焦國(guó)忠

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦通風(fēng)區(qū)， 山西 大同 037003）

引言

煤礦的開(kāi)采過(guò)程離不開(kāi)通風(fēng)機(jī)的作用，對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)流量大、結(jié)構(gòu)緊湊，便于進(jìn)行布置及維護(hù)，在煤礦的生產(chǎn)活動(dòng)中具有廣泛的應(yīng)用。對(duì)旋通風(fēng)機(jī)作為煤礦的通風(fēng)保證設(shè)備，其運(yùn)行的性能及安全對(duì)煤礦的生產(chǎn)具有重要的影響。對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方法主要包括改變煤礦的管網(wǎng)特性及調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)自身的性能[1]。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，葉片的安裝及調(diào)節(jié)至關(guān)重要，葉片的安裝角度不當(dāng)容易造成葉輪的不匹配及磨損現(xiàn)象，影響設(shè)備的工作安全性。針對(duì)葉片的安裝角度，采用模擬仿真的形式對(duì)不同安裝角度的葉片的性能進(jìn)行分析，從而確定合理的葉片安裝角度[2]，提高對(duì)旋通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

1 對(duì)旋通風(fēng)機(jī)不同葉片安裝角度模型的建立

采用三維建模軟件繪制礦用對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的幾何模型，主要包括消聲器、彎管、集流器、兩級(jí)葉輪及擴(kuò)散筒，葉輪的直徑為2 000 mm，轉(zhuǎn)速為980 r/min，兩級(jí)葉輪的葉片數(shù)量分別為19、17，輪轂比為0.618[3]。對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的葉片安裝角度選定為-3°、0°及3°三種不同的數(shù)值，分別進(jìn)行通風(fēng)機(jī)模型的建立。對(duì)通風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)模型在幾何模型的基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)部非流動(dòng)區(qū)域的實(shí)體進(jìn)行布爾減運(yùn)算，簡(jiǎn)化通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流道，減少了建立流場(chǎng)模型的工作量。

對(duì)通風(fēng)機(jī)的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，通風(fēng)機(jī)為兩級(jí)葉輪的設(shè)置，其幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)葉頂?shù)拈g隙區(qū)域及葉輪內(nèi)部的葉片的前后緣位置進(jìn)行網(wǎng)格的加密處理，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]。對(duì)旋通風(fēng)機(jī)中的其他區(qū)域包括消聲器、彎管機(jī)集流器、擴(kuò)散筒等較為規(guī)則的區(qū)域，采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)其邊界部分進(jìn)行加密處理，這樣可保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)節(jié)約一定的計(jì)算資源，提高計(jì)算的效率[5]。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分處理，得到對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分模型

對(duì)旋通風(fēng)機(jī)在工作過(guò)程中輸送的氣體的馬赫數(shù)較低，將其看作不可壓的黏性湍流流動(dòng)，設(shè)定外界壓力為標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓，出口處為自由狀態(tài)，通風(fēng)機(jī)的內(nèi)壁面設(shè)定為無(wú)滑移的光滑壁面，采用自適應(yīng)的壁面函數(shù)，對(duì)近壁面的流動(dòng)狀況可進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。在定常計(jì)算中采用Realizable 湍流模型，通過(guò)旋轉(zhuǎn)及曲率的設(shè)定，可對(duì)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行模擬。對(duì)流動(dòng)過(guò)程采用二階迎風(fēng)的格式對(duì)其進(jìn)行離散化處理，設(shè)定葉輪的旋轉(zhuǎn)周期為0.06 s，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的迭代次數(shù)為20 次。

