礦用通風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲特性的影響研究

范 麗

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦， 山西 大同 037041）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)被稱為“礦井之肺”，其運(yùn)行特性直接關(guān)系到煤礦井下通風(fēng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。礦用對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，是礦井通風(fēng)系統(tǒng)最常用的風(fēng)機(jī)之一。為了滿足井下通風(fēng)需求，通風(fēng)系統(tǒng)通常需要保持風(fēng)機(jī)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，但受風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特性和通風(fēng)環(huán)境的限制，在風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲和振動(dòng)，不僅造成了嚴(yán)重的噪聲污染，而且限制了風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度的進(jìn)一步提升，不利于礦井通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的提升。

通過(guò)對(duì)影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲的因素分析，發(fā)現(xiàn)葉片形態(tài)是影響最大的因素之一，因此在前人研究的基礎(chǔ)之上，提出了一種新型仿生葉片結(jié)構(gòu)。

1 葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

本文所提出的優(yōu)化后的葉片結(jié)構(gòu)分為三種，第一種是在葉片后側(cè)設(shè)置鋸齒狀結(jié)構(gòu)，第二種是在葉片前側(cè)設(shè)置圓齒狀結(jié)構(gòu)，第三種是在葉片后側(cè)設(shè)置鋸齒狀結(jié)構(gòu)、在葉片前側(cè)設(shè)置圓齒狀結(jié)構(gòu)。各類葉片對(duì)比結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 不同結(jié)構(gòu)葉片對(duì)比示意圖

由圖1 可知，在葉片后側(cè)的鋸齒結(jié)構(gòu)高為4.81 mm、鋸齒角為90°，前側(cè)的圓弧狀鋸齒結(jié)構(gòu)高為6.37 mm、齒寬為28 mm。以對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，其額定流量為125 00 m3/h，運(yùn)行效率為83%，風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，前側(cè)的葉片數(shù)量為8 個(gè)、后側(cè)的葉片數(shù)量為7 個(gè)，風(fēng)機(jī)葉輪的直徑為500 mm。利用三維建模軟件建立該對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)的三維模型，然后利用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分的方法對(duì)風(fēng)機(jī)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高仿真分析的準(zhǔn)確性，在風(fēng)機(jī)葉頂間隙邊界層處進(jìn)行了網(wǎng)格加密劃分，網(wǎng)格劃分后的對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)模型如圖2 所示。

圖2 對(duì)旋式風(fēng)機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型

利用Fluent 流體分析軟件，對(duì)不同葉片結(jié)構(gòu)下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行分析，考慮到仿真分析能力，在分析時(shí)采用RNG k－ε 模型在大渦流的狀態(tài)下進(jìn)行[2]，邊界條件設(shè)置時(shí)將氣流速度入口選擇在集流器的截面位置，將氣流的壓力入口選擇在擴(kuò)散器出口的截面上，進(jìn)行仿真分析時(shí)獲取不同時(shí)間段的流場(chǎng)和聲場(chǎng)特性，在選擇分析結(jié)果時(shí)，應(yīng)選取穩(wěn)定運(yùn)行100 r/min 以后的流場(chǎng)，提高分析的精確性。

2 不同葉片狀態(tài)下靜壓分布分析

風(fēng)機(jī)在額定流量和轉(zhuǎn)速下，不同結(jié)構(gòu)葉片前級(jí)和后級(jí)表面上的靜壓分布結(jié)果如下頁(yè)圖3 所示。

圖3 風(fēng)機(jī)前、后側(cè)葉片靜壓分布示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，在相同的葉型結(jié)構(gòu)下，風(fēng)機(jī)后側(cè)葉輪葉片靜壓分布的均勻性，均優(yōu)于前側(cè)葉輪葉片靜壓分布，僅在葉片的高壓區(qū)域存在梯次減少的情況，進(jìn)而影響了風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)后側(cè)風(fēng)葉的有效做功，降低了風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)全壓效率的減少[3]。

