上隅角瓦斯吹排风机试验研究.pdf

!试验 研究 文章编号： （ ） 上隅角瓦斯吹排风机试验研究 顾磊 ，张景松 ，王冰 ，高飞 （ 中国矿业大学，江苏 徐州 ； 华北电力大学 （北京） ，北京 ） 摘要：介绍了用于煤矿上隅角瓦斯的吹排风机的试验， 选择了 个比较特殊的截面， 利用五 孔球探针测量了风机风筒内部的压力和各向速度， 从而可以分析了解风筒内的流场分布。通过分 析提出了适合本风机的切向速度分布模型， 得到了二次流分布图， 为消除二次流影响提供参考。 关键词：上隅角；瓦斯；风机；流场 中图号： 文献标识码： ， ， ， （ ， ， ； ， ， ） ： ， ， ， ， ， ： ； ； ； !引言 近年来我国各类煤矿事故不断发生， 其中以瓦 斯灾害为最。从瓦斯来源看， 其主要的来源是采空 区， 而在回采工作面发生特大瓦斯爆炸事故， 大部分 是由于上隅角瓦斯浓度超限引起的。目前， 虽然国 内外对此问题也进行了大量的研究， 但至今还没有 找到一套比较合理可靠的处理措施。本文利用 台 由乳化液马达驱动的射流扰动风机， 来吹排积聚于 上隅角的瓦斯气体， 从而达到预防和治理瓦斯积聚 的目的。设计的风机如图 所示， 结合了轴流、 离心 种风机的特点， 在风筒内为受限环形旋转流动， 当 前几乎没有对这种结构风机内部流场的研究， 因而 其内部的流场规律需要用试验来确定。通过实验具 体考察从离心叶轮出来后， 风筒内的流场分布， 探讨 不同的结构参数对风筒内部流场的影响， 从最终提 高风机效率， 减少损失的角度分析对比， 为进一步提 高风机性能和改进结构提供了参考。 图 风机简图 叶轮 外筒 导叶 乳化液马达 内筒 气动叶轮 试验方法 本实验在所设计的风机上进行， 用油泵控制风 机转速， 实验时风机转速为 ， 转速波动控 制在 以内。用五孔探针来测风机内流场 情况， 其球头直径 ， 适用于测量马赫数 !# 、 倾角 # 的三元流气体的总压、 静压、 方向 及速度。探针经标准风峒校准， 根据校准数据表， 使 用对向 非对向测量方法来测量测点的速度与压 力。 风机为轴对称结构， 因此测量一个平面上的流 动情况。由于本风机体积较小， 为了能较好把握风 机内部流动特性， 沿风筒轴向方向设置 个有代表 性的测孔， 其位置见图 和表 。测量时， 通过每个 轴向测孔可以形成一行径向测点。在有叶轮的 、 、 测孔， 一行为 个径向测点； 由于受空间限制， 测孔布置 个测点； 、 测孔布置 个测点。使用 倾斜式微压计读取试验数据， 微压计倾斜角为 。 图 # 测孔位置图 # 、 、 、 、 、 $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ 测孔 第 卷第 期 年 月 煤矿机械 表 测量截面的角度、 半径和径向测点数目 ， 测孔距离入口的轴向距离 ! 测点数 试验结果 （ ） 风筒内通流速度的分布 各个测孔的速度分布如图 所示， 观察轴向速 度分布可以看出， 截面处于明显的回流区内， 直到 截面回流区才逐渐消失。其主要原因是由于叶轮 设计时采用了平前盘方案， 此外还有可能在叶轮前 部有一定的泄漏损失。 截面轴向速度比较均匀， 根据此截面速度值可以判断， 风机流量此时较小。 由于受测量条件的限制， 截面未能测量整个半径 方向上的流场， 根据现有测量点的速度分布曲线可 知， 在半径 的地方开始出现回流， 这是由于 气流从 截面出来后， 在 截面有突扩， 形成角落回 流区。 图 各测孔速度分布图 由切向速度分布可以看出， 从 至 截面的切 向速度都比较均匀， 没有较大变化， 直到 、 截面， 切向速度才呈现一定的规律性。 