动叶安装角对除尘风机气动性能的影响分析.pdf

第 4 1 卷第 2期 2 0 1 4年 4月 矿 业安全 与环保 MI NI NG S A F E r Y E NVI RONMEN T AL P ROT E C T I ON Vo 1 ． 41 No ． 2 Ap r ． 2 0 1 4 赵中太．动叶安装角对除尘风机气动性能的影响分析[ J ] ．矿业安全与环保， 2 0 1 4， 4 1 2 9 7 9 9 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 4 0 2 0 0 9 7 0 3 动叶安装角对除尘风机气动性能的影响分析 赵 中太 中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 4 0 0 0 3 7 摘要 采用 C F X软件求解三维定常不可压雷诺时均 N a v i e r S t o k e s方程和 R N G， c 湍流方程 的方 法， 计算了除尘风机转子叶片不同安装角的气动性能参数， 并对结果进行了实验验证。研究结果表明 改变转子叶片安装角可以改变风机的性能， 随着叶片安装角的增大， 风机的设计点向大流量方向偏移， 且全流量工况下压升和效率随着转子叶片安装角增大而增大。 关键词 动叶安装角 ；除尘器 ； 轴流风机 ； 气动性能 ； 数值模拟 中图分类号 T D 7 1 4 文献标志码 B 网络出版 时间 2 0 1 4 0 3 3 1 1 6 0 8 网络 出版地址 h t t p ／ ／ w w w． c n k i ． n e t ／ k e m s ／ d e t a i l ／ 5 0 ． 1 0 6 2 ． T D ． 2 0 1 4 0 3 3 1 ． 1 6 0 8 ． 0 2 8 ． h t m l Ef f e c t o f Ro t o r Bl a d e Ro o t i n g- i n Ang l e o n Ae r o d yn a mi c Pe r f o r ma n c e o f Dus t Co l l e c t i o n Fa n ZHA0 Zh o n gt a i C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p C h o n g q i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h o n g q i n g4 0 0 0 3 7 ， C h i na Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，b y u s i n g CF X s o f t wa r e t o s o l v e t h e t h r e e d i me n s i o n a l i n c o mp r e s s i b l e s t e a d y R e y n o l d s a v e r a g e Na v i e r - S t o k e s e q u a t i o n a n d t h e RNG ， c s t u r b u l e n c e e q u a t i o n．c a l c u l a t i o n w a s c a r r i e d o u t o n t h e a e r o d y n a mi c p e rf o r ma n c e p ara me t e r s o f t h e d u s t c o l l e c t i o n f a n a t d i f f e r e n t r o t o r r o o t i n g - i n a n g l e s a n d t h e r e s u l t s w e r e v e rifi e d b y e x p e rime n t s ．T h e s t u d y r e s u l t s s h o w e d t h a t f a n p e rf o rma n c e c o u l d b e c h a n g e d b y e h a n n g t h e r o o t i n g - i n ang l e o f t h e r o t o r b l a d e ， t h e d e s i g n p o i n t of t h e f a n o ff s e t t o t h e h i g h e r fl o w po i n t t h t h e i n c r e a s e of t h e r o t o r b l a d e r o o t i n g - i n a n g l e ．