專利名稱：一種礦用軸流通風(fēng)機擴散芯筒及其優(yōu)化降阻設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于礦用通風(fēng)機技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種礦用軸流通風(fēng)機擴散芯筒及其優(yōu)化降阻設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
由于軸流通風(fēng)機的出口速度大，其出口動壓仍然很大，約占全壓的30%以上，對于有些流量大而壓力較低的軸流通風(fēng)機，其出口動能甚至占到風(fēng)機全壓的50%左右。因此必須在風(fēng)機葉輪輪轂的后面設(shè)置擴散筒。擴散筒的作用就是將擴散筒的進口氣流動能通過減速變?yōu)閴毫υ黾?，用以回收部分動壓，進一步提高風(fēng)機的靜壓效率。擴散筒的結(jié)構(gòu)一般由外筒和芯筒(整流體)組成。目前礦井主通風(fēng)機擴散芯筒主要 有兩種形式，一種是圓臺形擴散芯筒；另一種是圓臺與半球組合式擴散芯筒，其中圓臺邊界與半球邊界是相切關(guān)系。兩種擴散芯筒都能改善葉輪輪轂后部的流場，但仍存在擴散芯筒尾部流場紊亂的問題，局部阻力損失仍然較大。優(yōu)化擴散芯筒尾部形體結(jié)構(gòu)，減少擴散芯筒尾部渦流耗散能量損失，仍有較大的降阻節(jié)能空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提供一種能減小擴散芯筒局部阻力損失的礦用軸流通風(fēng)機擴散芯筒。本發(fā)明的第一個目的是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的該礦用軸流通風(fēng)機擴散芯筒，包括圓柱面外殼，以及以外殼軸心對稱安裝于外殼內(nèi)的內(nèi)芯體；內(nèi)芯體由一個圓臺體和半橢球體組成，圓臺體位于氣流入口端的面積大于位于氣流出口端的面積，半橢球體的切面端與圓臺體的氣流出口端相接，且圓臺體軸向切面的邊界線與半橢球體軸向切面的邊界線相切。本發(fā)明的第二個目的在于提供上述礦用軸流通風(fēng)機擴散芯筒的優(yōu)化降阻設(shè)計方法，它包括如下順序的步驟
(1)確定擴散芯筒的具體形狀由6個參數(shù)決定，分別是擴散芯筒的長度Z，擴散芯筒外殼直徑隊擴散芯筒圓臺體的氣流入口端直徑A圓臺體邊界線與擴散芯筒軸線之間的夾角a，半橢球體的短半軸b,半橢球體的長半軸c ；
(2)根據(jù)具體軸流風(fēng)機葉輪的直徑可以確定擴散芯筒外殼直徑D;根據(jù)輪轂的尺寸可以確定擴散芯筒圓臺體的氣流入口端直徑Or;
(3)采用計算流體動力學(xué)方法，對三個參數(shù)分別進行優(yōu)化，具體設(shè)計方法如下
(a)確定夾角a的最優(yōu)值任意給出半橢球體的短半軸b,半橢球體的長半軸c取一組值，夾角a的取值范圍一般為2° 8°，不斷改變a的值，設(shè)計多個擴散芯筒模型，對每個模型進行數(shù)值模擬計算，選擇壓力損失最小的模型，從而確定角度a的最優(yōu)值；
(b)確定半橢球體的短半軸橢球的長半軸c的組合最優(yōu)值確定6和c的值時,必須滿足以下條件第一因為擴散芯筒是漸擴管結(jié)構(gòu)，所以橢球的短半軸6 —定小于 //2 ；
第二 擴散芯筒必須在風(fēng)機擴散段內(nèi)部；
第二 半橢球體軸向切面的邊界線必須與圓臺體軸向切面的邊界線相切；
根據(jù)軸流風(fēng)機的實際結(jié)構(gòu)尺寸及風(fēng)量風(fēng)壓參數(shù)，設(shè)計多組6值，針對每一個6值，c值任意確定；采用計算流體動力學(xué)方法，對所有模型進行數(shù)值計算，選擇壓力損失最小的模型，從而確定橢球的短半軸6，橢球的長半軸c的組合最優(yōu)值；
(4)根據(jù)步驟(3)夾角a的最優(yōu)值可以確定擴散芯筒的長度Z。所述計算流體動力學(xué)分析的邊界條件設(shè)置及要求為入口采用速度入口，出口采用壓力出口，出口處的壓力為大氣壓，其他邊界設(shè)置為固體壁面；壁面附近采用非平衡壁面函數(shù)。
·
本發(fā)明的擴散芯筒內(nèi)芯體采用圓臺體與半橢球體組合而成，并通過本發(fā)明的優(yōu)化降阻設(shè)計方法確定內(nèi)芯體的具體尺寸，從而達到減小擴散芯筒局部阻力損失的目的，相比于現(xiàn)有的擴散芯筒，降阻節(jié)能效果明顯，進一步提高了風(fēng)機的靜壓效率。


