高 宇

（晉能控股煤業(yè)集團北辛窯煤業(yè)公司，山西 忻州 036702）

引言

主要通風機在礦井中的使用一方面保證了開采作業(yè)的安全，但另一方面也制約著煤礦開采的經(jīng)濟效益。據(jù)統(tǒng)計，主通風機能耗占礦井生產(chǎn)總能耗的1/3，其中電力損耗占總的通風能耗的70%[1]，因此對主通風機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而使其節(jié)能高效的運行是當前行業(yè)關(guān)注的一大焦點。礦井主要通風機全壓包括動壓和靜壓兩部分，靜壓主要用來克服風道阻力，是有益風壓。而動壓則會在系統(tǒng)出口處隨著氣流流到大氣中，屬于能量損耗。通風機的輔助設(shè)備擴散器，可以起到轉(zhuǎn)化部分動壓為靜壓的作用，這樣就可以降低能量損耗，增加氣流擴散效率。因此，礦井主要通風機在風機口處都安裝有擴散器。本文通過分析山西某煤礦現(xiàn)有通風機擴散器結(jié)構(gòu)型式及其工作性能，對其提出幾種優(yōu)化方案，經(jīng)研究比較，得出了工作性能優(yōu)于原設(shè)計的方案，有較好應(yīng)用價值。

1 案例分析

山西某煤礦礦井主要通風機是軸流式通風機，擴散器采用了直立式設(shè)計的擴散器，擴散器包括擴散段和轉(zhuǎn)角彎頭兩部分，轉(zhuǎn)角彎頭內(nèi)設(shè)計有導(dǎo)流片6片，結(jié)構(gòu)實際圖見圖1。結(jié)構(gòu)中彎頭風道截面是正方形，轉(zhuǎn)角弧度對應(yīng)90°的圓心角。

圖1 直立式擴散器結(jié)構(gòu)示意圖

擴散器的彎頭風道結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)流板對擴散器的高效率運行起著非常重要的作用。借助CFD工具FLUENT，通過數(shù)值模擬方法（下文各方案均采用此方法）分析6片導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)在工作中對動能損失的影響，圖2是上述結(jié)構(gòu)下氣流數(shù)值模擬的靜壓云圖和速度云圖。當氣流流到轉(zhuǎn)角彎道時，由于慣性規(guī)律，流到擴散段的氣流速度并不均勻，速度由圖中左下到右上逐漸減小，即左下側(cè)氣流速度最大。將導(dǎo)流板由左下至右上編號依次為1號、2號、3號、4號、5號、6號。則氣流流動中，6號板會阻礙氣流正常流通，因此6號板氣流流入側(cè)靜壓急劇增加，氣流將變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)動能損失，如圖2-1。此外在擴散段中，當斷面擴大時氣流風速會減小，而靜壓則會增大至30 Pa，壓差與流向的關(guān)系將嚴重影響圖1右上側(cè)氣流流動，甚至出現(xiàn)反向流動氣流，更加加劇了氣流擴散的不穩(wěn)定性[2-3]。分析得出這種結(jié)構(gòu)下僅回收了約2 Pa的能量，只有3%的擴散效率，擴散器作用微乎其微，因此需要改進擴散器的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 靜壓云圖及速度云圖示意圖

2 擴散器的優(yōu)化設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

該煤礦因用地受限，擴散器只能采用直立式，因此考慮從導(dǎo)流板數(shù)量來改進，為了準確總結(jié)導(dǎo)流板對擴散器性能的影響規(guī)律，進而研究設(shè)計出更加有利的擴散器結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計含5片、4片、3片短圓弧式導(dǎo)流板的擴散器（見圖3），再進一步研究其效率，從而得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖3 各導(dǎo)流板設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 5片導(dǎo)流板設(shè)計分析

分析6片導(dǎo)流板時氣流現(xiàn)象，改進導(dǎo)流板設(shè)計，拆除原有6號導(dǎo)流板，如圖3-1。5片導(dǎo)流板方案的流場與6片導(dǎo)流板的相類似，氣流速度依然由左下至右上逐漸減小，左下轉(zhuǎn)角處仍有較高的氣流速度，見圖4。左下最外側(cè)導(dǎo)流板由于靠近壁面，氣流經(jīng)導(dǎo)流板突然變換位置會使流場出現(xiàn)波動，從而導(dǎo)致擴散段的流場不穩(wěn)定。但相比于6片導(dǎo)流板設(shè)計，此時左下側(cè)導(dǎo)流板距壁面較遠，使得導(dǎo)流板氣流流入側(cè)靜壓降至約20 Pa，阻力降低，回收效果提高，此時回收約13 Pa能量，擴散效率為18%。

