一种矿用离心除尘风机及其优化设计方法

摘要

本发明公开了一种矿用离心除尘风机及其优化设计方法。本发明的矿用离心除尘风机包括风机段、离心脱尘段和脱水段，含尘风流从风机段进入，通过脱尘脱水后变成洁净风流从脱水段出来；所述风机段包括风机；所述离心脱尘段包括安装于离心脱尘段筒壁内并通过联轴器与风机主轴联接的延伸轴，延伸轴上安装有螺旋叶片，螺旋叶片之下的离心脱尘段筒壁内设有水槽；所述脱水段包括脱水板。本发明利用平衡轨道理论，进行矿用离心除尘风机离心脱尘段内煤尘颗粒受力与速度的分析，着重解决结构参数与运行参数之间的组合对捕尘效率的影响，对矿用离心除尘风机的结构进行优化设计。通过优化后，能提高除尘效率，减少阻力，降低能耗。

权利要求

1.一种矿用离心除尘风机的优化设计方法，所述矿用离心除尘风机包括风机段、离心脱尘段和脱水段，含尘风流从风机段进入，通过脱尘脱水后变成洁净风流从脱水段出来；所述风机段包括风机；所述离心脱尘段包括安装于离心脱尘段筒壁内并通过联轴器与风机主轴联接的延伸轴，延伸轴上安装有螺旋叶片，螺旋叶片之下的离心脱尘段筒壁内设有水槽；

所述脱水段包括脱水板；其特征在于包括：通过公式(24)计算离心脱尘段对颗粒粒径为dp的煤尘颗粒的分级效率 确定公式(24)中各变量之间的关系，通过数值仿真的方法，确定矿用离心除尘风机的结构参数，满足工程需要；即是利用风机内的离心力，脱去含尘风流中的煤尘颗粒，实现风流净化；

公式(24)中，dp是煤尘颗粒的直径，单位m； 是离心脱尘段对煤尘颗粒的分级效率，无量纲数；R1是离心脱尘段筒壁半径，R2是螺旋叶片半径，单位m；ρp是煤尘颗粒密度，ρa3

是流体的密度，单位kg/m；μ是流体动力粘性系数，单位Pa·s；π是圆周率，无量纲数；L3

是离心脱尘段的轴向长度，单位m；Q是通风机体积流量，单位m/min；n是通风机转速，单位r/min。

2.根据权利要求1所述矿用离心除尘风机的优化设计方法，其特征在于：设ρp＝

3 3 -4

1.4×10kg/m，L＝1m，n＝2900r/min，μ＝1.428×10 Pa·s，代入公式(24)，则得公式(25)：在公式(25)中，包括了 R1、R2、dp和Q这5个变量，通过数值仿真的方法，找出该5个变量之间的相互关系，确定矿用离心除尘风机的结构参数，满足工程需要。

3.根据权利要求2所述矿用离心除尘风机的优化设计方法，其特征在于包括如下步骤：(1)根据工程实际需要，计算出需风量，确定矿用除尘风机风量，选择风机机号；

(2)根据矿用除尘风机机号，确定离心脱尘段的离心脱尘段筒壁半径，即R1的数值；

(3)根据确定出的风机性能参数，确定风量范围，即Q的数值；选择几个风量工况点，代入公式(25)；

(4)根据边界约束，R2的赋值范围为0.01≤R2≤0.29；

(5)给 赋值，依次赋值为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％和90％；

(6)把已经赋值的 代入公式(25)，进一步简化，利用数值仿真工具，进而分析R2、dp之间的因变关系，绘制因变关系图，优化R2即螺旋叶片半径。

说明书

一种矿用离心除尘风机及其优化设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于矿井井下除尘技术领域，具体涉及一种矿用离心除尘风机及其优化设计方法。

背景技术

[0002] 矿井井下采掘工作面控尘问题是行业内难题之一，关系到井下作业人员的身心健康，一直是讨论和研究的热点问题。在国内，目前我国煤矿井下使用的除尘器多为20世纪3
80年代从国外引进或自主开发的除尘器；这些除尘器处理风量均偏小（一般在180m/min以下），已不适应煤矿高强度开采的需要；另外，这些除尘器要么除尘效率低（80％左右）、脱水效果差（低于85％），要么工作阻力大（大于2200Pa），很难全面达到除尘效率高（99％以上）、脱水效率高（95％以上）和工作阻力低（低于1500Pa）的要求。在国外，井下除尘装置以过滤降尘、静电降尘等机理的除尘器为主，效率虽然高，但存在阻力过大，经常高达2300Pa以上，占地面积大，对井巷空间尺寸需要大，难以满足中国煤矿地下开采的实际需要。尤其是，掘进工作面等作业点，是井下粉尘污染最为严重的场所，也是配风量大的需风点；矿用局部除尘风机，能同时实现供风和除尘，是适合我国煤矿井下环境的通风除尘装置。

