通風(fēng)機軸流式轉(zhuǎn)子輪轂靜力學(xué)分析及優(yōu)化措施*

王雅孝

(蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

通風(fēng)系統(tǒng)作為井下空氣的交換樞紐,主要負(fù)責(zé)排除井下有害氣體,輸送新鮮空氣進入井下,它是井下作業(yè)安全與人員安全的有效保證。主通風(fēng)機是實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)功能的主要設(shè)備,其工作的可靠性至關(guān)重要。軸流式通風(fēng)機的多項性能指標(biāo)均衡穩(wěn)定,因此煤礦企業(yè)多采用此類型通風(fēng)機承擔(dān)主要任務(wù)。

而軸流式通風(fēng)機受到工作環(huán)境等復(fù)雜因素影響,在實際運行過程中仍存在一些問題,特別是風(fēng)機耗能的情況相對較為突出。為有效解決此類問題,對軸流式通風(fēng)機轉(zhuǎn)子輪轂的中空區(qū)域進行優(yōu)化處理,尋求可能的優(yōu)化路徑,以期為企業(yè)節(jié)能降耗提供可行的實施辦法。

筆者提出了通風(fēng)機轉(zhuǎn)子和輪轂的靜力學(xué)分析方案,通過有限元分析和數(shù)值計算后,確定轉(zhuǎn)子和輪轂的中空區(qū)域需要進行優(yōu)化,并采用多孔材料焊接的方法解決氣流速度偏高而帶來的能量損失,此優(yōu)化結(jié)果可為相關(guān)設(shè)計提供借鑒和參考。

1 方案設(shè)計

此方案主要對煤礦企業(yè)普遍應(yīng)用的FBDCZ36型礦用軸流式通風(fēng)機展開研究。其中,以該軸流式通風(fēng)機的第一級轉(zhuǎn)子為研究對象,對其中空區(qū)域做進一步補充研究,具體相關(guān)參數(shù)如表1所列[1-2]。

表1 FBDCZ36型礦用軸流式通風(fēng)機轉(zhuǎn)子主要參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù),結(jié)合此FBDCZ36型礦用軸流式通風(fēng)機的結(jié)構(gòu)設(shè)計,確定在該型軸流式通風(fēng)機中,轉(zhuǎn)子和輪轂內(nèi)部均存在中空區(qū)域。其研究區(qū)域重點在于兩級轉(zhuǎn)子和級間的區(qū)域,考慮到計算結(jié)果的現(xiàn)實意義,對計算區(qū)域進行重新調(diào)整。即在轉(zhuǎn)子兩端做適當(dāng)延伸,確定計算分析區(qū)域為通過進出口、集流器的區(qū)域。整流罩、葉輪和內(nèi)外風(fēng)筒組成的封閉區(qū)域如圖1所示。

圖1 軸流式通風(fēng)機流場的計算區(qū)域示意圖1.空氣氣流進口 2.整流罩 3.集流器 4.內(nèi)風(fēng)筒 5.葉輪 6.外風(fēng)筒 7.空氣氣流出口

由理論分析可知,當(dāng)通風(fēng)機運行時,隨著轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的運動,通流區(qū)域和中空區(qū)域的空氣都將受其影響而發(fā)生運動,而對中空區(qū)域氣體做功并不產(chǎn)生實際意義,造成了能量的無謂消耗。由此,需對中空區(qū)域進行數(shù)值模擬計算。通過參考相關(guān)文獻,確定轉(zhuǎn)子的中空區(qū)域以葉片外部輪廓圍合而成的區(qū)域作為計算區(qū)域。在輪轂的模擬計算中,考慮到輪轂內(nèi)空腔受到轉(zhuǎn)子加強筋結(jié)構(gòu)的影響,可將其視為17個相同區(qū)域,因此僅分析其中單個區(qū)域即可,并對此做進一步簡化,將加強筋抽象為分析區(qū)域的外邊界。經(jīng)過以上建模分析后,確定數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子(a)和輪轂(b)的中空區(qū)域數(shù)值計算模型圖

