不同叶片相对厚度对矿用轴流通风机性能的影响研究

2022-03-24王首君

机械管理开发 2022年1期

王首君

（晋能控股煤业集团四台矿风井区，山西大同 037003）

引言

在煤矿开采作业中，通风机成为煤矿井下生产中常用的一种通风机械设备，它可以将井下产生的有害有毒气体顺利排出并引进新鲜的空气。另外，通风机还是一种旋转机械设备，由定子、转子、轴承等主要部件构成，对矿用井下通风起着不可替代的作用。矿用通风机的种类有轴流式、离心式和混流式，本文研究的是轴流式通风机，即是风机在轴向截面上的叶轮流向中形成的气流，沿着与矿用通风机旋转轴平行的方向流动[1]。轴流通风机是由动叶轮、机壳组成，而动叶轮又包含有轮毂、叶轮两部分；机壳是含有静叶和叶轮。因此，风机叶片属于矿用轴流通风机的重要部件，它可借助叶片的旋转气体做功获得能量，并传送出去，因此，对于矿用轴流通风机的性能，就主要取决于风机叶片结构的好坏程度。其中，风机叶片结构就包含有叶片相对厚度、叶顶间隙、叶片安装倾角等，都对矿用轴流通风机的性能产生影响[2]，而本文主要研究的是叶片相对厚度对矿用轴流通风机内部流场、全压效率的影响，进而确定合理的风机叶片相对厚度参数，不仅为矿用轴流风机叶片结构设计提供理论支撑，也可以进一步优化通风机的性能。

1 矿用轴流通风机性能的设计

轴流通风机的工作原理是借助叶轮旋转的方式，将电动机产生的机械能转变为动能、压力能，因此，风机的转速、流体密度会影响矿用轴流风机的性能，有研究表明，当叶片安装角度一定时，轴流通风机的全压、轴功率和全压效率是随流量变化的关系曲线[3]，因此，可通过通风机全压、轴功率、全压效率等，得到矿用轴流通风机的性能曲线。其中，通风机的全压是风机出口截面的全压值减去风机进口截面的全压值后得到的差值；轴功率是叶轮叶片数、叶片旋转的角度及单个叶片的扭矩三者相乘后计算取得；全压效率是风机全压、风机流量的乘积与轴功率的比值[4]。

2 不同叶片相对厚度对轴流通风机性能的分析研究

本文研究的是当叶片相对厚度分别是20%、30%、40%、50%时，而其他叶片各截面的参数相同，并主要以轴向方向位置处12.5%、50%、87.5%，分析四种不同叶片厚度径向截面上的速度分布情形，得到如图1、下页图2、下页图3、下页图4 所示的分布图。

图1 叶片相对厚度为20%时径向截面上的速度（m/s）分布图

图2 叶片相对厚度为30%时径向截面上的速度（m/s）分布图

图3 叶片相对厚度为40%时径向截面上的速度（m/s）分布图

图4 叶片相对厚度为50%时径向截面上的速度（m/s）分布图

从四个图中明显可知，在四个不同叶片相对厚度参数下，矿用轴流通风机在径向截面上的速度分布表现为：整体上沿周向对称，分别存在有6 个主流区域和非主流区域。对于轴向位置是12.5%，紧靠叶轮吸力面的是主流区域，而非主流区域则是位于压力面的周围；对于轴向位置是50%，主流区域是逐渐向叶轮流道顶部扩散，远离了叶轮吸力面，而原先位于压力面周围的非主流区域则出现消失；对于轴向位置是87.5%，主流区域又集中在轮毂和叶轮压力面周围，完全脱离叶轮吸力面，而非主流区域是集中在流道中部，并且向矿用轴流风机壳体逐渐扩散。

从上述图中还可对比看出，对于矿用轴流通风机径向截面上的速度，其随着叶片叶轮相对厚度的增大呈现先增大后减小的变化趋势，对于叶片相对厚度参数是30%时，矿用轴流通风机径向截面上的速度最大值是13.2 m/s；对于叶片相对厚度参数是40%时，矿用轴流通风机径向上的速度最大值是12.3 m/s，出现下降。因此，从径向截面上的速度分布角度来分析，叶片相对厚度参数是30%时，通过叶片叶轮对气体做功，其能量转化效率最高，此时矿用通风机的流动性最优。

在上述研究的基础上，再对矿用轴流通风机的进出口风压、出口总压、风机效率进行分析计算，得到表1 所示的不同叶片相对厚度对比表。

表1 不同叶片相对厚度下矿用轴流通风机运行效率比照

从表1 可以看出，矿用轴流风机出口风速随叶轮相对厚度的增大先增大后减小，在叶轮相对厚度为40%时，矿用轴流通风机出口速度是6.6 m/s，风速最大。此外，还可看出，矿用轴流通风机全压、运行效率都随叶轮相对厚度的增大先增大后减小，在叶轮相对厚度是40%，矿用轴流风机全压是114.8 Pa，运行效率是51.24%，比叶轮相对厚度是30%下的运行效率提高3.05%。因此，从风机全压、运行效率角度分析，叶片叶轮相对厚度是40%时，轴流风机性能最佳。

综合分析可知，对于矿用轴流通风机，其在径向上的速度分布是先增大后减小，在叶片相对厚度是40%时，径向速度出现下降，但是风机全压和运行效率却最高，此时运行效率达51.24%，因此可得出叶片相对厚度是40%，为最优的参数值。