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    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

    2020-03-14 10:25:56黃曉鵬
    機(jī)械管理開發(fā) 2020年1期
    關(guān)鍵詞:葉頂全壓凹槽

    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。

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