FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機(jī)性能及電機(jī)功率匹配研究

周 磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)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(shí)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(jī)的通風(fēng)設(shè)備包括有通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)以及羅茨鼓風(fēng)機(jī)。與普通軸流式通風(fēng)機(jī)相比，對旋風(fēng)機(jī)具有運(yùn)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(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在兩級電機(jī)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(jī)燒毀、風(fēng)壓失衡的問題，進(jìn)而影響對旋風(fēng)機(jī)的整體運(yùn)行效率，影響煤礦的安全生產(chǎn)。為此，重點(diǎn)開展對旋風(fēng)機(jī)性能及電機(jī)功率匹配等方面的研究。

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

對旋風(fēng)機(jī)是順應(yīng)煤礦生產(chǎn)需求的產(chǎn)物，該類通風(fēng)機(jī)與普通軸流式通風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)剖面結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，對旋風(fēng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件包括有風(fēng)筒、葉輪、電機(jī)、擴(kuò)散器和消音部件等。本文所研究風(fēng)機(jī)兩級葉輪的葉片數(shù)分別為13片和11片，兩個電機(jī)均為YBF電機(jī)，其通風(fēng)量最大可達(dá)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(jī)可滿足大部分煤礦的通風(fēng)需求。本文主要對對旋風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行試驗(yàn)，并通過數(shù)值模擬手段對其電機(jī)功率匹配問題進(jìn)行研究[2]。因此，需根據(jù)FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機(jī)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(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

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

2 FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機(jī)性能分析

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

2.1 性能試驗(yàn)

對旋風(fēng)機(jī)的性能試驗(yàn)主要目的是掌握通風(fēng)機(jī)的氣動性能，包括該產(chǎn)品是否達(dá)到設(shè)計要求；對無標(biāo)牌的設(shè)備進(jìn)行鑒定分類；對改造后設(shè)備的性能驗(yàn)證其是否滿足指標(biāo)等。本試驗(yàn)采用風(fēng)管式試驗(yàn)裝置對對旋風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行研究。將FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機(jī)與風(fēng)管式試驗(yàn)裝置按照GB1236-2000的相關(guān)規(guī)定進(jìn)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(jìn)行測試[3]。在試驗(yàn)期間需準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)環(huán)境的大氣壓力、溫度以及濕度等。

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

表2 FBDCZNo.14/2×55型對旋風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 性能數(shù)值模擬

在實(shí)際生產(chǎn)中，需根據(jù)綜采工作面的實(shí)際情況對對旋風(fēng)機(jī)的特性進(jìn)行調(diào)整以保證其通風(fēng)量、負(fù)壓等參數(shù)滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。一般的，可通過對風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、葉片安裝角度以及葉片的稠度改變從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)靜壓和效率進(jìn)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(jī)性能曲線的影響

如圖2-1所示，對旋風(fēng)機(jī)壓力特性曲線均存在一個駝峰，其中駝峰左側(cè)為風(fēng)機(jī)的非穩(wěn)定工作區(qū)，存在明顯的波動，容易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在風(fēng)量、風(fēng)壓等出現(xiàn)較大的波動，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)振動；而駝峰右側(cè)為風(fēng)機(jī)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(jī)出現(xiàn)振動、噪聲過大等問題。

如圖2-2所示：當(dāng)兩級葉輪葉片安裝角度為43°/29°時，對旋風(fēng)機(jī)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(jī)的效率保持相對穩(wěn)定。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，為兼顧流量過大耗能嚴(yán)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(jī)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(jī)電機(jī)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(jī)的電機(jī)功率匹配情況，具體闡述如下：

3.1 流量對電機(jī)功率匹配度的影響

分析流量對電機(jī)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(jī)的功率情況進(jìn)行分析，并得出如圖3所示的結(jié)果：

圖3 流量對兩電機(jī)功率匹配度的影響

如圖3所示，當(dāng)對旋風(fēng)機(jī)送風(fēng)量最大時，對旋風(fēng)機(jī)兩電機(jī)功率匹配度最大，即二級電機(jī)軸功率和一級電機(jī)軸功率的差值非常大，可達(dá)35 kW；隨著對旋風(fēng)機(jī)送風(fēng)量的減小，一級電機(jī)和二級電機(jī)的軸功率幾乎相等，差值可忽略不計，即此時兩電機(jī)的功率匹配度最高。造成上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋簩πL(fēng)機(jī)中的兩個電機(jī)分工不同，一級電機(jī)主要是對送風(fēng)量進(jìn)行保證，而二級電機(jī)主要是對氣體進(jìn)行做功[5]。

3.2 葉片安裝角度對電機(jī)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(jī)軸功率匹配度進(jìn)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(jī)的功率進(jìn)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(jìn)行分析：

當(dāng)兩級葉輪葉片安裝角度為43°/29°、46°/32°時，當(dāng)對旋風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量增加時對應(yīng)二級電機(jī)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(jī)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(jī)軸功率的匹配度較好，而且兩電機(jī)的效率也最佳。其中，當(dāng)兩級葉片安裝角度為55°/41°時，一級電機(jī)的效率可達(dá)15%以上，二級電機(jī)的效率最低也可達(dá)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(jī)的效率；

2）可將風(fēng)機(jī)送風(fēng)量適當(dāng)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(jī)功率的匹配度，進(jìn)而大大降耗的目的。