蜗舌半径对离心通风机气动性能的影响作用分析_杨兴乐.pdf

蜗舌半径对离心通风机气动性能的影响作用分析杨兴乐（晋能控股煤业集团宏远工程建设有限责任公司，山西大同037003）摘要：离心通风机的蜗舌半径对通风机的性能具有重要的影响作用，从而影响煤矿井下开采的通风安全性。采用有限元仿真的形式对不同蜗舌半径下通风机的静压值进行分析可知，较小的蜗舌半径时通风机内部的静压值较高，且内部流场的分布稳定，可以提高通风机的气动性能，由此可为离心通风机的设计使用提供指导。关键词：离心通风机；蜗舌半径；瞬态静压；稳态静压；气动性能中图分类号：TD441.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0043-020引言煤矿井下开采的过程中，工作面会产生大量的有毒有害气体及粉尘等，对井下的人员生命健康及矿井安全造成威胁；超过一定浓度时会造成矿井安全事故甚至爆炸等危害性事故。矿井的开采过程中，通风系统是保证煤矿安全开采的重要系统1，离心通风机是其中关键的组成设备。在矿井开采过程中，通过离心通风机的作业，将工作面上产生的气体排出矿井外，同时将新鲜空气输入工作面2，保证工作面作业的环境安全。在离心通风机的结构中，蜗舌半径的不同对离心通风机的性能具有重要的影响，从而影响煤矿的通风效率3。采用模拟仿真的形式对不同蜗舌半径的离心通风机性能进行分析，从而优化离心通风机的结构，提高离心通风机的气动性能4，保证煤矿的安全开采。1离心通风机不同蜗舌半径分析模型的建立离心通风机的结构组成中，叶轮、蜗壳及集流器是主要的结构。蜗舌是通风机蜗壳的重要结构，蜗舌对流体的扰动作用使得蜗舌附近的流场产生一定的漩涡5，减小了蜗舌附近区域的有效流动通道，引起流场的恶化，造成离心通风机的振动。蜗舌半径是蜗舌结构的重要尺寸，对蜗舌附近气流的流向具有重要的影响6，对离心通风机的效率产生一定的影响。不同半径蜗舌的结构形状如图 1 所示，保证通风机蜗壳出口处的蜗舌前端倾斜面及后端循环通道圆弧面的型线变化趋势一致，仅改变蜗舌半径 r7，选择四种不同蜗舌半径进行分析，从图 1 中可以看出，不同的蜗舌半径会造成蜗舌弧度产生变化，且蜗舌距离蜗壳出口处的壁面长度及蜗舌间隙也会随之改变8，对离心通风机的效率造成综合影响。依据某型号的离心通风机进行蜗舌半径的性能分析，离心通风机的叶轮转速为 1 200 r/min，叶轮的外径为 145 mm、内径为 55 mm，共有 41 个叶片，蜗壳的宽度为 228mm，叶轮流量为 365m3/h。采用 AN-SYS-Fluent 软件对离心通风机的气动性能进行分析9，在不同的蜗舌半径下建立通风机的流体计算域，叶轮与叶轮的中心流道共同组成旋转工作域，其他位置为静止工作域。叶轮蜗壳是重要的计算域，采用结构化网络，并对壁面进行网格的加密处理，提高分析计算的准确性10。蜗壳由于结构的复杂性，采用非结构化网络，得到离心通风机的网格计算模型如图 2 所示。在分析过程中，设定流体介质为不可压缩流体，入口处条件以实际工作时的质量流量进行设置，出口处则设置相对压力为 0，离心通风机内部为不可压缩流体，则不考虑其中温度变化的影响作用。设定内部表面之间没有相对滑动11，采用双方程模型，设置系统的动量及耗散率采用二阶迎风格式。在进行分析计算的过程中，时间步长对系统的非定常计算具有重要的影响12，以叶轮旋转 13的时间设置为时间步长，离心通风机的转速为 1 200 r/min，设置时间步收稿日期：2022-04-20作者简介：杨兴乐（1984），男，山东平阴人，本科，毕业于太原科技大学，工程师，研究方向为机械设计及其自动化。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.017图 1不同蜗舌半径结构示意图图 2离心通风机网格划分模型r=13 mmr=11 mmr=9 mmr=4 mmImpeller outer diamcter试验研究机械管理开发第 38 卷长为 138.9 s，计算步数设置为通风机叶轮旋转 10圈的步数，共计 3 600 步。2离心通风机不同蜗舌半径下气动性能的分析依据建立的离心通风机不同蜗舌半径的分析模型，在四种不同的蜗舌半径下对通风机的气动性能进行仿真分析，在其他参数不变的条件下以半径为9 mm 时经过仿真计算得到离心通风机的静压效率变化如图 3 所示，其中包含静压效率的瞬态值、稳态值及计算的平均值。从图 3 中可以看出，在计算过程中，随着时间的推移，离心通风机的静压效率瞬态值在初始阶段具有较大的波动，然后经过一段时间后波动逐渐减小，进入相对稳定的状态。对比图 3 中静压值可以发现，静压稳态值要高于瞬态值，瞬态值稳定后在稳态值的下方波动，与平均值基本吻合，这说明在离心通风机运行中瞬态值更加接近实际运行的风量性能。对不同蜗舌半径下的离心通风机进行仿真，将得到的静压稳态值及静压瞬态值进行对比得到如图 4 所示的变化曲线。从图 4 中可以看出，在四种不同的蜗舌半径变化过程中，通风机系统的瞬态静压值只有在半径为4 mm 时的值大于稳态静压值，其余半径下均小于稳态静压值，且在半径为 4 mm 时两者的相差不大；在其他半径下，瞬态静压值相差稳态静压值较大；随离心通风机蜗舌半径的增加，系统的瞬态静压及稳态静压均呈下降的趋势，且在半径为 4 mm 时，系统的瞬态静压及稳态静压值均达到最大；在蜗舌半径增加的过程中，系统的瞬态静压及稳态静压在初始阶段呈现快速下降趋势，而在蜗舌半径较大时则缓慢地下降，这说明离心通风机的静压性能对较小的蜗舌半径较敏感，减小蜗舌半径可以增加离心通风机的静压，提高通风机的性能。