葉片形狀優(yōu)化對防爆離心式風機金屬葉輪穩(wěn)定運行的影響

葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對離心風機金屬葉輪平穩(wěn)運行有著重要的影響。目前很多學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)域的流動有很大的不同。在葉輪前盤，氣流的流動方式主要是軸向流動。在葉輪的中后盤，氣流的流動方式主要是徑向流動。通過這種方式，達到葉輪前盤向中后盤送風，使葉輪中后盤出風的目的。由此可見，通過對葉片形狀進行優(yōu)化設計，可以在一定程度上增加葉片的送風量以及有效通道的寬度，使得離心風機的效率得到提高，從而保證金屬葉輪的平穩(wěn)運行。各部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化對離心風機金屬葉輪穩(wěn)定運行的影響集流器優(yōu)化對防爆離心式風機金屬葉輪穩(wěn)定運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口截面，以達到提高防爆離心式風機葉輪的效率以及風機整體性能的目的。

防爆離心式風機具有體積小、壓力系數(shù)高等一系列優(yōu)點，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個領域都得到廣泛應用，是人們生產(chǎn)生活中必不可少的一種機器設備。離心風機主要由集流器、蝸殼、電機以及葉片四個部件組成。各部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對離心風機金屬葉輪穩(wěn)定運行起著重要的作用。隨著科學技術的發(fā)展以及生活水平的提高，對防爆離心式風機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化越來越受到人們的關注。因此本文通過對集流器優(yōu)化、蝸殼優(yōu)化、電機優(yōu)化以及葉片形狀進行優(yōu)化，來觀察結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的離心風機對金屬葉輪穩(wěn)定運行的影響，以促進離心風機的生產(chǎn)工作朝著更完善、更健康的方向發(fā)展。內(nèi)藏電動機的長度、頭部傾角等在一定程度上影響著風機性能和噪音。

幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

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

防爆離心式風機集流器中添加了米字形結(jié)構(gòu)與環(huán)形擋環(huán)。風機結(jié)構(gòu)復雜且葉片外形不規(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)格適應能力強，在處理復雜結(jié)構(gòu)時有利于網(wǎng)格的自適應。

因此防爆離心式風機采用四面體非結(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)點數(shù)184 910；4種消聲組合方式的壓力損失并不相同，當額定轉(zhuǎn)速為3800r/min，在設計工況下，A組合改進風機全壓降低了約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)點數(shù)223 847。以離心風機在掘進工作面環(huán)境下的運行工況為依據(jù)，進行防爆離心式風機參數(shù)設置：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 建立的幾何模型導入Fluent 中并對幾何模型的邊界條件計算參數(shù)進行設定。其中入口類型采用速度進口，出口設為壓力邊界條件，本計算采用的樣機是礦用式離心風機， 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。計算時采用SIMPLE 壓力速度耦合方法進行。

將建立好的防爆離心式風機三維模型導入ICEM 軟件進行混合網(wǎng)格的劃分。其中進出口和葉輪區(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)復雜，尤其是電動機周圍結(jié)構(gòu)并非規(guī)則模型，故采用適應性較強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，具體網(wǎng)格如圖3 所示。綜合考慮動靜耦合區(qū)域?qū)?shù)值模擬預測結(jié)果的影響，在進行網(wǎng)格劃分時，對邊界層進行加密處理，其較低網(wǎng)格質(zhì)量雅克比[14]在0.3 以上。為了保證數(shù)值計算結(jié)果的準確性，避免網(wǎng)格誤差對其模擬結(jié)果造成影響，對防爆離心式風機進行網(wǎng)格無關性驗證，如表1 所示。綜合考慮計算精度和計算效率可知，當網(wǎng)格數(shù)為25 萬左右時預測結(jié)果較為合理，終確定整個計算域的網(wǎng)格數(shù)為2513558。k-ε 模型作為為普遍有效的湍流模型，能夠計算大量的各種回流和薄剪切層流動，被廣泛應用于各類風機的數(shù)值求解計算中?？梢钥闯觯煌r下，A型消聲蝸殼的降噪效果不同，防爆離心式風機在額定工況點附近，降噪效果好。

由于有梯度擴散項，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：防爆離心式風機出口或?qū)ΨQ軸處k / n0和/ n0。但上述邊界條件只針對高雷諾數(shù)而言，在固體壁面附近，流體粘性應力將取代湍流雷諾應力，并在臨近固體壁面的粘性底層占主要作用。而多翼離心風機由于結(jié)構(gòu)尺寸小、相對馬赫數(shù)低，氣體黏性力在流體流動過程中起重要作用，因此，在實際運用過程中，標準k-ε 模型由于未充分考慮粘性力的影響，導致計算模型出現(xiàn)偏差。運用Visual C 將上述修正函數(shù)編寫為UDF代碼，并導入Fluent 內(nèi)置Calculation module。為符合實際運行狀態(tài)，防爆離心式風機進出口邊界條件設置為壓力入口和壓力出口，出口壓降與動能成正比，從而避免在進口和出口定義一致的速度分布[15]。后以CFD 計算的定常結(jié)果作為初始條件，進行非定常數(shù)值計算。工業(yè)生產(chǎn)中的防爆離心式風機特別是離心式風機應用很廣泛，在一些生產(chǎn)裝置中甚至屬關鍵設備。