礦用對旋軸流通風(fēng)機改進設(shè)計

何 艷，蔣志軍，覃志賢，張 杰

(中國燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

礦井通風(fēng)機是煤礦生產(chǎn)中極其重要的設(shè)備，擔(dān)負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。隨著我國煤礦井下高產(chǎn)高效綜合開采的快速發(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)機來滿足礦用需求。

某礦井兩臺主通風(fēng)機均采用對旋軸流通風(fēng)機，分別由兩臺相同容量、型號的防爆型三相異步電動機帶動等速運轉(zhuǎn)，并通過調(diào)節(jié)葉片角度和風(fēng)道節(jié)流板來完成風(fēng)量調(diào)節(jié)。兩臺通風(fēng)機于2005年6月投入使用，其中一臺通風(fēng)機由于機殼與銅襯連接處的鉚釘脫落，損傷了數(shù)件葉片，導(dǎo)致無法工作。更換新葉片后，通風(fēng)機出現(xiàn)喘振，無法正常運行。通過對原通風(fēng)機進行分析，發(fā)現(xiàn)其還存在著級間性能匹配較差、喘振裕度低、效率低的問題。

在綜合考慮成本和適用性的原則下，僅對原通風(fēng)機葉輪段作改進設(shè)計。從葉片設(shè)計入手，采用一系列先進設(shè)計方法，解決了通風(fēng)機喘振問題，提高了通風(fēng)機性能，整個葉輪部件的重量比原型減少約12%。同時，解決了兩級葉片的安裝、角度調(diào)節(jié)及級間性能匹配等問題。

2 原通風(fēng)機結(jié)構(gòu)

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

3 通風(fēng)機設(shè)計指標(biāo)及設(shè)計點選取

根據(jù)用戶提出的具體要求，在不改變電動機功率的條件下，確定通風(fēng)機改進設(shè)計的性能指標(biāo)為：

由于通風(fēng)機在進口負壓2.2～2.6 kPa范圍內(nèi)工作時存在喘振問題，為了提高工作點的喘振裕度，將設(shè)計點的進口負壓提高到2.7 kPa，并重新設(shè)計了葉型。另外，改進后的通風(fēng)機葉片角度應(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)運轉(zhuǎn)等要求。

4 氣動設(shè)計

為了達到設(shè)計性能指標(biāo)和重量要求，在設(shè)計中以先進航空發(fā)動機壓氣機設(shè)計體系為平臺，依托先進葉片造型技術(shù)，高效、低重量可控擴散葉型以及復(fù)合彎掠等壓氣機設(shè)計技術(shù)進行通風(fēng)機氣動設(shè)計。

4.1 準(zhǔn)三維S2流面通流氣動布局設(shè)計技術(shù)

摒棄原有的主要遵循經(jīng)驗選取的設(shè)計方法，采用具有國內(nèi)先進水平的準(zhǔn)三維S2流面通流計算程序改進風(fēng)機的總體氣動布局，在采用兩類相對流面理論的前提下，直接求解流動方程，從而得到流場的氣動布局。該設(shè)計方法具有設(shè)計結(jié)果準(zhǔn)確且合理性高的特點，在國內(nèi)外航空發(fā)動機氣動布局設(shè)計中已得到廣泛的運用和驗證。

由于本次設(shè)計只進行通風(fēng)機葉輪段的改進，考慮到原有葉輪和通風(fēng)機前后端的良好對接，不對通風(fēng)機流場做過大改變。在流道設(shè)計方面，若選用收縮型流道，鑒于流道本身的非對稱性，抽氣和吸氣的效率很難同時兼顧，因此選用平直流道設(shè)計。通風(fēng)機子午面流道及葉片投影見圖3。

圖3 通風(fēng)機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 高效可控擴散葉型造型技術(shù)

選用高效可控擴散葉型造型技術(shù)進行通風(fēng)機葉片設(shè)計，可極大地減薄傳統(tǒng)低速通風(fēng)機的葉片厚度，大大減輕葉片重量，為高稠度、高裕度葉輪的設(shè)計提供了有利的保障。同時，輕質(zhì)葉片對降低輪盤負荷及通風(fēng)機整機重量都有益處，改進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葉片造型方法，優(yōu)點為：

(1)可減輕葉片根尖氣動負荷，提高葉片根尖效率，最大限度地利用葉片中部的高效流動區(qū)擴大穩(wěn)定工作范圍，提高通風(fēng)機抗流場畸變能力，并有效降低通風(fēng)機噪聲。

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

改進前后的通風(fēng)機葉片分別如圖4、圖5所示。

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

圖5 改進后通風(fēng)機葉片UG模型Fig.5 UG model of improved blade

4.3 全三維數(shù)值仿真驗算

采用三維計算軟件Numeca對準(zhǔn)三維設(shè)計方案進行全三維的數(shù)值仿真分析和修正，確定不同進口負壓下的最佳葉片安裝角度。全三維數(shù)值仿真驗算的引入，可極大地提高設(shè)計的合理性和設(shè)計結(jié)果的可信度。

由于不同時期通風(fēng)機工作風(fēng)壓有一定的波動，故采用在不同進口負壓下適當(dāng)調(diào)整葉片角度的方法來盡量增大通風(fēng)機的通風(fēng)量，保證通風(fēng)機的高效率[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。該方案適用于進口負壓約為2.7 kPa的情況。

