不同叶片结构对轴流通风机切割性能的影响分析

王於雁

（晋能控股煤业集团四台矿， 山西 大同 037001）

引言

轴流通风机是煤矿、隧道等广泛应用的通风设备，通过叶轮的旋转运动实现通风，具有结构紧凑、风量大、压力高的特点[1]。在轴流通风机工作的过程中，通风机的轴向间隙、叶片安装角、轮毂比等均对通风机的性能具有重要的影响，合理的参数设置可以减小通风机的流动损失，提高通风机的效率[2]。在不同的影响因素中，叶片的结构形式对通风机的切割性能具有最重要的影响，板型叶片和翼型叶片是目前轴流通风机广泛使用的叶片结构形式，针对两种不同的叶片结构[3]，采用流体仿真分析的形式对其切割性能进行分析，从而为轴流通风机性能的提高提供参考。

1 两种叶片结构轴流通风机分析模型的建立

板型叶片和翼型叶片是轴流通风机广泛使用的两种叶片形式，板型叶片的制作简单，生产成本较低；翼型叶片采用航空机翼锻铸铝合金或钢板铆焊技术进行焊接[4]，生产成本较高。采用流体力学分析软件Fluent 对两种叶片结构的轴流通风机切割性能进行分析，Fluent作为专业的CFD 分析软件[5]，通过质量和动量守恒方程的求解，可对流体的问题进行较好的模拟，适用于对轴流通风机的性能进行分析[6]。

针对两种不同的叶片结构进行通风机模型的建立，通风机的轮毂直径为2.1 m，叶轮的直径为3.76 m，叶片的角度为62.3°，叶片的转速为745 rad/min，动叶片数为18，后导叶片数为13。依据两种不同的叶片结构形式[7]，在SolidWorks 中建立叶片的三维模型如图1 所示。依据叶轮的尺寸建立模型，以叶轮的轴心为轴线进行圆周阵列叶片，生成相应的18 个叶片，建立通风机内部的定子和转子段及集风器和扩散筒的模型[8]，即完成两种不同叶片结构的通风机模型的构建。

图1 叶片的结构模型

对所建立的通风机模型进行网格划分处理，由于轴流通风机的结构相对复杂流道不规则，采用非结构化的网格进行网格划分处理，对于细小的间隙及相交处，先将相应的面生成网格，然后进行整体网格的划分处理[9]。对通风机的流动问题进行分析，Fluent提供了多种模型，采用MRF 模型进行通风机切割性能的分析[10]。MRF 模型将风道内的流场进行简化为叶轮在某一位置时的瞬时流场，从而通过定常分析的方式对非定常问题计算。在计算的过程中，转子区域的网格保持静止进行定常计算[11]，定子区域在惯性坐标系中作定常计算，在两者的交界面位置交换相应的流体参数，从而保证交界面的连续性。采用MRF 的定常计算方式，所需计算的模型简单，可以快速地达到收敛状态[12]，节约计算所需的时间，提高分析效率。

2 两种不同叶片结构轴流通风机切割性能的分析

2.1 初始条件设置

在对轴流通风机的切割性能进行分析时，在求解区域的边界上需设定相应的边界条件，轴流通风机的主要边界包括风机的入口、出口及风机叶片三部分。在入口端采用速度入流条件作为通风机的入口，速度参数随不同的工况变化；出口边界采用压力边界作为整个气体流域的出口，设定出口处的压力为大气压力；风机的叶片定义为旋转壁面条件，将转子段的叶片及轮毂定义为旋转壁面，以计算通风机的全效率，旋转壁面的转速定义为相对周围流体的相对速度为0。

通风机风筒的内壁设定为墙体，旋转无滑移的固壁边界条件，壁面的流体速度与壁面处的速度相同，当壁面静止时，壁面处的速度为0，当壁面旋转时，壁面处与壁面的相对速度保持为0。流体的转速设定为745 rad/min，由此对两种不同叶片结构的轴流通风机进行模拟件计算。

2.2 结果分析

对两种不同叶片结构的轴流通风机的叶片全压进行分析，得到叶片周围的全压云图如图2 所示。从图2 中可以看出，翼型叶片的周边有较为明显的气流的加减速运动存在，有最大的速度区域；板型叶片的周边气流的速度分布均匀，变化较小。在轴流通风机的性能中，速度的变化代表启动负荷沿着流向的分布状态，翼型叶片存在着速度的变化，能够较好地控制加工量前后的分布，从而有利于提高轴流通风机的效率及气动载荷，同时可以减小流动的损失。

图2 两种叶片周围全压（Pa）分布

对两种结构的叶片全压及效率的变化从数值上进一步分析，得到叶片的全压-流量曲线如图3 所示，全压效率-流量曲线如图4 所示。从图3 中可以看出，翼型叶片的全压值要大于板型叶片的全压值，在流量较小时，两者之间的全压值相差较大，随着流量的增加，全压值均呈减小的趋势，两者之间的差值有一定的缩小。从图4 中可以看出，翼型叶片的全压效率同样大于板型叶片的全压效率，且两者之间的差值随着流量的增加保持相对稳定。

图3 两种叶片的全压-流量曲线

图4 两种叶片的全压效率-流量曲线

综上可知，针对翼型叶片和板型叶片两种结构形式的叶片对轴流通风机的切割性能进行分析，翼型叶片周边的速度差较大，有利于提高叶片的效率及气动载荷，进一步经过数值对比分析可知，翼型叶片的全压及效率均大于板型叶片，且随着流量的增加，全压的差值逐渐减小而效率的差值保持稳定。从轴流通风机的综合切割性能来说，翼型叶片的性能要好于板型叶片，对其制作加工的成本相对较高，应采取合理的焊接加工措施，在提高轴流通风机性能的同时保证其经济效益。

3 结论

轴流通风机是煤矿、隧道等通用的通风设备，对煤矿的开采安全具有重要的影响。在轴流通风机的叶片结构中，板型叶片和翼型叶片是应用较多的两种叶片形式。采用Fluent 流体力学仿真分析的形式对翼型和板型两种叶片的切割性能进行建模分析。首先建立两种叶片的三维模型，依据叶轮的尺寸进行叶片的分布，然后建立整个通风机的三维模型，采用非结构化的网格进行网格划分处理，设定轴流通风机的边界条件对其切割性能进行模拟分析。结果表明，在两种叶片结构中，翼型叶片周围的速度分布差值较大，存在着速度的变化，能够提高轴流通风机的效率及气动载荷，翼型叶片在全压及效率上均要高于板型叶片。由于翼型叶片的加工成本较大，在进行轴流通风机的设计使用时，在经济允许的情况下，应首选翼型叶片代替板型叶片，从而提高轴流通风机的整体切割性能，保证工作环境的通风安全性。