礦井通風機擴散器彎頭結構處導流板布置方式優(yōu)化研究

李東前

（陽煤集團新元公司，山西 陽泉 045000）

引言

通風機作為煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的關鍵設備，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，需要通過通風設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1∶6[1]。可見通風機的通風效率是關乎到煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)常態(tài)化發(fā)展的重要因素。通風機的彎頭結構處可分布不同形式的導流板，導流板的數(shù)目從2～6 片不等，不同片數(shù)的導流板對氣流通過彎頭結構的擴散效應不同。為了提高通風效率，應使得氣流通過彎頭結構時更加的順暢。采用有限元分析方法，對彎頭部位不同導流片的布置形式進行分析，根據(jù)計算結果得出每種布置形式的優(yōu)缺點以及應用環(huán)境。從導流板的阻力、傾斜角度、擴散角度等關鍵參數(shù)入手[2]，結合現(xiàn)場實際安裝工藝，對導流板在現(xiàn)場實際工程應用方面的可行性進行研究，礦井技術人員可根據(jù)導流板的仿真計算結果和安裝難度進行選擇。

1 擴散器工況分析

1.1 擴散器結構簡介

本次研究以軸流式風機為研究對象，兩個通風彎頭相連接是采用直立式擴散器裝置。常見的擴散器分為直壁式、傾斜式、流線型。直臂式擴散器結構只能使得氣體朝一個方向運動，通風時的氣體流動靈活性較差，已逐漸被淘汰；傾斜式擴散器在礦井使用中最為常見，包括60°角和45°度的結構造型[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)的安全評價指標通常將通風機的送風能力按照靜態(tài)壓力數(shù)值考慮，忽略了擴散器在送風過程中的風量變化情形。其中靜壓是有益風壓，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，為無益風壓。因此為了減輕動壓的影響，無論什么型號的通風機都安裝有擴散器，降低動壓的影響，提高通風機靜壓效率。研究擴散器主要考慮礦井主扇與擴散器的關系，將研究對象分為三個截面，如圖1 所示。

圖1 礦井主扇與擴散器的斷面示意圖

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

2 擴散器彎頭結構導流板布置分析

2.1 導流板模擬參數(shù)設置

通風氣體在擴散器彎頭結構處容易產(chǎn)生渦流狀態(tài)，通過在彎頭內(nèi)部設置不同片數(shù)的導流板，提高彎頭處通過氣體擴散效率。目前常見在彎頭內(nèi)部設置2～6 片導流板，如下頁圖2 所示。

圖2 導流板布置示意圖

在對導流板進行數(shù)值模擬計算時，提出以下4個假設：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。計算導流板流體模型時的邊界條件為：截面送風速度為10.5 m/s，擴散器的邊壁材料為水泥，送風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)的導流板在相同送風條件下的氣體流動狀態(tài)進行分析。主要的對比參數(shù)包括裝置入口靜壓、擴散器出入口靜壓、裝置入口風速、擴散器出入口風速以及關鍵參數(shù)——擴散效率。

當安裝6 片導流板時，氣體對在右側裝置壁面的壓力損失較大，并且在出風口附近出現(xiàn)了渦流區(qū)，降低了氣體的能量，使的裝置對氣體的擴散狀態(tài)無法保證穩(wěn)定性，并且擴散效率只有3%。氣體能量損失嚴重主要因為開始擴散時速度大小不一致，并且在接觸導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，導致的渦流區(qū)的產(chǎn)生，如圖3 所示。

圖3 6 片導流板的氣體分布云圖

通過數(shù)值模擬計算結果表明，導流板的葉片數(shù)目并非越多越好。相反，6 片導流板對于氣體擴散效率的提升效果最差。導流板的葉片數(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，無論裝幾片導流板，彎頭結構的內(nèi)側壁均會出現(xiàn)渦流區(qū)，會消耗更多的氣體流量，對擴散效率有較大的影響。但是當安裝2 片或4 片導流板時，由于導流板的間距相等，導致渦流區(qū)無法在內(nèi)側壁形成更大的面積，可以達到很好的擴散效果。因此在工程實際應用中，對于擴散器導流板數(shù)目應選擇4 片或者2 片。擴散效率對比表如表1 所示。

表1 2～6 片導流板擴散效率對比圖

3 長圓弧導流板模擬分析

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

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

圖4 長圓弧導流板彎頭內(nèi)部結構設計圖（單位：mm）

圖5 是新設計彎頭擴散器裝置的數(shù)值模擬速度云圖。在擴散器周圍劃分出一定計算區(qū)域，有助于觀察分析整個擴散過程中流場的特點。由剖面速度云圖可知，風道中靠近左側邊壁的風速較大，擴散器出口處，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，擴散效率提升至32%。根據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)值結果，該種擴散器彎頭導流板形式，可使擴散器裝置實現(xiàn)較好的回收效果。但該種設計還存在長圓弧式導流板長度過長，現(xiàn)場安裝困難等技術問題，將其應用于工程實踐有待進一步研究探討。

圖5 新設計彎頭擴散器裝置的數(shù)值模擬速度云圖

4 結語

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