礦井通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器彎頭結(jié)構(gòu)處導(dǎo)流板布置方式優(yōu)化研究

李東前

（陽煤集團(tuán)新元公司，山西 陽泉 045000）

引言

通風(fēng)機(jī)作為煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵設(shè)備，在整個安全生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。由于礦井工作面彌漫著易燃易爆氣體，需要通過通風(fēng)設(shè)備將外部的新鮮空氣輸入至礦井內(nèi)，將內(nèi)部易燃易爆氣體的濃度降低至安全范圍。根據(jù)研究資料可知，煤炭開采量與新鮮空氣的需求量的比例最高可達(dá)1∶6[1]?？梢娡L(fēng)機(jī)的通風(fēng)效率是關(guān)乎到煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)常態(tài)化發(fā)展的重要因素。通風(fēng)機(jī)的彎頭結(jié)構(gòu)處可分布不同形式的導(dǎo)流板，導(dǎo)流板的數(shù)目從2～6 片不等，不同片數(shù)的導(dǎo)流板對氣流通過彎頭結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散效應(yīng)不同。為了提高通風(fēng)效率，應(yīng)使得氣流通過彎頭結(jié)構(gòu)時更加的順暢。采用有限元分析方法，對彎頭部位不同導(dǎo)流片的布置形式進(jìn)行分析，根據(jù)計算結(jié)果得出每種布置形式的優(yōu)缺點以及應(yīng)用環(huán)境。從導(dǎo)流板的阻力、傾斜角度、擴(kuò)散角度等關(guān)鍵參數(shù)入手[2]，結(jié)合現(xiàn)場實際安裝工藝，對導(dǎo)流板在現(xiàn)場實際工程應(yīng)用方面的可行性進(jìn)行研究，礦井技術(shù)人員可根據(jù)導(dǎo)流板的仿真計算結(jié)果和安裝難度進(jìn)行選擇。

1 擴(kuò)散器工況分析

1.1 擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)簡介

本次研究以軸流式風(fēng)機(jī)為研究對象，兩個通風(fēng)彎頭相連接是采用直立式擴(kuò)散器裝置。常見的擴(kuò)散器分為直壁式、傾斜式、流線型。直臂式擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)只能使得氣體朝一個方向運(yùn)動，通風(fēng)時的氣體流動靈活性較差，已逐漸被淘汰；傾斜式擴(kuò)散器在礦井使用中最為常見，包括60°角和45°度的結(jié)構(gòu)造型[3]，無論哪種角度都會形成氣體渦流區(qū)，造成氣體阻力過大，不利于通風(fēng)氣體的排出。

1.2 工作原理分析

煤礦行業(yè)的安全評價指標(biāo)通常將通風(fēng)機(jī)的送風(fēng)能力按照靜態(tài)壓力數(shù)值考慮，忽略了擴(kuò)散器在送風(fēng)過程中的風(fēng)量變化情形。其中靜壓是有益風(fēng)壓，該壓力不會隨氣體流動的變化而發(fā)生變化，而動壓將根據(jù)氣流的變化耗散于大氣中，為無益風(fēng)壓。因此為了減輕動壓的影響，無論什么型號的通風(fēng)機(jī)都安裝有擴(kuò)散器，降低動壓的影響，提高通風(fēng)機(jī)靜壓效率。研究擴(kuò)散器主要考慮礦井主扇與擴(kuò)散器的關(guān)系，將研究對象分為三個截面，如圖1 所示。

圖1 礦井主扇與擴(kuò)散器的斷面示意圖

由圖1 可知，三個截面分別為進(jìn)風(fēng)口斷面1-1、出風(fēng)口斷面2-2 以及擴(kuò)散器斷面3-3[4]。主要通風(fēng)機(jī)在送風(fēng)時的能力損耗主要產(chǎn)生于通風(fēng)阻力、空氣自身動能、擴(kuò)散器消耗的能量三個因素。在通風(fēng)時，三個截面的送風(fēng)壓力各不相同，主要通風(fēng)機(jī)的額定功率為常數(shù)，如果靜壓數(shù)值越小，就會造成空氣動能和擴(kuò)散器所受的風(fēng)阻損失越大。

2 擴(kuò)散器彎頭結(jié)構(gòu)導(dǎo)流板布置分析

2.1 導(dǎo)流板模擬參數(shù)設(shè)置

通風(fēng)氣體在擴(kuò)散器彎頭結(jié)構(gòu)處容易產(chǎn)生渦流狀態(tài)，通過在彎頭內(nèi)部設(shè)置不同片數(shù)的導(dǎo)流板，提高彎頭處通過氣體擴(kuò)散效率。目前常見在彎頭內(nèi)部設(shè)置2～6 片導(dǎo)流板，如下頁圖2 所示。

圖2 導(dǎo)流板布置示意圖

在對導(dǎo)流板進(jìn)行數(shù)值模擬計算時，提出以下4個假設(shè)：一是氣體為穩(wěn)態(tài)流場，每時刻的流體節(jié)點保持不變；二是擴(kuò)散器的流通氣體不可壓縮；三是氣體溫度不發(fā)生變化，不受到溫度影響；四是氣體不受重力和密閉情況影響。計算導(dǎo)流板流體模型時的邊界條件為：截面送風(fēng)速度為10.5 m/s，擴(kuò)散器的邊壁材料為水泥，送風(fēng)出口壓力與周邊壁相對靜壓數(shù)值為0[5]。

