CN101135323B - 节能型矿井主通风机扩散器 - Google Patents

节能型矿井主通风机扩散器 Download PDF

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Abstract

本发明属于矿井通风技术领域，具体涉及一种矿井主通风机扩散器。本发明主要针对现有扩散器所存在的内部涡流区过大以及在出口断面内侧存在反吸风的现象，提供一种节能型矿井主通风机扩散器。本发明的扩散器的流线型内、外轮廓线满足于特定的方程式并与内、外轮廓引线和内、外轮廓延长线相切，内、外轮廓延长线的长度使断面扩大系数达到2.361。因本发明的扩散器具有合理的形状，能消除扩散器内部的涡流，降低扩散器的结构阻力，并能在6m/s～33m/s入口额定风机风速范围内不出现出口断面反吸风现象，能保持较高的能量回收效率，能高效地把矿井主通风机的出口动能转化可利用的风机静压能，实现矿井主通风机的节能降耗运行。

Description

节能型矿井主通风机扩散器
技术领域
本发明属于矿井通风技术领域，具体涉及一种矿井主通风机扩散器。
背景技术
目前的矿井主通风机扩散器主要有直立式扩散器、60度倾斜扩散器、45度倾斜改进型扩散器、传统流线型扩散器等几种形式。这几种形式的矿井主通风机扩散器主要存在两个方面的问题：一方面是扩散器内部涡流区过大，增加了扩散器的结构阻力，降低了主通风机可回收动能值；另一方面在扩散器出口断面的内侧存在反吸风现象，比如60度倾斜扩散器在出风断面上约有1/3的吸风区，这样就相对减少了扩散器的出风断面，同时反向吸入的空气增大了有效出风断面的风速，出口动能损失大，降低了扩散器的能量回收效率，甚至增加了主通风机的能量消耗。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种其结构形状基于流函数设计、能避免扩散器内产生涡流而带来的能量损失、消除扩散器出口吸风区从而提高矿井主通风机运行效率的节能型矿井主通风机扩散器。
本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：该节能型矿井主通风机扩散器，是一个截面为方形的套筒状构件，其前后两面为平面，其上表面由内轮廓引线平面、流线型内轮廓线曲面及内轮廓延长线平面组成，其下表面由外轮廓引线平面、流线型外轮廓线曲面及外轮廓延长线平面组成；其左端是入口断面，并与水平面垂直；其右端是出口断面，并与水平面平行；出口断面面积大于入口断面面积；并且该扩散器的结构形状具有如下特点：
其一，该扩散器的流线型外轮廓线与外轮廓引线和外轮廓延长线均相切，且流线型外轮廓线满足如下方程式：
Figure S2007100358651D00021
式中，θ的取值范围是7π/25～8π/9，y1表示流线型外轮廓线坐标函数，d1表示流线型外轮廓线投影的扩散器高度，k(θ)为非均匀直线流修正系数；
其二，该扩散器的流线型内轮廓线与内轮廓引线和内轮廓延长线均相切，且流线型内轮廓线满足如下方程式：
式中：θ的取值范围是7π/25～36π/37，y2表示流线型内轮廓线坐标函数，d2表示流线型内轮廓线投影的扩散器高度，k(θ)为非均匀直线流修正系数；
其三，该扩散器的内轮廓延长线和外轮廓延长线的长度满足如下条件：使所形成的扩散器的出口断面面积与入口断面面积之比为2.361。
上述发明的矿井主通风机扩散器，因其具有合理的内、外流线型轮廓线，合理的内、外轮廓延长线长度以及合理的出口断面面积与入口断面面积的比值即断面扩大系数，能消除扩散器内部的涡流，降低扩散器的结构阻力，并能在6m/s～33m/s入口额定风机风速范围内不出现出口断面反吸风现象，能保持较高的能量回收效率，能高效地把矿井主通风机的出口动能转化可利用的风机静压能，实现矿井主通风机的节能降耗运行。
附图说明
图1是本发明的扩散器的结构示意图；
图2是本发明的扩散器与矿井主通风机的安装主视图；
图3是扩散器的内、外流线型轮廓线的生成示意图；
图4是本发明的扩散器和现有的三种扩散器在额定入口风速为6m/s时的扩散器出口断面风速分布曲线图；
图5是本发明的扩散器和现有的三种扩散器在额定入口风速为8m/s时的扩散器出口断面风速分布曲线图；
图6是本发明的扩散器和现有的三种扩散器在额定入口风速为20m/s时的扩散器出口断面风速分布曲线图；
图7是本发明的扩散器和现有的三种扩散器在额定入口风速为28m/s时的扩散器出口断面风速分布曲线图；
图8是本发明的扩散器和现有的三种扩散器的扩散效率与入口风速的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，本发明的扩散器是一个截面为方形的套筒状构件，其前后两面为平面，其上表面由内轮廓引线平面、流线型内轮廓线曲面及内轮廓延长线平面组成，其下表面由外轮廓引线平面、流线型外轮廓线曲面及外轮廓延长线平面组成；其左端是入口断面7，并与水平面垂直；其右端是出口断面8，并与水平面平行；出口断面面积大于入口断面面积。从图中可见，外轮廓引线1、流线型外轮廓线2和外轮廓延长线3分别构成了外轮廓引线平面、流线型外轮廓线曲面和外轮廓延长线平面；同样，内轮廓引线4、流线型内轮廓线5和内轮廓延长线6分别构成了内轮廓引线平面、流线型内轮廓线曲面和内轮廓延长线平面。参见图2，本扩散器的入口处通过一个截面圆变方的构件9连接到主通风机10的出风口上。
所述扩散器的流线型外轮廓线2与外轮廓引线1和外轮廓延长线3均相切，以使扩散器轮廓线实现光滑过渡，优化扩散器内部流场；且流线型外轮廓线2满足如下方程式：
式中，θ的取值范围是7π/25～8π/9，单位是弧度；y1表示流线型外轮廓线坐标函数，单位是m；d1表示流线型外轮廓线投影的扩散器高度，单位是m；k(θ)为非均匀直线流修正系数，无量纲数。
所述流线型内轮廓线5与内轮廓引线4和内轮廓延长线6均相切，同样也使扩散器轮廓线实现光滑过渡，优化扩散器内部流场；且流线型内轮廓线5满足如下方程式：
式中：θ的取值范围是7π/25～36π/37，单位是弧度；y2表示流线型内轮廓线坐标函数，单位是m；d2表示流线型内轮廓线投影的扩散器高度，单位是m；k(θ)为非均匀直线流修正系数，无量纲数。
上述非均匀直线流修正系数k(θ)表达了扩散器入口处风速分布不均匀的现场现状，与主通风机的性能参数、主通风机轮毂形式、整流距离等因素有关。根据二维不可压流函数的N-S方程，非均匀直线流的修正函数与扩散器入口的速度分布情况相关。在数值实验时，非均匀直线流的修正系数k(θ)基于初始的扩散器入口速度分布情况来确定，其数值为扩散器入口中心线上某点速度与扩散器入口积分平均速度的比值。
参见图3，是扩散器流线型内、外轮廓线的生成示意图，横坐标1，2，…，17，分别代表流线型内轮廓线公式中的自变量θ：0.28π，(0.28+0.041)π，...，0.889π；或者分别代表流线型外轮廓线公式中的自变量θ：0.28π，(0.28+0.044)π，...，0.973π；因变量由上述流线型内、外轮廓线计算公式得出，作为示意图中的纵坐标。
在内、外流线型轮廓线已确定的情况下，因内、外轮廓延长线必须与它们分别相切，因此内、外轮廓延长线的方向也确定了，而它们的长度应满足如下条件：使所形成的扩散器的出口断面面积与入口断面面积之比为2.361。
本发明扩散器的内、外轮廓引线的长度根据主通风机施工安装实施手册确定。
参见图4至图7，是本发明的扩散器与现有三种扩散器在额定入口风速分别为6m/s、8m/s、20m/s、28m/s时的扩散器出口断面风速分布曲线图；其中，X轴表示距扩散器内出流顶点距离，单位是m，Y轴表示当地速度与出口断面的积分平均速度的比值即速度均匀度，无量纲数；曲线1是倾斜60度扩散器的出口断面风速分布曲线，曲线2是东工流线型扩散器的，曲线3是新型流线型扩散器的，曲线4是节能型矿井主通风机扩散器的。
参见图8，是本发明扩散器和现有的三种扩散器的扩散效率与入口风速的关系曲线图；其中，X轴代表扩散器入口平均速度，单位是m/s，Y轴代表扩散器扩散效率，无量纲数；曲线1是倾斜60度扩散器的扩散效率与入口风速的关系曲线，曲线2是东工流线型扩散器的，曲线3是新型流线型扩散器的，曲线4是节能型矿井主通风机扩散器的。
分析图4到图8中的曲线1到曲线4，节能型矿井主通风机扩散器相比倾斜60度扩散器、东工流线型扩散器、新型流线型扩散器，具有以下几个主要优良的空气动力学特性：
第一，从6m/s至33m/s的额定入口风速下，其扩散器出口风速基本保持一致，完全消除了反吸风现象；
第二，从6m/s至33m/s的额定入口风速下，扩散器内部涡流区基本消除，增加了可回收动能，提高了主通风机的可用静压能，提高了主通风机的运行效率；
第三，从6m/s至33m/s的额定入口风速下，扩散器扩散效率始终保持在较高区域，能满足矿井通风的变工况运行调节，实现矿井主通风的节能降耗运行。

