王麗萍

（晉能控股集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037001）

引言

我國(guó)的煤炭開(kāi)采量巨大，在煤炭開(kāi)采過(guò)程中的安全問(wèn)題至關(guān)重要。隨著煤礦開(kāi)采的深度不斷增加，對(duì)工作面的通風(fēng)要求越來(lái)越高。工作面的通風(fēng)安全對(duì)于作業(yè)人員的工作能動(dòng)性及生命安全具有積極的保障。在工作面的通風(fēng)系統(tǒng)中，對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，是廣泛使用的一種局部通風(fēng)機(jī)形式，是保證工作面通風(fēng)安全的關(guān)鍵設(shè)備[1]。在對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，葉片的翼型對(duì)于通風(fēng)性能及安全具有重要的影響。采用有限元模擬仿真的方式對(duì)常用翼型的性能進(jìn)行分析，從而確定最優(yōu)的翼型結(jié)構(gòu)，提高通風(fēng)機(jī)的性能，保證礦井通風(fēng)的安全性。

1 對(duì)旋通風(fēng)機(jī)分析模型的建立

在煤礦工作面的通風(fēng)系統(tǒng)中，由于掘進(jìn)巷道位置及環(huán)境的限制，要求通風(fēng)機(jī)的體積要盡量小，并且具有堅(jiān)固、防爆的特性，通風(fēng)機(jī)要能滿(mǎn)足較高的風(fēng)壓，具有較高的效率，能夠在井下環(huán)境中穩(wěn)定地運(yùn)行[2]。采用有限元分析的方式對(duì)不同翼型結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行分析，需要建立對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分析模型。

采用三維建模軟件Pro/E進(jìn)行對(duì)旋通風(fēng)機(jī)模型的建立，能夠與有限元分析軟件進(jìn)行直接的接口兼容，便于對(duì)模型進(jìn)行分析。采用自下向上的設(shè)計(jì)方式對(duì)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行裝配，包括集流器、風(fēng)筒、葉輪等零部件。對(duì)旋通風(fēng)機(jī)不同翼型的葉片結(jié)構(gòu)影響通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率及自身性能，常用的翼型有LS翼型和NACA翼型兩種結(jié)構(gòu)[3]。其中LS翼型結(jié)構(gòu)的下弧線(xiàn)是一條直線(xiàn)，屬于平凸翼型的類(lèi)型；NACA翼型結(jié)構(gòu)的上弧線(xiàn)和下弧線(xiàn)都呈向外凸出的結(jié)構(gòu)，且上弧線(xiàn)的彎度要大，屬于雙凸翼型的類(lèi)型。對(duì)兩種不同的葉片翼型結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行建模，形成兩種翼型結(jié)構(gòu)的對(duì)旋通風(fēng)機(jī)模型。對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量及密度對(duì)于分析結(jié)果的精度具有重要的影響[4]。在不影響計(jì)算時(shí)間的情況下，采用四面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，由此可對(duì)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行模擬仿真。

2 不同翼型對(duì)旋通風(fēng)機(jī)性能的對(duì)比分析

2.1 兩種翼型結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)性能分析

對(duì)兩種不同的翼型結(jié)構(gòu)設(shè)定相同的初始邊界條件，設(shè)定風(fēng)機(jī)的入口處為勻速、出口處以相對(duì)壓力為零進(jìn)行限定，翼型的壁面無(wú)滑移邊界，將LS翼型及NACA翼型導(dǎo)入ABAQUS/CFD流體仿真軟件中進(jìn)行分析，得到兩種翼型結(jié)構(gòu)在不同攻擊角下的壓力及速度分布，分別如下頁(yè)圖1、下頁(yè)圖2所示。

對(duì)比下頁(yè)圖1、圖2的結(jié)果可知，在葉片翼型表面駐點(diǎn)的區(qū)域位置處所受到的壓力值最大，翼型壁面周邊區(qū)域流體的速度變化逐漸減小，在尾部的速度趨勢(shì)增加，且在翼型表面壓力大的區(qū)域內(nèi)速度較小，而壓力小的區(qū)域內(nèi)速度相對(duì)較大；在對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的工作過(guò)程中存在渦流現(xiàn)象，降低了通風(fēng)機(jī)的整體效率。通過(guò)對(duì)比可知，NACA翼型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦流較小，有利于保持風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定，提高礦井的通風(fēng)安全性能[5]。

圖1 LS翼型氣動(dòng)性能分布

圖2 NACA翼型氣動(dòng)性能分布

2.2 NACA翼型結(jié)構(gòu)建模仿真分析

葉片作為對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)的合理性對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能及安全具有重要的影響。通過(guò)上述的分析可知，NACA翼型結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)性能要優(yōu)于LS翼型結(jié)構(gòu)，有利于煤礦的通風(fēng)安全。對(duì)NACA翼型結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能進(jìn)行進(jìn)一步的安全校核分析。采用ABAQUS對(duì)NACA翼型結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能進(jìn)行分析，首先對(duì)NACA翼型進(jìn)行建模，設(shè)定葉片的材質(zhì)為Q235A，將葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保葉片各邊平均劃分[6]。設(shè)定葉片的受力作用，葉片的根部進(jìn)行固定約束，另一端自由，對(duì)NACA葉片的應(yīng)力及位移變形進(jìn)行模擬仿真，得到如圖3、圖4所示的應(yīng)力及位移分布圖。

從圖3可以看出，葉片的應(yīng)力在葉柄位置所受到的應(yīng)力值較大，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在葉片和葉柄的連接位置。從圖4可以看出，葉片的位移變形主要發(fā)生在葉尖，沿著葉片的長(zhǎng)度方向，隨著遠(yuǎn)離葉尖的位置，產(chǎn)生的位移變形越小。NACA翼型的應(yīng)力及變形量總體上較小，且不存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。NACA翼型結(jié)構(gòu)可對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能起到優(yōu)化的作用，滿(mǎn)足對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的使用需求。

圖3 應(yīng)力分布云圖

圖4 位移分布云圖

3 結(jié)論

對(duì)旋通風(fēng)機(jī)作為性能穩(wěn)定的通風(fēng)機(jī)形式，在礦井的局部通風(fēng)中具有廣泛的應(yīng)用。葉片作為對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，對(duì)其工作效率及安全性能具有重要的影響。在較常使用的葉片翼型結(jié)構(gòu)中，LS翼型及NACA翼型結(jié)構(gòu)不同，對(duì)其通風(fēng)性能及安全性也有一定的不同。采用有限元分析的方式對(duì)兩種不同的翼型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，NACA翼型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦流較小，有利于保持風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定，其氣動(dòng)性能要優(yōu)于LS翼型結(jié)構(gòu)。對(duì)NACA翼型結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性進(jìn)行進(jìn)一步的分析，結(jié)果表明，NACA翼型的應(yīng)力及變形量較小，不存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，NACA翼型結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)機(jī)的性能起到優(yōu)化的作用。通過(guò)上述的分析可知，NACA翼型在氣動(dòng)性能及靜力學(xué)特性上均能改善對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的性能，保證通風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定地運(yùn)行，從而保證工作面的通風(fēng)性，為煤礦的安全生產(chǎn)提供保障，促進(jìn)煤礦生產(chǎn)效率的提高。