an d t h e t o t al p r e s s u r e ri s e an d e ffi c i e n c y of t h e fan a l s o i n c r e a s e d wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e b l a d e r o o t i n g - i n a n g l e ． Ke y wo r d s r o t o r b l a d e r o o t i n g - i n a n g l e ； d u s t c o l l e c t o r ；a x i a l fl o w fan ； a e r o d y n a mi c p e r f o rm a n c e；n u me ri c al s i mu l a t i o n 除尘器是煤矿井下防尘的重要设备之一， 一体 化除尘器因将风机 、 风道 、 湿式旋流除尘段和脱水装 置融为一体 ， 具有结构紧凑的特点 ， 更适合于煤矿井 下的有限空间而被国内煤矿广泛应用。然而， 目前 使用 的一体化除尘器存在 负载能 力差 、 静压效率低 等缺点 ， 还不能完全满 足使用要求 。改善风机 内部 流动特性对于改进风机性能具有重要作用。 目前轴 流式风机的内流研究 主要集 中在 叶尖 涡、 出 口尾迹 流动和噪声等方面。研究表明， 叶片安装角对风机 性能和流动特性都有影响 叶片安装角增大时 ， 最大 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 1 ； 2 0 1 3 1 1 3 0修订 基金项目 中煤科工集团重庆研究院青年创新基金项 目 2 0 1 2 Q N I J 2 5 作者简介 赵中太 1 9 7 8 一 ，男，重庆彭水人， 本科， 工 程师，主要 从 事 粉 尘 防 治 方 面 的研 究 工 作。Em a i l 1 6 6 8 0 6 5 6 q q ． e o m。 流速和压升均增大 ， 失速 的可能性增大 ， 最大效率略 有降低 卜 。笔者采用数值模拟和实验相结合 的方 法 ， 研究了一体化除尘器用轴流风机在 3种不同的 转子叶片安装角下风机的性能及流场特性。 1 风机模型及 网格划分 以 K C S 一 5 5 0 D A 湿式过 滤旋流除尘器风机叶 轮为研究对象 ， 风机的具体参数见表 1 。 表 1 风机转子 、 静 子参数 在叶轮直径 D 、 转速 n 、 径向间隙 、 叶片数 z保持 9 7 - Vo I ． 41 No ． 2 Ap r ． 2 01 4 矿 业安全 与环保 MI Nl NG SAFE TY ENVI R0NMENTAL PROTECT1 0N 第 4 l 卷第 2期 2 0 1 4年 4月 不变的条件下， 设计 j - 叶片安装角分别为 4 9 。 、 5 1 ． 5 。 、 5 4 。 等 3种不同的转子叶轮， 其安装角如 l 所示。 5 4。 51 ．5 。 4 9。 图 1 3种叶轮安装角不意 图 应用二 三 维设计软件 U G建立风机各结 构的实体 模型 ， 采用 T u r b o G r i d划分转子 、 静子 叶片通 道 网 格 ， 网格拓扑采用正交性较好 的 H J C L型 网格 ， 叶片表面周 罔采用 O型网格拓扑， 近壁面网格节点 加密处理。如图 2 a 所示 ， 通道进 口到叶片前缘采 用 J 网格 拓 扑， 其余 部 分采 用 H 型 网格 拓 扑。 图 2 b 给 出 了 轮 毂 网 格 拓 扑 ， 转 子 叶 顶 间 隙 2 ． 5 mm， 采用 H型网格。基 于风机 的轴 对称结构 ， 只计算一个级通道 转子 、 静子 。风机级通道计算 域分为 3部分 ， 进 口流域及转子通道计算域 、 静子通 道及扩压段计算域 、 出 口延 伸段计算域 。进 口流域 和转子通道 网格 数 为 3 4 9 2 0 8 ， 静子 通道 网格数 为 2 9 0 9 0 4 ， 出口延伸段 网格数为 6 8 0 8 0 。 