何 艷，蔣志軍，覃志賢，張 杰

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

礦井通風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)中極其重要的設(shè)備，擔(dān)負(fù)著向井下輸送新鮮空氣，排出粉塵、瓦斯和污濁氣流，確保礦井安全生產(chǎn)的重任。隨著我國(guó)煤礦井下高產(chǎn)高效綜合開(kāi)采的快速發(fā)展，巷道用風(fēng)量逐漸加大，急需大風(fēng)量、高風(fēng)壓通風(fēng)機(jī)來(lái)滿足礦用需求。

某礦井兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)均采用對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)，分別由兩臺(tái)相同容量、型號(hào)的防爆型三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)等速運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)調(diào)節(jié)葉片角度和風(fēng)道節(jié)流板來(lái)完成風(fēng)量調(diào)節(jié)。兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)于2005年6月投入使用，其中一臺(tái)通風(fēng)機(jī)由于機(jī)殼與銅襯連接處的鉚釘脫落，損傷了數(shù)件葉片，導(dǎo)致無(wú)法工作。更換新葉片后，通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振，無(wú)法正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)原通風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其還存在著級(jí)間性能匹配較差、喘振裕度低、效率低的問(wèn)題。

在綜合考慮成本和適用性的原則下，僅對(duì)原通風(fēng)機(jī)葉輪段作改進(jìn)設(shè)計(jì)。從葉片設(shè)計(jì)入手，采用一系列先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，解決了通風(fēng)機(jī)喘振問(wèn)題，提高了通風(fēng)機(jī)性能，整個(gè)葉輪部件的重量比原型減少約12%。同時(shí)，解決了兩級(jí)葉片的安裝、角度調(diào)節(jié)及級(jí)間性能匹配等問(wèn)題。

2 原通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

原通風(fēng)機(jī)采用對(duì)旋軸流式結(jié)構(gòu)[1]，由支撐板、葉輪、電動(dòng)機(jī)和機(jī)殼組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。前、后支撐板各5個(gè)，非均布設(shè)計(jì)。兩級(jí)葉輪均為機(jī)翼型鑄鋼葉片(一級(jí)14片，二級(jí)11片)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。電動(dòng)機(jī)由螺釘固定在固定架上。機(jī)殼之間由法蘭盤(pán)與螺栓聯(lián)接，且機(jī)殼、輪轂等構(gòu)件均用鋼板焊接而成。

3 通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)點(diǎn)選取

根據(jù)用戶提出的具體要求，在不改變電動(dòng)機(jī)功率的條件下，確定通風(fēng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)為：

由于通風(fēng)機(jī)在進(jìn)口負(fù)壓2.2～2.6 kPa范圍內(nèi)工作時(shí)存在喘振問(wèn)題，為了提高工作點(diǎn)的喘振裕度，將設(shè)計(jì)點(diǎn)的進(jìn)口負(fù)壓提高到2.7 kPa，并重新設(shè)計(jì)了葉型。另外，改進(jìn)后的通風(fēng)機(jī)葉片角度應(yīng)調(diào)節(jié)方便、可靠，采用鑄鋁材料，并滿足行業(yè)規(guī)范、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等要求。

4 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到設(shè)計(jì)性能指標(biāo)和重量要求，在設(shè)計(jì)中以先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系為平臺(tái)，依托先進(jìn)葉片造型技術(shù)，高效、低重量可控?cái)U(kuò)散葉型以及復(fù)合彎掠等壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。

4.1 準(zhǔn)三維S2流面通流氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)技術(shù)

摒棄原有的主要遵循經(jīng)驗(yàn)選取的設(shè)計(jì)方法，采用具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的準(zhǔn)三維S2流面通流計(jì)算程序改進(jìn)風(fēng)機(jī)的總體氣動(dòng)布局，在采用兩類相對(duì)流面理論的前提下，直接求解流動(dòng)方程，從而得到流場(chǎng)的氣動(dòng)布局。該設(shè)計(jì)方法具有設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確且合理性高的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)中已得到廣泛的運(yùn)用和驗(yàn)證。

