对旋轴流通风机顶部间隙对风机性能的影响

武 刚

（山西汾西矿业集团南关煤业， 山西 灵石 031300）

引言

对旋轴流通风机内部是个复杂的三维流体场，从进风管到初级风筒再到两级叶轮最后通过次级风筒，期间流场变化梯度大，尤其是两级级叶轮部位，流场变化更为复杂。就物理模型来说，影响风机性能参数的因素除过两级叶轮叶片数、叶片安装角、轴向间隙以及轮毂比以外，还有个重要的参数就是叶轮顶部间隙，相对径向间隙也被称作径向间隙，它是叶片外缘与机壳之间的微小差距，对风机内部流场的影响也不容忽视[1-2]。目前，也有很多对顶部间隙进行研究的理论分许与数值模拟方法，但是大都是基于单叶轮风机，对于两级叶轮或者多叶轮风机，则缺乏必要的研究理论依据[3-5]。

1 数值模拟的前处理

顶部间隙物理模型在创建时也是采用SolidWorks软件，以12/10叶片数配合为主，风机的基本参数如表1所示。

表1 风机的基本参数尺寸

本文所说的顶部间隙是机壳都叶片顶部边缘的有效距离，叶片采用圆弧板型，取叶顶间隙为d，叶片高为l，d/l为相对顶部间隙，如表2所示，为顶部间隙模型数据。

表2 顶部间隙模型数据

物理模型创建完成后导入Gambit进行网格划分，与叶片数物理模型网格划分所不同的是，在本章网格划分时对风机结构流域进行重新定义，主要分成四大部分，分别是集流器、初级叶轮、次级叶轮以及扩散器，网格划分情况如表3所示。网格划分完成后导入Fluent进行求解条件设置，相关设置和叶片数设置相同，以速度入口为入口边界条件，采用多参考坐标系，选择分离式求解器，压力速度耦合方式，近壁面采用无滑移固壁条件，出口选择自由出口，设置完成进行数值模拟求解，观察收敛曲线，达到预设条件认为其收敛，可进一步进行后处理分析。

表3 顶部间隙模型网格划分

2 风机的性能曲线

本文所考虑的出发点主要是从静压、全压以及效率出发，来分析顶部间隙大小对对旋轴流通风机性能的影响。

图1 不同相对顶部间隙下出口静压值随流量的变化

从图1、图2中可以看出，随着顶部间隙的增大，无论是出口静压值还是风机全压值都在逐渐降低，同时随着间隙的增大，静压值和全压值随流量的变化率在逐渐降低。当相对顶部间隙为2.5%时，风机的静压值和全压值都相对比较高，流量的大小对风机静压值和全压值影响比较大，当质量流量小于2.2 kg/s时，顶部间隙越小，出口面静压值和风机全压值随流量变化更加敏感，当质量流量大于2.3 kg/s时，静压值和全压值随顶部间隙的变化程度减弱，流量的变化对其影响占到了主导地位。如果从影响因素的大小来看，顶部间隙的大小是影响出口面静压值和风机全压值的主要因素。

图2 不同相对顶部间隙下风机全压随质量流量的变化

对旋风机作为一个能量转换机械，效率是必须要考虑的一个性能指标，如图3所示，为不同叶顶间隙时风机全压效率随流量的变化曲线。

图3 不同相对顶部间隙下效率随质量流量的变化

从图中可以看出，随着叶顶间隙的增大，风机全压效率随之逐渐减小，当质量流量小于2.2 kg/s时，随着顶部间隙的增大，流量变化对效率的影响在随之减弱，当质量流量值大于2.3 kg/s时，随着顶部间隙的减小，流量变化率在逐渐加强，同时可以看出，随着流量的进一步增大，效率变化幅度在进一步增大，近似线性关系。综合可知，合理的设计叶顶间隙，有利于提高通风机的全压效率值。

3 不同间隙下两级电机的轴功率匹配

工况点不同，对旋风机的两级驱动电机功率匹配情况也不尽相同，通过分析不同工况点下的通风机功率匹配情况才能在实际运行中避免次级电机过载或者轻载的现象发生，防止次级电机烧毁以及绝缘损坏等问题产生。

