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)
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),一級風機主要是保證等級運行時的風量供應(yīng),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(diào)整風機的運行特性,因此導(dǎo)致不同狀態(tài)下兩級風葉驅(qū)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(xué)為基礎(chǔ),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(yīng)用推廣價值。
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(jié)果的準性,風機模型的建立應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)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(nèi)部流場結(jié)構(gòu)相對復(fù)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(zhì)量連續(xù)性方程作為仿真分析方程,在分析的過程中假設(shè)氣流在風機內(nèi)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(nèi)部的流場特性進行研究。
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(jié)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(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。
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(qū)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(nèi)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(dǎo)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(jié)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(shè)計時,可以根據(jù)仿真分析結(jié)果,針對性地選擇風機對應(yīng)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(shè)計,提升運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性奠定了基礎(chǔ)。
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(qū)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(jié)果可知:
1)以質(zhì)量連續(xù)性方程作為仿真分析方程,以有限體積法對不同工況下風機內(nèi)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(shè)計,提升運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性奠定了基礎(chǔ)。