秦 浩

(山西焦煤山煤國際大平煤業(yè)有限公司,山西 襄垣 046200)

對旋風(fēng)機(jī)作為一種多級氣動力和電磁力共同作用的機(jī)電一體化設(shè)備,其在煤礦井下長距離送風(fēng)中存在前后兩級電機(jī)功率匹配不當(dāng)?shù)葐栴},相關(guān)問題的存在導(dǎo)致旋風(fēng)機(jī)存在工作效率低、整體發(fā)熱大等情況,嚴(yán)重時甚至造成電機(jī)損毀故障。常用的礦用兩級電機(jī)功率匹配研究多采用理論計算法,但該方法存在精準(zhǔn)性差、直觀性不足等缺陷,不利于提高對旋風(fēng)機(jī)的應(yīng)用性能。據(jù)此,以FBDNo.5對旋風(fēng)機(jī)為例,結(jié)合數(shù)值仿真模擬方法,實(shí)施對旋風(fēng)機(jī)性能數(shù)值仿真分析,增強(qiáng)對旋風(fēng)機(jī)性能分析效率和效果。

1 礦用對旋風(fēng)機(jī)仿真模型構(gòu)建

FBDNo.5對旋風(fēng)機(jī)的前后兩級電機(jī)額定功率均為7.5 kW,額定轉(zhuǎn)速為2 900 r/min,一級葉輪的葉片數(shù)量為12片,二級葉輪的葉片數(shù)量為10片,一級和二級葉片安裝角度分別為43°和25.5°,對旋風(fēng)機(jī)輪轂比為0.65.

根據(jù)對旋風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu),選用Fluent流體力學(xué)計算軟件構(gòu)建數(shù)值仿真模型。在實(shí)施對旋風(fēng)機(jī)模型剖分時,采用無滑移壁面函數(shù)法進(jìn)行網(wǎng)格剖分,其中一級、二級旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域適當(dāng)增加網(wǎng)格密度,其他區(qū)域可適當(dāng)降低網(wǎng)格密度。

為方便數(shù)值仿真分析,仿真過程設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,并忽略對旋風(fēng)機(jī)自重以及空氣浮力,假定流體時刻處于連續(xù)均勻狀態(tài),對旋風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場不可壓縮,氣體在對旋風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動表現(xiàn)為軸對稱特點(diǎn),并且在兩級葉輪前后的流動軸向平衡。

數(shù)值仿真分析中主要考慮對旋風(fēng)機(jī)變極調(diào)速下的4種工況,具體如下:

工況1:一級電機(jī)和二級電機(jī)的轉(zhuǎn)速均為2 900 r/min,即對旋風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速范圍為2 900～2 900 r/min;

工況2:一級電機(jī)和二級電機(jī)的轉(zhuǎn)速均為1 450 r/min,即對旋風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速范圍為1 450～1 450 r/min;

工況3:一級電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 900 r/min,二級電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r/min,即對旋風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速范圍為2 900～1 450 r/min;

工況4:一級電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r/min,二級電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 900 r/min,即對旋風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速范圍為1 450～2 900 r/min.

2 兩級不同轉(zhuǎn)速時對旋風(fēng)機(jī)功率特性仿真分析

2.1 全壓特性

兩級不同轉(zhuǎn)速時對旋風(fēng)機(jī)全壓特性數(shù)值仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 一級葉輪全壓特性曲線

根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果可知,當(dāng)對旋風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速范圍為2 900～2 900 r/min和1 450～1 450 r/min時,一級葉輪和二級葉輪的全壓基本保持一致,并且基本實(shí)現(xiàn)等負(fù)載分配效果;當(dāng)對旋風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速范圍為2 900～1 450 r/min和1 450～2 900 r/min時,一級葉輪與二級葉輪全壓差異較大,并且未實(shí)現(xiàn)等負(fù)載分配效果。其中,轉(zhuǎn)速為2 900～1 450 r/min時的一級葉輪全壓明顯高于二級葉輪;轉(zhuǎn)速為1 450～2 900 r/min時的一級葉輪全壓低于二級葉輪。由此可見,在同一臺對旋風(fēng)機(jī)中,電機(jī)轉(zhuǎn)速越快,氣流流過對旋風(fēng)機(jī)后所獲取的全壓升也就越大。

對比工況3和工況4可知,一級葉輪的全壓升差值大于二級葉輪全壓升差值,因?yàn)閷πL(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時,兩級葉輪之間存在導(dǎo)葉作用,一級葉輪轉(zhuǎn)速高于二級葉輪時,二級葉輪的功率較大,氣流通過一級葉輪時獲取的能力較大,而二級葉輪功率較低,由于尾跡的干涉作用影響,二級葉輪將會對氣流做一部分負(fù)功。

2.2 功率特性

兩級不同轉(zhuǎn)速時,對旋風(fēng)機(jī)功率特性數(shù)值仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 一級葉輪功率特性曲線

根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果可知,對旋風(fēng)機(jī)一級葉輪和二級葉輪功率變化與一級葉輪和二級葉輪的全壓升變化基本一致。在一級電機(jī)與二級電機(jī)轉(zhuǎn)速一致時,對旋風(fēng)機(jī)兩級功率相同,可實(shí)現(xiàn)等負(fù)載分配;在兩級轉(zhuǎn)速不同時,兩級功率差距較大,無法實(shí)現(xiàn)等負(fù)載分配。

