矿井通风机双电机功率平衡控制技术的应用

杨鸿飞

（山西煤炭运销集团新工煤业有限公司，山西 吕梁 033000）

引言

对旋式通风机是矿井通风系统中最重要的组成部分，具有结构紧凑、风压系数大、运行效率高的优点，风机的运行特性直接决定了矿井通风系统的运行安全性和经济性。对旋式通风机采用了双风机运行结构，一级风机主要是保证等级运行时的风量供应，二级风机主要是确保风机运行时的通风压力，由于通风系统在运行时需要根据通风距离来调整风机的运行特性，因此导致不同状态下两级风叶驱动电机的功率分配失衡，使二级风叶电机过载烧毁，给煤矿井下的通风安全造成了极大的隐患[1]。本文以流体动力学为基础，对不同风机叶片安装角情况下两级电机的功率匹配度进行了分析，具有极大的应用推广价值。

1 风机仿真分析模型的建立

以FBCD型对旋式风机为研究对象，利用三维建模软件，建立起仿真分析模型，为确保分析结果的准性，风机模型的建立应按照实物风机进行1∶1的等比例建模。该风机的第一级风机叶片为13片，第二级风机的叶片为11片，两级风机叶片均采用蝉翼型薄叶片。风机在运行时为对旋运行，额定转速为1 000 r/min，风机第一级叶片的安装角为46°，第二级叶片的安装角为32°。在风机进行网格划分时，采用了不规则的四面体网格划分模式，在两个风叶处采用加密网格划分，提高运行分析结果准确性，最终在该风机上的网格单元总数量为230万个，对旋式通风机的三维网格模型如图1所示[2]。

图1 风机三维网格模型

由于风机在运行时内部流场结构相对复杂，因此为了在保证分析精度情况下简化分析流程，经过多次验证，以质量连续性方程作为仿真分析方程，在分析的过程中假设气流在风机内是不进行热交换且处于稳定流动的状态，以有限体积法对不同工况下风机内部的流场特性进行研究。

2 不同安装角下风机效率的变化

针对对旋式风机一级风叶和二级风叶的安装角情况，为了充分对不同安装角情况下的风机运行特性进行分析[3]，经过分析，确定对一级叶片安装角分别为44°、46°、49°、55°，二级风叶安装角分别为29°、32°、35°、41°情况下的风机运行特性进行对比分析，风机在不同风叶安装角情况下的运行效率曲线如图2所示。

图2 不同安装角下风机效率变化曲线

由图2可知，当风机在安装角分别为44°和29°情况下的仿真分析结果和试验数据表现出了极高的重合性，表明了该仿真分析的有效性，图中A点和B点分别表示在运行区段内的最高效率和最低效率。根据仿真分析结果可知，在不同安装角的风叶组合下，风机的运行效率呈现了较大的变化，因此可以根据煤矿井下的实际情况，通过分析其最常用的流量区间针对性地选择风机叶片的最佳安装角组合情况，满足风机运行效率的需求。

3 风机电机功率匹配分析

根据对旋式风机的运行特性，在通风距离短的情况下，第一级驱动电机的输出功率偏大，第二级电机的功率相对降低，随着送风距离的增加，风机系统内的运行风阻逐渐加大，因此第一级电机的负载功率首先达到最高，然后风量降低、风压升高，随着二级电机运行功率的逐渐增大，当送风距离超过一定限度时，就会造成二级风机电机的过载运行，使风机运行时的发热量增加、轴承温度迅速上升，最终导致风机电机的烧毁[4]。因此需要合理地分配风机运行时的功率，在确保通风稳定情况下的提升电机安全性，不同风叶安装角情况下的功率分配如图3所示。

图3 不同安装角下的电机功率匹配情况

由仿真分析结果可知，两级电机的安装角度越大，风机运行时两级电机的匹配度越高，电机输出的功率同步增加，因此在对风机进行设计时，可以根据仿真分析结果，针对性地选择风机对应的风叶安装角，以提升矿井通风系统的通风安全。

通过仿真分析可知，该方案能够真实地模拟风机运行时的状态特性，对不同风机叶片安装角下的通风特性进行了研究，为优化风机设计，提升运行稳定性和经济性奠定了基础。

4 结论

针对对旋式通风机在远距离供风的情况下风量急剧下降、两级风机驱动电机功率匹配性差、风机易烧毁的问题，利用仿真分析的方法，对不同叶片安装角情况下的风机功率匹配情况进行了研究，结果可知：

1）以质量连续性方程作为仿真分析方程，以有限体积法对不同工况下风机内部的流场特性进行研究，能够在保证分析精度的情况下简化分析流程；

2）在不同安装角的风叶组合下，风机的运行效率呈现了较大的变化，因此可以通过分析风机最常用的流量区间，针对性地选择风机叶片的最佳安装角组合情况，满足风机运行效率的需求；

3）两级电机的安装角度越大，风机运行时两级电机的匹配度越高；

4）利用仿真分析的方法，能够真实地模拟风机运行时的状态特性，为优化风机设计，提升运行稳定性和经济性奠定了基础。