不同葉片結(jié)構(gòu)的離心通風(fēng)機(jī)性能對(duì)比研究

張 璟

（山西焦煤集團(tuán)臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 041000）

引言

通風(fēng)機(jī)是電力、煤礦、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛使用的氣體動(dòng)力設(shè)備，離心通風(fēng)機(jī)作為一種主要的設(shè)備類型，其在使用過程中存在較大的能量損失，主要包括流動(dòng)損失、容積損失及機(jī)械損失，造成離心通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率不高。葉片作為通風(fēng)機(jī)的核心零部件，其對(duì)通風(fēng)機(jī)的效率具有重要的影響。提高離心通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率[1]，優(yōu)化改善葉片的結(jié)構(gòu)形式是重要的方法。運(yùn)行效率的提高，伴隨著通風(fēng)機(jī)安全性能的提高，從而可保證通風(fēng)機(jī)使用過程中的安全[2]。

1 通風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用速度分布法及載荷分布法對(duì)通風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這兩種方法是針對(duì)葉片表面產(chǎn)生的流動(dòng)損失進(jìn)行優(yōu)化。葉片表面的速度或載荷的分布對(duì)葉片表面邊界層的厚度具有直接的影響，從而影響通風(fēng)機(jī)的性能及安全性[3]。針對(duì)某型號(hào)的離心通風(fēng)機(jī)，采用速度分布法及載荷分布法對(duì)其葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

速度分布法是指依據(jù)離心通風(fēng)機(jī)葉道內(nèi)平均速度的變化進(jìn)行通風(fēng)機(jī)葉片線形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，葉輪作為通風(fēng)機(jī)的主要部件，其流動(dòng)損失的大小決定了通風(fēng)機(jī)的性能。葉片表面的速度分布對(duì)葉片表面邊界層的厚度具有直接的影響[4]，采用三段分函數(shù)的形式對(duì)葉道內(nèi)的平均速度進(jìn)行模擬，從而進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

載荷分布法是指依據(jù)離心通風(fēng)機(jī)葉片各點(diǎn)處載荷進(jìn)行葉片角的計(jì)算，從而繪制葉片的線形結(jié)構(gòu)。葉片的載荷分布同樣采用三段分函數(shù)的形式，葉道的前緣及尾部采用二次函數(shù)，中間部分采用三次函數(shù)[5]，從而得到葉片的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。通風(fēng)機(jī)原有的葉片結(jié)構(gòu)定為模型A，速度分布法得到的葉片結(jié)構(gòu)為模型B，載荷分布法得到的葉片結(jié)構(gòu)為模型C，三者的中心型線結(jié)構(gòu)如圖1 所示，對(duì)三種模型的通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析。

圖1 三種通風(fēng)機(jī)葉片中心型線結(jié)構(gòu)

2 不同葉片結(jié)構(gòu)通風(fēng)機(jī)性能的分析

2.1 通風(fēng)機(jī)有限元分析模型的建立

采用有限元分析的方式對(duì)不同葉片結(jié)構(gòu)的通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析，有限元分析的方法可以方便地應(yīng)用于具有復(fù)雜邊界的流體運(yùn)動(dòng)，適用于對(duì)通風(fēng)機(jī)的流體性能進(jìn)行分析。首先建立通風(fēng)機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型，不同的葉片結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的通風(fēng)機(jī)模型。對(duì)通風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6]，由此得到如圖2 所示的通風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型。采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格可以采用不規(guī)則的網(wǎng)格對(duì)局部的模型進(jìn)行加密處理，對(duì)通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的空間適用性。

圖2 通風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型

本文建立了通風(fēng)機(jī)的有限元模型，針對(duì)三種不同的葉片模型對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行有限元分析，分別對(duì)三種模型的全壓及全壓效率進(jìn)行分析。

2.2 通風(fēng)機(jī)性能的有限元結(jié)果分析

對(duì)所建立的離心通風(fēng)機(jī)有限元模型進(jìn)行仿真分析，分別計(jì)算三種葉片模型的全壓及全壓效率隨流量系數(shù)的變化，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)作圖，分別得到如圖3、圖4所示的全壓及全壓效率隨流量系數(shù)的變化曲線。

圖3 不同葉片結(jié)構(gòu)通風(fēng)機(jī)全壓-流量系數(shù)曲線

圖4 不同葉片結(jié)構(gòu)通風(fēng)機(jī)全壓效率-流量系數(shù)曲線

從圖3、圖4 可以看出，在三種不同的葉片結(jié)構(gòu)中，通風(fēng)機(jī)的全壓及全壓效率隨流量系數(shù)的變化曲線一致，在全壓-流量系數(shù)圖中，隨著流量系數(shù)的增加，三種葉片結(jié)構(gòu)的通風(fēng)機(jī)全壓不斷減小，在三種葉片結(jié)構(gòu)中，模型B 的全壓相對(duì)模型A、C 在大流量系數(shù)下具有一定的提高，在小流量系數(shù)下，三者之間相差不大。在全壓-流量系數(shù)曲線中，模型B 的葉片結(jié)構(gòu)全壓較大，模型C 葉片結(jié)構(gòu)全壓與原有模型相差不大。在全壓效率-流量系數(shù)圖中，隨著流量系數(shù)的增加，三種葉片結(jié)構(gòu)的全壓效率均呈現(xiàn)一定的先增加后減小的趨勢(shì)。在三種葉片結(jié)構(gòu)中，模型B、C的全壓效率相對(duì)模型A 具有較大的提高，且模型B的全壓效率最高。在全壓效率-流量系數(shù)的曲線中，速度分布法及載荷分布法設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)全壓效率均大于原有的葉片結(jié)構(gòu)，且速度分布法設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)全壓效率最大。由此說明，采用速度分布法及載荷分布法對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是切實(shí)可行的，其可以提高通風(fēng)機(jī)的效率及安全性能，采用速度分布法所設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)性能提升最大，是首選的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

3 結(jié)語

離心通風(fēng)機(jī)是生產(chǎn)領(lǐng)域常用的通風(fēng)設(shè)備，其運(yùn)行效率及安全性能對(duì)于生產(chǎn)效率的提升具有重要的作用。葉輪作為通風(fēng)機(jī)的重要部件，葉輪葉片的結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率及安全性能具有直接的影響。針對(duì)離心通風(fēng)機(jī)葉片的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，采用速度分布法及載荷分布法兩種方法對(duì)葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用有限元分析的形式對(duì)優(yōu)化后的通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行仿真分析。對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的全壓及全壓效率進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示，通過速度分布法及載荷分布法所設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)在額定的功率下，相對(duì)原有葉片結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)機(jī)的全壓及全壓效率均有一定程度的提升，且全壓效率的提升較大。在速度及載荷分布兩種不同的方法中，以速度分布法所設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)機(jī)的效率及性能提升最大，是首選的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率及安全性能，從而更好地服務(wù)于各項(xiàng)生產(chǎn)，提高效率。