FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機性能及電機功率匹配研究

周 磊

（晉能控股煤業(yè)集團天安昌都煤業(yè)，山西 晉城 048000）

引言

通風(fēng)系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)中實現(xiàn)換氣、降低工作面粉塵濃度的關(guān)鍵設(shè)備，其是保證作業(yè)人員和煤礦安全生產(chǎn)的主要載體。目前，應(yīng)用于煤礦通風(fēng)機的通風(fēng)設(shè)備包括有通風(fēng)機、壓縮機、鼓風(fēng)機以及羅茨鼓風(fēng)機。與普通軸流式通風(fēng)機相比，對旋風(fēng)機具有運行效率高、結(jié)構(gòu)緊湊以及通風(fēng)性能好等優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中[1]。但是，對旋風(fēng)機在實際應(yīng)用中存在兩級電機功率不匹配、兩級葉輪葉片安裝角度不合理等現(xiàn)象造成電機燒毀、風(fēng)壓失衡的問題，進而影響對旋風(fēng)機的整體運行效率，影響煤礦的安全生產(chǎn)。為此，重點開展對旋風(fēng)機性能及電機功率匹配等方面的研究。

1 FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機結(jié)構(gòu)與參數(shù)

對旋風(fēng)機是順應(yīng)煤礦生產(chǎn)需求的產(chǎn)物，該類通風(fēng)機與普通軸流式通風(fēng)機相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲小以及效率高、反風(fēng)效果好的問題。本文所研究對旋風(fēng)機的具體型號為FBDCZNo.14/2×55，其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機剖面結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，對旋風(fēng)機的主要結(jié)構(gòu)部件包括有風(fēng)筒、葉輪、電機、擴散器和消音部件等。本文所研究風(fēng)機兩級葉輪的葉片數(shù)分別為13片和11片，兩個電機均為YBF電機，其通風(fēng)量最大可達2 772 m3/min，最小靜壓為559 Pa，最大靜壓為6 921 Pa，該型對旋通風(fēng)機可滿足大部分煤礦的通風(fēng)需求。本文主要對對旋風(fēng)機的性能進行試驗，并通過數(shù)值模擬手段對其電機功率匹配問題進行研究[2]。因此，需根據(jù)FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機的參數(shù)建立相應(yīng)的三維模型，F(xiàn)BDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 FBDCZNo.14/2×55對旋風(fēng)機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機性能分析

對FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機的性能分析可通過試驗和數(shù)值模擬分析兩種方法進行。本節(jié)將分別采用試驗和數(shù)值模擬的方法對對旋風(fēng)機的性能進行分析。

2.1 性能試驗

對旋風(fēng)機的性能試驗主要目的是掌握通風(fēng)機的氣動性能，包括該產(chǎn)品是否達到設(shè)計要求；對無標牌的設(shè)備進行鑒定分類；對改造后設(shè)備的性能驗證其是否滿足指標等。本試驗采用風(fēng)管式試驗裝置對對旋風(fēng)機的性能進行研究。將FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機與風(fēng)管式試驗裝置按照GB1236-2000的相關(guān)規(guī)定進行連接，并按照相應(yīng)的測試方法分別對靜壓、流量、轉(zhuǎn)速、功率等進行測試[3]。在試驗期間需準確記錄試驗環(huán)境的大氣壓力、溫度以及濕度等。

經(jīng)試驗測得環(huán)境的大氣壓力為101 325 Pa、大氣的溫度為20℃，風(fēng)機按照其額定轉(zhuǎn)速980 r/min運行，并測8組數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表2所示：

表2 FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機性能試驗結(jié)果

2.2 性能數(shù)值模擬

在實際生產(chǎn)中，需根據(jù)綜采工作面的實際情況對對旋風(fēng)機的特性進行調(diào)整以保證其通風(fēng)量、負壓等參數(shù)滿足實際生產(chǎn)的需求。一般的，可通過對風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、葉片安裝角度以及葉片的稠度改變從而實現(xiàn)對風(fēng)機特性的調(diào)整[4]。本節(jié)將主要對研究葉片安裝角度對風(fēng)機性能的影響。

