通風(fēng)機(jī)軸流式轉(zhuǎn)子輪轂靜力學(xué)分析及優(yōu)化措施*

王雅孝

(蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

通風(fēng)系統(tǒng)作為井下空氣的交換樞紐,主要負(fù)責(zé)排除井下有害氣體,輸送新鮮空氣進(jìn)入井下,它是井下作業(yè)安全與人員安全的有效保證。主通風(fēng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)功能的主要設(shè)備,其工作的可靠性至關(guān)重要。軸流式通風(fēng)機(jī)的多項(xiàng)性能指標(biāo)均衡穩(wěn)定,因此煤礦企業(yè)多采用此類(lèi)型通風(fēng)機(jī)承擔(dān)主要任務(wù)。

而軸流式通風(fēng)機(jī)受到工作環(huán)境等復(fù)雜因素影響,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題,特別是風(fēng)機(jī)耗能的情況相對(duì)較為突出。為有效解決此類(lèi)問(wèn)題,對(duì)軸流式通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子輪轂的中空區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化處理,尋求可能的優(yōu)化路徑,以期為企業(yè)節(jié)能降耗提供可行的實(shí)施辦法。

筆者提出了通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和輪轂的靜力學(xué)分析方案,通過(guò)有限元分析和數(shù)值計(jì)算后,確定轉(zhuǎn)子和輪轂的中空區(qū)域需要進(jìn)行優(yōu)化,并采用多孔材料焊接的方法解決氣流速度偏高而帶來(lái)的能量損失,此優(yōu)化結(jié)果可為相關(guān)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 方案設(shè)計(jì)

此方案主要對(duì)煤礦企業(yè)普遍應(yīng)用的FBDCZ36型礦用軸流式通風(fēng)機(jī)展開(kāi)研究。其中,以該軸流式通風(fēng)機(jī)的第一級(jí)轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象,對(duì)其中空區(qū)域做進(jìn)一步補(bǔ)充研究,具體相關(guān)參數(shù)如表1所列[1-2]。

表1 FBDCZ36型礦用軸流式通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子主要參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù),結(jié)合此FBDCZ36型礦用軸流式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確定在該型軸流式通風(fēng)機(jī)中,轉(zhuǎn)子和輪轂內(nèi)部均存在中空區(qū)域。其研究區(qū)域重點(diǎn)在于兩級(jí)轉(zhuǎn)子和級(jí)間的區(qū)域,考慮到計(jì)算結(jié)果的現(xiàn)實(shí)意義,對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行重新調(diào)整。即在轉(zhuǎn)子兩端做適當(dāng)延伸,確定計(jì)算分析區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)進(jìn)出口、集流器的區(qū)域。整流罩、葉輪和內(nèi)外風(fēng)筒組成的封閉區(qū)域如圖1所示。

圖1 軸流式通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域示意圖1.空氣氣流進(jìn)口 2.整流罩 3.集流器 4.內(nèi)風(fēng)筒 5.葉輪 6.外風(fēng)筒 7.空氣氣流出口

由理論分析可知,當(dāng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí),隨著轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),通流區(qū)域和中空區(qū)域的空氣都將受其影響而發(fā)生運(yùn)動(dòng),而對(duì)中空區(qū)域氣體做功并不產(chǎn)生實(shí)際意義,造成了能量的無(wú)謂消耗。由此,需對(duì)中空區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn),確定轉(zhuǎn)子的中空區(qū)域以葉片外部輪廓圍合而成的區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域。在輪轂的模擬計(jì)算中,考慮到輪轂內(nèi)空腔受到轉(zhuǎn)子加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的影響,可將其視為17個(gè)相同區(qū)域,因此僅分析其中單個(gè)區(qū)域即可,并對(duì)此做進(jìn)一步簡(jiǎn)化,將加強(qiáng)筋抽象為分析區(qū)域的外邊界。經(jīng)過(guò)以上建模分析后,確定數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子(a)和輪轂(b)的中空區(qū)域數(shù)值計(jì)算模型圖

