后级叶片安装角对轴流通风机性能的影响研究

张锦荃

（晋能控股煤业集团四老沟矿， 山西 大同 037028）

在煤炭的开采过程中，通风机是必不可少的通风设备，在通风机的多种类型中[1]，对旋式轴流通风机具有风量大、风压高及可进行动态调节等优点，在煤矿的开采中具有广泛的应用。由于轴流通风机的工作环境恶劣，在使用中存在着运行不稳定、风流短路等问题，影响煤矿的安全生产[2]。随着通风机设计技术的不断发展，动叶可调式轴流通风机可进行后级叶片安装角度的调节，从而使通风机满足不同工况的需求，成为煤矿通风的主要设备[3]。针对后级叶片安装角度对轴流通风机性能的影响，采用流体力学仿真分析的形式对其气动性能进行分析，从而选择合理的后级叶片安装角度，为轴流通风机的安全高效运行提高保障[4]。

1 不同后级叶片安装角轴流通风机分析模型的建立

动叶可调式轴流通风机采用结构相同的叶轮进行串联，前后级叶轮均采用动叶角度可调的机械机构，实现对动叶安装角度的调节[5]。机械调整机构具有结构简单、稳定可靠的特点，可实现对叶片安装角度的可靠调节。轴流通风机的后级叶轮直接对外输出做功，后级叶片的安装角度对通风机的性能影响较大[6]。针对后级叶片的安装角度进行模拟分析，叶片的安装角度如图1 所示，翼弦与叶珊额线之间的夹角即为叶片安装角。机械式叶片角度调整机构对叶片安装角度的调节范围一般为±5°[7]，且极限位置受到的作用力较大。针对后级叶片的安装角度进行分析，选定后级叶片的安装角度变化为±3°[8]，依据某型号的轴流通风机为例进行分析，则选定后级叶片的安装角度分别为40°、43°及46°。

图1 轴流通风机叶片安装角示意图

对轴流通风机的性能进行模拟计算，首先依据叶轮的结构进行叶轮模型的建立，叶轮的轮毂直径为900 mm，叶片数目为12，叶轮的直径为2 000 mm，设计转速为560 r/min。对所建立的叶轮模型采用非结构化网格进行网格划分处理[9]，得到叶轮的网格模型如图2 所示，前后级叶轮的结构一致，从而依据轴流通风机的结构进行计算域的设定。

图2 轴流通风机叶轮网格模型

轴流通风机的计算域主要包括风机的进口域、前级叶轮的计算域、内容的计算域、后级叶轮的计算域及风机的出口计算域。为保证流体充分进入通风机，在进口域选择长度为3 倍的叶轮直径，出口域选择长度为6 倍的叶轮直径，从而使流体流出时更加稳定[10]。相邻的计算域之间采用交界面进行连接，前后级叶轮为旋转的计算域，其他的计算域为静止域，建立不同的后级叶片安装角计算模型。对于通风机除叶轮外的计算域，由于其结构较为简单，采用结构化的网格进行网格划分处理[11]，这样可以提高计算的准确性及计算效率。

设定轴流通风机运行过程中的流体介质为不可压缩的黏性气体，采用不可压的雷诺时均N-S 方程进行全三维的定常数值模拟，湍流模型采用SST 模型。在模型分析时，设定进口处的入口压力及流量，出口压力为标准的大气压[12]，温度为室温，内部筒体为无滑移的壁面，采用标准的壁面函数，由此进行轴流通风机性能的分析。

2 不同后级叶片安装角轴流通风机性能的分析

2.1 轴流通风机静压效率的结果分析

对三种不同的后级叶片安装角时轴流通风机的静压效率进行分析，得到静压效率性能曲线如图3 所示。从图3 中可以看出，在不同的后级叶片安装角下，静压效率随流量增加的变化趋势一致，呈先增加后减小的趋势，三种不同的后级叶片安装角的静压效率曲线相互交叉，说明静压效率的变化差别较大；在小流量的工况下，后级叶片安装角为40°时的静压效率最大，说明此时在小流量工况下有利于较小的叶片安装角高效运行。在大流量的工况下，后级叶片安装角为46°时的静压效率最大，说明大流量的工况下有利于较大的叶片安装角高效运行。风机的整体静压效率随着流量的增加呈减小的趋势，但46°后级叶片安装角时效率的下降较慢，40°后级叶片安装角时效率的下降最快，由此说明较大的安装角能够增加轴流通风机高效运行的范围。

图3 轴流通风机静压效率变化曲线

2.2 轴流通风机静压的结果分析

对三种不同的后级叶片安装角时轴流通风机的静压性能进行分析，得到静压性能曲线如图4 所示。从图4 中可以看出，不同的后级叶片安装角度下，静压随流量增加的变化趋势一致，均呈逐步减小的趋势。在三种不同的后级叶片安装角度下，仅在流量较小的工况下，46°后级叶片安装角度时的静压值较小，在流量大于72.5 m3/s 后，46°后级叶片安装角度的静压值均较大。在小流量的工况下，流量小于76 m3/s 时46°后级叶片安装角时的静压值急剧下降，说明此时轴流通风机发生失速现象，不利于通风机的稳定运行。

图4 轴流通风机静压变化曲线

综上可知，在小流量的工况下，安装角较小时轴流通风机的整体性能较好，静压效率及静压均较大，46°后级叶片安装角时存在一定的失速现象。在大流量的工况下，安装角较大时风机的表现更好，静压效率的曲线下降较慢。从整体上看，较大的后级叶片安装角效率的最高点对应的体积流量向大的一侧移动，能够增加轴流通风机的高效率工作范围，有利于轴流通风机多工况下的高效运行。

3 结论

针对后级叶片安装角度对轴流通风机性能的影响，采用流体力学仿真的形式进行建模分析。选定后级叶片的安装角度变化范围为±3°，对轴流通风机建立计算域模型，并对风机的静压效率及静压值进行模拟分析。结果表明，在小流量的工况下，较小的后级叶片安装角有利于风机的高效运行，在大流量的工况下，较大的后级叶片安装角有利于风机的高效运行。由于较大的后级叶片安装角能够在整体上提高轴流通风机高效运行的范围，从而有利于轴流通风机多工况下的高效运行。在进行后级叶片安装角度的调节时，可依据工况条件选择合理的安装角度，提高通风机的运行效率。