3 兩級不同轉(zhuǎn)速時對旋風(fēng)機(jī)靜壓分布仿真分析

3.1 整機(jī)靜壓分布

整機(jī)靜壓分布數(shù)值仿真分析主要考慮工況3和工況4兩種兩級不同轉(zhuǎn)速工況。具體數(shù)值仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速為2 900～1 450 r/min時整機(jī)靜壓分布

根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果可知,增加轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)降低對旋風(fēng)機(jī)入口集流器靜壓的作用,并且隨著風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體流速的持續(xù)增加,風(fēng)機(jī)集流器靜壓損失也隨之加大。因此,一級葉輪轉(zhuǎn)速為2 900 r/min時比一級葉輪轉(zhuǎn)速為1 450 r/min時,風(fēng)機(jī)集流器具備更小的靜壓;從軸向靜壓角度來看,氣流在進(jìn)入對旋風(fēng)機(jī)內(nèi)部后,風(fēng)機(jī)的靜壓持續(xù)提升,而在風(fēng)機(jī)入口擴(kuò)散器附近區(qū)域的靜壓則略有下降。

3.2 速度矢量分布

速度矢量分析同樣僅考慮兩種兩級不同轉(zhuǎn)速工況,具體仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速為2 900～1 450 r/min時軸向速度矢量分布

根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果可知,在兩種兩級不同轉(zhuǎn)速工況下,氣流在從對旋風(fēng)機(jī)二級葉輪區(qū)域流出后,其流速開始表現(xiàn)出分布不均情況,說明此時氣流流速并不完全一致,存在一定渦流現(xiàn)象。同時,從兩級葉輪區(qū)域來看,兩級不同轉(zhuǎn)速工況下的氣流徑向流動速度明顯大于兩級轉(zhuǎn)速箱體下的氣流徑向流動速度。

3.3 流體軌跡分布

對4種變頻工況下,對旋風(fēng)機(jī)流體軌跡分布進(jìn)行數(shù)值仿真分析,其中,轉(zhuǎn)速為2 900～2 900 r/min時流體軌跡分布如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速為2 900～2 900 r/min時流體軌跡分布

根據(jù)仿真結(jié)果可知,兩級不同轉(zhuǎn)速工況下,氣流進(jìn)入葉輪前的速度方向與兩級相同轉(zhuǎn)速工況下氣流進(jìn)入葉輪前的速度方向保持一致,而在氣流從二級葉輪流出后,轉(zhuǎn)速為2 900～1 450 r/min時氣流旋轉(zhuǎn)速度方向與一級葉輪旋轉(zhuǎn)方向保持一致;轉(zhuǎn)速為1 450～2 900 r/min時氣流旋轉(zhuǎn)速度方向與二級葉輪旋轉(zhuǎn)方向保持一致。由此可見,對旋風(fēng)機(jī)中轉(zhuǎn)速較大的葉輪對風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流的流動方向影響較大。

4 不同轉(zhuǎn)速時對旋風(fēng)機(jī)性能仿真分析法的工程應(yīng)用

采用風(fēng)管式通風(fēng)機(jī)空氣動力性能實(shí)驗(yàn)裝置開展工業(yè)性試驗(yàn)分析,具體實(shí)驗(yàn)裝置涉及設(shè)備包括FBDNo.5對旋風(fēng)機(jī)、多孔整流柵、風(fēng)機(jī)試驗(yàn)管道、節(jié)流鐵網(wǎng)、集流器、壓力計、功率計、大氣壓力計、溫度計等。組裝實(shí)驗(yàn)裝置,對各類計量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)處理后,開展工程試驗(yàn)分析。具體分析以2 900～2 900 r/min工況為例,分析標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力、20 ℃環(huán)境下對旋風(fēng)機(jī)全壓,具體分析結(jié)果如表1所示。

表1 兩種分析方法的對比結(jié)果

如表1所示,相較于工業(yè)性試驗(yàn)法所獲取的分析結(jié)果,仿真分析法獲取的結(jié)果均偏小,但兩種方法所獲取結(jié)果之間最大差異率為0.36%,實(shí)際差異較小,可確認(rèn)仿真分析法獲取的結(jié)果精準(zhǔn)性較高。

5 結(jié) 語

綜上所述,以FBDNo.5對旋風(fēng)機(jī)為例,介紹一種兩級不同轉(zhuǎn)速時對旋風(fēng)機(jī)性能仿真分析方法。此方法可通過數(shù)值仿真模擬軟件,從功率特性和靜壓分布兩個角度實(shí)現(xiàn)對旋風(fēng)機(jī)的性能仿真分析。結(jié)合工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果可知,仿真分析法所獲取的分析結(jié)果精準(zhǔn)性較高,可作為后續(xù)礦用兩級不同轉(zhuǎn)速時對旋風(fēng)機(jī)性能分析方法。同時,相較于工業(yè)性試驗(yàn)法,仿真分析法無需準(zhǔn)備過多試驗(yàn)儀器設(shè)備,分析成本較低、仿真分析效率較高,具有更強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢。