基于腹板受力方式的對旋軸流主通風機葉輪設計研究

馬路路

（江蘇安全技術職業學院 機械工程學院，221011，江蘇徐州）

1 對旋軸流式通風機簡介

對旋軸流主通風機（如圖1 所示）作為煤礦“呼吸系統”的中樞，在煤礦開采過程中對安全生產有著非常重要的作用。它向礦井輸送新鮮空氣，并排出瓦斯、粉塵等污穢氣體，保證礦井內空氣清新。隨著煤礦現代化、一體化發展的不斷加快，煤礦的井巷越來越長，對風量和風壓的要求也越來越高，這進一步提高了對對旋軸流主通風機的設計要求。然而，在實際生產中，主通風機的葉片經常斷裂，這會嚴重影響通風系統的正常運轉。因此，本文基于腹板受力方式，對對旋軸流主通風機葉輪進行設計研究，旨在為通風系統安全可靠、高效、低噪聲地穩定運行奠定良好的基礎。

2 煤礦原通風機概況

本文以某煤礦原來的一臺對旋軸流主通風機為研究對象，從圖2 可以看出，其包含電動機、支板、葉輪及機匣等部分。煤礦在生產過程中，發生過葉片斷裂、裂開的碎片擊中機匣的事故[1]。在更換葉輪后，出現了風機的風量明顯變小、功耗顯著增大、風量的調節范圍嚴重受限等嚴重問題，很難滿足煤礦的日常開采需求。這不僅使得煤礦的運行費用明顯提高，更嚴重的是企業的經營生產活動也受到明顯的影響。

圖2 對旋軸流主通風機示意圖

在對通風機結構分析中發現，原來的結構存在如下幾個問題：①葉片角度可控性差。根據工藝流程，安裝過程中，葉片的角度只能通過操作工人的肉眼來判斷，這樣就導致安裝的精度低。②電機軸承受壓力過大。在設計研究中發現，由于直接將質量過大的兩級葉輪安裝在電機軸上，致使靠近葉輪一側的電機軸承所受的軸向力和徑向力非常大。因此，在生產過程中，風機的電機軸在巨大的壓力之下，易磨損、發熱，從而對電機軸的壽命產生嚴重的影響。③運行成本高。在原先的設計中，直接將通風機的葉片葉柄裝在輪盤的鼓筒相應位置。在安裝、維修及更換時，多次的拆裝極易造成螺紋損壞，使得需要多次更換新葉片，大大提高了風機運行的成本[2]。④風機運行時葉片易脫落。在原先設計中，葉片和葉柄兩者是分開的，采用鉚釘鉚接方式連接，在風機運行時，曾出現過葉片脫落的現象，極易出現安全隱患。總的來說，原來風機采用傳統的翼型和葉柵設計，很難提高風機的效率、降低葉片的噪聲，且在運行中存在很大的安全隱患。

本文在科研和教學工作的基礎上，綜合考慮煤礦企業生產現狀、經濟成本、可靠性及安全性等條件，對對旋軸流主通風機葉輪進行改造設計，以期能夠解決煤礦現有通風機存在的效率比較低、安全性能較差、能耗相對高的嚴重問題，最大限度提高通風機的整體性能，同時改善現有葉輪部件質量大的狀況。

3 通風機葉輪改進設計

3.1 葉輪設計參數

在對旋軸流主通風機的設計過程中，葉輪是通風機中最重要的部件之一。其最主要的功能是將電機所提供的能量傳遞到流體（空氣）中，葉輪主要是由鑄鋁合金、鋼板或者是其他材料做成的。首先，基于高效率和低噪音的理念，對葉片的空氣動力學進行計算[3]。在滿足流量和全壓的條件下，將葉片分成若干個截面，在此基礎上計算流量系數：

