頂部間隙對(duì)煤礦軸流式通風(fēng)機(jī)性能的影響分析

李沂瑋

（潞安集團(tuán)寺家莊有限責(zé)任公司，山西 昔陽(yáng) 045399）

引言

通風(fēng)機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著向工作面輸送新鮮空氣、降低工作面瓦斯?jié)舛取⒈ＷC工作面安全生產(chǎn)的重要任務(wù)，此外，還可為工作面作業(yè)人員提供舒適的工作環(huán)境。但經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在工作面所有消耗電量中通風(fēng)機(jī)的能耗占比較大[1]。因此，解決通風(fēng)機(jī)能耗過(guò)大的問(wèn)題尤為重要。軸流式通風(fēng)機(jī)作為工作面使用頻率較高的設(shè)備，通過(guò)研究頂部間隙對(duì)軸流式通風(fēng)機(jī)的性能影響機(jī)理，為提升軸流式通風(fēng)機(jī)的性能，降低能耗提供理論指導(dǎo)。

1 軸流式通風(fēng)機(jī)參數(shù)

工作面采用的對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的具體型號(hào)為FBDCZ5.0，其主要結(jié)構(gòu)包括：風(fēng)流入口、初級(jí)風(fēng)筒、第一級(jí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、第一級(jí)葉輪、第二級(jí)葉輪、第二級(jí)風(fēng)筒、第二級(jí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、擴(kuò)散風(fēng)筒。FBDCZ5.0 對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 FBDCZ5.0 對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)參數(shù)

2 軸流式通風(fēng)機(jī)模型的建立

基于SolidWorks 軟件并結(jié)合上述參數(shù)和結(jié)構(gòu)示意圖搭建三維模型。為簡(jiǎn)便建模，將旋式軸流風(fēng)機(jī)分為五部分，分別是進(jìn)風(fēng)管、第一級(jí)風(fēng)筒、第一級(jí)葉輪、第二級(jí)葉輪、第二級(jí)風(fēng)筒，并將不同部分劃分為不同數(shù)量的網(wǎng)格[2]。其中，進(jìn)風(fēng)管的網(wǎng)格數(shù)量為303 063，第一級(jí)風(fēng)筒的網(wǎng)格數(shù)量116 416，第一級(jí)葉輪的網(wǎng)格數(shù)量為778 956，第二級(jí)葉輪的網(wǎng)格數(shù)量為762 817，第二級(jí)風(fēng)筒的網(wǎng)格數(shù)量為848 496。

將所設(shè)計(jì)的三維仿真模型導(dǎo)入FLUENT 軟件來(lái)開展不同頂部間隙對(duì)軸流式風(fēng)機(jī)性能影響的研究。

3 數(shù)值模擬的前處理

影響對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)性能的參數(shù)較多，包括有第一級(jí)和第二級(jí)葉輪葉片的數(shù)量、葉片的安裝角度、軸向間隙、輪轂比和頂部間隙。本文將著重研究頂部間隙對(duì)對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)性能的影響。所謂頂部間隙指的是機(jī)殼與葉輪葉片頂部邊緣之間的距離[3]。頂部間隙還可用相對(duì)頂部間隙表示，相對(duì)頂部間隙為頂部間隙與葉輪葉片高度的比值。不同頂部間隙參數(shù)如表2 所示。

表2 不同頂部間隙參數(shù)

在數(shù)值模擬之前對(duì)不同頂部間隙對(duì)應(yīng)的模型進(jìn)行不同的網(wǎng)格劃分。

4 頂部間隙的泄露流動(dòng)研究

頂部間隙雖然尺寸較小，但是其對(duì)對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)性能的影響不可忽略。究其原因在于，頂部間隙會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)出現(xiàn)泄露流或者泄露渦等，此外，鑒于對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)包含有兩個(gè)葉輪的特殊性，頂部間隙所導(dǎo)致的泄露更為復(fù)雜。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：

1）第一級(jí)葉輪中，由于頂板間隙的存在，導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)泄露流動(dòng)現(xiàn)象，且隨著頂部間隙的增大，泄露流動(dòng)現(xiàn)象更為嚴(yán)重，甚至演變?yōu)樾孤稖u。由于泄露流動(dòng)和泄露渦現(xiàn)象的存在，使得通風(fēng)機(jī)的主氣流受到阻礙，從而導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的阻力增加，最終導(dǎo)致能耗增加[4]。

2）第二級(jí)葉輪頂部間隙對(duì)應(yīng)的泄露流動(dòng)現(xiàn)象比第一級(jí)更為嚴(yán)重。同樣，隨著頂部間隙尺寸的增加，泄露流演變?yōu)楸鹊谝患?jí)葉輪更為嚴(yán)重的泄露渦，因此對(duì)通風(fēng)機(jī)主氣流造成的影響更為嚴(yán)重，能耗更大。