圖I是礦用軸流式通風(fēng)機及其附屬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明擴散芯筒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明擴散芯筒的軸向剖視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述。參見圖1，是礦用軸流式通風(fēng)機及其附屬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖I中可見，I是礦用軸流式主通風(fēng)機集流器，2是礦用軸流式通風(fēng)機風(fēng)機段，3是通風(fēng)機擴散芯筒段。參見圖2，是本發(fā)明擴散芯筒的結(jié)構(gòu)示意圖，它包括圓柱面外殼4，以及以外殼軸心對稱安裝于外殼內(nèi)的內(nèi)芯體。從圖2中可見，內(nèi)芯體由圓臺體5和半橢球體6組成，圓臺體5位于氣流入口端即左端的面積大于位于氣流出口端即右端的面積，半橢球體6的切面端即左端與圓臺體的氣流出口端即右端相接，且圓臺體5軸向切面的邊界線與半橢球體6軸向切面的邊界線相切。參見圖3，是本發(fā)明擴散芯筒的軸向剖視圖，擴散芯筒的形狀由6個結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，分別為擴散芯筒的長度L擴散芯筒外殼直徑隊圓臺體的氣流入口端直徑圓臺體邊界線與擴散芯筒軸線之間的夾角a，半橢球體的短半軸b,半橢球體的長半軸c ο利用計算流體動力學(xué)方法，選取擴散芯筒的三維模型。所有模型的邊界條件均一致，其邊界條件設(shè)置及要求為入口采用速度入口，出口采用壓力出口，出口處的壓力為大氣壓，其他邊界設(shè)置為固體壁面；壁面附近采用非平衡壁面函數(shù)。圓臺體邊界線與擴散芯筒軸線之間的夾角&半橢球體的短半軸b,半橢球體的長半軸c,三個參數(shù)的確定步驟如下
(O確定角度a的最優(yōu)值。給半橢球體的短半軸半橢球體的長半軸c任意取一組值，角度a的取值范圍一般為2° 8°。不斷改變角度〃的值，設(shè)計多個擴散芯筒模型。所有模型的邊界條件設(shè)置一致，選擇壓力損失最小的模型，從而確定角度〃的最優(yōu)值。
( 2 )確定半橢球體的短半軸b,半橢球體的長半軸c的組合最優(yōu)值。根據(jù)軸流風(fēng)機的實際結(jié)構(gòu)尺寸及風(fēng)量風(fēng)壓參數(shù)，設(shè)計多組6值，針對每一個6值，c值任意確定。對所有模型進行數(shù)值計算，所有模型的邊界條件設(shè)置一致，選擇壓力損失最小的模型，從而確定半橢球體的短半軸b,半橢球體的長半軸c的組合最優(yōu)值。確定辦和c的值時，必須滿足以下條件
第一因為擴散芯筒是漸擴管結(jié)構(gòu)，所以橢球的短半軸6 —定小于辦2 ；
第二 擴散芯筒必須在風(fēng)機擴散段內(nèi)部；
第二 半橢球體軸向切面的邊界線必須與圓臺體軸向切面的邊界線相切；
根據(jù)具體軸流風(fēng)機葉輪的直徑可以確定擴散芯筒外殼直徑O;根據(jù)輪轂的尺寸可以確定擴散芯筒圓臺體的氣流入口端直徑V;根據(jù)步驟夾角a的最優(yōu)值可以確定擴散芯筒的長度Z。 下面是本發(fā)明試驗應(yīng)用的工程實例
以煤礦地面用防爆抽出式對旋軸流主通風(fēng)機FB⑶Z- Na 22/2X75kff為例，分別對比圓臺體擴散芯筒、圓臺體與半球體組合式擴散芯筒和圓臺體與半橢球體組合式擴散芯筒的流場分布和壓力損失情形。通風(fēng)機的電動機型號為YBF2-315L1-10，電機功率為2X75kW，處理的風(fēng)量范圍是32m3/s 74m3/s。對旋軸流主通風(fēng)機擴散芯筒的長度為Z=4. 3m，擴散芯筒的內(nèi)芯體大頭直徑為風(fēng)機擴散段外殼直徑D二2. 2m,擴散芯筒圓臺體邊界線與擴散芯筒軸線之間的角度取最優(yōu)角度a=4. 5°，擴散芯筒圓臺體末端圓面半徑為O. 35m。邊界條件設(shè)置為入口采用速度入口，大小為16m/s，出口采用壓力出口，表壓力為OPa，其他邊界設(shè)置為固體壁面，壁面粗糙度為2. 5X10_4m，粗糙度常數(shù)為O. 5。流體動力學(xué)的計算結(jié)果表明擴散芯筒圓臺體結(jié)構(gòu)擴散芯筒的壓力損失為
