通風機的效率，對于節能減排具有重要的意義。在實際的使用過程中，離心通風機安裝于管道系統中，管路系統的布置，特別是進氣口的管路對于離心通風機的效率具有重要的影響[1]。采用數值模擬的方式對進口彎管結構不同時的通風機性能進行分析，可以明確進口管結構對通風效率的影響，從而為離心通風機的管路布置使用提供指導，更好地提高離心通風機的效率。

1 離心通風機彎管結構分析模型的建立

在通風機的進口管路中，進口處的彎管，尤其是90°彎管結構容易導致離心通風機的進氣口氣流不均，造成氣流的速度分布不均，能量損失較大。對不同的進口彎管的結構影響進行分析，以某型號的離心通風機標準接口作為對比，采用90°彎管的結構增加不同長度的直管，建立離心通風機的結構模型[2]。

采用Pro/E三維建模軟件進行離心通風機結構的建模，葉輪作為通風機的主要結構，決定了內部流場的分布，對葉輪實體采用單流道的方式進行建模，通過旋轉鏡像的方式完成葉輪的建模。在葉輪的進出口部分，對其結構進行一定的延伸，從而可以依據邊界層理論更加符合實際的氣流狀態[3]。對離心通風機的其他結構包括集流器、吸入腔、擴壓器和蝸殼等進行建模，并將其進行裝配，由此可以將離心通風機劃分為靜止區域和旋轉區域。采用CFD軟件對離心通風機的性能進行分析，需將模型進行網格劃分。采用ANSYS有限元分析軟件進行網格劃分，模型網絡采用結構化的網絡劃分，控制網格的精度[4]。對葉輪網格、蝸殼網格及集流器網格分別進行劃分處理后，將三者進行合并，得到離心通風機的整體三維網格模型如圖1所示。

圖1 離心通風機網格模型

對離心通風機的邊界條件進行設定，選用速度進口為邊界條件，設定進口處的速度分布均勻，方向垂直于進口的平面；出口邊界條件設定為壓力出口，設定出口的靜壓，壓力出口邊界條件具有較好的收斂性，由此可以提高計算的精度并減少計算時間[5]。

2 進口彎管結構對離心通風機氣流的影響分析

采用CFD對不同進口彎管結構的離心通風機性能進行分析，選取不同的彎管結構如圖2所示，設定直管連通的離心通風機為標準模型，以管徑D為基準，不同的進口彎管結構如圖2所示，彎管段距通風機的尺寸分別為0、D、2D及4D，以風機進口端氣流進入時的壓力機速度為分析對象，由此對離心通風機的通風性能進行分析[6]。

圖2 不同進口彎管結構

2.1 離心通風機進口端的速度分布

采用不同的進口彎管結構對離心通風機的進口端速度分布進行模擬，得到如圖3所示的速度分布云圖。從圖3中可以看出，在標準的通風機進口下，進口端的氣流速度分布較為均勻，速度分布基本呈對稱分布的趨勢，向著出口位置稍有偏離；在中心位置處的速度值最大，周邊由于蝸殼壁具有一定的阻力作用，使得速度有一定的下降，整個速度云圖呈環狀分布。0距離的進口速度分布與標準進口速度分布相差不大，而隨著彎管距離的增加，其他三種模型的速度分布都呈現外側速度大于內側速度的趨勢，且同樣向著蝸殼的出口位置處偏離。在D、2D的進口速度分布差別最大，邊界的位置速度的分布不均勻性較大。在4D距離下的模型由于進口彎管距離較遠，其周邊的氣流速度進行了充分的重新分布，恢復為環狀的結構，中心位置處的分布相對較差。

圖3 不同進口彎管結構下的速度分布云圖

2.2 離心通風機進口端的壓力分布

采用不同的進口彎管結構對離心通風機的進口端壓力分布進行模擬，得到如圖4所示的壓力分布云圖。進口端的壓力值是進行通風機設計和使用的重要參數，其全壓值是額定功率下工作參數。從圖4中可以看出，在氣流經過彎管進入通風機后，流體沿著管道流動的同時還受到離心力的作用而呈現向管道外側流動的趨勢。由于經過管道中心的氣流速度較大，而周邊的氣流速度較小，因此，中間氣流的離心力作用較大，使得彎管的外側壓力值大于內側的壓力值；作用在管道左右兩側的氣流同時受到管壁的壓迫而形成雙渦流流動，使得進口的壓力呈現月牙形等不，外側壓力高于內側的壓力值。在不同的模型中，0時的雙渦流現象不明顯，隨著進口彎管距離的增加，D、2D模型時的雙渦流現象較為明顯，而在4D時由于距離的增加，使得彎管的最大全壓值小，氣流的均勻性分布更加合理。由于雙渦流現象的存在，會造成氣流形成螺旋式前進的方式，并且在進入通風機后改變了葉片的進氣流角度，造成了葉輪內部氣流的分層，使得離心通風機的性能變差。

圖4 不同進口彎管結構下的壓力分布云圖

3 結論

1）在進口端直接連接彎管時對通風機的性能影響不大，而在距離為管徑的1~2倍時，對通風機的性能具有明顯的減弱作用，當距離增加至4倍管徑時，其影響作用減弱，離心通風機的性能逐漸恢復。

2）在進行離心通風機的管路布置時，要充分考慮進口端彎管結構對其性能的影響，以提高通風機性能。