不同翼型对旋通风机安全性能对比及优化
2022-01-25王丽萍
王丽萍
（晋能控股集团忻州窑矿，山西 大同 037001）
引言
我国的煤炭开采量巨大，在煤炭开采过程中的安全问题至关重要。随着煤矿开采的深度不断增加，对工作面的通风要求越来越高。工作面的通风安全对于作业人员的工作能动性及生命安全具有积极的保障。在工作面的通风系统中，对旋式通风机的结构简单、性能稳定，是广泛使用的一种局部通风机形式，是保证工作面通风安全的关键设备[1]。在对旋通风机的实际应用中，叶片的翼型对于通风性能及安全具有重要的影响。采用有限元模拟仿真的方式对常用翼型的性能进行分析，从而确定最优的翼型结构，提高通风机的性能，保证矿井通风的安全性。
1 对旋通风机分析模型的建立
在煤矿工作面的通风系统中，由于掘进巷道位置及环境的限制，要求通风机的体积要尽量小，并且具有坚固、防爆的特性，通风机要能满足较高的风压，具有较高的效率，能够在井下环境中稳定地运行[2]。采用有限元分析的方式对不同翼型结构的性能进行分析，需要建立对旋通风机的结构分析模型。
采用三维建模软件Pro/E进行对旋通风机模型的建立，能够与有限元分析软件进行直接的接口兼容，便于对模型进行分析。采用自下向上的设计方式对对旋通风机模型进行装配，包括集流器、风筒、叶轮等零部件。对旋通风机不同翼型的叶片结构影响通风机的转换效率及自身性能，常用的翼型有LS翼型和NACA翼型两种结构[3]。其中LS翼型结构的下弧线是一条直线，属于平凸翼型的类型；NACA翼型结构的上弧线和下弧线都呈向外凸出的结构，且上弧线的弯度要大，属于双凸翼型的类型。对两种不同的叶片翼型结构分别进行建模，形成两种翼型结构的对旋通风机模型。对模型进行有限元网格的划分，网格划分的质量及密度对于分析结果的精度具有重要的影响[4]。在不影响计算时间的情况下，采用四面体单元对模型进行网格的划分，由此可对对旋通风机的性能进行模拟仿真。
2 不同翼型对旋通风机性能的对比分析
2.1 两种翼型结构的气动性能分析
对两种不同的翼型结构设定相同的初始边界条件，设定风机的入口处为匀速、出口处以相对压力为零进行限定，翼型的壁面无滑移边界，将LS翼型及NACA翼型导入ABAQUS/CFD流体仿真软件中进行分析，得到两种翼型结构在不同攻击角下的压力及速度分布，分别如下页图1、下页图2所示。
对比下页图1、图2的结果可知，在叶片翼型表面驻点的区域位置处所受到的压力值最大，翼型壁面周边区域流体的速度变化逐渐减小，在尾部的速度趋势增加，且在翼型表面压力大的区域内速度较小，而压力小的区域内速度相对较大；在对旋通风机的工作过程中存在涡流现象，降低了通风机的整体效率。通过对比可知，NACA翼型结构产生的涡流较小，有利于保持风机的稳定，提高矿井的通风安全性能[5]。
图1 LS翼型气动性能分布
图2 NACA翼型气动性能分布
2.2 NACA翼型结构建模仿真分析
叶片作为对旋通风机的关键零部件，其结构的合理性对通风机的性能及安全具有重要的影响。通过上述的分析可知，NACA翼型结构的气动性能要优于LS翼型结构，有利于煤矿的通风安全。对NACA翼型结构的静力学性能进行进一步的安全校核分析。采用ABAQUS对NACA翼型结构的静力学性能进行分析，首先对NACA翼型进行建模，设定叶片的材质为Q235A，将叶片进行网格划分，确保叶片各边平均划分[6]。设定叶片的受力作用，叶片的根部进行固定约束，另一端自由，对NACA叶片的应力及位移变形进行模拟仿真，得到如图3、图4所示的应力及位移分布图。
从图3可以看出，叶片的应力在叶柄位置所受到的应力值较大，应力最大值出现在叶片和叶柄的连接位置。从图4可以看出，叶片的位移变形主要发生在叶尖，沿着叶片的长度方向，随着远离叶尖的位置，产生的位移变形越小。NACA翼型的应力及变形量总体上较小，且不存在明显的应力集中现象。NACA翼型结构可对通风机的性能起到优化的作用，满足对旋通风机的使用需求。
图3 应力分布云图
图4 位移分布云图
3 结论
对旋通风机作为性能稳定的通风机形式，在矿井的局部通风中具有广泛的应用。叶片作为对旋通风机的关键零部件，对其工作效率及安全性能具有重要的影响。在较常使用的叶片翼型结构中，LS翼型及NACA翼型结构不同，对其通风性能及安全性也有一定的不同。采用有限元分析的方式对两种不同的翼型结构进行分析，结果表明，NACA翼型结构产生的涡流较小，有利于保持风机的稳定，其气动性能要优于LS翼型结构。对NACA翼型结构的静力学特性进行进一步的分析，结果表明，NACA翼型的应力及变形量较小，不存在明显的应力集中现象，NACA翼型结构对通风机的性能起到优化的作用。通过上述的分析可知，NACA翼型在气动性能及静力学特性上均能改善对旋通风机的性能，保证通风机安全稳定地运行，从而保证工作面的通风性，为煤矿的安全生产提供保障，促进煤矿生产效率的提高。
