顶部间隙对对旋轴流风机性能影响

摘要：为了研究分析顶部间隙对旋风机内部三维流场和性能参数的影响，分别对2.5%、3.0%、3.5%、4.0%四种顶部间隙建立从集流器入口到扩散器出口的三维全流道作为计算域，采用SIMPLE算法和RNG湍流模型，通过专业流体计算软件Fluent求解三维Navier-stokes方程，对三维全流场进行数值模拟。结果得出顶部间隙产生的泄漏流在二级叶轮间隙处泄漏相比于一级叶轮处更加恶劣，其影响范围也有所扩大，顶部间隙对对旋风机效率和全压的影响程度比单叶轮风机更加严重。因此，考虑到制造水平和转子振动的限制，合理地设计顶部间隙，不仅可以改善风机性能，而且可以避免叶片与机壳接触发生故障，造成意外事故。

关键词：对旋风机；顶部间隙；数值模拟；流场；性能

DOI：10.15938/j.jhust.2016.05.009

中图分类号：TH432.1 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2016）05-0045-06

0引言

对旋风机是煤炭部“八五100推”项目之一，它是引进国外80年代新技术经消化吸收后研制生产的煤矿井下局部通风机的更新换代产品，具有压力系数高、反风性能好、效率高、总体结构紧凑等优点，在矿山、隧道和船舶等领域的通风换气中获得了广泛的应用。因此，对旋风机性能的好坏，直接关系到工作效率的高低和工作人员的人身安全问题。

对旋风机是一个多物理场耦合的复杂流体机械，是一个气动力和电磁力共同作用的机电一体化装置。相对于单叶轮风机来说，由于两级叶轮的存在，使得风机整体结构和内部流场变的更加复杂。一级叶轮和二级叶轮由于叶片数和流体流速的差异，顶部间隙产生的泄漏流在两级叶轮处有所不同，这在影响了风机整体流场的分布的同时，也使得叶轮处产生的脉动转矩发生变化。因此，顶部间隙的变化不仅对对旋风机流场分布和性能参数产生影响，同时也将对两级电机的选择有着至关重要的参考作用，进而可以避免风机、电机性能参数不匹配，使得对旋风机实际性能指标偏离设计要求，电机出现“小马拉大车”或“大马拉小车”现象，甚至出现烧毁电机的现象。目前大多数对顶部间隙的研究都是基于单叶轮单流道的基础上进行数值模拟仿真，其结果对于单叶轮风机来说具有较高的准确性和可参考性，可是如果将其研究结果完全应用于对旋风机一类的双叶轮甚至多叶轮风机的性能分析上，则由于其所建立的不完全模型和所采用的局部分析方法的缺陷和不足，并不能较完全真实的反应风机的内部流场情况和相应性能参数的变化。因此其所得到的理论结果将和真实情况之间存在着一定的出入误差。为了提高工作效率，保证安全生产，我们需要用更加完善的物理模型和分析方法进行准确详尽的分析。

本文以矿用对旋轴流风机为应用背景，以顶部间隙为主要研究方向，以流体仿真软件Fluent为主要计算模拟工具，采用三维全流道分析模型，对矿用对旋轴流风机在不同顶部间隙下的工作性能进行相应的数值模拟，在后处理软件的辅助下，对不同工况下对旋风机的性能参数进行数值对比，结合理论分析得出顶部间隙的变动对对旋风机性能的影响。本文的研究理论和方法为我国对旋风机的进一步发展提供了依据，同时其研究成果可提高煤矿主通风机和局部通风机的运行效率。

1计算模型

本文以一台FBDCZ-NO.5（D）轴流对旋风机为实验样机，其叶片结构如图1所示。

利用3D扫描技术获得叶片外轮廓，然后通过后处理软件VXMODEL进行图像还原修复处理，最后在UG中获得完整的叶片形状。整个风机结构装置如图2所示，由集流器、前级电机、前后级叶轮、后级电机和扩散器等协同组成。

风机的基本参数尺寸为：叶片数为12/10，安装角为43°/25.5°，轮毂比为0.65，轴向间距33 mm，转速为1450 r/min，人口压强为101325 Pa，设计流量为2.4 kg/s。

本文中所涉及的叶顶间隙指的是机壳到叶片顶部的径向距离，考虑到后期数值分析，分别取叶顶间隙为4.5 mm、5.5 mm、6.5 mm、7.5 mm四种工况进行研究。假设叶顶间隙为d，叶片高为1，则所计算的相对顶部间隙d/1分别为2.5%、3.0%、3.5%、4.0%。

