礦用對旋軸流主通風機葉輪改造設計研究

侯愛瑞

（山西平舒煤業有限公司，山西 壽陽 045400）

引言

礦井對旋軸流主通風機是礦井安全運行的重要設備，它承擔著向礦井輸送新鮮空氣，排出粉塵、瓦斯等污穢氣體的工作，保障了礦井工人的生命安全。隨著煤礦工業的現代化、一體化，煤礦的井巷長度越來越大，對風量和風壓的要求也越來越高，因此，煤礦對旋軸流主通風機的設計應以安全可靠、高效、低噪聲的工作范圍為目標，同時這也是煤礦開采的發展方向[1]。山西某煤礦一臺主通風機在使用中出現了葉片斷裂飛襲擊穿機匣的故障，為了保證安全、生產，必須對通風機及通風系統進行改造。

1 原通風機概況

山西某煤礦原通風機是采用的一種對旋軸流式風機，它包括進風段、支板、葉輪、電動機、機匣等，如圖1 所示。兩級葉輪為機翼型雙層空心鋼片（1 級13塊，2 級11 塊），機匣、輪盤等部分用鋼板焊接。在原通風系統中，出現過葉片斷裂、擊穿機箱等問題；煤礦開采深度大，通風系統風量小，調整范圍狹窄，難以適應礦井的通風要求；通風系統長時間運轉不佳，能耗高，運行費用較高。

圖1 對旋軸流式風機結構示意圖

在原有的風機葉片氣動設計中，采用了傳統的單翼和扁平的葉柵結構，它不能有效地減小空氣中的流阻和旋渦，這也無法從本質上改善風機的運行效率，葉片在旋轉時生成的氣動噪聲也無法降低[2]。針對原有風機結構主要存在的弊端，主要歸結了以下幾方面：葉柄和葉柄通過鉚接的方法連接，這樣就會產生螺絲松動，導致葉片脫落；二段式葉輪是直接裝在電動機軸上的，葉輪的重量很大，馬達的軸構成了懸臂軸，葉片的一端承受了很大的軸向和徑向作用力，導致軸承在運行中容易磨損、發熱，致使軸承溫度上升而不能正常工作；將葉片的葉柄用螺帽緊固到轉盤鼓輪上，這樣的固定方式多次拆裝很容易造成設備結構的損傷，必須更換新的葉片，從而增加了操作費用；葉片角的調整是靠肉眼來決定的，調整的精確度較低。

2 通風機葉輪改進設計

2.1 葉輪設計參數

在對通風機的結構進行改進時，在不改變風機功率、轉速、葉輪尺寸等參數的前提下，對風機葉輪進行優化。此外，還應考慮企業特殊的使用需求，對風機葉輪進行了改進，如表1 所示。另外，經過改良的葉輪，葉片角度調節簡單、可靠，符合工業標準和持續運行要求。

表1 通風機改造設計參數

2.2 葉片氣動設計

為達到設計和質量兩方面的需求，本文采用目前比較成熟的航空壓氣機氣動設計方法，并將其用于全三維葉片成形工藝中。利用準三維S2 流面流場進行了氣動布置。在通流計算中，考慮了流動是一種軸對稱的恒定流動，并利用矩形通流法逐個站點進行計算，該方法可以準確地反映端壁流道的位置，從而得到氣流的流動特性。由于原葉輪和排氣扇前、后兩部分之間的對接很好，所以不會使原有的風機流場發生很大的改變，只采用平直流路[3]。如下頁圖2 所示，為通風機葉輪段流道子午面投影圖，其中x 與R 為通道的水平和豎直投影距離。

圖2 通風機葉輪段流道子午面投影圖

在超跨聲葉型的設計中，應用的較為普遍的包括B 樣條以及貝塞爾曲線，因此在本文中，通過B 樣條控制中線角葉型、貝塞爾曲線控制葉型厚度BMAA的方法，用于超跨聲葉型的設計。該成形技術能夠很好地控制葉片的氣流，擴大其工作區域，提高其抗流場畸變能力，降低風機在運轉時的噪聲。

