CN103726868A - 具从动旋流通道矿用除尘风机及其从动旋流通道设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具从动旋流通道矿用除尘风机及其从动旋流通道设计方法。本发明的具从动旋流通道矿用除尘风机包括前后依次连接的风机段、从动旋流除尘段、脱水段；所述风机段包括集流口、局部通风机，所述从动旋流除尘段包括雾化喷水喷嘴、旋流导流叶片、集水槽，所述脱水段包括脱水板、集水槽。本发明的矿用除尘风机从动旋流除尘段的尺寸结构参数、以及局部通风机的运行参数，与该矿用除尘风机从动旋流除尘段的除尘效率，满足一定的公式；为使除尘效率更高或更贴近工程需要，依据公式，优化组合设计从动旋流除尘段的结构参数与局部通风机的运行参数。本发明能优化从动旋流通道类除尘风机，有利于工程设计，方法具有普适性。

Description

具从动旋流通道矿用除尘风机及其从动旋流通道设计方法

技术领域

本发明属于矿井井下局部除尘与风机一体化技术领域，具体涉及一种具从动旋流通道矿用除尘风机及其从动旋流通道设计方法。

背景技术

煤矿作业人员过度暴露于气溶胶呼吸性矿尘下，其呼吸系统受到危害，甚至导致致命的呼吸系统疾病。郑丽报道给出，在中国煤矿中每年有265万作业人员接触矿尘，尘肺病的检出率高达7.2%，累积尘肺病患者已超过5.7万人；来自NIOSH（美国国家职业安全与健康研究院）的Hall报道指出，随着煤矿开采强度的增加，地下煤矿接触矿尘作业人员的尘肺病检出率，从1994的4%，上升至2007年9%；因此，煤矿作业人员暴露于矿尘的问题一直是备受关注和需要不断研究的职业健康问题。尤其是，煤矿井下采煤工作面和掘进工作一直是主要粉尘产生源头，其粉尘污染问题更为严重，根据鹿德智等人报道，井下有些作业场所粉尘超标，高达标准值的几十倍，其作业人员的职业健康问题更为严峻。对于地下煤矿的除尘装置而言，按除尘机理可以划分为过滤式、离心分离式和综合除尘系统，国内相继提出了10余种井下矿用除尘器，但存在除尘效率大多低于80%，脱水率大多低于85%等技术上的不足。而在德国地下煤矿，一般选用袋式除尘器，其具有除尘效率高的特点，但是体积大；而在波兰，主要是湿式旋流除尘器，其除尘效率高达99.3%，脱水率也高达98%，但是运行阻力高达2300Pa以上。虽然上述除尘器效率通常高达95%以上，但却不适合在中国的地下煤矿推广。由于技术经济和工程地质的制约，中国地下煤矿的采掘断面面积通常不大于15m²，而且大部分煤矿小于10m²，而在湖南、贵州和云南等中国的中南和西南地区的煤矿，其采掘面断面面积更小。因此，应用在德国、波兰等国的除尘器，由于体积过大或运行压降过高，不适合中国大部分地下煤矿除尘的工程现场。因此，综合国内国外的技术现状，对于中国地下煤矿除尘器仍存在以下不足：（1）除尘效率低（大约80%），（2）脱水率低（低于85%），（3）运行阻力高（高于2200Pa），（4）长度或宽度过大（长超过10m，宽超过2.5m），（5）体积过大。

发明内容

本发明的目的之一在于针对现有技术中存在的上述问题，提供一种具从动旋流通道矿用除尘风机。

本发明的具从动旋流通道矿用除尘风机，它包括前后依次连接的风机段、从动旋流除尘段、脱水段；所述风机段包括集流口、局部通风机，所述从动旋流除尘段包括雾化喷水喷嘴、旋流导流叶片、集水槽，所述脱水段包括脱水板、集水槽；含尘气流从集流口进入，除尘脱水后变成洁净气流从脱水板后部排出。

进一步，所述矿用除尘风机从动旋流除尘段的尺寸结构参数、以及局部通风机的运行参数，与该矿用除尘风机从动旋流除尘段的除尘效率

，满足如下公式（28），并且，为使该矿用除尘风机从动旋流的除尘效率

更高或更贴近工程需要，依据公式（28），优化组合从动旋流除尘段的结构参数与局部通风机的运行参数：

${\mathrm{\η}}_{d_p}\≤1-e^{-\frac{\mathrm{\π}}{270}\·\frac{\left({\mathrm{\ρ}}_p{-\mathrm{\ρ}}_a\right)}{\mathrm{\μ}}\·\frac{N_2\·Q}{(R_1^2-R_0^2)\·N_1^2\·L_0}\·d_p^2}---\left(28\right);$

式（28）中：π，圆周率，无量纲数；e，自然常数，无量纲数；d_p，矿尘颗粒粒径，单位是m；

对于粒径为d_p的矿尘颗粒除尘效率，无量纲数；ρ_p，矿尘颗粒密度，单位是kg/m³；ρ_a，主流相空气密度，单位是kg/m³；μ，主流相空气运动粘度，单位是Pa·s；L₀，封闭多旋流通道的螺旋步长，单位是m；N₁，封闭多旋流通道的通道数，无量纲数；N₂，单个旋流通道扫过2π弧度相对于L₀的倍数，无量纲数；R₁，从动旋流通道内筒壁半径，单位是m；R₀，延长轴半径，单位是m；Q，除尘风机所配局部通风机的体积流量，单位是m³/min。

本发明的目的之二在于提供上述具从动旋流通道矿用除尘风机的从动旋流通道设计方法，它包括：矿用除尘风机从动旋流除尘段的尺寸结构参数、以及局部通风机的运行参数，与该矿用除尘风机从动旋流除尘段的除尘效率

满足如下公式（28）：

${\mathrm{\η}}_{d_p}\≤1-e^{-\frac{\mathrm{\π}}{270}\·\frac{\left({\mathrm{\ρ}}_p{-\mathrm{\ρ}}_a\right)}{\mathrm{\μ}}\·\frac{N_2\·Q}{(R_1^2-R_0^2)\·N_1^2\·L_0}\·d_p^2}---\left(28\right);$

