矿用对旋风机两级叶轮转速匹配性能研究

摘要

矿用对旋风机作为井下局部通风机的主要机型，承担着不断将相邻巷道内的新鲜空气引入独头掘进工作面，排出巷道中的瓦斯等有毒有害气体的重任，是矿井通风系统的重要组成部分。面对矿井采掘过程中不断增多的独头巷道长距离通风需求，现有的对旋风机运行模式单一，平均运行效率低；很难满足掘进过程中的不断变化的供风需求，影响工作面作业环境。因此，基于变频调速技术研究矿用对旋风机在两级叶轮不同转速匹配下的性能表现，对井下局部通风机的安全高效运行及工作面环境的改善具有重要意义。
　　本文对矿用通风机的国内外研究动态、矿井通风系统和井下空气相关标准进行分析，在井巷风流能量方程和局部通风理论的基础上，研究对旋风机在掘进工作面局部通风的应用，并根据应急通风需要，提出“柴—电混合动力矿用安全节能局部通风机”的保安通风新方案。以高瓦斯矿井中2000m长距离独头巷道为例，研究其掘进全过程中，巷道深度分别为500m、1000m、1500m、2000m时的通风管网特性曲线，分析发现：巷道深度不同导致通风阻力差异较大，当巷道深度较小时，管网风压要求低；随巷道深度增加，风压逐渐升高，当巷道深度为2000m时，维持工作面安全风量的风压要求达到8000Pa左右，接近对旋风机的额定压力。因此，在长距离独头巷道掘进全过程中，可以考虑通过调整对旋风机两级叶轮转速匹配来实现工作面的“按需供风”。
　　本文分析了对旋风机结构和主要性能参数，对单个叶片的受力及级间气流速度进行分析，研究对旋风机内叶轮与气流之间相互作用的运行特性。以型号为FBD No8.0的对旋风机为对象展开工程测绘，将3D扫描技术应用于构型复杂的叶轮的逆向建模，在SolidWorks软件中完成整机模型的组建。通过ICEM CFD的网格划分和FLUENT的模拟仿真，研究两级叶轮在2900-2900、1480-1480、960-960三种不同转速匹配时，对旋风机在不同工况下流场分布和主要性能参数的变化趋势，对比产品性能参数和仿真所得结果，验证对旋风机的模型建立及数值模拟过程设置的准确性。
　　依据GB/T1236-2000的规定，搭建B型(压入)风管式通风机空气动力性能试验台，测试对旋风机在两级叶轮不同转速匹配下的性能曲线，拟合对旋风机性能曲线和巷道通风管网特性曲线，得出以下结论：1）对旋风机流量、压力与转速之间的关系符合风机相似定律，一、二级叶轮转速分别主要影响风机的流量、压力性能；2）在巷道掘进初期（500m以内），不宜采用单级运行模式，转速宜为1480-1480；在500～1000m阶段，转速宜为2000-2000；在1000m深度以上时，转速宜为2900-2900；当掘进深度接近2000m时，对旋风机运行工况临近喘振，需紧密关注其运行状态，避免在此工况下长时间运行。适时调整对旋风机两级叶轮转速匹配能实现井下长距离独头巷道工作面的“按需供风”。

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第一章 绪论

1.1 概述

1.2 课题的研究背景及意义

1.3国内外研究发展状态

1.4本文研究的主要内容

1.5本章小结

第二章 矿井风流及掘进通风系统的研究

2.1矿井通风系统概述

2.2风流能量方程及其在矿井通风中的应用

2.3掘进工作面局部通风系统的研究

2.4长距离独头巷道掘进过程中通风管网特性的研究

2.5掘进工作面应急通风方案设计

2.6本章小结

第三章 对旋风机运行特性分析及几何模型建立

3.1对旋风机运行特性分析

3.2对旋风机关键性能参数计算

3.3对旋风机模型建立及网格划分

3.4本章小结

第四章 对旋风机计算流体力学特性分析

4.1 FLUENT软件数值模拟

4.2对旋风机数值模拟及其结果分析

4.3数值模拟下的对旋风机整机性能分析

4.4本章小结

第五章 对旋风机气动特性与实用性研究

5.1通风机空气动力性能试验装置

5.2通风机空气动力性能实验关键数据的测算方法

5.3通风机空气动力性能实验的数据分析

5.4风机特性曲线和管网特性曲线的拟合匹配研究

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2进一步工作与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和参与的专利、项目