改变轴流通风机叶片厚度对其安全作用的影响分析

贾海岗

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

引言

我国工业生产的快速发展离不开能源的支撑，在能源使用过程中，对能量形式的转换是必不可少的步骤。通风机作为主要的叶轮机械是进行能量转换的重要设备。通风机在我国工业、煤矿、港口、电力等行业中具有广泛的应用，通风机在进行能量转换的过程中，往往伴随着一定的能量损失，造成能源的利用率较低[1-2]，并且盲目采用大功率的通风机会造成一定的安全隐患，不利于通风机的稳定可靠运行。

1 不同厚度叶片的设计选取

轴流式通风机作为主要的通风机类型，对其研究的重点主要在叶片的安装角、进出口气流角等，但叶片厚度作为叶片结构的重要参数，对其研究较少。叶片厚度的改变，对气流的转折角具有一定的影响，从而影响叶片的升阻比[3]，使通风机的性能发生改变。

对不同厚度的叶片进行设计，以两级轴流式通风机为基础进行研究，改变叶片的厚度时，不改变叶片的截面参数，从而针对叶片厚度的影响进行分析。叶片的厚度采用NACA 四位数字厚度分布，沿叶片径向的不同翼型位置进行等分，将不同位置的中弧线作切线及发现，得到各位置的倾斜角，将翼型上的坐标点进行连接，即可得到翼型的截面，对叶片的厚度进行选定，选择叶片的相对厚度为6%～24%，四种不同的厚度形式，由此可建立通风机的模型进行模拟分析。

2 不同厚度叶片通风机的性能分析

2.1 通风机仿真分析模型的建立

通风机的计算流体力学CFD 分析，通过数值计算机图像技术的结合，对通风机的流动特性进行深度的分析。由于叶轮叶片结构的复杂性，对试验设备的要求较高，仅靠试验方法不能对叶片厚度的性能影响进行有效的分析，而采用CFD 仿真分析，可以减轻对设备的依赖，并可对通风机的性能有更深入的研究，加快设计分析的周期，节约生产及时间的成本。

采用CFD 数值仿真的形式对不同厚度叶片的通风机性能进行分析，对通风机进行不可压缩的湍流流动进行分析，采用三维时均N-S 方程进行求解，适用于通风机这种内部流动复杂，具有反向压力及分离边界的流场分析。

建立通风机的三维模型，叶轮的直径为600 mm，动叶片数为6，静叶片数为9，采用有限体积法对控制方程进行分析，设定流体为标准空气，不考虑空气的压缩及热传导特性，采用无滑移的边界条件。为了保证分析结果的准确性，在叶轮的计算区域分别增加进口计算区域及出口计算区域，通风机的仿真分析模型分为如图1 所示的4 个计算域。叶轮部分为旋转区域，其余为静止区域，采用混合网格的形式对模型进行网格划分，分别建立4 种不同叶片厚度的通风机模型进行模拟计算，对不同叶片厚度的通风机全压性能及全压效率进行仿真计算。

图1 通风机计算模型的区域划分

2.2 不同叶片厚度的通风机性能仿真分析

对4 种不同厚度的叶片通风机性能进行分析，经过计算统计得到不同叶片厚度下通风机的全压性能及全压效率曲线分别如下页图2、图3 所示，图中45 000 m3/h 为通风机的设计流量。从图中可以看出，在设计的流量点位置，叶片厚度为6%、12%、18%三种厚度的通风机的全压及全压效率相差不大，继续增加叶片厚度至24%时，全压及全压效率均小于上述的三种厚度值；对4 种厚度的全压性能及全压效率曲线进行整体对比，叶片厚度为6%时，当通风机在大流量区域时，全压性能及全压效率均大于其他叶片厚度的通风机，但当通风机在小流量区域时，全压发生较大的减小，发生一定的旋转失速；当叶片厚度为12%及18%时，通风机在小流量区域的全压及全压效率性能较好，在大流量区域时表现不好。在通风机设计流量45 000 m3/h 时，12%叶片厚度的通风机表现较好，叶片厚度增加到24%时，通风机的性能明显发生恶化，全压及全压效率明显表现不好。

图2 不同叶片厚度全压性能曲线

图3 不同叶片厚度全压效率曲线

通过上述的分析可知，在不同的叶片厚度中，随着通风机工作流量区域的变化，在大流量区域，6%叶片厚度的通风机性能最好；在小流量区域，12%叶片厚度的通风机性能最好，在一定的流量范围内，随着叶片厚度的增加，通风机的最高压力有较大的提高，稳定的工作区间也相对增加，但在设计的流量点位置，叶片厚度较小时，通风机的性能最好。

3 结语

通风机是进行能量转换的重要设备，为提高通风机的使用性能及安全性，针对通风机的叶片厚度进行分析。在不改变通风机的叶片截面参数的条件下，采用NACA 4 位数字厚度分布的方法对通风机的叶片厚度进行了4 种不同的选型设计，采用CFD仿真分析的方式对通风机的全压性能及全压效率进行分析。结果显示，在4 种不同的叶片厚度中，当通风机在大流量区域及设计流量位置时，叶片的厚度越小则通风机的性能越好；在小流量区域，中等厚度的通风机具有较好的性能，且随着叶片厚度的增加，通风机的最高压力及稳定区域都有增加的趋势，这有利于提高通风机的稳定性及安全使用。在实际应用过程中，可依据通风机的工作条件，选择适合的通风机叶片厚度，从而提高通风机的性能，提高能量的利用率及使用的安全性。