式（28）中：π，圆周率，无量纲数；e，自然常数，无量纲数；d_p，矿尘颗粒粒径，单位是m；

对于粒径为d_p的矿尘颗粒除尘效率，无量纲数；ρ_p，矿尘颗粒密度，单位是kg/m³；ρ_a，主流相空气密度，单位是kg/m³；μ，主流相空气运动粘度，单位是Pa·s；L₀，封闭多旋流通道的螺旋步长，单位是m；N₁，封闭多旋流通道的通道数，无量纲数；N₂，单个旋流通道扫过2π弧度相对于L₀的倍数，无量纲数；R₁，从动旋流通道内筒壁半径，单位是m；R₀，延长轴半径，单位是m；Q，除尘风机所配局部通风机的体积流量，单位是m³/min；

根据公式（28），在矿尘颗粒或空气的物性参数不变的情况下，为使该矿用除尘风机从动旋流的除尘效率

更高或更贴近工程需要，优化组合从动旋流除尘段的结构参数与局部通风机的运行参数如下：建立局部通风机参数、从动旋流除尘段的结构参数与除尘效率相关性数学模型，根据需要，利用MALAB工具进行数值计算，数值研究主要结构参数与运行参数对该矿用除尘风机从动旋流除尘段除尘效率的定量影响，找出该结构参数和运行参数的优化组合；针对不同矿用除尘风机所配局部通风的型号，或不同矿尘颗粒物性参数，均获得其结构参数与运行参数的优化组合，并设计出优化组合的矿用除尘风机从动旋流除尘段。

进一步，由于矿尘颗粒的密度远远大于空气密度，则公式（28）可以简化为下式（29）：

${\mathrm{\η}}_{d_p}\≤1-e^{-\frac{\mathrm{\π}}{270}\·\frac{\left({\mathrm{\ρ}}_p{-\mathrm{\ρ}}_a\right)}{\mathrm{\μ}}\·\frac{N_2\·Q}{(R_1^2-R_0^2)\·N_1^2\·L_0}\·d_p^2}---\left(29\right);$

设定π=3.142，μ=1.428×10^-4Pa·s，并设ρ_p=1.4×10³kg/m³，把上述数值代入公式（29），其结果为下式（30）所示：

${\mathrm{\η}}_{d_p}\≤1-e^{-\frac{1.141\·{10}^5\·N_2\·Q}{(R_1^2-R_0^2)\·N_1^2\·L_0}\·d_p^2}---\left(30\right);$

在公式（30）的基础上，采用数值计算的方法，来分析式中7个自变量的不同组合对因变量

的影响，着重分析从动旋流通道的结构参数和所配局部通风机的运行参数对除尘风机除尘性能的影响，找到满足中国地下煤矿工程需要的矿用除尘风机的参数组合；其数值计算的步骤如下：

（1）根据工程边界条件，计算出需风量，选定除尘风机的型号；

（2）根据选定的除尘风机型号，确定从动旋流通道的内筒壁半径R₁；

（3）根据工程边界调节，给从动旋流通道的总长度赋值，即确定N₁·N₂·L₀的数值，化简公式（30）；

（4）可以赋值在0%至100%的范围内，依次把该范围内的数值代入公式（30），则公式可以化简；

（5）因为旋流导流叶片的半径不可能大于从动旋流通道的内筒壁半径，即有0≤R₀≤R₁；如果R₀=0，则表明从动旋流通道中无延长轴，这与会导致旋流导流叶片无法固定，这不符合工程实际需要；如果R₀=R₁，则从动旋流通道中不再有旋流导流叶片，这也不符合工程需要；因此，通过对R₀即0<R₀<R₁的赋值，公式（30）可以进一步显性化；

（6）据所选定风机的参数，风量范围确定，即Q可赋值；在上述风量范围内，把赋值的Q依次代入公式（30），则该公式又被进一步化简；

（7）利用MATLAB数值计算工具，固定除尘效率

而变化从动旋流通道无量纲结构参数N和体积流量Q，其中，

分析延长轴半径R₀与矿尘颗粒粒径d_p之间的关系，并绘出关系曲线图。

（8）根据行业技术要求及所需控制的矿尘粒径需要，从步骤（7）所获得的关系曲线图中，确定出R₀和N。

本发明所提出的矿用除尘风机的从动旋流通道，它是矿用除尘风机的核心功能件，具有离心脱尘的作用。携带矿尘的含尘气流，通过矿用除尘风机集流口的汇集，被吸入除尘风机内，流经风机段，进入从动旋流通道内。受到固定于风机延长轴上旋流导流叶片所构成旋流通道的制约，运动中含尘气流逐步转变为存在轴向、径向和切向分量速度分量的从动旋流。流动中的该从动旋流，会产生离心力，由于从动旋流的主流相为空气，空气密度与矿尘颗粒密度相差甚远，导致了从动旋流主流相与矿尘颗粒相的离心力存在差异，该矿尘颗粒在自身离心力的驱动下，克服包裹在自身周边的主流相空气阻力，脱离主流相的微流管；在离心加速作用，该矿尘颗粒依次逃离径向经过的微流管，脱离主流相的流动约束，该过程类似于洗衣机脱水桶的脱水过程，最终，该矿尘颗粒从含尘的从动旋流中脱离出来，即是矿尘颗粒的离心脱尘。最后，被部分或完全除尘的含水气流，被挡水板脱水，该气流则处理为几乎无尘和几乎无水的净化气流。其中，矿用除尘风机从动旋流除尘段的尺寸等结构参数、以及除尘风机所配局部通风机的运行参数，均影响该矿用除尘风机从动旋流除尘段的除尘效率，在力平衡原理的基础上，应用Bradley平衡轨道理论，可以推导出该除尘段的除尘效率计算公式：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{270}\&CenterDot;\frac{\left({\mathrm{\&rho;}}_p{-\mathrm{\&rho;}}_a\right)}{\mathrm{\&mu;}}\&CenterDot;\frac{N_2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;L_0}\&CenterDot;d_p^2}---\left(28\right);$

公式（28）所述矿用除尘风机从动旋流除尘段除尘效率计算公式中，包括了“1”等四个常量，“d_p”等四个矿尘颗粒或空气的物性参数，“L₀”等五个从动旋流通道的结构参数，“Q”体积流量，一个的局部通风机运行参数，以及“

