不同氣流落后角對軸流式通風機安全效率的影響分析

徐志國

（晉能控股煤業集團有限公司晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

我國對于煤炭的需求量巨大，在煤炭的開采及使用中，通風機是保證礦井安全及降低環境污染的重要設備，通風機的性能優劣對于煤炭的高效開采及降低污染、提高安全性具有重要的影響[1]。軸流式通風機是進行礦井開采常用的類型，在通風機的設計過程中，不同的參數作用對于其安全性能及通風效率的影響各不相同[2]。為了準確地研究不同參數對性能的影響，結合計算機模擬技術的進步，采用數值仿真分析的方式對氣流落后角的影響性能進行分析，從而可以選擇更合理的參數，提高軸流式通風機的安全性及通風效率。

1 不同氣流落后角參數模型的建立

軸流式通風機在氣流進入到風機中，通過動葉片時獲得動能，將氣流的動能引導轉化為靜壓能，同時改善軸線速度，保持速度的一致性。不同的葉片弦長、進口氣流角及氣流落后角參數對于軸流式通風機的性能影響不同，從而決定了軸流通風機的安全效率[3]。針對氣流落后角對通風機性能的影響，設計選取三種不同的角度，分別為12°、14°及16°，建立三種不同的氣流落后角的葉輪模型，其三維模型如圖1所示。

圖1 不同氣流落后角的葉輪模型

采用數值仿真分析的方式對不同氣流落后角的通風機性能進行分析，依據三種不同的葉輪模型，采用相同的軸流式通風機參數及結構進行分析。建立軸流通風機的簡化模型，對其進行網格劃分，采用非結構性的網格保證對葉片結構的貼合度，通風機的進出口部分采用結構化網格，進行軸流式通風機的網格劃分[4]。將通風機內部的流場簡化為不可壓定常流動，以軸流通風機的進氣口位置作為計算區域的進口，出氣口位置作為計算區域的出口，并設定出口為靜壓出口，計算的流體采用20℃的空氣，由此進行氣流落后角的仿真模擬[5]。

2 不同氣流落后角對安全效率的影響

三種不同的氣流落后角在結構上相差不大，對葉片的形狀改變較小，但葉片形狀的微小改變對于通風機的性能具有較大的影響，依據模擬結果，對氣流落后角的影響進行分析。

2.1 氣流落后角對通風機氣動性能的影響分析

對不同氣流落后角的全壓效率仿真結果進行提取后處理，得到如圖2所示的全壓效率變化曲線。從圖2中可以看出，在氣流落后角為14°時的全壓效率最高，特別是在流量系數為0.3時，全壓效率要大幅高于其他兩種角度。在流量較小的工況時，三種不同的氣流落后角的效率相差不大，且12°時的全壓效率要高于16°時的全壓效率；在流量變大時，三種角度的全壓效率差值逐漸增加，且16°時的全壓效率要大于12°時的全壓效率。在大流量的工況下，大角度的全壓效率要高，仍以14°的全壓效率最高，且其最高點的位置逐漸右移，說明大的氣流落后角對大流量工況有利。

圖2 不同氣流落后角的全壓效率變化曲線

如圖3所示為不同氣流落后角時的軸流通風機的全壓曲線，從圖3中可以看出，在三種不同的氣流落后角下，處于全流量的工況時，14°時的全壓系數要大于其他兩種角度；在流量系數為0.21時，三種氣流落后角都達到了最大值，發生了旋轉的失速，發生流動的分離；隨著流量的增加，三種氣流落后角的全壓系數都逐漸降低，且以12°時的全壓系數降低最大，下降速度最快，以14°時的全壓系數最大，16°時的全壓系數處于中間位置。

圖3 不同氣流落后角的全壓系數變化曲線

通過上述的分析可知，在全流量的工況下，14°氣流落后角時的全壓效率及全壓系數要大于12°及16°時的兩種工況，這是由于落后角的增加，葉片的彎角越大，其做功能力也逐漸增加；當氣流落后角過大時，單個葉片的吸力產生氣流分離，使得葉輪的增壓能力和效率有所下降，降低了風機的流量[6]。由此可知，在軸流通風機的設計過程中，對于氣流落后角進行合理取值，能大幅地提高風機的全壓效率和全壓系數，提高通風機的風量，提高礦井的開采安全及效率。

2.2 氣流落后角對葉片靜壓的影響分析

不同的氣流落后角作用于葉片上的靜壓分布如圖4所示，其中左側為葉片的前端位置，右側為葉片的尾部位置。從圖4中可以看出，在氣流落后角為14°時葉片的靜壓分布梯度較小，且分布較為均勻；在氣流落后角為12°、16°時葉片模型的前端位置處出現低壓的區域，容易造成二次氣流壓力的損失，且葉片的上部存在著高壓區域，葉片整體的受到的壓力作用差值較大，不利于葉片的使用及壽命。

圖4 不同氣流落后角葉片靜壓分布

3 結論

在不同的氣流落后角取值中，以14°的氣流落后角數值最優，此時通風機具有較高的全壓效率及全壓系數，并且此時作用在葉片的靜壓力分布均勻，有利于保障葉片的使用及壽命，更好地為礦井的通風提供保證。