在进行离心通风机静压效率的模拟计算中，在蜗舌半径为 4 mm 时，通风机叶轮的大部分区域为低压分布的范围，这说明此时叶轮内部流道的流动速度较高，且蜗舌位置处的气体流动平顺，气流的冲击区域及强度较小，内部的流场分布平稳，在蜗舌处高压区域较为集中，有利于提高离心通风机的气动性能。同时，由于离心通风机内部的复杂变化，会存在着一定的压力波动，造成通风机的压力脉动，对通风机的气动性能造成一定影响。3结语离心通风机是煤矿井下开采通风系统中重要的设备，对煤矿工作面的通风安全具有重要的作用。在离心通风机的结构中，蜗舌半径对通风机的性能具有重要的影响作用。采用有限元仿真分析的形式对不同蜗舌半径下的通风机性能进行分析，建立了四种不同蜗舌半径的离心通风机模型，对其瞬态静压及稳态静压进行计算分析。经过仿真计算可知，在离心通风机的瞬态静压及稳态静压中，瞬态静压值要小于稳态静压值，且瞬态静压值更接近于通风机的实际性能。在四种不同的蜗舌半径中，半径为 4 mm 时的离心通风机静压值最大，随着蜗舌半径的增加，静压值明显降低；在蜗舌半径 4 mm 时通风机叶轮内部的流场分布稳定，离心通风机具有较高的气动性能。由此可知，在进行离心通风机的设计应用中，应选取较小的蜗舌半径，提高通风机的气动性能，保证煤矿的安全开采。参考文献1王佳君，王政道，杨徽，等.倾斜蜗舌对多翼离心通风机内部非定常流动及噪声特性的影响J.浙江理工大学学报（自然科学版），2022，47（3）：1-15.2邢炜，张永生，魏子海，等.基于 UG 的离心通风机机翼型叶片展开与 CAXA 的跨平台应用J.风机技术，2021，63（S1）：45-48.3张毅会.增加分流叶片对提高离心通风机安全性能的分析J.机械管理开发，2021，36（6）：157-158.4武永婷.不同叶片进口边角度下离心通风机安全性能的分析J.机械管理开发，2021，36（4）：115-116.5王小荣，周红，候海臣，等.大型高效离心通风机支撑管优化设计J.风机技术，2021，63（2）：36-41.6孟凡念，谢贵重，王良文，等.基于 Kriging 模型和 GA-PSO 联立算法的离心通风机叶型优化J.机械设计，2018，35（4）：84-91.7王维，李轩，卢金玲，等.叶轮弧盘及锥盘型线对高比转速离心通风机性能的影响J.农业工程学报，2018，34（24）：52-59.8曹海兰，李阳.离心通风机结构随机振动下的疲劳分析J.内燃机与配件，2020（13）：39-40.图 3 蜗舌半径 9 mm 时静压效率的变化曲线图 4不同蜗舌半径下的静压值变化曲线1201008060402000.10.20.30.40.5时间/s80797877767574737271704681012蜗舌半径/mm稳态静压值/Pa8079787776757473727170瞬态静压值/Pa瞬态静压稳态静压静压/Pa稳态值瞬态值平均值（下转第 49 页）442023 年第 6 期分析方法进行匹配对比后发现，此种方法更符合当前大型带式输送机轻量化设计相关要求，所以可在后续轻量化设计中进行参考应用。参考文献1贺金虎，廉自生.基于 ADAMS 的带式输送机输送带动特性仿真分析J.制造业自动化，2014，36（7）：91-93.2张建国，寇子明，吴娟，等.基于 ADAMS/Hydraulic 的带式输送机断带抓捕机架动力学仿真J.煤矿机械，2012，33（8）：40-42.3石浩.大型波状挡边带式输送机系统动力学特性及驱动装置研究D.青岛：山东科技大学，2020.4樊伟.带式输送机跑偏原因分析及调心托辊纠偏特性研究J.中国矿山工程，2021（4）：54-56；64.5余浩，田俊杰，姚庆，等.偏载工况下带式输送机输送带跑偏及纠偏研究J.机电工程，2022，39（7）：996-1 003.（编辑：李俊慧）ADAMS Modelling and Performance Study of Large Belt ConveyorsLiu Ruijun（Huozhou Coal and Electric Group Xinju Coal Machinery Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,HuozhouShanxi 031400）Abstract:An ADAMS model simulation analysis method for large belt conveyors is introduced.The method first uses SolidWorks softwareto build a three-dimensional model,then generates a rigid-flexible coupling model through ADAMS software,and uses this as the basis formodel simulation analysis of large belt conveyors.Afterwards,the method is applied to engineering practice to confirm the application valueof the model simulation