基于速度分布法的離心通風機葉片結構優化分析

徐志國

（晉能控股煤業集團有限公司晉華宮礦，山西 大同 037000）

引言

離心通風機是煤礦、核電、化工等行業廣泛應用的通風機械設備，可對礦井等進行連續的通風作業，保證礦井的通風安全性。在離心通風機的連續運行過程中會消耗大量的能量，由于存在能量轉換的損失，造成一定的能源浪費，不利于節約型低碳社會的發展。葉片是離心通風機進行能量轉換的重要零部件，葉片旋轉過程中產生的輪蓋損失是能量損失的重要組成部分[1]。葉片的結構形式對葉片的輪蓋損失具有重要的影響，針對葉片的結構形式，采用速度分布法對葉片的結構進行一定的優化設計，以期降低葉片旋轉過程中的能量損失，提高離心通風機的性能[2]。

1 速度分步法對葉片結構的優化設計

以某型號的離心通風機對葉片的結構進行優化設計，通風機的轉速為1 450 r/min，葉輪的直徑為578 mm，葉輪的出口寬度為133 mm，額定工況下的流量為8 099 m3/h，靜壓值為632 Pa，靜壓效率為52.8%。

減小通風機的能量損失取決于對邊界層動量的厚度，邊界層動量的厚度帶下受到通風機葉道內的相對速度的影響[3]。通過控制葉道內的相對速度來控制邊界層的動量，從而減小通風機的能量損失，提高通風機的性能，這種方法稱為控制速度分布法。假設在離心通風機內部流道內各流線的相對速度分布相同[4]，為平均相對速度，通過控制速度的分布即可控制邊界層的動量厚度。葉片典型的速度分布曲線如圖1 所示，四種不同的W-m（相對速度-葉輪子午面分量）分布形式中，曲線1 為dW/dm 為常數時的曲線，表示氣流的相對速度沿著葉輪的子午線呈均勻分布；曲線3、4 分別表示dW/dm 氣流的相對速度沿葉輪子午線逐漸增加、減小分布；曲線2 則表示dW/dm 氣流的相對速度沿葉輪子午線先增加后減小分布。研究表明，以曲線2 速度分布的形式獲得的動量厚度最小，通風機的性能最佳[5]。從圖1 中可以看出，曲線2 的速度分布表現為入口段緩慢減速、中間段快速減速、末尾端緩慢減速的特點。

圖1 通風機葉片四種W-m 速度分布曲線

依據圖1 中的曲線2 平均相對速度的變化曲線形式，將相對速度的變化轉化為葉片的函數方程，起始段和末尾段為二次函數，中間段為三次函數，三段函數直接連接的位置處所對應的速度即為葉片的入口及出口處的相對速度值[6]，減速比為離心通風機的固有值，初始的入口端及出口端的平均速度為已知值，由此即可確定葉片相對速度的函數方程為[7]：

式中：θ2為邊界層動量的厚度；u1為外邊界層的勢流速度；A、n 為對層流邊界的流動常數，A=0.46，n=1；v為運動黏度。

通過運動相對速度的函數，對不同的邊界層動量厚度進行計算，選取其中通風機的能量損失最小的參數組合，得到四組不同的速度分布的函數曲線如圖2所示，其中A、B、C、D 分別表示葉片相對速度為0.386 9、0.391 4、0.394 4、0.396 0 的葉片型線。依據葉片速度的分布曲線對四組葉片的曲線進行繪制，前盤的型線與初始的風機型線一致，依據速度分布曲線進行葉片角的計算，從入口處逐點計算葉片的增加角，得到不同的葉片的型線。

圖2 四組不同的葉片型線圖

2 不同葉片結構的離心通風機性能分析

2.1 離心通風機性能分析模型的建立

針對優化設計的四種不同的葉片結構，采用計算流體力學分析的方式對通風機的性能進行分析。CFD分析的方法成本較低，且能對流體力學的多種問題進行模擬分析，廣泛應用于化工、航天、渦輪設計中，適用于對離心通風機的性能進行分析。

依據四組不同的葉片型線結構進行葉輪及通風機模型的建立，在進行數值模擬時整體的計算模型包括入口的計算域及出口的計算域，其中入口的計算域為通風機直徑的5 倍，出口的計算域為通風機直徑的6 倍。建立四種不同的葉片離心通風機模型，導入CFD 軟件中進行網格劃分處理。由于離心通風機自身的結構較為復雜，對入口及出口的計算域采用六面體結構進行網格劃分處理，通風機部分采用四面體的非結構化網格進行網格劃分處理，由此得到不同葉片結構的通風機網格模型，對網格進行無關性驗證，從而對模型進行計算模擬。

系統分析的控制方程靜止部分采用三維的RNAS 方程，旋轉部分采用MRF 模型，湍流模型選用RNG k-ε 模型，RNG k-ε 模型相對標準的k-ε 模型增加了附加項，使得計算的精度可以得到有效的提高，且改善了在旋渦流方面的計算精度，RNG 模型增加了低雷諾系數的黏性流動，可以改善數值分析中對近壁面區域的處理的正確性。

采用有限體積的方式對控制方程進行離散化處理，進口處設定第一類的邊界條件，標準的空氣介質以流體垂直方向進入計算域，依據不同的流量給定入口的質量流率，出口處采用1 個大氣壓的標準壓力出口設置，通風機內部的壁面設定為無滑移的光滑壁面，對不同葉片結構的通風機的全壓系數及全壓效率進行模擬分析。

2.2 不同葉片結構通風機性能結果分析

采用CFD 分析的方式對四種不同的葉片離心通風機全壓系數及全壓效率性能進行分析，并與原有的葉片通風機模型進行對比，得到通風機的全壓系數及全壓效率的變化如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在四種不同的葉片優化模型及原有葉片的模型中，全壓系數曲線的分布一致，均呈現隨流量系數增加逐漸降低的趨勢，在大流量的工況下，B 葉片模型的全壓系數下降的最多，在額定流量及小流量的工況下，以C葉片模型的全壓系數值最大；在全壓效率的變化上，四種優化的葉片模型的全壓效率在小流量的工況下均相對原有的葉片模型具有較大的提高，但在大流量工況下，全壓效率的下降較快，小于原有的葉片模型。在四種優化的模型中，以C 葉片模型的全壓效率最高，且在大流量的工況下，C 葉片模型的值也相對較大。由此可以認定在四種葉片的優化結構中，以C 葉片模型的優化效果最好，通風機的性能最佳。

圖3 不同葉片模型通風機的性能曲線

3 結語

葉片是離心通風機的關鍵零件，葉片的結構對通風機運行中的能量損失具有重要的影響，從而影響通風機的使用性能。針對葉片的結構形式，采用控制速度分布的方式對葉片的結構進行一定的優化設計，依據不同速度分布的動量層厚度進行平均相對速度的分布，依據速度的分布曲線函數，確定了能量損失較小的四種葉片的形式，建立相應的葉片結構。采用CFD 仿真分析的方式對四種不同的葉片結構形式的通風機性能與原有的葉片結構進行對比分析，結果表明，在四種不同的葉片優化模型中，以模型C 的通風機效果最佳，在額定工況及小流量工況下全壓系數及全壓效率上均有一定的提高，在大流量的工況下，全壓系數及全壓效率有一定的減小。因此，采用速度分步法進行葉片的優化設計適用于對額定工況及小流量工況下的通風機進行優化，從而可以減小通風機的能量損失，并提高通風機的性能。