不同翼型對旋通風機安全性能對比及優化

王麗萍

（晉能控股集團忻州窯礦，山西 大同 037001）

引言

我國的煤炭開采量巨大，在煤炭開采過程中的安全問題至關重要。隨著煤礦開采的深度不斷增加，對工作面的通風要求越來越高。工作面的通風安全對于作業人員的工作能動性及生命安全具有積極的保障。在工作面的通風系統中，對旋式通風機的結構簡單、性能穩定，是廣泛使用的一種局部通風機形式，是保證工作面通風安全的關鍵設備[1]。在對旋通風機的實際應用中，葉片的翼型對于通風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常用翼型的性能進行分析，從而確定最優的翼型結構，提高通風機的性能，保證礦井通風的安全性。

1 對旋通風機分析模型的建立

在煤礦工作面的通風系統中，由于掘進巷道位置及環境的限制，要求通風機的體積要盡量小，并且具有堅固、防爆的特性，通風機要能滿足較高的風壓，具有較高的效率，能夠在井下環境中穩定地運行[2]。采用有限元分析的方式對不同翼型結構的性能進行分析，需要建立對旋通風機的結構分析模型。

采用三維建模軟件Pro/E進行對旋通風機模型的建立，能夠與有限元分析軟件進行直接的接口兼容，便于對模型進行分析。采用自下向上的設計方式對對旋通風機模型進行裝配，包括集流器、風筒、葉輪等零部件。對旋通風機不同翼型的葉片結構影響通風機的轉換效率及自身性能，常用的翼型有LS翼型和NACA翼型兩種結構[3]。其中LS翼型結構的下弧線是一條直線，屬于平凸翼型的類型；NACA翼型結構的上弧線和下弧線都呈向外凸出的結構，且上弧線的彎度要大，屬于雙凸翼型的類型。對兩種不同的葉片翼型結構分別進行建模，形成兩種翼型結構的對旋通風機模型。對模型進行有限元網格的劃分，網格劃分的質量及密度對于分析結果的精度具有重要的影響[4]。在不影響計算時間的情況下，采用四面體單元對模型進行網格的劃分，由此可對對旋通風機的性能進行模擬仿真。

2 不同翼型對旋通風機性能的對比分析

2.1 兩種翼型結構的氣動性能分析

對兩種不同的翼型結構設定相同的初始邊界條件，設定風機的入口處為勻速、出口處以相對壓力為零進行限定，翼型的壁面無滑移邊界，將LS翼型及NACA翼型導入ABAQUS/CFD流體仿真軟件中進行分析，得到兩種翼型結構在不同攻擊角下的壓力及速度分布，分別如下頁圖1、下頁圖2所示。

對比下頁圖1、圖2的結果可知，在葉片翼型表面駐點的區域位置處所受到的壓力值最大，翼型壁面周邊區域流體的速度變化逐漸減小，在尾部的速度趨勢增加，且在翼型表面壓力大的區域內速度較小，而壓力小的區域內速度相對較大；在對旋通風機的工作過程中存在渦流現象，降低了通風機的整體效率。通過對比可知，NACA翼型結構產生的渦流較小，有利于保持風機的穩定，提高礦井的通風安全性能[5]。

圖1 LS翼型氣動性能分布

圖2 NACA翼型氣動性能分布

2.2 NACA翼型結構建模仿真分析

葉片作為對旋通風機的關鍵零部件，其結構的合理性對通風機的性能及安全具有重要的影響。通過上述的分析可知，NACA翼型結構的氣動性能要優于LS翼型結構，有利于煤礦的通風安全。對NACA翼型結構的靜力學性能進行進一步的安全校核分析。采用ABAQUS對NACA翼型結構的靜力學性能進行分析，首先對NACA翼型進行建模，設定葉片的材質為Q235A，將葉片進行網格劃分，確保葉片各邊平均劃分[6]。設定葉片的受力作用，葉片的根部進行固定約束，另一端自由，對NACA葉片的應力及位移變形進行模擬仿真，得到如圖3、圖4所示的應力及位移分布圖。

從圖3可以看出，葉片的應力在葉柄位置所受到的應力值較大，應力最大值出現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生在葉尖，沿著葉片的長度方向，隨著遠離葉尖的位置，產生的位移變形越小。NACA翼型的應力及變形量總體上較小，且不存在明顯的應力集中現象。NACA翼型結構可對通風機的性能起到優化的作用，滿足對旋通風機的使用需求。

圖3 應力分布云圖

圖4 位移分布云圖

3 結論

對旋通風機作為性能穩定的通風機形式，在礦井的局部通風中具有廣泛的應用。葉片作為對旋通風機的關鍵零部件，對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構中，LS翼型及NACA翼型結構不同，對其通風性能及安全性也有一定的不同。采用有限元分析的方式對兩種不同的翼型結構進行分析，結果表明，NACA翼型結構產生的渦流較小，有利于保持風機的穩定，其氣動性能要優于LS翼型結構。對NACA翼型結構的靜力學特性進行進一步的分析，結果表明，NACA翼型的應力及變形量較小，不存在明顯的應力集中現象，NACA翼型結構對通風機的性能起到優化的作用。通過上述的分析可知，NACA翼型在氣動性能及靜力學特性上均能改善對旋通風機的性能，保證通風機安全穩定地運行，從而保證工作面的通風性，為煤礦的安全生產提供保障，促進煤礦生產效率的提高。