2.2 不同片數(shù)下導(dǎo)流板數(shù)值模擬分析

采用ANSYS 仿真軟件的流體計算模塊，對安裝6 個不同片數(shù)的導(dǎo)流板在相同送風(fēng)條件下的氣體流動狀態(tài)進(jìn)行分析。主要的對比參數(shù)包括裝置入口靜壓、擴(kuò)散器出入口靜壓、裝置入口風(fēng)速、擴(kuò)散器出入口風(fēng)速以及關(guān)鍵參數(shù)——擴(kuò)散效率。

當(dāng)安裝6 片導(dǎo)流板時，氣體對在右側(cè)裝置壁面的壓力損失較大，并且在出風(fēng)口附近出現(xiàn)了渦流區(qū)，降低了氣體的能量，使的裝置對氣體的擴(kuò)散狀態(tài)無法保證穩(wěn)定性，并且擴(kuò)散效率只有3%。氣體能量損失嚴(yán)重主要因為開始擴(kuò)散時速度大小不一致，并且在接觸導(dǎo)流板后的速度有一個數(shù)值增加的過程，使得中央和四周的氣流速度不同，導(dǎo)致的渦流區(qū)的產(chǎn)生，如圖3 所示。

圖3 6 片導(dǎo)流板的氣體分布云圖

通過數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，導(dǎo)流板的葉片數(shù)目并非越多越好。相反，6 片導(dǎo)流板對于氣體擴(kuò)散效率的提升效果最差。導(dǎo)流板的葉片數(shù)是4 片或2 片的提升效果最佳，5 片或3 片的提升效果次之。綜合分析得出，無論裝幾片導(dǎo)流板，彎頭結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)壁均會出現(xiàn)渦流區(qū)，會消耗更多的氣體流量，對擴(kuò)散效率有較大的影響。但是當(dāng)安裝2 片或4 片導(dǎo)流板時，由于導(dǎo)流板的間距相等，導(dǎo)致渦流區(qū)無法在內(nèi)側(cè)壁形成更大的面積，可以達(dá)到很好的擴(kuò)散效果。因此在工程實際應(yīng)用中，對于擴(kuò)散器導(dǎo)流板數(shù)目應(yīng)選擇4 片或者2 片。擴(kuò)散效率對比表如表1 所示。

表1 2～6 片導(dǎo)流板擴(kuò)散效率對比圖

3 長圓弧導(dǎo)流板模擬分析

長圓弧導(dǎo)流板是一種全新設(shè)計的彎頭結(jié)構(gòu)導(dǎo)流板。與片式導(dǎo)流板在結(jié)構(gòu)上不同，該型類型的導(dǎo)流板長度達(dá)到了1/4 個圓周[6]，由于導(dǎo)流板長度更長，并且更靠近內(nèi)側(cè)壁，可有效避免渦流區(qū)的產(chǎn)生。為了驗證該新型設(shè)計是否對擴(kuò)散效率有提升，按照相同的計算參數(shù)進(jìn)行對比論證。

導(dǎo)流板流線與彎頭風(fēng)道保持一致，盡可能降低阻力損失。新設(shè)計中彎頭內(nèi)布置有3 片導(dǎo)流板，其設(shè)計尺寸參數(shù)如圖4 所示。

圖4 長圓弧導(dǎo)流板彎頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖（單位：mm）

圖5 是新設(shè)計彎頭擴(kuò)散器裝置的數(shù)值模擬速度云圖。在擴(kuò)散器周圍劃分出一定計算區(qū)域，有助于觀察分析整個擴(kuò)散過程中流場的特點。由剖面速度云圖可知，風(fēng)道中靠近左側(cè)邊壁的風(fēng)速較大，擴(kuò)散器出口處，形成存在渦流區(qū)，造成一定能量消耗，但整體回收效果不錯，裝置回收約27 Pa 能量，擴(kuò)散效率提升至32%。根據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)值結(jié)果，該種擴(kuò)散器彎頭導(dǎo)流板形式，可使擴(kuò)散器裝置實現(xiàn)較好的回收效果。但該種設(shè)計還存在長圓弧式導(dǎo)流板長度過長，現(xiàn)場安裝困難等技術(shù)問題，將其應(yīng)用于工程實踐有待進(jìn)一步研究探討。

圖5 新設(shè)計彎頭擴(kuò)散器裝置的數(shù)值模擬速度云圖

4 結(jié)語

為了提高礦井通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)擴(kuò)散效率，對通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器彎頭結(jié)構(gòu)處的導(dǎo)流板布置方式進(jìn)行了研究。采用數(shù)值模擬分析的方法得出，安裝2 片或4 片導(dǎo)流板時，其裝置擴(kuò)散器效率最高。彎頭導(dǎo)流結(jié)構(gòu)采用長圓弧式板設(shè)計時，有著較高的擴(kuò)散效率，壓力回收效果良好。但該設(shè)計模型按一定邊長比放大成現(xiàn)場實物裝置時，有導(dǎo)流板安裝困難等技術(shù)問題，需要通過相似模擬實驗論證分析。