頂部間隙對煤礦軸流式通風機性能的影響分析

李沂瑋

（潞安集團寺家莊有限責任公司，山西 昔陽 045399）

引言

通風機作為綜采工作面的關鍵設備，承擔著向工作面輸送新鮮空氣、降低工作面瓦斯濃度、保證工作面安全生產的重要任務，此外，還可為工作面作業人員提供舒適的工作環境。但經統計，在工作面所有消耗電量中通風機的能耗占比較大[1]。因此，解決通風機能耗過大的問題尤為重要。軸流式通風機作為工作面使用頻率較高的設備，通過研究頂部間隙對軸流式通風機的性能影響機理，為提升軸流式通風機的性能，降低能耗提供理論指導。

1 軸流式通風機參數

工作面采用的對旋軸流式通風機的具體型號為FBDCZ5.0，其主要結構包括：風流入口、初級風筒、第一級驅動電機、第一級葉輪、第二級葉輪、第二級風筒、第二級驅動電機、擴散風筒。FBDCZ5.0 對旋式軸流風機的關鍵參數如表1 所示。

表1 FBDCZ5.0 對旋式軸流風機參數

2 軸流式通風機模型的建立

基于SolidWorks 軟件并結合上述參數和結構示意圖搭建三維模型。為簡便建模，將旋式軸流風機分為五部分，分別是進風管、第一級風筒、第一級葉輪、第二級葉輪、第二級風筒，并將不同部分劃分為不同數量的網格[2]。其中，進風管的網格數量為303 063，第一級風筒的網格數量116 416，第一級葉輪的網格數量為778 956，第二級葉輪的網格數量為762 817，第二級風筒的網格數量為848 496。

將所設計的三維仿真模型導入FLUENT 軟件來開展不同頂部間隙對軸流式風機性能影響的研究。

3 數值模擬的前處理

影響對旋式軸流風機性能的參數較多，包括有第一級和第二級葉輪葉片的數量、葉片的安裝角度、軸向間隙、輪轂比和頂部間隙。本文將著重研究頂部間隙對對旋軸流風機性能的影響。所謂頂部間隙指的是機殼與葉輪葉片頂部邊緣之間的距離[3]。頂部間隙還可用相對頂部間隙表示，相對頂部間隙為頂部間隙與葉輪葉片高度的比值。不同頂部間隙參數如表2 所示。

表2 不同頂部間隙參數

在數值模擬之前對不同頂部間隙對應的模型進行不同的網格劃分。

4 頂部間隙的泄露流動研究

頂部間隙雖然尺寸較小，但是其對對旋式軸流風機性能的影響不可忽略。究其原因在于，頂部間隙會導致通風機內部流場出現泄露流或者泄露渦等，此外，鑒于對旋式軸流風機包含有兩個葉輪的特殊性，頂部間隙所導致的泄露更為復雜。經仿真分析得出如下結論：

1）第一級葉輪中，由于頂板間隙的存在，導致通風機出現泄露流動現象，且隨著頂部間隙的增大，泄露流動現象更為嚴重，甚至演變為泄露渦。由于泄露流動和泄露渦現象的存在，使得通風機的主氣流受到阻礙，從而導致通風機運行的阻力增加，最終導致能耗增加[4]。

2）第二級葉輪頂部間隙對應的泄露流動現象比第一級更為嚴重。同樣，隨著頂部間隙尺寸的增加，泄露流演變為比第一級葉輪更為嚴重的泄露渦，因此對通風機主氣流造成的影響更為嚴重，能耗更大。

結合不同頂部間隙對通風機葉輪葉片的吸力面靜壓結果，得出頂部間隙的存在極易影響通風機的主氣流，而且對二級葉輪的影響大于對于一級葉輪的影響。并且隨著頂部間隙尺寸的增加，對主氣流的影響逐漸變大。因此，在設計過程中需盡可能的減小頂部間隙尺寸，以保證通風機內部流場得到優化。

5 頂部間隙對風機性能參數的影響

通過對不同頂部間隙對通風機靜壓、全壓以及效率的影響進行研究，仿真結果如表3—表5 所示。

表3 不同頂部間隙下靜壓隨流量的變化 Pa

表4 不同頂部間隙下全壓隨流量的變化 Pa

表5 不同頂部間隙下效率隨流量的變化 %

對表3、表4 分析可知：在不同頂部間隙下，通風機的靜壓和全壓隨著流量的增加而減小。當流量小于2.2 kg/s 時，影響通風機靜壓和全壓的主導因素為頂部間隙；當流量大于2.2 kg/s 時，影響通風機靜壓和全壓的主導因素為流量大小。

由表5 可知，同一頂部間隙尺寸下，通風機效率隨著流量的增加呈現先增大后減小的變化趨勢，不同頂部間隙對應的拐點不同。

因此，對通風機頂部間隙進行合理設計可保證設備的全壓效率達到最佳。

6 頂部間隙對電機功率匹配的影響

對不同頂部間隙下通風機對應兩個電機的功率匹配性能進行研究，具體結論總結如下：

1）相對頂部間隙為2.5%的情況下，當通風流量為2.4 kg/s 時，第一級電機和第二級電機的功率均為0.95 kW，此時，隨著通風流量的減小，第一級電機的功率幾乎不變，第二級電機的功率在不斷增加[5]；當通風流量為2.1 kg/s 時，第一級電機的功率為0.97 kW，而第二級電機的功率均為1.06 kW，二者的匹配程度較差。

2）相對頂部間隙為3%的情況下，當通風流量為2.3 kg/s 時，第一級電機的功率為0.96 kW，第二級電機的功率均為0.97 kW，兩級電機的匹配程度最高，當通風流量減少為2.2 kg/s 時，第二級電機的功率達到最大，第一級電機功率略微減小。

3）相對頂部間隙為3.5%的情況下，當通風流量為2.3 kg/s 和2.1 kg/s 時，兩級電機的功率值相近，匹配度最高。

綜合對比可知，上述三類相對頂部間隙下對應通風機兩級電機的功率匹配程度隨著頂部間隙的增大而提升。因此，在實際應用中可根據不同頂部間隙適當提高電機的功率，以保證其通風機性能達到最佳，耗能最小。

7 結論

1）頂部間隙的存在極易影響通風機的主氣流，且對二級葉輪的影響大于對于一級葉輪的影響。隨著頂部間隙尺寸的增加，對主氣流的影響加重。因此，在設計過程中需盡可能的減小頂部間隙尺寸，以保證通風機內部流場得到優化。

2）對通風機頂部間隙進行合理設計可保證設備的全壓效率達到最佳。

3）在實際應用中，可根據不同頂部間隙適當提高電機的功率，以保證其通風機性能達到最佳，耗能最小。