基于风机相似理论的矿井主要通风机调节技术

延光生 吴奉亮 李龙清

摘 要：为解决柠条塔煤矿北翼采区供风量不足，通过风机相似理论研究了以调节两翼风机频率与叶片安装角为措施的增风技术。分析了风机相似理论，介绍了风机个体特性曲线与风机类型曲线相互转换的原理。分析了柠条塔煤矿风量不足的现状，计算了两翼主要通风机的类型曲线，通过类型曲线分别生成了风机在多个频率下的性能曲线。最终确定了以增加两翼电机频率与北翼风机叶片安装角为措施的增风方案。方案实施后取得了预期效果，为矿井增风提供了技术支撑。

关键词：流体相似；主要通风机；变频；矿井通风

中图分类号：TD722 文献标识码：A

主要通风机是煤矿通风系统的重要构成部分，其作用举足轻重。矿井通风系统是动态变化的，因此主要通风机存在两个极端运行情况，即矿井通风容易与通风困难时期。我国煤矿广泛使用轴流式主要通风机，早期轴流式风机多是通过改变叶片安装角来调节风机的能力，通风容易时期位于低角度，困难时期往往位于中间档位角度。由于变频调速具备良好的节电性能，目前矿井主要通风机则更多地采用变频的方式来调节主要通风机的性能。

柠条塔煤矿主采煤层分南北两翼开采，形成分区对角式通风系统，两翼主要通风机均装有变频装置，目前北翼通风系统风量不足，但其叶片安装角与电机频率均未到最大。风机性能曲线是进行矿井通风系统分析的基础参数，因此本文通过风机相似理论分析矿井不同转速下的性能，为矿井风量调节提供技术支撑

1 风机相似理论及风机类型曲线

两个通风机相似是指气体在风机内流动过程相似，或者说它们之间在任一对应点的同名物理量之比保持常数，这些常数叫相似常数或比例系数。同一系列风机在相应工况点的流动是彼此相似的，几何相似是风机相似的必要条件，动力相似则是相似风机的充要条件，满足动力相似的条件是雷诺数和欧拉数分别相等。同系列风机在相似的工况点符合动力相似的充要条件。风机的类型曲线是描述相似风机共同特性的参数，类型曲线包括压力系数、风量系数和功率系数，三个参数都是无因次的，根据个体特性曲线计算类型系数的公式如下：

（1）

（2）

（3）

式中：D表示风机叶论外缘直径，m；u圆周速度，m/s，计算公式为u=3.14nD/60，n表示风机每分钟的转数；ρ表示风流密度，kg/m3；H表示风机风压，Pa；Q是风机风量，m3/s；N是风机轴功率，kW；η是风机效率，%。

根据风机个体特性曲线中的Q、H、N、D，利用式（1）、（2）和（3）就可以计算出该系列风机的、、。然后以为横坐标，以、和η为纵坐标，绘出-、-和η-曲线，此曲线即为该系列风机的类型特性曲线。本文主要用到风量风压性能曲线。

2 柠条塔矿主要通风机性能分析

柠条塔矿南北两翼主要通风机型号分别为BD-II-8-No28、FBCDZ-8-No28，其在额定转速、标准状态（空气密度为1.2kg/m3）下的个体特性曲线如图1所示。

目前北翼主要通风机叶片角为0°、电机频率为39Hz；南翼叶片角为31°，电机频率为32Hz。为得到当前频率下风机性能曲线，在图1曲线中对每个叶片安装角曲线取10个样点，并分别代入式（1）、式（2），得到风机类型曲线如图2，其中两翼当前在用叶片安装角的类型系数见表1。

3 风机调节方案

3.1 柠条塔矿通风现状

柠条塔煤矿分南北两翼分区开采，主采煤层1-2煤、2-2煤，各煤层均布置两进一回三条大巷，形成两翼分区式通风系统，目前矿井北翼最远通风路线约16680m。南、北翼主要通风机叶片安装角分别为31°和0°，电机频率分别为32Hz、39Hz。根据式（1）、式（2）可以求得两翼风机在当前频率下的性能曲线如图3所示，图中工况点是采用网络解算软件模拟得到的，分别是（143.4m3/s，529.5Pa）、（169.0m3/s，1129.2Pa），经现场观测工况点与实际数据吻合。

3.2 风机调节方案

根据生产接续情况，矿井将在北翼布置3个采煤工作面，3个备用工作面，8个掘进工作面，加上其它用风点，矿井北翼总需风量为268m3/s，目前总风量169m3/s，风量明显不足。

为增加北翼风量，将北风机调至可用的最大叶片角2.5度、频率50Hz，南翼风机保持现状，此时两翼工况如图4所示，可见北翼风量有较大增加，但南翼风量下降。

为使南翼风量不变，将其频率调到35Hz，此时两翼工况如图5所示。可见北翼风量达到248.5m3/s，有效增加了风量，同时南翼风机通风阻力增加，但保证了其风量不受北翼调节影响。因此最终确定按此方案调节两翼风机来增加北翼风量。

结论

通过风机相似理论，得到了柠条塔矿井主要通风机不同转速下的性能曲线，制定了以调节两翼主要通风机为措施的增风方案，方案实施后，达到了预期效果，主要结论包括：（1）通风机在不同转速下的风机性能符合风机相似理论，矿井通风管理中可以由额定转速下的性能曲线生成风机的无因次类型曲线，再通过类型曲线可以求得风机在任意转速、任意风流密度下的性能曲线。（2）多风机系统中，当增加一翼风机的动力时，本翼风机风量增加，但同时也会增加另一翼风机的阻力，会减小其风量。（3）通过将柠条塔煤矿北翼风机叶片安装角与转速调至最大，同时将南翼风机频率由32Hz增加至35Hz，实现了保持南翼风量不变的情况下，北翼风机增风79.5m3/s。

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