對旋風機軸向間隙變化對內流特性的影響范文

本站小編為你精心準備了對旋風機軸向間隙變化對內流特性的影響參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《風機技術雜志》2016年第5期

摘要：

以對旋風機為研究對象，采用Gambit建立數值模擬模型和計算網格，利用FLUENT軟件，在定常條件下對不同葉輪軸向間隙的對旋風機內部流場進行了數值模擬，得到其內部流場分布情況、壓力分布狀況和湍流強度分布特點。模擬結果表明，對于FMIA翼型葉片的對旋風機，軸向間隙周圍是內部流場中流動最不穩定的區域，相對軸向間隙越大，兩級葉輪間的相互干涉越小，當葉輪相對軸向間隙取值為0.55~0.85時，能有效穩定對旋風機內部流場、增大全壓和提高效率。

關鍵詞：

對旋風機；軸向間隙；數值模擬；湍流強度;流場

0引言

對旋風機由于具有風量大、風壓高的特點[1]，在我國煤礦井下得到了大量的推廣和應用，有效地解決了煤礦井下遠距離、高阻力通風的難題[2-3]。它與普通軸流通風機的不同之處體現在對旋風機主要由兩級互為導葉且相對反向旋轉的葉輪組成[4-5]，在對旋風機設計中，如何選取兩級葉輪的軸向間隙尺寸非常關鍵，相互間配合參數選取不好將導致內部流場紊亂、分離流動、旋轉失速等現象，直接影響到對旋風機的整體性能[6]。本文以礦用隔爆型對旋軸流局部通風機（以下簡稱對旋風機）為模型，采用Fluent軟件對不同葉輪軸向間隙的對旋風機氣動性能和內部流場進行了分析計算，得到了對旋風機兩級葉輪間最佳配合間隙尺寸。

1數值模擬方案

選取FBD№6.3/2×30（S）礦用隔爆型對旋軸流局部通風機為研究對象，該通風機由集流器、葉輪、導流器、機殼和電動機等部分組成，葉片采用FMIA翼型，一級葉輪葉片數量是12個，二級葉輪葉片數量是10個，設計轉速2900r/min。采用Fluent軟件，計算對旋風機的氣動性能和內部流場，葉輪相對軸向間隙分別取0.35，0.45，0.55，0.60，0.65，0.75，0.80，0.85，0.95，1.15。采用Gambit工具分別完成對旋風機集流器、葉輪、導流器、機殼等部件的三維模型和計算網格。通過實測參數確定計算模型的基本尺寸，在計算過程中不改變對旋風機參數，僅調整其葉輪間軸向間隙。數值模擬時將計算模型分為五個流體區域，分別是進風段流體區域、一級葉輪流體區域、葉輪間隙流體區域、二級葉輪流體區、出風段流體區域；將一級葉輪流體區域、二級葉輪流體區域定義為旋轉區域，轉速設定為2900r/min；其它區域定義為靜止區域，不同的區域之間的交界面采用Interface邊界條件[7]。通風機的進口設置為速度進口，軸向速度大小由模擬工況點流量和模型機進口面積決定；出口設置為壓力出口。計算時采用Segregated隱式算法求解Navier-Stokes方程，用SIMPLE算法耦合壓力速度，流體介質設置為理想氣體，壁面采用無滑移邊界條件，兩級動葉區域旋轉區采用多參考坐標系模型（簡稱MRF）[8]；最后用有限元法對穩態不可壓縮流動三維定常雷諾時均Navier-Stokes方程進行離散，用迭代法對離散后的控制方程組進行數值求解。

2數值模擬結果分析

2.1對旋風機內部流場分析

為了研究軸流通風機葉片區域不同半徑流面上的氣流狀況，通常將同一半徑上的環形葉柵展開成平面葉柵—基元級[6]來分析，如圖1所示。氣流經過葉片區域同一環形葉柵時流動的條件是相同的，而對旋風機的級可以看成是由無窮多個基元級所組成。當風流進入基元級進口截面1-1前氣流絕對速度C1沿著軸向方向，在截面1-1處氣流受一級葉片作用形成C1，W1，U1三個速度向量，組成進口速度三角形。在葉柵出口2-2處氣流受到二級葉片作用，形成C2，W2，U2三個速度向量，組成出口速度三角形，如圖1所示。圖1中α，β分別表示氣體絕對速度和相對速度方向與旋轉方向之夾角，即氣流角；C1a，C2a分別為的軸向分速度；U1，U2即為旋繞速度；W1，W2為氣流的相對速度，U1，U2為圓周速度的牽連速度，Wm為氣流平均相對速度[10]。在風機流道內，當風流在通過通風機葉片、葉片頂部、葉輪軸向間隙后，由于受流體旋渦和回流影響，其速度降低，由風機進口進入的風流層流被破壞，流線變得不再清楚可辨，速度角相對來流方向發生偏移，特別在一級葉輪和二級葉輪處風流速度角度偏移值達到最高值，相鄰層流間不僅有滑動而且相互混合形成湍流，如圖2所示。