由于本次設(shè)計(jì)只進(jìn)行通風(fēng)機(jī)葉輪段的改進(jìn)，考慮到原有葉輪和通風(fēng)機(jī)前后端的良好對(duì)接，不對(duì)通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)做過(guò)大改變。在流道設(shè)計(jì)方面，若選用收縮型流道，鑒于流道本身的非對(duì)稱性，抽氣和吸氣的效率很難同時(shí)兼顧，因此選用平直流道設(shè)計(jì)。通風(fēng)機(jī)子午面流道及葉片投影見(jiàn)圖3。

圖3 通風(fēng)機(jī)葉輪段流道子午面投影圖Fig.3 Meridional plane projection of flow path and blade of the fan

4.2 高效可控?cái)U(kuò)散葉型造型技術(shù)

選用高效可控?cái)U(kuò)散葉型造型技術(shù)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)，可極大地減薄傳統(tǒng)低速通風(fēng)機(jī)的葉片厚度，大大減輕葉片重量，為高稠度、高裕度葉輪的設(shè)計(jì)提供了有利的保障。同時(shí)，輕質(zhì)葉片對(duì)降低輪盤(pán)負(fù)荷及通風(fēng)機(jī)整機(jī)重量都有益處，改進(jìn)后的葉輪較原型減重約12%。

在葉片三維造型中，還采用了彎曲積疊、徑向扭轉(zhuǎn)以及局部前掠等先進(jìn)葉片造型方法，優(yōu)點(diǎn)為：

(1)可減輕葉片根尖氣動(dòng)負(fù)荷，提高葉片根尖效率，最大限度地利用葉片中部的高效流動(dòng)區(qū)擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍，提高通風(fēng)機(jī)抗流場(chǎng)畸變能力，并有效降低通風(fēng)機(jī)噪聲。

(2)可增加葉片剛度，降低葉片應(yīng)力水平；同時(shí)，通過(guò)控制葉片根尖的二次流動(dòng)，可有效提高通風(fēng)機(jī)效率。

改進(jìn)前后的通風(fēng)機(jī)葉片分別如圖4、圖5所示。

圖4 原型通風(fēng)機(jī)葉片F(xiàn)ig.4 The original blade

圖5 改進(jìn)后通風(fēng)機(jī)葉片UG模型Fig.5 UG model of improved blade

4.3 全三維數(shù)值仿真驗(yàn)算

采用三維計(jì)算軟件Numeca對(duì)準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全三維的數(shù)值仿真分析和修正，確定不同進(jìn)口負(fù)壓下的最佳葉片安裝角度。全三維數(shù)值仿真驗(yàn)算的引入，可極大地提高設(shè)計(jì)的合理性和設(shè)計(jì)結(jié)果的可信度。

由于不同時(shí)期通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓有一定的波動(dòng)，故采用在不同進(jìn)口負(fù)壓下適當(dāng)調(diào)整葉片角度的方法來(lái)盡量增大通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量，保證通風(fēng)機(jī)的高效率[2]。葉片角度調(diào)節(jié)方案為：

調(diào)節(jié)方案1：葉片初始角度。該方案適用于進(jìn)口負(fù)壓約為2.7 kPa的情況。

調(diào)節(jié)方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，第一級(jí)葉片角度關(guān)小3°，第二級(jí)葉片角度關(guān)小1°。該方案適用于進(jìn)口負(fù)壓3.0 kPa的情況。

調(diào)節(jié)方案3：在方案1的基礎(chǔ)上，第一級(jí)葉片角度開(kāi)大3°，第二級(jí)葉片角度開(kāi)大3°。該方案適用于進(jìn)口負(fù)壓約為2.0 kPa的情況。

以上三種調(diào)節(jié)方案在相應(yīng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的Numeca三維數(shù)值仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)進(jìn)口負(fù)壓3.0 kPa時(shí)，通風(fēng)機(jī)葉片按調(diào)節(jié)方案2安裝，此工況下計(jì)算的流量為3849.1 m3/min，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的3400 m3/min；效率方面，絕熱效率為91.1%，即使保守估計(jì)電動(dòng)機(jī)的效率為90.0%(電動(dòng)機(jī)標(biāo)稱效率為93.0%)，通風(fēng)機(jī)的總效率也大于80.0%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

