葉片形狀優(yōu)化對(duì)防爆離心式風(fēng)機(jī)金屬葉輪穩(wěn)定運(yùn)行的影響

葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)離心風(fēng)機(jī)金屬葉輪平穩(wěn)運(yùn)行有著重要的影響。目前很多學(xué)者研究了葉片出口安裝角的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及葉片高度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但是對(duì)于葉片形狀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究得較少。氣流在葉片的不同區(qū)域的流動(dòng)有很大的不同。在葉輪前盤，氣流的流動(dòng)方式主要是軸向流動(dòng)。在葉輪的中后盤，氣流的流動(dòng)方式主要是徑向流動(dòng)。通過這種方式，達(dá)到葉輪前盤向中后盤送風(fēng)，使葉輪中后盤出風(fēng)的目的。由此可見，通過對(duì)葉片形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在一定程度上增加葉片的送風(fēng)量以及有效通道的寬度，使得離心風(fēng)機(jī)的效率得到提高，從而保證金屬葉輪的平穩(wěn)運(yùn)行。各部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)離心風(fēng)機(jī)金屬葉輪穩(wěn)定運(yùn)行的影響集流器優(yōu)化對(duì)防爆離心式風(fēng)機(jī)金屬葉輪穩(wěn)定運(yùn)行的影響集流器的工作原理是通過將氣流均勻地送入葉輪進(jìn)口截面，以達(dá)到提高防爆離心式風(fēng)機(jī)葉輪的效率以及風(fēng)機(jī)整體性能的目的。

防爆離心式風(fēng)機(jī)具有體積小、壓力系數(shù)高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，是人們生產(chǎn)生活中必不可少的一種機(jī)器設(shè)備。離心風(fēng)機(jī)主要由集流器、蝸殼、電機(jī)以及葉片四個(gè)部件組成。各部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)離心風(fēng)機(jī)金屬葉輪穩(wěn)定運(yùn)行起著重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及生活水平的提高，對(duì)防爆離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化越來越受到人們的關(guān)注。因此本文通過對(duì)集流器優(yōu)化、蝸殼優(yōu)化、電機(jī)優(yōu)化以及葉片形狀進(jìn)行優(yōu)化，來觀察結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的離心風(fēng)機(jī)對(duì)金屬葉輪穩(wěn)定運(yùn)行的影響，以促進(jìn)離心風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)工作朝著更完善、更健康的方向發(fā)展。內(nèi)藏電動(dòng)機(jī)的長度、頭部傾角等在一定程度上影響著風(fēng)機(jī)性能和噪音。

幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型采用掘進(jìn)工作面4-72-5.6A 防爆防腐蝕的離心式通風(fēng)機(jī)，其主要參數(shù)：電機(jī)功率22 kW,轉(zhuǎn)速2 930 r/min,流量10 122~25 736 m3/h,全壓4 152~2 330 Pa。其主要由進(jìn)風(fēng)口、集流器、葉輪和蝸殼組成。

防爆離心式風(fēng)機(jī)集流器中添加了米字形結(jié)構(gòu)與環(huán)形擋環(huán)。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且葉片外形不規(guī)則，因此生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較困難，相反非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適應(yīng)能力強(qiáng)，在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)有利于網(wǎng)格的自適應(yīng)。