Claims (1)

1.一种节能型矿井主通风机扩散器，是一个截面为方形的套筒状构件，其前后两面为平面，其上表面由内轮廓引线平面、流线型内轮廓线曲面及内轮廓延长线平面组成，其下表面由外轮廓引线平面、流线型外轮廓线曲面及外轮廓延长线平面组成；其左端是入口断面(7)，并与水平面垂直；其右端是出口断面(8)，并与水平面平行；出口断面面积大于入口断面面积；其特征在于：
a、所述流线型外轮廓线(2)与外轮廓引线(1)和外轮廓延长线(3)均相切，且流线型外轮廓线(2)满足如下方程式：
Figure FSB00000197497300011
式中，θ的取值范围是7π/25～8π/9，y1表示流线型外轮廓线坐标函数，d1表示流线型外轮廓线投影的扩散器高度，k(θ)为非均匀直线流修正系数；
b、所述流线型内轮廓线(5)与内轮廓引线(4)和内轮廓延长线(6)均相切，且流线型内轮廓线(5)满足如下方程式：
Figure FSB00000197497300012
式中：θ的取值范围是7π/25～36π/37；y2表示流线型内轮廓线坐标函数；d2表示流线型内轮廓线投影的扩散器高度；k(θ)为非均匀直线流修正系数，是基于初始的扩散器入口速度分布情况的扩散器入口中心线上某点速度与扩散器入口积分平均速度的比值；
c、所述内轮廓延长线和外轮廓延长线的长度满足如下条件：使所形成的扩散器的出口断面面积与入口断面面积之比为2.361。
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