對(duì)通風(fēng)機(jī)在葉片角度調(diào)節(jié)方案3下進(jìn)行反風(fēng)工作計(jì)算，進(jìn)口負(fù)壓2.0 kPa時(shí)，Numeca三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表中數(shù)據(jù)分析得出，通風(fēng)機(jī)反風(fēng)工作時(shí)的流量達(dá)到了正常供風(fēng)量的60%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表1 角度調(diào)節(jié)方案3下通風(fēng)機(jī)反風(fēng)工作計(jì)算結(jié)果Table 1 3D calculation results of counter-working adopting angle-3

5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

5.1 改進(jìn)通風(fēng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)

改進(jìn)通風(fēng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考了原兩級(jí)對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)的成熟經(jīng)驗(yàn)，在綜合考慮成本和適用性的原則下，僅對(duì)原通風(fēng)機(jī)葉輪段作改進(jìn)設(shè)計(jì)，其基本目標(biāo)是在滿足使用要求及壽命的前提下，解決原風(fēng)機(jī)的喘振問(wèn)題，同時(shí)增大風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量。

通風(fēng)機(jī)仍采用兩級(jí)葉輪對(duì)旋式結(jié)構(gòu)，主要由葉輪組件、機(jī)殼組件等組成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，UG模型見(jiàn)圖8。葉輪組件主要由葉片、前盤(pán)、后盤(pán)、限位塊、鎖緊卡箍等組成，如圖9所示。將葉片軸頸安裝在前盤(pán)的徑向軸頸孔中，為便于裝配，用鎖緊卡箍鎖緊，然后再用螺栓將前盤(pán)和后盤(pán)連成一體；在各前盤(pán)軸頸孔處安裝不同角度的限位塊來(lái)調(diào)節(jié)葉片安裝角度。為改善盤(pán)上各螺紋孔的受力狀況、保護(hù)螺紋、提高連接強(qiáng)度，在螺紋連接處設(shè)置了鋼絲螺套。整個(gè)葉輪安裝在電動(dòng)機(jī)軸上并通過(guò)平鍵傳扭。機(jī)殼組件主要由機(jī)匣、法蘭邊、銅襯等組成。

兩級(jí)葉輪分別由相同容量及型號(hào)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向相反?？諝饬魅氲谝患?jí)葉輪獲得能量后經(jīng)第二級(jí)葉輪排出，第二級(jí)葉輪兼?zhèn)淦胀ㄝS流風(fēng)機(jī)中靜葉的功能，在獲得圓周速度風(fēng)量的同時(shí)，增加氣流的能量，從而達(dá)到高效率、高風(fēng)壓的目的。兩級(jí)機(jī)殼間用帶石棉板的卡環(huán)密封。整個(gè)通風(fēng)機(jī)葉輪段總高度為2386 mm，寬為902 mm，總重量約為390 kg，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，軸向尺寸小，反風(fēng)性能好等特點(diǎn)。

5.2 具體改進(jìn)措施

(1)改變?nèi)~片及輪轂材料。葉片材料由鑄鋼改為優(yōu)質(zhì)鑄鋁ZL105A，葉身表面噴涂防護(hù)漆，具有重量輕、抗蝕性好等特點(diǎn)；輪轂材料也由結(jié)構(gòu)鋼改為鑄鋁ZL105A。這一改進(jìn)既滿足了使用要求，又減輕了葉輪組件重量，使得電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷降低，從而進(jìn)一步減小了通風(fēng)機(jī)其它部件的磨損，降低了使用成本。

(2)改變輪轂結(jié)構(gòu)形式。將原葉輪輪轂的焊接結(jié)構(gòu)改為通過(guò)螺栓將前盤(pán)和后盤(pán)連成一體的結(jié)構(gòu)形式，可避免由于焊接缺陷造成的故障，從而大大提高可靠性。

