煤礦對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)探析

李春潮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部寺河煤礦， 山西 晉城 048205）

引言

對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)主要是由送風(fēng)筒、進(jìn)風(fēng)口處集流器、擴(kuò)散系統(tǒng)、功能主機(jī)等構(gòu)成，為了預(yù)防通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)葉輪逆向旋轉(zhuǎn)速度加快，摩擦產(chǎn)生火花，因此把銅環(huán)裝置設(shè)置在其回輪處，而且風(fēng)機(jī)中的電動(dòng)機(jī)安裝的防爆電機(jī)是專屬的[1-2]。這種通風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的風(fēng)壓、較大的風(fēng)量、較高的工效，并在我國(guó)煤礦行業(yè)中普遍使用，可是由于煤礦行業(yè)持續(xù)上升的機(jī)械化生產(chǎn)，持續(xù)提高了井下工作面對(duì)風(fēng)壓與風(fēng)量方面的要求。

1 煤層概述

沁水煤田的東南側(cè)為寺河礦所處的位置，并且寺河礦是高瓦斯礦井，瓦斯在每噸煤中的占有量西井區(qū)與東井區(qū)對(duì)應(yīng)的分別是21.8 m3、13.76 m3，并且礦西井區(qū)瓦斯的絕對(duì)與相對(duì)的涌出量分別是694.5 m3/min、101.85 m3/min。當(dāng)對(duì)瓦斯進(jìn)行治理時(shí)，按照“監(jiān)測(cè)監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)、先抽后采”的方針。斜井開采使用的通風(fēng)方法是中間并列式，而且此方法具有輔助性，在開采時(shí)產(chǎn)生煤塵，采用機(jī)械抽出法。當(dāng)進(jìn)行通風(fēng)時(shí)，寺河礦使用的通風(fēng)機(jī)主要有兩種，分別是BDK-10-NO40、BDK-8-NO32，對(duì)應(yīng)的功率分別是1120 kW×2、560 kW×2，二者都是一個(gè)使用一個(gè)備用。對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的2 個(gè)葉輪的葉片都是機(jī)翼型鑄鋼的，并把通風(fēng)板安裝在了葉輪的前側(cè)與后側(cè)，用螺絲對(duì)電機(jī)進(jìn)行固定，法蘭盤與機(jī)殼的連接是使用具有螺旋的螺釘實(shí)現(xiàn)的，用鋼板把機(jī)殼和輪翼焊接在一起。寺河礦是經(jīng)過對(duì)風(fēng)道節(jié)流板與風(fēng)機(jī)中風(fēng)片的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的控制。有1 臺(tái)風(fēng)機(jī)的鉚釘連接著機(jī)殼與銅襯，可是由于其鉚釘發(fā)生墜落，擊壞了風(fēng)機(jī)的葉片，造成風(fēng)機(jī)不能供風(fēng)，更換擊壞的葉片之后，還有性能不符、喘振裕度不足等狀況出現(xiàn)。本著方案設(shè)計(jì)的適用性以及可安全高效施工的原則，重新改進(jìn)與設(shè)計(jì)了礦用對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的葉輪，用來把其采用過程中發(fā)生的問題進(jìn)行解決，使葉輪的質(zhì)量下降，工效提高，電能的節(jié)約。

2 礦用對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)性能的具體要求

與煤礦的通風(fēng)條件相結(jié)合，基于電機(jī)的功率不發(fā)生改變，以表1 中的各項(xiàng)性能參數(shù)為依據(jù)，來對(duì)風(fēng)機(jī)性能重新改進(jìn)與設(shè)計(jì)。對(duì)出現(xiàn)在寺河礦對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)中的問題（如喘振裕度不足）進(jìn)行解決，所以對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了檢查，經(jīng)過檢查得知，在出現(xiàn)喘振的是當(dāng)負(fù)壓是2.2～2.6 kPa 的進(jìn)口范圍，由于要把喘振裕度增強(qiáng)，就要把進(jìn)口位置的真實(shí)負(fù)壓，調(diào)大到2.7 kPa，并且還有優(yōu)化通風(fēng)機(jī)的扇葉的設(shè)計(jì)，而且使用的葉片為鑄鋁，有利于葉片在優(yōu)化之后進(jìn)行角度的調(diào)整。

表1 本煤層通風(fēng)所使用對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)取值

3 對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 氣動(dòng)的設(shè)計(jì)

由于要在功率相同的情況下符合性能與設(shè)計(jì)質(zhì)量等方面的條件，必須要和航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)原理相結(jié)合。來對(duì)礦用對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)的設(shè)計(jì)。

