基于速度分布法的离心通风机叶片结构优化分析

徐志国

（晋能控股煤业集团有限公司晋华宫矿，山西 大同 037000）

引言

离心通风机是煤矿、核电、化工等行业广泛应用的通风机械设备，可对矿井等进行连续的通风作业，保证矿井的通风安全性。在离心通风机的连续运行过程中会消耗大量的能量，由于存在能量转换的损失，造成一定的能源浪费，不利于节约型低碳社会的发展。叶片是离心通风机进行能量转换的重要零部件，叶片旋转过程中产生的轮盖损失是能量损失的重要组成部分[1]。叶片的结构形式对叶片的轮盖损失具有重要的影响，针对叶片的结构形式，采用速度分布法对叶片的结构进行一定的优化设计，以期降低叶片旋转过程中的能量损失，提高离心通风机的性能[2]。

1 速度分步法对叶片结构的优化设计

以某型号的离心通风机对叶片的结构进行优化设计，通风机的转速为1 450 r/min，叶轮的直径为578 mm，叶轮的出口宽度为133 mm，额定工况下的流量为8 099 m3/h，静压值为632 Pa，静压效率为52.8%。

减小通风机的能量损失取决于对边界层动量的厚度，边界层动量的厚度带下受到通风机叶道内的相对速度的影响[3]。通过控制叶道内的相对速度来控制边界层的动量，从而减小通风机的能量损失，提高通风机的性能，这种方法称为控制速度分布法。假设在离心通风机内部流道内各流线的相对速度分布相同[4]，为平均相对速度，通过控制速度的分布即可控制边界层的动量厚度。叶片典型的速度分布曲线如图1 所示，四种不同的W-m（相对速度-叶轮子午面分量）分布形式中，曲线1 为dW/dm 为常数时的曲线，表示气流的相对速度沿着叶轮的子午线呈均匀分布；曲线3、4 分别表示dW/dm 气流的相对速度沿叶轮子午线逐渐增加、减小分布；曲线2 则表示dW/dm 气流的相对速度沿叶轮子午线先增加后减小分布。研究表明，以曲线2 速度分布的形式获得的动量厚度最小，通风机的性能最佳[5]。从图1 中可以看出，曲线2 的速度分布表现为入口段缓慢减速、中间段快速减速、末尾端缓慢减速的特点。

图1 通风机叶片四种W-m 速度分布曲线

依据图1 中的曲线2 平均相对速度的变化曲线形式，将相对速度的变化转化为叶片的函数方程，起始段和末尾段为二次函数，中间段为三次函数，三段函数直接连接的位置处所对应的速度即为叶片的入口及出口处的相对速度值[6]，减速比为离心通风机的固有值，初始的入口端及出口端的平均速度为已知值，由此即可确定叶片相对速度的函数方程为[7]：

式中：θ2为边界层动量的厚度；u1为外边界层的势流速度；A、n 为对层流边界的流动常数，A=0.46，n=1；v为运动黏度。

通过运动相对速度的函数，对不同的边界层动量厚度进行计算，选取其中通风机的能量损失最小的参数组合，得到四组不同的速度分布的函数曲线如图2所示，其中A、B、C、D 分别表示叶片相对速度为0.386 9、0.391 4、0.394 4、0.396 0 的叶片型线。依据叶片速度的分布曲线对四组叶片的曲线进行绘制，前盘的型线与初始的风机型线一致，依据速度分布曲线进行叶片角的计算，从入口处逐点计算叶片的增加角，得到不同的叶片的型线。

图2 四组不同的叶片型线图

2 不同叶片结构的离心通风机性能分析

2.1 离心通风机性能分析模型的建立

针对优化设计的四种不同的叶片结构，采用计算流体力学分析的方式对通风机的性能进行分析。CFD分析的方法成本较低，且能对流体力学的多种问题进行模拟分析，广泛应用于化工、航天、涡轮设计中，适用于对离心通风机的性能进行分析。

依据四组不同的叶片型线结构进行叶轮及通风机模型的建立，在进行数值模拟时整体的计算模型包括入口的计算域及出口的计算域，其中入口的计算域为通风机直径的5 倍，出口的计算域为通风机直径的6 倍。建立四种不同的叶片离心通风机模型，导入CFD 软件中进行网格划分处理。由于离心通风机自身的结构较为复杂，对入口及出口的计算域采用六面体结构进行网格划分处理，通风机部分采用四面体的非结构化网格进行网格划分处理，由此得到不同叶片结构的通风机网格模型，对网格进行无关性验证，从而对模型进行计算模拟。

系统分析的控制方程静止部分采用三维的RNAS 方程，旋转部分采用MRF 模型，湍流模型选用RNG k-ε 模型，RNG k-ε 模型相对标准的k-ε 模型增加了附加项，使得计算的精度可以得到有效的提高，且改善了在旋涡流方面的计算精度，RNG 模型增加了低雷诺系数的黏性流动，可以改善数值分析中对近壁面区域的处理的正确性。

采用有限体积的方式对控制方程进行离散化处理，进口处设定第一类的边界条件，标准的空气介质以流体垂直方向进入计算域，依据不同的流量给定入口的质量流率，出口处采用1 个大气压的标准压力出口设置，通风机内部的壁面设定为无滑移的光滑壁面，对不同叶片结构的通风机的全压系数及全压效率进行模拟分析。

2.2 不同叶片结构通风机性能结果分析

采用CFD 分析的方式对四种不同的叶片离心通风机全压系数及全压效率性能进行分析，并与原有的叶片通风机模型进行对比，得到通风机的全压系数及全压效率的变化如图3 所示。从图3 中可以看出，在四种不同的叶片优化模型及原有叶片的模型中，全压系数曲线的分布一致，均呈现随流量系数增加逐渐降低的趋势，在大流量的工况下，B 叶片模型的全压系数下降的最多，在额定流量及小流量的工况下，以C叶片模型的全压系数值最大；在全压效率的变化上，四种优化的叶片模型的全压效率在小流量的工况下均相对原有的叶片模型具有较大的提高，但在大流量工况下，全压效率的下降较快，小于原有的叶片模型。在四种优化的模型中，以C 叶片模型的全压效率最高，且在大流量的工况下，C 叶片模型的值也相对较大。由此可以认定在四种叶片的优化结构中，以C 叶片模型的优化效果最好，通风机的性能最佳。

图3 不同叶片模型通风机的性能曲线

3 结语

叶片是离心通风机的关键零件，叶片的结构对通风机运行中的能量损失具有重要的影响，从而影响通风机的使用性能。针对叶片的结构形式，采用控制速度分布的方式对叶片的结构进行一定的优化设计，依据不同速度分布的动量层厚度进行平均相对速度的分布，依据速度的分布曲线函数，确定了能量损失较小的四种叶片的形式，建立相应的叶片结构。采用CFD 仿真分析的方式对四种不同的叶片结构形式的通风机性能与原有的叶片结构进行对比分析，结果表明，在四种不同的叶片优化模型中，以模型C 的通风机效果最佳，在额定工况及小流量工况下全压系数及全压效率上均有一定的提高，在大流量的工况下，全压系数及全压效率有一定的减小。因此，采用速度分步法进行叶片的优化设计适用于对额定工况及小流量工况下的通风机进行优化，从而可以减小通风机的能量损失，并提高通风机的性能。