”一个因变数。因此，在物性参数不变的情况下，为使该矿用除尘风机从动旋流除尘效率更高或更贴近工程需要，需要优化组合结构参数与运行参数。

本发明上述设计方法的理论推导过程如下：

（1）从动旋流通道内结构参数之间的量化关系

参见图2和图3，归纳整理成以下数学表达式：

R₀≤R≤R₁   （1）；

式（1）中，R，是在从动旋流通道中矿尘颗粒的所在半径，单位是m；

L₂=N₂·L₀   （2）；

式（2）中，Z，是笛卡尔坐标系的Z轴；L₂，是Z轴上单个从动旋流通道的总长，单位是m；

L₁=N₁·L₂   （3）；

式（3）中，L₁，是Z轴上从动旋流通道的总长，单位是m；

$N=\frac{N_2^2}{N_1}---\left(4\right);$

式（4）中，N，是从动旋流通道无量纲结构参数，无量纲数。

（2）从动旋流通道内单个矿尘颗粒的速度计算

图3为图2在某一时刻的剖面图，其为在从动旋流通道的结构参数和矿尘颗粒受力分析的示意图。一个向从动旋流通道内筒壁运动的矿尘颗粒，受到携带该颗粒的从动旋流微流管粘性力的影响，该粘性力即为该颗粒受到的空气阻力。另一方面，从动旋流携带着的该颗粒，其切向运动还受到离心效应的作用，该离心效应即为离心力。因此，如果在可以忽略其他效应的理想条件下，离心力和空气阻力控制着该颗粒的运动。受到离心力和径向速度分量的影响，该矿尘颗粒持续向从动旋流通道内筒壁方向运动，同时其受到空气阻力也持续变大，变大的空气阻力越来越接近离心力，最终会离心力与空气阻力会彼此相等。在两个力彼此相等的情况下，该矿尘颗粒受两个力的动态平衡所控制，则矿尘颗粒所运动位置的半径称之为动态平衡半径，这种分析方法称之为Bradley平衡轨道理论。大量的研究实践表明，该平衡轨道理论适用于大粒径的飘尘和降尘。应用Bradley平衡轨道理论，进行从动旋流通道内矿尘颗粒的受力分析及其速度分析。在从动旋流通道中，矿尘颗粒不但受离心力的左右，也受到空气阻力的作用，这两个力可用公式（5）和公式（6）表达，如下所示：

$C=m_p\&CenterDot;u_a^2\&CenterDot;R^{-1}---\left(5\right);$

$S=0.5\&CenterDot;\mathrm{\&xi;}\&CenterDot;F_p\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_a\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_p^2---(6;)$

在公式（5）和（6）中，C，是矿尘颗粒受到的离心力，单位是N；S，是矿尘颗粒的阻力，单位是N；

是矿尘颗粒的相对质量，单位是kg；u_a，是旋流在螺旋方向上的线速度，单位是m/s；ξ，是矿尘颗粒的阻力系数，无量纲数；

是颗粒的投影面积，单位是m²；ρ_p，是矿尘颗粒的密度，单位是kg/m³；ρ_a，是主流相空气密度，单位是kg/m³；d_p，是矿尘颗粒的粒径，单位是m；ω_p，是矿尘颗粒相对于旋流的切向速度分量，单位是m/s。

在某时刻，矿尘颗粒处于两力动平衡态下，即对于矿尘颗粒而言，离心力等于阻力。因此，公式（5）等于公式（6），即如下式（7）所示：

$m_p\&CenterDot;u_a^2\&CenterDot;R^{-1}=0.5\&CenterDot;\mathrm{\&xi;}\&CenterDot;F_p\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_a\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_p^2---\left(7\right);$

对式（7），进行移项和合并，化简，得：

${\mathrm{\&omega;}}_p=\sqrt{\frac{4}{3}\&CenterDot;\frac{d_p}{R}\&CenterDot;\frac{1}{\mathrm{\&xi;}}\&CenterDot;\frac{({\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_a)}{{\mathrm{\&rho;}}_a}}\&CenterDot;u_a---\left(8\right);$

对于一个矿尘颗粒沉降概率而言，主要还是受到矿尘颗粒所受到的离心力制约，并且一般来说，矿尘颗粒越小，其越难沉降。如果说粒径1μm的矿尘颗粒可以被离心力分离，则大于1μm的矿尘颗粒也能被分离出来；在主流相空气密度和运动粘度均等于常温下，经过验算，只要矿尘颗粒与主流相空气的相对速度不超过15m/s，其阻力系数仍满足斯托克斯阻力律（Stokes Law）。由于本发明所讨论的矿尘颗粒粒径均大于1μm，主流相与颗粒相之间相对一般也小于15m/s；因此，阻力系数可以应用斯托克斯阻力律公式表示出来，如下式（9）所示：

$\mathrm{\&xi;}=\frac{24\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}}{{\mathrm{\&omega;}}_p\&CenterDot;d_p\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_a}---\left(9\right);$

设矿尘颗粒为严格的球形颗粒，把公式（9）代入公式（8），可以得出在离心力作用下的矿尘颗粒离心速度，如下式所示：

${\mathrm{\&omega;}}_p=\frac{1}{18}\&CenterDot;\frac{d_p^2\&CenterDot;({\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_a)}{R}\&CenterDot;\frac{u_a^2}{\mathrm{\&mu;}}---\left(10\right);$

对于旋流通道中的旋流而言，径向速度分量通常远远小于螺旋方向的总速度（牛争鸣,孙静,程庆迎.竖井进流水平旋转内消能泄水道流速分布与消能率的试验研究[J].水力发电学报,2003,22(01):61-69.）。因此，在图2或图3所示从动旋流通道中，含尘气流的螺旋线速度可以近似表达为下式：

$u_a=\frac{Q}{30\&CenterDot;N_1^2}\&CenterDot;\frac{R}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;L_0}---\left(11\right);$

