煤礦安全開采中通風機擴散器結構的優化設計

高 宇

（晉能控股煤業集團北辛窯煤業公司，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的安全，但另一方面也制約著煤礦開采的經濟效益。據統計，主通風機能耗占礦井生產總能耗的1/3，其中電力損耗占總的通風能耗的70%[1]，因此對主通風機結構進行優化，從而使其節能高效的運行是當前行業關注的一大焦點。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。通風機的輔助設備擴散器，可以起到轉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有通風機擴散器結構型式及其工作性能，對其提出幾種優化方案，經研究比較，得出了工作性能優于原設計的方案，有較好應用價值。

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計的擴散器，擴散器包括擴散段和轉角彎頭兩部分，轉角彎頭內設計有導流片6片，結構實際圖見圖1。結構中彎頭風道截面是正方形，轉角弧度對應90°的圓心角。

圖1 直立式擴散器結構示意圖

擴散器的彎頭風道結構中的導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，通過數值模擬方法（下文各方案均采用此方法）分析6片導流板結構在工作中對動能損失的影響，圖2是上述結構下氣流數值模擬的靜壓云圖和速度云圖。當氣流流到轉角彎道時，由于慣性規律，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，即左下側氣流速度最大。將導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號板氣流流入側靜壓急劇增加，氣流將變得不穩定，出現動能損失，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，壓差與流向的關系將嚴重影響圖1右上側氣流流動，甚至出現反向流動氣流，更加加劇了氣流擴散的不穩定性[2-3]。分析得出這種結構下僅回收了約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構形式。

圖2 靜壓云圖及速度云圖示意圖

2 擴散器的優化設計

2.1 設計思路

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

圖3 各導流板設計結構示意圖

2.2 5片導流板設計分析

分析6片導流板時氣流現象，改進導流板設計，拆除原有6號導流板，如圖3-1。5片導流板方案的流場與6片導流板的相類似，氣流速度依然由左下至右上逐漸減小，左下轉角處仍有較高的氣流速度，見圖4。左下最外側導流板由于靠近壁面，氣流經導流板突然變換位置會使流場出現波動，從而導致擴散段的流場不穩定。但相比于6片導流板設計，此時左下側導流板距壁面較遠，使得導流板氣流流入側靜壓降至約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片導流板時靜壓云圖及速度云圖示意圖

2.3 4片導流板設計分析

4片導流板設計方案拆除了原設計的1號和6號導流板，如圖3-2。重新由左下至右上編號導流板為1號至4號。分析4片導流板的靜壓云圖和速度云圖，此時氣流流過1號導流板后方產生流暢突變現象，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，則導流消耗的能量也較大，但由于1號導流板此時距壁面距離更大，因導流板產生的氣流局部阻力則繼續減小，擴散段內流場的不穩定也進一步降低。根據數值模擬結果，此時回收能量大致14 Pa，擴散效率為20%，見圖5。

圖5 4片導流板時靜壓云圖及速度云圖示意圖

2.4 3片導流板設計分析

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

對于拆除2號、4號、6號導流板的方案，如圖3-3所示。分析其靜壓云圖和速度云圖，3片導流板的設計，左下最外側導流板后側流暢的不穩定性較之前方案明顯減弱，與4片方案比較，由于右上最外側導流板靠近壁面，使得氣流流過時流場不穩定性加劇，進而影響擴散段內氣流的擴散。根據數值模擬結果，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片導流板的設計，左下最外側導流板嚴重貼近壁面，阻礙氣流流動，有較大阻力損失。根據數值模擬結果，此時回收能量大致9 Pa，擴散效率為13%。結合原設計分析，導流板不宜靠外側壁過近。

2.5 優化結果

不同導流板數量及布局數值模擬結果如下頁表1所示。結果表明6片導流板時能耗最大，4片效果最好，其次是5片和3片。

表1 各方案數值模擬數據表

3 結論

1）通過分析山西某煤礦通風機輔助裝置擴散器結構形式及影響工作能耗的因素，提出擴散器結構優化設計方案，可通過改變導流板數量為5片、4片、3片，結合布局調整達到優化擴散器結構的目的；

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律及流場波動變化，并結合數值模擬結果，得出最優結構為4片導流板的方案；

3）通過對以上不同方案的研究可知關于導流板的設計安裝，若外側壁處的導流板過于接近外側，由于外側氣流速度大，會嚴重阻礙氣流流動，出現較大動能損失。對于內側壁處的導流板，若過于接近內側壁時，也會影響氣流流動，可能出現主流脫離壁面，形成反方向氣流，使擴散段氣流擴散極不穩定，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。