矿井通风机扩散器弯头结构处导流板布置方式优化研究

矿井通风机扩散器弯头结构处导流板布置方式优化研究

马殿冉

东营市齐鲁物贸有限公司 山东东营 257000

摘要：扩散器是矿井主要通风机能量回收装置,扩散器结构形式与风机的能量损失有密切关系,而扩散器的结构阻力大小与其内部的流场有关。通过对矿井通风机扩散器弯头结构处常见的导流板布置方式进行对比分析，采用有限元流体计算方法，对常见导流板布置方式的优缺点进行了说明，并且加入了长圆弧导流板的数值模拟分析，为矿井技术人员在通风系统实际应用方面提供了依据。

关键词：矿井通风机；扩散器；弯头结构；导流板布置

引言

矿井主要通风机的扩散器是安装在通风机出口处的一个排风装置,主要作用在于回收风机出口的动能损失。它的设计形状和安装质量好坏,对通风机的工作效率有较大的影响。根据研究资料可知，煤炭开采量与新鲜空气的需求量的比例最高可达1∶6。可见通风机的通风效率是关乎到煤矿企业安全生产常态化发展的重要因素。通风机的弯头结构处可分布不同形式的导流板，导流板的数目从2~6片不等，不同片数的导流板对气流通过弯头结构的扩散效应不同。为了提高通风效率，应使得气流通过弯头结构时更加的顺畅。采用有限元分析方法，对弯头部位不同导流片的布置形式进行分析，根据计算结果得出每种布置形式的优缺点以及应用环境。从导流板的阻力、倾斜角度、扩散角度等关键参数入手，结合现场实际安装工艺，对导流板在现场实际工程应用方面的可行性进行研究，矿井技术人员可根据导流板的仿真计算结果和安装难度进行选择。

1扩散器工况分析

1.1扩散器结构简介本次研究以轴流式风机为研究对象，两个通风弯头相连接是采用直立式扩散器装置。常见的扩散器分为直壁式、倾斜式、流线型。直臂式扩散器结构只能使得气体朝一个方向运动，通风时的气体流动灵活性较差，已逐渐被淘汰；倾斜式扩散器在矿井使用中最为常见，包括60°角和45°度的结构造型，无论哪种角度都会形成气体涡流区，造成气体阻力过大，不利于通风气体的排出。

1.2工作原理分析

扩散器是把风机出口的一部分动能转化为风机静压能,从而提高通风机有效功率的主要通风机附属装置之一。从生产现场实测的数据来看,主要通风机扩散器能回收风机出口动能的30%～80%。目前,我国矿山使用的扩散器主要有4种型式,按主要通风机动能回收效率从低至高,依次为直立式、60°倾斜扩散器、45°倾斜改进型扩散器、东工流线型扩散器。由于全矿总风量均通过扩散器排出,其通过的风量大、风速高,扩散器的空气动力学性能优劣对主要通风机能量的有效利用有较大影响。主要通风机的全压分别用于克服矿井阻力、补偿扩散器出风口的动能损失和克服扩散器的通风局部阻力。扩散器的通风阻力包括:转弯的局部阻力、出口涡流、出口动能损失和扩散器内摩擦阻力等。扩散器动能回收效率与扩散器阻力呈对偶关系,效率越高,阻力越小,其回收动能效果越好;扩散器的阻力与合理的断面系数、扩散器转角、导流片的合理安装、扩散器出口断面的涡流区面积、扩散器出口断面的速度分布等因素相关。当主要通风机的风量变化时,风机静压也变化。影响主要通风机能量利用率的因素除扩散器的效率外,还与风量和静压力有关。

2扩散器弯头结构导流板布置分析

2.1导流板模拟参数设置

通风气体在扩散器弯头结构处容易产生涡流状态，通过在弯头内部设置不同片数的导流板，提高弯头处通过气体扩散效率。目前常见在弯头内部设置2~6片导流板。在对导流板进行数值模拟计算时，提出以下4个假设：一是气体为稳态流场，每时刻的流体节点保持不变；二是扩散器的流通气体不可压缩；三是气体温度不发生变化，不受到温度影响；四是气体不受重力和密闭情况影响。计算导流板流体模型时的边界条件为：截面送风速度为10.5m/s，扩散器的边壁材料为水泥，送风出口压力与周边壁相对静压数值为0。

2.2不同片数下导流板数值模拟分析

采用ANSYS仿真软件的流体计算模块，对安装6个不同片数的导流板在相同送风条件下的气体流动状态进行分析。主要的对比参数包括装置入口静压、扩散器出入口静压、装置入口风速、扩散器出入口风速以及关键参数———扩散效率。当安装6片导流板时，气体对在右侧装置壁面的压力损失较大，并且在出风口附近出现了涡流区，降低了气体的能量，使的装置对气体的扩散状态无法保证稳定性，并且扩散效率只有3%。气体能量损失严重主要因为开始扩散时速度大小不一致，并且在接触导流板后的速度有一个数值增加的过程，使得中央和四周的气流速度不同，导致的涡流区的产生，通过数值模拟计算结果表明，导流板的叶片数目并非越多越好。相反，6片导流板对于气体扩散效率的提升效果最差。导流板的叶片数是4片或2片的提升效果最佳，5片或3片的提升效果次之。综合分析得出，无论装几片导流板，弯头结构的内侧壁均会出现涡流区，会消耗更多的气体流量，对扩散效率有较大的影响。但是当安装2片或4片导流板时，由于导流板的间距相等，导致涡流区无法在内侧壁形成更大的面积，可以达到很好的扩散效果。因此在工程实际应用中，对于扩散器导流板数目应选择4片或者2片。

3长圆弧导流板模拟分析

长圆弧导流板是一种全新设计的弯头结构导流板。与片式导流板在结构上不同，该型类型的导流板长度达到了1/4个圆周，由于导流板长度更长，并且更靠近内侧壁，可有效避免涡流区的产生。为了验证该新型设计是否对扩散效率有提升，按照相同的计算参数进行对比论证。导流板流线与弯头风道保持一致，尽可能降低阻力损失。新设计中弯头内布置有3片导流板，在扩散器周围划分出一定计算区域，有助于观察分析整个扩散过程中流场的特点。由剖面速度云图可知，风道中靠近左侧边壁的风速较大，扩散器出口处，形成存在涡流区，造成一定能量消耗，但整体回收效果不错，装置回收约27Pa能量，扩散效率提升至32%。根据数据数值结果，该种扩散器弯头导流板形式，可使扩散器装置实现较好的回收效果。但该种设计还存在长圆弧式导流板长度过长，现场安装困难等技术问题，将其应用于工程实践有待进一步研究探讨。

结束语

为了提高矿井通风机的通风扩散效率，对通风机扩散器弯头结构处的导流板布置方式进行了研究。采用数值模拟分析的方法得出，安装2片或4片导流板时，其装置扩散器效率最高。弯头导流结构采用长圆弧式板设计时，有着较高的扩散效率，压力回收效果良好。但该设计模型按一定边长比放大成现场实物装置时，有导流板安装困难等技术问题，需要通过相似模拟实验论证分析。

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