軸流式通風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)特征對通風(fēng)性能的影響研究

班耀武

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)翼城東溝煤業(yè)有限公司， 山西 翼城 043500）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為“礦井肺腑”其主要用于將新鮮的空氣傳入井下巷道內(nèi)，確保井下的空氣流動(dòng)，排出井下的有害氣體，其工作時(shí)的通風(fēng)特性直接關(guān)系到煤礦的經(jīng)濟(jì)效益和井下的通風(fēng)安全。軸流式通風(fēng)機(jī)是一種被廣泛應(yīng)用在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中的設(shè)備，其一級導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)特性對風(fēng)機(jī)工作時(shí)的通風(fēng)特性有直接的影響，多數(shù)學(xué)者對軸流式風(fēng)機(jī)工作性能的影響主要集中在葉片結(jié)構(gòu)等方面，對導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)特性對風(fēng)機(jī)通風(fēng)特性影響的研究較少，因此本文對此進(jìn)行了專門的研究，為優(yōu)化軸流式通風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)、提升其工作效率、降低電能消耗等奠定基礎(chǔ)。

1 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)形式對通風(fēng)特性的影響

軸流式通風(fēng)機(jī)的一級導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)形式主要包括單一常葉片結(jié)構(gòu)及長短復(fù)合式葉片結(jié)構(gòu)，其不同結(jié)構(gòu)形式下風(fēng)機(jī)工作特性曲線如圖1 所示。

圖1 不同導(dǎo)葉形式對通風(fēng)特性的影響研究

由圖1 可知，當(dāng)軸流式通風(fēng)機(jī)采用長短復(fù)合式導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)時(shí)，其工作時(shí)的全壓和工作效率要顯著地優(yōu)于單一長葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)。特別是當(dāng)風(fēng)機(jī)在小流量工況下工作時(shí)，復(fù)合葉片風(fēng)機(jī)的性能要遠(yuǎn)優(yōu)于單一長葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)，在兩級動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)額定運(yùn)行工況下（即風(fēng)機(jī)的流量為82.3 m3/s）復(fù)合葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)在出風(fēng)口位置的總壓比單一長葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)增加了約75.12 Pa，運(yùn)行效率提升了約71%，由此可知在軸流式風(fēng)機(jī)中，采用長短復(fù)合式葉片結(jié)構(gòu)時(shí)風(fēng)機(jī)的工作特性顯著優(yōu)于單一長葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)。

熵產(chǎn)率是衡量軸流式通風(fēng)機(jī)工作效率的核心參數(shù)，其主要是表述了風(fēng)機(jī)工作時(shí)的不可逆轉(zhuǎn)的能量損失。風(fēng)機(jī)的熵產(chǎn)率主要包括黏性耗散熵產(chǎn)率SVD以及湍流耗散熵產(chǎn)率STD，其分別可表示為：

總熵產(chǎn)率為：

式中：V為氣體體積，m3；μ 為氣體的流體動(dòng)力黏度，kg/（m·s）；εij為氣體平流場的變形率張量；ε'ij為氣體脈動(dòng)流場的變形率張量平均值；T為溫度，K。

利用Kock 計(jì)算模型對風(fēng)機(jī)工作時(shí)的單位體積熵產(chǎn)率分布進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如下頁圖2 所示。

由仿真分析結(jié)果可知，風(fēng)機(jī)在導(dǎo)葉進(jìn)口位置吸力面上的熵產(chǎn)率較大，這主要是由于當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，其氣流在葉片進(jìn)口處的排擠和沖擊造成的，同時(shí)在葉片尾部邊緣的位置由于氣流尾旋渦流的作用使改成的熵產(chǎn)率也同步增加。當(dāng)風(fēng)機(jī)采用單一長葉片時(shí)其熵產(chǎn)率的分布范圍為50～1 050 W/（m3·K），而采用長短復(fù)合葉片時(shí)其熵產(chǎn)率的分布范圍為30～240 W/（m3·K），因此復(fù)合葉片形式下風(fēng)機(jī)工作時(shí)的熵產(chǎn)率要遠(yuǎn)小于單一長葉片結(jié)構(gòu)的熵產(chǎn)率，同時(shí)單一長葉片導(dǎo)葉形式的葉片工作時(shí)產(chǎn)生的尾流對風(fēng)機(jī)的二級動(dòng)葉片工作性能影響較大，極易產(chǎn)生渦流噪聲，因此采用長短復(fù)合葉片的導(dǎo)葉形式對提升風(fēng)機(jī)工作效率和穩(wěn)定性具有顯著的作用。

