不同葉片設計方式的軸流式通風機性能對比分析

陳方方

（晉能控股煤業集團忻州窯礦通風區，山西 大同 037001）

引言

在進行煤炭等能源開采的過程中，通風機作為必需的通風設備，對于煤礦的安全開采具有重要的影響。軸流式通風機是通風設備中常用的一種設施，通風機自身對于能源的消耗也是影響煤礦經濟效益的重要參數之一。葉片是軸流式通風機的重要零部件，其結構形式對于通風機的性能具有重要的影響[1]。針對通風機的葉片結構，采用不同的設計形式對其性能進行分析，從而確定最優的葉片形式及設計方式，從而提高通風機的性能，保證煤礦的通風安全，并提高經濟效益。

1 不同軸流式通風機葉片的設計方法

軸流式通風機葉片的設計在傳統上主要依靠二維簡化理論進行，不考慮空氣的黏性及空氣流動對通風機性能的影響。隨著設計方法及計算機仿真技術的發展，采用離散化的數學方法對葉片進行設計，并通過計算機進行數值仿真分析，對于葉片的設計提供了更好的方式。采用平面葉珊的方式對葉片進行設計[2]，圖1-1所示為雙圓弧中弧線繪制方式的方法，虛線即表示得到的葉片弧線的位置，由葉片截面的弦長、進口氣流角及出口幾何角度等設計參數即可得到葉片的結構形式；改變圖1-1圓弧的約束形式，即為圖1-2中葉片設計的第二種方法[3]。

圖1 葉片設計雙圓弧約束方法

采用兩種不同的設計方法，依據某型號的軸流式通風機對其葉片進行優化設計，得到兩種不同的葉片形式，采用有限元分析的方式對不同葉片形式軸流式通風機的性能進行分析。

2 不同葉片形式軸流式通風機的性能分析

2.1 通風機性能有限元分析模型的建立

采用有限元分析的方式對兩種不同設計方法設計的通風機性能進行分析，建立軸流式通風機的整體模型如圖2所示，主要分為進口計算域、葉輪計算域、導葉計算域及出口計算域四個部分，葉輪計算域為轉動計算域，安裝不同的葉片構成不同的形式，其他計算域為靜止計算域，相互之間通過交界面連接[4]。由于軸流式通風機結構的復雜性，采用非結構化的網絡對葉輪和導葉計算域部分進行網格劃分，能夠具有較好的適應性貼合扭曲的葉片表面，采用結構化的網絡對進出口計算域進行網格劃分[5]。

圖2 軸流式通風機整體模型

軸流式通風機內部流場的變化較為復雜，針對兩種不同的葉片形式進行對比分析，則重點關注風機的全壓、全壓效率等重要的性能參數，對于內部流場的細節進行一定的簡化，并忽略氣體流動的不定常性，將通風機內部的流場簡化為不定壓的定常流動，對兩種不同葉片形式通風機性能進行分析。采用有限體積法對通風機的性能進行分析，設定空氣流體為25℃的不可壓縮空氣，壁面設定為無滑移的邊界條件，采用標準的壁面函數進行分析。進口邊界條件設定為質量流量進口，出口邊界條件為靜壓出口，進出口的總壓保持不變。

2.2 不同葉片形式的通風機全壓效率分析

對兩種不同葉片結構形式的通風機進行數值模擬，得到通風機的全壓效率曲線變化如圖3所示。從圖3可以看出，在兩種不同設計方法得到的葉片結構中，隨著流量系數在不同工況下的變化，兩者之間的曲線變化形式一致，均呈現全壓效率先升高后降低的趨勢，其中方法二設計的葉片形式在不同的流量系數下的全壓效率值均高于方法一所設計的葉片形式。對不同的數值進行分析可以發現，在小流量工況下全壓效率的提升效果好于大流量的工況，最高的全壓效率位于通風機的設計流量附近位置，保證通風機在正常流量下的高效運行。

圖3 兩種葉片形式通風機全壓效率的對比

2.3 不同葉片形式的通風機出口速度分析

通風機的出口速度對于通風的作用空間及距離具有重要的影響，出口速度可以分為徑向速度和周向速度，即沿著通風機徑向及周向的速度分布。對兩種不同的葉片結構形式的通風機進行數值模擬，得到通風機的速度變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，在徑向速度上，方法一葉片的徑向速度要遠大于方法二模型的，甚至達到幾倍的差值，方法二葉片的徑向速度值較小，均在0值附近波動，徑向速度是氣體的離心力與壓力差綜合表現的結果，這說明方法二設計的葉片形式的氣體流動均勻性好；在周向速度上，兩者之間的變化趨勢一致，在中間位置處兩種葉片的周向速度相差不大，在兩端位置處，方法二設計的葉片周向速度要大于方法一設計的，這說明在葉輪的葉根及葉尖位置的流動性要好，沒有明顯的邊界效應存在。

圖4 兩種葉片形式通風機出口速度的對比

3 結論

軸流式通風機是煤礦等礦山開采常用的通風設備，可對煤礦的井下通風提供安全保障。軸流式通風機的葉片性能不僅影響煤礦的安全生產，對自身的能量消耗也具有重要的影響。采用兩種不同的設計方法對軸流式通風機的葉片結構進行設計，依據兩種結構形式的葉片對其通風機的全壓效率及出口速度進行分析。結果表明，采用約束方法二得到的葉片結構在全壓效率及出口速度上均具有良好的效果，由此可以進行通風機葉片的結構優化，從而提高通風機的性能，保證煤礦的安全生產，并提高礦井的綜合效益。