两级叶轮叶片数配合对风机性能的影响

白志伟

（汾西矿业集团双柳煤矿， 山西 柳林 032000）

1 叶轮模型的建立和流域网格划分

1.1 叶轮模型的建立

为了对比叶片数配合的影响，初级叶轮叶片数选择 8、12、14，次级叶轮叶片数 8、10、14，考虑等叶片数不利于风量流通，共选取8/10，12/8，12/10，12/14，14/10共5种匹配关系作为研究对象进行分析，采用SolidWorks软件，对设计叶轮进行打散拆分，然后通过圆周阵列，轮毂拉伸等操作完成不同叶片数叶轮模型设计[1-4]。

1.2 流域网格划分

依据实验样机的数值模拟仿真，按照同样的网格划分要求与条件，分别划分其他4种模型，网格数分别如表1所示。

表1 不同风机模型流道划分网格数

2 不同叶片数配合对风机出口静压的影响

对旋轴流通风机作为矿用局部通风扇，必须保证出口风量，因此需降低出口动压，提高出口静压值，才可以达到设计要求，满足使用条件。

当初级叶轮叶片数为8时出口静压值偏小，随着叶片数增加，当取叶片数为12时，出口静压值明显增加，叶片数为14时可以看出，出口静压值非但没有增加，反而出现下降的趋势，也就是说，在一定范围内，随着初级叶轮叶片数的增加，出口静压值会增加，但是超过某个临界值时，风机出口静压值出现下滑趋势。综合分析可知，对于初级叶轮来说，存在最优解，即临界值，使得风机出口静压值达到最大。同时可以看出，随着入口流量的增加，出口静压值出现明显下滑现象，这不利于风机性能优化。

初级叶轮叶片数变化对出VI静压值存在着影响，次级叶轮即作为导叶，叶又作为能量结构装置，叶片数的变化必然存在着类似的影响。当次级叶轮叶片数为8时出口静压值相对较高，叶片数增加为10时出口静压值有所增加，但是与初级叶轮叶片数变化所不同的是，出口静压值最低值出现在叶片数最大值的时候，同时相对初级叶轮来说，次级叶轮叶片数变化对出口静压值的影响变化幅度有所减小，入口流速越大，低叶片数变化影响越小，高叶片数变化影响越大，但就某一叶片数来说，随着入口流速的增加，出口静压依然存在着下滑的趋势。分析可知，次级叶片数变化对出口静压影响相对偏小，但是也不可轻视，次级叶片数依然存在最优解，可以使得风机出口静压值达到最大值，叶片数偏大或者偏小都将会影响到出口静压值变化，使得风机性能无法最优。

通过对比分析初级叶轮叶片数变化和次级叶轮叶片数变化可以看出两级叶轮存在固定匹配可以使得风机出口静压值达到最大，从叶片数综合来看，当叶片数为8/10时，出口静压值明显偏低，当叶片数最大为12/14时，出口静压值并没有取得最大值，相对来说只是比叶片数静压值最低值偏大，当叶片数为12/8和14/10时，出口静压值明显增大，12/10时，出口静压曲线整体上移，出现静压值最大值。综合分析可知，无论从单个叶轮来看，还是从两级叶轮整体来说，出口静压值曲线都呈现出单驼峰状，在叶片数偏大或者偏小，都无法使得出口静压值达到最优解，必须同时考虑两级叶轮，合理选择叶片数配合，才可以使得出口静压值达到峰值，单就从出口静压值来看，12/10的叶片数配合可以使得风机出口静压值达到最大值，为风机性能优化的最优解。

3 不同叶片数配合对风机全压的影响

当初级叶轮叶片数较低时，风机全压相对较低，随着叶片数的增加，风机的全压也在逐渐增加，当叶片数为12时，风机全压取得最大值解，叶片数继续增大，风机全压没有继续增加，反而出现降低趋势。在叶片数从8变为12再到14的过程中，通过纵向对比可以看出，风机全压出现了先升高后降低的曲线特点，跟出口静压类似，在初级叶轮叶片数的逐渐增加过程中，存在某个值，可以使得风机全压达到最大值，偏离这个值，风机的全压都将出现不同幅度的降低。由横向对比可知，随着入口流速的增加，风机全压会逐渐降低。对比不同初级叶轮叶片数时静压曲线可以发现，当两级叶轮叶片数差距较大时，比如14/10，流场可能随着流量的增加出现不稳定的情况，静压值和全压值出现波动，这不利于风机正常运行，应尽量予以避免。

由图1可知，当次级叶轮叶片数为8时，风机全压相对比较低，在入口质量流速小于5.5 kg/s时，随着入口流速的增大，风机全压逐渐减小，但是变化幅度不大，当大于5.5 kg/s时，随着入口流速的增加，风机全压大幅度下降。叶片数取14时，风机全压整体上移，呈现增大趋势，但是全压随入口流速变化率增大，近乎直线，在低流速下和叶片数为8的曲线分离较大，高流速时近似重合，以致低于叶片数为8的情况，说明叶片数过多流场变化梯度会增大。在叶片数取10时可以明显的看出，风机全压值达到最大解，低流速和高叶片数相近，高流速出现较大偏离。综合分析可知，随着次级叶片数增加，风机全压先逐渐升高，当叶片数超过某个值时全压将会出现下滑趋势，合理优化叶片数，找到叶片数最佳值有利于提高风机全压值。

