蘭春亮

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

防爆膠輪車、支架搬運車、多功能鏟運車等是國內(nèi)大型煤礦輔助運輸?shù)闹匾\輸設(shè)備，主要用于重型支架、煤礦錨桿、管網(wǎng)、水泥和人員的運輸，防爆柴油機(jī)作為防爆車輛動力源已得到高度關(guān)注。我國研制防爆柴油機(jī)已有20年的歷史，相繼研制成功了功率范圍覆蓋40～230 kW的系列防爆柴油機(jī)，這些柴油機(jī)大都在原廠裸機(jī)的基礎(chǔ)上根據(jù)《MT 990—2006礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》進(jìn)行了防爆改造，達(dá)到隔離火花、降低表面溫度和降低排氣溫度的安全要求。防爆柴油機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)是防爆改造的關(guān)鍵部分，本文僅對其中進(jìn)氣系統(tǒng)中的進(jìn)氣柵欄進(jìn)行論述。

1 進(jìn)氣柵欄的設(shè)計

防爆柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)如圖1所示，進(jìn)排氣系統(tǒng)由空氣濾清器、進(jìn)氣管、進(jìn)氣防爆柵欄、阻風(fēng)門機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)本體、排氣管和廢氣處理箱組成。其中，進(jìn)氣防爆柵欄是為了隔斷柴油機(jī)缸內(nèi)可能返回的火焰通向大氣，火焰經(jīng)防爆柵欄熄滅，防止引燃工作環(huán)境中的瓦斯等氣體。阻風(fēng)門機(jī)構(gòu)是為熄滅發(fā)動機(jī)而設(shè)置的，當(dāng)柴油機(jī)停止運轉(zhuǎn)或發(fā)生故障時關(guān)閉進(jìn)氣通道，柴油機(jī)能夠迅速停止運轉(zhuǎn)。排氣管是含有水夾層的不銹鋼管，排氣管夾層中的水與柴油機(jī)原有冷卻系統(tǒng)貫通形成大循環(huán)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，目的是確保防爆柴油機(jī)排氣管外表面溫度不高于150 ℃。廢氣處理箱排氣口處設(shè)置排氣防爆柵欄，廢氣處理箱的作用是水洗發(fā)動機(jī)排放的廢氣、過濾碳煙及部分有害氣體，降溫降噪，最后經(jīng)過處理的廢氣經(jīng)排氣防爆柵欄排向大氣。

1-排氣柵欄;2-廢氣處理箱;3-排氣管;4-發(fā)動機(jī);5-進(jìn)氣柵欄;6-阻風(fēng)門機(jī)構(gòu);7-進(jìn)氣管;8-空氣濾清器。

防爆柴油機(jī)的進(jìn)氣量由防爆改造前發(fā)動機(jī)裸機(jī)的進(jìn)氣量決定，選擇合適的空氣濾清器，經(jīng)過進(jìn)氣管、阻風(fēng)門機(jī)構(gòu)、進(jìn)氣防爆柵欄進(jìn)入發(fā)動機(jī)裸機(jī)體內(nèi)，與柴油蒸汽進(jìn)行混合壓縮燃燒。表1是國內(nèi)某款發(fā)動機(jī)的參數(shù)：

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)表

進(jìn)氣管和阻風(fēng)門機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣內(nèi)管直徑一般不小于原發(fā)動機(jī)裸機(jī)的進(jìn)氣管徑。進(jìn)氣防爆柵欄的有效進(jìn)氣面積一直是重點研究問題，有效面積的設(shè)計直接關(guān)系到防爆柴油機(jī)動力指標(biāo)和燃燒性能，因此需要對防爆柴油機(jī)的進(jìn)氣柵欄進(jìn)行量化設(shè)計。

1.1 發(fā)動機(jī)裸機(jī)的進(jìn)氣量計算

發(fā)動機(jī)裸機(jī)進(jìn)氣量為

Ga=ηv·Vh·n·ρa/120

(1)

式中：Ga為空氣質(zhì)量流量，kg/s；Vh發(fā)動機(jī)總排量，m3；n發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min；ηv發(fā)動機(jī)充氣效率，柴油發(fā)動機(jī)自然吸氣，取0.9；ρa為空氣密度，kg/m3。

根據(jù)公式，計算得Ga=0.080 6 kg/s。

1.2 進(jìn)氣柵欄直徑

防爆柵欄由多個柵欄片構(gòu)成，新鮮氣體經(jīng)過進(jìn)氣防爆柵欄時，由于在煤礦井下空氣濕度大，黏性明顯，使得相鄰柵欄片之間氣體流束收縮的實際面積比柵欄口名義截面積S0更小，此柵欄板最小截面積S為有效截面積，S則代表了進(jìn)氣柵欄兩板之間的實際流通能力，如圖2所示。S/S0稱為收縮系數(shù)[1]，以α表示：

圖2 進(jìn)氣柵欄的有效截面積

α=S/S0

(2)

防爆柴油機(jī)的進(jìn)氣柵欄實際進(jìn)氣面積S要大于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管截面積，才能滿足防爆柴油機(jī)正常工作時所需要的新鮮空氣，即S≥SJ。

進(jìn)氣柵欄的收縮系數(shù)α可以根據(jù)兩柵欄板之間的間隙d與進(jìn)氣柵欄相鄰的柵欄板之間的距離D二者的比值β進(jìn)行確定，即

(3)

收縮收縮系數(shù)如圖3所示。

圖3 收縮系數(shù)

