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不同气流落后角对轴流式通风机安全效率的影响分析

2021-07-28徐志国

机械管理开发 2021年6期
关键词:轴流式全压轴流

徐志国

(晋能控股煤业集团有限公司晋华宫矿,山西 大同 037016)

引言

我国对于煤炭的需求量巨大,在煤炭的开采及使用中,通风机是保证矿井安全及降低环境污染的重要设备,通风机的性能优劣对于煤炭的高效开采及降低污染、提高安全性具有重要的影响[1]。轴流式通风机是进行矿井开采常用的类型,在通风机的设计过程中,不同的参数作用对于其安全性能及通风效率的影响各不相同[2]。为了准确地研究不同参数对性能的影响,结合计算机模拟技术的进步,采用数值仿真分析的方式对气流落后角的影响性能进行分析,从而可以选择更合理的参数,提高轴流式通风机的安全性及通风效率。

1 不同气流落后角参数模型的建立

轴流式通风机在气流进入到风机中,通过动叶片时获得动能,将气流的动能引导转化为静压能,同时改善轴线速度,保持速度的一致性。不同的叶片弦长、进口气流角及气流落后角参数对于轴流式通风机的性能影响不同,从而决定了轴流通风机的安全效率[3]。针对气流落后角对通风机性能的影响,设计选取三种不同的角度,分别为12°、14°及16°,建立三种不同的气流落后角的叶轮模型,其三维模型如图1所示。

图1 不同气流落后角的叶轮模型

采用数值仿真分析的方式对不同气流落后角的通风机性能进行分析,依据三种不同的叶轮模型,采用相同的轴流式通风机参数及结构进行分析。建立轴流通风机的简化模型,对其进行网格划分,采用非结构性的网格保证对叶片结构的贴合度,通风机的进出口部分采用结构化网格,进行轴流式通风机的网格划分[4]。将通风机内部的流场简化为不可压定常流动,以轴流通风机的进气口位置作为计算区域的进口,出气口位置作为计算区域的出口,并设定出口为静压出口,计算的流体采用20℃的空气,由此进行气流落后角的仿真模拟[5]。

2 不同气流落后角对安全效率的影响

三种不同的气流落后角在结构上相差不大,对叶片的形状改变较小,但叶片形状的微小改变对于通风机的性能具有较大的影响,依据模拟结果,对气流落后角的影响进行分析。

2.1 气流落后角对通风机气动性能的影响分析

对不同气流落后角的全压效率仿真结果进行提取后处理,得到如图2所示的全压效率变化曲线。从图2中可以看出,在气流落后角为14°时的全压效率最高,特别是在流量系数为0.3时,全压效率要大幅高于其他两种角度。在流量较小的工况时,三种不同的气流落后角的效率相差不大,且12°时的全压效率要高于16°时的全压效率;在流量变大时,三种角度的全压效率差值逐渐增加,且16°时的全压效率要大于12°时的全压效率。在大流量的工况下,大角度的全压效率要高,仍以14°的全压效率最高,且其最高点的位置逐渐右移,说明大的气流落后角对大流量工况有利。

图2 不同气流落后角的全压效率变化曲线

如图3所示为不同气流落后角时的轴流通风机的全压曲线,从图3中可以看出,在三种不同的气流落后角下,处于全流量的工况时,14°时的全压系数要大于其他两种角度;在流量系数为0.21时,三种气流落后角都达到了最大值,发生了旋转的失速,发生流动的分离;随着流量的增加,三种气流落后角的全压系数都逐渐降低,且以12°时的全压系数降低最大,下降速度最快,以14°时的全压系数最大,16°时的全压系数处于中间位置。

图3 不同气流落后角的全压系数变化曲线

通过上述的分析可知,在全流量的工况下,14°气流落后角时的全压效率及全压系数要大于12°及16°时的两种工况,这是由于落后角的增加,叶片的弯角越大,其做功能力也逐渐增加;当气流落后角过大时,单个叶片的吸力产生气流分离,使得叶轮的增压能力和效率有所下降,降低了风机的流量[6]。由此可知,在轴流通风机的设计过程中,对于气流落后角进行合理取值,能大幅地提高风机的全压效率和全压系数,提高通风机的风量,提高矿井的开采安全及效率。

2.2 气流落后角对叶片静压的影响分析

不同的气流落后角作用于叶片上的静压分布如图4所示,其中左侧为叶片的前端位置,右侧为叶片的尾部位置。从图4中可以看出,在气流落后角为14°时叶片的静压分布梯度较小,且分布较为均匀;在气流落后角为12°、16°时叶片模型的前端位置处出现低压的区域,容易造成二次气流压力的损失,且叶片的上部存在着高压区域,叶片整体的受到的压力作用差值较大,不利于叶片的使用及寿命。

图4 不同气流落后角叶片静压分布

3 结论

在不同的气流落后角取值中,以14°的气流落后角数值最优,此时通风机具有较高的全压效率及全压系数,并且此时作用在叶片的静压力分布均匀,有利于保障叶片的使用及寿命,更好地为矿井的通风提供保证。

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