增加分流葉片對提高離心通風機安全性能的分析

張毅會

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 晉城 048400）

引言

在煤炭的開采及使用過程中，離心通風機作為常用的通風設備，為煤礦井下開采的通風提供重要的安全保障。提高離心通風機的效率，不僅可以增強煤礦通風安全能力，而且可以節約自身的能耗，提高整體的能源效率。靜壓、全壓效率及出口徑向速度是決定離心通風機性能的重要指標，依據離心通風機的原理及能量損失，設計采用分流葉片的結構，從而提高通風機的性能，提高煤礦的開采效率及安全保障。

1 離心通風機分析模型的建立

離心通風機的能量損失主要由葉片的分離渦造成，通過在兩個葉片的吸力面及壓力面之間增加分流葉片結構可改善能量的損失。設置主葉片與分流葉片的夾角為30°，分流葉片的型線與主葉片相同，如圖1所示[1]。R0為進出口的半徑差值，R1為分流葉片的徑向投影長度，依據分流葉片的不同，設置不同的分流葉片R1/R0的比值分別為0.25、0.375、0.5及0.675，以此研究分流葉片對離心通風機的性能作用。

圖1 分流葉片的安裝角度示意圖

計算流體動力學（CFD）通過有限元離散分析的形式，研究流場內的物理變化，從而確定流場的變化規律。ANSYS CFX是被廣泛使用的CFD分析軟件，包含多種流體介質模型，采用有限提及的方法對流場進行分析，保證仿真分析的準確性。采用ANSYS CFX軟件對離心通風機的性能進行分析，需建立離心通風機的三維模型。依據離心通風機的結構尺寸建立三維模型，對葉輪區域進行網格劃分，將進口及出口區域的網格控制進行加密處理，分別建立原始的葉片及不同分流葉片的結構模型，從而進行離心通風機的性能的分析。在數值分析中，設定流體介質為25℃的空氣，通風機的內壁采用無滑移條件設置，進出口連通大氣，入口處設置靜壓監測，對離心通風機的通風性能進行仿真處理[2]。

2 增加分流葉片后離心通風機性能的分析

2.1 效率

針對建立的模型，選取五種不同的流量系數分別進行仿真處理，得到分流葉片及原始葉片的靜壓效率及全壓效率曲線分別如下頁圖2、圖3所示。從圖2、圖3中可以看出，離心通風機增加分流葉片后，在流量系數較低時，其靜壓效率及全壓效率隨著分流葉片長度的增加而逐漸上升，當R1/R0=0.5時，葉片的靜壓效率及全壓效率增加最大，相對原始葉片的靜壓效率增加7%，全壓效率增加5%。隨著流量系數的增加，采用分流葉片結構的靜壓效率及全壓效率均有一定程度的增加，同時可以看到，當流量系數增加到高流量系數區域時，則分流葉片的靜壓效率下降，相對原始葉片結構，效率提升有限，在R1/R0=0.675時靜壓效率及全壓效率則相對原始葉片結構有較大的幅值下降，此時分流葉片結構對于靜壓效率及全壓效率不再起作用[3]，在對分流葉片的設計及分析過程中不再對此種形式進行討論。

圖2 分流葉片及原始葉片靜壓效率變化曲線

圖3 分流葉片及原始葉片全壓效率變化曲線

2.2 出口徑向速度

離心通風機出口處的徑向速度是提升通風機安全性能的重要參數，增加分流葉片對于離心通風機的效率具有一定的提升作用，在此基礎上，對離心通風機的出口徑向速度進行分析。在額定流量系數工況下[4]，對分流葉片及原始葉片離心通風機的出口徑向速度進行仿真統計得到如下頁圖4所示的徑向速度變化曲線。從圖4中可以看出，在額定流量系數下，分流葉片離心通風機的徑向流動速度分布均勻，出口處的徑向速度波動較小，在數值上，分流葉片的徑向速度要大于原始葉片結構的徑向速度。在三種不同的長度系數分流葉片結構中，三者之間的速度值相差不大，均要大于原始葉片結構的徑向速度。在額定的流量系數工況下，二次流等復雜流動對主氣流的影響較小，沒有明顯的徑向回流現象，對于徑向速度的提升作用明顯。

圖4 分流葉片及原始葉片出口徑向速度變化曲線

對不同長度系數的分流葉片及原始葉片結構進行分析可知，采用分流葉片對離心通風機內部流場具有明顯的改善作用。分流葉片能夠改善主葉片分離渦的產生與分離，在低流量系數與額定流量系數下，分流葉片能夠削弱二次流等復雜流動的影響作用，提升離心通風機的靜壓效率及全壓效率。在不同長度系數的分流葉片中，對于出口處的徑向速度均有一定程度的提升作用，對于提高通風機的性能具有較好的效果。

3 結論

增加分流葉片的結構對于離心通風機的靜壓效率及全壓效率在低流量及額定流量系數下具有一定程度的提升，且能夠提高出口處的徑向速度。由此說明，分流葉片對于提高離心通風機的性能具有較好的作用，從而可以提高煤礦的安全保障及經濟效益，提高煤炭的綜合利用率。