a 近壁面网格 b 轮 毂网格 图 2 表 面网格 拓扑示意图 2 数值计算方法和湍流模型的选择 2 ． 1 数值求解方法 采 A N S Y S C F X求解 三维定常不 可压雷 诺时 均 N a v i e r S t o k e s方程和 R N G， c 湍流方程 ] ， 基 于有限元体积法离散各控制方程。对流项 和湍流扩 98 散项均采用 高精度 的高阶格 式 h i g h r e v o l u t i o n 离 散， 基于压力的耦合求解算法耦合求解连续方程和 动量方程。 2 ． 2 湍流模型的选择和边界条件的确定 为了准确预测 旋转 和曲率对流 动的影响 ， 采用 叶轮机械广泛使用 的 R N G， c 双方程湍流模型。 输运方程的 ， c 和 方程如下 击 蓑 G K - p ㈩ d ￡ a ， a ＼ ⋯“ a ／ 、 去 a ￡ a ． a ．＼ ⋯“ a ，／ cl, oo G 一 c 2 2 。， 2 “ ； I t P ； Ci * 1 ． 42 ； 2 詈 ；E ij c3u 式 中 为有效黏度； 。 为湍流黏度 为动力黏度 ； 、c 、 C 、 、 、 即 。 、 卢均为 ， 一s湍流模型常数 ， 取值 为默 认 值， 叼 。 4 ． 3 7 7 ， 0 ． 0 1 2， C 。 1 。 4 2 ， C2 1 ． 6 8， C 0． 00 8 45， O ／ 1 ． 3 9。 计算域介质为标压下 2 0℃ ， 1 0 1 3 2 5 P a 的空 气 ， 旋转区域的转动速度设置为 2 9 2 0 r ／ m i n ， 旋转轴 为 z轴。采用多重参考坐标 系 MR F ， 转子计算域 设为转动坐标系 ， 静子 区域和 出口延伸段设 为静止 坐标系； 给定进 口流量 ， 出 口静 压边界 条件 ， 出 口压 力值为大气压 ； 壁面采用无滑移边界条件 ， C F X对近 壁面流动 区域采 用可 伸缩 壁面 函数 法处 理 ， 基 于 R N G， c 湍流模型， 近壁而边界层网格节点数量为 l 0左右 ， 以保证 Y p l u s 在 3 0～ 3 0 0内 。 2 ． 3交界面设置和收敛判定 转子和静子交界 面采用混合面法 J ， 交界 面上 游 转子 流 动参 数做 周 向平均后 传递 给下游 静 子 交界面 ， 相邻的 2个通道之问采用节点一一对应 的周期性交界面。连续性方程 、 3个方向速度方程 、 湍流动能方程 、 湍流耗散率方程的标准化 的均方根 残差 R MS S c a l e d r e s i d u a 1 设置为 1 1 0 ～， 且计算域 进 出口质量流量差值小于0 ． 5 ％ ， 作为定常流场计算 的收敛标准。 3 数值计算结果及分析 3 ． 1 性能曲线 通过求解得到各 自安装角下风机的性能曲线和 风机内部流场 ， 性能曲线如图 3～ 4所示 。 第 4 1 卷第 2期 2 0 1 4年 4月 矿 业安全 与环保 MI NI NG S AF E T Y EN VI RONME NT AL P R OT E C TI O N Vo 1 ． 41 No ． 2 Apr ． 2 01 4 替 4 9 o 实验值 4 9 o计算值 5 1 ． 5 o 实验值 5 1 ． 5 o计算值 5 4 o 实验值 5 4 o计算值 图3 风机流量一全压升特性曲线 4 9 实验值 4 9 。计算值 5 1 ． 5 o 实验值 5 1 ． 5 。计算值 5 4 o 实验值 5 4 o计 算值 流量q ／ I n ／ m i n 图4 风机流量一效率特性曲线 轴流风机效率 7 7 和全压升 △ p 定义如下 卸 P o u - p i 3 7 1 卸 q ／ Mto 4 式中p i 、 p 为风机进、 出口滞止总压， P a ； q 为风机 风量 ， I n 。 ／ m i n ； 为风机转矩 ， NIT l ； t O为风机旋转 的角速度 ， r a d ／ s 。 3 ． 2结果及分析 表 2为不同叶片安装角下风机的性 能对 比 计 算值 。风机严格按照 G B ／ T 1 2 3 6 --2 0 0 0工业通风 机用标准化风道进行性能试验。 表 2 不同安装角下风机设计点性能对比 计算值 从图3 ～ 4中可以看出， 实验值和计算值吻合较 好 ， 风机的气动性能曲线趋势一致 ， 实验测量的 6个 工况点中设计工况点、 大流量工况点与计算吻合最 为贴近 ， 这在一定程度上说明了流场模拟 的准确性。 