不同叶片结构对离心通风机性能的影响研究

姜建国

（大同煤矿集团北辛窑煤业有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

离心通风机是广泛应用在煤矿、化工、核电等行业的通用机械，可对工作区域进行通风，保证作业的安全。离心通风机的耗电量大，在使用过程中存在着一定的能量损失。随着节能环保的发展理念不断深化，对离心通风机进行节能优化可以产生较好的社会效益及经济效益。离心通风机的能量损失中最主要的是流动损失，由于通风过程中气体的黏性，造成气体流动过程中与叶片粘连，造成一定的损失。针对这一问题，采用载荷分布控制的方式对不同的叶片结构进行设计，分析不同叶片结构通风机的性能，从而提高离心通风机的能量转化率，降低能量损失。

1 离心通风机不同叶片结构的设计

叶片叶轮是离心通风机的主要部件，以某型号的离心通风机为例，对其叶片结构进行设计分析。在通风机叶片的前端一般带有加强块，用于支撑叶片的刚度，对叶片的线型结构进行分析，在设计过程中去掉叶片的加强块，仅对线型进行分析。

在离心通风机工作的过程中，叶片压力面及吸力面之间的压力差称为叶片的载荷，叶片的载荷分布不同，离心通风机产生的性能具有较大的差距。采用载荷分布控制的方式即通过改变叶片的线型来控制叶片的载荷分布，从而得到高性能的离心通风机。依据载荷分布控制的方法，通过设定相应的载荷系数来得到载荷分布，从而可以得到不同的叶片形式。

依据离心通风机平均相对速度的函数研究，设定叶片的加载方式为前加载，即叶片的前部位置承受的载荷最大，最大载荷的位置为叶片长度的1/4 处[1]，取最大载荷系数分别为0.9、0.8、0.7、0.6，分别设定为模型A、B、C、D，由此可得到不同的叶片结构的载荷分布函数如图1 所示，其中，横坐标表示叶片的长度，纵坐标为无量纲的叶片载荷大小。

图1 不同叶片结构的载荷分布曲线

通过四种不同的叶片结构的载荷分布曲线，依据叶片的动量矩进行计算，可以得到叶片角与相应的载荷之间的关系，从而可得到四种不同的叶片结构形式如图2 所示，四种叶片的出口角不同。

图2 四种不同的叶片结构形式

2 离心通风机不同叶片结构的性能分析

2.1 模型的建立

对所设计的四种不同的叶片结构形式，采用流体力学分析的形式进行性能分析，CFD 分析的成本较低，且具有搭建简便易拓展的优点，成为离心通风机设计广泛使用的分析方式。CFD 分析将求解的区域离散为不同的微小区域[2]，通过设定相应的初始条件进行各物理量的求解。

依据所设计的叶片模型，建立离心通风机的模型，叶轮的直径为700 mm，叶片数为16 个，风机的转速为1 600 r/min，对风机进行数值模拟，对通风机的进出口区域进行一定的延长。对所建立的模型进行网格划分处理，在通风机的入口及出口区域采用六面体结构的网格，其余的位置采用四面体的非结构化网格，更加适用于风机复杂结构的网格划分，得到同等级的网格划分模型。

采用有限体积法对离心通风机进行离散化处理，采用Simple 算法求解离散方程，设定进口处流体垂直进入计算域中，出口处采用标准的大气压，风机内部的所有固体面为无滑移的光滑壁面。流体流动过程中的湍流模型采用RNG 模型[3]，可以提高计算的精度，并考虑了湍流旋涡的影响，采用属于高雷诺函数的模型，可有效改善近壁面的流体区域，可以更好地分析高应变率及流线弯曲较大的流动状态，提高分析结果的准确性。通过模型的建立，可对原始模型及所设计的四种不同的叶片结构进行全压系数及全压效率的分析。

2.2 性能分析

对离心通风机原始叶片及四种不同结构的叶片分别进行全压系数及全压效率的仿真模拟，对所得到的结果进行统计，得到如图3、图4 所示的曲线分布。从图3 中可以看出，在四种不同的叶片结构中，模型A、B 的全压系数要比原始的模型高，模型C 的全压系数与原始模型相差不大，模型D 的全压系数相对较小，比原始模型的低。从图4 中可以看出，四种不同叶片结构的全压效率均大于原始模型，在额定工况时（小流量工况），模型C 的全压效率最高，但随着流量的增加，在大流量的工况下，模型A、B 的效率要高于模型C、D。这是由于在中部载荷分布影响时，模型A、B 的出口角大，在大流量工况下的全压系数及全压效率要高，离心通风机在额定的小流量工况下的性能最为重要，因此，模型C 的叶片结构离心通风机的性能最佳，可作为叶片结构优化的参数，提高通风机的性能。

图3 不同叶片结构的全压系数曲线

图4 不同叶片结构的全压效率曲线

3 结论

依据离心通风机的相对速度曲线，设置不同位置的载荷变化，得到四组相应的载荷分布函数，从而确定了四种不同的叶片结构。采用CFD 模拟分析的方式，对不同结构形式叶片模型进行数值分析可知，通过载荷分布所得到的叶片结构均可提高通风机的性能，其中以模型C，即中部载荷比为0.7 时的性能最佳，在额定工况及小流量工况时表现较好，可提高通风机的能量利用率，减轻能量的损失，满足节能降耗的使用要求。