2 轉(zhuǎn)子和輪轂的靜力學(xué)分析

結(jié)合已確定的轉(zhuǎn)子和輪轂中空區(qū)域幾何模型,應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對其進行網(wǎng)格劃分,其中轉(zhuǎn)子中空區(qū)域內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進行劃分,而輪轂中空區(qū)域則采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進行劃分。得到網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子中空區(qū)域(a)和輪轂中空區(qū)域(b)的網(wǎng)格劃分示意圖

網(wǎng)格劃分完成后,采用非定常計算模式對轉(zhuǎn)子和輪轂的中空區(qū)域進行數(shù)值模擬計算。計算過程主要采用大渦模擬(LES)方法進行求解,其中控制方程經(jīng)過均勻盒式過濾器進行處理,使用Smagorinsky-Lilly模型作為亞格子模型,并應(yīng)用壓力修正的SIMPLE算法進行求解。動量方程中的擴散項采用中心差分格式進行離散化,對流項采用有界中心差分格式進行離散化,源項經(jīng)過局部線性化處理。時間離散方面,采用二階隱式格式進行處理。計算空間坐標(biāo)系采用單一旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系來表示。同時,為加快算法的收斂速度,采用多重網(wǎng)格方法,計算中壁面采用無滑移邊界條件,近壁處理采用壁面函數(shù)法。

另一方面,為進一步提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,非定常計算的葉輪的總推進時間被設(shè)定為五個旋轉(zhuǎn)周期,在該時間段內(nèi)逐漸增加推進時間步長。在最后一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),研究重點關(guān)注轉(zhuǎn)子和輪轂中的空區(qū)域問題,并進行相應(yīng)的時間步進計算,將其設(shè)置為4.324×10-4s。據(jù)此,針對轉(zhuǎn)子和輪轂中空區(qū)域的問題分析均取自最后一個旋轉(zhuǎn)周期。

上述分析過程求解后,首先分析轉(zhuǎn)子和輪轂中空區(qū)域的能量損失情況。根據(jù)前文理論可知,通風(fēng)機該區(qū)域的能量損失主要表現(xiàn)形式為中空區(qū)域內(nèi)壁面對中空區(qū)域氣體所做的功。據(jù)此根據(jù)如下公式對能量損失進行計算:

式中:M為單個計算區(qū)域的平均扭矩,N·m;n為通風(fēng)機轉(zhuǎn)速,r/min;z表示葉片數(shù)。代入已知數(shù)據(jù)后求得轉(zhuǎn)子中空區(qū)域和輪轂中空區(qū)域的平均能量損失分別為3.345 kW和2.259 kW,而此時轉(zhuǎn)子對通流區(qū)域氣體做功約為98 kW。由此可見,雖然中空區(qū)域和輪轂中空區(qū)域的平均能量損失相對較低,但這種能量損失問題已經(jīng)不容忽視。同時,進一步分析中空區(qū)域的相對速度分布情況結(jié)果,結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 轉(zhuǎn)子中空區(qū)域內(nèi)的相對速度分布圖

圖5 輪轂中空區(qū)域內(nèi)的相對速度分布圖

綜合判斷分析發(fā)現(xiàn),在通風(fēng)機運行過程中,轉(zhuǎn)子和輪轂的相對速度波動情況均較為突出。這表明轉(zhuǎn)子和輪轂中空區(qū)域內(nèi)壁面對氣體做功的力并非單一受力,而是正應(yīng)力和切應(yīng)力(分別對應(yīng)壓力與摩擦力),根據(jù)解算后確定兩種力的做功比例分別為78.46%和21.54%。

其次,基于剖面圖分析法對通風(fēng)機運行過程中轉(zhuǎn)子和輪轂的相對運行速度進行分析。該剖面圖由葉片中空區(qū)域和輪轂中空區(qū)域的垂直線相交所組成,用以描述在特定時刻下的相對速度矢量圖和分布云圖。同時,考慮到此次分析的中空區(qū)域具有狹長的特點,因此,應(yīng)用局部放大視圖對其進行分析,得到的分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子中空區(qū)域(a)和輪轂中空區(qū)域(b)的相對速度云圖

