礦用對旋軸流式通風機的改進設計

梁成帥

（陽煤二礦調度室工程隊， 山西 陽泉 045000）

引言

對旋軸流風機因具有效率高、風量大和風壓高的優點在我國煤礦中大量應用[1]。但隨著我國煤礦生產機械化程度的提高，井下工作面對風量和風壓的要求更高。

某礦以兩臺對旋軸流式風機作為主通風機，風機分別由兩部同型號的防爆電機帶動運轉。該礦采用調節風機的葉片角度和風道節流板的方式對風量進行控制。其中一臺風機曾因機殼與銅襯連接處的鉚釘松動脫落，將多片葉片擊碎，導致通風機無法提供風流。在對風機損傷的葉片進行更換后出現了喘振現象影響風機的工作。對故障風機進行仔細檢查后，發現該風機還存在級性能不匹配、喘振裕度不足和效率低下的問題。

從經濟成本和適用性的設計原則出發，選擇對原通風機的葉輪進行改進的方案。通過對葉輪進行重新設計，排除了通風機喘振的故障，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%，有利于節約電能。

1 原軸流式通風機的結構

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

2 風機性能要求

根據煤礦的通風需求，在保證電動機功率不變的前提下，改進后的通風機性能參數要求如表1所示。

在調查通風機的喘振問題時發現，喘振出現在進口的負壓為2.2～2.6 kPa這個區間內，為使工作點的喘振裕度提高，將設計點的進口負壓定為2.7 kPa，并且對風機的扇葉進行了重新設計。為方便改進后的通風機葉片角度的調節，選擇鑄鋁材質的葉片，此種設計滿足相關規范和風機穩定運行的要求。

3 氣動設計

為在保證功率不變的條件下仍能滿足設計的性能和重量的要求，本設計參考航空發動機壓氣機的設計體系進行通風機的氣動設計。

3.1 總體氣動布局設計

采用處于先進水平的準三維S2流面通流計算程序進行總體氣動布局的設計。此方法的設計結果準確而且合理，已被廣泛的應用于國內外的航空發動機壓氣機的氣動布局設計。根據兩類相對流面理論建立流動方程，通過求解流動方程得到流場的氣動布局。

基于只改進風機的葉輪段和原有葉輪與通風機對接問題，因此，不對通風機的內部流場結構進行過大的改變。由于流道是非對稱的，綜合抽氣與吸氣效率的考慮，選擇平直型流道設計。

3.2 葉片設計

采用高效可控的擴散葉型造型技術對通風機的葉片進行設計。此種方法可以在降低葉片的厚度，減輕葉片的重量的同時，保證葉輪的高稠度和高裕度。并且輕質的葉片有利于降低輪盤的負荷。通過參考航空發動機壓氣機的葉片設計，選用彎曲堆積、徑向扭轉和局部前掠的葉片造型，如圖3所示。

圖3 改進前后的通風機葉片

3.3 數值仿真驗算

利用三維仿真計算軟件Numeca對設計完成后的通風機進行數值模擬運算，根據運算結果進行分析和修正以確定葉片的最佳安裝角度。在煤礦的生產過程中，通風機在不同時期的工作風壓存在差異，可以通過調整葉片的角度來調節不同進口負壓條件下的通風機的進風量，以保證通風機的工作效率[2]。設計了三種葉片角度調節方案，如表2所示。

表2 三種葉片調節方案及適用條件

如圖4所示，為三種葉片調節方案的Numeca模擬結果。由圖可知：在進口負壓為3.0 kPa時，選用方案二的葉片角度方案時，通風機的流量3 850 m3/min，滿足設計要求的3 400 m3/min；絕熱效率為91%，大于設計要求的80%。在進口負壓為2.0 kPa時，此時模擬的是反風工況。在反風工作時的流量為正常供風量的60%，大于設計要求的40%。因此，設計的葉片滿足指標要求。

4 結構與工藝改進

通過分析風機的結構，結合第3節的氣動設計，對風機進行如下改進：

1）改進葉片與輪轂的材質。用優質鑄鋁ZL105A制作葉片和輪轂，并且在葉片表面噴涂滿防護漆，此項改進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機的負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 三種葉片調節方案的Numeca模擬結果

2）改變輪轂連接方式。原風機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為焊接存在裂隙導致風機在工作過程中出現故障。因此，采用螺栓連接輪轂的前盤與后盤的結構，此種設計可提高輪轂的可靠性。

3）改變銅襯與機殼的連接方式。銅襯仍通過鉚釘固定在機殼上，但將鉚釘的頭部留在機殼外部的部分與機殼焊接在一起，通過兩重保護避免鉚釘脫落損傷葉片，并且將銅襯焊接在機殼的內部以提高結構的安全性。

4）改變葉片調節方式。原風機通過參考葉輪輪轂外部的刻度對葉片的角度進行調節，這種方式存在較大的誤差。在葉片安裝處設置不同的限位塊，在進行風量調節時只需要旋轉到預定的位置即可。

5）采用金屬澆筑、機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行校正，校正完成后在表面噴涂上防護漆延長部件的使用壽命。

6）其他改進。擴大前、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；使葉輪組件保持動平衡，增強通風機運行的穩定性；采用鋼板卷制、焊接與機加成形工藝鑄造機殼以降低生產成本。

5 現場驗證

將通風機按設計改進后進行現場應用。經過現場試驗，在風機的進口負壓為2.2～2.6 kPa時，并未出現喘振現象，因此，本設計排除了原風機存在的喘振問題。通過在主通風巷道內加裝節流板與調節葉片的角度來測試不同工況下改進后風機的性能。通過對下頁表3[3]和表4進行對比分析，發現改進后的風機效率達到93%，較改進前風機的效率提高了6%。并且在進口風壓相同的條件下，通風機的風量也得到較大的提高。

6 結語

參考航空發動機壓氣機的設計體系設計的通風機流道采用平直型流道設計，葉片采用彎曲堆積、徑向扭轉和局部前掠設計，并對風機的結構和一些部件的制作工藝進行了改進。經過現場試驗，表明改進不僅解決了通風機存在的喘振問題還提高了通風機的效率，且表

表3 改進前通風機的性能參數

表4 改進后通風機的性能參數