叶片切割量对轴流风机工作性能影响的研究

王海宾

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司灵石公用事业分公司，山西 灵石 031302）

引言

作为矿井通风系统的核心，轴流式通风机运行时的稳定性和可靠性直接决定了矿井通风系统的运行安全，针对目前轴流式通风机运行过程中叶顶流动损失大、熵产低、经济性差的现状，多数学者主要是从优化轴流式风机安装角、优化风机运行速度匹配等方面出发，取得了较大的成绩，但风机运行时的工况点效率较大，无法满足越来越高的运行经济性需求。因此本文提出了一种新的研究方案，即利用流体仿真分析软件对相同安装角下，不同风叶切割量对风机运行特性的影响进行研究。

1 仿真分析模型建立及定义

本文以轴流式通风机为研究对象，该风机共有动叶15 片，导叶16 片，风机风叶采用了薄蝉翼型结构，翼型呈对称结构，风机的额定转速约为1 440 r/min，风机的叶轮的外径为1 490 mm，轮毂比为0.5，风机的叶顶间隙约为4.7 mm，对应的间隙率为0.25，风机叶片的安装角为29°，以该轴流式通风机为研究对象，对叶片切割量分别为0%、5%、10%、15%情况下的风机运行特性进行研究。

利用三维仿真建模软件建立该轴流式通风机的三维结构模型，为了简化建模难度、提升分析准确性，建模时将风机壳体统一为一个整体，风机的风叶部分按实际情况进行等比例建模。在进行网格划分时，采用Gambit 进行数据网格划分[1]，对重点区域进行加密划分处理，将整个仿真分析的区域按动叶、扩散筒、导叶和集流器进行划分，该四部分区域采用加密网格，其他区域采用正常的网格定义，从而满足在确保仿真分析准确性情况下提升仿真分析速度的目的，风机网格划分后，总计网格单元的数量约为247 万个，其中加密网格数量为183 万个，普通网格数量为64 万个，网格划分后的轴流式风机结构见图1。

图1 轴流式风机三维结构模型

为了确保仿真分析的效果，利用FLUENT 流体仿真分析软件对其进行仿真分析时采用湍流模型，利用其稳定性好的特性，解决传统高速流体模型所存在的二次回流、梯度强逆性大的不足，满足轴流式通风机在高速运行时的分析可靠性。

2 风机性能仿真分析

利用FLUENT 仿真分析软件[2]对风机在不同叶片切割量情况下的运行效率进行分析，结果见图2。

由图2 可知，当风机的流量一定的情况下，叶片切割量Δ 越大，风机的运行效率越低。当风机的叶片切割量一定的情况下，风机的运行效率随着风机流量的增加而逐渐降低。当风机叶片切割量为零的情况下风机的运行效率达到了最高，约为81%。

图2 不同切割量情况下的风机运行效率

风机在高速运转时，会在风机内部形成一个高压面和一个低压面，在压力差的作用下气流会从高压面向低压面流动，流动的气流在风机高速运转产生的离心力的作用下，又会产生一个从低压面向高压面流动的动力，使风道内的气流在流到的上侧和下次产生紊流，进而造成了风压的泄漏[3]，产生能量流失（叶顶流动损失），影响风机运行的效率和稳定性。因此需要对不同叶片切割量情况下风机的能量损失进行分析，仿真结果如图3 所示。

图3 不同风叶切割量情况下风机能量损失

由仿真分析结果可知，随着叶片切割量的增大，风机运行时的涡流逐渐向着风机轮毂的方向偏移，越靠近轮毂的位置，气流对风机内紊流的干扰越大，导致运行时风机的能量损失越大，从而造成了风机运行时全压和运行效率的低下。这主要是风机叶片的切割量越大，风机运行时在叶片顶板的气流泄漏量越大，使风机内部的正常气流流道面变小，引起了涡流泄漏量的增大[4]。

风机的熵产率是表征风机运行过程中不可避免的能量损失特性，风机的熵产率越小说明能量损失越小，其运行效率越高，不同叶片切割量情况下风机的熵产率情况如图4 所示。

由图4 可知，随着风机叶片切割量的增加，风机的熵产率逐渐加大。当风机叶片切割量逐渐增加时风机导叶区和动叶区域上侧的熵产率增加，同步带动扩口区域熵产率的增加，这主要是由于风叶被切割后使叶片整体的做功功率下降，气流在风机动叶区域的流态发生变化，使气流在导叶及扩口区域的涡流效果增加，进而导致了风机导叶区和扩口区域内熵产率的增加。

图4 不同叶片切割量情况下的熵产率

3 结论

1）湍流模型具有稳定性好的特性，能够解决传统高速流体模型所存在的二次回流、梯度强逆性大的不足，满足轴流式通风机在高速运行时的分析可靠性。

2）叶片切割量越大，风机的运行效率越低，当风机叶片切割量为零的情况下风机的运行效率达到了最高，约为81%。

3）叶片切割量增大，风机运行时的能量损失和熵产率越大，越不利于风机运行时经济性和稳定性的提升。