通风机不同叶轮长度对其安全性能的影响研究

崔启文

（晋能控股煤业集团挖金湾煤业有限公司，山西 大同 037042）

引言

通风机是广泛使用的通风设备，在电力、煤矿等行业起到重要的作用。随着各行业发展的需求，对通风机的要求越来越高。通风机要具有较高的容量及效率，且通风机的性能对使用过程中的通风安全性具有直接的影响。在通风机中，叶轮作为核心的部件，其结构形式对通风机的性能具有重要的影响。叶轮在旋转过程中完成能量转换进行空气介质的输送，对叶轮的优化升级形式多样，叶轮叶片的长度直接影响叶轮的性能，从而影响使用过程中的安全性。针对不同长度的叶轮进行分析，从而确定叶轮长度对通风机性能的影响规律，以优化通风机叶轮的结构形式，提高通风机的性能，满足行业的发展使用。

1 通风机有限元分析模型的建立

采用有限元CFD分析软件Fluent对通风机的性能进行分析，Fluent是常用的对流体机械内部流场进行分析的软件。对不同叶片长度的通风机性能进行分析，需首先建立通风机的三维模型。本文以某型号的通风机为模型，建模时按照通风机的真实尺寸进行绘图，计算区域包括通风机集流器及蜗壳的出口[1]。对集流器、叶轮及蜗壳分别进行建模后装配，得到通风机内部三个计算区域，分别为集流器计算域、叶轮计算域及蜗壳计算域[2]。针对不同叶轮叶片的长度，选取叶片的长度分别为通风机的原长度、增加5%及增加10%三种尺寸，分别进行模型的建立。

对建立的通风机模型进行网格划分，Fluent软件中非结构化网格具有较强的适应性，鉴于通风机结构的复杂性，采用分块网格的技术进行网格划分处理。在通风机的关键区域采用非结构化的网格，并相应地增加网格的密度[3]，而非关键区域采用粗略的网格结构以节省计算成本。对通风机的叶轮原长度模型采用非结构化网格划分如图1所示。

图1 叶轮网格划分模型

在分析过程中，设定叶轮的计算边界，以集流器的进口为整个模型的流体进口，蜗壳的出口为自由出口，将通风机的计算模型导入到Fluent软件中，采用简单算法耦合通风机的压力场及速度场。以标准不可压缩的空气为分析介质，不考虑重力对流场的影响作用，设定叶轮的转速为1 450 r/min，对不同叶片长度的通风机性能参数进行分析。

2 通风机不同叶轮长度的性能模拟分析

采用Fluent软件对通风机的模型进行分析，通风机模型包括旋转动边界及静止边界，整个计算域可以划分为定子及转子两个相对的子计算域，旋转叶轮与静止蜗壳之间采用多参考坐标系进行耦合，将通风机的流场简化为在叶轮瞬时的流场进行分析，即可将通风机流场的非稳态求解转化为瞬时的稳态进行求解[4]，从而获得通风机的性能参数。

对不同叶轮长度的通风机全压性能进行分析，针对加长后的叶轮，将叶片沿出口角方向分别进行一定的延长，将通风机的叶轮盘补充完整，以保证分析结果的准确性，对不同流量下的全压性能进行统计得到如图2所示的全压性能变化曲线。从图2中可以看出，对通风机的叶轮叶片进行加长后，通风机的全压性能具有快速的上升，当不改变通风机的节流位置时，则可以提高通风机的流量。当叶轮长度增加5%时，流量可增加5%；当叶轮长度增加10%时，流量可增加9%。

对通风机的轴功率进行分析，将不同流量下的轴功率进行统计得到如下页图3所示的轴功率变化曲线。从图3中可以看出，对通风机的叶轮叶片进行加长后，通风机的轴功率同样具有快速的上升，当叶轮长度增加5%时，轴功率则相应地增加17%；当叶轮长度增加10%时，轴功率则相应地增加31%。

图2 不同叶轮长度通风机全压性能的变化曲线

图3 不同叶轮长度通风机轴功率的变化曲线

对通风机的全压效率进行分析，将不同流量下的全压效率进行统计得到如图4所示的全压效率变化曲线。从图4中可以看出，叶轮叶片的长度增加后通风机的全压效率具有一定的下降，这是因为对叶轮叶片的长度加长后，通风机蜗壳与叶轮之间的间隙减小，使得通风机的效率降低。从图4中可以看出，在通风机的流量较小时，通风机的效率随叶轮长度增加的下降值较大，统计数据显示全压效率下降8%；随着流量的增加，则通风机的全压效率下降的速度逐渐减小，当相对流量值大于80%时，长度增加5%时，全压效率降低4%，长度增加10%时，全压效率降低5%。对比图中的曲线可以看出，叶轮叶片的长度增加后，两条曲线的全压效率值基本一致，只有在相对流量较大时，叶轮叶片增加10%的全压效率值降低，但下降幅度不大。由此说明，在实际的应用过程中，将通风机的叶轮叶片进行加长可以提高通风机的出风力，保证行业的使用安全，同时，需要注意的是，对叶轮叶片的加长处理会导致效率的降低，这种加长改造要尽量一次到位，避免多次加长导致通风机的效率明显降低。

图4 不同叶轮长度通风机全压效率的变化曲线

3 结论

通风机是各行业广泛应用的重要通风设备，其性能对行业的安全通风应用具有直接的影响，随着行业技术的发展及效率的提高，对通风机的要求逐渐提高。叶轮叶片作为通风机能量转换的核心部件，对其长度进行加长改造处理以期提高通风机的性能。对叶轮叶片分别加长5%及10%，对加长后的通风机性能采用有限元模拟仿真的形式进行分析。结果显示，对叶轮叶片进行加长后，通风机的全压性能及轴功率具有较大的提高，全压效率具有一定的下降，但下降幅度不大。由此说明，在实际的行业应用中，可对叶轮叶片进行一定的加长处理以提高通风机的出风力，从而保证行业的应用安全，同时应避免过度改造造成通风机的效率降低，造成能量的浪费。