式中：n 是通風機的轉速，r/min；D 是葉輪的直徑，m；qv是流量，m3/s；vt是葉輪葉頂圓周速度，m/s。

然后，計算全壓系數：

式中：ptF.I表示全壓，Pa；ρ 是流體密度，kg/m3。

其次，根據流量系數和全壓系數，確定風機的輪轂比和輪轂直徑，并進行輪轂比檢驗。

最后，根據前述計算進行葉片翼形的選擇、參數設計。

在對煤礦通風機的優化設計研究中，需要保證結構改進時不改變風機的轉速、風機的功率及葉輪尺寸等基本參數，力求對對旋軸流主通風機其他附屬設施、設備的影響降至最小[4]。同時，根據煤礦的生產實際和生產現狀，對對旋軸流主通風機的葉輪進行了優化設計，具體的參數見表1。另外，在優化設計時，特別注重了葉片角度問題，使葉片角度的調節最方便、最簡捷，同時滿足煤礦生產需求，確保正常運轉。

表1 葉輪優化設計參數

3.2 葉片氣動設計

在本次對旋軸流主通風機設計過程中，為使風機的設計符合用戶需求，采用較為先進的航空發動機壓氣機氣動設計方法，并將其中最為成熟的三維葉片造型技術應用于對旋軸流主通風機的制造工藝中。氣動布局影響風機的特性和性能，在設計中對對旋軸流主通風機選擇最為常用的流線曲率算法S2流面通流計算。

在改造設計時，將軸對稱定常流作為通流程序假設氣流，來逐站進行計算，采用這樣的計算方式，能夠最大限度體現出端壁區域的流道所包含的信息，很好地體現了風機流場中的氣動布局。由于在生產現場的葉輪前后兩個主體部分之間銜接無瑕疵，因此，在設計改造中，對風機的流程不作特別大的改動，只是選擇平直的流道方式。

3.3 葉輪結構設計

對煤礦中原來通風機的整體結構并沒有進行大的改動和設計，但是，綜合考量質量、運行成本及使用頻次等各方面因素的影響，在本設計中對風機的葉輪結構進行了改造和設計。希望能夠通過改造，最大限度解決原來通風機在運行過程中容易出現的一系列問題，如葉輪的質量大、風機可靠性相對較低、靜葉角調節精度比較低等一系列問題。這次改造設計過程中，在解決以上問題的同時，還要保證生產運行的工作需求和風機的使用壽命。然而，考慮到成本、工藝、質量和使用率等因素，本設計僅對原有的風機葉輪進行了修改。這一改變的目的是為了解決原通風機可靠性低、靜葉角調節精度差、葉輪質量大等問題，同時，還要滿足工作需求和確保其使用壽命。風機葉輪的主要部分（如圖3 所示）包括葉片、盤、固定支架、卡環、定位塊、蓋板、擋板、螺釘等。

圖3 風機葉輪示意圖

首先，對葉片的安裝方法加以改進，在葉片的葉柄處開一個U 形的凹槽，用來把兩個半圓形的夾套固定，在此基礎上再用螺釘固定，葉輪高速旋轉時產生的離心力將會壓緊卡環。在通風機運行過程中，葉輪在離心力的作用下會被牢牢鎖定。采用這樣的結構設計能夠有效避免通風機葉輪旋轉速度過快導致葉片快速飛出砸傷通風機附屬設備情況的發生，可以在一定程度上提高通風機整體的安全性，大大提高通風機穩定運行的安全系數和可靠性。

另外，針對靜葉角調節精度比較低的問題，在改造設計中發現，不同錐角定位塊的調整極限是影響葉片角調整幅度的最重要因素。在通風機的機械結構中，在葉柄上設計有一個平面，能夠使得葉片在一定的范圍內鎖定。在風機運行時，根據生產過程中所需的氣流要求，通過調整錐角的方式來改變葉片的傾斜度（通常來說，角調整的允許誤差為0.5°），在改造設計時，為最大限度提高通風機葉片的調整精度，對同一葉片的葉片角用同一的錐角，以期將通風機葉片安裝角誤差控制在最小范圍。

