頂部間隙對對旋軸流風機性能影響

頂部間隙對對旋軸流風機性能影響月新技術經(jīng)消化汲取后研制生產(chǎn)的煤礦井下局部通風機的更新?lián)Q代產(chǎn)品,具有壓力系數(shù)高、反風性能好、效率高、總體結構緊湊等優(yōu)點,在礦山、隧道和船舶等領域的通風換氣中獲得了廣泛的應用。

因此,對旋風機性能的好壞,直接關系到工作效率的凹凸和工作人員的人身平安問題。

對旋風機是一個多物理場耦合的簡單流體機械,是一個氣動力和電磁力共同作用的機電一體扮裝置。

相對于單葉輪風機來說,由于兩級葉輪的存在,使得風機整體結構和內(nèi)部流場變的更加簡單。

一級葉輪和二級葉輪由于葉片數(shù)和流體流速的差異,頂部間隙產(chǎn)生的泄漏流在兩級葉輪處有所不同,這在影響了風機整體流場的分布的同時,也使得葉輪處產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化。

因此,頂部間隙的變化不僅對對旋風機流場分布和性能參數(shù)產(chǎn)生影響,同時也將對兩級電機的選擇有著至關重要的參考作用,進而可以避開風機、電機性能參數(shù)不匹配,使得對旋風機實際性能指標偏離設計要求,電機消失“小馬拉大車”或“大馬拉小車”現(xiàn)象,甚至消失燒毀電機的現(xiàn)象。

目前大多數(shù)對頂部間隙的討論都是基于單葉輪單流道的基礎上進行數(shù)值模擬仿真,其結果對于單葉輪風機來說具有較高的精確?????性和可參考性,可是假如將其討論結果完全應用于對旋風機一類的雙葉輪甚至多葉輪風機的性能分析上,則由于其所建立的不完全模型和所采納的局部分析方法的缺陷和不足,并不能較完全真實的反應風機的內(nèi)部流場狀況和相應性能參數(shù)的變化。

因此其所得到的理論結果將和真實狀況之間存在著肯定的出入誤差。

為了提高工作效率,保證平安生產(chǎn),我們需要用更加完善的物理模型和分析方法進行精確?????詳盡的分析。

本文以礦用對旋軸流風機為應用背景,以頂部間隙為主要討論方向,以流體仿真軟件為主要計算模擬工具,采納三維全流道分析模型,對礦用對旋軸流風機在不同頂部間隙下的工作性能進行相應的數(shù)值模擬,在后處理軟件的幫助下,對不同工況下對旋風機的性能參數(shù)進行數(shù)值對比,結合理論分析得出頂部間隙的變動對對旋風機性能的影響。

本文的討論理論和方法為我國對旋風機的進一步進展供應了依據(jù),同時其討論成果可提高煤礦主通風機和局部通風機的運行效率。

1計算模型本文以一臺-軸流對旋風機為試驗樣機,其葉片結構如圖1所示。

利用3掃描技術獲得葉片外輪廓,然后通過后處理軟件進行圖像還原修復處理,最終在中獲得完整的葉片外形。

整個風機結構裝置如圖2所示,由集流器、前級電機、前后級葉輪、后級電機和集中器等協(xié)同組成。

風機的基本參數(shù)尺寸為:葉片數(shù)為1210,安裝角為43,,軸向間距33,轉(zhuǎn)速為1450,人口壓強為101325,。

本文中所涉及的葉頂間隙指的是機殼到葉片頂部的徑向距離,考慮到后期數(shù)值分析,、、、。

假設葉頂間隙為,葉片高為1,則所計算的相對頂部間隙%、%、%、%。

2計算方法對旋風機內(nèi)部流體的雷諾數(shù)遠大于2300,屬于完全紊流狀態(tài),空氣流速遠小于聲速,密度為恒值,因此作為不行壓縮流體進行處理,由于所討論為穩(wěn)定狀態(tài),故屬手定常流淌,在標準大氣壓下忽視流體所受到的浮力和重力。

