改變軸流通風機葉片厚度對其安全作用的影響分析

賈海崗

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

引言

我國工業生產的快速發展離不開能源的支撐，在能源使用過程中，對能量形式的轉換是必不可少的步驟。通風機作為主要的葉輪機械是進行能量轉換的重要設備。通風機在我國工業、煤礦、港口、電力等行業中具有廣泛的應用，通風機在進行能量轉換的過程中，往往伴隨著一定的能量損失，造成能源的利用率較低[1-2]，并且盲目采用大功率的通風機會造成一定的安全隱患，不利于通風機的穩定可靠運行。

1 不同厚度葉片的設計選取

軸流式通風機作為主要的通風機類型，對其研究的重點主要在葉片的安裝角、進出口氣流角等，但葉片厚度作為葉片結構的重要參數，對其研究較少。葉片厚度的改變，對氣流的轉折角具有一定的影響，從而影響葉片的升阻比[3]，使通風機的性能發生改變。

對不同厚度的葉片進行設計，以兩級軸流式通風機為基礎進行研究，改變葉片的厚度時，不改變葉片的截面參數，從而針對葉片厚度的影響進行分析。葉片的厚度采用NACA 四位數字厚度分布，沿葉片徑向的不同翼型位置進行等分，將不同位置的中弧線作切線及發現，得到各位置的傾斜角，將翼型上的坐標點進行連接，即可得到翼型的截面，對葉片的厚度進行選定，選擇葉片的相對厚度為6%～24%，四種不同的厚度形式，由此可建立通風機的模型進行模擬分析。

2 不同厚度葉片通風機的性能分析

2.1 通風機仿真分析模型的建立

通風機的計算流體力學CFD 分析，通過數值計算機圖像技術的結合，對通風機的流動特性進行深度的分析。由于葉輪葉片結構的復雜性，對試驗設備的要求較高，僅靠試驗方法不能對葉片厚度的性能影響進行有效的分析，而采用CFD 仿真分析，可以減輕對設備的依賴，并可對通風機的性能有更深入的研究，加快設計分析的周期，節約生產及時間的成本。

采用CFD 數值仿真的形式對不同厚度葉片的通風機性能進行分析，對通風機進行不可壓縮的湍流流動進行分析，采用三維時均N-S 方程進行求解，適用于通風機這種內部流動復雜，具有反向壓力及分離邊界的流場分析。

建立通風機的三維模型，葉輪的直徑為600 mm，動葉片數為6，靜葉片數為9，采用有限體積法對控制方程進行分析，設定流體為標準空氣，不考慮空氣的壓縮及熱傳導特性，采用無滑移的邊界條件。為了保證分析結果的準確性，在葉輪的計算區域分別增加進口計算區域及出口計算區域，通風機的仿真分析模型分為如圖1 所示的4 個計算域。葉輪部分為旋轉區域，其余為靜止區域，采用混合網格的形式對模型進行網格劃分，分別建立4 種不同葉片厚度的通風機模型進行模擬計算，對不同葉片厚度的通風機全壓性能及全壓效率進行仿真計算。

圖1 通風機計算模型的區域劃分

2.2 不同葉片厚度的通風機性能仿真分析

對4 種不同厚度的葉片通風機性能進行分析，經過計算統計得到不同葉片厚度下通風機的全壓性能及全壓效率曲線分別如下頁圖2、圖3 所示，圖中45 000 m3/h 為通風機的設計流量。從圖中可以看出，在設計的流量點位置，葉片厚度為6%、12%、18%三種厚度的通風機的全壓及全壓效率相差不大，繼續增加葉片厚度至24%時，全壓及全壓效率均小于上述的三種厚度值；對4 種厚度的全壓性能及全壓效率曲線進行整體對比，葉片厚度為6%時，當通風機在大流量區域時，全壓性能及全壓效率均大于其他葉片厚度的通風機，但當通風機在小流量區域時，全壓發生較大的減小，發生一定的旋轉失速；當葉片厚度為12%及18%時，通風機在小流量區域的全壓及全壓效率性能較好，在大流量區域時表現不好。在通風機設計流量45 000 m3/h 時，12%葉片厚度的通風機表現較好，葉片厚度增加到24%時，通風機的性能明顯發生惡化，全壓及全壓效率明顯表現不好。

圖2 不同葉片厚度全壓性能曲線

圖3 不同葉片厚度全壓效率曲線

通過上述的分析可知，在不同的葉片厚度中，隨著通風機工作流量區域的變化，在大流量區域，6%葉片厚度的通風機性能最好；在小流量區域，12%葉片厚度的通風機性能最好，在一定的流量范圍內，隨著葉片厚度的增加，通風機的最高壓力有較大的提高，穩定的工作區間也相對增加，但在設計的流量點位置，葉片厚度較小時，通風機的性能最好。

3 結語

通風機是進行能量轉換的重要設備，為提高通風機的使用性能及安全性，針對通風機的葉片厚度進行分析。在不改變通風機的葉片截面參數的條件下，采用NACA 4 位數字厚度分布的方法對通風機的葉片厚度進行了4 種不同的選型設計，采用CFD仿真分析的方式對通風機的全壓性能及全壓效率進行分析。結果顯示，在4 種不同的葉片厚度中，當通風機在大流量區域及設計流量位置時，葉片的厚度越小則通風機的性能越好；在小流量區域，中等厚度的通風機具有較好的性能，且隨著葉片厚度的增加，通風機的最高壓力及穩定區域都有增加的趨勢，這有利于提高通風機的穩定性及安全使用。在實際應用過程中，可依據通風機的工作條件，選擇適合的通風機葉片厚度，從而提高通風機的性能，提高能量的利用率及使用的安全性。