矿井乏风动能发电实验研究与数值模拟

发布时间：2020-06-07 00:33

【摘要】：随着能源与环境问题日益加剧,做好工业生产过程中的节能减排势在必行。中国是煤炭的生产和消费大国,做好矿井节能生产有着长远的价值。本文从矿井通风节能着手,主要对矿井通风机扩散器出口的乏风动能进行回收利用,借助于当前迅速发展的风力发电技术,设计矿井乏风动能发电装置展开实验研究,并结合数值模拟的方法优化装置结构,实现不影响通风机正常通风的前提下,使装置产生较高的有效功率。通过对矿井通风理论、风力发电技术、气体射流理论的分析,设计实验装置时将复杂的扩散器结构简化为当量圆锥,使用小型三叶片水平轴风力发电机将动能转换为电能回收,并在风轮前端设置集流器结构聚集呈放射圆锥状的乏风,提出优化集流器结构可增大乏风的动能回收效率。实验研究采用制造简便的圆锥形集流器,针对α=16°/n=2和α=16°/n=2.5两种当量圆锥扩散器的情况,研究了4种结构参数较分散的集流器进口条件下风力机系统的启动状态和工作状态,通过分析不同距离处产生有效功率的变化情况,发现余流管出口风速超过1.8m/s以上装置即可工作,在正常工作时会发生有效功率层叠分布的现象,分析得出无障碍空间临界值L_0至少为4D_i(D_i为扩散器入口直径);然后详细分析研究风力机系统在L_0为4D_i和5D_i时共计24种集流器进口条件下产生的有效功率分布云图,划分出动能回收效率较好的高功率区,确定相应的集流器结构参数,同时发现当扩散器断面扩大系数改变后分布差异较大,圆锥形集流器受气流稳定性、实验误差的干扰较大,需要对集流器结构型式进行优化。最后通过数值模拟对比风力机系统在圆锥形、圆弧形、锥弧形集流器进口条件下的内部流场特征,详细分析各情况下形成的速度场、压力场及涡核区域,发现使用圆弧形集流器可以使引入风轮的气流更加均匀,风轮对来流的阻碍作用也会降低,风轮后侧不会产生较大的旋涡,还可以有效降低噪声,风轮旋转稳定性更高,可进一步提高动能回收效率。
【图文】：

矿井主通风机,现场图

处于能源生产和消费的主导地位，全国大大小小的煤矿都会持续强度高耗能的艰苦行业，国家对采矿安全一直都极为重视。采矿关系到整个煤矿的安全生产，一旦某处发生意外事故，本来的计部搁浅，不仅造成了人员伤亡，还造成了巨大的经济损失。在采矿作人员的安全和正常作业，是保证矿井工作有效进行的前提，实，是矿井现代化生产的重要环节，本文主要从矿井通风乏风利用的目的。矿井通风节能般而言，煤矿有四大机电设备，，分别为主通风机、提升机、主排机。矿井通风是各矿井一个非常重要的环节，而主通风机则是矿的安全设备，也是极为关键的设备。为了尽可能降低井下有害气人员的危害，必须将其冲淡和排除，就需要不间断地向矿井里通气，以保证井下工作人员有充足的符合标准的空气呼吸，确保其人改善工作环境的目的。图 1-1 为矿井主通风机出口现场图。

轴流式通风机,结构示意图

2 矿井乏风动能发电装置设计机进行乏风动能发电装置的设计。轴流式通风机主要由集流器、叶轮、导叶、机壳、扩散筒等部件组成，电动机通过传动机构驱动叶轮旋转，叶片在空气中迅速扫过，处于凹面侧的气体受到挤压使静压增加，凸面的气体静压则降低，于是叶片凹面的高压气流便向流道口流出，同时叶片凸面的低压区不断将空气吸入流道，一压一吸形成了连续气流，整个过程气流轴向进入，轴向流出。轴流式通风机整体结构比较紧凑，便于调节风量和风压，重量较轻，转速高，但是结构复杂，较难维护。图 2-1 为常见轴流式通风机的结构示意图。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM614;TD724

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