不同結構形式分流葉片對通風機安全作用的影響分析

張澤君

（山西焦煤西山分公司馬蘭礦機電部外維一隊， 山西 太原 030205）

引言

通風機是將電能轉化為氣體動能進行高壓氣體輸送的葉輪設備，在煤礦開采、石油化工、車輛工程等領域具有廣泛的應用，特別是在煤礦等礦井的開采中，通風機作為重要的通風設備，對于井下的安全通風具有重要的作用。由于煤礦井下開采會產生大量的有毒氣體，對通風機的要求比較嚴格[1]，必須保證通風機的結構、操作、性能及安全措施等具有足夠的保障，保證通風機的運行安全可靠。葉片作為葉輪機構的重要組成部分，其結構形式對通風機的性能及安全具有重要的影響，針對分流葉片的不同結構形式采用模擬仿真的方式對其性能進行分析[2]，優化通風機的葉片結構，從而進一步提高通風機的性能及安全作用。

1 不同結構形式分流葉片通風機模型的建立

在通風機的作業過程中，葉輪附近的湍流強度較大，對氣體的流動造成一定的擾動作用，且葉輪的尾端位置容易引起二次流動，造成通風機出口位置的壓力和流量較小，降低了通風機的性能。采用分流葉片的形式安裝在葉輪的周邊位置[3]，如圖1 所示，可以改善葉輪內部氣體的流動狀態，從而提高通風機的性能，保證通風機的安全使用。

圖1 分流葉片通風機結構示意圖

分流葉片的結構形式不同對于通風機內部氣體流場的改善作用也不同，為使通風機內部氣體達到最佳的流動狀態，針對不同結構形式的分流葉片對通風機的性能改善作用進行分析。以某型號的通風機為例，以分流葉片與葉輪的長度比不同進行兩種不同結構分流葉片的設計[4]，依據分流葉片的長軸長度與葉輪整體長度的比值進行分類，設計兩種分流葉片，其中分流葉片1 與葉輪的長度比為1∶2.4，分流葉片2 與葉輪的長度比為1∶2。采用CFD 分析軟件FLUENT 對分流葉片的性能進行分析，建立通風機的物理結構模型，為進一步分析分流葉片的性能，分別建立無分流葉片及分流葉片1、2 的通風機模型，采用自適應網格的形式對葉片的流體區域進行網格劃分，考慮到存在著湍流邊界效應的作用，對通風機的輪轂及外殼網格進行加密處理[5]，得到通風機單流道流體區域的網格模型如圖2 所示，設定通風機流場介質為理想氣體，由此對分流葉片的性能進行分析。

圖2 通風機單流道流體區域網格劃分模型

2 不同結構形式下分流葉片對通風機性能的影響仿真分析

2.1 通風機葉片靜壓分布分析

對所建立的無分流葉片及分流葉片1、分流葉片2 三種模型進行葉片靜壓分析，葉片靜壓的分布直接決定了葉片表面載荷的大小，對通風機運行的穩定性及安全性具有直接的影響。對葉輪壓力面的靜壓分布進行統計，得到如下頁圖3 所示的三種靜壓分布曲線。從圖3 中可以看出，在相同的工況下，采用分流葉片的靜壓分布明顯好于沒有分流葉片的靜壓分布，在兩種結構形式的分流葉片中，分流葉片2 對通風機葉輪壓力面靜壓分布的影響要優于分流葉片1。分流葉片2 的軸向尺寸較長，使得流體進入分流流道的時間較早，分流葉片2 的靜壓下降速度要快于分流葉片1；同時，由于分流葉片2 的流道較為細長，使得氣體的靜壓不斷轉化為動能，對葉輪壓力面的靜壓值下降具有較好的效果。隨著分流葉片結束之后的流道變寬，氣體的動能向靜壓轉化，使得靜壓值上升，從而可以有效改善葉輪末端的尾流，降低氣體的動能損失，提高出口位置的氣體流速[6]。

圖3 葉輪壓力面的靜壓分布曲線

2.2 通風機葉片近壁面湍流強度分析

對所建立的無分流葉片及分流葉片1、分流葉片2 三種模型進行近壁面湍流強度分析，近壁面湍流強度對于近壁面氣體的流動具有直接的影響，從而對通風機內部的氣體流動造成影響。對葉輪壓力面的近壁面湍流強度進行統計，得到如圖4 所示的三種靜壓分布曲線。從圖4 中可以看出，在相同的工況下，采用分流葉片可以改善通風機內部的氣體流動狀態，葉輪近壁面位置氣體的流動更加穩定，氣體進入分流葉片形成的分流流道時，氣體的流速上升，壓力面的湍流強度增加，分流葉片2 的湍流強度大于分流葉片1，隨著分流流道的擴大，氣體的流速降低，葉輪壓力面的湍流強度也隨之減小。

圖4 葉輪壓力面的近壁面湍流強度曲線

3 結語

通風機是廣泛應用于礦井開采中的通風設備，由于礦井作業的環境惡劣，對于通風機的運行安全可靠性能具有較高的要求。分流葉片可以改善葉輪在工作過程中的流體狀態，提高通風機的穩定及安全性能。針對兩種不同長度比的分流葉片對通風機性能的影響，采用有限元模擬仿真的方式進行分析。結果表明，存在分流葉片時，氣體經過分流流道的作用，使得流道變小，靜壓能轉化為氣體的動能，氣體的流速增加而靜壓值降低，分流葉片2 的流道較為細長，對壓力面的靜壓分布影響要優于分流葉片1，但同時形成的近壁面的湍流強度也大于分流葉片1，在綜合性能上，較長的分流葉片對改善葉輪內部氣體的流動狀態具有較好的效果。在實際的設計應用中，應據此進行分流葉片的設計，從而提高通風機氣體的穩定性，保證通風機的穩定安全。