基于CFD的矿用轴流式风机工作流场分布的研究

刘 根

（山西煤炭运销集团金山煤业有限公司， 山西 临汾 041000）

引言

目前煤炭的开采主要集中在更深的地层、更复杂的环境中，为了确保综采作业时井下的气流流动，满足人们生产、生活的需求，对矿井通风机的运行提出了更高的要求。通风机系统在工作时随着转速的增加其工作时的不稳定性也会随之加大，给通风机系统的安全运行带来较大的隐患，特别是运行时的流量损失现象严重，而目前多数学者对风机高速工作时的工作流场分布情况没有完善的理论，难以以此为依据对风机的工作特性进行优化。因此本文在前人总结分析的基础上提出利用流体动力学原理对轴流式通风机工作时的流场特性进行研究，提升其工作的稳定性。

1 轴流式风机的数学模型

本文以FBCDZ系列对旋式轴流通风机为对象，建立其全流场分布模型，在该风机中其为两级叶轮式结构，其叶片均为翼形扭曲叶片，一级叶轮的叶片数量为13片，二级叶轮的叶片数量为11片，一级叶片的安装角度为44°，二级叶片的安装角度为29°，转速为980 r/min，其全流场分布模型如图1所示[1]。

矿用轴流式风机在工作时其内部的气体的流动遵循动量守恒和质量守恒原理[2]，为了便于分析，将风机内的流体流动全部看成一种湍流流动，在计算过程中假设气流在流动时为不可压缩且恒温状态。

因此可推出该气体在通风机内流动的动力守恒方程和质量守恒方程：

其质量守恒方程可表示为：

图1 轴流式风机的全流场分布模型

式中：u为风机运行的速度矢量在x轴方向上的分量；v为风机运行的速度矢量在y轴方向上的分量；w为风机运行的速度矢量在z轴方向上的分量；ρ为气流密度；μ为气流运动时的动力黏度；Su、Sv、Sw均为Navier-Stokes方程的广义源项；p为气体流动时微元上的压力。

2 轴流式通风机工作流程场数值模拟分析

利用流体动力学原理对轴流式通风机在运行时的流场分布情况进行分析，在对其流场分布情况进行分析时，采用SIMPLE算法[3]对其分布方程进行求解，同时采用体积法对该风机系统的三维流场进行求解，风机的扩散器表面的静压分布如下页图2所示。

由图2可知，当风机工作时其流场在扩散器表面的静压分布情况呈现了带状的增长趋势，当气流通过风机的一级叶轮和二级叶轮进行对旋加速后，其实际的扭速非常小，因此可知气流在风机内是从轴向方向进入到扩散器内的，为了避免气流在扩散器内的流动损失，应确保扩散器内的扩压度维持在较低的范围内。

图2 风机扩散器处的静压分布

风机运行时其在一级叶轮和二级叶轮的翅片根部的静压分布如图3所示。

图3 叶轮翅片根部的静压分布情况

由图3可知，在两级叶片的压力面上，其静压值要远高于叶片吸力面上的静压值，由此导致其在两级叶片的根部处存在着极大的压力差值，导致在气流流动时存在着一定的扰动，使风机高速工作时噪声突出。而风机内二级叶片翅根处的静压值大于一级叶片翅根处的静压值，其表面的静压值沿叶片四周的分布具有较好的均匀性和对称性。

因此为了降低风机工作时一级叶轮对二级叶轮气流的影响，可以采用调整风机叶轮安装角度的方式对其工作特性进行调节。

3 不同安装角下风机的工作特性曲线

搭建风机性能测定试验平台，对不同风叶安装角下风机的工作特性情况进行试验验证，其试验平台如图4所示[4]。

对旋式轴流通风机在不同叶片安装角情况下的效率分布曲线如图5所示。

由图5可知，当风机的一级叶轮的风叶安装角为44°，二级叶轮风叶安装角度为29°情况下其流量变化范围较小，而其风机效率变化范围最大，其他几种情况下风机的效率差别不大，而其流量变化范围跨度极大。此情况下的风机的效率和流量对应变化曲线与实际仿真分析结果一致，从而证明了仿真分析结果的有效性。

图4 风机性能测试试验平台

图5 不同安装角下风机的效率变化曲线

从实验结果可知，当风机的一级叶轮叶片安装角度为55°，二级叶片安装角度为41°的情况下其风机能够在效率变化不超过28%的情况下实现其输出流量在8×104m3/h和18×104m3/h之间变化，从而能够有效地确保根据煤矿井下巷道的掘进情况满足不同工况下风量的需求。

4 结论

为了对轴流式通风机工作时的流场分布情况进行研究，提升风机工作时的稳定性和灵活性，本文在建立风机流场分布数学模型的基础上对其流场分布情况进行研究，同时对不同叶片安装角下风机的工作效率情况进行现场试验，结果表明：

1）气流在风机内是从轴向方向进入到扩散器内的，为了避免气流在扩散器内的流动损失，应确保扩散器内的扩压度维持在较低的范围内。

2）在两级叶片的压力面上，其静压值要远高于叶片吸力面上的静压值，由此导致其在两级叶片的根部处存在着极大的压力差值，导致在气流流动时存在着一定的扰动，使风机高速工作时噪声突出。

3）风机的一级叶轮叶片安装角度为55°，二级叶片安装角度为41°的情况下其风机能够在效率变化变化不大的情况下实现对输出流量的灵活调整，满足井下不同的气流量需求，稳定性高，灵活性好。