根據(jù)圖6的分析結(jié)果可知,在轉(zhuǎn)子中空區(qū)域內(nèi),相對速度的矢量較為雜亂,雖未形成明顯的軸向渦流,但整個中空區(qū)域部分節(jié)點的相對速度值已經(jīng)達到2 m/s。造成這種現(xiàn)象的主要原因是葉片內(nèi)部存在一定的狹窄空間,使通風(fēng)機運行時空氣與轉(zhuǎn)子之間的相對運動較為明顯。在輪轂中空區(qū)域內(nèi),由于空間尺寸較大,軸向渦流便會出現(xiàn)在系統(tǒng)中。然而,由于湍流脈動的存在,該區(qū)域也受到了氣流的雜亂影響,因此軸向渦流并不十分顯著。相比之下,輪轂中的空區(qū)域具有較高的相對速度值,最高節(jié)點的相對速度達到了6 m/s,并由此引起明顯的摩擦損失。綜上所述,問題的重點是應(yīng)該處理軸流式通風(fēng)機轉(zhuǎn)子和輪轂中那些具有較高相對速度的區(qū)域[3-5]。

3 優(yōu)化結(jié)果與討論

結(jié)合以上分析并參考已有研究文獻,確定采用多孔材料對轉(zhuǎn)子和輪轂的中空區(qū)域進行處理,以解決氣流速度偏高而帶來的能量損失。此次選用Fe3Al多孔材料,基于真空焊接工藝,并使用Cu-S-Ag混合粉末作為焊接材料,實現(xiàn)多孔材料對轉(zhuǎn)子和輪轂之間的有效連接與填充,重點需對測得的轉(zhuǎn)子及輪轂內(nèi)中空區(qū)域的氣流相對速度較高的節(jié)點進行。在焊接完成后,對其進行力學(xué)分析,結(jié)果顯示,真空釬焊后焊縫的最大抗拉強度可達86.2 MPa,其力學(xué)強度能夠滿足通風(fēng)機實際運行需要。初步推斷,主要原因是在真空焊接過程中,在液相擴散模式下,母材和焊接材料通過元素的相互擴散和反應(yīng)進入多孔材料與致密結(jié)合部分的界面及部分多孔材料孔道,形成穩(wěn)固的焊接界面,從而提高了力學(xué)強度。

在確定此處理方法在力學(xué)方面具有可行性后,對其實際應(yīng)用效果進行測試。首先應(yīng)用CFD三維非定常數(shù)值計算方法分析氣流相對速度,結(jié)果顯示,在優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子和輪轂中,其相對速度最大值有明顯降低,分別為1.32 m/s和3.67 m/s。在此基礎(chǔ)上,進一步分析能耗情況,分析結(jié)果如表2所列。

表2 優(yōu)化前后的能耗變化 /kW

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)結(jié)果可知,在采用多孔材料優(yōu)化模式后,通風(fēng)機在此方面的能耗顯著降低,表明此次研究方法在通風(fēng)機節(jié)能降耗方面有一定的參考價值。

4 結(jié) 語

針對礦用軸流式通風(fēng)機在轉(zhuǎn)子和輪轂設(shè)計方面存在的問題及改進要求,基于數(shù)值計算和有限元分析方法,對礦用軸流式通風(fēng)機轉(zhuǎn)子和輪轂的中空部分進行靜力學(xué)分析,明確其額外能耗的具體情況及產(chǎn)生原因。通過分析原因確定采用多孔材料進行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果顯示,此設(shè)計在節(jié)能方面取得了一定的進展,表明基于多孔材料的優(yōu)化模式具有一定的可行性。今后的研究重點需要繼續(xù)從理論機理等方面做進一步深入探討。