增加分流叶片对提高离心通风机安全性能的分析

2021-07-28张毅会

机械管理开发 2021年6期

张毅会

（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司，山西晋城 048400）

引言

在煤炭的开采及使用过程中，离心通风机作为常用的通风设备，为煤矿井下开采的通风提供重要的安全保障。提高离心通风机的效率，不仅可以增强煤矿通风安全能力，而且可以节约自身的能耗，提高整体的能源效率。静压、全压效率及出口径向速度是决定离心通风机性能的重要指标，依据离心通风机的原理及能量损失，设计采用分流叶片的结构，从而提高通风机的性能，提高煤矿的开采效率及安全保障。

1 离心通风机分析模型的建立

离心通风机的能量损失主要由叶片的分离涡造成，通过在两个叶片的吸力面及压力面之间增加分流叶片结构可改善能量的损失。设置主叶片与分流叶片的夹角为30°，分流叶片的型线与主叶片相同，如图1所示[1]。R0为进出口的半径差值，R1为分流叶片的径向投影长度，依据分流叶片的不同，设置不同的分流叶片R1/R0的比值分别为0.25、0.375、0.5及0.675，以此研究分流叶片对离心通风机的性能作用。

图1 分流叶片的安装角度示意图

计算流体动力学（CFD）通过有限元离散分析的形式，研究流场内的物理变化，从而确定流场的变化规律。ANSYS CFX是被广泛使用的CFD分析软件，包含多种流体介质模型，采用有限提及的方法对流场进行分析，保证仿真分析的准确性。采用ANSYS CFX软件对离心通风机的性能进行分析，需建立离心通风机的三维模型。依据离心通风机的结构尺寸建立三维模型，对叶轮区域进行网格划分，将进口及出口区域的网格控制进行加密处理，分别建立原始的叶片及不同分流叶片的结构模型，从而进行离心通风机的性能的分析。在数值分析中，设定流体介质为25℃的空气，通风机的内壁采用无滑移条件设置，进出口连通大气，入口处设置静压监测，对离心通风机的通风性能进行仿真处理[2]。

2 增加分流叶片后离心通风机性能的分析

2.1 效率

针对建立的模型，选取五种不同的流量系数分别进行仿真处理，得到分流叶片及原始叶片的静压效率及全压效率曲线分别如下页图2、图3所示。从图2、图3中可以看出，离心通风机增加分流叶片后，在流量系数较低时，其静压效率及全压效率随着分流叶片长度的增加而逐渐上升，当R1/R0=0.5时，叶片的静压效率及全压效率增加最大，相对原始叶片的静压效率增加7%，全压效率增加5%。随着流量系数的增加，采用分流叶片结构的静压效率及全压效率均有一定程度的增加，同时可以看到，当流量系数增加到高流量系数区域时，则分流叶片的静压效率下降，相对原始叶片结构，效率提升有限，在R1/R0=0.675时静压效率及全压效率则相对原始叶片结构有较大的幅值下降，此时分流叶片结构对于静压效率及全压效率不再起作用[3]，在对分流叶片的设计及分析过程中不再对此种形式进行讨论。

图2 分流叶片及原始叶片静压效率变化曲线

图3 分流叶片及原始叶片全压效率变化曲线

2.2 出口径向速度

离心通风机出口处的径向速度是提升通风机安全性能的重要参数，增加分流叶片对于离心通风机的效率具有一定的提升作用，在此基础上，对离心通风机的出口径向速度进行分析。在额定流量系数工况下[4]，对分流叶片及原始叶片离心通风机的出口径向速度进行仿真统计得到如下页图4所示的径向速度变化曲线。从图4中可以看出，在额定流量系数下，分流叶片离心通风机的径向流动速度分布均匀，出口处的径向速度波动较小，在数值上，分流叶片的径向速度要大于原始叶片结构的径向速度。在三种不同的长度系数分流叶片结构中，三者之间的速度值相差不大，均要大于原始叶片结构的径向速度。在额定的流量系数工况下，二次流等复杂流动对主气流的影响较小，没有明显的径向回流现象，对于径向速度的提升作用明显。

图4 分流叶片及原始叶片出口径向速度变化曲线

对不同长度系数的分流叶片及原始叶片结构进行分析可知，采用分流叶片对离心通风机内部流场具有明显的改善作用。分流叶片能够改善主叶片分离涡的产生与分离，在低流量系数与额定流量系数下，分流叶片能够削弱二次流等复杂流动的影响作用，提升离心通风机的静压效率及全压效率。在不同长度系数的分流叶片中，对于出口处的径向速度均有一定程度的提升作用，对于提高通风机的性能具有较好的效果。