結(jié)合不同頂部間隙對(duì)通風(fēng)機(jī)葉輪葉片的吸力面靜壓結(jié)果，得出頂部間隙的存在極易影響通風(fēng)機(jī)的主氣流，而且對(duì)二級(jí)葉輪的影響大于對(duì)于一級(jí)葉輪的影響。并且隨著頂部間隙尺寸的增加，對(duì)主氣流的影響逐漸變大。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需盡可能的減小頂部間隙尺寸，以保證通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)得到優(yōu)化。

5 頂部間隙對(duì)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的影響

通過(guò)對(duì)不同頂部間隙對(duì)通風(fēng)機(jī)靜壓、全壓以及效率的影響進(jìn)行研究，仿真結(jié)果如表3—表5 所示。

表3 不同頂部間隙下靜壓隨流量的變化 Pa

表4 不同頂部間隙下全壓隨流量的變化 Pa

表5 不同頂部間隙下效率隨流量的變化 %

對(duì)表3、表4 分析可知：在不同頂部間隙下，通風(fēng)機(jī)的靜壓和全壓隨著流量的增加而減小。當(dāng)流量小于2.2 kg/s 時(shí)，影響通風(fēng)機(jī)靜壓和全壓的主導(dǎo)因素為頂部間隙；當(dāng)流量大于2.2 kg/s 時(shí)，影響通風(fēng)機(jī)靜壓和全壓的主導(dǎo)因素為流量大小。

由表5 可知，同一頂部間隙尺寸下，通風(fēng)機(jī)效率隨著流量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，不同頂部間隙對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn)不同。

因此，對(duì)通風(fēng)機(jī)頂部間隙進(jìn)行合理設(shè)計(jì)可保證設(shè)備的全壓效率達(dá)到最佳。

6 頂部間隙對(duì)電機(jī)功率匹配的影響

對(duì)不同頂部間隙下通風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)兩個(gè)電機(jī)的功率匹配性能進(jìn)行研究，具體結(jié)論總結(jié)如下：

1）相對(duì)頂部間隙為2.5%的情況下，當(dāng)通風(fēng)流量為2.4 kg/s 時(shí)，第一級(jí)電機(jī)和第二級(jí)電機(jī)的功率均為0.95 kW，此時(shí)，隨著通風(fēng)流量的減小，第一級(jí)電機(jī)的功率幾乎不變，第二級(jí)電機(jī)的功率在不斷增加[5]；當(dāng)通風(fēng)流量為2.1 kg/s 時(shí)，第一級(jí)電機(jī)的功率為0.97 kW，而第二級(jí)電機(jī)的功率均為1.06 kW，二者的匹配程度較差。

2）相對(duì)頂部間隙為3%的情況下，當(dāng)通風(fēng)流量為2.3 kg/s 時(shí)，第一級(jí)電機(jī)的功率為0.96 kW，第二級(jí)電機(jī)的功率均為0.97 kW，兩級(jí)電機(jī)的匹配程度最高，當(dāng)通風(fēng)流量減少為2.2 kg/s 時(shí)，第二級(jí)電機(jī)的功率達(dá)到最大，第一級(jí)電機(jī)功率略微減小。

3）相對(duì)頂部間隙為3.5%的情況下，當(dāng)通風(fēng)流量為2.3 kg/s 和2.1 kg/s 時(shí)，兩級(jí)電機(jī)的功率值相近，匹配度最高。

綜合對(duì)比可知，上述三類相對(duì)頂部間隙下對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)兩級(jí)電機(jī)的功率匹配程度隨著頂部間隙的增大而提升。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同頂部間隙適當(dāng)提高電機(jī)的功率，以保證其通風(fēng)機(jī)性能達(dá)到最佳，耗能最小。

7 結(jié)論

1）頂部間隙的存在極易影響通風(fēng)機(jī)的主氣流，且對(duì)二級(jí)葉輪的影響大于對(duì)于一級(jí)葉輪的影響。隨著頂部間隙尺寸的增加，對(duì)主氣流的影響加重。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需盡可能的減小頂部間隙尺寸，以保證通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)得到優(yōu)化。

2）對(duì)通風(fēng)機(jī)頂部間隙進(jìn)行合理設(shè)計(jì)可保證設(shè)備的全壓效率達(dá)到最佳。

3）在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)不同頂部間隙適當(dāng)提高電機(jī)的功率，以保證其通風(fēng)機(jī)性能達(dá)到最佳，耗能最小。