风叶安装角对矿用通风机运行特性的影响研究.pdf

2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.038风叶安装角对矿用通风机运行特性的影响研究（山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000）摘要 为了解决矿井对旋式轴流风机在运行过程中运行效率低、运行稳定性差的问题，利用CFD仿真分析软件，对风机在不同安装角情况下的叶片表面静压、出口静压、叶轮出口涡流量等进行了分析。结果表明，风叶安装角在62.5毅的情况下风机具有最佳的工作特性。这为优化风机结构、提高风机运行的稳定性和经济性奠定了基础。关键词 矿用通风机；风叶安装角；出口静压；出口涡流量中图分类号TD441文献标识码B文章编号 1672蛳9943（2023）05蛳0120蛳030引言矿井通风系统的目的是向煤矿井下通入新鲜的空气并将井下的污浊气体排出，其工作的稳定性和可靠性直接决定了煤矿井下的安全生产。由于轴流式风机在运行时具有运行灵活性高、经济性好的优点，被广泛地应用于矿井通风系统中。但矿井通风系统工作强度大，风机在长期运行中也存在运行噪声大、效率低、稳定性差的问题，对矿井通风系统的运行安全产生了一定的影响。特别是随着井下综采作业深度的不断加大、井下巷道长度不断增加，现有矿井通风机已经难以满足井下高效、安全通风的需求，急需进行调整。本文以 FBCD-5.0/25.5 矿用对旋式轴流风机为研究对象，提出利用仿真分析的方式对风机在不同安装角情况下的运行特性进行研究，重点对风机在高速工况下的叶片表面静压、出口静压、叶轮出口涡流量等进行了模拟分析。结果表明，当风机叶片安装角为 62.5毅的情况下，风机具有最佳的工作特性，能够有效降低风机在运行时的噪声和异常。这对优化风机结构、提高矿井通风系统的运行经济性具有十分重要的意义。1仿真分析模型及边界条件设置FBCD-5.0/25.5 矿用对旋式风机的前级叶片和后级叶片均为 12 个，风机的导叶数量为 5 个，风机前级叶片的安装角为 63毅，后级叶片的安装角为45毅。前后两级叶片采用了对旋式运转模式，转速为560 r/min；风机的叶顶间隙为 10 mm，风机轮毂直径为 900 mm。利用三维建模软件建立风机的三维模型。为了简化建模流程，提高仿真分析效率，在进行建模时对风机系统进行了简化，只保留了风筒、电机、前后级叶轮和内筒等和风机运行特性关系密切的部件，同时也将风机外侧的结构特征、螺栓、基座等进行了简化。在进行网格划分时，对两级叶轮位置采用了局部加密划分的方式，在其余位置采用了标准的结构网格划分方法咱1暂，网格的总数达到了 7 882 934个，既保证了对风机核心部件仿真分析的准确性，又兼顾了仿真分析的效率。网格划分后的风机结构如图 1 所示。（a）风机网格划分全图（b）前、后叶轮网格划分结构图 1风机网格划分示意为了最大程度上还原风机在运行过程中的流场特性，在对风机实际运行情况进行分析后，将出风口作为风机仿真分析时计算域的出口，并将该处能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.51202023 年 10 月Oct.,2023设置为压力出口，同时将前级叶轮和后级叶轮设置为旋转域。风机运行时的转速设置为 560 r/min，采用 k-着模型咱2暂进行仿真分析。根据研究，对旋式通风机的前级叶片不仅能够改变风机运行时的整体性能，而且能够改变工作范围，对效率和全压均有较大影响。因此，本文选择风机前级叶片在 62.5毅、65毅、67.5毅3 种叶片安装角情况下的风机运行特性进行研究。2风机叶片表面静压分析风机叶片表面静压是表征风机运行时流场平稳性的一个关键指标。叶片表面静压越大，说明风机运行时的流场越不稳定，风机运行时的功耗越大，运行效率越低咱猿暂。风机在不同叶片安装角情况下的叶片静压云图如图 2 所示。陈小建风叶安装角对矿用通风机运行特性的影响研究图 2风机叶片表面静压云图由图 2 分析可知，风压安装角不同的情况下，风机运行的过程中在叶片表面均出现了明显地呈纵向分布的逆压梯度咱源暂，风机叶片安装角越大，在工作时的逆压梯度就越大。这会造成风机在运行过程中的流场中出现明显的二次流，进而导致气流的流动损失。因此，当叶片安装角为 62.5毅的情况下具有较小的逆压梯度，能够提高风机在运行过程中的工作效率。3风机出口静压分析风机在运行时的出口静压是指由于叶片对流体产生的叶片后与叶片前的压力差，直接关系到风机运行时的压力损失咱缘暂。风机在不同叶片安装角情况下的出口静压分布如图 3 所示。图 3风机在不同叶片安装角情况下的出口静压分布云图由图 3 分析可知，当叶片安装角为 62.5毅时，风机在运行过程中的出口静压云图呈现出了明显的叶轮结构特征，在叶轮中的分布均呈现出处于压力面的静压高于吸力面的静压，而且静压在出风口处的分布比较均匀，具有较小的压力梯度，能够显著降低气流在流动时的径向流速，提高风机的运行效率咱远暂。