2 對(duì)旋通風(fēng)機(jī)不同葉片安裝角度靜力學(xué)特性的分析

礦用通風(fēng)機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用反布爾運(yùn)算的方式提取葉輪的三維結(jié)構(gòu)，葉片受到重力及離心力的作用，同時(shí)氣流對(duì)葉片產(chǎn)生響應(yīng)的氣動(dòng)力，離心力對(duì)葉片產(chǎn)生拉伸變形的作用，氣動(dòng)力對(duì)葉片產(chǎn)生彎曲變形的作用，氣動(dòng)力載荷采用插值的形式加載到葉片及輪轂的表面，離心力采用設(shè)定轉(zhuǎn)速的形式進(jìn)行加載。葉輪在工作過(guò)程中圍繞中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在輪盤(pán)的中心位置處施加相應(yīng)的圓柱面約束，從而約束葉輪的自由度，得到葉輪的載荷約束模型如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 葉輪的載荷約束模型

2.1 葉片安裝角度對(duì)葉輪強(qiáng)度的影響

在三種不同的葉片安裝角度下，對(duì)葉輪的強(qiáng)度進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，將三種不同安裝角度下的最大等效應(yīng)力進(jìn)行提取，得到如圖3 所示的不同安裝角度下的最大等效應(yīng)力變化曲線。

圖3 最大等效應(yīng)力隨葉片安裝角度的變化曲線

從圖3 中可以看出，在所設(shè)定的載荷工況下，不同安裝角度的后一級(jí)葉輪的最大等效應(yīng)力均小于相應(yīng)的前一級(jí)葉輪的等效應(yīng)力，且當(dāng)葉片的安裝角度增加時(shí)，兩級(jí)葉輪的等效應(yīng)力均有所增加；在對(duì)旋通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，離心力載荷是影響葉輪強(qiáng)度的主要因素，離心力與氣動(dòng)力的作用方向相互垂直，葉片的安裝角度增加，對(duì)離心力的影響較大，從而增加葉輪的應(yīng)力作用。對(duì)旋通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，葉片部位的強(qiáng)度不足常造成失效或者斷裂，文中所分析的葉片材料采用結(jié)構(gòu)鋼，其屈服極限值較大，通過(guò)分析可知，不同角度下產(chǎn)生的最大應(yīng)力值均小于材料的屈服極限，滿足葉片的使用需求，在此基礎(chǔ)之上，調(diào)整較小的安裝角度可減小葉片受到的應(yīng)力作用。

2.2 葉片安裝角度對(duì)葉輪剛度的影響

在三種不同的葉片安裝角度下，對(duì)葉輪的剛度進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，將三種不同安裝角度下的最大變形量進(jìn)行提取，得到如圖4 所示的不同安裝角度下的最大變形量變化曲線。

圖4 最大變形量隨葉片安裝角度的變化曲線

從圖4 中可以看出，在所設(shè)定的載荷工況下，不同葉片安裝角度下后一級(jí)葉輪的變形量大于前一級(jí)葉輪的變形量，葉片的安裝角度增加時(shí)，兩級(jí)葉輪的變形量均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，同樣是由于葉輪受到的離心力載荷作用較大，對(duì)葉輪的變形起到主要的影響作用。

3 結(jié)輪

對(duì)旋通風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)中常用的通風(fēng)設(shè)備，葉片的安裝角度不同對(duì)通風(fēng)機(jī)使用過(guò)程中的性能及使用壽命等具有重要的影響。采用仿真分析的方式，對(duì)三種葉片安裝角度下的葉輪的靜態(tài)性能進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果顯示，在-3°、0°、3°三種不同的安裝角度下，對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的后一級(jí)葉輪受的應(yīng)力小于前一級(jí)葉輪，且隨著安裝角度的增加，所受到的最大應(yīng)力值及產(chǎn)生的最大變形量均有所增加。在進(jìn)行對(duì)旋通風(fēng)機(jī)葉片安裝角度的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡量減小葉片的安裝角度，從而減輕葉片的應(yīng)力及變形量，更好的進(jìn)行葉輪轉(zhuǎn)速的匹配，提高對(duì)旋通風(fēng)機(jī)的使用穩(wěn)定可靠性，保證煤礦的安全生產(chǎn)。