3.1.1 總體結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)的設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)會(huì)選取準(zhǔn)三維流面通流程序來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)結(jié)果具有合理性與準(zhǔn)確性是該程序的優(yōu)點(diǎn)，并普遍使用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)有關(guān)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)的流動(dòng)方程依據(jù)的是與其有關(guān)的理論，流場(chǎng)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的得出按照的是氣動(dòng)方程。由于在改進(jìn)之后的葉輪段連接著通風(fēng)機(jī)與之前的葉輪，所以，目前先小面積的對(duì)通風(fēng)機(jī)里面的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。由于流道的不對(duì)稱性，所以一定要把抽氣和吸氣等流程考慮進(jìn)來，而且對(duì)流道的設(shè)計(jì)使用的是平直型。

3.1.2 葉片的設(shè)計(jì)

在對(duì)通風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選取的技術(shù)主要是擴(kuò)散葉型，該技術(shù)不但能使葉片質(zhì)量更薄，還可以把葉片的稠度與裕度保持在一個(gè)較高的值，由于葉片質(zhì)量更薄，所以輪盤的負(fù)荷有所下降。并把航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)原理作為參考，對(duì)于設(shè)計(jì)葉片的主要方法為徑向扭轉(zhuǎn)、彎曲堆積、局部前掠。

3.2 改進(jìn)工藝與結(jié)構(gòu)

對(duì)葉片與輪毅的材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)葉片與輪毅進(jìn)行制作所使用的材料是ZL-105 A 鑄鋁，此材質(zhì)不但在功能方面能夠達(dá)到條件，還可以把葉輪組件的質(zhì)量減小，把葉輪軸與電機(jī)負(fù)荷之間由于摩擦而導(dǎo)致的損壞下降，使電機(jī)、葉片與輪毅的使用期限延長(zhǎng)。輪毅把前、后盤連接的方法由焊接變成螺栓，把輪毅可靠運(yùn)行水平得到提高，預(yù)防風(fēng)機(jī)由于焊接緊密性差而造成故障發(fā)生。銅襯與機(jī)殼的連接使用的鉚釘，把機(jī)殼和鉚釘釘帽焊接在一起，達(dá)到兩層保護(hù)的作用，使其牢固性增強(qiáng)，預(yù)防了由于鉚釘墜落而導(dǎo)致葉片損壞，并把銅襯在機(jī)殼里面進(jìn)行固定。調(diào)節(jié)葉片角度的方法要進(jìn)行改變，之前的方法是按照輪毅表面的刻度來實(shí)施的，現(xiàn)在要在葉片的其他位置分別安裝限位塊，控制和調(diào)整葉片的角度可以經(jīng)過限位塊來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)制作葉片與輪毅時(shí)，使用的方法是機(jī)加成型、金屬澆筑，并對(duì)其進(jìn)行安裝與校正，在結(jié)束安裝與校正后就能進(jìn)行噴漆。把葉輪與支撐板之間的距離增大，能夠預(yù)防支撐板對(duì)葉輪氣流所帶來的影響，經(jīng)過對(duì)葉輪的平衡性的保持，可以使風(fēng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行得到提升。

3.3 變頻調(diào)速

目前，寺河礦礦井只保存了風(fēng)道節(jié)流板控制的風(fēng)量與風(fēng)機(jī)葉片的角度的調(diào)節(jié)，此方法的缺點(diǎn)是會(huì)損失不小的功率、運(yùn)行效率比較低。被用于通風(fēng)的機(jī)械的作用主要是保障煤巷在采煤時(shí)的效率與安全性，由于要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，當(dāng)煤礦開采時(shí)，不能把通風(fēng)機(jī)關(guān)閉，所以，通風(fēng)機(jī)是煤礦最耗電的設(shè)備之一。并且保存的這兩種控制方法更加浪費(fèi)了能源，所以，對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)使用的節(jié)能原理應(yīng)該是將變頻調(diào)速，來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在改進(jìn)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速之后，當(dāng)煤巷進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，若不需要太大的送風(fēng)量，就可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)和把風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)著也下降，按照其詳細(xì)介紹，若實(shí)際供風(fēng)量占額定供風(fēng)量的70%，那么就風(fēng)機(jī)而言，其實(shí)際的轉(zhuǎn)速占額定轉(zhuǎn)速的70%，并且實(shí)際轉(zhuǎn)速是被控制而下降，其軸功率一定要下降到其額定軸率的34.3%。在改進(jìn)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速之后，提高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率與節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)成效非常明顯。

4 結(jié)語

旋軸流式通風(fēng)機(jī)被寺河礦應(yīng)用時(shí)，有葉片受損的情況發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致工率偏低、喘振裕度不足等情況發(fā)生，在學(xué)習(xí)借鑒航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，把對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)成平直型流道。實(shí)際使用結(jié)果表明，避免出現(xiàn)喘振負(fù)壓為2.2～2.6 kPa 的進(jìn)口范圍內(nèi)，此措施消除了該礦通風(fēng)機(jī)現(xiàn)存的喘振問題；風(fēng)機(jī)在改進(jìn)之后，其運(yùn)轉(zhuǎn)效率為93.4%，而且在風(fēng)壓相同時(shí)，能大幅度提高通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量。