不同叶片切割量下机电类风机的工作特性研究

不同叶片切割量下机电类风机的工作特性研究

于倩

山东天勤石油科技有限公司 山东东营 257300

摘要：在进行通风系统的设计时为了确保紧急情况下对煤矿井下高速供风的要求，对于风机通常选择比实际应用需求大的多的型号，导致在日常运行中风机时常处在低负荷运行的范围，造成了极大的浪费。根据多年的研究，对风机的叶片进行切割是在确保紧急供风量要求的情况下降低风机有效运行功率的必要手段，因此本文在前人研究的基础上，利用FLUENT流体仿真分析软件对风机在不同切割量情况下风机的工作特性进行研究。

关键词：矿用风机；叶片切割量；全压；效率

引言

大型动叶可调轴流风机是电厂锅炉和脱硫装置中的关键设备。为了防腐，叶片由不锈钢制造，风机的叶片模具价格很高。采用叶片顶切这种风机系列化的思想，可以改变轴流风机的流量范围；配合改变叶片数目的方法，风机的压力范围也可扩大，从而达到采用同一副模具制造出多个系列风机叶片的效果。如此，可降低叶片制造中模具的成本比例和叶片的制造费用，同时也便于模具管理和叶片质量的控制。

1数值模拟

1.1计算模型的建立

以G4–73№.8离心风机为研究对象，本文采用的叶片加长方式为在流道型线不变、进口各几何尺寸不变的情况下，沿每个叶片工作面的出口边切线方向，焊接一定长度的单板叶片，并保证接口处平滑过渡，同时将叶轮的后盘与前盘沿圆周方向各焊接上一个圆环，使其直径与加长叶片后的叶轮外径平齐。考虑到G4–73№.8D风机的叶轮和蜗舌之间只有100mm的距离，为避免风机蜗壳发生变动，所以叶片加长导致的叶轮直径增加量要保持在100mm之内。计算时采用的原始叶轮外径为800mm，叶片加长后的叶轮外径为880mm。按G4–73№.8风机的真实尺寸建立风机三维结构模型，包括集流器、叶轮和蜗壳3个区域。由于考虑到风机内部流道结构非常复杂，本文的通风机模型采用分块网格技术，即在流场梯度变化比较快的关键区域布置较密的非结构化四面体网格，在流场梯度变化比较缓慢的区域布置稀疏的结构化网格，以减少计算量和计算成本。在满足收敛的前提下，经多次调试，并综合考虑计算时间和计算精度(将模拟结果与以前的实验数据比较，相对误差小于2%)，本文的模拟计算中网格总数约为120万个。数值模拟采用FLUENT软件，计算过程采用SIMPLE算法来耦合压力场和速度场，二阶迎风差分格式，收敛判据为变量残差绝对值小于10−3。近壁处采用标准壁面函数。在流动入口即集流器处给出均匀分布的速度场作为入口边界条件，给定大气压强值作为出口边界条件，叶轮转速为1450r/min。计算中，假定气流作不可压缩稳定流动，并忽略重力的影响。

1.2加长前后的内流特征

原风机叶片加长后，叶轮直径也同时增大，而由叶片式泵与风机的能量方程式可知，风机的做功能力与叶轮外径成正比，因而气流总压在风机内将显著提高。

叶轮叶片加长后风机中的气流自叶片加长部分附近，总压明显升高。而且，由于风机叶轮加大后，蜗壳尺寸并未改变，因而蜗壳内气体的流通面积相应减少，使得蜗壳内气体流速加快，总压进一步增加。叶轮叶片加长的同时，蜗壳内流场的均匀性也有所下降，同时蜗壳内气流速度加快，使得蜗壳损失相应增加，将导致风机效率有所下降。