根據(jù)圖3收縮系數(shù)表，查找確定α為0.6，即

設(shè)計進(jìn)氣柵欄時需要放大一定的安全系數(shù)確保進(jìn)氣量，D值取130 mm作為防爆進(jìn)氣柵欄的直徑，防爆間隙d為0.5，間隔板厚度1.2 mm，進(jìn)行組裝，外連接法蘭表面粗糙度Ra為6.3。

1.3 進(jìn)氣柵欄的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)《MT 990—2006礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》進(jìn)排氣系統(tǒng)各部件之間的隔爆接合面(阻火器除外)，進(jìn)排氣系統(tǒng)與缸蓋之間的隔爆接合面有效寬度不小于13 mm，隔爆接合面的內(nèi)部邊沿到螺栓孔的邊沿有效寬度不小于9 mm，防爆柴油機(jī)在缸蓋與機(jī)體之間隔爆接合面的有效寬度不小于9 mm，平面度不大于0.15 mm[2]，因此需要將進(jìn)氣柵欄結(jié)合法蘭處進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，最終設(shè)計出如圖4、5所示的防爆進(jìn)氣柵欄。

圖4 進(jìn)氣柵欄法蘭結(jié)合面

圖5 進(jìn)氣柵欄外形

2 建模與分析

發(fā)動機(jī)工作時進(jìn)氣柵欄法蘭面處于結(jié)合狀態(tài)，對進(jìn)氣沒有任何影響，建模時可對其進(jìn)行簡化處理。

利用SolidWorks建模軟件建立進(jìn)氣柵欄的三維模型，如圖6所示。

圖6 進(jìn)氣柵欄三維模型

2.1 有限元分析

由于中間隔板間隙較小，流場模型為較小特征。一種經(jīng)濟(jì)有效的計算方式是用多孔介質(zhì)模型近似模擬，但采用多孔介質(zhì)模型近似模擬時，無法觀察到間隙內(nèi)部流體流動速度與壓力等細(xì)節(jié)，因此采用實體模型進(jìn)行模擬計算，在盡量減小單元數(shù)量的同時提高計算精度，因此需要較高的單元網(wǎng)格質(zhì)量[3]。

左端為發(fā)動機(jī)相連的接口，右端為與大氣聯(lián)通接口。內(nèi)部流場靠負(fù)壓吸氣，不考慮出入口回流，直接建立內(nèi)部流場，如圖7所示。

圖7 內(nèi)部流場

因模型具有對稱性的特征，基于對稱性原則，在保證精度的同時，盡量減小計算量，因此采用1/4模型進(jìn)行模擬計算。

重點考慮間隙內(nèi)部的速度，需對模型進(jìn)行分割，以利于間隙區(qū)域后續(xù)可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。切分后，為保證3塊區(qū)域在劃分網(wǎng)格時共節(jié)點，進(jìn)行form new part操作[4]。最終可知，流體區(qū)域模型由55個體組成的1個part(固體域不參與流體分析，可直接抑制)，如圖8所示。

圖8 模型圖

模型網(wǎng)格劃分如圖9、10所示，間隙部分為全六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其他區(qū)域為規(guī)則的四面體自由網(wǎng)格。間隙部位厚度方向，劃分5層網(wǎng)格，長度方向均分50等份。體網(wǎng)格尺寸1 mm。

圖9 模型的網(wǎng)格劃分

圖10 模型的網(wǎng)格劃分

從圖11可看出，整體網(wǎng)格質(zhì)量可以滿足流體計算要求。設(shè)置發(fā)動機(jī)進(jìn)氣各項參數(shù)：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，排量3.99 L，大氣壓力1.01×105Pa，空氣動力黏度為1.789 4×10-5Pa·s，空氣密度為1.225 kg/m3。分析發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速情況下進(jìn)氣柵欄內(nèi)部氣流的分布云圖(不考慮氣體摩擦應(yīng)力的影響)，分析結(jié)果如圖11～圖15所示。

圖11 空氣壓力云圖

圖12 流速分布圖

圖13 渦流云圖

圖14 側(cè)面流線

圖15 正面流線

2.2 結(jié)果分析

從計算云圖中可知，進(jìn)氣柵欄空氣流高速主要集中在進(jìn)氣口處，從圖13可知，柵欄三角形區(qū)域出現(xiàn)空氣渦流，導(dǎo)致空氣速度降低，降低了進(jìn)氣效率。經(jīng)過柵欄后空氣質(zhì)量流量損失值為G=6.09×10-7kg/s，由于損失值較小，說明本柵欄對氣體流量質(zhì)量影響較小，可以滿足進(jìn)氣要求。

3 建議改進(jìn)

從分析結(jié)果可以看出進(jìn)氣柵欄三角形區(qū)域出現(xiàn)氣流阻滯現(xiàn)象，這是空氣進(jìn)氣發(fā)動機(jī)流速降低的主要原因[5]，因此提出改進(jìn)措施如下：

1) 增大進(jìn)氣柵欄間隙，通過部件爆炸試驗進(jìn)行間隙的調(diào)整，降低隔板的厚度。

2) 減緩進(jìn)氣氣流方向的邊角變化程度，盡量采用圓角進(jìn)行過渡。

3) 盡量增大發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的直徑，降低發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口處的流速。

4 結(jié)論

防爆柴油機(jī)的進(jìn)氣柵欄的設(shè)計非常重要，直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的動力和排放性能，關(guān)系著井下煤礦工人的身體健康。本文的分析方法可為防爆柴油機(jī)的進(jìn)氣柵欄的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。