礦井通風(fēng)機(jī)雙電機(jī)功率平衡控制技術(shù)的應(yīng)用

楊鴻飛

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

引言

對(duì)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(yùn)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性直接決定了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)采用了雙風(fēng)機(jī)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，一級(jí)風(fēng)機(jī)主要是保證等級(jí)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量供應(yīng)，二級(jí)風(fēng)機(jī)主要是確保風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的通風(fēng)壓力，由于通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要根據(jù)通風(fēng)距離來(lái)調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性，因此導(dǎo)致不同狀態(tài)下兩級(jí)風(fēng)葉驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率分配失衡，使二級(jí)風(fēng)葉電機(jī)過(guò)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(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)不同風(fēng)機(jī)葉片安裝角情況下兩級(jí)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(jià)值。

1 風(fēng)機(jī)仿真分析模型的建立

以FBCD型對(duì)旋式風(fēng)機(jī)為研究對(duì)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(shí)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(jí)風(fēng)機(jī)葉片為13片，第二級(jí)風(fēng)機(jī)的葉片為11片，兩級(jí)風(fēng)機(jī)葉片均采用蟬翼型薄葉片。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)為對(duì)旋運(yùn)行，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，風(fēng)機(jī)第一級(jí)葉片的安裝角為46°，第二級(jí)葉片的安裝角為32°。在風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用了不規(guī)則的四面體網(wǎng)格劃分模式，在兩個(gè)風(fēng)葉處采用加密網(wǎng)格劃分，提高運(yùn)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(wàn)個(gè)，對(duì)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(yùn)行時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此為了在保證分析精度情況下簡(jiǎn)化分析流程，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，以質(zhì)量連續(xù)性方程作為仿真分析方程，在分析的過(guò)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(dòng)的狀態(tài)，以有限體積法對(duì)不同工況下風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)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(duì)對(duì)旋式風(fēng)機(jī)一級(jí)風(fēng)葉和二級(jí)風(fēng)葉的安裝角情況，為了充分對(duì)不同安裝角情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行分析[3]，經(jīng)過(guò)分析，確定對(duì)一級(jí)葉片安裝角分別為44°、46°、49°、55°，二級(jí)風(fēng)葉安裝角分別為29°、32°、35°、41°情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行對(duì)比分析，風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)葉安裝角情況下的運(yùn)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(yàn)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(diǎn)和B點(diǎn)分別表示在運(yùn)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(yùn)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(shí)際情況，通過(guò)分析其最常用的流量區(qū)間針對(duì)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(yùn)行效率的需求。

3 風(fēng)機(jī)電機(jī)功率匹配分析

根據(jù)對(duì)旋式風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性，在通風(fēng)距離短的情況下，第一級(jí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率偏大，第二級(jí)電機(jī)的功率相對(duì)降低，隨著送風(fēng)距離的增加，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行風(fēng)阻逐漸加大，因此第一級(jí)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(jí)電機(jī)運(yùn)行功率的逐漸增大，當(dāng)送風(fēng)距離超過(guò)一定限度時(shí)，就會(huì)造成二級(jí)風(fēng)機(jī)電機(jī)的過(guò)載運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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(jí)電機(jī)的安裝角度越大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)兩級(jí)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(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)仿真分析結(jié)果，針對(duì)性地選擇風(fēng)機(jī)對(duì)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(guò)仿真分析可知，該方案能夠真實(shí)地模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)特性，對(duì)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(jì)，提升運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

針對(duì)對(duì)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(jí)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率匹配性差、風(fēng)機(jī)易燒毀的問(wèn)題，利用仿真分析的方法，對(duì)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(duì)不同工況下風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)特性進(jìn)行研究，能夠在保證分析精度的情況下簡(jiǎn)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(yùn)行效率呈現(xiàn)了較大的變化，因此可以通過(guò)分析風(fēng)機(jī)最常用的流量區(qū)間，針對(duì)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(yùn)行效率的需求；

3）兩級(jí)電機(jī)的安裝角度越大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)兩級(jí)電機(jī)的匹配度越高；

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