與風(fēng)機(jī)原始葉片相比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)1 前側(cè)葉片在靠近頂部的位置低壓區(qū)域顯著降低，表明在葉片后側(cè)設(shè)置鋸齒狀的結(jié)構(gòu)，能夠減少葉片吸力面和壓力面上的壓差情況，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)葉片表面的壓力脈動(dòng)，使葉頂間隙位置的渦流量減少。優(yōu)化結(jié)構(gòu)2 前側(cè)的壓強(qiáng)從頂部到根部不斷減少，氣流在前側(cè)圓齒的影響下，氣流從葉片軸向向著徑向偏轉(zhuǎn)，與正常流動(dòng)的氣流形成交匯，在葉片后側(cè)形成了一個(gè)干擾氣流，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)大的渦流，影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。優(yōu)化結(jié)構(gòu)3和原始葉片相比，前側(cè)和后側(cè)的葉片表面壓力分布均勻性高、壓力損失率低，而且在后側(cè)鋸齒狀結(jié)構(gòu)的影響下，將前側(cè)形成的渦流團(tuán)擊碎[4]，增加了單位時(shí)間內(nèi)的有效氣流量，提升了風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的效率和穩(wěn)定性。

3 不同葉片結(jié)構(gòu)下的壓力脈動(dòng)變化

在同樣的工況下對(duì)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不同葉片結(jié)構(gòu)下的壓力脈動(dòng)變化情況進(jìn)行分析，將仿真分析結(jié)果繪制成壓力脈動(dòng)變化曲線，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，原始葉片的平均壓力脈動(dòng)達(dá)到了0.007 Pa，其波動(dòng)范圍為±0.025 Pa。葉片1 的平均壓力脈動(dòng)為0.005 Pa，其波動(dòng)范圍為±0.016 Pa。葉片2的平均壓力脈動(dòng)為0.003 Pa，其波動(dòng)范圍為±0.006 Pa。葉片3 的平均壓力脈動(dòng)為0.001 Pa，比原始葉片降低了85.7%，其波動(dòng)范圍為±0.002 Pa。

圖4 不同葉片結(jié)構(gòu)下壓力脈動(dòng)示意圖

由此可知，采用優(yōu)化后的葉片，能夠顯著降低風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的壓力脈沖波動(dòng)，且采用葉片前端增加圓齒狀前緣、在葉片后側(cè)增加鋸齒狀后緣的結(jié)構(gòu)，具有最明顯的降低壓力脈沖效果，顯著提升了風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。

4 瞬時(shí)噪聲變化

在同樣的工況下對(duì)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不同葉片結(jié)構(gòu)下的噪聲變化情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同葉片結(jié)構(gòu)下運(yùn)行噪聲變化示意圖

由圖5 可知，風(fēng)機(jī)采用原始葉片情況下運(yùn)行時(shí)的平均聲壓級(jí)約為107 dB，采用葉片1 的平均聲壓級(jí)約為102 dB，采用葉片2 的平均聲壓級(jí)約為97 dB，采用葉片3 的平均聲壓級(jí)約為91 dB，比優(yōu)化前降低了約16 dB，顯著提升了風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和舒適性。

5 結(jié)論

針對(duì)目前礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲大，影響礦井通風(fēng)效率和安全的現(xiàn)狀，提出了一種新的通風(fēng)葉片結(jié)構(gòu)，利用大渦流模擬的方法對(duì)不同葉片方案下的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：

1）利用Fluent 仿真分析軟件和RNG k－ε 模型在大渦流的狀態(tài)下對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行分析，能夠比較真實(shí)地反映風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

2）葉片3 結(jié)構(gòu)前側(cè)和后側(cè)的葉片表面的壓力分布均勻性高、壓力損失率低，增加了單位時(shí)間內(nèi)的有效氣流量，提升了風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的效率和穩(wěn)定性。

3）當(dāng)在葉片前端增加圓齒狀前緣、在葉片后側(cè)增加鋸齒狀后緣時(shí)，能夠?qū)L(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲降低16 dB，將風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的壓力脈動(dòng)降低了87.5%，對(duì)優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性具有十分重要的意義。