徐志國(guó)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

我國(guó)對(duì)于煤炭的需求量巨大，在煤炭的開(kāi)采及使用中，通風(fēng)機(jī)是保證礦井安全及降低環(huán)境污染的重要設(shè)備，通風(fēng)機(jī)的性能優(yōu)劣對(duì)于煤炭的高效開(kāi)采及降低污染、提高安全性具有重要的影響[1]。軸流式通風(fēng)機(jī)是進(jìn)行礦井開(kāi)采常用的類(lèi)型，在通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同的參數(shù)作用對(duì)于其安全性能及通風(fēng)效率的影響各不相同[2]。為了準(zhǔn)確地研究不同參數(shù)對(duì)性能的影響，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的進(jìn)步，采用數(shù)值仿真分析的方式對(duì)氣流落后角的影響性能進(jìn)行分析，從而可以選擇更合理的參數(shù)，提高軸流式通風(fēng)機(jī)的安全性及通風(fēng)效率。

1 不同氣流落后角參數(shù)模型的建立

軸流式通風(fēng)機(jī)在氣流進(jìn)入到風(fēng)機(jī)中，通過(guò)動(dòng)葉片時(shí)獲得動(dòng)能，將氣流的動(dòng)能引導(dǎo)轉(zhuǎn)化為靜壓能，同時(shí)改善軸線(xiàn)速度，保持速度的一致性。不同的葉片弦長(zhǎng)、進(jìn)口氣流角及氣流落后角參數(shù)對(duì)于軸流式通風(fēng)機(jī)的性能影響不同，從而決定了軸流通風(fēng)機(jī)的安全效率[3]。針對(duì)氣流落后角對(duì)通風(fēng)機(jī)性能的影響，設(shè)計(jì)選取三種不同的角度，分別為12°、14°及16°，建立三種不同的氣流落后角的葉輪模型，其三維模型如圖1所示。

圖1 不同氣流落后角的葉輪模型

采用數(shù)值仿真分析的方式對(duì)不同氣流落后角的通風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析，依據(jù)三種不同的葉輪模型，采用相同的軸流式通風(fēng)機(jī)參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。建立軸流通風(fēng)機(jī)的簡(jiǎn)化模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)格保證對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的貼合度，通風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進(jìn)行軸流式通風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格劃分[4]。將通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)簡(jiǎn)化為不可壓定常流動(dòng)，以軸流通風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣口位置作為計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口，出氣口位置作為計(jì)算區(qū)域的出口，并設(shè)定出口為靜壓出口，計(jì)算的流體采用20℃的空氣，由此進(jìn)行氣流落后角的仿真模擬[5]。

2 不同氣流落后角對(duì)安全效率的影響

三種不同的氣流落后角在結(jié)構(gòu)上相差不大，對(duì)葉片的形狀改變較小，但葉片形狀的微小改變對(duì)于通風(fēng)機(jī)的性能具有較大的影響，依據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)氣流落后角的影響進(jìn)行分析。

2.1 氣流落后角對(duì)通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響分析

對(duì)不同氣流落后角的全壓效率仿真結(jié)果進(jìn)行提取后處理，得到如圖2所示的全壓效率變化曲線(xiàn)。從圖2中可以看出，在氣流落后角為14°時(shí)的全壓效率最高，特別是在流量系數(shù)為0.3時(shí)，全壓效率要大幅高于其他兩種角度。在流量較小的工況時(shí)，三種不同的氣流落后角的效率相差不大，且12°時(shí)的全壓效率要高于16°時(shí)的全壓效率；在流量變大時(shí)，三種角度的全壓效率差值逐漸增加，且16°時(shí)的全壓效率要大于12°時(shí)的全壓效率。在大流量的工況下，大角度的全壓效率要高，仍以14°的全壓效率最高，且其最高點(diǎn)的位置逐漸右移，說(shuō)明大的氣流落后角對(duì)大流量工況有利。

圖2 不同氣流落后角的全壓效率變化曲線(xiàn)

如圖3所示為不同氣流落后角時(shí)的軸流通風(fēng)機(jī)的全壓曲線(xiàn)，從圖3中可以看出，在三種不同的氣流落后角下，處于全流量的工況時(shí)，14°時(shí)的全壓系數(shù)要大于其他兩種角度；在流量系數(shù)為0.21時(shí)，三種氣流落后角都達(dá)到了最大值，發(fā)生了旋轉(zhuǎn)的失速，發(fā)生流動(dòng)的分離；隨著流量的增加，三種氣流落后角的全壓系數(shù)都逐漸降低，且以12°時(shí)的全壓系數(shù)降低最大，下降速度最快，以14°時(shí)的全壓系數(shù)最大，16°時(shí)的全壓系數(shù)處于中間位置。

圖3 不同氣流落后角的全壓系數(shù)變化曲線(xiàn)

通過(guò)上述的分析可知，在全流量的工況下，14°氣流落后角時(shí)的全壓效率及全壓系數(shù)要大于12°及16°時(shí)的兩種工況，這是由于落后角的增加，葉片的彎角越大，其做功能力也逐漸增加；當(dāng)氣流落后角過(guò)大時(shí)，單個(gè)葉片的吸力產(chǎn)生氣流分離，使得葉輪的增壓能力和效率有所下降，降低了風(fēng)機(jī)的流量[6]。由此可知，在軸流通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于氣流落后角進(jìn)行合理取值，能大幅地提高風(fēng)機(jī)的全壓效率和全壓系數(shù)，提高通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，提高礦井的開(kāi)采安全及效率。

2.2 氣流落后角對(duì)葉片靜壓的影響分析

不同的氣流落后角作用于葉片上的靜壓分布如圖4所示，其中左側(cè)為葉片的前端位置，右側(cè)為葉片的尾部位置。從圖4中可以看出，在氣流落后角為14°時(shí)葉片的靜壓分布梯度較小，且分布較為均勻；在氣流落后角為12°、16°時(shí)葉片模型的前端位置處出現(xiàn)低壓的區(qū)域，容易造成二次氣流壓力的損失，且葉片的上部存在著高壓區(qū)域，葉片整體的受到的壓力作用差值較大，不利于葉片的使用及壽命。

圖4 不同氣流落后角葉片靜壓分布

3 結(jié)論

在不同的氣流落后角取值中，以14°的氣流落后角數(shù)值最優(yōu)，此時(shí)通風(fēng)機(jī)具有較高的全壓效率及全壓系數(shù)，并且此時(shí)作用在葉片的靜壓力分布均勻，有利于保障葉片的使用及壽命，更好地為礦井的通風(fēng)提供保證。