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

調(diào)節(jié)方案3：在方案1的基礎(chǔ)上，第一級葉片角度開大3°，第二級葉片角度開大3°。該方案適用于進口負壓約為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)計進口負壓3.0 kPa時，通風(fēng)機葉片按調(diào)節(jié)方案2安裝，此工況下計算的流量為3849.1 m3/min，遠大于設(shè)計指標(biāo)要求的3400 m3/min；效率方面，絕熱效率為91.1%，即使保守估計電動機的效率為90.0%(電動機標(biāo)稱效率為93.0%)，通風(fēng)機的總效率也大于80.0%，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

對通風(fēng)機在葉片角度調(diào)節(jié)方案3下進行反風(fēng)工作計算，進口負壓2.0 kPa時，Numeca三維數(shù)值計算結(jié)果見表1。從表中數(shù)據(jù)分析得出，通風(fēng)機反風(fēng)工作時的流量達到了正常供風(fēng)量的60%，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

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

5 結(jié)構(gòu)改進措施

5.1 改進通風(fēng)機總體結(jié)構(gòu)

改進通風(fēng)機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計參考了原兩級對旋軸流風(fēng)機的成熟經(jīng)驗，在綜合考慮成本和適用性的原則下，僅對原通風(fēng)機葉輪段作改進設(shè)計，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)機的喘振問題，同時增大風(fēng)機的通風(fēng)量。

通風(fēng)機仍采用兩級葉輪對旋式結(jié)構(gòu)，主要由葉輪組件、機殼組件等組成，結(jié)構(gòu)見圖7，UG模型見圖8。葉輪組件主要由葉片、前盤、后盤、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和后盤連成一體；在各前盤軸頸孔處安裝不同角度的限位塊來調(diào)節(jié)葉片安裝角度。為改善盤上各螺紋孔的受力狀況、保護螺紋、提高連接強度，在螺紋連接處設(shè)置了鋼絲螺套。整個葉輪安裝在電動機軸上并通過平鍵傳扭。機殼組件主要由機匣、法蘭邊、銅襯等組成。

兩級葉輪分別由相同容量及型號的電動機驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)方向相反。空氣流入第一級葉輪獲得能量后經(jīng)第二級葉輪排出，第二級葉輪兼?zhèn)淦胀ㄝS流風(fēng)機中靜葉的功能，在獲得圓周速度風(fēng)量的同時，增加氣流的能量，從而達到高效率、高風(fēng)壓的目的。兩級機殼間用帶石棉板的卡環(huán)密封。整個通風(fēng)機葉輪段總高度為2386 mm，寬為902 mm，總重量約為390 kg，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，軸向尺寸小，反風(fēng)性能好等特點。

5.2 具體改進措施

(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，葉身表面噴涂防護漆，具有重量輕、抗蝕性好等特點；輪轂材料也由結(jié)構(gòu)鋼改為鑄鋁ZL105A。這一改進既滿足了使用要求，又減輕了葉輪組件重量，使得電動機的負荷降低，從而進一步減小了通風(fēng)機其它部件的磨損，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)改為通過螺栓將前盤和后盤連成一體的結(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)改變銅襯與機殼的連接方式。將原葉片葉尖對應(yīng)處的銅襯僅通過鉚釘固定在機殼上的結(jié)構(gòu)，改為除通過鉚釘固定在機殼上外，還將鉚釘頭部焊接在機殼外表面，銅襯四周焊接在機殼內(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行調(diào)節(jié)，誤差大。改進設(shè)計后只需根據(jù)通風(fēng)機風(fēng)量要求，選擇不同角度的限位塊來調(diào)節(jié)，從而減小了同級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，消除了支撐板對葉輪氣流尾跡的影響，提高了通風(fēng)機效率。

(6)對葉輪組件進行動平衡，保證通風(fēng)機運行平穩(wěn)。

5.3 主要零件工藝

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

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

5.4 主要零件強度校核

為保證通風(fēng)機結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，采用大型商用有限元軟件ANSYS對轉(zhuǎn)子葉片、輪盤進行了強度和振動分析。結(jié)果表明，葉片和輪盤的靜強度均滿足設(shè)計要求，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 驗證

改進后的通風(fēng)機通過現(xiàn)場安裝，在進口負壓2.2～2.6 kPa范圍內(nèi)運行時，未發(fā)生喘振，本改進設(shè)計成功地解決了原通風(fēng)機的喘振問題。

根據(jù)通風(fēng)機進口負壓低(約為2.0 kPa)的工作條件，專業(yè)測試機構(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)機的性能測試，其參數(shù)見表2。原型通風(fēng)機的性能參數(shù)[3]見表3。

根據(jù)通風(fēng)機改進前后的性能測試數(shù)據(jù)進行對比分析可得：改進后的通風(fēng)機的效率最高可達93.45%，比原通風(fēng)機效率提高約6.20%；在進口風(fēng)壓相同的條件下，通風(fēng)機風(fēng)量有了很大的提高。

表2 改進后的通風(fēng)機性能測試數(shù)據(jù)Table 2 Improved performance test data

表3 原通風(fēng)機性能測試數(shù)據(jù)Table 3 Original performance test data

7 結(jié)束語

本文采用一系列先進的設(shè)計方法，對原對旋軸流通風(fēng)機進行改進設(shè)計，成功解決了原通風(fēng)機的喘振問題，同時提高了其通風(fēng)效率。目前，該通風(fēng)機已投入使用18個月，且24 h不間斷工作，運行平穩(wěn)，滿足礦用要求。

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

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

[3]華鎣山廣能集團李子埡煤業(yè)有限公司.通風(fēng)機性能數(shù)據(jù)測定報表[Z].2005.