兩級葉輪葉片的安裝角度有43°/29°、46°/32°、49°/35°、52°/38°、55°/41°五種情況，本節(jié)對這五種情況下旋風(fēng)機靜壓和效率進行研究，得出如圖2所示的結(jié)果：

圖2 葉片安裝角度對風(fēng)機性能曲線的影響

如圖2-1所示，對旋風(fēng)機壓力特性曲線均存在一個駝峰，其中駝峰左側(cè)為風(fēng)機的非穩(wěn)定工作區(qū)，存在明顯的波動，容易導(dǎo)致風(fēng)機在風(fēng)量、風(fēng)壓等出現(xiàn)較大的波動，從而導(dǎo)致風(fēng)機出現(xiàn)振動；而駝峰右側(cè)為風(fēng)機的穩(wěn)定工作區(qū)域。隨著兩級葉輪葉片安裝角度的增加，對應(yīng)駝峰左側(cè)區(qū)域面積增大，容易導(dǎo)致風(fēng)機出現(xiàn)振動、噪聲過大等問題。

如圖2-2所示：當兩級葉輪葉片安裝角度為43°/29°時，對旋風(fēng)機的效率在很小的流量范圍內(nèi)下降很快；隨著葉輪葉片安裝角的增加，在同樣的流量變化區(qū)間內(nèi)，對旋風(fēng)機的效率保持相對穩(wěn)定。因此，在實際生產(chǎn)中，為兼顧流量過大耗能嚴重的問題，可通過降低流量和兩級葉輪的安裝角度提高對旋風(fēng)機的效率，從而保證通風(fēng)量滿足生產(chǎn)的需求。

3 FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機電機功率匹配研究

本節(jié)將著重研究不同流量和不同葉片安裝角度對應(yīng)工況下對旋風(fēng)機的電機功率匹配情況，具體闡述如下：

3.1 流量對電機功率匹配度的影響

分析流量對電機功率匹配度影響時，設(shè)定葉輪葉片的額定轉(zhuǎn)速為980 r/min，兩級葉輪葉片的安裝角度分別為43°/29°，并對不同流量下兩電機的功率情況進行分析，并得出如圖3所示的結(jié)果：

圖3 流量對兩電機功率匹配度的影響

如圖3所示，當對旋風(fēng)機送風(fēng)量最大時，對旋風(fēng)機兩電機功率匹配度最大，即二級電機軸功率和一級電機軸功率的差值非常大，可達35 kW；隨著對旋風(fēng)機送風(fēng)量的減小，一級電機和二級電機的軸功率幾乎相等，差值可忽略不計，即此時兩電機的功率匹配度最高。造成上述現(xiàn)象的主要原因為：對旋風(fēng)機中的兩個電機分工不同，一級電機主要是對送風(fēng)量進行保證，而二級電機主要是對氣體進行做功[5]。

3.2 葉片安裝角度對電機功率匹配度的影響

分別對兩級葉輪葉片安裝角度對兩電機軸功率匹配度進行研究，期間保持葉輪葉片的額定轉(zhuǎn)速為980 r/min，并在不同安裝角度時對應(yīng)不同流量下兩電機的功率進行分析。鑒于偏于有限，此處不一一列出仿真結(jié)果，僅對結(jié)果進行分析：

當兩級葉輪葉片安裝角度為43°/29°、46°/32°時，當對旋風(fēng)機的送風(fēng)量增加時對應(yīng)二級電機的輸出功率效率非常低，僅為15%～45%，即損失的功率為55%～85%，從而使得對旋風(fēng)機的性能及效率大打折扣。

隨著兩級葉輪葉片安裝角度的增加，在相同送風(fēng)量下兩級電機軸功率的匹配度較好，而且兩電機的效率也最佳。其中，當兩級葉片安裝角度為55°/41°時，一級電機的效率可達15%以上，二級電機的效率最低也可達65%。

4 結(jié)論

1）可通過降低流量和兩級葉輪的安裝角度提高對旋風(fēng)機的效率；

2）可將風(fēng)機送風(fēng)量適當減小并在合理范圍內(nèi)盡可能增加兩級葉輪葉片的安裝角度以保證兩電機功率的匹配度，進而大大降耗的目的。