当风机叶片的安装角为 65毅或者 67.5毅时，在叶轮出口位置的静压分布呈现出显著的高压区和低压区，而且二者之间的压差较为严重。因此在风机工作过程中，会出现显著的流动分离情况，导致风机在高速运行中出现喘振和噪声，严重影响风机运行时的稳定性和可靠性。4叶轮出口涡流量分析风机在运行过程中的涡流量主要是用于表征风机在工作时的能量损失率，涡流量越大，说明风机在运行过程中的能量损失越大，风机在运行过程中的效率就越低咱苑暂，而且风机在运行过程中就越容易出现旋转失速的风险。风机在运行过程中前级叶（c）67.5毅（b）65毅（a）62.5毅压力/Pa-350.00-400.00-450.00-500.00-550.00-600.00-650.00-700.00-750.00-800.00-850.00-900.00-950.00压力/Pa（c）67.5毅（b）65毅（a）62.5毅-1 150.00-1 104.17-1 058.33-1 012.50-966.67-920.83-875.00-829.17-783.33-737.50-691.67-645.83-600.001212023 年 10 月Oct.,2023由图 4 分析可知，当风机叶片的安装角不同时，其涡流量均集中在风机叶片的根部。这主要是由于气流在通过风机叶片的后侧形成一个尾流旋涡而引起的。随着叶片安装角的增加，风机叶片在工作中的涡流量逐渐增加，而且涡流量会逐步向着叶片顶部扩展。这主要是由于风机叶片上吸力面和压力面所存在的逆压梯度造成流体从叶顶间隙朝着吸力面流动咱8原员圆暂，导致了泄漏流，从而在叶顶间隙位置形成了一个明显的涡流。综上分析，当风机叶片的安装角为 62.5毅的情况下，风机叶片表面静压、风机在运行时的出口静压、风机在运行过程中的涡流量均处于分布均匀的状态，具有最佳的综合性能，对提高风机运行的稳定性、提高风机的运行效率、保证矿井通风系统运行的安全性具有十分重要的意义。5结论针对矿用对旋式轴流风机在运行过程中存在运行效率低、运行稳定性差的问题，提出了一种基于 CFD 的仿真分析方案，对风机前级叶片在 62.5毅、65毅、67.5毅3 种叶片安装角情况下的风机运行特性进行研究。结果表明：（1）旋式通风机的前级叶片能够改变风机运行时的整体性能并改变工作范围，对效率和全压均有较大影响。（2）利用仿真分析的方法，能够快速模拟风机在不同情况下的运行状态，是优化风机结构、提高风机运行效率的有效手段。（3）在风机叶片的安装角为 62.5毅的情况下，风机叶片表面静压、风机在运行时的出口静压、风机在运行过程中的涡流量均处于分布均匀的状态，具有最佳的综合性能，对提高风机运行的稳定性、提高风机运行的效率、保证矿井通风系统运行的安全性具有十分重要的意义。参考文献1李一明，王雷，李宝宽.动静叶可调子午加速轴流通风机气动性能研究 J.热力发电，2014，43（8）：64-70.2张海涛，邵文洋，王巍，等.离心叶轮分流叶片位置与扩压器相互影响的模拟研究 J.风机技术，2017，59（5）：13-19.3叶学民，丁学亮，李春曦.动叶可调轴流风机瞬态流动及压力脉动特性 J.动力工程学报，2016，36（4）：277-285.4李春曦，尹攀，叶学民.变工况下动叶安装角异常对轴流风机气动和噪声特性的影响 J.动力工程学报，2013，33（7）：530-539.5陈强，赛庆毅.分流叶片对小型高速离心风机性能影响的试验研究 J.机械研究与应用，2017，3（5）：99-101.6田翠茹，李宝宽.叶顶间隙对轴流风机性能影响的大涡模拟研究 J.风机技术，2018（1）：33-38.7幸欣，吴国维.基于叶片安装角调节的对旋局部通风机特性研究 D.太原：太原理工大学，2017.8封遥，董云山，司风琪，等.大型火电机组轴流风机运行特性及内流特征的数值模拟 J.风机技术，2017，59（3）：34-39.9叶学民，李俊，王松岭，等.带后导叶轴流式通风机内流特征的数值模拟 J.热能动力工程，2009，24（2）：163-166.10叶学民，李俊，王松岭，等.动叶可调轴流式通风机叶片安装角异常工况下的气动特性 J.中国电机工程学报，2009，29（26）：79-84.11李杨，欧阳华，杜朝辉.周向弯曲低压轴流风机叶顶泄漏流动数值研究 J.工程热物理学报，2005（2）：240-242.12孟丽，林丽华，吴海英，等.轴流风机后导叶三维数值优化设计方法及其应用 J.风机技术，2014，56（3）：48-52.作者简介陈小建（1985-），男，工程师，毕业于太原理工大学，长期从事通风瓦斯防治技术工作。收稿日期：2022-12-07图 4风机前级涡流量变化情况云图轮的出口涡流量分布云图如图 4 所示。（c）67.5毅（b）65毅（a）62.5毅速度/（m/s）1.0025.9250.8375.75100.67125.58150.50175.42200.33225.25250.17275.08300.00能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5122