礦用對旋軸流主通風機葉輪改進探討

秦 鵬

（山西煤炭運銷集團金裕達煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

煤礦礦井生產中對旋軸流式主通風機是重要設備之一，主要負責向礦井輸送輸送新鮮空氣，加速瓦斯、粉塵等有毒有害氣體的快速排出，為礦井安全生產提供良好的環境。隨著當前國內煤炭行業開采技術水平的不斷提升，煤礦掘進巷道長度持續增大，對通風量及風壓等的要求也越來越高，噪聲低、性能穩定、效率高、運行范圍廣成為礦用對旋軸流式主通風機發展的必然趨勢。對旋軸流式主通風機中葉輪質量的高低、性能的好壞及結構穩定性是影響和決定通風機運行狀況的關鍵因素，必須從轉子葉片安裝、角度調節等葉輪改進角度出發，加強對礦用主通風機結構的優化改進。

1 某礦原通風機概況

某礦井田面積16.1066 km2，生產能力為0.9 Mt/年，批準開采2～11 號煤層。對旋軸流式通風機由電動機、葉輪、支板、進氣段、機匣等部件組成的，葉輪均采用機翼形雙層空心鋼葉片，兩級葉輪分別包括13片和11 片葉片；其余輪盤、機閘等部件也均通過鋼板焊接。原通風機在長期運行過程中主要表現出以下問題：風量和調節范圍越來越小，無法滿足煤巷掘進深度增大后的通風需求；葉片斷裂后造成機匣擊穿，帶病運行；能耗高，運行成本居高不下。

原礦用通風機葉片采用常規孤立翼型氣動設計和平面葉柵設計，難以降低風機中氣流流動阻力及渦流，導致葉片氣動噪聲過大、風機運行效率低下。具體而言，此類設計在結構上存在問題為：葉片、葉柄間連接鉚釘易松動，造成葉片松動脫落；質量較大的葉輪直接安裝在電機軸上，形成懸臂軸，電機軸在通風機葉片運行過程中承受較大徑向力和軸向力[1]，磨損、斷裂的可能性非常大；通風機葉片和葉柄主要通過螺母固定在輪盤鼓筒結構上，此種固定方式數次拆裝后會造成螺紋失效，必須進行葉片更換，運行成本較高。

2 主通風機葉輪改進

2.1 葉輪參數設計

在確保該煤礦原通風機葉輪尺寸、轉速、功率等既定的基礎上進行葉輪參數優化設計，設計結果詳見表1。葉輪改進后其角度必須便于進行可靠調節，并符合連續運轉等方面的要求。

表1 礦用對旋軸流主通風機葉輪參數優化

2.2 葉片氣動設計

應用當前較為成熟的航空發動機壓氣機氣動設計技術，即全三維葉片技術進行該礦井對旋軸流通風機葉片氣動改進設計，以達到性能及質量方面的要求。通過準三維流面通流進行葉片氣動布局計算[2]，該程序將氣流假定為軸對稱定常流狀態，并通過矩陣通流法展開求解，以體現端壁范圍內實際流道狀況，得出全面的流場氣動布局信息。為確保原通風機葉片良好對接設備前后段，不改變通風機原流場，還應在葉片氣動設計過程中采用平直流道。

2.3 葉輪結構設計

不對煤礦原主通風機整體結構進行大規模改造，僅在綜合考慮使用性能、加工工藝、維護成本等的基礎上，改造通風機葉輪結構，以便在滿足正常運行要求并延長使用壽命的情況下，有效解決原主通風機所存在的性能不可靠、能耗高、葉片角度調節精度差、葉輪過重等問題。優化改進后的葉輪組件主要包括輪盤、卡箍、葉片、定位塊、安裝座、擋板、蓋板、螺釘等部件。

葉片安裝方式也隨之改變，即將一U 形環形槽設置在葉片葉柄上，半圓形卡箍置于其上，再由螺栓牢固連接。通風機啟動后葉片因旋轉而產生離心力進而擠壓卡箍，卡箍進一步鎖緊葉片，葉片鎖緊度提升，通風機整體運行的可靠性大大增加。

葉片角度調節精度也得到提升：改進后，主要通過帶錐角的定位塊進行葉片角度的限位調節和確定。在葉片葉柄處增設一個用于定位塊擠壓葉柄角度的平面，通過螺栓將定位塊固定在輪盤安裝座處。通風機運行過程中主要通過錐角定位塊的更換以進行葉片角度調節，且調節偏差不超出0.5°，使葉片角度調節精度顯著提升，葉片安裝角度偏差明顯降低。

原主通風機鋼制葉片改良為輕質鑄鋁葉片，抗腐蝕性提升；輪盤腹板外圓形設計使葉片與安裝座之間的離心力全部由腹板承受，鼓筒厚度及重量均減小，葉輪重量大大減輕，并使電機軸承負荷隨之下降，礦用對旋軸流主通風機運維成本下降，機械運行的安全可靠性得到保障。

2.4 強度及振動校核

為增強礦用主通風機結構改進設計的可靠性，還必須校核轉子葉片、輪盤等結構強度，進行葉輪整體結構振動計算。強度校核及振動計算結果顯示，通風機葉片榫頭U 形槽的根部應力水平最高，所對應的強度儲備系數4.4，強度裕度足夠，可確保轉子葉片安全穩定運行。輪盤等效應力最大值210 MPa，比35 號鋼屈服強度值小，表明輪盤結構強度也符合設計要求。葉片振頻相鄰階次頻差不小于0.1，且不存在任何裕度在0.1 以下的共振風險點，表明主通風機葉輪改進優化后其工作轉速范圍內不存在危害機械安全運行的共振現象[3]。

3 運行效果驗證

采用本文所提出的思路對礦用主通風機葉輪改進后，進行了現場安裝調試及帶網運行考核。在考察期間主通風機性能良好、運行穩定，從未出現任何葉片角度翻轉、螺栓松動、葉片斷裂及裂紋等情況。結合礦用主通風機實際運行環境，還由專業測試機構進行了風門調節、葉片角度調節等性能測試。通過比較和分析通風機葉輪改造前后性能參數的變化，如圖1 所示，通風機優化改進后流量范圍增加了400 m3/min，運行效率至少提升10%，且在風量水平相同的情況下，風壓至少提高200 MPa，運行功率降低至少30 kW。當前，礦井井下用主通風機改進后已投運并一直處于24 h 持續工作狀態，運行期間所監測得風機振幅僅為1.3～1.45 mm/s，遠小于4.6 mm/s 的限定值，噪聲為89 dB，比原通風機108 dB 的噪聲降低74%，運行狀態良好。

圖1 礦用主通風機改造前后性能參數變動情況

4 結語

航空葉輪機設計思路在礦用對旋軸流式主通風機葉輪改進中的應用可有效解決主通風機性能不穩定、運行效率低、噪聲大、風量小及帶病運行等問題，優化改進后風量明顯增大、風壓及運行工效大大提升、功率和噪聲降低。經現場安裝調試及帶網運行考核后表明，對旋軸流式主通風機改進后各項性能指標均超出設計規范所要求的正常水平。本研究對于國內礦用旋軸流式主通風機葉輪改進及升級換代具有較好的參考借鑒價值。