王麗萍

（晉能控股集團忻州窯礦，山西 大同 037001）

引言

我國的煤炭開采量巨大，在煤炭開采過程中的安全問題至關重要。隨著煤礦開采的深度不斷增加，對工作面的通風要求越來越高。工作面的通風安全對于作業(yè)人員的工作能動性及生命安全具有積極的保障。在工作面的通風系統(tǒng)中，對旋式通風機的結構簡單、性能穩(wěn)定，是廣泛使用的一種局部通風機形式，是保證工作面通風安全的關鍵設備[1]。在對旋通風機的實際應用中，葉片的翼型對于通風性能及安全具有重要的影響。采用有限元模擬仿真的方式對常用翼型的性能進行分析，從而確定最優(yōu)的翼型結構，提高通風機的性能，保證礦井通風的安全性。

1 對旋通風機分析模型的建立

在煤礦工作面的通風系統(tǒng)中，由于掘進巷道位置及環(huán)境的限制，要求通風機的體積要盡量小，并且具有堅固、防爆的特性，通風機要能滿足較高的風壓，具有較高的效率，能夠在井下環(huán)境中穩(wěn)定地運行[2]。采用有限元分析的方式對不同翼型結構的性能進行分析，需要建立對旋通風機的結構分析模型。

采用三維建模軟件Pro/E進行對旋通風機模型的建立，能夠與有限元分析軟件進行直接的接口兼容，便于對模型進行分析。采用自下向上的設計方式對對旋通風機模型進行裝配，包括集流器、風筒、葉輪等零部件。對旋通風機不同翼型的葉片結構影響通風機的轉換效率及自身性能，常用的翼型有LS翼型和NACA翼型兩種結構[3]。其中LS翼型結構的下弧線是一條直線，屬于平凸翼型的類型；NACA翼型結構的上弧線和下弧線都呈向外凸出的結構，且上弧線的彎度要大，屬于雙凸翼型的類型。對兩種不同的葉片翼型結構分別進行建模，形成兩種翼型結構的對旋通風機模型。對模型進行有限元網格的劃分，網格劃分的質量及密度對于分析結果的精度具有重要的影響[4]。在不影響計算時間的情況下，采用四面體單元對模型進行網格的劃分，由此可對對旋通風機的性能進行模擬仿真。

2 不同翼型對旋通風機性能的對比分析

2.1 兩種翼型結構的氣動性能分析

對兩種不同的翼型結構設定相同的初始邊界條件，設定風機的入口處為勻速、出口處以相對壓力為零進行限定，翼型的壁面無滑移邊界，將LS翼型及NACA翼型導入ABAQUS/CFD流體仿真軟件中進行分析，得到兩種翼型結構在不同攻擊角下的壓力及速度分布，分別如下頁圖1、下頁圖2所示。

對比下頁圖1、圖2的結果可知，在葉片翼型表面駐點的區(qū)域位置處所受到的壓力值最大，翼型壁面周邊區(qū)域流體的速度變化逐漸減小，在尾部的速度趨勢增加，且在翼型表面壓力大的區(qū)域內速度較小，而壓力小的區(qū)域內速度相對較大；在對旋通風機的工作過程中存在渦流現(xiàn)象，降低了通風機的整體效率。通過對比可知，NACA翼型結構產生的渦流較小，有利于保持風機的穩(wěn)定，提高礦井的通風安全性能[5]。

圖1 LS翼型氣動性能分布

圖2 NACA翼型氣動性能分布

2.2 NACA翼型結構建模仿真分析

葉片作為對旋通風機的關鍵零部件，其結構的合理性對通風機的性能及安全具有重要的影響。通過上述的分析可知，NACA翼型結構的氣動性能要優(yōu)于LS翼型結構，有利于煤礦的通風安全。對NACA翼型結構的靜力學性能進行進一步的安全校核分析。采用ABAQUS對NACA翼型結構的靜力學性能進行分析，首先對NACA翼型進行建模，設定葉片的材質為Q235A，將葉片進行網格劃分，確保葉片各邊平均劃分[6]。設定葉片的受力作用，葉片的根部進行固定約束，另一端自由，對NACA葉片的應力及位移變形進行模擬仿真，得到如圖3、圖4所示的應力及位移分布圖。

從圖3可以看出，葉片的應力在葉柄位置所受到的應力值較大，應力最大值出現(xiàn)在葉片和葉柄的連接位置。從圖4可以看出，葉片的位移變形主要發(fā)生在葉尖，沿著葉片的長度方向，隨著遠離葉尖的位置，產生的位移變形越小。NACA翼型的應力及變形量總體上較小，且不存在明顯的應力集中現(xiàn)象。NACA翼型結構可對通風機的性能起到優(yōu)化的作用，滿足對旋通風機的使用需求。

圖3 應力分布云圖

圖4 位移分布云圖

3 結論

對旋通風機作為性能穩(wěn)定的通風機形式，在礦井的局部通風中具有廣泛的應用。葉片作為對旋通風機的關鍵零部件，對其工作效率及安全性能具有重要的影響。在較常使用的葉片翼型結構中，LS翼型及NACA翼型結構不同，對其通風性能及安全性也有一定的不同。采用有限元分析的方式對兩種不同的翼型結構進行分析，結果表明，NACA翼型結構產生的渦流較小，有利于保持風機的穩(wěn)定，其氣動性能要優(yōu)于LS翼型結構。對NACA翼型結構的靜力學特性進行進一步的分析，結果表明，NACA翼型的應力及變形量較小，不存在明顯的應力集中現(xiàn)象，NACA翼型結構對通風機的性能起到優(yōu)化的作用。通過上述的分析可知，NACA翼型在氣動性能及靜力學特性上均能改善對旋通風機的性能，保證通風機安全穩(wěn)定地運行，從而保證工作面的通風性，為煤礦的安全生產提供保障，促進煤礦生產效率的提高。