(3)改變銅襯與機(jī)殼的連接方式。將原葉片葉尖對(duì)應(yīng)處的銅襯僅通過(guò)鉚釘固定在機(jī)殼上的結(jié)構(gòu)，改為除通過(guò)鉚釘固定在機(jī)殼上外，還將鉚釘頭部焊接在機(jī)殼外表面，銅襯四周焊接在機(jī)殼內(nèi)表面。這樣可避免因鉚釘脫落導(dǎo)致葉片損傷等事故的發(fā)生，結(jié)構(gòu)安全可靠。

(4)改變?nèi)~片調(diào)節(jié)方式。原葉片安裝角度借助葉輪輪轂外表面的刻度進(jìn)行調(diào)節(jié)，誤差大。改進(jìn)設(shè)計(jì)后只需根據(jù)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量要求，選擇不同角度的限位塊來(lái)調(diào)節(jié)，從而減小了同級(jí)葉片安裝角的角度偏差。

(5)適當(dāng)增大前、后支撐板與葉輪之間的軸向距離，消除了支撐板對(duì)葉輪氣流尾跡的影響，提高了通風(fēng)機(jī)效率。

(6)對(duì)葉輪組件進(jìn)行動(dòng)平衡，保證通風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

5.3 主要零件工藝

(1)葉片、盤(pán)采用金屬型澆鑄＋機(jī)加成形工藝，具有機(jī)械性能較好、尺寸精度和表面光潔度高、質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。葉片鑄造成型后經(jīng)校正模校正，葉身表面噴漆以增強(qiáng)其抗蝕性。

(2)機(jī)殼采用鋼板卷制＋焊接＋機(jī)加成形工藝，具有工序簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

5.4 主要零件強(qiáng)度校核

為保證通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，采用大型商用有限元軟件ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)子葉片、輪盤(pán)進(jìn)行了強(qiáng)度和振動(dòng)分析。結(jié)果表明，葉片和輪盤(pán)的靜強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，葉輪在工作轉(zhuǎn)速附近不存在結(jié)構(gòu)因素引起的共振現(xiàn)象。

6 驗(yàn)證

改進(jìn)后的通風(fēng)機(jī)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝，在進(jìn)口負(fù)壓2.2～2.6 kPa范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，未發(fā)生喘振，本改進(jìn)設(shè)計(jì)成功地解決了原通風(fēng)機(jī)的喘振問(wèn)題。

根據(jù)通風(fēng)機(jī)進(jìn)口負(fù)壓低(約為2.0 kPa)的工作條件，專業(yè)測(cè)試機(jī)構(gòu)采用主通風(fēng)巷道內(nèi)加裝節(jié)流板和調(diào)節(jié)葉片角度的方法，完成了該通風(fēng)機(jī)的性能測(cè)試，其參數(shù)見(jiàn)表2。原型通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)[3]見(jiàn)表3。

根據(jù)通風(fēng)機(jī)改進(jìn)前后的性能測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可得：改進(jìn)后的通風(fēng)機(jī)的效率最高可達(dá)93.45%，比原通風(fēng)機(jī)效率提高約6.20%；在進(jìn)口風(fēng)壓相同的條件下，通風(fēng)機(jī)風(fēng)量有了很大的提高。

表2 改進(jìn)后的通風(fēng)機(jī)性能測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Improved performance test data

表3 原通風(fēng)機(jī)性能測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Original performance test data

7 結(jié)束語(yǔ)

本文采用一系列先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)原對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，成功解決了原通風(fēng)機(jī)的喘振問(wèn)題，同時(shí)提高了其通風(fēng)效率。目前，該通風(fēng)機(jī)已投入使用18個(gè)月，且24 h不間斷工作，運(yùn)行平穩(wěn)，滿足礦用要求。

[1]李慶宜.通風(fēng)機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社出版，1981.

[2]離心式與軸流式通風(fēng)機(jī)編寫(xiě)組.離心式與軸流式通風(fēng)機(jī)[M].北京：電力工業(yè)社出版，1986.

[3]華鎣山廣能集團(tuán)李子埡煤業(yè)有限公司.通風(fēng)機(jī)性能數(shù)據(jù)測(cè)定報(bào)表[Z].2005.