把公式（11）代入（10），可得：

${\mathrm{\&omega;}}_p=\frac{1}{16200}\&CenterDot;\frac{R\&CenterDot;({\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_a)\&CenterDot;d_p^2\&CenterDot;Q^2}{N_1^4\&CenterDot;{(R_1^2-R_0^2)}^2\&CenterDot;L_0^2\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}}---\left(12\right);$

（3）从动旋流通道内单个矿尘颗粒的沉降耗时

在某一瞬时，矿尘颗粒的离心速度，可以用矿尘颗粒位移微分量与耗时微分量的比值表示，如下式所示：

${\mathrm{\&omega;}}_p=\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}}---\left(13\right);$

把公式（13）)代入（12），并移项合并，其结果为下式所示：

$\mathrm{dt}=\frac{16200\&CenterDot;N_1^4\&CenterDot;{(R_1^2-R_0^2)}^2\&CenterDot;L_0^2\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}}{({\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_a)\&CenterDot;d_p^2\&CenterDot;Q^2}\&CenterDot;\frac{\mathrm{dR}}{R}---\left(14\right);$

在作为离心力主要影响因素的情况下，矿尘颗粒从最小可能脱尘半径运动到从动旋流通道筒体内壁，其耗时可以用完成该位移量的总耗时来表示。可以积分公式（14），为此，在公式的左边，dt的积分限从“0”至“τ”，在公式的右边，dR积分限从R_x（最小可能脱尘半径）至R₁（从动旋流通道内筒壁半径）。其表达式如下所示：

${\&Integral;}_0^{\mathrm{\&tau;}}\mathrm{dt}=\frac{16200\&CenterDot;N_1^4\&CenterDot;{(R_1^2-R_0^2)}^2\&CenterDot;L_0^2\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}}{({\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_a)\&CenterDot;d_p^2\&CenterDot;Q^2}\&CenterDot;{\&Integral;}_{R_x}^{R1}\frac{\mathrm{dR}}{R}---\left(15\right);$

在式（15）中，R_x，是从动旋流通道内最小的可能脱尘半径，单位是m；τ，是矿尘颗粒从脱尘开始运动至从动旋流通道内壁的耗时，单位是s。

积分公式(15)，移项合并，得：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{16200\&CenterDot;N_1^4\&CenterDot;{(R_1^2-R_0^2)}^2\&CenterDot;L_0^2\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}}{({\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_a)\&CenterDot;d_p^2\&CenterDot;Q^2}\&CenterDot;\ln \frac{R_1}{R_x}---\left(16\right);$

根据除尘理论，并在离心力均布的前提下，矿尘颗粒的松弛时间，所谓松弛时间就是表示当把一种力施加于颗粒时颗粒调整自己的运动速度的能力，即可以理解成矿尘颗粒受力后完成加速或减速过程所需时间。对于矿尘颗粒而言，其受到离心力的作用，所需松弛时间为：

${\mathrm{\&tau;}}_0=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_p\&CenterDot;d_p^2}{18\mathrm{\&mu;}}---\left(17\right);$

比较公式（16）和公式（17），矿尘颗粒松弛时间远远小于其沉降耗时。因此，在分析从动旋流通道中运动的矿尘颗粒，可以近似忽略矿尘颗粒非匀速运动的耗时。

可以得出，用公式（17）计算矿尘颗粒的沉降耗时是可以接受的。

（4）从动旋流通道内单个矿尘颗粒沉降的必要条件

根据图2和图3，以及公式（1）、（2）和（3），可得：

$\frac{L_0}{R_1\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;N_1^{-1}}=\frac{L_2}{R_1\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;N_2\&CenterDot;N_1^{-1}}=\frac{L_1}{R_1\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;N_2}---\left(18\right);$

根据公式（18），在从动旋流通道内的螺旋方向上，运动中从动旋流的平均耗时，可以用下式表示：

$t_0=\frac{\underset{R_0\&le;R\&le;R_1}{\&Integral;}{t}_{0,R}\mathrm{dR}}{\underset{R_0\&le;R\&le;R_1}{\&Integral;}\mathrm{dR}}=\frac{\underset{R_0\&le;R\&le;R_1}{\&Integral;}\frac{R\&CenterDot;2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;N_2}{u_a}\mathrm{dR}}{\underset{R_0\&le;R\&le;R_1}{\&Integral;}\mathrm{dR}}---\left(19\right);$

在公式（19）中，t₀，是从动旋流从从动旋流通道入口至从动旋流通道出口的平均耗时，单位是s。

把公式（11）代入（19），得：

$t_0=\frac{60\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;N_2\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;L_0}{Q}---\left(20\right);$

矿尘颗粒沉降于从动旋流通道内筒壁的必要条件是，矿尘颗粒的径向沉降耗时小于或等于矿尘颗粒轴向上从从动旋流通道入口运动从动旋流通道出口的耗时。即，该必要条件可以用下式表示：

τ≤t₀   （21）；

把公式（16）和公式（20）代入公式（21），得：

$\frac{270\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;L_0\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;N_2\&CenterDot;({\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_a)\&CenterDot;d_p^2\&CenterDot;Q}\&CenterDot;\ln \frac{R_1}{R_x}\&le;1---\left(22\right);$

移项公式（22），得：

$R_x\&GreaterEqual;R_1{e}^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{270}\&CenterDot;\frac{({\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_a)}{\mathrm{\&mu;}}\&CenterDot;\frac{N_2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;L_0}\&CenterDot;d_p^2---\left(23\right);}$

在从动旋流通道中的矿尘颗粒，其沉降耗时应当不大于从动旋流流过通道的耗时，是矿尘颗粒沉降的必要条件。由该必要条件，导出了在从动旋流通道中的矿尘颗粒，其可能沉降的最小的所处通道半径值，即最小沉降半径的判定式。

（5）从动旋流通道内单个矿尘颗粒沉降的概率

在从动旋流通道中，轴向速度越大，则可能脱尘的最小半径越小，反之相反。换言之，可能的最小脱尘半径越大，则矿尘颗粒离心力脱尘的概率越低。因此，在其他参数不变的情况下，存在矿尘从含尘旋流中分离出来的最小半径；一旦矿尘所在位置大于该半径，则矿尘可以依靠离心力脱尘。

