礦用軸流式通風(fēng)機(jī)葉頂開槽深度對通風(fēng)特性影響的研究

黃曉鵬

（陽煤集團(tuán)開元公司通風(fēng)部抽采隊(duì)， 山西 壽陽 045400）

引言

礦井通風(fēng)機(jī)主要作用是通過高速旋轉(zhuǎn)形成持續(xù)的風(fēng)流，為煤礦井下提供新鮮的空氣，降低井下粉塵和瓦斯的濃度，確保井下綜采作業(yè)的安全。為了充分確保井下的通風(fēng)安全，在我國現(xiàn)行的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的較大的風(fēng)機(jī)流量和壓頭余量系數(shù)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行持續(xù)處在低流量工況下，不僅造成風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的喘振、穩(wěn)定性差，而且導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低下，能耗較大[1]。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)機(jī)葉片的頂部設(shè)置雙凹槽能夠優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的通風(fēng)特性，降低風(fēng)機(jī)工作時的全壓并提升工作效率。但由于并沒有對風(fēng)機(jī)葉片開槽深度對風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性的影響進(jìn)行分析，因此在實(shí)際使用中存在著較大的隱患。開槽深度太淺無法有效提升風(fēng)機(jī)工作效率，開槽深度太深則極易降低葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致高速運(yùn)轉(zhuǎn)時出現(xiàn)斷裂[2]。因此本文利用工ANSYS仿真分析軟件和流體分析軟件對風(fēng)機(jī)在不同開槽深度下的影響特性進(jìn)行分析，確定最佳開槽深度，以滿足風(fēng)機(jī)高效、高可靠性的運(yùn)行要求。

1 仿真分析模型的建立

本文以YSF-5014型軸流式通風(fēng)機(jī)為研究對象，對其在風(fēng)機(jī)葉片頂部不開槽及開不同深度雙凹槽情況下的通風(fēng)特性進(jìn)行研究，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，其風(fēng)機(jī)的主葉輪的直徑為1 400 mm，葉片的葉頂間隙為3.5 mm，總共的葉片數(shù)量為16個，風(fēng)機(jī)的額定工作轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，導(dǎo)葉葉片的安裝角度為28°，風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)流量為37.1 m3/s。建立軸流式通風(fēng)的整體三維結(jié)構(gòu)模型后分別設(shè)置凹槽深度為1 mm、2.5 mm、4 mm三種深度的雙凹槽葉片結(jié)構(gòu)，其開槽的長度均為葉頂長度的68%，風(fēng)機(jī)原葉片結(jié)構(gòu)及開槽后的葉片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軸流式通風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)示意圖

在劃分網(wǎng)格的時候，綜合考慮計(jì)算精度和仿真分析效果，重點(diǎn)需要對葉片頂部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加強(qiáng)，在頂部區(qū)域采用了Tet網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而在風(fēng)機(jī)的集流器、風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉和風(fēng)筒位置則采用了Hybrid網(wǎng)格劃分方法[3]，使各個區(qū)域的網(wǎng)格尺寸能夠有效地銜接，滿足風(fēng)機(jī)仿真分析要求。劃分完成后將三維模型導(dǎo)入到Fluent仿真分析軟件[4]中進(jìn)行模擬仿真分析，確定不同凹槽深度情況下風(fēng)機(jī)的通風(fēng)特性。

2 不同凹槽深度下風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和效率變化

為了使仿真分析結(jié)果更符合實(shí)際情況，在進(jìn)行仿真分析時，選擇在風(fēng)機(jī)最常用的工作流量范圍30～4 430 m3/s內(nèi)對風(fēng)機(jī)在不同葉頂凹槽深度下的效率變化情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同開槽深度下風(fēng)機(jī)的效率分布表

由分析結(jié)果可知，對葉頂進(jìn)行開槽后，風(fēng)機(jī)在個流量工況低于37 m3/s情況下的運(yùn)行效率均高于不開槽的情況，當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量工況超過37 m3/s時，風(fēng)機(jī)開槽后的運(yùn)行效率將全面低于開槽前，因此可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)在中小流量工況下運(yùn)行時，對葉片端部開槽能夠有效提升風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。

在小流量工況下，當(dāng)流量工況相同時，風(fēng)機(jī)葉頂開槽深度為2.5 mm的情況下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率均高于開槽深度為1 mm、4 mm情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，而且當(dāng)風(fēng)機(jī)流量為34 m3/s時的運(yùn)行效率最高，達(dá)到了83.14%，比優(yōu)化前提升了0.93%。

風(fēng)機(jī)在凹槽深度為2.5 mm及凹槽深度為0 mm情況下的全壓變化情況如圖2所示，在進(jìn)行分析時的風(fēng)機(jī)工作時的各項(xiàng)參數(shù)均與進(jìn)行效率分析時的工作參數(shù)相同，以確保仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 不同凹槽深度情況下的風(fēng)機(jī)全壓變化曲線

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片頂部的開槽深度為0 mm時，風(fēng)機(jī)在工作過程中的最高全壓約為2 473 Pa，此時風(fēng)機(jī)的工作流量qA約為33.2 m3/s。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片頂部的開槽深度為2.5 mm時，風(fēng)機(jī)在工作過程中的最高全壓約為2 451 Pa，此時風(fēng)機(jī)的工作流量qB約為31.8 m3/s。且當(dāng)流量低于33.2 m3/s時，風(fēng)機(jī)在切頂2.5 mm時的全壓高于切頂前，當(dāng)流量大于33.2 m3/s時，風(fēng)機(jī)在切頂2.5 mm時的全壓低于切頂前。

由于采用切槽后的最小流量31.8 m3/s比切槽前的33.2 m3/s降低了約1.4 m3/s，由此可知當(dāng)采用葉頂切槽后風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定流量區(qū)間比開槽前增加了1.4 m3/s，因此能夠有效地提升風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，降低了低流量工況下發(fā)生喘振的概率。

3 結(jié)論

1）風(fēng)機(jī)在個流量工況低于36 m3/s情況下的運(yùn)行效率均高于不開槽的情況，當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量工況超過37 m3/s時，風(fēng)機(jī)開槽后的運(yùn)行效率將全面低于開槽前，因此可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)在中小流量工況下運(yùn)行時，對葉片端部開槽能夠有效提升風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。

2）風(fēng)機(jī)葉頂開槽深度為2.5 mm的情況下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率均高于開槽深度為1 mm、4 mm情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，達(dá)到了83.14%，比優(yōu)化前提升了0.93%。

3）當(dāng)采用葉頂切槽后風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定流量區(qū)間比開槽前增加了1.4 m3/s，因此能夠有效地提升風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，降低了低流量工況下發(fā)生喘振的概率。