礦用對旋軸流式通風(fēng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

梁成帥

（陽煤二礦調(diào)度室工程隊(duì)， 山西 陽泉 045000）

引言

對旋軸流風(fēng)機(jī)因具有效率高、風(fēng)量大和風(fēng)壓高的優(yōu)點(diǎn)在我國煤礦中大量應(yīng)用[1]。但隨著我國煤礦生產(chǎn)機(jī)械化程度的提高，井下工作面對風(fēng)量和風(fēng)壓的要求更高。

某礦以兩臺對旋軸流式風(fēng)機(jī)作為主通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)分別由兩部同型號的防爆電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。該礦采用調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的葉片角度和風(fēng)道節(jié)流板的方式對風(fēng)量進(jìn)行控制。其中一臺風(fēng)機(jī)曾因機(jī)殼與銅襯連接處的鉚釘松動(dòng)脫落，將多片葉片擊碎，導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)無法提供風(fēng)流。在對風(fēng)機(jī)損傷的葉片進(jìn)行更換后出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象影響風(fēng)機(jī)的工作。對故障風(fēng)機(jī)進(jìn)行仔細(xì)檢查后，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)還存在級性能不匹配、喘振裕度不足和效率低下的問題。

從經(jīng)濟(jì)成本和適用性的設(shè)計(jì)原則出發(fā)，選擇對原通風(fēng)機(jī)的葉輪進(jìn)行改進(jìn)的方案。通過對葉輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，排除了通風(fēng)機(jī)喘振的故障，解決了級性能不匹配、喘振裕度不足和效率低下的問題，并使葉輪的重量下降了12%，有利于節(jié)約電能。

1 原軸流式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

原對旋軸流式通風(fēng)機(jī)包括支撐板、葉輪、電動(dòng)機(jī)和機(jī)殼等部件（如圖1所示）。葉輪段的前后設(shè)有非均勻布置的支撐板。兩級葉輪均為機(jī)翼型的鑄鋼葉片（如圖2所示）。電動(dòng)機(jī)通過螺釘在固定架上固定。機(jī)殼之間采用螺釘連接法蘭盤的方式連接。機(jī)殼與輪轂均由鋼板焊接而成。

2 風(fēng)機(jī)性能要求

根據(jù)煤礦的通風(fēng)需求，在保證電動(dòng)機(jī)功率不變的前提下，改進(jìn)后的通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)要求如表1所示。

在調(diào)查通風(fēng)機(jī)的喘振問題時(shí)發(fā)現(xiàn)，喘振出現(xiàn)在進(jìn)口的負(fù)壓為2.2～2.6 kPa這個(gè)區(qū)間內(nèi)，為使工作點(diǎn)的喘振裕度提高，將設(shè)計(jì)點(diǎn)的進(jìn)口負(fù)壓定為2.7 kPa，并且對風(fēng)機(jī)的扇葉進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。為方便改進(jìn)后的通風(fēng)機(jī)葉片角度的調(diào)節(jié)，選擇鑄鋁材質(zhì)的葉片，此種設(shè)計(jì)滿足相關(guān)規(guī)范和風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

3 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

為在保證功率不變的條件下仍能滿足設(shè)計(jì)的性能和重量的要求，本設(shè)計(jì)參考航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)體系進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。

3.1 總體氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)

采用處于先進(jìn)水平的準(zhǔn)三維S2流面通流計(jì)算程序進(jìn)行總體氣動(dòng)布局的設(shè)計(jì)。此方法的設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確而且合理，已被廣泛的應(yīng)用于國內(nèi)外的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)。根據(jù)兩類相對流面理論建立流動(dòng)方程，通過求解流動(dòng)方程得到流場的氣動(dòng)布局。

基于只改進(jìn)風(fēng)機(jī)的葉輪段和原有葉輪與通風(fēng)機(jī)對接問題，因此，不對通風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行過大的改變。由于流道是非對稱的，綜合抽氣與吸氣效率的考慮，選擇平直型流道設(shè)計(jì)。

3.2 葉片設(shè)計(jì)

采用高效可控的擴(kuò)散葉型造型技術(shù)對通風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)。此種方法可以在降低葉片的厚度，減輕葉片的重量的同時(shí)，保證葉輪的高稠度和高裕度。并且輕質(zhì)的葉片有利于降低輪盤的負(fù)荷。通過參考航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的葉片設(shè)計(jì)，選用彎曲堆積、徑向扭轉(zhuǎn)和局部前掠的葉片造型，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)前后的通風(fēng)機(jī)葉片