如图4为2.5%相对叶顶间隙下两级电机功率的匹配情况，可以看出：随着通风距离的增加，次级电机的输出功率逐渐增大，在质量流量为2.4 kg/s左右时，初次级电机功率均在0.95 kW左右，匹配度高；随着流量的减小、送风距离的增加，次级电机功率逐渐增加，初级电机功率基本保持不变，在质量流量为2.1 kg/s时，次级电机功率达到1.06 kW，初级电机功率在0.97 kW左右，两级电机匹配度明显降低。

图4 相对顶部间隙为2.5%时的两级电机功率匹配

图5为相对顶部间隙为3.0%时的两级电机功率匹配情况，可以看出：在流量为2.3 kg/s时，两级电机功率匹配度较高，初级电机功率在0.96 kW左右，次级电机功率在0.97 kW左右；随着送风距离的逐渐增加，次级电机的功率在逐渐增大，当送风量达到2.2 kg/s附近时，次级电机的功率出现最大值，继续增加送风距离，次级电机的功率有所下降。对应不同的工况点，选用不同的功率等级电机，可提高电机功率利用率，保证两级电机都可以在额定功率范围内使用。

图5 相对顶部间隙为3.0%时两级电机功率匹配

下页图6为相对顶部间隙为3.5%时两级电机功率匹配情况，可以看出，随着流量的减小，送风距离的增加，次级电机的功率在进一步提高，在2.2 kg/s时次级电机功率达到最大值，若送风距离进一步增加，次级电机功率则可能出现下滑趋势。同时可以发现，当相对叶顶间隙为3.5%时，通风机两级电机在远距离送风时两级电机功率匹配要比短距离送风更好，综合相对叶顶间隙为2.5%、3.0%以及3.5%三种工况可以发现，随着送风距离的增加，两级电机的功率匹配度随着叶顶间隙的增大而提高，也就是说，在稍远距离的送风时，若要保证两级电机同功率工作，则在电机选择时功率等级应适时提高。

下页图7为相对顶部问隙为4.0%时两级电机功率匹配情况，从图中可以发现，当叶顶间隙逐步增大达到7.5 mm时，两级电机的功率匹配度出现失衡现象，初级电机的最大功率点0.92 kW左右，次级电机的最大功率点0.84 kW左右，随着送风距离增加，次级电机功率在逐步增加但是变化幅度相对有所减小，尤其是在短距离送风时两级电机功率相差比较大，无法保证两级叶轮可以选用同功率等级的电机作为驱动。顶部间隙过大，无法保证驱动电机的合理选型，在功率匹配方面存在一定难度。

图6 相对顶部间隙为3.5%时两级电机功率匹配

综合分析可知，保证顶部间隙在一定范围内，随着顶部间隙的增大，两级电机的功率匹配度向左出现偏移，在远距离送风时两级电机功率匹配度较高，但是当顶部间隙超过某个临界值时，随着顶部间隙的进一步增大，两级电机功率匹配度降低，次级电机的输出功率相对降低，若选用同等级电机作为驱动，次级电机则可能出现轻载现象。由于在两级电机选用时，都是以初级电机负载作为参考，因此在选用两级电机时应该分析不同工况点，根据实际运行情况合理选择两级电机功率等级。

4 结论

1）风机的静压、全压以及效率随着顶部间隙的增大在逐渐减小，在2.15～2.25 kg/s之间，存在着最大值，可以使得风机的综合性能得到提高。

图7 相对顶部间隙为4.0%时两级电机功率匹配

2）随着顶部间隙的增大，低压区影响范围在逐渐扩大，中心点逐渐向叶片尾缘靠近。相对单叶轮风机，对旋风机次级叶轮对泄漏流乃至泄漏涡更加敏感，在设计时应予以考虑。

3）样机模型两级电机功率匹配度高于7.5 mm模型但是低于其他间隙模型，在质量流量为2.1 kg/s、2.2 kg/s以及2.3 kg/s时顶部间隙为6.5 mm模型两级电机功率匹配度较高，优于样机模型和5.5 mm间隙模型，间隙为5.5 mm尺寸模型匹配度高于样机模型但是低于6.5 mm间隙模型。综合压力值、效率变化以及两级电机功率匹配度考虑，4.5 mm顶部间隙模型优于样机模型，更适合远距离送风运行工况。