秦 鵬

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金裕達(dá)煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

煤礦礦井生產(chǎn)中對旋軸流式主通風(fēng)機(jī)是重要設(shè)備之一，主要負(fù)責(zé)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(chǎn)提供良好的環(huán)境。隨著當(dāng)前國內(nèi)煤炭行業(yè)開采技術(shù)水平的不斷提升，煤礦掘進(jìn)巷道長度持續(xù)增大，對通風(fēng)量及風(fēng)壓等的要求也越來越高，噪聲低、性能穩(wěn)定、效率高、運(yùn)行范圍廣成為礦用對旋軸流式主通風(fēng)機(jī)發(fā)展的必然趨勢。對旋軸流式主通風(fēng)機(jī)中葉輪質(zhì)量的高低、性能的好壞及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是影響和決定通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況的關(guān)鍵因素，必須從轉(zhuǎn)子葉片安裝、角度調(diào)節(jié)等葉輪改進(jìn)角度出發(fā)，加強(qiáng)對礦用主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)。

1 某礦原通風(fēng)機(jī)概況

某礦井田面積16.1066 km2，生產(chǎn)能力為0.9 Mt/年，批準(zhǔn)開采2～11 號煤層。對旋軸流式通風(fēng)機(jī)由電動機(jī)、葉輪、支板、進(jìn)氣段、機(jī)匣等部件組成的，葉輪均采用機(jī)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(jī)閘等部件也均通過鋼板焊接。原通風(fēng)機(jī)在長期運(yùn)行過程中主要表現(xiàn)出以下問題：風(fēng)量和調(diào)節(jié)范圍越來越小，無法滿足煤巷掘進(jìn)深度增大后的通風(fēng)需求；葉片斷裂后造成機(jī)匣擊穿，帶病運(yùn)行；能耗高，運(yùn)行成本居高不下。

原礦用通風(fēng)機(jī)葉片采用常規(guī)孤立翼型氣動設(shè)計(jì)和平面葉柵設(shè)計(jì)，難以降低風(fēng)機(jī)中氣流流動阻力及渦流，導(dǎo)致葉片氣動噪聲過大、風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低下。具體而言，此類設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)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(zhì)量較大的葉輪直接安裝在電機(jī)軸上，形成懸臂軸，電機(jī)軸在通風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)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(fēng)機(jī)葉片和葉柄主要通過螺母固定在輪盤鼓筒結(jié)構(gòu)上，此種固定方式數(shù)次拆裝后會造成螺紋失效，必須進(jìn)行葉片更換，運(yùn)行成本較高。

2 主通風(fēng)機(jī)葉輪改進(jìn)

2.1 葉輪參數(shù)設(shè)計(jì)

在確保該煤礦原通風(fēng)機(jī)葉輪尺寸、轉(zhuǎn)速、功率等既定的基礎(chǔ)上進(jìn)行葉輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果詳見表1。葉輪改進(jìn)后其角度必須便于進(jìn)行可靠調(diào)節(jié)，并符合連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等方面的要求。

表1 礦用對旋軸流主通風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)優(yōu)化

2.2 葉片氣動設(shè)計(jì)

應(yīng)用當(dāng)前較為成熟的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)氣動設(shè)計(jì)技術(shù)，即全三維葉片技術(shù)進(jìn)行該礦井對旋軸流通風(fēng)機(jī)葉片氣動改進(jìn)設(shè)計(jì)，以達(dá)到性能及質(zhì)量方面的要求。通過準(zhǔn)三維流面通流進(jìn)行葉片氣動布局計(jì)算[2]，該程序?qū)饬骷俣檩S對稱定常流狀態(tài)，并通過矩陣通流法展開求解，以體現(xiàn)端壁范圍內(nèi)實(shí)際流道狀況，得出全面的流場氣動布局信息。為確保原通風(fēng)機(jī)葉片良好對接設(shè)備前后段，不改變通風(fēng)機(jī)原流場，還應(yīng)在葉片氣動設(shè)計(jì)過程中采用平直流道。

2.3 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不對煤礦原主通風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模改造，僅在綜合考慮使用性能、加工工藝、維護(hù)成本等的基礎(chǔ)上，改造通風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)，以便在滿足正常運(yùn)行要求并延長使用壽命的情況下，有效解決原主通風(fēng)機(jī)所存在的性能不可靠、能耗高、葉片角度調(diào)節(jié)精度差、葉輪過重等問題。優(yōu)化改進(jìn)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?shù)炔考?/p>

