葉片切割量對軸流風機工作性能影響的研究

王海賓

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

引言

作為礦井通風系統的核心，軸流式通風機運行時的穩定性和可靠性直接決定了礦井通風系統的運行安全，針對目前軸流式通風機運行過程中葉頂流動損失大、熵產低、經濟性差的現狀，多數學者主要是從優化軸流式風機安裝角、優化風機運行速度匹配等方面出發，取得了較大的成績，但風機運行時的工況點效率較大，無法滿足越來越高的運行經濟性需求。因此本文提出了一種新的研究方案，即利用流體仿真分析軟件對相同安裝角下，不同風葉切割量對風機運行特性的影響進行研究。

1 仿真分析模型建立及定義

本文以軸流式通風機為研究對象，該風機共有動葉15 片，導葉16 片，風機風葉采用了薄蟬翼型結構，翼型呈對稱結構，風機的額定轉速約為1 440 r/min，風機的葉輪的外徑為1 490 mm，輪轂比為0.5，風機的葉頂間隙約為4.7 mm，對應的間隙率為0.25，風機葉片的安裝角為29°，以該軸流式通風機為研究對象，對葉片切割量分別為0%、5%、10%、15%情況下的風機運行特性進行研究。

利用三維仿真建模軟件建立該軸流式通風機的三維結構模型，為了簡化建模難度、提升分析準確性，建模時將風機殼體統一為一個整體，風機的風葉部分按實際情況進行等比例建模。在進行網格劃分時，采用Gambit 進行數據網格劃分[1]，對重點區域進行加密劃分處理，將整個仿真分析的區域按動葉、擴散筒、導葉和集流器進行劃分，該四部分區域采用加密網格，其他區域采用正常的網格定義，從而滿足在確保仿真分析準確性情況下提升仿真分析速度的目的，風機網格劃分后，總計網格單元的數量約為247 萬個，其中加密網格數量為183 萬個，普通網格數量為64 萬個，網格劃分后的軸流式風機結構見圖1。

圖1 軸流式風機三維結構模型

為了確保仿真分析的效果，利用FLUENT 流體仿真分析軟件對其進行仿真分析時采用湍流模型，利用其穩定性好的特性，解決傳統高速流體模型所存在的二次回流、梯度強逆性大的不足，滿足軸流式通風機在高速運行時的分析可靠性。

2 風機性能仿真分析

利用FLUENT 仿真分析軟件[2]對風機在不同葉片切割量情況下的運行效率進行分析，結果見圖2。

由圖2 可知，當風機的流量一定的情況下，葉片切割量Δ 越大，風機的運行效率越低。當風機的葉片切割量一定的情況下，風機的運行效率隨著風機流量的增加而逐漸降低。當風機葉片切割量為零的情況下風機的運行效率達到了最高，約為81%。

圖2 不同切割量情況下的風機運行效率

風機在高速運轉時，會在風機內部形成一個高壓面和一個低壓面，在壓力差的作用下氣流會從高壓面向低壓面流動，流動的氣流在風機高速運轉產生的離心力的作用下，又會產生一個從低壓面向高壓面流動的動力，使風道內的氣流在流到的上側和下次產生紊流，進而造成了風壓的泄漏[3]，產生能量流失（葉頂流動損失），影響風機運行的效率和穩定性。因此需要對不同葉片切割量情況下風機的能量損失進行分析，仿真結果如圖3 所示。

圖3 不同風葉切割量情況下風機能量損失

由仿真分析結果可知，隨著葉片切割量的增大，風機運行時的渦流逐漸向著風機輪轂的方向偏移，越靠近輪轂的位置，氣流對風機內紊流的干擾越大，導致運行時風機的能量損失越大，從而造成了風機運行時全壓和運行效率的低下。這主要是風機葉片的切割量越大，風機運行時在葉片頂板的氣流泄漏量越大，使風機內部的正常氣流流道面變小，引起了渦流泄漏量的增大[4]。

風機的熵產率是表征風機運行過程中不可避免的能量損失特性，風機的熵產率越小說明能量損失越小，其運行效率越高，不同葉片切割量情況下風機的熵產率情況如圖4 所示。

由圖4 可知，隨著風機葉片切割量的增加，風機的熵產率逐漸加大。當風機葉片切割量逐漸增加時風機導葉區和動葉區域上側的熵產率增加，同步帶動擴口區域熵產率的增加，這主要是由于風葉被切割后使葉片整體的做功功率下降，氣流在風機動葉區域的流態發生變化，使氣流在導葉及擴口區域的渦流效果增加，進而導致了風機導葉區和擴口區域內熵產率的增加。

圖4 不同葉片切割量情況下的熵產率

3 結論

1）湍流模型具有穩定性好的特性，能夠解決傳統高速流體模型所存在的二次回流、梯度強逆性大的不足，滿足軸流式通風機在高速運行時的分析可靠性。

2）葉片切割量越大，風機的運行效率越低，當風機葉片切割量為零的情況下風機的運行效率達到了最高，約為81%。

3）葉片切割量增大，風機運行時的能量損失和熵產率越大，越不利于風機運行時經濟性和穩定性的提升。