因此防爆離心式風(fēng)機(jī)采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。使用ANSYS 軟件中的CFD 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加米字形集流器模型網(wǎng)格數(shù)1 072 503，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)184 910；4種消聲組合方式的壓力損失并不相同，當(dāng)額定轉(zhuǎn)速為3800r/min，在設(shè)計(jì)工況下，A組合改進(jìn)風(fēng)機(jī)全壓降低了約16．0Pa，效率下降了約1．28%。普通圓弧形模型網(wǎng)格數(shù)1 296 832，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)223 847。以離心風(fēng)機(jī)在掘進(jìn)工作面環(huán)境下的運(yùn)行工況為依據(jù)，進(jìn)行防爆離心式風(fēng)機(jī)參數(shù)設(shè)置：流量取22 806.54 m3/h，流速取6.335 15 m/s, 質(zhì)量流量取7.491 3 kg/s。把Pro/E 建立的幾何模型導(dǎo)入Fluent 中并對(duì)幾何模型的邊界條件計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。其中入口類型采用速度進(jìn)口，出口設(shè)為壓力邊界條件，本計(jì)算采用的樣機(jī)是礦用式離心風(fēng)機(jī)， 出口靜壓可以近似為0，蝸殼內(nèi)壁及葉輪壁面粗糙度均取0.5，集流器、葉輪、蝸殼等各流體區(qū)域結(jié)合處的公共面采用interface邊界類型面， 將葉片的壓力面和吸力面以及葉輪前盤、后盤和轉(zhuǎn)軸的內(nèi)外表面一起定義為旋轉(zhuǎn)壁面。環(huán)境壓力為101 325 Pa，取粉塵流體密度ρ=1.225 kg/m3。計(jì)算時(shí)采用SIMPLE 壓力速度耦合方法進(jìn)行。

將建立好的防爆離心式風(fēng)機(jī)三維模型導(dǎo)入ICEM 軟件進(jìn)行混合網(wǎng)格的劃分。其中進(jìn)出口和葉輪區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而蝸殼部分由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是電動(dòng)機(jī)周圍結(jié)構(gòu)并非規(guī)則模型，故采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，具體網(wǎng)格如圖3 所示。綜合考慮動(dòng)靜耦合區(qū)域?qū)?shù)值模擬預(yù)測結(jié)果的影響，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)邊界層進(jìn)行加密處理，其較低網(wǎng)格質(zhì)量雅克比[14]在0.3 以上。為了保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免網(wǎng)格誤差對(duì)其模擬結(jié)果造成影響，對(duì)防爆離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，如表1 所示。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為25 萬左右時(shí)預(yù)測結(jié)果較為合理，終確定整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)為2513558。k-ε 模型作為為普遍有效的湍流模型，能夠計(jì)算大量的各種回流和薄剪切層流動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于各類風(fēng)機(jī)的數(shù)值求解計(jì)算中?？梢钥闯觯煌r下，A型消聲蝸殼的降噪效果不同，防爆離心式風(fēng)機(jī)在額定工況點(diǎn)附近，降噪效果好。

由于有梯度擴(kuò)散項(xiàng)，模型k-ε 方程為橢圓形方程，故其特性同其他橢圓形方程，需要邊界條件：防爆離心式風(fēng)機(jī)出口或?qū)ΨQ軸處k / n0和/ n0。但上述邊界條件只針對(duì)高雷諾數(shù)而言，在固體壁面附近，流體粘性應(yīng)力將取代湍流雷諾應(yīng)力，并在臨近固體壁面的粘性底層占主要作用。而多翼離心風(fēng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)尺寸小、相對(duì)馬赫數(shù)低，氣體黏性力在流體流動(dòng)過程中起重要作用，因此，在實(shí)際運(yùn)用過程中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型由于未充分考慮粘性力的影響，導(dǎo)致計(jì)算模型出現(xiàn)偏差。運(yùn)用Visual C 將上述修正函數(shù)編寫為UDF代碼，并導(dǎo)入Fluent 內(nèi)置Calculation module。為符合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，防爆離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)出口邊界條件設(shè)置為壓力入口和壓力出口，出口壓降與動(dòng)能成正比，從而避免在進(jìn)口和出口定義一致的速度分布[15]。后以CFD 計(jì)算的定常結(jié)果作為初始條件，進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算。工業(yè)生產(chǎn)中的防爆離心式風(fēng)機(jī)特別是離心式風(fēng)機(jī)應(yīng)用很廣泛，在一些生產(chǎn)裝置中甚至屬關(guān)鍵設(shè)備。