通風(fēng)機(jī)不同葉輪長度對(duì)其安全性能的影響研究

崔啟文

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037042）

引言

通風(fēng)機(jī)是廣泛使用的通風(fēng)設(shè)備，在電力、煤礦等行業(yè)起到重要的作用。隨著各行業(yè)發(fā)展的需求，對(duì)通風(fēng)機(jī)的要求越來越高。通風(fēng)機(jī)要具有較高的容量及效率，且通風(fēng)機(jī)的性能對(duì)使用過程中的通風(fēng)安全性具有直接的影響。在通風(fēng)機(jī)中，葉輪作為核心的部件，其結(jié)構(gòu)形式對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能具有重要的影響。葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中完成能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行空氣介質(zhì)的輸送，對(duì)葉輪的優(yōu)化升級(jí)形式多樣，葉輪葉片的長度直接影響葉輪的性能，從而影響使用過程中的安全性。針對(duì)不同長度的葉輪進(jìn)行分析，從而確定葉輪長度對(duì)通風(fēng)機(jī)性能的影響規(guī)律，以優(yōu)化通風(fēng)機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)形式，提高通風(fēng)機(jī)的性能，滿足行業(yè)的發(fā)展使用。

1 通風(fēng)機(jī)有限元分析模型的建立

采用有限元CFD分析軟件Fluent對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行分析，F(xiàn)luent是常用的對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部流場進(jìn)行分析的軟件。對(duì)不同葉片長度的通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析，需首先建立通風(fēng)機(jī)的三維模型。本文以某型號(hào)的通風(fēng)機(jī)為模型，建模時(shí)按照通風(fēng)機(jī)的真實(shí)尺寸進(jìn)行繪圖，計(jì)算區(qū)域包括通風(fēng)機(jī)集流器及蝸殼的出口[1]。對(duì)集流器、葉輪及蝸殼分別進(jìn)行建模后裝配，得到通風(fēng)機(jī)內(nèi)部三個(gè)計(jì)算區(qū)域，分別為集流器計(jì)算域、葉輪計(jì)算域及蝸殼計(jì)算域[2]。針對(duì)不同葉輪葉片的長度，選取葉片的長度分別為通風(fēng)機(jī)的原長度、增加5%及增加10%三種尺寸，分別進(jìn)行模型的建立。

對(duì)建立的通風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent軟件中非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，鑒于通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用分塊網(wǎng)格的技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理。在通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，并相應(yīng)地增加網(wǎng)格的密度[3]，而非關(guān)鍵區(qū)域采用粗略的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以節(jié)省計(jì)算成本。對(duì)通風(fēng)機(jī)的葉輪原長度模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 葉輪網(wǎng)格劃分模型

在分析過程中，設(shè)定葉輪的計(jì)算邊界，以集流器的進(jìn)口為整個(gè)模型的流體進(jìn)口，蝸殼的出口為自由出口，將通風(fēng)機(jī)的計(jì)算模型導(dǎo)入到Fluent軟件中，采用簡單算法耦合通風(fēng)機(jī)的壓力場及速度場。以標(biāo)準(zhǔn)不可壓縮的空氣為分析介質(zhì)，不考慮重力對(duì)流場的影響作用，設(shè)定葉輪的轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，對(duì)不同葉片長度的通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行分析。

2 通風(fēng)機(jī)不同葉輪長度的性能模擬分析

采用Fluent軟件對(duì)通風(fēng)機(jī)的模型進(jìn)行分析，通風(fēng)機(jī)模型包括旋轉(zhuǎn)動(dòng)邊界及靜止邊界，整個(gè)計(jì)算域可以劃分為定子及轉(zhuǎn)子兩個(gè)相對(duì)的子計(jì)算域，旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止蝸殼之間采用多參考坐標(biāo)系進(jìn)行耦合，將通風(fēng)機(jī)的流場簡化為在葉輪瞬時(shí)的流場進(jìn)行分析，即可將通風(fēng)機(jī)流場的非穩(wěn)態(tài)求解轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行求解[4]，從而獲得通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)。

對(duì)不同葉輪長度的通風(fēng)機(jī)全壓性能進(jìn)行分析，針對(duì)加長后的葉輪，將葉片沿出口角方向分別進(jìn)行一定的延長，將通風(fēng)機(jī)的葉輪盤補(bǔ)充完整，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)不同流量下的全壓性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到如圖2所示的全壓性能變化曲線。從圖2中可以看出，對(duì)通風(fēng)機(jī)的葉輪葉片進(jìn)行加長后，通風(fēng)機(jī)的全壓性能具有快速的上升，當(dāng)不改變通風(fēng)機(jī)的節(jié)流位置時(shí)，則可以提高通風(fēng)機(jī)的流量。當(dāng)葉輪長度增加5%時(shí)，流量可增加5%；當(dāng)葉輪長度增加10%時(shí)，流量可增加9%。

對(duì)通風(fēng)機(jī)的軸功率進(jìn)行分析，將不同流量下的軸功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到如下頁圖3所示的軸功率變化曲線。從圖3中可以看出，對(duì)通風(fēng)機(jī)的葉輪葉片進(jìn)行加長后，通風(fēng)機(jī)的軸功率同樣具有快速的上升，當(dāng)葉輪長度增加5%時(shí)，軸功率則相應(yīng)地增加17%；當(dāng)葉輪長度增加10%時(shí)，軸功率則相應(yīng)地增加31%。

圖2 不同葉輪長度通風(fēng)機(jī)全壓性能的變化曲線

圖3 不同葉輪長度通風(fēng)機(jī)軸功率的變化曲線

對(duì)通風(fēng)機(jī)的全壓效率進(jìn)行分析，將不同流量下的全壓效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到如圖4所示的全壓效率變化曲線。從圖4中可以看出，葉輪葉片的長度增加后通風(fēng)機(jī)的全壓效率具有一定的下降，這是因?yàn)閷?duì)葉輪葉片的長度加長后，通風(fēng)機(jī)蝸殼與葉輪之間的間隙減小，使得通風(fēng)機(jī)的效率降低。從圖4中可以看出，在通風(fēng)機(jī)的流量較小時(shí)，通風(fēng)機(jī)的效率隨葉輪長度增加的下降值較大，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示全壓效率下降8%；隨著流量的增加，則通風(fēng)機(jī)的全壓效率下降的速度逐漸減小，當(dāng)相對(duì)流量值大于80%時(shí)，長度增加5%時(shí)，全壓效率降低4%，長度增加10%時(shí)，全壓效率降低5%。對(duì)比圖中的曲線可以看出，葉輪葉片的長度增加后，兩條曲線的全壓效率值基本一致，只有在相對(duì)流量較大時(shí)，葉輪葉片增加10%的全壓效率值降低，但下降幅度不大。由此說明，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，將通風(fēng)機(jī)的葉輪葉片進(jìn)行加長可以提高通風(fēng)機(jī)的出風(fēng)力，保證行業(yè)的使用安全，同時(shí)，需要注意的是，對(duì)葉輪葉片的加長處理會(huì)導(dǎo)致效率的降低，這種加長改造要盡量一次到位，避免多次加長導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)的效率明顯降低。

圖4 不同葉輪長度通風(fēng)機(jī)全壓效率的變化曲線

3 結(jié)論

通風(fēng)機(jī)是各行業(yè)廣泛應(yīng)用的重要通風(fēng)設(shè)備，其性能對(duì)行業(yè)的安全通風(fēng)應(yīng)用具有直接的影響，隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展及效率的提高，對(duì)通風(fēng)機(jī)的要求逐漸提高。葉輪葉片作為通風(fēng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換的核心部件，對(duì)其長度進(jìn)行加長改造處理以期提高通風(fēng)機(jī)的性能。對(duì)葉輪葉片分別加長5%及10%，對(duì)加長后的通風(fēng)機(jī)性能采用有限元模擬仿真的形式進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，對(duì)葉輪葉片進(jìn)行加長后，通風(fēng)機(jī)的全壓性能及軸功率具有較大的提高，全壓效率具有一定的下降，但下降幅度不大。由此說明，在實(shí)際的行業(yè)應(yīng)用中，可對(duì)葉輪葉片進(jìn)行一定的加長處理以提高通風(fēng)機(jī)的出風(fēng)力，從而保證行業(yè)的應(yīng)用安全，同時(shí)應(yīng)避免過度改造造成通風(fēng)機(jī)的效率降低，造成能量的浪費(fèi)。