矿用两级不同转速时对旋风机性能分析.pdf

收稿日期:2023 03 09作者简介:秦 浩(1989-),男,山西襄垣县人,助理工程师,从事生产技术工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.028矿用两级不同转速时对旋风机性能分析秦 浩(山西焦煤山煤国际大平煤业有限公司,山西 襄垣 046200)摘 要:以 FBDNo.5 对旋风机为例,介绍一种两级不同转速时对旋风机性能仿真分析方法。此方法主要采用 Fluent 流体力学计算软件,从功率特性和静压分布两个角度实现对旋风机的性能进行仿真分析。为确认仿真分析法的应用价值,将仿真分析法与工业性试验法进行匹配对比,最终确认仿真分析法获取的对旋风机性能分析结果精准性较高,可满足对旋风机性能分析使用需求。关键词:对旋风机;功率特性;静压分布;数值仿真;Fluent中图分类号:TD441 文献标识码:B 文章编号:1005 2798(2023)09 0098 03 对旋风机作为一种多级气动力和电磁力共同作用的机电一体化设备,其在煤矿井下长距离送风中存在前后两级电机功率匹配不当等问题,相关问题的存在导致旋风机存在工作效率低、整体发热大等情况,严重时甚至造成电机损毁故障。常用的矿用两级电机功率匹配研究多采用理论计算法,但该方法存在精准性差、直观性不足等缺陷,不利于提高对旋风机的应用性能。据此,以 FBDNo.5 对旋风机为例,结合数值仿真模拟方法,实施对旋风机性能数值仿真分析,增强对旋风机性能分析效率和效果。1 矿用对旋风机仿真模型构建FBDNo.5 对旋风机的前后两级电机额定功率均为 7.5 kW,额定转速为 2 900 r/min,一级叶轮的叶片数量为 12 片,二级叶轮的叶片数量为 10 片,一级和二级叶片安装角度分别为 43和 25.5,对旋风机轮毂比为 0.65.根据对旋风机基本结构,选用 Fluent 流体力学计算软件构建数值仿真模型。在实施对旋风机模型剖分时,采用无滑移壁面函数法进行网格剖分,其中一级、二级旋转流体区域适当增加网格密度,其他区域可适当降低网格密度。为方便数值仿真分析,仿真过程设置为标准大气压下,并忽略对旋风机自重以及空气浮力,假定流体时刻处于连续均匀状态,对旋风机内部流场不可压缩,气体在对旋风机内部的流动表现为轴对称特点,并且在两级叶轮前后的流动轴向平衡。数值仿真分析中主要考虑对旋风机变极调速下的 4 种工况,具体如下:工况 1:一级电机和二级电机的转速均为2 900 r/min,即对旋风机变频调速范围为 2 900 2 900 r/min;工况 2:一级电机和二级电机的转速均为1 450 r/min,即对旋风机变频调速范围为 1 450 1 450 r/min;工况 3:一级电机转速为 2 900 r/min,二级电机转速为 1 450 r/min,即对旋风机变频调速范围为2 9001 450 r/min;工况 4:一级电机转速为 1 450 r/min,二级电机转速为 2 900 r/min,即对旋风机变频调速范围为1 4502 900 r/min.2 两级不同转速时对旋风机功率特性仿真分析2.1 全压特性两级不同转速时对旋风机全压特性数值仿真结果如图 1 所示。根据数值仿真结果可知,当对旋风机变频调速范围为 2 900 2 900 r/min 和 1 450 1 450 r/min时,一级叶轮和二级叶轮的全压基本保持一致,并且基本实现等负载分配效果;当对旋风机变频调速范围为 2 9001 450 r/min 和 1 4502 900 r/min 时,一级叶轮与二级叶轮全压差异较大,并且未实现等负载分配效果。其中,转速为 2 9001 450 r/min 时的一级叶轮全压明显高于二级叶轮;转速为 1 4502 900 r/min 时的一级叶轮全压低于二级叶轮。由此可见,在同一台对旋风机中,电机转速越快,气流流过对旋风机后所获取的全压升也就越大。对比工况 3 和工况 4 可知,一级叶轮的全压升差值大于二级叶轮全压升差值,因为对旋风机正常问问题题探探讨讨 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月运行时,两级叶轮之间存在导叶作用,一级叶轮转速高于二级叶轮时,二级叶轮的功率较大,气流通过一级叶轮时获取的能力较大,而二级叶轮功率较低,由于尾迹的干涉作用影响,二级叶轮将会对气流做一部分负功。图 1 一级叶轮全压特性曲线2.2 功率特性两级不同转速时,对旋风机功率特性数值仿真结果如图 2 所示。图 2 一级叶轮功率特性曲线 根据数值仿真结果可知,对旋风机一级叶轮和二级叶轮功率变化与一级叶轮和二级叶轮的全压升变化基本一致。在一级电机与二级电机转速一致时,对旋风机两级功率相同,可实现等负载分配;在两级转速不同时,两级功率差距较大,无法实现等负载分配。3 两级不同转速时对旋风机静压分布仿真分析 3.1 整机静压分布整机静压分布数值仿真分析主要考虑工况 3 和工况 4 两种两级不同转速工况。具体数值仿真结果如图 3 所示。根据数值仿真结果可知,增加转速可实现降低对旋风机入口集流器静压的作用,并且随着风机内部流体流速的持续增加,风机集流器静压损失也随之加大。因此,一级叶轮转速为 2 900 r/min 时比一级叶轮转速为 1 450 r/min 时,风机集流器具备更小的静压;从轴向静压角度来看,气流在进入对旋风机内部后,风机的静压持续提升,而在风机入口扩散器附近区域的静压则略有下降。