煤礦安全開采中通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高 宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)北辛窯煤業(yè)公司，山西 忻州 036702）

引言

主要通風(fēng)機(jī)在礦井中的使用一方面保證了開采作業(yè)的安全，但另一方面也制約著煤礦開采的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，主通風(fēng)機(jī)能耗占礦井生產(chǎn)總能耗的1/3，其中電力損耗占總的通風(fēng)能耗的70%[1]，因此對(duì)主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而使其節(jié)能高效的運(yùn)行是當(dāng)前行業(yè)關(guān)注的一大焦點(diǎn)。礦井主要通風(fēng)機(jī)全壓包括動(dòng)壓和靜壓兩部分，靜壓主要用來克服風(fēng)道阻力，是有益風(fēng)壓。而動(dòng)壓則會(huì)在系統(tǒng)出口處隨著氣流流到大氣中，屬于能量損耗。通風(fēng)機(jī)的輔助設(shè)備擴(kuò)散器，可以起到轉(zhuǎn)化部分動(dòng)壓為靜壓的作用，這樣就可以降低能量損耗，增加氣流擴(kuò)散效率。因此，礦井主要通風(fēng)機(jī)在風(fēng)機(jī)口處都安裝有擴(kuò)散器。本文通過分析山西某煤礦現(xiàn)有通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)型式及其工作性能，對(duì)其提出幾種優(yōu)化方案，經(jīng)研究比較，得出了工作性能優(yōu)于原設(shè)計(jì)的方案，有較好應(yīng)用價(jià)值。

1 案例分析

山西某煤礦礦井主要通風(fēng)機(jī)是軸流式通風(fēng)機(jī)，擴(kuò)散器采用了直立式設(shè)計(jì)的擴(kuò)散器，擴(kuò)散器包括擴(kuò)散段和轉(zhuǎn)角彎頭兩部分，轉(zhuǎn)角彎頭內(nèi)設(shè)計(jì)有導(dǎo)流片6片，結(jié)構(gòu)實(shí)際圖見圖1。結(jié)構(gòu)中彎頭風(fēng)道截面是正方形，轉(zhuǎn)角弧度對(duì)應(yīng)90°的圓心角。

圖1 直立式擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)示意圖

擴(kuò)散器的彎頭風(fēng)道結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)流板對(duì)擴(kuò)散器的高效率運(yùn)行起著非常重要的作用。借助CFD工具FLUENT，通過數(shù)值模擬方法（下文各方案均采用此方法）分析6片導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)在工作中對(duì)動(dòng)能損失的影響，圖2是上述結(jié)構(gòu)下氣流數(shù)值模擬的靜壓云圖和速度云圖。當(dāng)氣流流到轉(zhuǎn)角彎道時(shí)，由于慣性規(guī)律，流到擴(kuò)散段的氣流速度并不均勻，速度由圖中左下到右上逐漸減小，即左下側(cè)氣流速度最大。將導(dǎo)流板由左下至右上編號(hào)依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)。則氣流流動(dòng)中，6號(hào)板會(huì)阻礙氣流正常流通，因此6號(hào)板氣流流入側(cè)靜壓急劇增加，氣流將變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)動(dòng)能損失，如圖2-1。此外在擴(kuò)散段中，當(dāng)斷面擴(kuò)大時(shí)氣流風(fēng)速會(huì)減小，而靜壓則會(huì)增大至30 Pa，壓差與流向的關(guān)系將嚴(yán)重影響圖1右上側(cè)氣流流動(dòng)，甚至出現(xiàn)反向流動(dòng)氣流，更加加劇了氣流擴(kuò)散的不穩(wěn)定性[2-3]。分析得出這種結(jié)構(gòu)下僅回收了約2 Pa的能量，只有3%的擴(kuò)散效率，擴(kuò)散器作用微乎其微，因此需要改進(jìn)擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 靜壓云圖及速度云圖示意圖

2 擴(kuò)散器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

該煤礦因用地受限，擴(kuò)散器只能采用直立式，因此考慮從導(dǎo)流板數(shù)量來改進(jìn)，為了準(zhǔn)確總結(jié)導(dǎo)流板對(duì)擴(kuò)散器性能的影響規(guī)律，進(jìn)而研究設(shè)計(jì)出更加有利的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)含5片、4片、3片短圓弧式導(dǎo)流板的擴(kuò)散器（見圖3），再進(jìn)一步研究其效率，從而得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖3 各導(dǎo)流板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 5片導(dǎo)流板設(shè)計(jì)分析