葉片安裝方式也隨之改變，即將一U 形環(huán)形槽設(shè)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(fēng)機(jī)啟動后葉片因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力進(jìn)而擠壓卡箍，卡箍進(jìn)一步鎖緊葉片，葉片鎖緊度提升，通風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行的可靠性大大增加。

葉片角度調(diào)節(jié)精度也得到提升：改進(jìn)后，主要通過帶錐角的定位塊進(jìn)行葉片角度的限位調(diào)節(jié)和確定。在葉片葉柄處增設(shè)一個(gè)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(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中主要通過錐角定位塊的更換以進(jìn)行葉片角度調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)偏差不超出0.5°，使葉片角度調(diào)節(jié)精度顯著提升，葉片安裝角度偏差明顯降低。

原主通風(fēng)機(jī)鋼制葉片改良為輕質(zhì)鑄鋁葉片，抗腐蝕性提升；輪盤腹板外圓形設(shè)計(jì)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(jī)軸承負(fù)荷隨之下降，礦用對旋軸流主通風(fēng)機(jī)運(yùn)維成本下降，機(jī)械運(yùn)行的安全可靠性得到保障。

2.4 強(qiáng)度及振動校核

為增強(qiáng)礦用主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的可靠性，還必須校核轉(zhuǎn)子葉片、輪盤等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)行葉輪整體結(jié)構(gòu)振動計(jì)算。強(qiáng)度校核及振動計(jì)算結(jié)果顯示，通風(fēng)機(jī)葉片榫頭U 形槽的根部應(yīng)力水平最高，所對應(yīng)的強(qiáng)度儲備系數(shù)4.4，強(qiáng)度裕度足夠，可確保轉(zhuǎn)子葉片安全穩(wěn)定運(yùn)行。輪盤等效應(yīng)力最大值210 MPa，比35 號鋼屈服強(qiáng)度值小，表明輪盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也符合設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，表明主通風(fēng)機(jī)葉輪改進(jìn)優(yōu)化后其工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不存在危害機(jī)械安全運(yùn)行的共振現(xiàn)象[3]。

3 運(yùn)行效果驗(yàn)證

采用本文所提出的思路對礦用主通風(fēng)機(jī)葉輪改進(jìn)后，進(jìn)行了現(xiàn)場安裝調(diào)試及帶網(wǎng)運(yùn)行考核。在考察期間主通風(fēng)機(jī)性能良好、運(yùn)行穩(wěn)定，從未出現(xiàn)任何葉片角度翻轉(zhuǎn)、螺栓松動、葉片斷裂及裂紋等情況。結(jié)合礦用主通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，還由專業(yè)測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)門調(diào)節(jié)、葉片角度調(diào)節(jié)等性能測試。通過比較和分析通風(fēng)機(jī)葉輪改造前后性能參數(shù)的變化，如圖1 所示，通風(fēng)機(jī)優(yōu)化改進(jìn)后流量范圍增加了400 m3/min，運(yùn)行效率至少提升10%，且在風(fēng)量水平相同的情況下，風(fēng)壓至少提高200 MPa，運(yùn)行功率降低至少30 kW。當(dāng)前，礦井井下用主通風(fēng)機(jī)改進(jìn)后已投運(yùn)并一直處于24 h 持續(xù)工作狀態(tài)，運(yùn)行期間所監(jiān)測得風(fēng)機(jī)振幅僅為1.3～1.45 mm/s，遠(yuǎn)小于4.6 mm/s 的限定值，噪聲為89 dB，比原通風(fēng)機(jī)108 dB 的噪聲降低74%，運(yùn)行狀態(tài)良好。

圖1 礦用主通風(fēng)機(jī)改造前后性能參數(shù)變動情況

4 結(jié)語

航空葉輪機(jī)設(shè)計(jì)思路在礦用對旋軸流式主通風(fēng)機(jī)葉輪改進(jìn)中的應(yīng)用可有效解決主通風(fēng)機(jī)性能不穩(wěn)定、運(yùn)行效率低、噪聲大、風(fēng)量小及帶病運(yùn)行等問題，優(yōu)化改進(jìn)后風(fēng)量明顯增大、風(fēng)壓及運(yùn)行工效大大提升、功率和噪聲降低。經(jīng)現(xiàn)場安裝調(diào)試及帶網(wǎng)運(yùn)行考核后表明，對旋軸流式主通風(fēng)機(jī)改進(jìn)后各項(xiàng)性能指標(biāo)均超出設(shè)計(jì)規(guī)范所要求的正常水平。本研究對于國內(nèi)礦用旋軸流式主通風(fēng)機(jī)葉輪改進(jìn)及升級換代具有較好的參考借鑒價(jià)值。