基于Fluent 的軸流式通風(fēng)機(jī)葉片展向結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)安全性能的影響

連海全

（山西寧武德盛煤業(yè)有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

礦用通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是為礦井下的空氣流通提供動(dòng)力源，其被譽(yù)為礦井之肺。由此可見(jiàn)，在綜采作業(yè)過(guò)程中，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的工作可靠性直接關(guān)系到井下綜采作業(yè)能否順利進(jìn)行。隨著綜采作業(yè)深度、巷道長(zhǎng)度的不斷增加，其工作時(shí)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)工作的安全性和經(jīng)濟(jì)性也提出了更高的要求[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，由于在對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)供風(fēng)時(shí)，需要在最大流量的基礎(chǔ)上預(yù)留30%左右的安全余量，而在井下綜采作業(yè)的前期，通風(fēng)系統(tǒng)通常處于低效運(yùn)行區(qū)域，極大增加了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的電能消耗。

作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的核心，軸流式通風(fēng)機(jī)工作時(shí)的通風(fēng)特性[2]，直接決定了礦井通風(fēng)系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。本文利用Fluent 仿真分析軟件對(duì)風(fēng)機(jī)葉片在切頂和加粗輪轂情況下的風(fēng)機(jī)工作特性進(jìn)行研究，針對(duì)性地提出優(yōu)化改善方案，極大提升了風(fēng)機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1 風(fēng)機(jī)葉片展向結(jié)構(gòu)研究方向分析

對(duì)軸流式通風(fēng)機(jī)葉片展向結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究主要包括對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行切頂研究以及將其輪轂進(jìn)行加粗研究?jī)蓚€(gè)方面，因此本文分別對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的割頂量為10%、15%、20%情況下的風(fēng)機(jī)通風(fēng)性能進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)兩種輪轂在不同粗細(xì)情況下的通風(fēng)性能進(jìn)行研究[3]。

本文以某型軸流式通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，其風(fēng)機(jī)具有15 組導(dǎo)葉片以及14 組的動(dòng)葉片，風(fēng)葉的翼形為對(duì)稱式蟬葉結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)工作時(shí)的額定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，其輪轂的直徑為800 mm，風(fēng)機(jī)葉輪的直徑為1 600 mm，額定工況下的流量為37.63 m3/s。以此為基礎(chǔ)對(duì)風(fēng)機(jī)在不同葉片頂切割和輪轂加粗后的風(fēng)機(jī)通風(fēng)性能進(jìn)行研究，風(fēng)機(jī)改造方案如圖1 所示，改造前后風(fēng)機(jī)的葉片性能參數(shù)如表1 所示。

圖1 軸流式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

表1 優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

利用三維建模軟件建立其三維仿真分析模型，對(duì)其進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，并建立軸流式通風(fēng)機(jī)工作時(shí)的全壓效率分析模型。

2 風(fēng)機(jī)通風(fēng)性能的分析

利用FLUENT 仿真分析軟件[4]對(duì)該風(fēng)機(jī)在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的通風(fēng)性能進(jìn)行研究，在進(jìn)行分析時(shí)，以湍流模型為對(duì)象，并利用SIMPLEC 數(shù)值分析方法進(jìn)行分析求解，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，以整個(gè)風(fēng)機(jī)的進(jìn)口截面位置為計(jì)算區(qū)域進(jìn)口，然后將風(fēng)機(jī)工作時(shí)的進(jìn)口速度、擴(kuò)壓器的出口界面等作為計(jì)算區(qū)域的出口，利用FLUENT 仿真分軟件對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算。風(fēng)機(jī)在優(yōu)化前后的全壓變化曲線如下頁(yè)圖2 所示，其效率的變化曲線如下頁(yè)圖3 所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下風(fēng)機(jī)的全壓變化曲線

圖3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下風(fēng)機(jī)的效率變化曲線

由圖2 可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量大于33 m3/s 且減小風(fēng)機(jī)的高度時(shí)，其工作時(shí)的全壓均出現(xiàn)降低的情況，其流量越大全壓降低的幅度就越大。而當(dāng)其流量小于33 m3/s 時(shí)，風(fēng)機(jī)在原始的結(jié)構(gòu)狀態(tài)下其風(fēng)機(jī)運(yùn)行將出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定的工況，通過(guò)對(duì)葉片的頁(yè)頂切割以及加粗輪轂直徑均能夠降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的性能狀態(tài)。因此，降低葉片的高度能夠有效改善風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的通風(fēng)性能參數(shù)，對(duì)輪轂直徑的修改顯著優(yōu)于對(duì)葉片切頂高度的修改。