发明内容

[0003] 本发明的目的之一在于在利用除尘基本理论，结合我国矿用局部通风机的结构特点，提供一种矿用离心除尘风机。

[0004] 本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该矿用离心除尘风机，它包括风机段、离心脱尘段和脱水段，含尘风流从风机段进入，通过脱尘脱水后变成洁净风流从脱水段出来；所述风机段包括风机；所述离心脱尘段包括安装于离心脱尘段筒壁内并通过联轴器与风机主轴联接的延伸轴，延伸轴上安装有螺旋叶片，螺旋叶片之下的离心脱尘段筒壁内设有水槽；所述脱水段包括脱水板。

[0005] 本发明矿用离心除尘风机的除尘原理是，在离心脱尘段内，螺旋叶片固定在延伸轴上，螺旋叶片与风机叶片同步旋转，形成周期循环的螺旋流道，使气流旋转，煤尘颗粒受到离心力的作用向离心脱尘段筒壁运动，向筒壁运动的煤尘颗粒，受到包裹在其周边空气的运动阻力作用，即空气阻力。煤尘颗粒受到离心力和空气阻力，在离心力的作用下，煤尘颗粒不断向筒壁方向运动，其受到的空气阻力也在不断增加，即空气阻力逐渐趋近于离心力，当空气阻力等于离心力的时候，二者动态平衡，煤尘颗粒所在运动轨道，即为煤尘颗粒平衡轨道，以平衡轨道作为颗粒受力分析的方法，称之为平衡轨道理论，大量的研究实践表明该理论适用于降尘和大粒径呼吸性粉尘的受力分析。利用平衡轨道理论，进行矿用离心除尘风机离心脱尘段内煤尘颗粒受力与速度的分析，着重解决结构参数与运行参数之间的组合对捕尘效率的影响，对矿用离心除尘风机的结构进行优化设计。

[0006] 本发明的目的之二在于提供一种基于上述矿用离心除尘风机的优化设计方法，该方法包括：

[0007] 通过公式（24）计算离心脱尘段对颗粒粒径为dp的煤尘颗粒的分级效率 确定公式（24）中各变量之间的关系，通过数值仿真的方法，确定矿用离心除尘风机的结构参数，满足工程需要，即是利用风机内的离心力，脱去含尘风流中的煤尘颗粒，实现风流净化；

[0008]

[0009] 公式（24）中，dp是为煤尘颗粒的直径，单位m； 离心脱尘段对煤尘颗粒的分级效率，无量纲数；R1是离心脱尘段筒壁半径，R2是螺旋叶片半径，单位m；ρp是煤尘颗粒密3
度，ρa是流体的密度，单位kg/m ；μ是流体动力粘性系数，单位Pa·s；π是圆周率，无量
3
纲数；L是离心脱尘段的轴向长度，单位m；Q是通风机体积流量，单位m/min；n是通风机转速，单位r/min。

[0010] 具体地说，根据现场对离心脱尘段尺寸的工程制约及中国国内局部通风机的技术3 3 -4
参数，设ρp=1.4×10kg/m，L=1m，n=2900r/min，μ=1.428×10 Pa·s，代入式（24）中，则得式（25）：

[0011]

[0012] 在公式（25）中，包括了 R1、R2、dp和Q这5个变量，通过数值仿真的方法，找出该5个变量之间的相互关系，确定矿用离心除尘风机的结构参数，满足工程需要。

[0013] 更具体地说，上述方法包括如下步骤：

[0014] （1）根据工程实际需要，计算出需风量，确定矿用除尘风机风量，选择风机机号；

[0015] （2）根据矿用除尘风机机号，确定离心脱尘段的离心脱尘段筒壁半径，即R1的数值；

[0016] （3）根据确定出的风机性能参数，确定风量范围，即Q的数值；选择几个风量工况点，代入式（25），简化该公式；

[0017] （4）根据边界约束，显然螺旋叶片半径不可能大于离心脱尘段筒壁半径，即0≤R2≤R1；其中，R2=0表示未设置螺旋除尘叶片，而R2=R1表示螺旋叶片半径等于离心脱尘段筒壁半径，形成螺旋通道，公式（25）不能进行除尘效率及除尘风机结构参数优化的分析；因此，R2的赋值范围为0.01≤R2≤0.29；

