张国鑫

（山西省潞安集团慈林山煤业李村煤矿， 山西 长治 046600）

引言

扩散器作为矿井通风系统的重要组成部分，一方面用于降低风机在高速工作时的噪声，另一方面通过降低风机出口处的动压来使出口位置的静压提升，进而降低出口处的动能消耗，提高风机工作时的静压效率。因此矿井通风机扩散器的结构对风机工作时的性能具有十分重要的影响，之前学者对风机工作性能的研究主要集中在对风机叶片机构、风道结构等方面[1]，对扩散器结构的影响效果未进行深入分析，因此，为了进一步提升风机工作时的性能，本文利用Fluent 流体仿真分析软件建立了风机系统的三维结构模型，对其工作时的特性进行分析。

1 通风机及扩散器的三维建模

本文以某矿的矿用对旋式轴流风机为分析对象，该风机扩散器出口的直径约为2 289 mm，其入口位置的截面直径约为1 890 mm，扩散器尾部芯筒的直径为388 mm，扩散器入口处芯筒的直径1 138 mm，整个扩散器的长度为3 790 mm。

利用Creo 三维建模软件建立该对旋轴流式风机的三维结构模型，在三维建模时，为了便于分析，将其分为风机叶轮、风机集流器、流线罩以及扩散器。为了提升分析时的计算速度，在划分网格时将风机扩散器和集流器处的网格设置的尺寸可以适当放大，根据验证结果，将扩散器、集流器位置的网格尺寸设置为41 mm，将风机叶轮处的网格尺寸设置为31 mm，而将流线罩处的网格尺寸设置为32 mm，风机的三维分析模型如图1 所示[2]。

2 试验验证方案设计

图1 对旋式通风机三维分析模型

为了研究扩散器结构对矿井通风机全压和效率的影响，根据对旋式通风机的扩散器的入口位置的直径、风机的叶轮的直径以及风机入口芯筒的直径之间相互匹配的关系[3]，确定以风机扩散器芯筒的末端的直径x1、风机扩散器的出口位置的直径x2、风机的扩散器的整体长度x3为扩散器的设计变量，通过转换各设计变量的参数数值来对扩散器参数对风机工作时的特性的影响进行研究，则在不同的扩散器结构参数下，风机运行时的全压变化如图2 所示，其风机运行时的效率变化如图3 所示，其横坐标表示各参数相对于原始参数的变化比例。

图2 不同结构参数下风机的全压变化曲线

图3 不同结构参数下风机的效率变化曲线

由上页图2 可知，随着风机扩散器芯筒末端直径x1的增加，风机运行时的全压会先降低然后再增大，随着风机扩散器出口位置的直径x2的增加，风机运行时的全压逐渐的降低，随着风机的扩散器的整体长度x3的增加，风机运行时全压逐渐增大。通过对不同参数变化时对风机全压的影响，可知当风机扩散器的整体长度x3发生变化时对风机工作时的全压影响最大。

由上页图3 可知，随着风机扩散器芯筒末端直径x1、风机扩散器的整体长度x3的增加，风机运行时效率逐渐的增加，随着风机扩散器出口位置直径x2的增加而逐渐降低，其中风机扩散器的长度变化对风机效率的影响最大。这主要是由于当风机出口处扩散器长度增加时能够有效地降低风机在出风口处的动压，使风机运行时动压得到显著提升。

3 通风机扩散器结构优化及分析

根据仿真分析结果，同时为了降低风机扩散器的成本，综合分析后以风机扩散器最小表面积为结构优化目标[4]，对风机扩散器的变量参数进行分析，最终确定当x1的因素水平为-0.51，x2的因素水平为-0.01，x3的因素水平为0.08 的风机具有最佳的运行性能，此时风机扩散器芯筒的末端直径x1为188.89 mm、风机扩散器的出口位置直径x2为1126.4 mm、风机扩散器整体长度x3为4088.6 mm 时，其具有最小的扩散器表面积。

利用Fluent 流体仿真分析软件对优化后的风机运行时的三维流场进行仿真分析，在相同工况下对比分析结果如图4 所示。

由对比分析结果可知，在相同工况下，扩散器优化后风机运行的全压显著高于优化前风机运行时的全压，优化后风机的全压比优化前提升了约26.9 MPa，其风机在运行过程中的效率比优化前提升了约0.74%，极大地提升了风机运行时的稳定性和经济性。

图4 优化前后风机运行全压变化曲线

4 结论

1）随着风机扩散器芯筒末端的直径x1的增加，风机运行时的全压会先降低然后再增大，随着风机扩散器的出口位置直径x2的增加，风机运行时全压逐渐的降低，随着风机扩散器整体长度x3的增加风机运行时的全压逐渐增大。

2）随着风机扩散器芯筒末端直径x1、风机的扩散器的整体长度x3的增加，风机运行时的效率逐渐增加，随着风机扩散器出口位置直径x2的增加而逐渐降低，其中风机扩散器的长度变化对风机效率的影响最大。

3）优化后风机的全压比优化前提升了约26.9MPa，其风机在运行过程中的效率比优化前提升了约0.74%，极大地提升了风机运行时的稳定性和经济性。