设矿尘颗粒的直径为d_p，如果R（是在从动旋流通道入口处运动的矿尘颗粒所在半径）大于R_x（是矿尘颗粒最小离心脱尘半径），则该矿尘可能沉降，否则该矿尘颗粒被旋流裹带着，继而逃出从动旋流通道的出口。因此，最小可能脱尘半径是一个临界值，这个临界值可以把从动旋流通道划分沉降区和非沉降区。在R_x≥R≥R₁的情况下，该环形区域是沉降区；显然，R₀≥R>R_x，该环形区域为非沉降区；另外，在0≥R>R₀的情况下，运动矿尘颗粒所在位置半径小于最小可能离心脱尘半径，因此，该环形区域也是非沉降区。在从动旋流通道中，沉降区和非沉降区依次可以下式表示：

${\mathrm{dV}}_1=\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;(R_1^2-R_x^2)}{N_1}\&CenterDot;\mathrm{dz}---\left(24\right);$

${\mathrm{dV}}_2=\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;R_x^2}{N_1}\&CenterDot;\mathrm{dz}---\left(25\right);$

在公式（24）和公式（25），dV₁，是矿尘颗粒云团的沉降区体积微分量，单位是m³；dV₂，是矿尘颗粒的非沉降区微分量，单位是m³；dz，是从动旋流通道的轴向微分长度，单位是m。

若含尘气流中矿尘分布是均匀的，根据Kulkarni、Kissell和Masuda等多人的研究实践，对于从动旋流通道中的矿尘颗粒而言，其分级除尘效率可以应用统计概率的方法。粒径d_p的矿尘颗粒的分级除尘效率，如下式所示：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\frac{{\mathrm{dV}}_1}{{\mathrm{dV}}_1+{\mathrm{dV}}_2}---\left(26\right);$

把公式（24）和公式（25）代入公式（26），即得：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}=1-\frac{R_x^2}{R_1^2}---\left(27\right);$

把公式（23）代入公式（27），即得：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{270}\&CenterDot;\frac{\left({\mathrm{\&rho;}}_p{-\mathrm{\&rho;}}_a\right)}{\mathrm{\&mu;}}\&CenterDot;\frac{N_2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;L_0}\&CenterDot;d_p^2}---\left(28\right);$

从动旋流通道内单个矿尘颗粒沉降的概率，就是在该通道中从动旋流实现离心脱尘的概率，即从动旋流通道除尘效率。

（6）在从动旋流通道无量纲结构参数对其除尘效率的影响

由于矿尘颗粒的密度远远大于空气密度，则公式（28）可以简化为下式：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{270}\&CenterDot;\frac{\left({\mathrm{\&rho;}}_p{-\mathrm{\&rho;}}_a\right)}{\mathrm{\&mu;}}\&CenterDot;\frac{N_2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;L_0}\&CenterDot;d_p^2}---\left(29\right);$

设定ρ_p=1.4×10³kg/m³，π=3.142，μ=1.428×10^-4Pa·s。把上述数值代入公式（29），其结果为下式所示：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{1.141\&CenterDot;{10}^5\&CenterDot;N_2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;L_0}\&CenterDot;d_p^2}---\left(30\right);$

考虑到中国地下煤矿的工程现场制约，设从动旋流通道总长为1m，基于公式（3）和公式（2），得N₂·N₁·L₀=1m。因此，公式（30）变换为下式：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{1.141\&CenterDot;{10}^5\&CenterDot;N_2^2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2){\&CenterDot;N}_1}\&CenterDot;d_p^2}---\left(31\right);$

根据除尘理论，在

的情况下，表明矿尘颗粒有50%的可能性被从动旋流通道中分离出来，该对应的矿尘颗粒粒径，称之为分割粒径。分割粒径越大，则从动旋流通道的除尘效率越高。据此，在分析从动旋流通道的除尘性能中，可以直接比较分割粒径。因此，

的值，可以赋值为0.5，把

代入公式（31），得下式，

$\frac{1.646\&CenterDot;{10}^5\&CenterDot;N_2^2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1}\&CenterDot;d_p^2\&le;1---\left(32\right);$

把公式（4）代入公式（32），得：

$\frac{1.646\&CenterDot;{10}^5}{(R_1^2-R_0^2)}\&CenterDot;{Q\&CenterDot;N\&CenterDot;d}_p^2\&le;1---\left(33\right);$

在公式（33）中，有五个变量。其中，d_p为矿尘颗粒的物性参数；Q为矿用除尘风机所配置局部通风机的运行参数；R₀、R₁和N均为从动旋流通道的结构参数。尤其是，N为从动旋流通道的无量纲结构参数，对从动旋流通道设计更具普适性。

相比现有矿用除尘风机除尘功能段，采用上述技术方案的矿用除尘风机从动旋流通道及其优化设计方法，具有以下几点显著的突出之处：

（1）提出了矿用除尘风机的除尘功能段，即从动旋流通道。

（2）推导出了矿用除尘风机从动旋流通道内除尘效率的计算公式。

（3）推导出了矿用除尘风机从动旋流通道内最小离心脱尘半径的计算公式，该公式包括矿尘粒径、通风量和结构参数，提出了从从动旋流通道结构参数和除尘风机所配局部通风运行参数的耦合角度，优化该类除尘风机，可对配置了不同型号局部通风机的除尘风机进行优化，有利于工程设计，方法具有普适性，推广更容易。

附图说明

图1是本发明实施例的具有从动旋流通道的矿用除尘风机的原理结构示意图。

图2是本发明实施例的从动旋流通道除尘段结构参数示意图。

图3是本发明实施例的从动旋流除尘段结构的参数剖面图和矿尘颗粒受力分析示意图。

图4是本发明实施例的矿尘颗粒直径d_p与延长轴半径R₀之间的关系曲线图（Q=280m³/min）。

图5是本发明实施例的矿尘颗粒直径d_p与延长轴半径R₀之间的关系曲线图（Q=320m³/min）。

图6是本发明实施例的矿尘颗粒直径d_p与延长轴半径R₀之间的关系曲线图（Q=360m³/min）。

图7是本发明实施例的矿尘颗粒直径d_p与延长轴半径R₀之间的关系曲线图（Q=400m³/min）。

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，是本实施例具有从动旋流通道的矿用除尘风机的原理结构示意图。在图1中，1是集流口，2是局部通风机，3是雾化喷水喷嘴，4是旋流导流叶片，5是脱水板，6是集水槽；A表示含尘气流，B表示风机段，D表示从动旋流除尘段，E表示脱水段，F表示净化气流；X是笛卡尔坐标系的X轴，Y是笛卡尔坐标系的Y轴，Z是笛卡尔坐标系的Z轴。