2.2對旋風機軸向間隙湍流強度分析

湍流強度簡稱湍流度或湍強，是湍流強度漲落標準差和平均速度的比值，是衡量湍流強弱的相對指標。在通風機內部流場內，湍流是通風機的主要噪聲源，同時也是風機內部能量損失的主要原因之一[10]。圖3表示通風機流道內Z=0截面湍流強度云圖，由于受到不規則運動，即紊流、旋渦等的影響，在軸向間隙周圍的區域湍流強度較大，是通風機內部流場中流動最不穩定的區域。為了分析對旋風機葉輪軸向間隙的湍流強度，在垂直于風機軸向方向分別定義了三個界面，分別為一級葉輪出口截面Section1、軸向間隙中間截面Section2、二級葉輪進口截面Section3。圖4分別表示葉輪相對軸向間隙分別為0.35，0.45，0.55，0.60，0.65，0.75，0.80，0.85，0.95，1.15時，三個截面平均湍流強度隨著葉輪軸向間隙的變化值，圖中t表示相對軸向間隙。從模擬結果可知，一級葉輪出口截面的平均湍流強度受葉輪軸向間隙影響很小，變化趨勢平緩，而軸向間隙中間截面和二級葉輪進口截面的湍流強度值隨著級間間隙的增大而減小。

2.3對旋風機軸向間隙壓力分析

在對旋軸流通風機流道內，風流經過一、二級葉輪做功后，風機全壓被從負值提升為正值；從圖5可知，通風機一級葉輪的風壓提增值比二級葉輪大，當通風機軸向間隙加大時，一級葉輪的全壓幾乎沒有變化，而二級葉輪區域的全壓先是緩慢增長，當相對間隙值達到0.85后開始下降，其變化趨勢與風機全壓的變化趨勢一致。造成這種現象的原因是過長的葉輪軸向間隙導致級間隙的壓力損失，從而造成風機整體壓力降低。圖6和圖7中，每個圖從左到右分別表示不同的葉輪軸向間隙時風機一級葉輪出口（剖面2）、級間隙中間（剖面3）及二級葉輪進口（剖面4）處的全壓分布云圖；由圖分析得知，在風機流道內存在分布不均的高壓區和低壓區，這種壓力梯度在葉片頂端體現最為明顯，且隨著級間間隙的增大，這種高低壓區的差值逐漸變小，在圖6和圖7中體現為顏色更為均勻。由此推斷，葉輪軸向間隙越大，風機流道內流場越穩定，進入二級葉輪的風流更為平穩。2.4對旋風機氣動性能分析通過數值模擬的方式計算了420m3/min時相對軸向間隙分別為0.35,0.45,0.55,0.60,0.65,0.75,0.80,0.85,0.95,1.15時的氣動性能，如圖8所示，隨著軸向間隙的增加，對旋風機全壓效率為先緩慢增大然后逐漸減小，當相對軸向間隙為0.55～0.85時風機全壓處于相對理想的水平。這主要是因為軸向間隙較小時，兩級葉輪干涉較為劇烈，從而造成附加損失較大；隨著兩級葉輪間的軸向間隙加大，葉輪間干涉損失逐漸減小，但增大到一定的值后，葉輪的勢流損失逐漸增加，兩級葉輪的整體損失開始增大，為此，隨著葉輪相對軸向間隙的增大對旋風機整體效率體現為先增大后減小的趨勢。

3結論

1）由于受到葉片的影響，在通風機葉片區域不同半徑流面處，從風機進口流入的相鄰層流被破壞，風流層間相互混合形成湍流。

2）對旋軸流通風機軸向間隙周圍是內部流場中流動最不穩定的區域，隨著相對軸向間隙的增大，兩級葉輪間的相互干涉趨于平緩，軸向間隙間的湍流強度逐漸減小。

3）由于湍流的影響，在風機流道內存在明顯的壓力梯度，且葉片頂端最為明顯，隨著相對軸向間隙的增大，風機流道壓力場趨于穩定，但當軸向間隙增大到0.85后，兩級間隙的壓力損失將導致風機整體壓力降低。

4）軸向間隙大小是影響對旋風機兩級葉輪相互干涉的因素之一，當相對軸向間隙取值為0.55～0.85時，能有效增大全壓和提高效率。

參考文獻：

[1]王明勝.新型2×55kW對旋式局部通風機在煤礦井下的應用[J].科技情報開發與經濟，2008，18（10）：219-220.

[2]楊華運，顏文學，王歡,等.對旋軸流通風機噪聲的產生機理及特性分析[J].礦業安全與環保,2011,38（2）：77-79.

[3]許衛東，李陸海，韓兆彥.高瓦斯遠距離掘進工作面局部通風系統并聯通風技術應用[J].科技創新導報,2010(28):57-57.

[4]王軍,肖朋.兩級對轉葉輪性能匹配的數值研究[J].流體機械,2006,35(2)：19-21.

[5]謝偉，張永建，霍族亮,等.礦井對旋軸流通風機設計中存在的問題及解決方法[J].風機技術，2005(4):47-49.

[6]孫婉，李意民，雷蕾,等.對旋風機內流分析與數值模擬研究[J].礦山機械,2010，38（19）：34-38.

[7]王軍,肖朋.變頻工況下對旋風機的數值模擬實驗[J].華中科技大學學報，2006，34（9）：81-84.

[8]葉學明,李新穎，李春曦.兩級動葉可調周流風機內部特征的數值模擬[J].動力工程學報，2013，33（11）：871-877.

[9]楊華運.對旋風機葉輪軸向間隙對噪聲及氣動性能的影響研究[D].煤炭科學研究總院，2010:31-33.

作者:楊華運 單位:中煤科工集團重慶研究院有限公司