計算時采納三維穩(wěn)態(tài)-方程進行求解,紊流模型選擇-,近壁面采納標準壁面函數(shù),壁面處采納無滑移固壁條件。

由于本文所用模型為分段建模,分段劃分網(wǎng)格,因此在交界面處采納滑移網(wǎng)格技術實現(xiàn)信息的傳遞。

兩級葉輪所在的旋轉(zhuǎn)區(qū)域采納多參考坐標系模型。

入口邊界條件為,出口邊界條件采納。

選擇分別式求解器-,差值方程采納!壓力速度耦合-采納工程上廣泛使用的方式。

3計算結果分析頂部間隙對風機的影響有多方面的表現(xiàn)形式,但究其根原來說是由于泄漏流的產(chǎn)生。

間隙大小的不同,會導致泄漏流的強度和范圍發(fā)生相應的轉(zhuǎn)變,后期將會進展為泄漏渦。

泄漏流乃至泄漏渦的產(chǎn)生,會與風機的主流發(fā)生干涉,使風機內(nèi)部流場產(chǎn)生質(zhì)的變化,進而對風機的性能參數(shù)產(chǎn)生肯定的影響。

對旋風機因雙葉輪的存在,在兩級葉輪頂部將會產(chǎn)生不同的間隙流淌,兩者影響的非線性整合最終影響了風機的整體性能。

,因此為了觀測泄漏流的狀況,取葉片最大弦長12處徑向面作為觀測截面,此截面正好處于泄漏流產(chǎn)生的初始位置。

,和流體在此處的速度存在直接聯(lián)系。

一級葉輪作為對旋風機的前級葉輪,是流體速度轉(zhuǎn)變的初始,此處的泄漏相對更加清楚。

如圖3是由后處理軟件所得到的一級葉輪截面的流體相對速度分布狀況。

從圖中可以看出,由于吸力面和壓力面壓差的存在,在頂部間隙處,氣流發(fā)生泄漏,在吸力面一側(cè)靠近機殼處有泄漏流產(chǎn)生,靠近機殼處局部流體相對速度偏離了主流的速度軌跡,消失了氣流紊亂的狀況。

同時隨著頂部間隙的增大,泄漏流越來越嚴峻,在頂部間隙處相對速度偏離更加嚴峻,假如頂部間隙增大到肯定的程度,則很有可能消失泄漏渦。

泄漏流乃至泄漏渦,都會導致主流的局部紊亂,使得動能耗散增加,葉片靜壓值減小,進而可能會影響到風機的出口全壓和效率。

,主要是為了抵消一級葉輪對流體產(chǎn)生的周向速度,使得流體盡可能的沿著軸向流淌。

流體在經(jīng)過一級葉輪后,其運動狀態(tài)發(fā)生了變化,二級葉輪由于相對流體變?yōu)槟嫦蛐D(zhuǎn),因此頂部間隙的泄漏狀況有所轉(zhuǎn)變,圖4為二級葉輪截面的流體相對速度分布。

從圖中可以看出,相同葉頂間隙時二級葉輪頂部間隙泄漏流淌相對一級葉輪變得更加猛烈,對主流的影響也更加簡單嚴峻。

同級葉輪不同間隙時,頂部間隙對泄漏流的影響有著和一級葉輪同樣的特征,隨著間隙的增大,泄漏流在進一步惡化。

相對一級葉輪,泄漏流更加簡單進展成為泄漏渦,其對主流的影響更為嚴峻。

由一二級葉輪截面相對速度分布圖不難看出,無論是一級葉輪還是二級葉輪,泄漏流均隨著頂部間隙的增大在進一步惡化,只是相對一級葉輪,二級葉輪泄漏流對頂部間隙的變化更加敏感。

,泄漏流的產(chǎn)生會在吸力面靠近機殼尾緣處產(chǎn)生一個低壓區(qū),選擇兩級葉輪的吸力面靜壓分布作為分析,更能清楚的看出頂部間隙對泄漏流的影響。

,導致頂部間隙對葉片表面靜壓影響的敏感度不盡相同。

一級葉輪葉片表面的靜壓分布如圖5所示:從圖中可以明顯的看出,在葉片吸力面靠近機殼處存在一個低壓區(qū),并且以此處的某一點為中心消失不規(guī)章集中的趨勢。

