不同叶片结构的离心通风机性能对比研究

张 璟

（山西焦煤集团临汾宏大矿业有限责任公司， 山西 临汾 041000）

引言

通风机是电力、煤矿、化工等生产领域广泛使用的气体动力设备，离心通风机作为一种主要的设备类型，其在使用过程中存在较大的能量损失，主要包括流动损失、容积损失及机械损失，造成离心通风机的运行效率不高。叶片作为通风机的核心零部件，其对通风机的效率具有重要的影响。提高离心通风机的运行效率[1]，优化改善叶片的结构形式是重要的方法。运行效率的提高，伴随着通风机安全性能的提高，从而可保证通风机使用过程中的安全[2]。

1 通风机叶片结构的优化设计

采用速度分布法及载荷分布法对通风机叶片进行优化设计，这两种方法是针对叶片表面产生的流动损失进行优化。叶片表面的速度或载荷的分布对叶片表面边界层的厚度具有直接的影响，从而影响通风机的性能及安全性[3]。针对某型号的离心通风机，采用速度分布法及载荷分布法对其叶片结构进行优化。

速度分布法是指依据离心通风机叶道内平均速度的变化进行通风机叶片线形结构的设计，叶轮作为通风机的主要部件，其流动损失的大小决定了通风机的性能。叶片表面的速度分布对叶片表面边界层的厚度具有直接的影响[4]，采用三段分函数的形式对叶道内的平均速度进行模拟，从而进行叶片结构的设计。

载荷分布法是指依据离心通风机叶片各点处载荷进行叶片角的计算，从而绘制叶片的线形结构。叶片的载荷分布同样采用三段分函数的形式，叶道的前缘及尾部采用二次函数，中间部分采用三次函数[5]，从而得到叶片的优化结构。通风机原有的叶片结构定为模型A，速度分布法得到的叶片结构为模型B，载荷分布法得到的叶片结构为模型C，三者的中心型线结构如图1 所示，对三种模型的通风机性能进行分析。

图1 三种通风机叶片中心型线结构

2 不同叶片结构通风机性能的分析

2.1 通风机有限元分析模型的建立

采用有限元分析的方式对不同叶片结构的通风机性能进行分析，有限元分析的方法可以方便地应用于具有复杂边界的流体运动，适用于对通风机的流体性能进行分析。首先建立通风机的三维结构模型，不同的叶片结构对应不同的通风机模型。对通风机模型进行网格划分，由于通风机结构的复杂性，采用非结构化的网格形式进行网格划分[6]，由此得到如图2 所示的通风机网格模型。采用非结构化的网格可以采用不规则的网格对局部的模型进行加密处理，对通风机的结构具有更强的空间适用性。

图2 通风机网格模型

本文建立了通风机的有限元模型，针对三种不同的叶片模型对通风机的性能进行有限元分析，分别对三种模型的全压及全压效率进行分析。

2.2 通风机性能的有限元结果分析

对所建立的离心通风机有限元模型进行仿真分析，分别计算三种叶片模型的全压及全压效率随流量系数的变化，并进行统计作图，分别得到如图3、图4所示的全压及全压效率随流量系数的变化曲线。

图3 不同叶片结构通风机全压-流量系数曲线

图4 不同叶片结构通风机全压效率-流量系数曲线

从图3、图4 可以看出，在三种不同的叶片结构中，通风机的全压及全压效率随流量系数的变化曲线一致，在全压-流量系数图中，随着流量系数的增加，三种叶片结构的通风机全压不断减小，在三种叶片结构中，模型B 的全压相对模型A、C 在大流量系数下具有一定的提高，在小流量系数下，三者之间相差不大。在全压-流量系数曲线中，模型B 的叶片结构全压较大，模型C 叶片结构全压与原有模型相差不大。在全压效率-流量系数图中，随着流量系数的增加，三种叶片结构的全压效率均呈现一定的先增加后减小的趋势。在三种叶片结构中，模型B、C的全压效率相对模型A 具有较大的提高，且模型B的全压效率最高。在全压效率-流量系数的曲线中，速度分布法及载荷分布法设计的叶片结构全压效率均大于原有的叶片结构，且速度分布法设计的叶片结构全压效率最大。由此说明，采用速度分布法及载荷分布法对离心通风机的叶片结构进行优化是切实可行的，其可以提高通风机的效率及安全性能，采用速度分布法所设计的叶片结构性能提升最大，是首选的优化设计方法。

3 结语

离心通风机是生产领域常用的通风设备，其运行效率及安全性能对于生产效率的提升具有重要的作用。叶轮作为通风机的重要部件，叶轮叶片的结构对通风机的运行效率及安全性能具有直接的影响。针对离心通风机叶片的现有结构，采用速度分布法及载荷分布法两种方法对叶片的结构进行优化设计，并采用有限元分析的形式对优化后的通风机性能进行仿真分析。对离心通风机的全压及全压效率进行仿真分析，结果显示，通过速度分布法及载荷分布法所设计的叶片结构在额定的功率下，相对原有叶片结构对通风机的全压及全压效率均有一定程度的提升，且全压效率的提升较大。在速度及载荷分布两种不同的方法中，以速度分布法所设计的叶片结构对通风机的效率及性能提升最大，是首选的优化设计方法。通过对叶片结构的优化设计，可以提高通风机的运行效率及安全性能，从而更好地服务于各项生产，提高效率。