图2是本实施例的从动旋流除尘段的结构参数示意图。在图2中，R₀是延长轴半径，R₁是从动旋流通道筒体半径，L₀是封闭多旋流通道的螺旋步长，L₂是Z轴上单个从动旋流通道的总长，L₁是Z轴上从动旋流通道的总长，N₂是单个旋流通道扫过2π弧度相对于L₀的倍数，N₁封闭多旋流通道的通道数。

图3是本实施例的从动旋流除尘段的结构参数剖面图和矿尘颗粒受力分析示意图。在图3中，R₀是延长轴半径，R₁是从动旋流通道筒体半径，R是在从动旋流通道中矿尘颗粒的所在半径，R_x是从动旋流通道内最小的可能脱尘半径，C是矿尘颗粒受到的离心力，S是矿尘颗粒的阻力，ω_p是矿尘颗粒相对于旋流的切向速度分量，v_p是矿尘颗粒的径向速度，a表示矿尘颗粒，b表示矿尘颗粒，c表示矿尘颗粒。

在矿尘颗粒受力分析的基础上，利用平衡轨道理论，推导出了单个矿尘颗粒在从动旋流通道中的效率计算公式，为了说明清楚更具一般性的具体实施方式，从公式（30）开始分析，即

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{1.141\&CenterDot;{10}^5\&CenterDot;N_2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;L_0}\&CenterDot;d_p^2}---\left(30\right);$

在公式（30）中，变量有8个，其中自变量7个，因变量1个。这7个自变量和3个常量，一起影响着因变量的数值。因此，本发明在推导公式（30）的基础上，采用数值计算的方法，来分析7个自变量的不同组合对因变量的影响，着重讨论从动旋流通道的结构参数和所配局部通风机运行参数对具有从动旋流通道矿用除尘风机除尘性能的影响，找到满足中国地下煤矿工程需要矿用除尘风机的参数组合。其数值计算的步骤，如下所述：

（1）根据工程边界条件，计算出需风量，选定除尘风机的型号。

（2）根据选定的除尘风机型号，确定从动旋流通道的内筒壁半径。

（3）根据工程边界调节，给从动旋流通道的总长度赋值，即确定N₁·N₂·L₀的数值，化简公式（30）。

（4）

可以赋值在0%至100%的范围内。依次把该范围内的数值代入公式（30），则公式可以化简。

（5）因为螺旋叶片的半径不可能大于从动旋流通道的内筒壁半径，即有0≤R₀≤R₁。如果R₀=0，则表明从动旋流通道中无延长轴，这与会导致旋流导流叶片无法固定，这不符合工程实际需要；如果R₀=R₁，则从动旋流通道中不再有旋流导流叶片，这也不符合工程需要。因此，通过对R₀（即0<R₀<R₁）的赋值，公式（30）可以进一步显性化。

（6）据所选定风机的参数，风量范围确定，即Q可赋值。在上述风量范围内，把赋值的Q依次代入公式（30），则该公式又被进一步化简。

（7）利用MATLAB等数值计算工具，固定

（分级效率），而变化N（从动旋流通道无量纲结构参数）和Q（体积流量），分析R₀（延长轴半径）与d_p（矿尘颗粒粒径）之间关系，并绘出关系曲线图。

（8）根据行业技术要求及所需控制的矿尘粒径需要，从步骤（7）所获得的关系曲线图中，确定出R₀和N。

通过上述8个步骤，逐步实现了对公式（30）的工程化简，以及给出了从动旋流通道内除尘性能分析的数值计算路线。

下面是一个工程实例：

设需风量已知，且局部通风型号选定为FBD№6.0。FBD№6.0的参数如下所示：（1）内筒壁半径为0.300m，即R₁=0.300m；（2）体积流体范围为256～469m³/min，即Q=256～469m³/min；（3）全压范围为4601～1363Pa；（4）电机装机容量为2×15kW；（5）额定转速为2900r/min。（6）考虑到中国地下煤矿的工程现场制约，设从动旋流除尘段的总长为1m，即N₁·N₂·L₀=1m。这样，在具体实施方式中：

（1）根据工程边界条件，计算出需风量，选定除尘风机的型号。选定型号为FBD№6.0。

（2）据选定的除尘风机型号，确定从动旋流通道的内筒壁半径。确定出R₁=0.300m。

（3）根据工程边界调节，给从动旋流通道的总长度赋值，即确定N₁·N₂·L₀的数值。确定N₁·N₂·L₀=1m，化简公式（30），即得公式（31），

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{1.141\&CenterDot;{10}^5\&CenterDot;{N_2^2}_{}\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1}\&CenterDot;d_p^2}---\left(31\right);$

（4）

可以赋值在0%至100%的范围内。依次把该范围内的数值代入公式（31），则公式可以化简。根据除尘理论，在

的情况下，表明矿尘颗粒有50%的可能性被从动旋流通道中分离出来，该对应的矿尘颗粒粒径，称之为分割粒径。分割粒径越大，则从动旋流通道的除尘效率越高。据此，在分析从动旋流通道的除尘性能中，可以直接比较分割粒径。因此，的值，可以赋值为0.5，把代入公式（31），得下式：

$\frac{1.646\&CenterDot;{10}^5\&CenterDot;N_2^2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1}\&CenterDot;d_p^2\&le;1---\left(32\right);$

把公式（4）代入公式（32），得公式（33），即：

$\frac{1.646\&CenterDot;{10}^5}{(R_1^2-R_0^2)}\&CenterDot;{Q\&CenterDot;N\&CenterDot;d}_p^2\&le;1---\left(33\right);$