分析6片導(dǎo)流板時(shí)氣流現(xiàn)象，改進(jìn)導(dǎo)流板設(shè)計(jì)，拆除原有6號(hào)導(dǎo)流板，如圖3-1。5片導(dǎo)流板方案的流場(chǎng)與6片導(dǎo)流板的相類似，氣流速度依然由左下至右上逐漸減小，左下轉(zhuǎn)角處仍有較高的氣流速度，見圖4。左下最外側(cè)導(dǎo)流板由于靠近壁面，氣流經(jīng)導(dǎo)流板突然變換位置會(huì)使流場(chǎng)出現(xiàn)波動(dòng)，從而導(dǎo)致擴(kuò)散段的流場(chǎng)不穩(wěn)定。但相比于6片導(dǎo)流板設(shè)計(jì)，此時(shí)左下側(cè)導(dǎo)流板距壁面較遠(yuǎn)，使得導(dǎo)流板氣流流入側(cè)靜壓降至約20 Pa，阻力降低，回收效果提高，此時(shí)回收約13 Pa能量，擴(kuò)散效率為18%。

圖4 5片導(dǎo)流板時(shí)靜壓云圖及速度云圖示意圖

2.3 4片導(dǎo)流板設(shè)計(jì)分析

4片導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案拆除了原設(shè)計(jì)的1號(hào)和6號(hào)導(dǎo)流板，如圖3-2。重新由左下至右上編號(hào)導(dǎo)流板為1號(hào)至4號(hào)。分析4片導(dǎo)流板的靜壓云圖和速度云圖，此時(shí)氣流流過1號(hào)導(dǎo)流板后方產(chǎn)生流暢突變現(xiàn)象，阻力局部減小，同之前方案一致，越靠近左下壁面，氣流速度越大，則導(dǎo)流消耗的能量也較大，但由于1號(hào)導(dǎo)流板此時(shí)距壁面距離更大，因?qū)Я靼瀹a(chǎn)生的氣流局部阻力則繼續(xù)減小，擴(kuò)散段內(nèi)流場(chǎng)的不穩(wěn)定也進(jìn)一步降低。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，此時(shí)回收能量大致14 Pa，擴(kuò)散效率為20%，見圖5。

圖5 4片導(dǎo)流板時(shí)靜壓云圖及速度云圖示意圖

2.4 3片導(dǎo)流板設(shè)計(jì)分析

3片導(dǎo)流板設(shè)計(jì)方案有兩種，一是拆除了原設(shè)計(jì)的2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)導(dǎo)流板，二是拆除原設(shè)計(jì)的1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)導(dǎo)流板[4]，如圖3-3、3-4所示。

對(duì)于拆除2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)導(dǎo)流板的方案，如圖3-3所示。分析其靜壓云圖和速度云圖，3片導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)，左下最外側(cè)導(dǎo)流板后側(cè)流暢的不穩(wěn)定性較之前方案明顯減弱，與4片方案比較，由于右上最外側(cè)導(dǎo)流板靠近壁面，使得氣流流過時(shí)流場(chǎng)不穩(wěn)定性加劇，進(jìn)而影響擴(kuò)散段內(nèi)氣流的擴(kuò)散。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，此時(shí)回收能量大致11 Pa，擴(kuò)散效率為16%。

對(duì)于拆除1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)導(dǎo)流板的方案，如圖3-4所示。分析其靜壓云圖和速度云圖，3片導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)，左下最外側(cè)導(dǎo)流板嚴(yán)重貼近壁面，阻礙氣流流動(dòng)，有較大阻力損失。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，此時(shí)回收能量大致9 Pa，擴(kuò)散效率為13%。結(jié)合原設(shè)計(jì)分析，導(dǎo)流板不宜靠外側(cè)壁過近。

2.5 優(yōu)化結(jié)果

不同導(dǎo)流板數(shù)量及布局?jǐn)?shù)值模擬結(jié)果如下頁表1所示。結(jié)果表明6片導(dǎo)流板時(shí)能耗最大，4片效果最好，其次是5片和3片。

表1 各方案數(shù)值模擬數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

1）通過分析山西某煤礦通風(fēng)機(jī)輔助裝置擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)形式及影響工作能耗的因素，提出擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可通過改變導(dǎo)流板數(shù)量為5片、4片、3片，結(jié)合布局調(diào)整達(dá)到優(yōu)化擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)的目的；

2）通過靜壓云圖和速度云圖，分析每種方案工作過程中氣流流動(dòng)規(guī)律及流場(chǎng)波動(dòng)變化，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)為4片導(dǎo)流板的方案；

3）通過對(duì)以上不同方案的研究可知關(guān)于導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)安裝，若外側(cè)壁處的導(dǎo)流板過于接近外側(cè)，由于外側(cè)氣流速度大，會(huì)嚴(yán)重阻礙氣流流動(dòng)，出現(xiàn)較大動(dòng)能損失。對(duì)于內(nèi)側(cè)壁處的導(dǎo)流板，若過于接近內(nèi)側(cè)壁時(shí)，也會(huì)影響氣流流動(dòng)，可能出現(xiàn)主流脫離壁面，形成反方向氣流，使擴(kuò)散段氣流擴(kuò)散極不穩(wěn)定，壁面靠近出口處，還可能形成渦流，嚴(yán)重影響能量回收和擴(kuò)散效率。