對旋式風機在不同安裝角下的性能優化研究

張 巖

（西山煤電鎮城底礦通風科，山西 古交 030203）

引言

對旋式通風機具有結構緊湊、噪聲低、風量大的優點，被廣泛應用于礦井通風系統中。該類風機具有前后兩級葉片，氣流通過集流器進入第一級葉輪獲得能量后，再經第二級反向旋轉消除并形成單一的軸向流動，因此兩級葉片的結構參數對風機的運行特性具有十分重要的影響。目前多數學者對風機運行特性的研究主要集中在單個葉片的安裝角或者風葉葉型結構上，對兩組葉片安裝角度的匹配特性研究較少，導致風機在實際運行時工作狀態和理論分析結果差異性較大，全壓效率和全壓低，工作穩定性差，嚴重限制了礦井通風系統性能的進一步提升。結合對旋式通風機的結構特性，以正交組合優化設計為基礎，對兩級風葉在不同的安裝角組合下的工作特性進行組合分析。

1 對旋式風機三維流場的建立

以對旋式通風機為例，其具有前后兩級風葉，風葉葉輪的前后側均具有導流錐，風機運行時的最大轉速為540 r/min，風機輪轂的外徑為900 mm，葉片的葉頂間隙為9 mm，風機動葉片的數量為12 個，靜葉的數量為5 個，前葉片的安裝角度為65°，后級葉片的安裝角度為43°。利用三維建模軟件建立風機的三維結構模型，為了確保仿真分析結果的準確性，在進行網格劃分時采用了混合網格劃分方案[1]，在葉輪區域采用加密網格，在其他區域則采用了結構網格，最終劃分的網格數量為747 萬個，能夠最大程度上確保仿真分析結果的精確性，同時保證仿真分析的效率[2]，網格劃分后的風機結構如圖1 所示。

圖1 對旋式風機網格劃分示意圖

2 正交組合設計

為了對不同葉片安裝角度下風機的運行特性進行分析，對前級葉片設置63°、65°、67°三個角度，對后級葉片設置41°、43°、45°三個角度，分別進行組合對比，獲取如表1 所示的正交組合試驗[3]因素表。

表1 正交組合試驗因素表

由于風機在運行過程中的風壓和風壓效率是風機運行的最關鍵特性，因此將該兩個參數指標作為正交優化試驗的優化目標，對不同參數組合下風機的運行特性進行仿真分析，結果如下頁表2 所示。

表2 不同參數下的風機運行特性參數表

由實際仿真分析結果可知，當風葉前級葉片安裝角為65°、風葉后級葉片安裝角為43°時，風機具有最高的全壓效率。當風葉前級葉片安裝角為65°、風葉后級葉片安裝角為41°時，風機具有最高的全壓效率。與65°+41°的組合相比，65°+43°組合雖然全壓效率提升了27.4%，但全壓卻下降了44.2%，而且風機全壓效率的降低對風機整體運行穩定性和影響不大[4]，僅對運行的經濟性有一定的影響，因此綜合礦井通風系統的工作特性和安全性需求，最終選擇風機的最佳組合角度為65°+41°。

3 風機優化后的特性研究

為了對風機優化后的整體性能進行研究，在相同的運行工況下對優化前后的工作特性進行分析，其全壓效率和全壓變化狀態如圖2 所示。

由圖2-1 可知，風機的全壓效率均隨著質量流量的增加先增大再減少，但在最大質量流量下優化后風機的全壓效率約為73.2%，優化前風機運行全壓效率僅43.7%，優化后比優化前提升了67.5%。

由圖2-2 可知，風機運行的全壓也是隨著質量流量的增加而先增大在減少，在最大質量流量下，優化后風機運行的全壓為615 Pa，優化前僅為157 Pa，因此優化后比優化前提升了約2.9 倍。

圖2 優化前后風機運行特性對比

4 結論

1）為了確保仿真分析結果的準確性，在進行網格劃分時采用了混合網格劃分方案，在葉輪區域采用加密網格，在其他區域則采用了結構網格，能夠實現仿真效率和仿真準確性的有機統一；

2）當風葉前級葉片安裝角為65°，風葉后級葉片安裝角為41°時，風機具有最優的運行特性；

3）優化后風機運行的全壓比優化前提升了2.9倍，風機運行的全壓效率比優化前提升了67.5%，顯著提升了風機的運行可靠性。