2 轉(zhuǎn)子和輪轂的靜力學(xué)分析

結(jié)合已確定的轉(zhuǎn)子和輪轂中空區(qū)域幾何模型,應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中轉(zhuǎn)子中空區(qū)域內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,而輪轂中空區(qū)域則采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。得到網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子中空區(qū)域(a)和輪轂中空區(qū)域(b)的網(wǎng)格劃分示意圖

網(wǎng)格劃分完成后,采用非定常計(jì)算模式對(duì)轉(zhuǎn)子和輪轂的中空區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算過(guò)程主要采用大渦模擬(LES)方法進(jìn)行求解,其中控制方程經(jīng)過(guò)均勻盒式過(guò)濾器進(jìn)行處理,使用Smagorinsky-Lilly模型作為亞格子模型,并應(yīng)用壓力修正的SIMPLE算法進(jìn)行求解。動(dòng)量方程中的擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式進(jìn)行離散化,對(duì)流項(xiàng)采用有界中心差分格式進(jìn)行離散化,源項(xiàng)經(jīng)過(guò)局部線性化處理。時(shí)間離散方面,采用二階隱式格式進(jìn)行處理。計(jì)算空間坐標(biāo)系采用單一旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系來(lái)表示。同時(shí),為加快算法的收斂速度,采用多重網(wǎng)格方法,計(jì)算中壁面采用無(wú)滑移邊界條件,近壁處理采用壁面函數(shù)法。

另一方面,為進(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,非定常計(jì)算的葉輪的總推進(jìn)時(shí)間被設(shè)定為五個(gè)旋轉(zhuǎn)周期,在該時(shí)間段內(nèi)逐漸增加推進(jìn)時(shí)間步長(zhǎng)。在最后一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),研究重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)子和輪轂中的空區(qū)域問(wèn)題,并進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)間步進(jìn)計(jì)算,將其設(shè)置為4.324×10-4s。據(jù)此,針對(duì)轉(zhuǎn)子和輪轂中空區(qū)域的問(wèn)題分析均取自最后一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期。

上述分析過(guò)程求解后,首先分析轉(zhuǎn)子和輪轂中空區(qū)域的能量損失情況。根據(jù)前文理論可知,通風(fēng)機(jī)該區(qū)域的能量損失主要表現(xiàn)形式為中空區(qū)域內(nèi)壁面對(duì)中空區(qū)域氣體所做的功。據(jù)此根據(jù)如下公式對(duì)能量損失進(jìn)行計(jì)算:

式中:M為單個(gè)計(jì)算區(qū)域的平均扭矩,N·m;n為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;z表示葉片數(shù)。代入已知數(shù)據(jù)后求得轉(zhuǎn)子中空區(qū)域和輪轂中空區(qū)域的平均能量損失分別為3.345 kW和2.259 kW,而此時(shí)轉(zhuǎn)子對(duì)通流區(qū)域氣體做功約為98 kW。由此可見(jiàn),雖然中空區(qū)域和輪轂中空區(qū)域的平均能量損失相對(duì)較低,但這種能量損失問(wèn)題已經(jīng)不容忽視。同時(shí),進(jìn)一步分析中空區(qū)域的相對(duì)速度分布情況結(jié)果,結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 轉(zhuǎn)子中空區(qū)域內(nèi)的相對(duì)速度分布圖

圖5 輪轂中空區(qū)域內(nèi)的相對(duì)速度分布圖

綜合判斷分析發(fā)現(xiàn),在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,轉(zhuǎn)子和輪轂的相對(duì)速度波動(dòng)情況均較為突出。這表明轉(zhuǎn)子和輪轂中空區(qū)域內(nèi)壁面對(duì)氣體做功的力并非單一受力,而是正應(yīng)力和切應(yīng)力(分別對(duì)應(yīng)壓力與摩擦力),根據(jù)解算后確定兩種力的做功比例分別為78.46%和21.54%。

其次,基于剖面圖分析法對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子和輪轂的相對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行分析。該剖面圖由葉片中空區(qū)域和輪轂中空區(qū)域的垂直線相交所組成,用以描述在特定時(shí)刻下的相對(duì)速度矢量圖和分布云圖。同時(shí),考慮到此次分析的中空區(qū)域具有狹長(zhǎng)的特點(diǎn),因此,應(yīng)用局部放大視圖對(duì)其進(jìn)行分析,得到的分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子中空區(qū)域(a)和輪轂中空區(qū)域(b)的相對(duì)速度云圖