[0018] （5）给 赋值，依次赋值为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%；

[0019] （6）把已经赋值的 代入公式（25），进一步简化该公式，利用数值仿真工具，进而分析 R2、dp，绘制因变关系图，优化R2即螺旋叶片半径。

[0020] 本发明能的矿用离心除尘风机及其优化设计方法，能优化离心除尘风机装置的参数，提高除尘效率，减少阻力，降低能耗。

附图说明

[0021] 图1是本发明实施例矿用离心除尘风机的结构示意图，其中，A是含尘风流，B是风机段，D是离心脱尘段，E是脱水段，F是洁净风流。

[0022] 图2是图1中离心脱尘段中颗粒群的分离过程示意图，其中，a、b、c均表示煤尘颗粒。

[0023] 图3是图1中离心脱尘段结构参数及煤尘颗粒受力分析示意图，其中，R1是离心脱尘段筒壁半径，R2是螺旋叶片半径，R0是延长轴半径，Rx是煤尘颗粒分离临界半径，R是煤尘颗粒所在位置曲率半径，H是螺旋叶片径向高度，C是煤尘颗粒的离心力，S煤尘颗粒的空气阻力。

[0024] 图4是煤尘颗粒分级效率与螺旋叶片半径的关系曲线图（风量280m3/min）。

[0025] 图5是煤尘颗粒分级效率与螺旋叶片半径的关系曲线图（风量320m3/min）。

[0026] 图6是煤尘颗粒分级效率与螺旋叶片半径的关系曲线图（风量360m3/min）。

[0027] 图7是煤尘颗粒分级效率与螺旋叶片半径的关系曲线图（风量400m3/min）。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

[0029] 参见图1，本发明实施例的矿用离心除尘风机包括风机段B、离心脱尘段D和脱水段E，含尘风流A从风机段B的左端进入，通过脱尘脱水后变成洁净风流F从脱水段E的右端出来；从图1中可见，风机段B包括风机1；离心脱尘段D包括安装于离心脱尘段筒壁6内并通过联轴器2与风机主轴联接的延伸轴3，延伸轴3上安装有螺旋叶片4，螺旋叶片4之下的离心脱尘段筒壁6内设有水槽5；脱水段E包括脱水板7。

[0030] 参见图2、图3，本发明基于上述矿用离心除尘风机的优化设计方法的具体步骤及推算过程如下：

[0031] 在该矿用离心除尘风机内的运动煤尘颗粒，受高速旋转的螺旋叶片的影响，受到离心力的作用，产生离心分离速度，同时，运动中的颗粒也受到空气阻力，有下式：

[0032]

[0033]

[0034] 在式（1）和式（2）中，C是颗粒的离心力，单位N；S是煤尘颗粒的空气阻力，单位N； 是煤尘颗粒相对质量，单位kg；ua是气流旋转运动线速度，单位m/s；R是煤尘颗粒所在位置曲率半径，单位m；ξ是煤尘颗粒阻力系数，单位Pa·s；
2 3
煤尘颗粒投影面积，单位m；ρp是煤尘颗粒密度，单位kg/m ；ρa是流体
的密度，单位kg/m3；dp是煤尘颗粒的直径，m；ωp是煤尘颗粒相对于流体的切向速度，单位m/s。

[0035] 根据平衡轨道理论，当颗粒的分离速度在某一个瞬间达到一个固定的值时，则有颗粒所受的离心力等于气体对运动中颗粒的空气阻力，由式（1）和式（2），则有：

[0036]

[0037] 按照离心力沉降规律，颗粒越小越难沉降，如果dp＞5μm的颗粒能够通过离心分离的方法除去，则粒径更大的颗粒更加能够被除去，经计算颗粒运动雷诺数小于1。因此，颗粒的沉降规律主要受到斯托克斯定律支配，即

[0038]

[0039] 在（4）式中，μ是流体动力粘性系数，单位Pa·s。

[0040] 把（4）带入式（3），可得球形刚性颗粒的在离心力场中的离心分离速度：

[0041]

