杜佳輯

（山西省能源職業(yè)學(xué)校/山西省能源職工教育中心， 山西 太原 030012）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦的核心，主要用于向下輸入新鮮空氣的同時將井下綜采作業(yè)過程中產(chǎn)生的有毒有害氣體排除巷道，其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了井下綜采作業(yè)的安全性。對旋式通風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可拆卸性能好、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)點(diǎn)，是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，在運(yùn)行過程中通過前后兩級葉輪的運(yùn)行來實現(xiàn)對通風(fēng)安全性的控制，葉輪上的動葉安裝角度不同風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時的通風(fēng)特性也不同，目前對旋式通風(fēng)機(jī)設(shè)計時主要是考慮了風(fēng)機(jī)葉片形狀對通風(fēng)特性的影響，對不同動葉安裝角度下的通風(fēng)特性研究不足，因此導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的最高轉(zhuǎn)速、運(yùn)行噪聲、運(yùn)行穩(wěn)定性不足的問題，無法進(jìn)一步提升礦井通風(fēng)的可靠性。

本文利用流體仿真分析軟件，對通風(fēng)機(jī)不同動葉安裝角度情況下的通風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著風(fēng)機(jī)動葉安裝角的變大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時做功能力不斷增加，葉片表面的靜壓分布梯度變大，當(dāng)風(fēng)機(jī)的動葉安裝角設(shè)置為0°時，具有最佳的運(yùn)行通風(fēng)特性，為進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、提升運(yùn)行穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)，具有較大的應(yīng)用推廣價值。

1 仿真分析模型構(gòu)建

本文以FBCDZ-10 系列礦用對旋式通風(fēng)機(jī)為研究對象，風(fēng)機(jī)的葉輪直徑為2 000 mm，第一級葉輪的葉片數(shù)量為19 個，第二級葉輪的葉片數(shù)量為17 個，風(fēng)機(jī)葉輪的輪轂比為0.617，風(fēng)機(jī)在額定工況下的流量為63 m3/s，額定工況下的轉(zhuǎn)速為870 r/min。利用三維建模軟件建立該通風(fēng)機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型，建立完成后將其導(dǎo)入到FLUENT 仿真分析軟件內(nèi)，利用四面體網(wǎng)格劃分的方法對風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分[1］，提升仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，整個風(fēng)機(jī)共劃分了7 636 000 個網(wǎng)格，其流道分析模型如圖1 所示。

圖1 風(fēng)機(jī)流道幾何模型

為了滿足對風(fēng)機(jī)運(yùn)行時流體分析準(zhǔn)確性的需求，采用κ-ε 模型構(gòu)成流體分析控制方程，以風(fēng)機(jī)在額定工況下的最高流量為風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的質(zhì)量流量，然后將出口處設(shè)置為自由出流條件，在模型上設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域，在交接面采用INface 定義[2]，對風(fēng)機(jī)運(yùn)行時速度-壓力之間的關(guān)系采用SIMPLEC 算法進(jìn)行運(yùn)算，分析時的步長取0.000 5 s。

2 仿真結(jié)果分析

現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的動葉安裝角為-1°，為了對動葉安裝角設(shè)置合理性進(jìn)行研究，通過研究后，對風(fēng)機(jī)動葉葉片安裝角在-1°、0°、1°情況下的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行分析。風(fēng)機(jī)在相同工況下擴(kuò)散裝置出口位置的速度分布云圖，如圖2 所示。

圖2 不同動葉安裝角下的速度分布云圖

由圖2 仿真分析結(jié)果可知，不同安裝角下風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的氣流流道趨勢基本相同，風(fēng)機(jī)葉片安裝角越大，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的氣流流速就越大，導(dǎo)致在集流裝置出口處的氣流旋轉(zhuǎn)劇烈，這主要是由于安裝角越大，葉片在轉(zhuǎn)動過程中對氣流的做功能力越強(qiáng)[3-4]，使出口位置的氣流速度增加。當(dāng)葉片安裝角為0°時，風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣流分布較為均勻，當(dāng)葉片安裝角為1°時氣流開始紊亂，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生較大的噪聲和振動。

風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中葉輪上風(fēng)葉壓力面分布仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同安裝角下風(fēng)葉壓力面壓力分布結(jié)果

由圖3 仿真分析結(jié)果可知，不同安裝角的情況下，風(fēng)機(jī)葉片壓力面均會沿著氣流的流動方向不斷增大，在沿著葉片高度方向上形成一個較大的壓力梯度范圍，而且其運(yùn)行時的負(fù)壓區(qū)出現(xiàn)在葉片的葉頂間隙處。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片安裝角為1°的情況下各葉片上的壓力分布均勻性最好，而且在葉頂隙處的負(fù)壓范圍廣，有利于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時效率的提高[5-6]。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中葉輪單個葉片上的靜壓分布如圖4 所示。

圖4 不同安裝角下單個葉片吸力面及壓力面壓力分布結(jié)果

由圖4 仿真分析結(jié)果可知，隨著葉片動葉安裝角度的增加，其工作時葉片表面的吸力面壓力分布的梯度同樣會顯著地變大，同時安裝角越大風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中氣流在葉片表面形成的吸力面壓力分布呈現(xiàn)了更高的不均勻性和更顯著的壓力梯度分布，這主要是由于安裝角增加后對氣流的偏轉(zhuǎn)作用更強(qiáng)烈導(dǎo)致的。

綜合以上分析，安裝角越大，葉片在轉(zhuǎn)動過程中對氣流的做功能力越強(qiáng)，運(yùn)行效率越高，其葉片壓力面上壓力分布均勻性會提高，而吸力面上的壓力分布不均勻性也會提升，但當(dāng)安裝角超過0°后，會導(dǎo)致運(yùn)行時的振動、噪聲增加，因此綜合分析后，當(dāng)葉片安裝角度為0°時具有最佳的運(yùn)行特性。

3 結(jié)論

針對礦用對旋式通風(fēng)機(jī)運(yùn)行振動大、噪聲高的現(xiàn)狀，提出利用流體仿真分析軟件對不同安裝角情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行研究，根據(jù)仿真分析結(jié)果表明：

1）在對仿真分析進(jìn)行設(shè)置時，為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用κ-ε 模型構(gòu)成流體分析控制方程，對風(fēng)機(jī)運(yùn)行時速度-壓力之間的關(guān)系采用SIMPLEC算法進(jìn)行運(yùn)算。

2）當(dāng)葉片安裝角為0°時，風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣流分布較為均勻，當(dāng)葉片安裝角為1°時氣流開始紊亂，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生較大的噪聲和振動。

3）葉片安裝角越大，葉片在轉(zhuǎn)動過程中對氣流的做功能力越強(qiáng)，運(yùn)行效率越高，其葉片壓力面上壓力分布均勻性會提高，而吸力面上的壓力分布不均勻性也會提升。

4）當(dāng)風(fēng)機(jī)的動葉安裝角設(shè)置為0°時，具有最佳的運(yùn)行通風(fēng)特性，為風(fēng)機(jī)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。