高效率通风机站合理结构研究_康恩胜.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 高效率通风机站合理结构研究 康恩胜 1,2， 王文才1， 赵晓坤1 （1.内蒙古科技大学 矿业研究院， 内蒙古 包头 014010； 2.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院， 内蒙古 包头 014010） 摘要 为了减少并联风机通风机站入口分流、 出口射流中的扰动能量损失， 以双风机并联为 例， 提出高效低阻的并联机站结构改进模式； 结合空气动力学推导出机站通风效率和局部阻力 系数公式； 建立相似模型和基于 FLUENT 软件的数值模型测定改进结构阻力， 验证机站效率、 局 阻系数及巷道断面风速变化规律。结果表明 改进结构较一般结构通风机站效率提高约 1、 局 阻系数降低约 12。 关键词 双风机并联； 通风效率； 通风机站结构； 相似模拟； 数值模拟 中图分类号 TD724文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0125-04 Research on Rational Structure of High Efficiency Fan Station KANG Ensheng1,2, WANG Wencai1, ZHAO Xiaokun1 （Mining Research Institute, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; School of Mining and Coal, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China） Abstract In order to reduce the disturbance energy loss in the process of inlet diversion and outlet jet flow of parallel fan station, taking the parallel connection of two fans as an example, a high -efficiency and low resistance parallel station structure improvement mode is proposed, and the ventilation efficiency and local resistance coefficient ulas of the fan station are deduced based on the principle of aerodynamics. The similar model and the numerical model based on FLUENT software are established to measure the resistance of the improved structure, and the variation laws of the efficiency of the machine station, the local resistance coefficient and the wind speed of the tunnel section are verified. The results show that the efficiency of the improved structure is about 1 higher than that of the general structure fan station, and the local resistance coefficient is about 12 lower. Key words parallel connection of two fans; ventilation efficiency; structure of fan station; similarity simulation; numerical simulation 机站通风实质上是带风墙辅助通风机通风的新 形式， 广泛应用于矿井通风系统[1-2]。机站局部阻力 损失过大使风机处于失稳状态[3]， 导致通风系统效 率降低，因此设计结构合理的高效低阻通风机站是 保证系统正常运行和广泛应用的关键问题[4]。 相关学者针对如何降低机站局部阻力、提高效 率方面做了诸多研究。程厉生等[5]推导了机站局部 阻力的总能耗，提出了阻力及其系数测定的理论依 据； 李雨林等[6]分析了出口扩大局部阻力组成， 优化 设计了有限空间内扩散器最佳参数； 钱建美等[7]通 过集流器对轴流风机性能影响的试验研究得出合理 集流器结构可提高风机效率，减小阻力损失。为此 通过并联机站通风理论分析，提出高效率通风机站 结构形式， 通过数值模拟加以验证。 1双风机并联机站通风理论模型 双风机并联机站风流流动模型如图 1， 1-1 断 面、 2-2 断面为机站入口和出口侧风流速度、 风压均 匀断面。 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.026 康恩胜， 王文才， 赵晓坤.高效率通风机站合理结构研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11） 125-128. KANG Ensheng, WANG Wencai, ZHAO Xiaokun. Research on Rational Structure of High Efficiency Fan Station ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 125-128.