FBDCZNo.14/2×55型對旋風機性能及電機功率匹配研究

周 磊

（晉能控股煤業集團天安昌都煤業，山西 晉城 048000）

引言

通風系統為煤礦生產中實現換氣、降低工作面粉塵濃度的關鍵設備，其是保證作業人員和煤礦安全生產的主要載體。目前，應用于煤礦通風機的通風設備包括有通風機、壓縮機、鼓風機以及羅茨鼓風機。與普通軸流式通風機相比，對旋風機具有運行效率高、結構緊湊以及通風性能好等優勢，因此被廣泛應用于煤礦生產中[1]。但是，對旋風機在實際應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象造成電機燒毀、風壓失衡的問題，進而影響對旋風機的整體運行效率，影響煤礦的安全生產。為此，重點開展對旋風機性能及電機功率匹配等方面的研究。

1 FBDCZNo.14/2×55型對旋風機結構與參數

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

圖1 FBDCZNo.14/2×55型對旋風機剖面結構圖

如圖1所示，對旋風機的主要結構部件包括有風筒、葉輪、電機、擴散器和消音部件等。本文所研究風機兩級葉輪的葉片數分別為13片和11片，兩個電機均為YBF電機，其通風量最大可達2 772 m3/min，最小靜壓為559 Pa，最大靜壓為6 921 Pa，該型對旋通風機可滿足大部分煤礦的通風需求。本文主要對對旋風機的性能進行試驗，并通過數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FBDCZNo.14/2×55型對旋風機的參數建立相應的三維模型，FBDCZNo.14/2×55型對旋風機的關鍵參數如表1所示。

表1 FBDCZNo.14/2×55對旋風機關鍵結構參數

2 FBDCZNo.14/2×55型對旋風機性能分析

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

2.1 性能試驗

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

經試驗測得環境的大氣壓力為101 325 Pa、大氣的溫度為20℃，風機按照其額定轉速980 r/min運行，并測8組數據，試驗結果如表2所示：

表2 FBDCZNo.14/2×55型對旋風機性能試驗結果

2.2 性能數值模擬

在實際生產中，需根據綜采工作面的實際情況對對旋風機的特性進行調整以保證其通風量、負壓等參數滿足實際生產的需求。一般的，可通過對風機的轉速、葉片安裝角度以及葉片的稠度改變從而實現對風機特性的調整[4]。本節將主要對研究葉片安裝角度對風機性能的影響。

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，本節對這五種情況下旋風機靜壓和效率進行研究，得出如圖2所示的結果：

圖2 葉片安裝角度對風機性能曲線的影響

如圖2-1所示，對旋風機壓力特性曲線均存在一個駝峰，其中駝峰左側為風機的非穩定工作區，存在明顯的波動，容易導致風機在風量、風壓等出現較大的波動，從而導致風機出現振動；而駝峰右側為風機的穩定工作區域。隨著兩級葉輪葉片安裝角度的增加，對應駝峰左側區域面積增大，容易導致風機出現振動、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，對旋風機的效率在很小的流量范圍內下降很快；隨著葉輪葉片安裝角的增加，在同樣的流量變化區間內，對旋風機的效率保持相對穩定。因此，在實際生產中，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機的效率，從而保證通風量滿足生產的需求。

3 FBDCZNo.14/2×55型對旋風機電機功率匹配研究

本節將著重研究不同流量和不同葉片安裝角度對應工況下對旋風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，設定葉輪葉片的額定轉速為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，當對旋風機送風量最大時，對旋風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；隨著對旋風機送風量的減小，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。造成上述現象的主要原因為：對旋風機中的兩個電機分工不同，一級電機主要是對送風量進行保證，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速為980 r/min，并在不同安裝角度時對應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果，僅對結果進行分析：

當兩級葉輪葉片安裝角度為43°/29°、46°/32°時，當對旋風機的送風量增加時對應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 結論

1）可通過降低流量和兩級葉輪的安裝角度提高對旋風機的效率；

2）可將風機送風量適當減小并在合理范圍內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。