2计算方法

对旋风机内部流体的雷诺数远大于2300，属于完全紊流状态，空气流速远小于声速，密度为恒值，因此作为不可压缩流体进行处理，由于所研究为稳定状态，故属手定常流动，在标准大气压下忽略流体所受到的浮力和重力。

计算时采用三维稳态Navier-Stokes方程进行求解，紊流模型选择RNG k-epsilon Model，近壁面采用标准壁面函数，壁面处采用无滑移固壁条件。由于本文所用模型为分段建模，分段划分网格，因此在交界面处采用滑移网格技术实现信息的传递。两级叶轮所在的旋转区域采用多参考坐标系模型（movingreference frame）。入口边界条件为velocity inlet，出口边界条件采用Ouhrlow。选择分离式求解器（segre-gated solver），差值方程采用PRESTO！压力速度耦合（pressure-velocity coupling）采用工程上广泛使用的SIMPLE方式。

3计算结果分析

顶部间隙对风机的影响有多方面的表现形式，但究其根本来说是由于泄漏流的产生。间隙大小的不同，导致泄漏流的强度和范围发生相应的改变，后期将会发展为泄漏涡。泄漏流乃至泄漏涡的产生，会与风机的主流发生干涉，使风机内部流场产生质的变化，进而对风机的性能参数产生一定的影响。对旋风机因双叶轮的存在，在两级叶轮顶部将会产生不同的间隙流动，两者影响的非线性整合最终影响了风机的整体性能。

3.1叶顶部的泄漏流动

考虑到泄漏流一般发生在吸力面下方贴近机壳壁面处一侧，因此为了观测泄漏流的情况，取叶片最大弦长1/2处径向面作为观测截面，此截面正好处于泄漏流产生的初始位置。

3.1.1一级叶轮顶部的泄漏流动

泄漏流的产生以及其影响，和流体在此处的速度存在直接联系。一级叶轮作为对旋风机的前级叶轮，是流体速度改变的初始，此处的泄漏相对更加清晰。如图3是由后处理软件所得到的一级叶轮截面的流体相对速度分布情况。

从图中可以看出，由于吸力面和压力面压差的存在，在顶部间隙处，气流发生泄漏，在吸力面一侧靠近机壳处有泄漏流产生，靠近机壳处局部流体相对速度偏离了主流的速度轨迹，出现了气流紊乱的情况。同时随着顶部间隙的增大，泄漏流越来越严重，在顶部间隙处相对速度偏离越发严重，如果顶部间隙增大到一定的程度，则很有可能出现泄漏涡。泄漏流乃至泄漏涡，都会导致主流的局部紊乱，使得动能耗散增加，叶片静压值减小，进而可能会影响到风机的出口全压和效率。

3.1.2二级叶轮顶部的泄漏流动

作为对旋风机的二级叶轮，主要是为了抵消一级叶轮对流体产生的周向速度，使得流体尽可能的沿着轴向流动。流体在经过一级叶轮后，其运动状态发生了变化，二级叶轮由于相对流体变为逆向旋转，因此顶部间隙的泄漏情况有所改变，图4为二级叶轮截面的流体相对速度分布。

从图中可以看出，相同叶顶间隙时二级叶轮顶部间隙泄漏流动相对一级叶轮变得更加剧烈，对主流的影响也更加复杂严重。同级叶轮不同间隙时，顶部间隙对泄漏流的影响有着和一级叶轮同样的特征，随着间隙的增大，泄漏流在进一步恶化。相对一级叶轮，泄漏流更加容易发展成为泄漏涡，其对主流的影响更为严重。

由一二级叶轮截面相对速度分布图不难看出，无论是一级叶轮还是二级叶轮，泄漏流均随着顶部间隙的增大在进一步恶化，只是相对一级叶轮，二级叶轮泄漏流对顶部间隙的变化更加敏感。

3.2吸力面o压分析

吸力面是泄漏流产生的位置，泄漏流的产生会在吸力面靠近机壳尾缘处产生一个低压区，选择两级叶轮的吸力面静压分布作为分析，更能清晰的看出顶部间隙对泄漏流的影响。

3.2.1一级叶片吸力面静压分析

对旋风机两级叶轮流体流速大小和方向的不同，导致顶部间隙对叶片表面静压影响的敏感度不尽相同。一级叶轮叶片表面的静压分布如图5所示：

从图中可以明显的看出，在叶片吸力面靠近机壳处存在一个低压区，并且以此处的某一点为中心出现不规则扩散的趋势。低压区的产生来源于泄漏流的影响，进而说明泄漏流产生于叶片吸力面尾缘靠近机壳的地方。对比不同间隙下的叶片静压分布云图，随着顶部间隙的增大，低压区分布范围存在相应扩大的趋势，静压值的变化，必然引起风机性能参数值的波动。