单叶轮叶片数变化对全压影响存在规律性，两级叶轮叶片数配合是风机全压达到最大值的关键，如图2所示。

当两级叶轮叶片数差值偏大时曲线变化幅度较大，也就是说风机内部流场变化梯度增加。在低叶片数配合时风机全压相对较低，随着叶片数的增加，叶片数配合的改变，风机全压逐渐增大，在超过某个数值时或者说达到某种配合时若继续增加叶片数或者改变配合将会导致全压出现降低趋势，叶片数过低或者过高都无法使得风机全压得到最大。当叶片数取12/10时风机全压最高，虽说在高质量流速（大于5.5 kg/s）低于14/10的全压值，但是从整体变化情况看，14/10配合只是在某个区间内高于12/10全压值，从理论分析和实际运行看，12/10是风机运行最佳叶片数配合，此时全压值整体最高。

图2 不同叶片数配合风机全压变化曲线

4 不同叶片数配合对风机全压效率的影响

通风机的效率有内效率、静压效率和全压效率之分，所不同的是每个效率计算的分母是不相同的，全压效率是以驱动电机轴功率为分母，内效率则是轴功率去除机械损耗剩余的功率值，静压效率则是用静压代替全压，计算的有效功率。

当次级叶轮叶片数恒定为10，初级叶轮叶片数取8时，风机平均效率处于中间位置，当叶片数取12，风机平均效率曲线整体上移，效率随叶片数增加而增大，当叶片数取14时，风机平均效率没有继续上升的趋势，反而低于叶片数为12的情况。当叶片数为12时，效率最高点在5.2～5.3 kg/s之间，当叶片数为8时，效率最高点发生右移，位于5.3～5.4 kg/s之间，叶片数取14时，效率最高点继续右移，同时效率最大值相对叶片数为8有明显增大趋势，最高点位于5.6～5.7 kg/s之间，最大值接近于叶片数为8的情况。综合分析可知，叶片数偏大或者偏小都无法使得风机平均效率达到最大，随着流量的增大，最高效率可能随着叶片数增大或者减小发生偏移，效率变化幅度增大，流场不稳定因素增加，只有将初级叶轮叶片数控制在某个合理的范围内，才可以使得风机正常运行效率最高。

初级叶轮叶片数对风机效率影响相对比较明显，次级叶轮作为流体的次做功装置，对风机效率也有着不可忽视的影响。当次级叶轮叶片数取8时，风机效率在65%左右，变化率不大，由于两级叶轮叶片数相差较大，在5.5 kg/s左右出现低效率运行，当叶片数取10时，风机全压效率随着叶片数增加而增大，全压效率整体上移，出现效率最大值，变化率偏小，流场比较稳定，当叶片数继续增大为14时，风机全压效率出现大幅度下降，并没有随着叶片数增多而增大，且随着流量的增大全压效率出现急剧下滑的趋势，效率最大值出现在低流量区域。综合分析可知，初级叶轮叶片数对风机全压效率最高点影响较大，次级叶轮叶片数对风机全压效率平均值影响较大，但共同点是，叶片数偏多或者偏少，都不利于风机效率的提高，应合理设计次级叶轮叶片数，满足不同工况需要。

叶片数配合对风机的全压效率影响是个很复杂的过程，单叶轮叶片数和两级叶轮叶片数配合影响存在差异性，须同时考虑两级叶轮叶片数，才可以分析风机全压效率变化。风机效率曲线基本都为渐缩型，随着质量流量的增大而逐渐减小，只有12/8和14/10两种情况下效率曲线变化幅度偏大，叶片数数值相差较大，导致风机内部流场变化梯度增大，效率曲线出现偏移。当两级叶轮叶片数取12/14时，风机全压效率平均值偏低，且随着流量的增大出现急剧下滑现象，曲线斜率偏低，当叶片数取8/10最小数值时，风机效率平均值居中，且相对平稳，当叶片数取12/10，风机效率平均值整体上移居高，风机效率达到最高值，曲线平稳，流场稳定。通过纵向和横向对比分析可知，无论是从单叶轮叶片数还是两级叶轮整体叶片数，叶片数偏多或者偏少都会进一步限制风机效率的提高，同时，两级叶轮叶片数数值相差较大时可能会出现流场变化梯度增大的后果，影响流场的稳定性，对风机性能改善起到阻碍作用，应该根据风机实际运行工况，合理设计两级叶轮叶片数，不管是从叶片数值还是从匹配角度，都应该找到最优解，使得风机效率最大化，保证风机高效率运行。

5 结论

1）风机的压力曲线随流量以及送分距离成单驼峰状，在远距离送风质量流速低于2.3 kg/s时样机模型压力值相对较高，当质量流速高于2.3 kg/s时，12/10叶片数配合全压值高于样机12/8叶片数配合，分析可知，在近距离大流量时，适当增加两级叶轮叶片数并且保证两级叶片数之间存在差值，可以使得风机全压值得到提高。

2）叶片数偏多或者偏少都将会影响风机全压效率的提高，当叶片数取8/10时或者12/14时风机效率整体偏低，在流量高于2.3 kg/s时14/10配合风机效率要高于样机模型，当质量流量低于2.3 kg/s时风机效率低于样机模型。

3）对于单叶轮风机，压力以及效率曲线呈单驼峰状，对于多级叶轮分级来说，初级叶轮对压力值以及效率值影响占主要地位，末级叶轮叶片数变化对流场梯度变化占主要地位，叶轮级数越多，影响越大。