圖4 5片導(dǎo)流板時靜壓云圖及速度云圖示意圖

2.3 4片導(dǎo)流板設(shè)計分析

4片導(dǎo)流板設(shè)計方案拆除了原設(shè)計的1號和6號導(dǎo)流板，如圖3-2。重新由左下至右上編號導(dǎo)流板為1號至4號。分析4片導(dǎo)流板的靜壓云圖和速度云圖，此時氣流流過1號導(dǎo)流板后方產(chǎn)生流暢突變現(xiàn)象，阻力局部減小，同之前方案一致，越靠近左下壁面，氣流速度越大，則導(dǎo)流消耗的能量也較大，但由于1號導(dǎo)流板此時距壁面距離更大，因?qū)Я靼瀹a(chǎn)生的氣流局部阻力則繼續(xù)減小，擴散段內(nèi)流場的不穩(wěn)定也進一步降低。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，此時回收能量大致14 Pa，擴散效率為20%，見圖5。

圖5 4片導(dǎo)流板時靜壓云圖及速度云圖示意圖

2.4 3片導(dǎo)流板設(shè)計分析

3片導(dǎo)流板設(shè)計方案有兩種，一是拆除了原設(shè)計的2號、4號、6號導(dǎo)流板，二是拆除原設(shè)計的1號、3號、5號導(dǎo)流板[4]，如圖3-3、3-4所示。

對于拆除2號、4號、6號導(dǎo)流板的方案，如圖3-3所示。分析其靜壓云圖和速度云圖，3片導(dǎo)流板的設(shè)計，左下最外側(cè)導(dǎo)流板后側(cè)流暢的不穩(wěn)定性較之前方案明顯減弱，與4片方案比較，由于右上最外側(cè)導(dǎo)流板靠近壁面，使得氣流流過時流場不穩(wěn)定性加劇，進而影響擴散段內(nèi)氣流的擴散。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，此時回收能量大致11 Pa，擴散效率為16%。

對于拆除1號、3號、5號導(dǎo)流板的方案，如圖3-4所示。分析其靜壓云圖和速度云圖，3片導(dǎo)流板的設(shè)計，左下最外側(cè)導(dǎo)流板嚴重貼近壁面，阻礙氣流流動，有較大阻力損失。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，此時回收能量大致9 Pa，擴散效率為13%。結(jié)合原設(shè)計分析，導(dǎo)流板不宜靠外側(cè)壁過近。

2.5 優(yōu)化結(jié)果

不同導(dǎo)流板數(shù)量及布局數(shù)值模擬結(jié)果如下頁表1所示。結(jié)果表明6片導(dǎo)流板時能耗最大，4片效果最好，其次是5片和3片。

表1 各方案數(shù)值模擬數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

1）通過分析山西某煤礦通風機輔助裝置擴散器結(jié)構(gòu)形式及影響工作能耗的因素，提出擴散器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，可通過改變導(dǎo)流板數(shù)量為5片、4片、3片，結(jié)合布局調(diào)整達到優(yōu)化擴散器結(jié)構(gòu)的目的；

2）通過靜壓云圖和速度云圖，分析每種方案工作過程中氣流流動規(guī)律及流場波動變化，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)為4片導(dǎo)流板的方案；

3）通過對以上不同方案的研究可知關(guān)于導(dǎo)流板的設(shè)計安裝，若外側(cè)壁處的導(dǎo)流板過于接近外側(cè)，由于外側(cè)氣流速度大，會嚴重阻礙氣流流動，出現(xiàn)較大動能損失。對于內(nèi)側(cè)壁處的導(dǎo)流板，若過于接近內(nèi)側(cè)壁時，也會影響氣流流動，可能出現(xiàn)主流脫離壁面，形成反方向氣流，使擴散段氣流擴散極不穩(wěn)定，壁面靠近出口處，還可能形成渦流，嚴重影響能量回收和擴散效率。