12.6Pa，擴散芯筒圓臺體與半球體組合式擴散芯筒的壓力損失為10. 8Pa，擴散芯筒圓臺體與半橢球體組合式擴散芯筒的壓力損失為2. 4Pa。顯然采用擴散芯筒圓臺與半橢球組合式擴散芯筒的壓力損失最小，與擴散芯筒圓臺體擴散芯筒相比，節(jié)約81%,與圓臺體和半球體組合式擴散芯筒相比，節(jié)約77. 8%。
權(quán)利要求
1.一種礦用軸流通風(fēng)機擴散芯筒，包括圓柱面外殼，以及以外殼軸心對稱安裝于外殼內(nèi)的內(nèi)芯體,其特征在于內(nèi)芯體由一個圓臺體和半橢球體組成，圓臺體位于氣流入口端的面積大于位于氣流出口端的面積，半橢球體的切面端與圓臺體的氣流出口端相接，且圓臺體軸向切面的邊界線與半橢球體軸向切面的邊界線相切。
2.一種如權(quán)利要求I所述礦用軸流通風(fēng)機擴散芯筒的優(yōu)化降阻設(shè)計方法，其特征在于包括如下順序的步驟 (1)確定擴散芯筒的具體形狀由6個參數(shù)決定，分別是擴散芯筒的長度Z，擴散芯筒外殼直徑隊擴散芯筒圓臺體的氣流入口端直徑A圓臺體邊界線與擴散芯筒軸線之間的夾角a，半橢球體的短半軸b,半橢球體的長半軸c ； (2)根據(jù)具體軸流風(fēng)機葉輪的直徑可以確定擴散芯筒外殼直徑D;根據(jù)輪轂的尺寸可以確定擴散芯筒圓臺體的氣流入口端直徑Or; (3)采用計算流體動力學(xué)方法，對三個參數(shù)分別進行優(yōu)化，具體設(shè)計方法如下 (a)確定夾角a的最優(yōu)值任意給出半橢球體的短半軸b,半橢球體的長半軸c取一組值，夾角a的取值范圍一般為2° 8°，不斷改變a的值，設(shè)計多個擴散芯筒模型，對每個模型進行數(shù)值模擬計算，選擇壓力損失最小的模型，從而確定角度a的最優(yōu)值； (b)確定半橢球體的短半軸橢球的長半軸c的組合最優(yōu)值確定6和c的值時,必須滿足以下條件 第一因為擴散芯筒是漸擴管結(jié)構(gòu)，所以橢球的短半軸6 —定小于辦2 ； 第二 擴散芯筒必須在風(fēng)機擴散段內(nèi)部； 第二 半橢球體軸向切面的邊界線必須與圓臺體軸向切面的邊界線相切； 根據(jù)軸流風(fēng)機的實際結(jié)構(gòu)尺寸及風(fēng)量風(fēng)壓參數(shù)，設(shè)計多組6值，針對每一個6值，c值任意確定；采用計算流體動力學(xué)方法，對所有模型進行數(shù)值計算，選擇壓力損失最小的模型，從而確定橢球的短半軸6，橢球的長半軸c的組合最優(yōu)值； (4)根據(jù)步驟(3)夾角a的最優(yōu)值可以確定擴散芯筒的長度Z。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的礦用軸流通風(fēng)機擴散芯筒的優(yōu)化降阻設(shè)計方法，其特征在于所述計算流體動力學(xué)分析的邊界條件設(shè)置及要求為入口采用速度入口，出口采用壓力出口，出口處的壓力為大氣壓，其他邊界設(shè)置為固體壁面；壁面附近采用非平衡壁面函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明屬公開了一種礦用軸流通風(fēng)機擴散芯筒及其優(yōu)化降阻設(shè)計方法。本發(fā)明的擴散芯筒主要包括圓柱面外殼和內(nèi)芯體，內(nèi)芯體由圓臺體和半橢球體組合而成，圓臺體的軸向切面邊界線與半橢球體的軸向切面邊界線相切，擴散芯筒是軸對稱結(jié)構(gòu)，且與輪轂共軸。本發(fā)明的擴散芯筒的具體形狀由6個參數(shù)決定，分別是擴散芯筒的長度L，擴散芯筒外殼直徑D，圓臺體的氣流入口端直徑d，圓臺體邊界線與擴散芯筒軸線之間的夾角a，半橢球體的短半軸b，半橢球體的長半軸c。運用計算流體動力學(xué)的方法，對設(shè)計的多組擴散芯筒模型進行計算，選擇壓力損失最小的模型作為形體優(yōu)化的擴散芯筒。本發(fā)明的擴散芯筒，其節(jié)能效率達到77%以上，節(jié)能效果顯著。
文檔編號F04D29/54GK102705267SQ20121022099
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者李軼群, 王海橋, 鄒祖云, 陳世強 申請人:湖南科技大學(xué)