不同气流落后角对轴流式通风机安全效率的影响分析

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。