计算结果表明， 随着 叶片安装角 的增大 ， 风机的设计 点向大流量方向偏移， 且压升和效率随着叶片安装 角增大而增大， 安装角从 4 9 。 至 5 1 ． 5 。 压升和效率增 加幅度较大， 增加值约 1 5 3 ． 5 8 P a和 4 ． 0 5 ％ ， 而随着 叶片安装角进一步增大， 压升和效率增大幅值减小， 这说 明存在一个最佳叶片安装角。但随着叶片安装 角增大 ， 风机的失速点前移 ， 失速裕度减小 ， 风机易 发生旋转失速 ； 风机的堵塞点流量增大 ， 风机大流量 范围变宽， 有利 于风机在大流量下运行。叶片安装 角的改变等同于改变 了叶片 的攻角 ， 叶片攻角和叶 轮机械做功的关系式如下 P T h p u A c 5 式中p 为叶轮对气体做功的理论压头； A c C 2 u -- c ； P为标 压下 2 0℃， 1 0 1 3 2 5 P a 的 空气 密 度 ， P 1 ． 2 k g ／ m 。 ； u为转子 叶片 叶尖 圆周速度 ， ， d为叶轮直径。 叶片气流角 卢 和叶片安装角 卢 与攻角 的关 系见式 6 一 7 卢 6 f r 1 卢 a r c t a n I }一 I 7 姓 寺 △ c J 式 中 气流轴向进入叶片时为减号 ， 气流轴向离开叶 片时为加号 ； c 。 为绝对速度的轴向分量。 由式 5 ～ 7 可 以看 出 ， 当动 叶安装角 卢 改 变后 ， 攻角 O t 和叶片气流角 亦随之发生变化 ， 进 而影响到风机性能 ， 达到调节的 目的。 4结论 通过改变转子叶片安装角的方法可以调整风机 的气动特性 。随着叶片安装 角的增大 ， 风机的设计 点 向大流量方 向偏移 ， 且在全流量工况下 ， 压升和效 率随着转子叶片安装角增大而增大 ， 安装角从 4 9 。 增 大到 5 1 ． 5 。 ， 压升增加 1 5 3 ． 5 8 P a 左右 ， 效率提高 4 ％ 以上 ， 而随着安装角进一步增大 ， 压升和效率增大幅 值 明显减小 ， 这说明存在一个最佳叶片安装角。 参考文献 [ 1 ]陈海生， 梁锡智， 谭青春， 等． 动叶可调轴流式通风机出口 流场的实验研究[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 0 ， 2 5 4 4 1 2 - 4 1 5 ． [ 2 ]K i m C h a n g S o o ，K i m k w a n g - H o ．F l o w C h a r a c t e r i s t i c s o f A x i a l F l o w F a n[c] ．I n P r o c e e d i n g o f 6 t h A s i a n I n t e rna t i o n al C o n f e r e n c e o n F l u i d Ma c h i n e r y ， J o h o r ， 2 0 0 0 1 3 9 -1 4 4 ． [ 3 ]K i m C h a n g - Y o n g ， K i m Wa n g - H y u b ， K i m T a e J i n ，e t a 1 ． P r o c e e d i n g o f D i me n s i o n a l V i s c o u s F l o ws t h r o u g h a l l Ax i al F l o w F an[ C] ．I n P r o c e e d i n g o f t h e 4 A s i a n I n t e rna t i o n al C o n f e r e n c e F l u i d Ma c h i n e ry． S u z h o u ． 1 9 9 3 1 01 1 0 6 ． 下转第 1 0 3页 9 9 第4 1 卷第 2期 2 0 1 4年 4月 矿 业安 全 与环保 MI N I NG S AF E TY E NVI RO NMEN T AL P ROT E C T I ON V0 l _ 4 l N o ． 2 Ap r ． 2 01 4 4 综采工作面瓦斯抽采效果分析评价 4 ． 1 工作面瓦斯含量分析评价 工作面实测平均原始瓦斯含量 7 ． 8 1 m ／ t ， 下伏 的 l 0 煤层平均原始瓦斯含量 6 ． 7 4 m。 ／ t ， 预抽钻孔 抽采工作面及下伏 1 0 煤层瓦斯后， 工作面本层钻孔 平均预抽时间为 1 5个月 ， 1 O 煤层钻 孔平均预抽时 间为 6个月， 回采前实测该工作 面平均可解 吸瓦斯 含量为4 ． 