动叶安装角对矿用风机通风安全的影响研究

杜佳辑

（山西省能源职业学校/山西省能源职工教育中心， 山西 太原 030012）

引言

矿井通风系统是煤矿的核心，主要用于向下输入新鲜空气的同时将井下综采作业过程中产生的有毒有害气体排除巷道，其工作的稳定性和可靠性直接决定了井下综采作业的安全性。对旋式通风机具有结构紧凑、可拆卸性能好、运行经济性高的优点，是矿井通风系统的重要组成部分，在运行过程中通过前后两级叶轮的运行来实现对通风安全性的控制，叶轮上的动叶安装角度不同风机在运行时的通风特性也不同，目前对旋式通风机设计时主要是考虑了风机叶片形状对通风特性的影响，对不同动叶安装角度下的通风特性研究不足，因此导致风机在运行过程中的最高转速、运行噪声、运行稳定性不足的问题，无法进一步提升矿井通风的可靠性。

本文利用流体仿真分析软件，对通风机不同动叶安装角度情况下的通风稳定性进行了研究，结果表明，随着风机动叶安装角的变大，风机运行时做功能力不断增加，叶片表面的静压分布梯度变大，当风机的动叶安装角设置为0°时，具有最佳的运行通风特性，为进一步优化风机结构、提升运行稳定性奠定了基础，具有较大的应用推广价值。

1 仿真分析模型构建

本文以FBCDZ-10 系列矿用对旋式通风机为研究对象，风机的叶轮直径为2 000 mm，第一级叶轮的叶片数量为19 个，第二级叶轮的叶片数量为17 个，风机叶轮的轮毂比为0.617，风机在额定工况下的流量为63 m3/s，额定工况下的转速为870 r/min。利用三维建模软件建立该通风机的三维结构模型，建立完成后将其导入到FLUENT 仿真分析软件内，利用四面体网格划分的方法对风机进行网格划分[1］，提升仿真分析结果的准确性，整个风机共划分了7 636 000 个网格，其流道分析模型如图1 所示。

图1 风机流道几何模型

为了满足对风机运行时流体分析准确性的需求，采用κ-ε 模型构成流体分析控制方程，以风机在额定工况下的最高流量为风机进口处的质量流量，然后将出口处设置为自由出流条件，在模型上设置旋转区域和静止区域，在交接面采用INface 定义[2]，对风机运行时速度-压力之间的关系采用SIMPLEC 算法进行运算，分析时的步长取0.000 5 s。

2 仿真结果分析

现有风机的动叶安装角为-1°，为了对动叶安装角设置合理性进行研究，通过研究后，对风机动叶叶片安装角在-1°、0°、1°情况下的运行稳定性进行分析。风机在相同工况下扩散装置出口位置的速度分布云图，如图2 所示。

图2 不同动叶安装角下的速度分布云图

由图2 仿真分析结果可知，不同安装角下风机运行时的气流流道趋势基本相同，风机叶片安装角越大，风机在运行过程中的气流流速就越大，导致在集流装置出口处的气流旋转剧烈，这主要是由于安装角越大，叶片在转动过程中对气流的做功能力越强[3-4]，使出口位置的气流速度增加。当叶片安装角为0°时，风机内的气流分布较为均匀，当叶片安装角为1°时气流开始紊乱，导致风机运行时产生较大的噪声和振动。

风机在运行过程中叶轮上风叶压力面分布仿真结果如图3 所示。

图3 不同安装角下风叶压力面压力分布结果

由图3 仿真分析结果可知，不同安装角的情况下，风机叶片压力面均会沿着气流的流动方向不断增大，在沿着叶片高度方向上形成一个较大的压力梯度范围，而且其运行时的负压区出现在叶片的叶顶间隙处。当风机叶片安装角为1°的情况下各叶片上的压力分布均匀性最好，而且在叶顶隙处的负压范围广，有利于风机运行时效率的提高[5-6]。

风机运行过程中叶轮单个叶片上的静压分布如图4 所示。

图4 不同安装角下单个叶片吸力面及压力面压力分布结果

由图4 仿真分析结果可知，随着叶片动叶安装角度的增加，其工作时叶片表面的吸力面压力分布的梯度同样会显著地变大，同时安装角越大风机在运行过程中气流在叶片表面形成的吸力面压力分布呈现了更高的不均匀性和更显著的压力梯度分布，这主要是由于安装角增加后对气流的偏转作用更强烈导致的。

综合以上分析，安装角越大，叶片在转动过程中对气流的做功能力越强，运行效率越高，其叶片压力面上压力分布均匀性会提高，而吸力面上的压力分布不均匀性也会提升，但当安装角超过0°后，会导致运行时的振动、噪声增加，因此综合分析后，当叶片安装角度为0°时具有最佳的运行特性。

3 结论

针对矿用对旋式通风机运行振动大、噪声高的现状，提出利用流体仿真分析软件对不同安装角情况下的风机运行特性进行研究，根据仿真分析结果表明：

1）在对仿真分析进行设置时，为了确保分析结果的准确性，采用κ-ε 模型构成流体分析控制方程，对风机运行时速度-压力之间的关系采用SIMPLEC算法进行运算。

2）当叶片安装角为0°时，风机内的气流分布较为均匀，当叶片安装角为1°时气流开始紊乱，导致风机运行时产生较大的噪声和振动。

3）叶片安装角越大，叶片在转动过程中对气流的做功能力越强，运行效率越高，其叶片压力面上压力分布均匀性会提高，而吸力面上的压力分布不均匀性也会提升。

4）当风机的动叶安装角设置为0°时，具有最佳的运行通风特性，为风机优化提供了理论依据。