2.3 葉輪結構設計

原始風機的整體結構并未進行實質性的大改動，然而考慮到成本、工藝、質量及使用率等因素，因此本文只對原有的風機葉輪進行了改造。此次改動的目的在于解決原有風機可靠性低，靜葉角調整精度差以及葉輪質量大等問題，同時還要滿足其工作需求和使用壽命。風機葉輪的主體部分包括：刀片、輪盤、固定架、卡環、定位塊、蓋板、擋板、螺絲等。如圖3 所示，為其主要的模型裝配示意圖。

圖3 葉輪裝配UG 模型示意圖

改進的葉片安裝方法主要是在葉片的葉柄上設置一個U 形的凹槽，以固定兩個半圓形的夾套，然后用螺釘固定。風扇轉動時，葉輪轉動產生的離心力將卡環壓住，進而將葉輪牢牢地鎖住，該方法可以有效地防止主風機葉輪旋轉太快、導致葉片飛離，從而提高整個風機的運行可靠性。葉片角調整的幅度是由具有不同錐角的定位塊極限來決定的，在葉片的手柄上設有一個平面，這樣就可以實現對葉片的一定角度鎖定。根據風機的風流要求，可以調節不同的錐角來調節葉片的傾角（角調整的允許誤差為0.5°），同一葉片的葉片角選用同一錐角的葉片，可以有效地提高葉片的角度調整精度，盡可能減低同一級風機葉片安裝角的誤差。

2.4 結構強度和振動校核

在進行了葉輪結構的改進和設計后，對轉子葉片、輪盤進行了強度檢測，并對整體葉輪進行了結構分析，以確保其可靠的結構設計。研究發現，葉片凸緣U 形槽根部位的應力水平最大，其強度儲備系數為4.3，并有充分的余量，能夠確保葉片長期安全可靠地工作；風機葉輪的最大當量應力為202 MPa，比35 號鋼低315 MPa；兩級振動頻率的差異都超過10%，且無共振風險點，同時葉輪的工作速度不受附近結構因素所干擾。采用高品質的鑄鋁制葉片，使原有的風機鋼片質量輕，耐腐蝕性好。風扇輪盤腹板的外圈采用梯形U 形槽，葉片和固定座的離心力完全被腹板所承受，使得鼓筒的壁厚變薄，轉輪的質量得到了明顯的下降。該方法不僅能達到操作要求，而且可以減輕葉輪總成的重量，從而使電動機的軸承載荷得到減小，有效地減少了風機的使用和維修成本，并極大地提高了通風機的安全性和可靠性。

3 通風機性能改進優化驗證

為進一步檢驗改型主風機的性能，需要對其進行現場安裝調試，并對其使用情況進行了測試。在測試期間，整個設備以及通風系統正常運轉，沒有出現螺栓松動、葉片角度偏轉、葉片開裂以及折斷等情況。針對通風系統的工況，由專門的試驗機構，在井下的主要回風巷道中通過調整風門、改變風機葉片的角度，相繼展開了試驗，如圖4 所示，為通風機改造前后性能參數隨流量的變化示意圖。

圖4 通風機改造前后性能參數變化圖

通過對對旋軸流通風機改進前后性能數據的分析，發現改進后的通風機其效率能夠提高10%左右，流量范圍在原有的基礎上增加了400 m3/min；在相同的空氣流量情況下，改良后的通風機的最小風壓提高了200 Pa，同時降低了30 kW 左右的功率損耗。目前，該風機在改進后的14 個月內24 h 連續工作，在運行期間，風機的振動僅為1.20～1.45 mm/s，遠遠低于企業規定值的4.6 mm/s，同時風機運行過程中產生的噪聲為89 dB，與原通風機110 dB 相比仍舊有所降低，整體運行狀態良好，滿足煤礦企業的使用要求。

4 結語

經過采用一套先進的航空渦輪葉片設計方法，對山西某煤礦企業原有主通風機的葉輪結構進行了設計優化改進，改造后的通風機的供風量比原來增加400 m3/min，風機風壓增加200 Pa，總運轉效率增加10%，能耗下降約30 kW，風機運轉時噪聲下降20 dB。經空載調試、帶網運行及性能測試，表明改造后的風機性能滿足設計指標。本文的研究成果可為我國煤礦主通風系統的改造和優化提供參考價值。