4 2 m 。 ／ t ， 1 0 煤层平均可解吸瓦斯含量为 3 ． 1 6 m 。 ／ t ； 工作面正常生产时 ， 回风巷瓦斯体积分数 0 ． 3 ％ ～ 0 ． 7 ％， 上隅角瓦斯体积分数 0 ． 3 ％左右， 专 用排瓦斯巷风流瓦斯体积分数 1 ． 6 ％左右， 没有出现 瓦斯超限现象 。 由此可见 ， 预抽瓦斯钻孔治理的效果十分明显 ， 同时， 通过钻孔预抽下邻近煤层瓦斯、 综采工作面采 后卸压瓦斯抽放 ， 既解决 了本层综采工作 面回采期 间的瓦斯问题， 又大量地预抽了下邻近层煤层瓦斯， 为下邻近层采掘接续和安全生产提供了保障。 4 ． 2 回采期间工作面的瓦斯涌出量分析评价 通过对 0 1 0 9 0 7综采工作面回采期间的配风量 和瓦斯浓度实测数据统计可知， 作业规程设计工作 面 日产 4 0 0 0 t ， 有效割煤 1 8 h ， 工作面预测的瓦斯涌 出量与实测瓦斯涌出量对比情况见表 2 。 表2数据表明 预测数据与实测数据基本相符， 专用瓦斯巷排放瓦斯量 占排放总量的 3 8 ． 5 1 ％ ， 抽采 瓦斯量占排放总量的 4 0 ． 2 2 ％ ， 回风巷排放瓦斯量 占 排放总量的 2 1 ． 2 7 ％。0 1 0 9 0 7综采工作面综合瓦斯 治理效果明显， 采用的瓦斯预抽方法符合现场实际 情 况 ， 设置的专用排瓦斯巷消除了工作面上隅角瓦 表 2 工作面预测与实测瓦斯涌出量对比 斯超限、 瓦斯积聚的重大隐患 ， 实现了综采工作面安 全生产。 5 结语 1 自燃煤层 中的综 采工作 面设 置专用排 瓦斯 巷 ， 能有效消除工作面采空区、 上隅角瓦斯对工作面 回采构成的重大隐患。 2 0 1 0 9 0 7综采工作面的瓦斯综合治理方案效 果明显 ， 不仅能解决本煤层综采工作面瓦斯问题 ， 而 且下邻近层通过钻孔预抽、 工作面采后卸压瓦斯抽 放， 为下邻近层采掘接续和安全生产创作了良好的 条件 。 参考文献 [ 1 ]国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察局． 煤 矿安全规程[ S ] ． 北京 煤炭工业出版社， 2 0 1 1 ． [ 2 ]A Q 1 0 2 8 --2 0 0 6， 煤矿井工开采通风技术条件[ S ] ． [ 3 ]A Q 1 0 1 8 --2 0 0 6 ， 矿井瓦斯涌出量预测方法[ S ] ． [ 4 ]G B ／ T 2 3 2 5 0 --2 0 0 9 ， 煤层瓦斯含量井下直接测定方法 [ S ] ． 责任编辑 陈玉涛 上接第9 9页 [ 4 ]Y A K H O T V，O R S Z A G S A， T H A N G A M S ， G A T S K I T B ， S P EZ I AL E C GJ De v e l o p me n t o f t u r b u l e n c e mo d e l s f o r s h e a r fl o w s b y a d o u b l e e x p a n s i o n t e c h n i q u e[ J ] ．P h y s i c s o f F l u i d s A， 1 9 9 2 ， 4 7 1 5 1 0 - 1 5 2 0 ． [ 5 ]A N S Y S C F X一1 1 ． 0 ，2 0 0 6 ，A N S Y S C F X S o l v e r T h e o r y Gu i d e ，AN S YS I n c ． [ 6 ]C h e n N X ． ， X u Y ．J a n d W．G H u ang ．N u m e r i c a l s t u d y o n t h e t h r e e d i me n s i o n a l t u r b u l e n t fl o w i n l o w s p e e d a x i al r o t o r c o mp r e s s o r a n d i t s c o mp a r i s o n wi t I l e x p e ri me n t al an d c o m p u t a t i o n a l [ J ] ．A e r o t h e m o d y n a m i c s of I i n t e mal F l o w s ， 1 9 9 9 1 5 1 1 6 0 ． 责任编辑 李琴 1 0 3