截面的切向速度 分布表明， 此截面的切向速度是以粘性占主导地位 的旋涡， 涡核面积大于位涡面积， 且切向速度分布比 较平缓。此时仍受到 截面处的角落回流区影响， 其位置位于半径 处。 截面的切向速度呈双 峰分布， 其原因是此截面有 个回流区， 除了 截面 处的角落回流区影响外， 在外缘处， 由于风筒的直径 变化， 产生的外壁回流区在此截面影响加剧。双回 流区的存在， 也可以根据此截面的轴向速度分布曲 线得以证实。 若将 、 截面的切向速度分布图与完全敞口旋 风筒内旋转气流切向速度分布图相对比可以发现， 二者非常相似， 因此认为这 个截面的速度分布符 合 涡规律。 （ ） 风筒内的压力分布 图 为各测量截面的压力分布， 由图 可知， 截面压力沿径向压力逐渐降低， 完全满足风机 设计要求。从 截面开始， 由于截面突扩及涡存在 的缘故， 压力开始减小。 、 、 截面压力值沿径向 外筒壁面附近较高， 内筒压力值较低， 近似符合 涡分布规律。 图 各测量截面压力分布 结果分析 速度 上隅角瓦斯吹排风机试验研究 顾磊， 等第 卷第 期 本文也只对圆环体内受限旋转气流的切向速度 模型进行研究。参考旋转气流速度场速度分布模型 中的相应公式， 同时用耗散系数修正粘性影响， 建立 圆环体受限旋转气流的切向速度模型通式如下： （ ） 无环形中心回流区的切向速度 !（ ） （ ） （ ） （ ） 有环形中心回流区的切向速度分布 ! （ ） ， ! !（ ） ， （ ） （ ） 有环形中心回流区和环形角落回流区的切 向速度分布 ! （ ） ， ! !（ ） ， ! ! !（ ） （ ） !（ ） ， ! ! （ ） 式中 ， ， ， ， 考虑粘性时的耗散系数， 取值范围 ； 距轴心的半径； 圆环体内筒半径； 涡涡核的半径； 涡的环量； 涡的环量。 设计性能良好的风机， 要求气流在风筒内流动 时， 既不会在中心产生环形中心回流区， 又不会在外 筒壁产生角落回流区。因此根据试验结果， 建立本 风机无回流时的切向速度模型为 !（ ） （ ） （ ） 式中 叶轮外径； 叶轮转动角速度。 将利用式 （ ） 计算的 、 测孔切向速度与试验 值进行对比， 可知， 在不考虑回流区的情况下， 式 （ ） 能比较准确地反映本风机的切向速度分布。 ! 风筒内二次流的分布 根据各测量截面的轴向速度和径向速度值， 绘 出测量平面的二次流图， 如图 所示。回流区的存 在， 造成了大量的损失， 对风机性能产生严重影响， 会导致风机效率明显下降。分析原因， 可能是 、 截面间渐缩段的影响所造成的， 可以考虑取消渐缩 段的改进措施。 图 # 测量截面的二次流 # $结语 通过试验的方法， 对上隅角瓦斯吹排风机风筒 内的流场进行了研究， 得到了相应的各向速度和压 力分布。在此基础上， 进行一定的分析得出： （ ） 对切向速度分析， 建立起圆环体内旋转气流 切向速度分布模型通式， 并且给出适合于本风机的 切向速度分布模型； （ ） 得出风筒内二次流的分布图， 分析其产生原 因， 为进行结构优化提供了很好的参考。 参考文献： 林柏泉， 周世宁， 张仁贵 形通风工作面采空区上隅角瓦斯治理 技术 煤炭学报， ， （ ） ： 王化龙 气动塑料风机抽排主隅角瓦斯的经验 煤炭工程师， （ ） ： 钟兢军， 宋彦萍， 卢文才， 等 五孔探针非对向测量法在风洞自动 测试系统的应用 哈尔滨工业大学学报， ， （ ） ： 吴国江， 王峻晔， 郑文德， 等 旋风筒内旋转气流的测量及分析 上海交通大学学报， ， （ ） ： 吴