3.4 結構強度和振動校核

對旋軸流主通風機在運行過程中，葉片會承受兩個主要的力：旋轉過程中產生的離心力和氣流流動時產生的壓力。其中，離心力可能導致葉片斷裂，而壓力則可能使葉片產生彎曲。根據受力分析可知，葉片的根部是受到離心力最大的部位。因此，葉片根部的拉伸應力也最為明顯，具體的計算方法為：

式中：Fc是葉片根部所受離心力，N；S 是葉片根部最小截面積，m2；σ 是葉片根部的離心拉應力，N/m2。

在本次改造設計過程中，由于所涉及的葉片為變截面葉片，離心力計算選用的是離心力算法。這種方法是將葉片視為葉片截面弦長和厚度從葉根到葉頂近似線性變化。隨著葉片從根部向頂端的延伸，葉片的弦長和相對厚度逐漸減小。相對厚度c可以表示為：

式中：k1是弦長沿徑向變化的系數；r 是葉片任意截面所在半徑，m；rh是葉根半徑，m；是半徑r 處的截面的相對厚度；是葉根截面相對厚度；k2是相對厚度沿徑向變化的系數；x 是葉輪半徑r 處葉片截面離葉根的距離，m.

計算葉片所受的離心力：

式中：l 是葉片長度，m。

通過式（6）的計算，能夠精確算出葉片根部受到的離心力。根據已知條件，求出葉片的離心力、截面積及葉片根部的離心拉應力。最后，將葉片根部的離心拉應力與拉伸極限強度作比較，經驗證可知葉輪能夠滿足工況需求[5]。

在對葉輪結構總體改進設計以后，對葉片的強度進行理論分析，并分析了葉片在整體結構中的可靠性，優化其葉片結構設計，改進后葉片情況如表2 所示。

表2 優化設計后葉輪情況

同時，在運行時，葉輪的轉速受外界的影響較小。對于葉輪的材質，選用的是高質量的鑄鋁，其重量比較輕、耐腐蝕性能好。在葉片的葉柄處開U 形槽，在風機葉輪高速旋轉時葉片和固定座所產生的離心力會完全由腹板承受。這樣的結構設計最大的好處是能夠將風機壁筒的厚度降至最薄，葉輪的重量明顯降低。在其后風機運行調試中發現，通過這樣的優化設計，不僅能滿足生產需要，還能減輕整個葉輪的重量，使得電機的軸承荷載大幅度減小，降低了風機運行的成本，為企業的安全生產提供堅實保障。

3.5 葉輪的檢修

在煤礦風機葉輪改造設計中，針對前期運行中容易出現的問題進行了優化，葉輪是轉子里最易磨損的部件，葉輪如果磨損過度，在運轉時會影響轉子的平衡，引起風機劇烈的抖動，甚至會造成嚴重的安全事故。因此，煤礦相關部門要定期檢修風機，尤其是葉片，葉片的檢修數據如表3 所示。

表3 葉片檢修數據表

表中：k 為與葉片數、轉速等因素相關的系數，此處取0.01；B 是葉片的不垂直度允差，單位為mm；D 為葉輪的直徑，單位為m；a 為與具體設計要求相關的系數，單位為mm/m，此處取0.1。

4 通風機性能改進優化驗證

在對風機葉輪改造設計完成、現場安裝調試完畢后，對風機各項性能指標進行檢測。經現場運行證明，整個設備運轉正常，無葉片角度偏轉、葉片開裂及螺栓松動等問題。對于現場工況，據有關部門分析，對旋軸流主通風機效率提高了40%左右，風機運行的噪聲僅為90 db，與原風機112 dB 相比相對較低，風機整體穩定性有所改善，更好地滿足了企業生產的需求。

5 結語

本文通過對煤礦對旋軸流主通風機葉輪進行改造設計，解決了葉輪質量大、風機可靠性相對低、靜葉角調節精度低等問題。在葉輪改造中，在葉片的葉柄處開U 形槽，對旋軸流風機運行時產生的離心力被完全吸收，從而使得對旋軸流主通風機更加安全可靠。