（5）因为螺旋叶片的半径不可能大于从动旋流通道的内筒壁半径，即有0≤R₀≤R₁。如果R₀=0，则表明从动旋流通道中无延长轴，这与会导致旋流导流叶片无法固定，这不符合工程实际需要；如果R₀=R₁，则从动旋流通道中不再有旋流导流叶片，这也不符合工程需要。因此，通过对R₀（即0<R₀<R₁）的赋值。把2nd step确定R₁=0.300m，代入公式（33），得：

$\frac{1.646\&CenterDot;{10}^5}{(0.09-R_0^2)}\&CenterDot;{Q\&CenterDot;N\&CenterDot;d}_p^2\&le;1---\left(34\right);$

据N₂·N₁·L₀=1m和公式（4），L₀可以等于0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m和1.0m等等。事实上，根据N₁的定义，该值应当为正整数。从工程的角度出发，N₁也可以不妨为正整数。在N₂·N₁·L₀=1m的约束下，设L₀依次等于0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m和1.0m，在分别计算出N₁和N₂。根据上述边界约束，N₁、N₂和N计算结果，如表1所示。

表1L₀、N₂与N₁的统计表

分析表1中的数据，若L₀=1m，则N₁=1，N₂=1，N=1.000；若L₀=0.5m，则N₁=1、N₂=2和N=4.000，或N₁=2、N₂=1和N=0.500；若L₀=0.2m，N₁=1、N₂=5和N=25.00，或N₁=5、N₂=1和N=0.200；若L₀=0.1m，N₁=1、N₂=10和N=100.0，或N₁=2、N₂=5和N=12.50，或N₁=5、N₂=2和N=0.800，或N₁=10、N₂=1和N=0.100。因此，N的数值有各种组合，可以确定。

（6）根据所选定风机的参数，风量范围确定，即Q可赋值。在上述风量范围内，依次Q赋值为280、320、360和400，继而进一步化简公式（34）。

（7）利用MATLAB等数值计算工具，固定

（分级效率），而变化N（从动旋流通道无量纲结构参数，N=0.100或0.200或0.500或0.800或1.000或4.000或12.50或25.00或100.0）和Q（体积流量，Q=280或320，或360，400），分析R₀（延长轴半径）与d_p（矿尘颗粒粒径）之间关系。

利用MATLAB数值计算公式，依次给Q和N赋值，代入公式（34）中，继而R₀在0<R₀<0.300的范围内变化，从0.001开始逐步增加（增加值为0.001）R₀的数值，对公式（34）进行数值迭代，求出d_p的值，绘制关系曲线图，所得关系曲线图如图4～图7所示。

图4是矿尘颗粒直径d_p与延长轴半径R₀之间的关系曲线图（Q=280m³/min），图5是矿尘颗粒直径d_p与延长轴半径R₀之间的关系曲线图（Q=320m³/min），图6是矿尘颗粒直径d_p与延长轴半径R₀之间的关系曲线图（Q=360m³/min），图7是矿尘颗粒直径d_p与延长轴半径R₀之间的关系曲线图（Q=400m³/min）。在图4～图7中，Particle diameter即是矿尘颗粒的粒径d_p，其单位为μm（微米）；R0是延长轴半径R₀，其单位为m（米）；N是从动旋流通道无量纲结构参数N，其单位为无量纲数。

分析图4～图7，可以得出：

（1）体积流量Q越大，则从动旋流通道内的矿尘颗粒粒径（即分割粒径，除尘效率为0.5的粒径称之为分割粒径）越小，越有利于除尘，除尘效率越高。

（2）随着延长轴半径的增加，其增加到一定程度，可以看出矿尘颗粒的分割粒径急剧变小，在R₀=0.25附近，这一现象特别明显，这是因为该值已经接近或大于该矿尘颗粒的对应从动旋流通道内最小的可能脱尘半径R_x。延长轴半径R₀越大，矿尘颗粒分割粒径越小，越有利于除尘，除尘效率越高。

（3）随着从动旋流通道无量纲结构参数的增大，随着体积流量的增大，随着延长轴半径的增大，矿尘颗粒的分割粒径越来越小；随着延长轴半径的增大，尤其是延长轴半径接近从动旋流通道内筒体半径R₁的时，可以看出不同N值所对应的d_p之间的差值减小，即可以理解为N对d_p的影响力衰减，但依然是影响d_p的主要因素。因此，从动旋流通道无量纲结构参数N越大，矿尘颗粒分割粒径越小，越有利于除尘，除尘效率越高。

（4）上述三个因素中，矿尘颗粒分割粒径影响程度，按体积流量、延长轴半径和从动旋流通道无量纲结构参数的次序，依次增大。其中，体积流量的影响基本可以忽略，其对所配通风机的流量变化不敏感，这其实有助于该型矿用除尘风机的推广。而延长轴半径和从动旋流通道半径，对矿尘颗粒分割粒径的影响相当显著。在不影响流动和不显著增加流动阻力的情况下，从延长轴半径对矿尘分割粒径的影响，得出设计中应该尽可能增大延长轴半径；在加工可实现和不显著增加流动阻力的情况下，从从动旋流通道无量纲结构参数对矿尘分割粒径的影响，得出可预估不同通道组合的除尘效果，可指导设计中尽可能增大从动旋流通道无量纲结构参数。

从发明内容、具体实施方式和所列举的一个工程实例，本发明所设计矿用除尘风机从动旋流通道及其设计方法，具有以下显著的特点：

（1）提出了矿用除尘风机的除尘功能段，即从动旋流通道。

（2）推导出了矿用除尘风机从动旋流通道内除尘效率的计算公式。

（3）提出了从结构参数和运行参数的耦合角度，优化该类除尘风机，有利于工程设计，方法具有普适性，推广更容易。

Claims (4)

1.一种具从动旋流通道矿用除尘风机，其特征在于：它包括前后依次连接的风机段、从动旋流除尘段、脱水段；所述风机段包括集流口、局部通风机，所述从动旋流除尘段包括雾化喷水喷嘴、旋流导流叶片、集水槽，所述脱水段包括脱水板、集水槽；含尘气流从集流口进入，除尘脱水后变成洁净气流从脱水板后部排出。

2.根据权利要求1所述具从动旋流通道矿用除尘风机，其特征在于：所述矿用除尘风机从动旋流除尘段的尺寸结构参数、以及局部通风机的运行参数，与该矿用除尘风机从动旋流除尘段的除尘效率满足如下公式（28），并且，为使该矿用除尘风机从动旋流的除尘效率

