矿用轴流式通风机叶顶开槽深度对通风特性影响的研究

2020-03-14黄晓鹏

机械管理开发 2020年1期

黄晓鹏

（阳煤集团开元公司通风部抽采队，山西寿阳 045400）

引言

矿井通风机主要作用是通过高速旋转形成持续的风流，为煤矿井下提供新鲜的空气，降低井下粉尘和瓦斯的浓度，确保井下综采作业的安全。为了充分确保井下的通风安全，在我国现行的煤矿通风系统设计规范中规定的较大的风机流量和压头余量系数，导致风机的实际运行持续处在低流量工况下，不仅造成风机运行时的喘振、稳定性差，而且导致风机运行效率低下，能耗较大[1]。根据研究发现，在风机叶片的顶部设置双凹槽能够优化风机运行时的通风特性，降低风机工作时的全压并提升工作效率。但由于并没有对风机叶片开槽深度对风机运行特性的影响进行分析，因此在实际使用中存在着较大的隐患。开槽深度太浅无法有效提升风机工作效率，开槽深度太深则极易降低叶片结构强度，导致高速运转时出现断裂[2]。因此本文利用工ANSYS仿真分析软件和流体分析软件对风机在不同开槽深度下的影响特性进行分析，确定最佳开槽深度，以满足风机高效、高可靠性的运行要求。

1 仿真分析模型的建立

本文以YSF-5014型轴流式通风机为研究对象，对其在风机叶片顶部不开槽及开不同深度双凹槽情况下的通风特性进行研究，利用三维建模软件建立该通风机的三维结构模型，其风机的主叶轮的直径为1 400 mm，叶片的叶顶间隙为3.5 mm，总共的叶片数量为16个，风机的额定工作转速为1 200 r/min，导叶叶片的安装角度为28°，风机的设计流量为37.1 m3/s。建立轴流式通风的整体三维结构模型后分别设置凹槽深度为1 mm、2.5 mm、4 mm三种深度的双凹槽叶片结构，其开槽的长度均为叶顶长度的68%，风机原叶片结构及开槽后的叶片结构如图1所示。

图1 轴流式通风机叶片结构示意图

在划分网格的时候，综合考虑计算精度和仿真分析效果，重点需要对叶片顶部区域网格进行加强，在顶部区域采用了Tet网格结构，而在风机的集流器、风机导叶和风筒位置则采用了Hybrid网格划分方法[3]，使各个区域的网格尺寸能够有效地衔接，满足风机仿真分析要求。划分完成后将三维模型导入到Fluent仿真分析软件[4]中进行模拟仿真分析，确定不同凹槽深度情况下风机的通风特性。

2 不同凹槽深度下风机的风压和效率变化

为了使仿真分析结果更符合实际情况，在进行仿真分析时，选择在风机最常用的工作流量范围30～4 430 m3/s内对风机在不同叶顶凹槽深度下的效率变化情况进行分析，结果如表1所示。

表1 不同开槽深度下风机的效率分布表

由分析结果可知，对叶顶进行开槽后，风机在个流量工况低于37 m3/s情况下的运行效率均高于不开槽的情况，当风机的流量工况超过37 m3/s时，风机开槽后的运行效率将全面低于开槽前，因此可知，当风机在中小流量工况下运行时，对叶片端部开槽能够有效提升风机的运行效率。

在小流量工况下，当流量工况相同时，风机叶顶开槽深度为2.5 mm的情况下风机的运行效率均高于开槽深度为1 mm、4 mm情况下的风机运行效率，而且当风机流量为34 m3/s时的运行效率最高，达到了83.14%，比优化前提升了0.93%。

风机在凹槽深度为2.5 mm及凹槽深度为0 mm情况下的全压变化情况如图2所示，在进行分析时的风机工作时的各项参数均与进行效率分析时的工作参数相同，以确保仿真分析结果的准确性。

图2 不同凹槽深度情况下的风机全压变化曲线

由仿真分析结果可知，当风机叶片顶部的开槽深度为0 mm时，风机在工作过程中的最高全压约为2 473 Pa，此时风机的工作流量qA约为33.2 m3/s。当风机叶片顶部的开槽深度为2.5 mm时，风机在工作过程中的最高全压约为2 451 Pa，此时风机的工作流量qB约为31.8 m3/s。且当流量低于33.2 m3/s时，风机在切顶2.5 mm时的全压高于切顶前，当流量大于33.2 m3/s时，风机在切顶2.5 mm时的全压低于切顶前。

由于采用切槽后的最小流量31.8 m3/s比切槽前的33.2 m3/s降低了约1.4 m3/s，由此可知当采用叶顶切槽后风机运行过程中的稳定流量区间比开槽前增加了1.4 m3/s，因此能够有效地提升风机在运行过程中的稳定性，降低了低流量工况下发生喘振的概率。