矿井通风机扩散器弯头结构处导流板布置方式优化研究

李东前

（阳煤集团新元公司，山西 阳泉 045000）

引言

通风机作为煤炭生产环节中的关键设备，在整个安全生产系统中发挥着重要的作用。由于矿井工作面弥漫着易燃易爆气体，需要通过通风设备将外部的新鲜空气输入至矿井内，将内部易燃易爆气体的浓度降低至安全范围。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[1]。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[2]，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[3]，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

煤矿行业的安全评价指标通常将通风机的送风能力按照静态压力数值考虑，忽略了扩散器在送风过程中的风量变化情形。其中静压是有益风压，该压力不会随气体流动的变化而发生变化，而动压将根据气流的变化耗散于大气中，为无益风压。因此为了减轻动压的影响，无论什么型号的通风机都安装有扩散器，降低动压的影响，提高通风机静压效率。研究扩散器主要考虑矿井主扇与扩散器的关系，将研究对象分为三个截面，如图1 所示。

图1 矿井主扇与扩散器的断面示意图

由图1 可知，三个截面分别为进风口断面1-1、出风口断面2-2 以及扩散器断面3-3[4]。主要通风机在送风时的能力损耗主要产生于通风阻力、空气自身动能、扩散器消耗的能量三个因素。在通风时，三个截面的送风压力各不相同，主要通风机的额定功率为常数，如果静压数值越小，就会造成空气动能和扩散器所受的风阻损失越大。

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，如下页图2 所示。

图2 导流板布置示意图

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10.5 m/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[5]。

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，如图3 所示。

图3 6 片导流板的气体分布云图

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。扩散效率对比表如表1 所示。

表1 2～6 片导流板扩散效率对比图

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[6]，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，其设计尺寸参数如图4 所示。

图4 长圆弧导流板弯头内部结构设计图（单位：mm）

图5 是新设计弯头扩散器装置的数值模拟速度云图。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27 Pa 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。

图5 新设计弯头扩散器装置的数值模拟速度云图

4 结语

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。