基于正交优化法的矿井通风机通风特性优化研究

续云飞

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部成庄矿， 山西 晋城 048000）

引言

煤炭作为国民经济发展的基础，对推动人类科技的进步具有十分重要的作用。随着煤矿综采作业深度不断增加，对矿井通风系统的运行稳定性提出了更高要求。矿井通风系统在运行过程的电能消耗量占据了煤矿电能总消耗量的20%以上，是影响煤矿综合生产效益的重要因素[1]。针对目前矿井通风系统在运行过程中所存在的全压效率低、运行经济性差，难以满足矿井通风系统通风稳定性需求的现状，本文提出了基于正交优化法的矿井通风机通风特性优化方案。

1 模型分析及正交优化

本文以对旋式轴流通风机为研究对象，风机有前后两级风叶，在运行过程中两级风叶以相同的转速朝相反的方向运行，为了避免涡流，同时降低运行时的噪声，两级叶片安装时会选择不同的安装角。以某型对旋式轴流通风机为例，其电机转速约为560 r/min，前叶片安装角为64°，后叶片的安装角为42°，叶片的叶顶间隙为9 mm。利用三维建模软件建立该对旋轴流式通风机的三维结构模型，并采用混合网格[2]划分的方案，在叶片和叶轮接触的位置采用非结构网格进行加密划分，在其他区域采用结构网格划分，从而保证分析准确性和分析效率的平衡，共计划分网格950万个，网格划分后的对旋式轴流通风机的整体结构如图1 所示。

图1 通风机整体及局部网格划分结果示意图

正交优化法是一种通过对多组数值进行一定规律的组合，来确定不同数值之间最佳匹配关系的实验方案，由于风机叶轮的运转速度和安装角对风机运行的效率、风压、噪声和振动等均有极大的影响，直接关系到风机运行时的通风特性，因此为了进一步提升风机运行性能，本文对风机的转速和安装角进行重新组合验证，获取最佳匹配参数。在风机现有参数的基础上，本文根据前期摸底验证结果，制定的正交参数优化组合如下页表1 所示。

表1 正交参数组合表

为了对风机运行时的通风特性进行分析，本文选择了表现风机性能的关键指标，即全压效率和全压作为分析对象，利用FLUENT 流体仿真分析软件[3]对不同组合情况下的风机运行特性进行分析。为了确保分析结果的准确性，在分析时采用了湍流模型[4]，以风机运行时的临界质量流量64 kg/s 为运行工况，对不同组合情况下的风机运行全压和全压效率进行分析，结果汇总如下页表2 所示。由分析结果可知，组合5方案下的风机全压效率最高，达到了83.70%，此时的全压为569.16 Pa。组合4 方案下的全压最高，达到了1 003.2 Pa，但此时的全压效率仅为65.72%。综合对比分析后发现，当采用组合1 方案下风机的全压效率为83.33%，工作时的全压为799.05 Pa，具有最佳的通风运行特性。

表2 不同组合情况下的风机运行特性

2 优化后分析验证

为了对优化后的对旋式轴流通风机的通风特性进行分析，本文选择风机在不同质量流量下的全压效率和全压情况进行分析，风机在正常运行情况下的质量流量为80 kg/s，因此选择对风机在可变流量50～120 kg/s 工况下的通风特性，优化前后风机的全压效率和全压变化曲线，如图2 所示。

由图2 可知，优化前后风机运行时的全压效率均随着质量流量的增加而降低，在80～92 kg/s 时风机的全压效率最高，达到了80%以上，但优化后风机在小流量运行区间和大流量运行区间的效率均显著高于优化前，特别是在风机最常运行的60～75 kg/s 流量区间，优化后风机的运行效率比优化前提升了约24.1%，而且在大流量区间风机的最小运行效率也在70%以上，能够更好地适应变频调速风机的全流域范围内通风稳定性的需求。

图2 优化前后风机的通风特性变化曲线

在运行过程中，风机的全压也是随着质量流量的增加先降低然后逐渐升高，当达到最高值时又急剧降低。在质量流量小于92 kg/s，风机优化前后的全压变化情况基本一致。但当风机在大流量工况下运行时，优化后风机的全压显著高于优化前。当流量工况为120kg/s 时，优化后风机的全压比优化前提升了约4 倍。

由实际验证结果可知，优化后风机运行时的通风特性得到了显著的提升，有效解决了对旋式轴流通风机在低流量工况和高流量工况下运行时全压效率低、运行经济性差，难以满足矿井通风系统通风稳定性需求的现状，取得了良好的应用效果，具有较大的应用推广效果。

3 结论

针对现有对旋式轴流通风机在低流量工况和高流量工况下运行时全压效率低、运行经济性差，难以满足矿井通风系统通风稳定性需求的现状，提出了基于正交优化法的矿井通风机通风特性优化方案，利用正交优化法对风机不同叶轮转速和叶片安装角情况下的通风特性进行研究，根据实际应用表明：

1）风机前叶轮转速为560 r/min、后叶轮转速为410 r/min、前叶片安装角为64°、后叶片安装角为40°的情况下具有最佳的运行特性。

2）优化后风机的全压效率比优化前提升了约24.1%，风机在运行过程中的全压提升了4 倍，极大地提升了矿井通风系统的运行稳定性和经济性。