3.2.2二级叶轮叶片表面的静压分布

在相同流场条件下，二级叶轮由于流体流速和叶片数的改变，泄漏流的影响将会出现较大幅度的变化。图6为二级叶轮叶片表面的静压分布云图：

从图中可以看出，相比一级叶轮叶片，相同间隙时二级叶轮叶片尾缘处最低静压值有所增加，同时静压低压区的分布范围明显有所增大。除此之外，随着叶顶间隙的增大，低压区中心有着向尾缘靠近的趋势，并且其靠近的速度与顶部间隙的增大呈复杂的非线性关系。

综合比较一二级叶轮叶片吸力面的静压分布，随着顶部间隙的增大，泄漏流在进一步恶化，其对叶片的影响也在逐步扩张。相比一级叶轮，二级叶轮泄漏流对顶部间隙变化的敏感度有所增加，也就是说在相同程度下，顶部间隙引起的泄漏流在二级叶轮处对主流的影响可能会更大。因此，在工艺所能达到的条件下，尽可能的减小叶顶间隙有利于风机叶轮性能的改善。

3.机性能的变化曲线

顶部间隙变化的影响最终需要通过风机外部相应性能参数的变化反映到实际运行中。外部性能的变化曲线是对风机顶部间隙变化影响最有力的说明，通过曲线的鲜明对比，我们可以清晰地了解到顶部间隙是如何影响风机性能曲线的。

出口面静压值的大小直接影响着风机效率的高低。图7所示为对旋风机在不同顶部间隙下出口静压随流量的变化曲线，从图中可以明显的看出，在风机流量确定的前提下，出口面的静压随着叶顶间隙的增大在不同程度的降低，且随着顶部间隙的增大，静压值降低的幅度在逐渐增大。当流量小于2.2kg/s时，顶部间隙越小，出口面静压值随流量的变化越剧烈，随着间隙的增大，其变化过程趋于平缓，当流量超出2.3 kg/s这一范围时，顶部间隙变化对出口静压值的影响程度减弱，流量的变化对静压值影响幅度占到了主导地位。单就影响值来说，间隙的不同是导致其静压值不同的主要因素。

对于任何一个能量转换机械，效率永远都是鉴定其实用价值的一个重要指标。图8为风机在不同间隙下的效率变化曲线。对比分析四条曲线可以看出，随着叶顶间隙的增大，风机的效率在明显下降，同时当流量小于2.2 kg/s时，对于不同间隙，随着流量的增加效率都会相应的增大，当超出2.3 kg/s这一范围时风机的效率将会随着流量的增大而降低，且随着顶部间隙的增大，其变化幅度也相应增加。因此，单就效率而言，合适的顶部间隙，合适的流量有助于提高风机的效率。

对于风机而言，另一个重要的性能参数就是全压值的分布，如图9所示为风机全压的变化曲线，从图中可以看出，全压随顶部间隙的变化趋势大体上和静压相同。随着顶部间隙的增大，风机全压值也在明显下降，顶部间隙越小，全压值越高。同时可以看出，对于同一叶顶间隙，全压值的大小与风机的流量呈明显的反比关系，流量越大，全压越小。在同一叶顶间隙下，适当的降低流量有助于全压值的提高可以增加送风距离。

4结论

通过对2.5%、3.0%、3.5%和4.0%四种不同间隙下的对旋风机内部流场进行数值模拟计算分析，可以得出以下几个结论：

1）随着叶顶间隙的增大，对旋风机的效率和全压均有所下降，且下降的幅度在逐渐增大。在2.15kg/s到2.25 kg/s流量范围内，对旋风机的效率和全压存在一个最大值。因此在工艺所能达到的精度内尽可能的减小顶部间隙和选择合适的流量值有利于对旋风机性能的提升。

2）泄漏流产生于叶片顶部吸力面靠近机壳尾缘处，且随着顶部间隙的增大，泄漏流在逐渐恶化，达到一定程度可能产生泄漏涡，不管是泄漏流还是泄漏涡都会与主流发生干涉，进而影响叶片顶部载荷稳定性，对风机产生性能影响。

3）泄漏流会在叶片吸力面处以泄漏流产生位置为中心形成一个低压区，随着顶部间隙的增大，低压区的影响范围在逐渐扩大，低压区的中心位置有向叶片尾缘靠近的趋势。

4）相对于单叶轮结构，对旋风机二级叶轮对顶部间隙变化所造成的影响更为敏感。同一工况下，顶部间隙改变引起的泄漏流乃至泄漏涡变化对二级叶轮的影响要大于一级叶轮，因此在进行对旋风机设计时二级叶轮应给与高度重视。