葉輪葉片數(shù)對(duì)通風(fēng)機(jī)性能的影響

高 偉

（潞安集團(tuán)五礦，山西 陽泉 045000）

引言

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)被稱為煤礦的“肺”，其主要任務(wù)為降低工作面瓦斯、粉塵的濃度，以保證其滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，通風(fēng)機(jī)還能保證工作面溫濕度參數(shù)為最佳，以保證工作環(huán)境更優(yōu)。因此，保證工作面通風(fēng)機(jī)的高性能、高效率運(yùn)轉(zhuǎn)尤為重要[1]。從理論上講，影響通風(fēng)機(jī)性能的因素眾多，包括通風(fēng)機(jī)葉輪的葉片數(shù)量、頂部間隙、輪轂比等。本文將著重針對(duì)葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)性能的影響機(jī)理進(jìn)行分析研究。

1 通風(fēng)機(jī)模型搭建

本文所研究通風(fēng)機(jī)為煤礦工作面應(yīng)用最為廣泛的對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，具體型號(hào)為FBDZ80，該通風(fēng)機(jī)為兩級(jí)軸流式通風(fēng)機(jī)，其主要結(jié)構(gòu)包括葉輪、葉片、風(fēng)筒等。該通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 FBDZ80 對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

為了保證后續(xù)針對(duì)不同葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)性能仿真結(jié)果的準(zhǔn)確，除了在實(shí)際建模過程中須嚴(yán)格按照實(shí)際參數(shù)1∶1 完成SolidWorks 三維模型的搭建外，還需對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作。其中，根據(jù)通風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，將基于SolidWorks 所搭建的三維模型的前級(jí)葉輪葉片的網(wǎng)格劃分結(jié)果確定為226 658，后級(jí)葉輪葉片的網(wǎng)格劃分結(jié)果確定為225 808，其他區(qū)域的網(wǎng)格劃分結(jié)果確定為264 736。將網(wǎng)格劃分完畢的模型導(dǎo)入FLUENT 軟件中開展葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)性能影響機(jī)理的研究[2]。

從理論上講，葉輪葉片數(shù)量將直接影響通風(fēng)設(shè)備的風(fēng)壓、風(fēng)量等參數(shù)，從而間接影響通風(fēng)機(jī)的性能。本文將主要研究不同葉片數(shù)配合對(duì)通風(fēng)機(jī)性能的影響。其中，前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為8 個(gè)、12 個(gè)和14個(gè)，后級(jí)葉輪葉片的數(shù)量為8 個(gè)、10 個(gè)和14 個(gè)。結(jié)合葉片數(shù)對(duì)風(fēng)量流通的直接影響，本文將對(duì)8/10、12/8、12/10、12/14、14/10 五種情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2 葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口靜壓的影響

2.1 前級(jí)葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口靜壓的影響

本小節(jié)將對(duì)后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為10 個(gè)，前級(jí)葉輪葉片數(shù)量分別為8 個(gè)、12 個(gè)和14 個(gè)三種情況下通風(fēng)機(jī)出口靜壓隨著流量的變化進(jìn)行數(shù)值模擬研究。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：

在同一流量下，通風(fēng)機(jī)出口靜壓隨著前級(jí)葉輪葉片數(shù)量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。也就是說，對(duì)于初級(jí)葉輪葉片而言，存在一個(gè)臨界值可使得通風(fēng)機(jī)出口靜壓達(dá)到最大。同時(shí)，當(dāng)前后葉輪葉片數(shù)量一定時(shí)，隨著流量的增加通風(fēng)機(jī)出口靜壓降低，使得設(shè)備性能下降[3]。

2.2 后級(jí)葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口靜壓的影響

鑒于上述研究可知，當(dāng)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12 個(gè)時(shí)，對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)的出口靜壓最大。因此，本小節(jié)確定前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12 個(gè)，對(duì)后級(jí)葉輪葉片數(shù)量分別為8 個(gè)、10 個(gè)和14 個(gè)三種情況下通風(fēng)機(jī)出口靜壓隨著流量的變化進(jìn)行數(shù)值模擬研究。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：

