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有限公司，山西 呂梁 033000）

引言

對旋式通風機是礦井通風系統中最重要的組成部分，具有結構緊湊、風壓系數大、運行效率高的優點，風機的運行特性直接決定了礦井通風系統的運行安全性和經濟性。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，由于通風系統在運行時需要根據通風距離來調整風機的運行特性，因此導致不同狀態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°。在風機進行網格劃分時，采用了不規則的四面體網格劃分模式，在兩個風葉處采用加密網格劃分，提高運行分析結果準確性，最終在該風機上的網格單元總數量為230萬個，對旋式通風機的三維網格模型如圖1所示[2]。

圖1 風機三維網格模型

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，經過多次驗證，以質量連續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定流動的狀態，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據表現出了極高的重合性，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段內的最高效率和最低效率。根據仿真分析結果可知，在不同安裝角的風葉組合下，風機的運行效率呈現了較大的變化，因此可以根據煤礦井下的實際情況，通過分析其最常用的流量區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，為優化風機設計，提升運行穩定性和經濟性奠定了基礎。

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了較大的變化，因此可以通過分析風機最常用的流量區間，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特性，為優化風機設計，提升運行穩定性和經濟性奠定了基礎。