2实验研究

2.1风机性能实验研究

风机性能实验系统，实验台布置，测量仪表选取及实验过程遵循GB/T1236—2000《工业通风机—用标准化风道进行性能实验》。实验中采用安装于风机出口管道上的节流锥调节流量，采用倾斜式微压计在入口管道集流器后的测点测量静压并计算流量，采用2支U形管测压计分别在风机入口管道和出口管道上测量静压并结合已测得的流量数据计算风机全压。采用CYB–803S型扭矩仪测量风机的轴功率。

叶轮叶片加长后，全压性能曲线和轴功率性能曲线均向上方移动，风机的全压和轴功率均得以提高。假定风机所在管路的特性曲线为过原点的抛物线，这样通过原始风机上的各个工况点做出多条管路特性曲线，分别找出这些管路特性曲线与风机叶轮叶片加长后全压–流量性能曲线的交点，即叶轮叶片加长后在不同管路特性曲线下的运行工况点，通过曲线拟合出公式并计算可得到其相应参数。

2.2出口流面处的总压分布

两个和三个动叶安装角处于正常和异常时叶轮出口流面的总压分布，叶轮旋转方向为顺时针。在正常状态下，叶轮出口流面上的总压呈现对称分布，位于与叶顶、叶根相同高度区域的总压较低，均低于中部位置的总压，这是由于端壁处存在较大尾迹损失的缘故。当∆βy=6°时，与异常单动叶相比，相邻两动叶下叶轮出口的平均总压有所增大，总压最大值位于异常动叶形成的主流区内，而其尾迹后低压区的压强有所减小并向叶高中部移动。

3不同切割量下风机全压和效率的变化曲线

利用FLUENT流体仿真分析软件，对风机叶片不同切割量情况下的工作特性进行分析。当对风机叶片进行切割时，风机工作时的全压均会发生下降。当风叶的切割量为5%时，小流量工况（体积流量小于35m3/s）下风机的全压比切割前降低了约0.06kPa;当风叶的切割量为7%时，小流量工况下风机的全压比切割前降低了约0.22kPa;当风叶的切割量为10%时，小流量工况下风机的全压比切割前降低了约0.29kPa。且当风机工作时的体积流量继续增加时，风机的全压将随着风叶切割量的增加而迅速下降。

随着风机工作时的体积流量不断增加，风机运行时的效率均呈现降低的趋势。当在小流量工况下当风机叶片的切割量为5%时，风机运行时的效率约为80.7%，优于此工况下风机优化前79.6%的工作效率;当风机工作时的流量超过37.5%时风机叶片切割前的工作效率开始高于风机叶片的切割量为5%时的运行效率，但两者之间在同流量工况下的差别较小。

当风机叶片的切割量为7%、10%时，在全流程工况下风机运行时的效率均小于风叶切割前的运行效率，且随着风机流量的增加其效率下降的幅度不断增加。

通过对风机叶片不同切割量下风机运行时工作特性的对比分析可知，当风机的叶片切割量为5%时，风机的全压是低于风机叶片切割前的全压的，且风机流量越大的工况两者之间的差距越大，在小流量工况下时风机的风压差值最大为0.06kPa，但在小流量工况下风机运行时的效率要高于风机风叶切割前的运行效率。风机多数情况下是处在小流量工况下运行，因此当风叶的切割量设置为5%时，既能够满足风机长期在低流量工况下的运行经济性和稳定性的要求，而且还可以满足改善风机工作时风量裕量较大的不足。

结语

1）当进行叶片顶切使原风机的轮毂比从0.56变化为0.6和0.65时，即叶片切割小于叶片长度的30%，风机的效率和压力变化不大。按类似于轴流压缩机所采用的流量系数（但采用轮毂处圆周速度）和压比表示的风机无因次性能曲线基本不变。但是，当进一步切割叶片后，风机的效率将明显下降，稳定工况范围减小。

2）用类似于压缩机所采用的流量系数方法表示的风机无因次参数，可以较清楚地看出叶片顶切对轴流风机性能影响的趋势；而采用通风机常用的流量系数表示方法，却不能较明显地表示出轴流风机性能随叶片顶切的变化趋势。

参考文献

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