[0042] 气流在离心脱尘段中旋转运动线速度，存在以下关系：

[0043]

[0044] 在式（6）中，π是圆周率，无量纲数；R是煤尘颗粒所在位置曲率半径，单位m；n是转速，单位r/min。

[0045] 把式（6）带入式（5）中，得：

[0046]

[0047] 根据颗粒的瞬时离心分离速度等于颗粒所经途径对时间的微分，即：

[0048]

[0049] 把式（7）代入式（8），即得：

[0050]

[0051] 对上式（9）进行积分，左端dt由0到τ积分，右边dR则由Rx（颗粒分离临界半径）到R1（离心脱尘段筒壁半径）积分，则颗粒依靠离心分离移动到筒壁边壁上，其所需时间和位移量的关系式为：

[0052]

[0053] 由式（10）可知，颗粒运动到不同的曲率半径时具有不同的沉降速度，随着曲率半径的增大，颗粒沉降速度逐渐增大，即颗粒加速沉降到筒壁内表面。颗粒从初始的临界曲率位置Rx沉降到筒壁内表面R1时，所经历的时间变化是0→τ（即颗粒沉降时间为τ），即：

[0054]

[0055] 由除尘基本原理，在均一离心场中，颗粒的张弛时间为，

[0056]

[0057] 比较式（10）和式（11），可以看出尘粒所需张弛时间，远远小于尘粒需要的沉降时间，即可以近似认为，煤尘颗粒在离心脱尘段内的运动，可以近似不考虑初始加速的耗时。

[0058] 已知颗粒随着风流由离心脱尘段的入口进入到出口排出，最短的耗时为：

[0059]

[0060] 在式（13）中，t0是气流流过分离段的平均时长，单位s；L是离心脱尘段的轴向长度，单位m；u0是气流在离心脱尘段内的平均轴向流速，单位m/s。

[0061] 由脱尘原理，若实现煤尘颗粒被分离出来，则，

[0062] τ≤t0 （14）

[0063] 由式（11）、式（13）和式（14），即得：

[0064]

[0065] 变换式（15），即得：

[0066]

[0067] 在离心脱尘段内，气流轴向速度越大，则临界脱尘半径越大；反之，临界半径越小。临界半径越大，意味着颗粒被离心分离的可能性越低。因此，若其他条件不变，最大轴向速度能被分离的颗粒，在小于该速度的情况下，该颗粒也一定能被分离出来。气流最大轴向流速，可以近似表示为，

[0068]

[0069] 在式（17）中，Q是通风机体积流量，单位m3/min。

[0070] 把式（17）代入式（16），即得：

[0071]

[0072] 当颗粒粒径为dp，在离心脱尘段入口端面处的曲率半径R大于颗粒沉降的临界曲率半径Rx时，颗粒能够沉降到除尘段的筒体壁面；反之，当颗粒在离心脱尘段入口端面处的曲率半径R小于颗粒沉降的临界曲率半径Rx时，颗粒随气流流出旋流除尘段。

[0073] 离心脱尘段内颗粒的沉降区与非沉降区的划分是以颗粒沉降的临界曲率半径Rx为界限的。曲率半径关系为Rx≥R≥R1时，该环形区域为颗粒沉降区。由于当颗粒在离心脱尘段入口端面处的曲率半径R小于颗粒沉降的临界曲率半径Rx时，颗粒会随气流流出旋流除尘段；曲率半径关系为R2≥R>Rx时，该环形区域为颗粒非沉降区域；曲率半径关系为0≥R>R2时，该环形区域也是颗粒非沉降区域；因此，0≥R>Rx时，该环形区域为颗粒非沉降区。因此，离心脱尘段沉降区和非沉降区体积为：

[0074]

[0075]

[0076] 在公式（19）和公式（20）中，dV1是颗粒沉降区，单位m3；dV2是颗粒非沉降区，单位3
m；dx是离心脱尘段轴向长度微分量，单位m。

[0077] 离心脱尘段对颗粒粒径为dp的分级效率，可以表示为，

[0078]

[0079] 把公式（19）和公式（20）带入公式（21），即得：

[0080]

[0081] 把公式（18）代入公式（22），即得：

[0082]

[0083] 在公式（23）中，包括了 R1、R2、dp和Q等10个变量，以及π、135等4个常量，确定该10个变量之间的关系，即是利用矿用局部通风机内离心力，脱去污风气流中煤尘颗粒，实现风流净化，可简称为矿用局部通风机内离心脱尘实现方法。

