不同叶片切割量下机电类风机的工作特性研究

2021-07-28王竹波

机械管理开发 2021年6期

王竹波

（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

目前，在进行通风系统的设计时为了确保紧急情况下对煤矿井下高速供风的要求，对于风机通常选择比实际应用需求大的多的型号，导致在日常运行中风机时常处在低负荷运行的范围，造成了极大的浪费[1]。根据多年的研究，对风机的叶片进行切割是在确保紧急供风量要求的情况下降低风机有效运行功率的必要手段，因此本文在前人研究的基础上，利用FLUENT流体仿真分析软件对风机在不同切割量情况下风机的工作特性进行研究。

1 轴流式通风机仿真分析模型的建立

本文以轴流式通风机为研究对象，利用CREO三维建模软件[2]建立其从风机的扩散筒和集流器、风机区域的全部的三维结构模型，该风机共有29个叶片，其中导叶叶片共15片，动叶的叶片数量为14片，风机风叶的翼形结构为对称薄蝉翼型结构，风机工作时的额定转速为1 130 r/min，各导叶的安装角度为29°，风机的风叶叶片的直径约为1 500 mm。在对风机叶片切割量进行设置时，结合风机结构，选择对风机叶片的切割量为叶片长度的5%、7%、10%情况下的风机工作特性进行研究。由于轴流式通风机的整体结构相对复杂，因此根据风机在运行过程中各个区域的流场特性，对最关键的动叶区域、导叶区域、风机集流器区域及流场扩压区域进行加密式混合网格划分结构[3]，对其他区域采用自动赋值的网格划分方案，最终划分的网格区数量为211万个，风机三维模型如图1所示。

图1 轴流式通风机三维结构模型

2 不同切割量下风机全压和效率的变化曲线

利用FLUENT流体仿真分析软件[4]，对风机叶片不同切割量情况下的工作特性进行分析，其叶片切割量下的全压变化曲线如图2所示。

图2 不同切割量下风机的全压变化情况

由仿真分析结果可知，当对风机叶片进行切割时，风机工作时的全压均会发生下降。当风叶的切割量为5%时，小流量工况（体积流量小于35 m3/s）下风机的全压比切割前降低了约0.06 kPa;当风叶的切割量为7%时，小流量工况下风机的全压比切割前降低了约0.22 kPa;当风叶的切割量为10%时，小流量工况下风机的全压比切割前降低了约0.29 kPa。且当风机工作时的体积流量继续增加时，风机的全压将随着风叶切割量的增加而迅速下降。

其叶片切割量下的效率变化曲线如下页图3所示，由仿真分析结果可知，随着风机工作时的体积流量不断增加，风机运行时的效率均呈现降低的趋势。当在小流量工况下当风机叶片的切割量为5%时，风机运行时的效率约为80.7%，优于此工况下风机优化前79.6%的工作效率;当风机工作时的流量超过37.5%时风机叶片切割前的工作效率开始高于风机叶片的切割量为5%时的运行效率，但两者之间在同流量工况下的差别较小。

图3 不同切割量下风机的效率变化情况

当风机叶片的切割量为7%、10%时，在全流程工况下风机运行时的效率均小于风叶切割前的运行效率，且随着风机流量的增加其效率下降的幅度不断增加。

通过对风机叶片不同切割量下风机运行时工作特性的对比分析可知，当风机的叶片切割量为5%时，风机的全压是低于风机叶片切割前的全压的，且风机流量越大的工况两者之间的差距越大，在小流量工况下时风机的风压差值最大为0.06 kPa，但在小流量工况下风机运行时的效率要高于风机风叶切割前的运行效率。风机多数情况下是处在小流量工况下运行，因此当风叶的切割量设置为5%时，既能够满足风机长期在低流量工况下的运行经济性和稳定性的要求，而且还可以满足改善风机工作时风量裕量较大的不足。

当风机叶片的切割量为7%和10%的情况下不管是风机运行的全压还是效率均要低于风机风叶切割前，因此虽然能够降低风机工作时的裕量，但是无法满足长期运行时的经济性的要求，不适合用于对风机风叶的改造。