根據(jù)圖6的分析結(jié)果可知,在轉(zhuǎn)子中空區(qū)域內(nèi),相對(duì)速度的矢量較為雜亂,雖未形成明顯的軸向渦流,但整個(gè)中空區(qū)域部分節(jié)點(diǎn)的相對(duì)速度值已經(jīng)達(dá)到2 m/s。造成這種現(xiàn)象的主要原因是葉片內(nèi)部存在一定的狹窄空間,使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)空氣與轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較為明顯。在輪轂中空區(qū)域內(nèi),由于空間尺寸較大,軸向渦流便會(huì)出現(xiàn)在系統(tǒng)中。然而,由于湍流脈動(dòng)的存在,該區(qū)域也受到了氣流的雜亂影響,因此軸向渦流并不十分顯著。相比之下,輪轂中的空區(qū)域具有較高的相對(duì)速度值,最高節(jié)點(diǎn)的相對(duì)速度達(dá)到了6 m/s,并由此引起明顯的摩擦損失。綜上所述,問(wèn)題的重點(diǎn)是應(yīng)該處理軸流式通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和輪轂中那些具有較高相對(duì)速度的區(qū)域[3-5]。

3 優(yōu)化結(jié)果與討論

結(jié)合以上分析并參考已有研究文獻(xiàn),確定采用多孔材料對(duì)轉(zhuǎn)子和輪轂的中空區(qū)域進(jìn)行處理,以解決氣流速度偏高而帶來(lái)的能量損失。此次選用Fe3Al多孔材料,基于真空焊接工藝,并使用Cu-S-Ag混合粉末作為焊接材料,實(shí)現(xiàn)多孔材料對(duì)轉(zhuǎn)子和輪轂之間的有效連接與填充,重點(diǎn)需對(duì)測(cè)得的轉(zhuǎn)子及輪轂內(nèi)中空區(qū)域的氣流相對(duì)速度較高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。在焊接完成后,對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析,結(jié)果顯示,真空釬焊后焊縫的最大抗拉強(qiáng)度可達(dá)86.2 MPa,其力學(xué)強(qiáng)度能夠滿足通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行需要。初步推斷,主要原因是在真空焊接過(guò)程中,在液相擴(kuò)散模式下,母材和焊接材料通過(guò)元素的相互擴(kuò)散和反應(yīng)進(jìn)入多孔材料與致密結(jié)合部分的界面及部分多孔材料孔道,形成穩(wěn)固的焊接界面,從而提高了力學(xué)強(qiáng)度。

在確定此處理方法在力學(xué)方面具有可行性后,對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試。首先應(yīng)用CFD三維非定常數(shù)值計(jì)算方法分析氣流相對(duì)速度,結(jié)果顯示,在優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子和輪轂中,其相對(duì)速度最大值有明顯降低,分別為1.32 m/s和3.67 m/s。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析能耗情況,分析結(jié)果如表2所列。

表2 優(yōu)化前后的能耗變化 /kW

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)結(jié)果可知,在采用多孔材料優(yōu)化模式后,通風(fēng)機(jī)在此方面的能耗顯著降低,表明此次研究方法在通風(fēng)機(jī)節(jié)能降耗方面有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)礦用軸流式通風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)子和輪轂設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題及改進(jìn)要求,基于數(shù)值計(jì)算和有限元分析方法,對(duì)礦用軸流式通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和輪轂的中空部分進(jìn)行靜力學(xué)分析,明確其額外能耗的具體情況及產(chǎn)生原因。通過(guò)分析原因確定采用多孔材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示,此設(shè)計(jì)在節(jié)能方面取得了一定的進(jìn)展,表明基于多孔材料的優(yōu)化模式具有一定的可行性。今后的研究重點(diǎn)需要繼續(xù)從理論機(jī)理等方面做進(jìn)一步深入探討。