轴流式通风机导叶结构特征对通风性能的影响研究

班耀武

（阳泉煤业集团翼城东沟煤业有限公司， 山西 翼城 043500）

引言

矿井通风系统作为“矿井肺腑”其主要用于将新鲜的空气传入井下巷道内，确保井下的空气流动，排出井下的有害气体，其工作时的通风特性直接关系到煤矿的经济效益和井下的通风安全。轴流式通风机是一种被广泛应用在煤矿通风系统中的设备，其一级导叶的结构特性对风机工作时的通风特性有直接的影响，多数学者对轴流式风机工作性能的影响主要集中在叶片结构等方面，对导叶结构特性对风机通风特性影响的研究较少，因此本文对此进行了专门的研究，为优化轴流式通风机导叶结构、提升其工作效率、降低电能消耗等奠定基础。

1 导叶结构形式对通风特性的影响

轴流式通风机的一级导叶的结构形式主要包括单一常叶片结构及长短复合式叶片结构，其不同结构形式下风机工作特性曲线如图1 所示。

图1 不同导叶形式对通风特性的影响研究

由图1 可知，当轴流式通风机采用长短复合式导叶结构时，其工作时的全压和工作效率要显著地优于单一长叶片结构的风机。特别是当风机在小流量工况下工作时，复合叶片风机的性能要远优于单一长叶片结构的风机，在两级动叶可调轴流风机额定运行工况下（即风机的流量为82.3 m3/s）复合叶片结构的风机在出风口位置的总压比单一长叶片结构的风机增加了约75.12 Pa，运行效率提升了约71%，由此可知在轴流式风机中，采用长短复合式叶片结构时风机的工作特性显著优于单一长叶片结构的风机。

熵产率是衡量轴流式通风机工作效率的核心参数，其主要是表述了风机工作时的不可逆转的能量损失。风机的熵产率主要包括黏性耗散熵产率SVD以及湍流耗散熵产率STD，其分别可表示为：

总熵产率为：

式中：V为气体体积，m3；μ 为气体的流体动力黏度，kg/（m·s）；εij为气体平流场的变形率张量；ε'ij为气体脉动流场的变形率张量平均值；T为温度，K。

利用Kock 计算模型对风机工作时的单位体积熵产率分布进行仿真计算，结果如下页图2 所示。

由仿真分析结果可知，风机在导叶进口位置吸力面上的熵产率较大，这主要是由于当风机工作时，其气流在叶片进口处的排挤和冲击造成的，同时在叶片尾部边缘的位置由于气流尾旋涡流的作用使改成的熵产率也同步增加。当风机采用单一长叶片时其熵产率的分布范围为50～1 050 W/（m3·K），而采用长短复合叶片时其熵产率的分布范围为30～240 W/（m3·K），因此复合叶片形式下风机工作时的熵产率要远小于单一长叶片结构的熵产率，同时单一长叶片导叶形式的叶片工作时产生的尾流对风机的二级动叶片工作性能影响较大，极易产生涡流噪声，因此采用长短复合叶片的导叶形式对提升风机工作效率和稳定性具有显著的作用。

图2 不同叶片结构下风机的熵产率分布

2 导叶片周向位置对通风性能的影响

根据以上分析，本文以长短复合叶片导叶结构为对象，对短叶片相对于长叶片的吸力面处在不同的周向位置时的通风特性进行研究，分别对d=t/8、d=t/4、d=t/2、d=3t/4、d=7t/8（式中：d为短叶片相对于长叶片吸力面位置的周向长度，mm；t为风机内两个长叶片支架的格栅距离，mm）情况下的风机工作特性进行研究，结果如图3 所示。

由图3 可知，当风机的短叶片距离长叶片的轴向距离由d=t/8 逐渐增加为d=t/2 后，风机工作时的效率和全压均显著增加，当风机的短叶片距离长叶片的轴向距离由d=7t/8 逐渐增加为d=t/2 后，风机工作时的压力面慢慢地向中间格栅位置靠近，风机的通风特性也逐渐增加，因此可知当风机短叶片到长叶片的周向距离为d=t/2 时风机的全压和效率均衡性最好，风机具有最优的工作性能。

3 导叶片长度对风机性能的影响

不同导叶片长度情况下风机工作时的全压和效率分布曲线如图4 所示，不同叶片长度情况下风机各个区域的总的熵产率S和湍流耗散熵产率STD的变化如图5 所示。

图3 不同轴向距离情况下风机的工作特性曲线

图4 不同叶片长度下风机的风压和效率变化曲线

图5 不同叶片长度下风机总熵产率和湍流耗散熵产率变化曲线

由分析结果可知，当风叶的长度为320 mm 的情况下风机工作时的效率和全压均处在最佳的状态，其他情况下风机工作时的效率和全压的变化曲线均低于导叶片长度为320 mm 时的工作状态，同时风机工作时叶片长度对风机效率的影响要大于对风机工作时风压的影响。

由图5 可知，叶片长度对风机熵产率的影响主要体现在第二级的叶轮支护，其气体流动时的不稳定性越高，风机不稳定的幅度就越大。在风机的二级叶轮之前不同长度叶片对风机总熵产率的影响基本不大，当过了第二级的叶轮支护，叶片长度为320 mm 情况下风机工作时的总熵产率就显著低于其他情况下风机的总熵产率。

综上分析可知，通风机的导向叶片的长度为320 mm 的情况下风机具有最佳的工作性能。

4 结论

1）当轴流式通风机采用长短复合式导叶结构时，其工作时的全压和工作效率要显著地优于单一长叶片结构的风机；

2）当风机短叶片到长叶片的周向距离为d=t/2时风机的全压和效率均衡性最好，风机具有最优的工作性能；

3）通风机的导向叶片的长度为320 mm 的情况下风机具有最佳的工作性能。