[0084] 从上述可知，由于空气密度相对于煤尘颗粒密度小很多，公式（23）可简化为：

[0085]

[0086] 根据现场对离心脱尘段尺寸的工程制约及国内局部通风机的技术参数，可设3 3 -4
ρp=1.4×10kg/m，L=1m，n=2900r/min，μ=1.428×10 Pa·s，代入公式（24），则得：

[0087]

[0088] 在公式（25）中，包括了 R1、R2、dp和Q这5个变量，可以通过数值仿真的手段，找出该5个变量之间的相互关系，确定矿用离心脱尘除尘风机装置的结构参数，满足工程需要。具体步骤如下：

[0089] （1）根据工程实际需要，计算出需风量，确定矿用除尘风机风量，选择风机机号。

[0090] （2）根据矿用除尘风机机号，确定离心脱尘段的筒壁半径，即，R1的数值。

[0091] （3）根据确定出的风机性能参数，确定风量范围，即，Q；选择几个风量工况点，代入公式（25），简化该公式。

[0092] （4）根据边界约束，显然螺旋叶片半径不可能大于离心脱尘段筒壁半径，即0≤R2≤R1；其中，R2=0，表示未设置螺旋除尘叶片，而R2=R1，表示螺旋叶片半径等于筒壁半径，形成螺旋通道，公式（25）不能进行除尘效率及除尘装置结构优化的分析；因此，R2的赋值范围为0.01≤R2≤0.29。

[0093] （5）给 赋值，依次赋值为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%。

[0094] （6）把已经赋值的，代入公式（25），进一步简化该公式，利用数值仿真工具，进而分析 R2、dp之间的因变关系，绘制因变关系图，优化R2。

[0095] 下面是工程实例：

[0096] 以矿用FBD№6.0为例，设计离心除尘风机，其筒体内壁半径为0.300m，所配电机3 3
为2×15kW，风量范围256m/min～469m/min，风压为4601Pa～1363Pa，额定转速2900r/min。

[0097] （1）FBD№6.0风机，R1=0.300m。

[0098] 代入公式（25），得：

[0099]

[0100] （2）依次给Q赋值为，280，320，360，400；显性化公式（26）。

[0101] （3）进而，依次给 赋值为，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%。

[0102] （4）利用数值仿真工具，分析R2和dp的因变关系，绘制关系曲线图，如图4至图8所示。

[0103] 表1螺旋叶片半径与颗粒粒径之间的关系

[0104]

[0105]

[0106] 备注：在表1中，煤尘颗粒粒径，单位均为um。

[0107] 根据《煤矿井下粉尘综合防治技术规范》AQ1020-2006规定中，呼吸性煤尘，即dp≤10um，即控尘率不应低于70%。因此，利用图4至图7的数据，以除尘效率为70%，颗粒3 3
粒径为10um，风量为280m/min至400m/min，整理数据，如表1所示。从表1可以看出，要满足对呼吸性煤尘颗粒最低70%的捕尘率，螺旋叶片半径只要不低于0.197m即可。

[0108] 若要进一步提高对呼吸性煤尘的捕尘率，可以加大螺旋叶片的半径；同一螺旋叶片半径，对不同煤尘粒径颗粒的捕尘率是不相同的；以及不同运行风量时，满足AQ1020-2006规定的旋螺叶片半径也是不同的；围绕前述5个参数，关于矿用离心除尘风机设计中的问题，还可以列举出更多。以上矿用离心除尘风机优化设计中的问题，均可通过本发明中给出的具体实施方式，并利用数值仿真手段获得相关数据，解决优化设计中的结构参数和运行参数组合的问题。本发明所提出的矿用离心除尘风机及其优化设计方法，也能适用于各种型号离心除尘风机装置的优化设计。

[0109] 在本发明的工程实例中，对于FBD№6.0风机，在筒体半径0.300m，在运行风量3 3
为280m/min至400m/min的范围内，螺旋叶片半径为0.197m，对于粒径为10um的煤尘颗粒，除尘效率可达70%；对于粒径为7.6um的煤尘颗粒，除尘效率可达50%，即分割粒径为
7.6um。工程实例中优化设计的除尘风机，除尘效率满足AQ1020-2006的技术规定，通过优化螺旋叶片半径，还能进一步提高除尘效率。