楊鴻飛

（山西煤炭運銷集團(tuán)新工煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000）

引言

對旋式通風(fēng)機(jī)是礦井通風(fēng)系統(tǒng)中最重要的組成部分，具有結(jié)構(gòu)緊湊、風(fēng)壓系數(shù)大、運行效率高的優(yōu)點，風(fēng)機(jī)的運行特性直接決定了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運行安全性和經(jīng)濟(jì)性。對旋式通風(fēng)機(jī)采用了雙風(fēng)機(jī)運行結(jié)構(gòu)，一級風(fēng)機(jī)主要是保證等級運行時的風(fēng)量供應(yīng)，二級風(fēng)機(jī)主要是確保風(fēng)機(jī)運行時的通風(fēng)壓力，由于通風(fēng)系統(tǒng)在運行時需要根據(jù)通風(fēng)距離來調(diào)整風(fēng)機(jī)的運行特性，因此導(dǎo)致不同狀態(tài)下兩級風(fēng)葉驅(qū)動電機(jī)的功率分配失衡，使二級風(fēng)葉電機(jī)過載燒毀，給煤礦井下的通風(fēng)安全造成了極大的隱患[1]。本文以流體動力學(xué)為基礎(chǔ)，對不同風(fēng)機(jī)葉片安裝角情況下兩級電機(jī)的功率匹配度進(jìn)行了分析，具有極大的應(yīng)用推廣價值。

1 風(fēng)機(jī)仿真分析模型的建立

以FBCD型對旋式風(fēng)機(jī)為研究對象，利用三維建模軟件，建立起仿真分析模型，為確保分析結(jié)果的準(zhǔn)性，風(fēng)機(jī)模型的建立應(yīng)按照實物風(fēng)機(jī)進(jìn)行1∶1的等比例建模。該風(fēng)機(jī)的第一級風(fēng)機(jī)葉片為13片，第二級風(fēng)機(jī)的葉片為11片，兩級風(fēng)機(jī)葉片均采用蟬翼型薄葉片。風(fēng)機(jī)在運行時為對旋運行，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，風(fēng)機(jī)第一級葉片的安裝角為46°，第二級葉片的安裝角為32°。在風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，采用了不規(guī)則的四面體網(wǎng)格劃分模式，在兩個風(fēng)葉處采用加密網(wǎng)格劃分，提高運行分析結(jié)果準(zhǔn)確性，最終在該風(fēng)機(jī)上的網(wǎng)格單元總數(shù)量為230萬個，對旋式通風(fēng)機(jī)的三維網(wǎng)格模型如圖1所示[2]。

圖1 風(fēng)機(jī)三維網(wǎng)格模型

由于風(fēng)機(jī)在運行時內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，因此為了在保證分析精度情況下簡化分析流程，經(jīng)過多次驗證，以質(zhì)量連續(xù)性方程作為仿真分析方程，在分析的過程中假設(shè)氣流在風(fēng)機(jī)內(nèi)是不進(jìn)行熱交換且處于穩(wěn)定流動的狀態(tài)，以有限體積法對不同工況下風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場特性進(jìn)行研究。

2 不同安裝角下風(fēng)機(jī)效率的變化

針對對旋式風(fēng)機(jī)一級風(fēng)葉和二級風(fēng)葉的安裝角情況，為了充分對不同安裝角情況下的風(fēng)機(jī)運行特性進(jìn)行分析[3]，經(jīng)過分析，確定對一級葉片安裝角分別為44°、46°、49°、55°，二級風(fēng)葉安裝角分別為29°、32°、35°、41°情況下的風(fēng)機(jī)運行特性進(jìn)行對比分析，風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)葉安裝角情況下的運行效率曲線如圖2所示。

圖2 不同安裝角下風(fēng)機(jī)效率變化曲線

由圖2可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)在安裝角分別為44°和29°情況下的仿真分析結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)表現(xiàn)出了極高的重合性，表明了該仿真分析的有效性，圖中A點和B點分別表示在運行區(qū)段內(nèi)的最高效率和最低效率。根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，在不同安裝角的風(fēng)葉組合下，風(fēng)機(jī)的運行效率呈現(xiàn)了較大的變化，因此可以根據(jù)煤礦井下的實際情況，通過分析其最常用的流量區(qū)間針對性地選擇風(fēng)機(jī)葉片的最佳安裝角組合情況，滿足風(fēng)機(jī)運行效率的需求。

3 風(fēng)機(jī)電機(jī)功率匹配分析

根據(jù)對旋式風(fēng)機(jī)的運行特性，在通風(fēng)距離短的情況下，第一級驅(qū)動電機(jī)的輸出功率偏大，第二級電機(jī)的功率相對降低，隨著送風(fēng)距離的增加，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的運行風(fēng)阻逐漸加大，因此第一級電機(jī)的負(fù)載功率首先達(dá)到最高，然后風(fēng)量降低、風(fēng)壓升高，隨著二級電機(jī)運行功率的逐漸增大，當(dāng)送風(fēng)距離超過一定限度時，就會造成二級風(fēng)機(jī)電機(jī)的過載運行，使風(fēng)機(jī)運行時的發(fā)熱量增加、軸承溫度迅速上升，最終導(dǎo)致風(fēng)機(jī)電機(jī)的燒毀[4]。因此需要合理地分配風(fēng)機(jī)運行時的功率，在確保通風(fēng)穩(wěn)定情況下的提升電機(jī)安全性，不同風(fēng)葉安裝角情況下的功率分配如圖3所示。

圖3 不同安裝角下的電機(jī)功率匹配情況

由仿真分析結(jié)果可知，兩級電機(jī)的安裝角度越大，風(fēng)機(jī)運行時兩級電機(jī)的匹配度越高，電機(jī)輸出的功率同步增加，因此在對風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計時，可以根據(jù)仿真分析結(jié)果，針對性地選擇風(fēng)機(jī)對應(yīng)的風(fēng)葉安裝角，以提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)安全。

通過仿真分析可知，該方案能夠真實地模擬風(fēng)機(jī)運行時的狀態(tài)特性，對不同風(fēng)機(jī)葉片安裝角下的通風(fēng)特性進(jìn)行了研究，為優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)計，提升運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

針對對旋式通風(fēng)機(jī)在遠(yuǎn)距離供風(fēng)的情況下風(fēng)量急劇下降、兩級風(fēng)機(jī)驅(qū)動電機(jī)功率匹配性差、風(fēng)機(jī)易燒毀的問題，利用仿真分析的方法，對不同葉片安裝角情況下的風(fēng)機(jī)功率匹配情況進(jìn)行了研究，結(jié)果可知：

1）以質(zhì)量連續(xù)性方程作為仿真分析方程，以有限體積法對不同工況下風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場特性進(jìn)行研究，能夠在保證分析精度的情況下簡化分析流程；

2）在不同安裝角的風(fēng)葉組合下，風(fēng)機(jī)的運行效率呈現(xiàn)了較大的變化，因此可以通過分析風(fēng)機(jī)最常用的流量區(qū)間，針對性地選擇風(fēng)機(jī)葉片的最佳安裝角組合情況，滿足風(fēng)機(jī)運行效率的需求；

3）兩級電機(jī)的安裝角度越大，風(fēng)機(jī)運行時兩級電機(jī)的匹配度越高；

4）利用仿真分析的方法，能夠真實地模擬風(fēng)機(jī)運行時的狀態(tài)特性，為優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)計，提升運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。