不同葉片結(jié)構(gòu)對(duì)離心通風(fēng)機(jī)性能的影響研究

姜建國(guó)

（大同煤礦集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

離心通風(fēng)機(jī)是廣泛應(yīng)用在煤礦、化工、核電等行業(yè)的通用機(jī)械，可對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)，保證作業(yè)的安全。離心通風(fēng)機(jī)的耗電量大，在使用過程中存在著一定的能量損失。隨著節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念不斷深化，對(duì)離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化可以產(chǎn)生較好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。離心通風(fēng)機(jī)的能量損失中最主要的是流動(dòng)損失，由于通風(fēng)過程中氣體的黏性，造成氣體流動(dòng)過程中與葉片粘連，造成一定的損失。針對(duì)這一問題，采用載荷分布控制的方式對(duì)不同的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析不同葉片結(jié)構(gòu)通風(fēng)機(jī)的性能，從而提高離心通風(fēng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化率，降低能量損失。

1 離心通風(fēng)機(jī)不同葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

葉片葉輪是離心通風(fēng)機(jī)的主要部件，以某型號(hào)的離心通風(fēng)機(jī)為例，對(duì)其葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。在通風(fēng)機(jī)葉片的前端一般帶有加強(qiáng)塊，用于支撐葉片的剛度，對(duì)葉片的線型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)過程中去掉葉片的加強(qiáng)塊，僅對(duì)線型進(jìn)行分析。

在離心通風(fēng)機(jī)工作的過程中，葉片壓力面及吸力面之間的壓力差稱為葉片的載荷，葉片的載荷分布不同，離心通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的性能具有較大的差距。采用載荷分布控制的方式即通過改變?nèi)~片的線型來控制葉片的載荷分布，從而得到高性能的離心通風(fēng)機(jī)。依據(jù)載荷分布控制的方法，通過設(shè)定相應(yīng)的載荷系數(shù)來得到載荷分布，從而可以得到不同的葉片形式。

依據(jù)離心通風(fēng)機(jī)平均相對(duì)速度的函數(shù)研究，設(shè)定葉片的加載方式為前加載，即葉片的前部位置承受的載荷最大，最大載荷的位置為葉片長(zhǎng)度的1/4 處[1]，取最大載荷系數(shù)分別為0.9、0.8、0.7、0.6，分別設(shè)定為模型A、B、C、D，由此可得到不同的葉片結(jié)構(gòu)的載荷分布函數(shù)如圖1 所示，其中，橫坐標(biāo)表示葉片的長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為無量綱的葉片載荷大小。

圖1 不同葉片結(jié)構(gòu)的載荷分布曲線

通過四種不同的葉片結(jié)構(gòu)的載荷分布曲線，依據(jù)葉片的動(dòng)量矩進(jìn)行計(jì)算，可以得到葉片角與相應(yīng)的載荷之間的關(guān)系，從而可得到四種不同的葉片結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示，四種葉片的出口角不同。

圖2 四種不同的葉片結(jié)構(gòu)形式

2 離心通風(fēng)機(jī)不同葉片結(jié)構(gòu)的性能分析

2.1 模型的建立

對(duì)所設(shè)計(jì)的四種不同的葉片結(jié)構(gòu)形式，采用流體力學(xué)分析的形式進(jìn)行性能分析，CFD 分析的成本較低，且具有搭建簡(jiǎn)便易拓展的優(yōu)點(diǎn)，成為離心通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)廣泛使用的分析方式。CFD 分析將求解的區(qū)域離散為不同的微小區(qū)域[2]，通過設(shè)定相應(yīng)的初始條件進(jìn)行各物理量的求解。

依據(jù)所設(shè)計(jì)的葉片模型，建立離心通風(fēng)機(jī)的模型，葉輪的直徑為700 mm，葉片數(shù)為16 個(gè)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)通風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口區(qū)域進(jìn)行一定的延長(zhǎng)。對(duì)所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，在通風(fēng)機(jī)的入口及出口區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，其余的位置采用四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，更加適用于風(fēng)機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分，得到同等級(jí)的網(wǎng)格劃分模型。

采用有限體積法對(duì)離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行離散化處理，采用Simple 算法求解離散方程，設(shè)定進(jìn)口處流體垂直進(jìn)入計(jì)算域中，出口處采用標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓，風(fēng)機(jī)內(nèi)部的所有固體面為無滑移的光滑壁面。流體流動(dòng)過程中的湍流模型采用RNG 模型[3]，可以提高計(jì)算的精度，并考慮了湍流旋渦的影響，采用屬于高雷諾函數(shù)的模型，可有效改善近壁面的流體區(qū)域，可以更好地分析高應(yīng)變率及流線彎曲較大的流動(dòng)狀態(tài)，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過模型的建立，可對(duì)原始模型及所設(shè)計(jì)的四種不同的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行全壓系數(shù)及全壓效率的分析。

2.2 性能分析

對(duì)離心通風(fēng)機(jī)原始葉片及四種不同結(jié)構(gòu)的葉片分別進(jìn)行全壓系數(shù)及全壓效率的仿真模擬，對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如圖3、圖4 所示的曲線分布。從圖3 中可以看出，在四種不同的葉片結(jié)構(gòu)中，模型A、B 的全壓系數(shù)要比原始的模型高，模型C 的全壓系數(shù)與原始模型相差不大，模型D 的全壓系數(shù)相對(duì)較小，比原始模型的低。從圖4 中可以看出，四種不同葉片結(jié)構(gòu)的全壓效率均大于原始模型，在額定工況時(shí)（小流量工況），模型C 的全壓效率最高，但隨著流量的增加，在大流量的工況下，模型A、B 的效率要高于模型C、D。這是由于在中部載荷分布影響時(shí)，模型A、B 的出口角大，在大流量工況下的全壓系數(shù)及全壓效率要高，離心通風(fēng)機(jī)在額定的小流量工況下的性能最為重要，因此，模型C 的葉片結(jié)構(gòu)離心通風(fēng)機(jī)的性能最佳，可作為葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參數(shù)，提高通風(fēng)機(jī)的性能。

圖3 不同葉片結(jié)構(gòu)的全壓系數(shù)曲線

圖4 不同葉片結(jié)構(gòu)的全壓效率曲線

3 結(jié)論

依據(jù)離心通風(fēng)機(jī)的相對(duì)速度曲線，設(shè)置不同位置的載荷變化，得到四組相應(yīng)的載荷分布函數(shù)，從而確定了四種不同的葉片結(jié)構(gòu)。采用CFD 模擬分析的方式，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式葉片模型進(jìn)行數(shù)值分析可知，通過載荷分布所得到的葉片結(jié)構(gòu)均可提高通風(fēng)機(jī)的性能，其中以模型C，即中部載荷比為0.7 時(shí)的性能最佳，在額定工況及小流量工況時(shí)表現(xiàn)較好，可提高通風(fēng)機(jī)的能量利用率，減輕能量的損失，滿足節(jié)能降耗的使用要求。