不同葉片結構對離心通風機性能的影響研究

姜建國

（大同煤礦集團北辛窯煤業有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

離心通風機是廣泛應用在煤礦、化工、核電等行業的通用機械，可對工作區域進行通風，保證作業的安全。離心通風機的耗電量大，在使用過程中存在著一定的能量損失。隨著節能環保的發展理念不斷深化，對離心通風機進行節能優化可以產生較好的社會效益及經濟效益。離心通風機的能量損失中最主要的是流動損失，由于通風過程中氣體的黏性，造成氣體流動過程中與葉片粘連，造成一定的損失。針對這一問題，采用載荷分布控制的方式對不同的葉片結構進行設計，分析不同葉片結構通風機的性能，從而提高離心通風機的能量轉化率，降低能量損失。

1 離心通風機不同葉片結構的設計

葉片葉輪是離心通風機的主要部件，以某型號的離心通風機為例，對其葉片結構進行設計分析。在通風機葉片的前端一般帶有加強塊，用于支撐葉片的剛度，對葉片的線型結構進行分析，在設計過程中去掉葉片的加強塊，僅對線型進行分析。

在離心通風機工作的過程中，葉片壓力面及吸力面之間的壓力差稱為葉片的載荷，葉片的載荷分布不同，離心通風機產生的性能具有較大的差距。采用載荷分布控制的方式即通過改變葉片的線型來控制葉片的載荷分布，從而得到高性能的離心通風機。依據載荷分布控制的方法，通過設定相應的載荷系數來得到載荷分布，從而可以得到不同的葉片形式。

依據離心通風機平均相對速度的函數研究，設定葉片的加載方式為前加載，即葉片的前部位置承受的載荷最大，最大載荷的位置為葉片長度的1/4 處[1]，取最大載荷系數分別為0.9、0.8、0.7、0.6，分別設定為模型A、B、C、D，由此可得到不同的葉片結構的載荷分布函數如圖1 所示，其中，橫坐標表示葉片的長度，縱坐標為無量綱的葉片載荷大小。

圖1 不同葉片結構的載荷分布曲線

通過四種不同的葉片結構的載荷分布曲線，依據葉片的動量矩進行計算，可以得到葉片角與相應的載荷之間的關系，從而可得到四種不同的葉片結構形式如圖2 所示，四種葉片的出口角不同。

圖2 四種不同的葉片結構形式

2 離心通風機不同葉片結構的性能分析

2.1 模型的建立

對所設計的四種不同的葉片結構形式，采用流體力學分析的形式進行性能分析，CFD 分析的成本較低，且具有搭建簡便易拓展的優點，成為離心通風機設計廣泛使用的分析方式。CFD 分析將求解的區域離散為不同的微小區域[2]，通過設定相應的初始條件進行各物理量的求解。

依據所設計的葉片模型，建立離心通風機的模型，葉輪的直徑為700 mm，葉片數為16 個，風機的轉速為1 600 r/min，對風機進行數值模擬，對通風機的進出口區域進行一定的延長。對所建立的模型進行網格劃分處理，在通風機的入口及出口區域采用六面體結構的網格，其余的位置采用四面體的非結構化網格，更加適用于風機復雜結構的網格劃分，得到同等級的網格劃分模型。

采用有限體積法對離心通風機進行離散化處理，采用Simple 算法求解離散方程，設定進口處流體垂直進入計算域中，出口處采用標準的大氣壓，風機內部的所有固體面為無滑移的光滑壁面。流體流動過程中的湍流模型采用RNG 模型[3]，可以提高計算的精度，并考慮了湍流旋渦的影響，采用屬于高雷諾函數的模型，可有效改善近壁面的流體區域，可以更好地分析高應變率及流線彎曲較大的流動狀態，提高分析結果的準確性。通過模型的建立，可對原始模型及所設計的四種不同的葉片結構進行全壓系數及全壓效率的分析。

2.2 性能分析

對離心通風機原始葉片及四種不同結構的葉片分別進行全壓系數及全壓效率的仿真模擬，對所得到的結果進行統計，得到如圖3、圖4 所示的曲線分布。從圖3 中可以看出，在四種不同的葉片結構中，模型A、B 的全壓系數要比原始的模型高，模型C 的全壓系數與原始模型相差不大，模型D 的全壓系數相對較小，比原始模型的低。從圖4 中可以看出，四種不同葉片結構的全壓效率均大于原始模型，在額定工況時（小流量工況），模型C 的全壓效率最高，但隨著流量的增加，在大流量的工況下，模型A、B 的效率要高于模型C、D。這是由于在中部載荷分布影響時，模型A、B 的出口角大，在大流量工況下的全壓系數及全壓效率要高，離心通風機在額定的小流量工況下的性能最為重要，因此，模型C 的葉片結構離心通風機的性能最佳，可作為葉片結構優化的參數，提高通風機的性能。

圖3 不同葉片結構的全壓系數曲線

圖4 不同葉片結構的全壓效率曲線

3 結論

依據離心通風機的相對速度曲線，設置不同位置的載荷變化，得到四組相應的載荷分布函數，從而確定了四種不同的葉片結構。采用CFD 模擬分析的方式，對不同結構形式葉片模型進行數值分析可知，通過載荷分布所得到的葉片結構均可提高通風機的性能，其中以模型C，即中部載荷比為0.7 時的性能最佳，在額定工況及小流量工況時表現較好，可提高通風機的能量利用率，減輕能量的損失，滿足節能降耗的使用要求。