礦用對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)葉輪改造設(shè)計(jì)研究

侯愛瑞

（山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

礦井對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)是礦井安全運(yùn)行的重要設(shè)備，它承擔(dān)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(yè)的現(xiàn)代化、一體化，煤礦的井巷長(zhǎng)度越來越大，對(duì)風(fēng)量和風(fēng)壓的要求也越來越高，因此，煤礦對(duì)旋軸流主通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)以安全可靠、高效、低噪聲的工作范圍為目標(biāo)，同時(shí)這也是煤礦開采的發(fā)展方向[1]。山西某煤礦一臺(tái)主通風(fēng)機(jī)在使用中出現(xiàn)了葉片斷裂飛襲擊穿機(jī)匣的故障，為了保證安全、生產(chǎn)，必須對(duì)通風(fēng)機(jī)及通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 原通風(fēng)機(jī)概況

山西某煤礦原通風(fēng)機(jī)是采用的一種對(duì)旋軸流式風(fēng)機(jī)，它包括進(jìn)風(fēng)段、支板、葉輪、電動(dòng)機(jī)、機(jī)匣等，如圖1 所示。兩級(jí)葉輪為機(jī)翼型雙層空心鋼片（1 級(jí)13塊，2 級(jí)11 塊），機(jī)匣、輪盤等部分用鋼板焊接。在原通風(fēng)系統(tǒng)中，出現(xiàn)過葉片斷裂、擊穿機(jī)箱等問題；煤礦開采深度大，通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量小，調(diào)整范圍狹窄，難以適應(yīng)礦井的通風(fēng)要求；通風(fēng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)不佳，能耗高，運(yùn)行費(fèi)用較高。

圖1 對(duì)旋軸流式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在原有的風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)中，采用了傳統(tǒng)的單翼和扁平的葉柵結(jié)構(gòu)，它不能有效地減小空氣中的流阻和旋渦，這也無(wú)法從本質(zhì)上改善風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)生成的氣動(dòng)噪聲也無(wú)法降低[2]。針對(duì)原有風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要存在的弊端，主要?dú)w結(jié)了以下幾方面：葉柄和葉柄通過鉚接的方法連接，這樣就會(huì)產(chǎn)生螺絲松動(dòng)，導(dǎo)致葉片脫落；二段式葉輪是直接裝在電動(dòng)機(jī)軸上的，葉輪的重量很大，馬達(dá)的軸構(gòu)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(dǎo)致軸承在運(yùn)行中容易磨損、發(fā)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(zhuǎn)盤鼓輪上，這樣的固定方式多次拆裝很容易造成設(shè)備結(jié)構(gòu)的損傷，必須更換新的葉片，從而增加了操作費(fèi)用；葉片角的調(diào)整是靠肉眼來決定的，調(diào)整的精確度較低。

2 通風(fēng)機(jī)葉輪改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)

在對(duì)通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，在不改變風(fēng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、葉輪尺寸等參數(shù)的前提下，對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行優(yōu)化。此外，還應(yīng)考慮企業(yè)特殊的使用需求，對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行了改進(jìn)，如表1 所示。另外，經(jīng)過改良的葉輪，葉片角度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、可靠，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和持續(xù)運(yùn)行要求。

表1 通風(fēng)機(jī)改造設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)

為達(dá)到設(shè)計(jì)和質(zhì)量?jī)煞矫娴男枨?，本文采用目前比較成熟的航空壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，并將其用于全三維葉片成形工藝中。利用準(zhǔn)三維S2 流面流場(chǎng)進(jìn)行了氣動(dòng)布置。在通流計(jì)算中，考慮了流動(dòng)是一種軸對(duì)稱的恒定流動(dòng)，并利用矩形通流法逐個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，該方法可以準(zhǔn)確地反映端壁流道的位置，從而得到氣流的流動(dòng)特性。由于原葉輪和排氣扇前、后兩部分之間的對(duì)接很好，所以不會(huì)使原有的風(fēng)機(jī)流場(chǎng)發(fā)生很大的改變，只采用平直流路[3]。如下頁(yè)圖2 所示，為通風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)葉輪段流道子午面投影圖

在超跨聲葉型的設(shè)計(jì)中，應(yīng)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(shè)計(jì)。該成形技術(shù)能夠很好地控制葉片的氣流，擴(kuò)大其工作區(qū)域，提高其抗流場(chǎng)畸變能力，降低風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲。