analysis method.Key words:large belt conveyor;ADAMS;3D modelling;performance;simulation analysisInfluence of Each Parameter on the Performance of Multistage Centrifugal Pumps andOptimizationZhang Wenhao（New Energy Storage New Materials Division,Huayang New Materials Technology Group Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi 045000）Abstract:In order to solve the problem that the performance of multistage centrifugal pumps designed based on traditional ideas cannotmeet the actual production requirements,a three-dimensional model is constructed based on SolidWorks software,and after meshing themodel according to the simulation requirements,the structural parameters such as the number of vanes,outlet angle,outlet diameter andinlet diameter are compared by FULENT software on the efficiency,head,H-Q curve and The influence of the internal flow field iscompared and the structural parameters corresponding to the optimum performance of the multistage centrifugal pump are derived.Key words:multistage centrifugal pump;vanes;outlet angle;efficiency;head（上接第 46 页）Analysis of the Role of the Worm Tongue Radius on the Aerodynamic Performance ofCentrifugal VentilatorsYang Xingle（Jinneng Holding Coal Group Hongyuan Engineering Construction Company Limited,Datong Shanxi037003）Abstract:The radius of the worm tongue of a centrifugal ventilator has an important influence on the performance of the ventilator,thusaffecting the safety of ventilation in underground coal mining.The analysis of the static pressure value of the ventilator at different wormtongue radii by means of finite element simulation shows that the static pressure value inside the ventilator is higher at smaller worm tongueradii and the distribution of the internal flow field is stable,which can improve the aerodynamic performance of the ventilator,thusproviding guidance for the design and use of centrifugal ventilators.Key words:centrifugal ventilator;worm tongue radius;transient static pressure;steady state static pressure;aerodynamic performance9张晓蓉，李汉雨，赵双，等.双级离心通风机设计与分析J.风机技术，2020，62（3）：22-28.10董希明.仿鸮翼前缘蜗舌对多翼离心通风机气动性能及内流特性的影响D.杭州：浙江理工大学，2020.11陈明宇，邓海峰，赵相寒，等.离心通风机径向调节门不同开度的模拟与分析J.风机技术，2019，61（S1）：19-25.12路丽威，李嵩，杨成兴，等.新一代核级离心通风机气动设计与数值优化J.风机技术，2018，60（3）：20-24.（编辑：李俊慧）（上接第 44 页）刘瑞骏：大型带式输送机 ADAMS 建模与性能研究49