更高或更贴近工程需要，依据公式（28），优化组合从动旋流除尘段的结构参数与局部通风机的运行参数：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{270}\&CenterDot;\frac{\left({\mathrm{\&rho;}}_p{-\mathrm{\&rho;}}_a\right)}{\mathrm{\&mu;}}\&CenterDot;\frac{N_2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;L_0}\&CenterDot;d_p^2}---\left(28\right);$

式（28）中：π，圆周率，无量纲数；e，自然常数，无量纲数；d_p，矿尘颗粒粒径，单位是m；

对于粒径为d_p的矿尘颗粒除尘效率，无量纲数；ρ_p，矿尘颗粒密度，单位是kg/m³；ρ_a，主流相空气密度，单位是kg/m³；μ，主流相空气运动粘度，单位是Pa·s；L₀，封闭多旋流通道的螺旋步长，单位是m；N₁，封闭多旋流通道的通道数，无量纲数；N₂，单个旋流通道扫过2π弧度相对于L₀的倍数，无量纲数；R₁，从动旋流通道内筒壁半径，单位是m；R₀，延长轴半径，单位是m；Q，除尘风机所配局部通风机的体积流量，单位是m³/min。

3.一种如权利要求1所述具从动旋流通道矿用除尘风机的从动旋流通道设计方法，其特征在于包括：矿用除尘风机从动旋流除尘段的尺寸结构参数、以及局部通风机的运行参数，与该矿用除尘风机从动旋流除尘段的除尘效率

满足如下公式（28）：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{270}\&CenterDot;\frac{\left({\mathrm{\&rho;}}_p{-\mathrm{\&rho;}}_a\right)}{\mathrm{\&mu;}}\&CenterDot;\frac{N_2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;L_0}\&CenterDot;d_p^2}---\left(28\right);$

式（28）中：π，圆周率，无量纲数；e，自然常数，无量纲数；d_p，矿尘颗粒粒径，单位是m；对于粒径为d_p的矿尘颗粒除尘效率，无量纲数；ρ_p，矿尘颗粒密度，单位是kg/m³；ρ_a，主流相空气密度，单位是kg/m³；μ，主流相空气运动粘度，单位是Pa·s；L₀，封闭多旋流通道的螺旋步长，单位是m；N₁，封闭多旋流通道的通道数，无量纲数；N₂，单个旋流通道扫过2π弧度相对于L₀的倍数，无量纲数；R₁，从动旋流通道内筒壁半径，单位是m；R₀，延长轴半径，单位是m；Q，除尘风机所配局部通风机的体积流量，单位是m³/min；

根据公式（28），在矿尘颗粒或空气的物性参数不变的情况下，为使该矿用除尘风机从动旋流的除尘效率更高或更贴近工程需要，优化组合从动旋流除尘段的结构参数与局部通风机的运行参数如下：建立局部通风机参数、从动旋流除尘段的结构参数与除尘效率相关性数学模型，根据需要，利用MALAB工具进行数值计算，数值研究主要结构参数与运行参数对该矿用除尘风机从动旋流除尘段除尘效率的定量影响，找出该结构参数和运行参数的优化组合；针对不同矿用除尘风机所配局部通风的型号，或不同矿尘颗粒物性参数，均获得其结构参数与运行参数的优化组合，并设计出优化组合的矿用除尘风机从动旋流除尘段。

4.根据权利要求3所述具从动旋流通道矿用除尘风机的从动旋流通道设计方法，其特征在于：由于矿尘颗粒的密度远远大于空气密度，则公式（28）可以简化为下式（29）：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{\mathrm{\&pi;}}{270}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&rho;}}_p}{\mathrm{\&mu;}}\&CenterDot;\frac{N_2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;L_0}\&CenterDot;d_p^2}---\left(29\right);$

设定π=3.142，μ=1.428×10^-4Pa·s，并设ρ_p=1.4×10³kg/m³，把上述数值代入公式（29），其结果为下式（30）所示：

${\mathrm{\&eta;}}_{d_p}\&le;1-e^{-\frac{1.141\&CenterDot;{10}^5\&CenterDot;N_2\&CenterDot;Q}{(R_1^2-R_0^2)\&CenterDot;N_1^2\&CenterDot;L_0}\&CenterDot;d_p^2}---\left(30\right);$

在公式（30）的基础上，采用数值计算的方法，来分析式中7个自变量的不同组合对因变量

的影响，着重分析从动旋流通道的结构参数和所配局部通风机的运行参数对除尘风机除尘性能的影响，找到满足中国地下煤矿工程需要的矿用除尘风机的参数组合；其数值计算的步骤如下：

（1）根据工程边界条件，计算出需风量，选定除尘风机的型号；

（2）根据选定的除尘风机型号，确定从动旋流通道的内筒壁半径R₁；

（3）根据工程边界调节，给从动旋流通道的总长度赋值，即确定N₁·N₂·L₀的数值，化简公式（30）；

（4）可以赋值在0%至100%的范围内，依次把该范围内的数值代入公式（30），则公式可以化简；

（5）因为旋流导流叶片的半径不可能大于从动旋流通道的内筒壁半径，即有0≤R₀≤R₁；如果R₀=0，则表明从动旋流通道中无延长轴，这与会导致旋流导流叶片无法固定，这不符合工程实际需要；如果R₀=R₁，则从动旋流通道中不再有旋流导流叶片，这也不符合工程需要；因此，通过对R₀即0<R₀<R₁的赋值，公式（30）可以进一步显性化；

（6）据所选定风机的参数，风量范围确定，即Q可赋值；在上述风量范围内，把赋值的Q依次代入公式（30），则该公式又被进一步化简；

（7）利用MATLAB数值计算工具，固定除尘效率

而变化从动旋流通道无量纲结构参数N和体积流量Q，其中，

分析延长轴半径R₀与矿尘颗粒粒径d_p之间的关系，并绘出关系曲线图。

（8）根据行业技术要求及所需控制的矿尘粒径需要，从步骤（7）所获得的关系曲线图中，确定出R₀和N。

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