3.3 數(shù)值仿真驗(yàn)算

利用三維仿真計(jì)算軟件Numeca對設(shè)計(jì)完成后的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分析和修正以確定葉片的最佳安裝角度。在煤礦的生產(chǎn)過程中，通風(fēng)機(jī)在不同時(shí)期的工作風(fēng)壓存在差異，可以通過調(diào)整葉片的角度來調(diào)節(jié)不同進(jìn)口負(fù)壓條件下的通風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量，以保證通風(fēng)機(jī)的工作效率[2]。設(shè)計(jì)了三種葉片角度調(diào)節(jié)方案，如表2所示。

表2 三種葉片調(diào)節(jié)方案及適用條件

如圖4所示，為三種葉片調(diào)節(jié)方案的Numeca模擬結(jié)果。由圖可知：在進(jìn)口負(fù)壓為3.0 kPa時(shí)，選用方案二的葉片角度方案時(shí)，通風(fēng)機(jī)的流量3 850 m3/min，滿足設(shè)計(jì)要求的3 400 m3/min；絕熱效率為91%，大于設(shè)計(jì)要求的80%。在進(jìn)口負(fù)壓為2.0 kPa時(shí)，此時(shí)模擬的是反風(fēng)工況。在反風(fēng)工作時(shí)的流量為正常供風(fēng)量的60%，大于設(shè)計(jì)要求的40%。因此，設(shè)計(jì)的葉片滿足指標(biāo)要求。

4 結(jié)構(gòu)與工藝改進(jìn)

通過分析風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合第3節(jié)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行如下改進(jìn)：

1）改進(jìn)葉片與輪轂的材質(zhì)。用優(yōu)質(zhì)鑄鋁ZL105A制作葉片和輪轂，并且在葉片表面噴涂滿防護(hù)漆，此項(xiàng)改進(jìn)不僅可以滿足性能要求，還能降低葉輪組件的重量，葉輪部分重量減輕可以使電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷降低還能減少葉輪軸部的磨損，延長葉輪的使用壽命。

圖4 三種葉片調(diào)節(jié)方案的Numeca模擬結(jié)果

2）改變輪轂連接方式。原風(fēng)機(jī)的葉輪輪轂采用焊接方式將前盤與后盤連接在一起，這種連接方式極易因?yàn)楹附哟嬖诹严秾?dǎo)致風(fēng)機(jī)在工作過程中出現(xiàn)故障。因此，采用螺栓連接輪轂的前盤與后盤的結(jié)構(gòu)，此種設(shè)計(jì)可提高輪轂的可靠性。

3）改變銅襯與機(jī)殼的連接方式。銅襯仍通過鉚釘固定在機(jī)殼上，但將鉚釘?shù)念^部留在機(jī)殼外部的部分與機(jī)殼焊接在一起，通過兩重保護(hù)避免鉚釘脫落損傷葉片，并且將銅襯焊接在機(jī)殼的內(nèi)部以提高結(jié)構(gòu)的安全性。

4）改變?nèi)~片調(diào)節(jié)方式。原風(fēng)機(jī)通過參考葉輪輪轂外部的刻度對葉片的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方式存在較大的誤差。在葉片安裝處設(shè)置不同的限位塊，在進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)只需要旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置即可。

5）采用金屬澆筑、機(jī)加成形工藝鑄造葉片與輪轂，并且在鑄造成型后利用校正模進(jìn)行校正，校正完成后在表面噴涂上防護(hù)漆延長部件的使用壽命。

6）其他改進(jìn)。擴(kuò)大前、后支撐板與葉輪之間的軸向距離，避免支撐板影響到葉輪氣流；使葉輪組件保持動(dòng)平衡，增強(qiáng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性；采用鋼板卷制、焊接與機(jī)加成形工藝鑄造機(jī)殼以降低生產(chǎn)成本。

5 現(xiàn)場驗(yàn)證

將通風(fēng)機(jī)按設(shè)計(jì)改進(jìn)后進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，在風(fēng)機(jī)的進(jìn)口負(fù)壓為2.2～2.6 kPa時(shí)，并未出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，因此，本設(shè)計(jì)排除了原風(fēng)機(jī)存在的喘振問題。通過在主通風(fēng)巷道內(nèi)加裝節(jié)流板與調(diào)節(jié)葉片的角度來測試不同工況下改進(jìn)后風(fēng)機(jī)的性能。通過對下頁表3[3]和表4進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)效率達(dá)到93%，較改進(jìn)前風(fēng)機(jī)的效率提高了6%。并且在進(jìn)口風(fēng)壓相同的條件下，通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也得到較大的提高。

6 結(jié)語

參考航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)體系設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)流道采用平直型流道設(shè)計(jì)，葉片采用彎曲堆積、徑向扭轉(zhuǎn)和局部前掠設(shè)計(jì)，并對風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和一些部件的制作工藝進(jìn)行了改進(jìn)。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，表明改進(jìn)不僅解決了通風(fēng)機(jī)存在的喘振問題還提高了通風(fēng)機(jī)的效率，且表

表3 改進(jìn)前通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)

表4 改進(jìn)后通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)