動葉安裝角對礦用風機通風安全的影響研究

杜佳輯

（山西省能源職業(yè)學校/山西省能源職工教育中心， 山西 太原 030012）

引言

礦井通風系統(tǒng)是煤礦的核心，主要用于向下輸入新鮮空氣的同時將井下綜采作業(yè)過程中產生的有毒有害氣體排除巷道，其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了井下綜采作業(yè)的安全性。對旋式通風機具有結構緊湊、可拆卸性能好、運行經濟性高的優(yōu)點，是礦井通風系統(tǒng)的重要組成部分，在運行過程中通過前后兩級葉輪的運行來實現對通風安全性的控制，葉輪上的動葉安裝角度不同風機在運行時的通風特性也不同，目前對旋式通風機設計時主要是考慮了風機葉片形狀對通風特性的影響，對不同動葉安裝角度下的通風特性研究不足，因此導致風機在運行過程中的最高轉速、運行噪聲、運行穩(wěn)定性不足的問題，無法進一步提升礦井通風的可靠性。

本文利用流體仿真分析軟件，對通風機不同動葉安裝角度情況下的通風穩(wěn)定性進行了研究，結果表明，隨著風機動葉安裝角的變大，風機運行時做功能力不斷增加，葉片表面的靜壓分布梯度變大，當風機的動葉安裝角設置為0°時，具有最佳的運行通風特性，為進一步優(yōu)化風機結構、提升運行穩(wěn)定性奠定了基礎，具有較大的應用推廣價值。

1 仿真分析模型構建

本文以FBCDZ-10 系列礦用對旋式通風機為研究對象，風機的葉輪直徑為2 000 mm，第一級葉輪的葉片數量為19 個，第二級葉輪的葉片數量為17 個，風機葉輪的輪轂比為0.617，風機在額定工況下的流量為63 m3/s，額定工況下的轉速為870 r/min。利用三維建模軟件建立該通風機的三維結構模型，建立完成后將其導入到FLUENT 仿真分析軟件內，利用四面體網格劃分的方法對風機進行網格劃分[1］，提升仿真分析結果的準確性，整個風機共劃分了7 636 000 個網格，其流道分析模型如圖1 所示。

圖1 風機流道幾何模型

為了滿足對風機運行時流體分析準確性的需求，采用κ-ε 模型構成流體分析控制方程，以風機在額定工況下的最高流量為風機進口處的質量流量，然后將出口處設置為自由出流條件，在模型上設置旋轉區(qū)域和靜止區(qū)域，在交接面采用INface 定義[2]，對風機運行時速度-壓力之間的關系采用SIMPLEC 算法進行運算，分析時的步長取0.000 5 s。

2 仿真結果分析

現有風機的動葉安裝角為-1°，為了對動葉安裝角設置合理性進行研究，通過研究后，對風機動葉葉片安裝角在-1°、0°、1°情況下的運行穩(wěn)定性進行分析。風機在相同工況下擴散裝置出口位置的速度分布云圖，如圖2 所示。

圖2 不同動葉安裝角下的速度分布云圖

由圖2 仿真分析結果可知，不同安裝角下風機運行時的氣流流道趨勢基本相同，風機葉片安裝角越大，風機在運行過程中的氣流流速就越大，導致在集流裝置出口處的氣流旋轉劇烈，這主要是由于安裝角越大，葉片在轉動過程中對氣流的做功能力越強[3-4]，使出口位置的氣流速度增加。當葉片安裝角為0°時，風機內的氣流分布較為均勻，當葉片安裝角為1°時氣流開始紊亂，導致風機運行時產生較大的噪聲和振動。

風機在運行過程中葉輪上風葉壓力面分布仿真結果如圖3 所示。

圖3 不同安裝角下風葉壓力面壓力分布結果

由圖3 仿真分析結果可知，不同安裝角的情況下，風機葉片壓力面均會沿著氣流的流動方向不斷增大，在沿著葉片高度方向上形成一個較大的壓力梯度范圍，而且其運行時的負壓區(qū)出現在葉片的葉頂間隙處。當風機葉片安裝角為1°的情況下各葉片上的壓力分布均勻性最好，而且在葉頂隙處的負壓范圍廣，有利于風機運行時效率的提高[5-6]。

風機運行過程中葉輪單個葉片上的靜壓分布如圖4 所示。

圖4 不同安裝角下單個葉片吸力面及壓力面壓力分布結果

由圖4 仿真分析結果可知，隨著葉片動葉安裝角度的增加，其工作時葉片表面的吸力面壓力分布的梯度同樣會顯著地變大，同時安裝角越大風機在運行過程中氣流在葉片表面形成的吸力面壓力分布呈現了更高的不均勻性和更顯著的壓力梯度分布，這主要是由于安裝角增加后對氣流的偏轉作用更強烈導致的。

綜合以上分析，安裝角越大，葉片在轉動過程中對氣流的做功能力越強，運行效率越高，其葉片壓力面上壓力分布均勻性會提高，而吸力面上的壓力分布不均勻性也會提升，但當安裝角超過0°后，會導致運行時的振動、噪聲增加，因此綜合分析后，當葉片安裝角度為0°時具有最佳的運行特性。

3 結論

針對礦用對旋式通風機運行振動大、噪聲高的現狀，提出利用流體仿真分析軟件對不同安裝角情況下的風機運行特性進行研究，根據仿真分析結果表明：

1）在對仿真分析進行設置時，為了確保分析結果的準確性，采用κ-ε 模型構成流體分析控制方程，對風機運行時速度-壓力之間的關系采用SIMPLEC算法進行運算。

2）當葉片安裝角為0°時，風機內的氣流分布較為均勻，當葉片安裝角為1°時氣流開始紊亂，導致風機運行時產生較大的噪聲和振動。

3）葉片安裝角越大，葉片在轉動過程中對氣流的做功能力越強，運行效率越高，其葉片壓力面上壓力分布均勻性會提高，而吸力面上的壓力分布不均勻性也會提升。

4）當風機的動葉安裝角設置為0°時，具有最佳的運行通風特性，為風機優(yōu)化提供了理論依據。