礦井通風機雙電機功率平衡控制技術的應用

楊鴻飛

（山西煤炭運銷集團新工煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000）

引言

對旋式通風機是礦井通風系統(tǒng)中最重要的組成部分，具有結構緊湊、風壓系數(shù)大、運行效率高的優(yōu)點，風機的運行特性直接決定了礦井通風系統(tǒng)的運行安全性和經(jīng)濟性。對旋式通風機采用了雙風機運行結構，一級風機主要是保證等級運行時的風量供應，二級風機主要是確保風機運行時的通風壓力，由于通風系統(tǒng)在運行時需要根據(jù)通風距離來調整風機的運行特性，因此導致不同狀態(tài)下兩級風葉驅動電機的功率分配失衡，使二級風葉電機過載燒毀，給煤礦井下的通風安全造成了極大的隱患[1]。本文以流體動力學為基礎，對不同風機葉片安裝角情況下兩級電機的功率匹配度進行了分析，具有極大的應用推廣價值。

1 風機仿真分析模型的建立

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

圖1 風機三維網(wǎng)格模型

由于風機在運行時內部流場結構相對復雜，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，以質量連續(xù)性方程作為仿真分析方程，在分析的過程中假設氣流在風機內是不進行熱交換且處于穩(wěn)定流動的狀態(tài)，以有限體積法對不同工況下風機內部的流場特性進行研究。

2 不同安裝角下風機效率的變化

針對對旋式風機一級風葉和二級風葉的安裝角情況，為了充分對不同安裝角情況下的風機運行特性進行分析[3]，經(jīng)過分析，確定對一級葉片安裝角分別為44°、46°、49°、55°，二級風葉安裝角分別為29°、32°、35°、41°情況下的風機運行特性進行對比分析，風機在不同風葉安裝角情況下的運行效率曲線如圖2所示。

圖2 不同安裝角下風機效率變化曲線

由圖2可知，當風機在安裝角分別為44°和29°情況下的仿真分析結果和試驗數(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)段內的最高效率和最低效率。根據(jù)仿真分析結果可知，在不同安裝角的風葉組合下，風機的運行效率呈現(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)間針對性地選擇風機葉片的最佳安裝角組合情況，滿足風機運行效率的需求。

3 風機電機功率匹配分析

根據(jù)對旋式風機的運行特性，在通風距離短的情況下，第一級驅動電機的輸出功率偏大，第二級電機的功率相對降低，隨著送風距離的增加，風機系統(tǒng)內的運行風阻逐漸加大，因此第一級電機的負載功率首先達到最高，然后風量降低、風壓升高，隨著二級電機運行功率的逐漸增大，當送風距離超過一定限度時，就會造成二級風機電機的過載運行，使風機運行時的發(fā)熱量增加、軸承溫度迅速上升，最終導致風機電機的燒毀[4]。因此需要合理地分配風機運行時的功率，在確保通風穩(wěn)定情況下的提升電機安全性，不同風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功率匹配情況

由仿真分析結果可知，兩級電機的安裝角度越大，風機運行時兩級電機的匹配度越高，電機輸出的功率同步增加，因此在對風機進行設計時，可以根據(jù)仿真分析結果，針對性地選擇風機對應的風葉安裝角，以提升礦井通風系統(tǒng)的通風安全。

通過仿真分析可知，該方案能夠真實地模擬風機運行時的狀態(tài)特性，對不同風機葉片安裝角下的通風特性進行了研究，為優(yōu)化風機設計，提升運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性奠定了基礎。

4 結論

針對對旋式通風機在遠距離供風的情況下風量急劇下降、兩級風機驅動電機功率匹配性差、風機易燒毀的問題，利用仿真分析的方法，對不同葉片安裝角情況下的風機功率匹配情況進行了研究，結果可知：

1）以質量連續(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機內部的流場特性進行研究，能夠在保證分析精度的情況下簡化分析流程；

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

3）兩級電機的安裝角度越大，風機運行時兩級電機的匹配度越高；

4）利用仿真分析的方法，能夠真實地模擬風機運行時的狀態(tài)特性，為優(yōu)化風機設計，提升運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性奠定了基礎。