圖2 不同葉片結(jié)構(gòu)下風(fēng)機(jī)的熵產(chǎn)率分布

2 導(dǎo)葉片周向位置對通風(fēng)性能的影響

根據(jù)以上分析，本文以長短復(fù)合葉片導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)為對象，對短葉片相對于長葉片的吸力面處在不同的周向位置時(shí)的通風(fēng)特性進(jìn)行研究，分別對d=t/8、d=t/4、d=t/2、d=3t/4、d=7t/8（式中：d為短葉片相對于長葉片吸力面位置的周向長度，mm；t為風(fēng)機(jī)內(nèi)兩個(gè)長葉片支架的格柵距離，mm）情況下的風(fēng)機(jī)工作特性進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)的短葉片距離長葉片的軸向距離由d=t/8 逐漸增加為d=t/2 后，風(fēng)機(jī)工作時(shí)的效率和全壓均顯著增加，當(dāng)風(fēng)機(jī)的短葉片距離長葉片的軸向距離由d=7t/8 逐漸增加為d=t/2 后，風(fēng)機(jī)工作時(shí)的壓力面慢慢地向中間格柵位置靠近，風(fēng)機(jī)的通風(fēng)特性也逐漸增加，因此可知當(dāng)風(fēng)機(jī)短葉片到長葉片的周向距離為d=t/2 時(shí)風(fēng)機(jī)的全壓和效率均衡性最好，風(fēng)機(jī)具有最優(yōu)的工作性能。

3 導(dǎo)葉片長度對風(fēng)機(jī)性能的影響

不同導(dǎo)葉片長度情況下風(fēng)機(jī)工作時(shí)的全壓和效率分布曲線如圖4 所示，不同葉片長度情況下風(fēng)機(jī)各個(gè)區(qū)域的總的熵產(chǎn)率S和湍流耗散熵產(chǎn)率STD的變化如圖5 所示。

圖3 不同軸向距離情況下風(fēng)機(jī)的工作特性曲線

圖4 不同葉片長度下風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和效率變化曲線

圖5 不同葉片長度下風(fēng)機(jī)總熵產(chǎn)率和湍流耗散熵產(chǎn)率變化曲線

由分析結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)葉的長度為320 mm 的情況下風(fēng)機(jī)工作時(shí)的效率和全壓均處在最佳的狀態(tài)，其他情況下風(fēng)機(jī)工作時(shí)的效率和全壓的變化曲線均低于導(dǎo)葉片長度為320 mm 時(shí)的工作狀態(tài)，同時(shí)風(fēng)機(jī)工作時(shí)葉片長度對風(fēng)機(jī)效率的影響要大于對風(fēng)機(jī)工作時(shí)風(fēng)壓的影響。

由圖5 可知，葉片長度對風(fēng)機(jī)熵產(chǎn)率的影響主要體現(xiàn)在第二級的葉輪支護(hù)，其氣體流動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定性越高，風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定的幅度就越大。在風(fēng)機(jī)的二級葉輪之前不同長度葉片對風(fēng)機(jī)總熵產(chǎn)率的影響基本不大，當(dāng)過了第二級的葉輪支護(hù)，葉片長度為320 mm 情況下風(fēng)機(jī)工作時(shí)的總熵產(chǎn)率就顯著低于其他情況下風(fēng)機(jī)的總熵產(chǎn)率。

綜上分析可知，通風(fēng)機(jī)的導(dǎo)向葉片的長度為320 mm 的情況下風(fēng)機(jī)具有最佳的工作性能。

4 結(jié)論

1）當(dāng)軸流式通風(fēng)機(jī)采用長短復(fù)合式導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)時(shí)，其工作時(shí)的全壓和工作效率要顯著地優(yōu)于單一長葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)；

2）當(dāng)風(fēng)機(jī)短葉片到長葉片的周向距離為d=t/2時(shí)風(fēng)機(jī)的全壓和效率均衡性最好，風(fēng)機(jī)具有最優(yōu)的工作性能；

3）通風(fēng)機(jī)的導(dǎo)向葉片的長度為320 mm 的情況下風(fēng)機(jī)具有最佳的工作性能。