煤矿安全开采中通风机扩散器结构的优化设计

高 宇

（晋能控股煤业集团北辛窑煤业公司，山西 忻州 036702）

引言

主要通风机在矿井中的使用一方面保证了开采作业的安全，但另一方面也制约着煤矿开采的经济效益。据统计，主通风机能耗占矿井生产总能耗的1/3，其中电力损耗占总的通风能耗的70%[1]，因此对主通风机结构进行优化，从而使其节能高效的运行是当前行业关注的一大焦点。矿井主要通风机全压包括动压和静压两部分，静压主要用来克服风道阻力，是有益风压。而动压则会在系统出口处随着气流流到大气中，属于能量损耗。通风机的辅助设备扩散器，可以起到转化部分动压为静压的作用，这样就可以降低能量损耗，增加气流扩散效率。因此，矿井主要通风机在风机口处都安装有扩散器。本文通过分析山西某煤矿现有通风机扩散器结构型式及其工作性能，对其提出几种优化方案，经研究比较，得出了工作性能优于原设计的方案，有较好应用价值。

1 案例分析

山西某煤矿矿井主要通风机是轴流式通风机，扩散器采用了直立式设计的扩散器，扩散器包括扩散段和转角弯头两部分，转角弯头内设计有导流片6片，结构实际图见图1。结构中弯头风道截面是正方形，转角弧度对应90°的圆心角。

图1 直立式扩散器结构示意图

扩散器的弯头风道结构中的导流板对扩散器的高效率运行起着非常重要的作用。借助CFD工具FLUENT，通过数值模拟方法（下文各方案均采用此方法）分析6片导流板结构在工作中对动能损失的影响，图2是上述结构下气流数值模拟的静压云图和速度云图。当气流流到转角弯道时，由于惯性规律，流到扩散段的气流速度并不均匀，速度由图中左下到右上逐渐减小，即左下侧气流速度最大。将导流板由左下至右上编号依次为1号、2号、3号、4号、5号、6号。则气流流动中，6号板会阻碍气流正常流通，因此6号板气流流入侧静压急剧增加，气流将变得不稳定，出现动能损失，如图2-1。此外在扩散段中，当断面扩大时气流风速会减小，而静压则会增大至30 Pa，压差与流向的关系将严重影响图1右上侧气流流动，甚至出现反向流动气流，更加加剧了气流扩散的不稳定性[2-3]。分析得出这种结构下仅回收了约2 Pa的能量，只有3%的扩散效率，扩散器作用微乎其微，因此需要改进扩散器的结构形式。

图2 静压云图及速度云图示意图

2 扩散器的优化设计

2.1 设计思路

该煤矿因用地受限，扩散器只能采用直立式，因此考虑从导流板数量来改进，为了准确总结导流板对扩散器性能的影响规律，进而研究设计出更加有利的扩散器结构，分别设计含5片、4片、3片短圆弧式导流板的扩散器（见图3），再进一步研究其效率，从而得出最优结构。

图3 各导流板设计结构示意图

2.2 5片导流板设计分析

分析6片导流板时气流现象，改进导流板设计，拆除原有6号导流板，如图3-1。5片导流板方案的流场与6片导流板的相类似，气流速度依然由左下至右上逐渐减小，左下转角处仍有较高的气流速度，见图4。左下最外侧导流板由于靠近壁面，气流经导流板突然变换位置会使流场出现波动，从而导致扩散段的流场不稳定。但相比于6片导流板设计，此时左下侧导流板距壁面较远，使得导流板气流流入侧静压降至约20 Pa，阻力降低，回收效果提高，此时回收约13 Pa能量，扩散效率为18%。

图4 5片导流板时静压云图及速度云图示意图

2.3 4片导流板设计分析

4片导流板设计方案拆除了原设计的1号和6号导流板，如图3-2。重新由左下至右上编号导流板为1号至4号。分析4片导流板的静压云图和速度云图，此时气流流过1号导流板后方产生流畅突变现象，阻力局部减小，同之前方案一致，越靠近左下壁面，气流速度越大，则导流消耗的能量也较大，但由于1号导流板此时距壁面距离更大，因导流板产生的气流局部阻力则继续减小，扩散段内流场的不稳定也进一步降低。根据数值模拟结果，此时回收能量大致14 Pa，扩散效率为20%，见图5。

图5 4片导流板时静压云图及速度云图示意图

2.4 3片导流板设计分析

3片导流板设计方案有两种，一是拆除了原设计的2号、4号、6号导流板，二是拆除原设计的1号、3号、5号导流板[4]，如图3-3、3-4所示。

对于拆除2号、4号、6号导流板的方案，如图3-3所示。分析其静压云图和速度云图，3片导流板的设计，左下最外侧导流板后侧流畅的不稳定性较之前方案明显减弱，与4片方案比较，由于右上最外侧导流板靠近壁面，使得气流流过时流场不稳定性加剧，进而影响扩散段内气流的扩散。根据数值模拟结果，此时回收能量大致11 Pa，扩散效率为16%。

对于拆除1号、3号、5号导流板的方案，如图3-4所示。分析其静压云图和速度云图，3片导流板的设计，左下最外侧导流板严重贴近壁面，阻碍气流流动，有较大阻力损失。根据数值模拟结果，此时回收能量大致9 Pa，扩散效率为13%。结合原设计分析，导流板不宜靠外侧壁过近。

2.5 优化结果

不同导流板数量及布局数值模拟结果如下页表1所示。结果表明6片导流板时能耗最大，4片效果最好，其次是5片和3片。

表1 各方案数值模拟数据表

3 结论

1）通过分析山西某煤矿通风机辅助装置扩散器结构形式及影响工作能耗的因素，提出扩散器结构优化设计方案，可通过改变导流板数量为5片、4片、3片，结合布局调整达到优化扩散器结构的目的；

2）通过静压云图和速度云图，分析每种方案工作过程中气流流动规律及流场波动变化，并结合数值模拟结果，得出最优结构为4片导流板的方案；

3）通过对以上不同方案的研究可知关于导流板的设计安装，若外侧壁处的导流板过于接近外侧，由于外侧气流速度大，会严重阻碍气流流动，出现较大动能损失。对于内侧壁处的导流板，若过于接近内侧壁时，也会影响气流流动，可能出现主流脱离壁面，形成反方向气流，使扩散段气流扩散极不稳定，壁面靠近出口处，还可能形成涡流，严重影响能量回收和扩散效率。