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51764044） 125 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 注 σ 为风机工况的无因次量， 代表测试点时风机的工况位置。 表 1模型试验数据 Table 1Model test data 机站 结构 形式 σ 测点 1 压力 p1/Pa 测点 2 压力 p2/Pa 机站 风压 pH/Pa 风机 全压 pHf/Pa 局阻 系数 ξ 机站 效率 η/ 一 般 形 式 0.87-1.1225.33226.43255.6338.4588.58 0.91-1.07230.44231.51259.9438.4989.06 0.96-1.04236.24237.28264.8438.5389.59 1.01-1.01241.67242.68269.4538.6190.06 1.06-0.98247.17248.15274.1138.6790.53 1.11-0.95252.77253.73278.8538.7190.99 1.18-0.91258.96259.87284.1038.7891.47 1.24-0.88264.66265.54288.9438.8491.90 高 效 形 式 0.86-1.42226.56227.98254.0734.0389.73 0.90-1.38231.36232.74258.1834.0690.14 0.94-1.35236.43237.78262.5334.0890.57 0.99-1.30242.52243.82267.7534.1191.06 1.04-1.26248.4249.66272.8034.1591.52 1.10-1.22253.92255.14277.5434.1991.93 1.16-1.18259.93261.11282.7034.2192.36 1.22-1.14265.39266.53287.4134.2592.74 图 2高效率通风机站结构 Fig.2Structure of high efficiency fan station 将矿井通风机站看作一个机械通风装置，类比 通风机相关参数研究通风机站的各参数。特性相同 的风机在 1-1 断面、 2-2 断面间的全压差一致， 且各 风机风量、 全压相同， 不考虑断面间摩擦阻力 [8-9]， 则 可得 pH＝p2＋p1＋ 1 2 ρv2 2 - 1 2 ρv1 2 （1） pHfpHphf（2） ξ phf 1 2 ρv1 2 （3） 式中 pH为机站风压， Pa； p1、 p2为 1-1 断面、 2-2 断面的平均静压， Pa； v1、 v2为 1-1 断面、 2-2 断面的 平均风速， m/s； phf为机站局部阻力， Pa； pHf为风机全 压， Pa； ξ 机站局部阻力系数。 将机站的效率 η 定义为巷道风流功率与风机功 率之比， 表达式为 η QpH nQfpHf 100（4） 式中 Q 为巷道风量； Qf为单台风机风量； n 为 机站内风机并联台数。 假设机站无漏风， 巷道风量为各风机风量之和， 化简得 η1-δ（5） 式中 δ 为风压损失率， δ phf pHf 100 。 风机全压消耗于克服巷道外阻和机站局部阻 力，局部阻力主要产生于入口缩小、出口扩大以及 分流和汇流损失，在风机前、后分别安装集流器与 扩散器可有效降低机站局阻[10]。 基于上述分析， 提出 优化通风机站形式， 高效率通风机站结构如图 2， 在 其他条件一定时，机站风机之间加装隔板可降低机 站入口分流和出口汇流的附加损失。 2通风机站效率的试验 根据相似理论制作 20 m1.3 m0.8 m 的木质 相似模型，选用 2 台低噪声轴流风机 SFG-2.5-2， 入口安装曲率半径为 0.08 m 的集流器， 出口安装长 度为 0.5 m、 扩张角为 16的扩散器， 选用 JTY-4 通 风多参数测定仪测量数据，风机以巷道轴线对称布 置。忽略隔板厚度， 在集流器前 2 m、 扩散器后 9 m 处布设测点，分别测量一般结构和高效结构通风机 站效率参数。 试验包括 2 种机站结构形式 8 个不同巷道外阻 条件的局部阻力测定， 保证测点断面的风流、 风压均 稳定。模型试验数据见表 1。 分析整理试验数据，研究不同结构形式机站局 部阻力系数及其效率随工况参数的变化规律，阻力 图 1双风机并联机站风流示意图 Fig.1Sketch of air flow of parallel double fan station 126 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 6一般结构机站距风机入、 出口不同距离的速度横向 分布曲线 Fig.6Velocity transverse distribution curves of different distances from fan inlet, outlet in general structure 图 4机站效率变化 Fig.4Variation of efficiency 图 3阻力系数变化 Fig.3Variation of local resistance coefficient 系数变化如图 3， 机站效率变化如图 4。