由圖4 可知，當(dāng)通風(fēng)機(jī)工作時(shí)的流量大于33 m3/s 時(shí)，葉片的高度越小其效率就越小，而且其流量越大，風(fēng)機(jī)工作時(shí)的效率變化就越大，且對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂直徑的改變優(yōu)于對(duì)風(fēng)機(jī)葉片切頂方式的改變。當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量小于33 m3/s 時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率隨著其輪轂直徑的增加而降低，隨著風(fēng)機(jī)葉頂切割量的增加而增大。由此分析可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)的工作流量大于3 m3/s 時(shí)，對(duì)風(fēng)機(jī)葉頂?shù)那懈钅軌蝻@著降低風(fēng)機(jī)通風(fēng)時(shí)的性能參數(shù)，且風(fēng)機(jī)工作時(shí)的流量越大，其效率下降就越大，經(jīng)濟(jì)性就越低；而采用輪轂加粗的方案，風(fēng)機(jī)在工作時(shí)的性能參數(shù)顯著優(yōu)于葉頂切割方案。當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量小于33 m3/s 時(shí)，通過(guò)對(duì)葉頂切割的方案和輪轂加粗的方案均能夠顯著改善風(fēng)機(jī)在工作時(shí)的不穩(wěn)定性。綜合分析后可知，采用輪轂直徑變更時(shí)風(fēng)機(jī)的工作效率更高，其工作時(shí)的經(jīng)濟(jì)性更好。由于礦用通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)的流量絕大多數(shù)情況下均小于設(shè)計(jì)值，因此選擇輪轂直徑變更的優(yōu)化方案，能夠最大限度提升風(fēng)機(jī)在工作時(shí)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的總壓升系數(shù)分析

軸流式通風(fēng)機(jī)在工作時(shí)的總壓升系數(shù)可表示為：

式中：p1t為軸流式通風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的總壓力，Pa；p2t為軸流式通風(fēng)機(jī)出口處的總壓力，Pa；ρ 為軸流式風(fēng)機(jī)的空氣密度，kg/m3；v 為風(fēng)機(jī)葉輪的圓周速度，m/s；不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下風(fēng)機(jī)做功能力的強(qiáng)弱如圖4 所示。

圖4 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下壓升系數(shù)與流量變化關(guān)系

由圖4 可知，軸流式通風(fēng)機(jī)在不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，其總的壓升系數(shù)和工作時(shí)的流量呈現(xiàn)線性關(guān)聯(lián)，其工作時(shí)的流量越大壓升系數(shù)就越小，且對(duì)輪轂加粗后的壓升下降率隨著輪轂直徑的增加下降更快，與現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)相比，葉頂切割后的壓升均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)機(jī)的工作流量為30 m3/s，葉頂切割10%時(shí)，壓升降低了約8.5%；當(dāng)葉頂切割15%時(shí)，壓升降低了約10.5%；當(dāng)葉頂切割20%時(shí)，壓升降低了約15.6%。而當(dāng)風(fēng)機(jī)的流量為36 m3/s 時(shí)，葉頂切割10%時(shí)，壓升降低了約8.8%；當(dāng)葉頂切割15%時(shí)，壓升降低了約15.5%；當(dāng)葉頂切割20%時(shí)，壓升降低了約25.4%。由此分析可知，風(fēng)機(jī)工作時(shí)的流量越低其壓升下降的幅度就越小。而當(dāng)對(duì)風(fēng)機(jī)的輪轂直徑更改時(shí)，其在各階段的全壓均高于相應(yīng)的葉頂切割結(jié)果。由此可知，當(dāng)對(duì)風(fēng)機(jī)的葉片高度進(jìn)行變更時(shí)，會(huì)導(dǎo)致葉輪工作時(shí)的通風(fēng)能力降低。所以，風(fēng)機(jī)輪轂直徑的變化對(duì)風(fēng)機(jī)通風(fēng)性能的影響要優(yōu)于改變風(fēng)機(jī)葉輪直徑的情況。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化改變，對(duì)其風(fēng)機(jī)工作時(shí)的通風(fēng)特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

1）降低葉片的高度能夠有效改善風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的通風(fēng)性能參數(shù)，對(duì)輪轂直徑的修改顯著優(yōu)于對(duì)葉片切頂高度的修改。

2）選擇輪轂直徑變更的優(yōu)化方案，能夠最大限度提升風(fēng)機(jī)在工作時(shí)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

3）當(dāng)對(duì)風(fēng)機(jī)的輪轂直徑變更時(shí)，會(huì)導(dǎo)致葉輪工作時(shí)的通風(fēng)能力降低，所以，風(fēng)機(jī)輪轂直徑的變化對(duì)風(fēng)機(jī)通風(fēng)性能的影響要優(yōu)于改變風(fēng)機(jī)葉輪直徑的情況。

（編輯：王瑾）