图 3 转速为 2 9001 450 r/min 时整机静压分布3.2 速度矢量分布速度矢量分析同样仅考虑两种两级不同转速工况,具体仿真结果如图 4 所示。图 4 转速为 2 9001 450 r/min 时轴向速度矢量分布 根据数值仿真结果可知,在两种两级不同转速工况下,气流在从对旋风机二级叶轮区域流出后,其流速开始表现出分布不均情况,说明此时气流流速并不完全一致,存在一定涡流现象。同时,从两级叶轮区域来看,两级不同转速工况下的气流径向流动速度明显大于两级转速箱体下的气流径向流动速度。3.3 流体轨迹分布对 4 种变频工况下,对旋风机流体轨迹分布进行数值仿真分析,其中,转速为 2 9002 900 r/min时流体轨迹分布如图 5 所示。图 5 转速为 2 9002 900 r/min 时流体轨迹分布 根据仿真结果可知,两级不同转速工况下,气流进入叶轮前的速度方向与两级相同转速工况下气流进入叶轮前的速度方向保持一致,而在气流从二级叶轮流出后,转速为 2 9001 450 r/min 时气流旋转速度方向与一级叶轮旋转方向保持一致;转速为1 4502 900 r/min 时气流旋转速度方向与二级叶轮旋转方向保持一致。由此可见,对旋风机中转速99第 9 期 秦 浩:矿用两级不同转速时对旋风机性能分析 较大的叶轮对风机内部气流的流动方向影响较大。4 不同转速时对旋风机性能仿真分析法的工程应用 采用风管式通风机空气动力性能实验装置开展工业性试验分析,具体实验装置涉及设备包括 FBD-No.5 对旋风机、多孔整流栅、风机试验管道、节流铁网、集流器、压力计、功率计、大气压力计、温度计等。组装实验装置,对各类计量设备进行校准处理后,开展工程试验分析。具体分析以 2 900 2 900 r/min工况为例,分析标准大气压力、20 环境下对旋风机全压,具体分析结果如表 1 所示。表 1 两种分析方法的对比结果方法容积流程/(m3h-1)13 35113 14212 89212 38412 11011 64611 199仿真分析法的风机全压/Pa1 4681 6691 8782 3712 6372 8072 798工业性试验法的风机全压/Pa1 4731 6751 8842 3782 6452 8122 804差异率/%0.340.360.320.290.300.180.21 如表 1 所示,相较于工业性试验法所获取的分析结果,仿真分析法获取的结果均偏小,但两种方法所获取结果之间最大差异率为 0.36%,实际差异较小,可确认仿真分析法获取的结果精准性较高。5 结 语综上所述,以 FBDNo.5 对旋风机为例,介绍一种两级不同转速时对旋风机性能仿真分析方法。此方法可通过数值仿真模拟软件,从功率特性和静压分布两个角度实现对旋风机的性能仿真分析。结合工业性试验结果可知,仿真分析法所获取的分析结果精准性较高,可作为后续矿用两级不同转速时对旋风机性能分析方法。同时,相较于工业性试验法,仿真分析法无需准备过多试验仪器设备,分析成本较低、仿真分析效率较高,具有更强的应用优势。参考文献:1 郑 楠,叶学民,胡佳密,等.齿形襟翼及跨度对对旋风机气动性能影响的数值研究J.动力工程学报,2021,41(12):1 081-1 089.2 周 磊.FBDCZNo.14/255 型对旋风机性能及电机功率匹配研究J.机械管理开发,2021,36(5):59-61.3 韩 伟,徐俊,史凤霞,等.基于变转速控制的对旋轴流泵混输特性分析J.液压气动与密封,2022,42(9):6-13.4 张林森,胡 平,宁小玲.对旋风机用对转永磁同步电机双转子同步技术J.电机与控制应用,2021,48(1):61-67.5 赵智胜.两级叶轮转速匹配下的通对旋风机性能研究J.机械管理开发,2021,36(4):100-101,121.本期编辑:王伟瑾(上接第 97 页)32 mm、15 mm,围岩变形较小,表明现场采用的深孔帷幕注浆技术以及围岩支护技术取得较好成果。参考文献:1 贺红宙.软岩巷道过导水断层围岩控制技术研究J.江西煤炭科技,2022(1):91-93.2 张家贵.断层破碎带注浆加固防治水技术应用J.山西化工,2021,41(6):176-178.3 张文明.巷道掘进过导水断层深孔帷幕注浆技术应用研究J.山西能源学院学报,2020,33(1):12-14.4 王俊良.过导水断层软岩巷道围岩稳定控制技术J.煤矿安全,2020,51(12):85-92,99.5 薛建坤.基于靶面帷幕注浆的导水断层治理技术J.中国煤炭地质,2020,32(5):49-52.6 刘广超.高水压大断层时效性注浆加固技术研究J.煤炭工程,2018,50(9):43-46.7 张自政,李树清,于宪阳,等.深井穿断层回采巷道围岩变形机理与稳定控制对策J.湖南科技大学学报:自然科学版,2020,35(1):10-16.8 陈和平,朱健伟,郭爱江.帷幕注浆技术在巷道过断层中的应用J.能源科技,2021,19(5):21-25.9 高连荣.巷道掘进过导水断层水害防治技术研究J.中国矿山工程,2020,49(2):21-23.10 王剑峻.巷道通过导水断层的帷幕注浆工程J.中国矿山工程,2017,46(1):33-36,65.11 王占银.大断面巷道过导水断层破碎带施工技术J.神华科技,2016,14(6):29-31,38.本期编辑:王伟瑾001 第 32 卷