机站局部阻 力系数与模型巷道外阻正相关，相同工况下，高效 结构的局部阻力系数较一般结构减小近 12， 说明 机站高效结构可有效减弱风流之间的影响，降低局 部阻力。巷道外阻越大， 风压损失率越小， 机站主要 是动压损失；相同工况下，高效结构较一般结构的 机站效率提高近 1， 对于机站通风， 高效结构具有 明显的节能特性。 3 机站通风的数值模拟 保证 2 种机站结构模型巷道外阻相同，分别进 行数值模拟计算， 巷道内风流流动效果如图 5。 一般 结构机站入口风流受两风机共同作用，分流作用较 强， 易造成能量损失； 高效结构由于隔板限制， 分流 效果较弱，能量损失较小。一般结构出口风流速度 较大， 短距离内相互作用， 混合达到稳定； 高效结构 出口风流由于隔板的作用， 在所限空间内由于紊动作 用达到平衡， 风流离开板后再进行混合达到稳定。 为验证测量断面位置选取合理性，以机站风墙 为界，分别对机站前后距集流器入口与扩散器出口 不同距离、不同高度处的风速变化规律进行研究， 一般结构机站距风机入、出口不同距离的速度横向 分布曲线如图 6， 高效结构机站距隔板左、 右侧不同 距离的速度横向分布曲线如图 7。 图 6 表明一般结构在风流分流入口 2 m 处， 速度均匀分布，速度峰值在风机轴线处；汇流断面 速度峰值在风机轴线处，随距出口距离增加峰值减 弱， 至出口 9 m 处， 速度基本呈均匀分布， 风流在此 流动过程中流速大小与分布发生巨大变化，局部阻 力较大。图 7 表明 高效结构由于隔板作用， 风流分 图 5不同结构机站的风流流动效果图 Fig.5Airflow effect diagram of different station structures 127 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 7高效结构机站距隔板左、 右侧不同距离的速度横向 分布曲线 Fig.7Velocity transverse distribution curves of different distances from partitionleft, right in efficient structure 流时轴线处风流略大于风机轴线处，距离隔板左侧 1 m 处速度基本呈均匀分布； 汇流时， 峰值在风机轴 线处， 随距离增加， 峰值减弱， 风流增大， 直至距隔 板右侧 4 m （此时距离扩散器出口 9 m） 位置处， 速 度基本呈均匀分布，风流在此流动过程中流速大小 与分布变化较小， 故产生的局部阻力较小。 从数值模拟结果中选取相应位置的计算值与实 测值比较，相似模拟实验断面的选取符合标准 风 流稳定断面速度、压力均匀分布，验证了实验数据 的准确性。矿井采用机站通风系统时，相同外阻条 件下，高效结构形式机站出口压力大于一般结构形 式的通风机站，更有利于克服较长巷道的通风阻 力， 且机站效率高于一般结构， 局部阻力系数更小。 4结语 类比矿井通风机研究得出矿井通风机站效率的 定义和计算方法，确定影响机站通风效率的主要因 素为机站的局部阻力和风压损失率；通过理论分 析，得出机站局部阻力及其系数的组成，提出机站 局部阻力较小的高效机站结构形式；通过对相似模 拟试验，得出高效结构形式较一般结构形式机站通 风效率提高 1， 机站局部阻力系数减小 12； 数值 模拟验证了相似实验测量断面选取的合理性以及测 点数据的准确性，并得出高效结构形式机站更有利 于克服巷道通风阻力。 参考文献 ［1］ 董振民.论多级机站通风技术的若干问题 ［J］ .矿业快 报， 2001 （12） 1-4. ［2］ 刘杰， 谢贤平.多风机多级机站通风节能原理初探 ［J］ . 有色金属 （矿山部分） ， 2010， 62 （5） 71-74. ［3］ 王英敏.多级机站通风原理与设计方法探讨 ［J］ .工业 安全与防尘， 1991 （5） 3-8. ［4］ 杨娟.矿井通风系统多级机站的合理配置 ［J］ .工业安 全与防尘， 1999 （3） 18-21. ［5］ 程厉生， 李高祺， 沈元伟.井下多风机机站局阻的研究 ［J］ .工业安全与防尘， 1987 （2） 11-16 ［6］ 李雨林， 程厉生， 李高祺.降低井下机站的局部阻力及 机站合理结构的研究 ［J］ .金属矿山， 1988 （7） 21-25. ［7］ 钱建美， 朱正林.集流器对轴流风机性能影响的试验 研究 ［J］ .能源研究与利用， 2003 （5） 24-25. ［8］ WangTingjun, XieXianping, Li Jiangong, et al.Optimiza－ tion of monitoring points layout for the multi-fan and multi-station ventilation system ［J］ . Applied Mechanics and Materials, 2014, 614113-117. ［9］ Li Z H, ZhangJ S, Zhivov A M, et al. Characteristics of diffuser air jets and airflow in the occupied regions of mechanically ventilated rooms a literature review［J］ . ASHRAE Transactions, 1993, 99 1119. ［10］ 王英敏.多机并联通风系统各风路的合理分风问题 ［J］ .工业安全与防尘， 1977 （1） 37-38． 作者简介 康恩胜 （1979） ， 辽宁盘锦人， 讲师， 内蒙古 科技大学在读博士研究生， 研究方向为矿业工程、 安全工程 与技术。 （收稿日期 2019-12-26； 责任编辑 李力欣） 128