低壓區(qū)的產(chǎn)生來源于泄漏流的影響,進而說明泄漏流產(chǎn)生于葉片吸力面尾緣靠近機殼的地方。

對比不同間隙下的葉片靜壓分布云圖,隨著頂部間隙的增大,低壓區(qū)分布范圍存在相應擴大的趨勢,靜壓值的變化,必定引起風機性能參數(shù)值的波動。

,二級葉輪由于流體流速和葉片數(shù)的轉(zhuǎn)變,泄漏流的影響將會消失較大幅度的變化。

圖6為二級葉輪葉片表面的靜壓分布云圖:從圖中可以看出,相比一級葉輪葉片,相同間隙時二級葉輪葉片尾緣處最低靜壓值有所增加,同時靜壓低壓區(qū)的分布范圍明顯有所增大。

除此之外,隨著葉頂間隙的增大,低壓區(qū)中心有著向尾緣靠近的趨勢,并且其靠近的速度與頂部間隙的增大呈簡單的非線性關系。

綜合比較一二級葉輪葉片吸力面的靜壓分布,隨著頂部間隙的增大,泄漏流在進一步惡化,其對葉片的影響也在逐步擴張。

相比一級葉輪,二級葉輪泄漏流對頂部間隙變化的敏感度有所增加,也就是說在相同程度下,頂部間隙引起的泄漏流在二級葉輪處對主流的影響可能會更大。

因此,在工藝所能達到的條件下,盡可能的減小葉頂間隙有利于風機葉輪性能的改善。

。

外部性能的變化曲線是對風機頂部間隙變化影響最有力的說明,通過曲線的鮮亮對比,我們可以清楚地了解到頂部間隙是如何影響風機性能曲線的。

出口面靜壓值的大小直接影響著風機效率的凹凸。

圖7所示為對旋風機在不同頂部間隙下出口靜壓隨流量的變化曲線,從圖中可以明顯的看出,在風機流量確定的前提下,出口面的靜壓隨著葉頂間隙的增大在不同程度的降低,且隨著頂部間隙的增大,靜壓值降低的幅度在漸漸增大。

,頂部間隙越小,出口面靜壓值隨流量的變化越猛烈,隨著間隙的增大,其變化過程趨于平緩,,頂部間隙變化對出口靜壓值的影響程度減弱,流量的變化對靜壓值影響幅度占到了主導地位。

單就影響值來說,間隙的不同是導致其靜壓值不同的主要因素。

對于任何一個能量轉(zhuǎn)換機械,效率永久都是鑒定其有用價值的一個重要指標。

圖8為風機在不同間隙下的效率變化曲線。

對比分析四條曲線可以看出,隨著葉頂間隙的增大,風機的效率在明顯下降,,對于不同間隙,隨著流量的增加效率都會相應的增大,,且隨著頂部間隙的增大,其變化幅度也相應增加。

因此,單就效率而言,合適的頂部間隙,合適的流量有助于提高風機的效率。

對于風機而言,另一個重要的性能參數(shù)就是全壓值的分布,如圖9所示為風機全壓的變化曲線,從圖中可以看出,全壓隨頂部間隙的變化趨勢大體上和靜壓相同。

隨著頂部間隙的增大,風機全壓值也在明顯下降,頂部間隙越小,全壓值越高。

同時可以看出,對于同一葉頂間隙,全壓值的大小與風機的流量呈明顯的反比關系,流量越大,全壓越小。

在同一葉頂間隙下,適當?shù)慕档土髁坑兄谌珘褐档奶岣呖梢栽黾铀惋L距離。

%、%、%%四種不同間隙下的對旋風機內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬計算分析,可以得出以下幾個結論:1隨著葉頂間隙的增大,對旋風機的效率和全壓均有所下降,且下降的幅度在漸漸增大。

流量范圍內(nèi),對旋風機的效率和全壓存在一個最大值。

因此在工藝所能達到的精度內(nèi)盡可能的減小頂部間隙和選擇合適的流量值有利于對旋風機性能的提升。

2泄漏流產(chǎn)生于葉片頂部吸力面靠近機殼尾緣處,且隨著頂部間隙的增大,泄漏流在漸漸惡化,達到肯定程度可能產(chǎn)生泄漏渦,不管是泄漏流還是泄漏渦都會與主流發(fā)生干涉,進而影