后級(jí)葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口靜壓值影響較小；但是，仍需對(duì)后級(jí)葉輪葉片數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)楹蠹?jí)葉輪葉片數(shù)量偏大或偏小也會(huì)影響通風(fēng)機(jī)的整體性能。

綜合分析不同前級(jí)和后級(jí)葉輪葉片數(shù)量下通風(fēng)機(jī)的出口靜壓值得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為8、后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為10 時(shí)，整個(gè)通風(fēng)機(jī)的出口靜壓值偏低；而當(dāng)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12、后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為14 時(shí)，整個(gè)通風(fēng)機(jī)的出口靜壓值未達(dá)到最大值。

2）當(dāng)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12、后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為8，前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為14、后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為10 時(shí)，通風(fēng)機(jī)的出口靜壓值明顯增加。

3）當(dāng)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12、后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為10 時(shí)，通風(fēng)機(jī)的出口靜壓值達(dá)到最大。

因此，并不是葉輪葉片數(shù)量取極限值時(shí)通風(fēng)機(jī)的出口靜壓值最大，而當(dāng)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12、后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為10 時(shí)，出口靜壓值最大，對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)的性能最佳。

3 葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口全壓的影響

本節(jié)首先分別對(duì)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量和后級(jí)葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口全壓的影響機(jī)理進(jìn)行研究，然后對(duì)不同葉輪葉片配合數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口全壓的影響進(jìn)行研究[4]。具體闡述如下：

3.1 前級(jí)葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口全壓的影響

當(dāng)后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為10，分別對(duì)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為8、12 和14 時(shí)通風(fēng)機(jī)的出口全壓進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 不同前級(jí)葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口全壓的影響 Pa

由表2 可知，當(dāng)風(fēng)量小于2.3 kg/s 時(shí)，隨著前級(jí)葉輪葉片數(shù)量的增加，通風(fēng)機(jī)出口全壓呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)；而當(dāng)風(fēng)量大于2.3 kg/s 時(shí)，隨著前級(jí)葉輪葉片數(shù)量的增加，通風(fēng)機(jī)出口全壓呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì)。

3.2 后級(jí)葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口全壓的影響

當(dāng)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12 時(shí)，分別對(duì)后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為8、10 和14 時(shí)通風(fēng)機(jī)的出口全壓進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 不同后級(jí)葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)出口全壓的影響Pa

由表3 可知，隨著后級(jí)葉輪葉片數(shù)量的增加，對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)出口全壓呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)；當(dāng)后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為10 時(shí)對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)出口全壓最大；而當(dāng)后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為8 和14 時(shí)，對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)出口全壓均較小，且二者相差不大。

綜上，當(dāng)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12、后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為10 時(shí)，對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)出口全壓最大。因此，針對(duì)通風(fēng)機(jī)出口全壓最優(yōu)的葉輪葉片數(shù)量配合如下：前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12，后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為10。

4 葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)全壓效率的影響

采用上述同樣的方法對(duì)不同葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)全壓效率的影響進(jìn)行對(duì)比分析，并綜合得出如下結(jié)論：當(dāng)前后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12、14 時(shí)，通風(fēng)機(jī)的全壓效率值偏低，同時(shí)隨著流量的增加通風(fēng)機(jī)全壓效率還會(huì)繼續(xù)降低；當(dāng)前后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為8、10 時(shí)，通風(fēng)機(jī)的全壓效率值居中；當(dāng)前后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12、10 時(shí)，通風(fēng)機(jī)的全壓效率曲線整體提高，對(duì)應(yīng)的曲線平穩(wěn)且流量穩(wěn)定[5]。

5 結(jié)論

通風(fēng)機(jī)是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其工作性能直接決定其能耗和通風(fēng)效率，對(duì)于工作面的安全生產(chǎn)具有重要意義。對(duì)于通風(fēng)機(jī)而言，可通過出口靜壓值、出口全壓值及全壓效率對(duì)其性能進(jìn)行綜合評(píng)估。本文著重對(duì)不同葉輪葉片數(shù)量對(duì)通風(fēng)機(jī)性能的影響機(jī)理進(jìn)行研究，并得出當(dāng)前級(jí)葉輪葉片數(shù)量為12、后級(jí)葉輪葉片數(shù)量為10 時(shí)，對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)的性能最佳。