2.3 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原始風(fēng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)并未進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的大改動(dòng)，然而考慮到成本、工藝、質(zhì)量及使用率等因素，因此本文只對(duì)原有的風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行了改造。此次改動(dòng)的目的在于解決原有風(fēng)機(jī)可靠性低，靜葉角調(diào)整精度差以及葉輪質(zhì)量大等問題，同時(shí)還要滿足其工作需求和使用壽命。風(fēng)機(jī)葉輪的主體部分包括：刀片、輪盤、固定架、卡環(huán)、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(jìn)的葉片安裝方法主要是在葉片的葉柄上設(shè)置一個(gè)U 形的凹槽，以固定兩個(gè)半圓形的夾套，然后用螺釘固定。風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力將卡環(huán)壓住，進(jìn)而將葉輪牢牢地鎖住，該方法可以有效地防止主風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)太快、導(dǎo)致葉片飛離，從而提高整個(gè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性。葉片角調(diào)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(shè)有一個(gè)平面，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的一定角度鎖定。根據(jù)風(fēng)機(jī)的風(fēng)流要求，可以調(diào)節(jié)不同的錐角來調(diào)節(jié)葉片的傾角（角調(diào)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(diào)整精度，盡可能減低同一級(jí)風(fēng)機(jī)葉片安裝角的誤差。

2.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)校核

在進(jìn)行了葉輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)后，對(duì)轉(zhuǎn)子葉片、輪盤進(jìn)行了強(qiáng)度檢測(cè)，并對(duì)整體葉輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，以確保其可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，葉片凸緣U 形槽根部位的應(yīng)力水平最大，其強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為4.3，并有充分的余量，能夠確保葉片長(zhǎng)期安全可靠地工作；風(fēng)機(jī)葉輪的最大當(dāng)量應(yīng)力為202 MPa，比35 號(hào)鋼低315 MPa；兩級(jí)振動(dòng)頻率的差異都超過10%，且無(wú)共振風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，同時(shí)葉輪的工作速度不受附近結(jié)構(gòu)因素所干擾。采用高品質(zhì)的鑄鋁制葉片，使原有的風(fēng)機(jī)鋼片質(zhì)量輕，耐腐蝕性好。風(fēng)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(zhuǎn)輪的質(zhì)量得到了明顯的下降。該方法不僅能達(dá)到操作要求，而且可以減輕葉輪總成的重量，從而使電動(dòng)機(jī)的軸承載荷得到減小，有效地減少了風(fēng)機(jī)的使用和維修成本，并極大地提高了通風(fēng)機(jī)的安全性和可靠性。

3 通風(fēng)機(jī)性能改進(jìn)優(yōu)化驗(yàn)證

為進(jìn)一步檢驗(yàn)改型主風(fēng)機(jī)的性能，需要對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，并對(duì)其使用情況進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試期間，整個(gè)設(shè)備以及通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有出現(xiàn)螺栓松動(dòng)、葉片角度偏轉(zhuǎn)、葉片開裂以及折斷等情況。針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的工況，由專門的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，在井下的主要回風(fēng)巷道中通過調(diào)整風(fēng)門、改變風(fēng)機(jī)葉片的角度，相繼展開了試驗(yàn)，如圖4 所示，為通風(fēng)機(jī)改造前后性能參數(shù)隨流量的變化示意圖。

圖4 通風(fēng)機(jī)改造前后性能參數(shù)變化圖

通過對(duì)對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)改進(jìn)前后性能數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的通風(fēng)機(jī)其效率能夠提高10%左右，流量范圍在原有的基礎(chǔ)上增加了400 m3/min；在相同的空氣流量情況下，改良后的通風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)壓提高了200 Pa，同時(shí)降低了30 kW 左右的功率損耗。目前，該風(fēng)機(jī)在改進(jìn)后的14 個(gè)月內(nèi)24 h 連續(xù)工作，在運(yùn)行期間，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)僅為1.20～1.45 mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于企業(yè)規(guī)定值的4.6 mm/s，同時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲為89 dB，與原通風(fēng)機(jī)110 dB 相比仍舊有所降低，整體運(yùn)行狀態(tài)良好，滿足煤礦企業(yè)的使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過采用一套先進(jìn)的航空渦輪葉片設(shè)計(jì)方法，對(duì)山西某煤礦企業(yè)原有主通風(fēng)機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)，改造后的通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量比原來增加400 m3/min，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓增加200 Pa，總運(yùn)轉(zhuǎn)效率增加10%，能耗下降約30 kW，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲下降20 dB。經(jīng)空載調(diào)試、帶網(wǎng)運(yùn)行及性能測(cè)試，表明改造后的風(fēng)機(jī)性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。本文的研究成果可為我國(guó)煤礦主通風(fēng)系統(tǒng)的改造和優(yōu)化提供參考價(jià)值。