礦井單電機外置式可調對旋通風機結構設計

王 超

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司， 山西 晉城 048100）

引言

目前煤炭開采的深度越來越深，在地層以下會開采出多個煤炭巷道，每一個巷道錯綜復雜并交織在一起，對于每一個巷道通風的科學合理布局安排有較高的工作要求。隨著開采深度的加深，礦井內就會出現風阻過大的問題，并且每一個掘進巷道的通風量都不足，從而造成了通風設備通風效率的大大降低[1]。為了解決該問題，技術人員就會采用更高功率的局部通風機進行通風作業，裝配直徑很大的高強風筒向巷道內進行通風，然而該種不經濟的通風作業將造成資源的浪費，并且目前的對旋風機不能長時間高負荷地進行運轉通風，隨著時間的推移將降低工作效率。此外，通過現場調研可知目前的對旋風機長時間作業后由于兩級電機的功率匹配不一致的問題容易發生燒電機的安全隱患事故，影響正常開采作業的進行，甚至在有易燃易爆氣體的巷道內容易發生安全生產事故[2]。針對上述現場工程實際問題，設計單電機驅動的對旋通風機設備，可防止兩個電機功率不匹配而發生燃燒的問題，還可以通過機械結構調節裝置對安裝在通風機上的葉片進行調整，通過對不同安裝角葉片的調整，可提高通風的效率，使通風機的結構更加緊湊，并且能夠實現節能減排的目的[3]。

1 對旋通風機參數與原理

1.1 風機相關參數

采用目前常用的對旋通風機型號FAD No9.0/2×65kW 為對象進行研究，該通風機結構具有強制通風的性能并具備安全防爆等級的行業規定。FAD No9.0/2×65kW 型通風機的轉速為1 500～2 900 r/min，根據通風工作要求可以對轉速進行調節，分為兩級葉輪布置，一級葉輪16 個葉片、二級葉輪12個葉片，每一個葉片均呈不同的角度進行安裝，安裝角度分別為48°和32°。FAD No9.0/2×65kW 型通風機葉輪的外圓直徑為850 mm，輪轂比為0.60，通風流量范圍500～1 050 m3/min[4]。

1.2 風機運轉原理

FAD No9.0/2×65kW 型對旋風機結構設計緊湊，由許多關鍵部件組成，主要的重要部件為前級電機、前級葉輪、后級葉輪、后級電機、擴壓器和風筒等。葉輪在電機的驅動下進行高速的旋轉吸入空氣，空氣形成對流后，在葉輪的入風口形成了巨大的負壓作用，外界的空氣由于存在著壓力梯度而被吸入風筒，進入前級葉輪區域，然后葉片與氣流相互作用，使葉輪的機械能轉化為氣流的動能和壓力勢能。通過一級、二級的氣流流動，使空氣在對流通風機內部旋轉調節，空氣將最終流出前級葉輪。由于對旋通風機軸向的間距比較短，空氣在軸向方向上停留的時間較短并產生短暫增壓，然后又進入后級葉輪區域，后級葉輪與前級葉輪旋向相反，這樣的一正一反的相互作用能夠對氣流的增壓起促進的作用，空氣在經過兩級葉輪之間的相互作用調節后氣壓更為猛烈，動能和壓力能的提升效果顯著，最終氣流經過擴壓器把部分動能轉化為壓力能后流出風筒[5]。

如圖1 所示，由于葉輪是與空氣產生接觸時間最長的部件，能有效提高葉輪葉片的結構參數對提高通風效率有較大的幫助。目前常常通過增加葉片數目、調整葉輪的大小以及改變葉片形狀來提升通風效率[6]。

2 對旋通風機結構性能分析

2.1 風機流場

在FAD No9.0/2×65kW 型對旋通風機額定功率作用下，產生了風速17 m/s 的作用，通過在葉輪軸向方向的葉片高速轉動吸入了空氣，在通風機內部形成了空氣流場如圖2 所示。

圖2 空氣流場示意圖

由圖2 可以看出，整個通風器內部的空氣流場是不連續的，在靠近進口端的附近產生的渦流現象，對于通風機后部的空氣吸入和排出整個過程的暢通性是不利的。說明現有常用的FAD No9.0/2×65kW 型對旋通風機在整個局部通風工作性能方面的效率較低，不能高效率地排出礦井巷道內的有毒有害氣體。

2.2 葉片壓力分析

FAD No9.0/2×65kW 型對旋通風機葉輪葉片在與空氣接觸產生旋轉的時候，將受到來自空氣阻力的載荷壓力。如圖3 所示為葉片在受到載荷壓力的應力云圖分布。

圖3 葉片壓力云示意圖

由圖3 可知，每一個葉片上面所受到的壓力分布區域均較為集中，沒有充分發揮每一個葉片的工作面積，工作效率低下。通過提取數據分析，每個葉片的作用面積為總面積的31.68%，說明對旋通風機在長時間通風作業后效率將逐漸降低，造成了能源的浪費。

3 單電機外置式可調對旋通風機整體結構的設計

3.1 總體方案的設計

針對現有對旋通風機結構上所存在的缺陷問題，設計思路考慮單電機外置式可調對旋通風機主要由單電機模塊和可調對旋葉片的模塊組成，單電機的功率輸出為單項的動力輸出，是不可往復的動力輸出。設置傳動箱將兩個同一軸輸出的驅動力經過兩個葉輪旋轉后形成對旋作用，整個傳動機構是通過齒輪和螺紋進行傳動。葉片是該設備的關鍵結構，每一片葉片均環繞軸線的中心進行旋轉，兩級葉片根據通風量的大小進行角度的調節。具體設計圖如圖4 所示。

圖4 單電機外置式可調對旋通風機模塊化設計方案

3.2 葉片調節關鍵構件的設計

通過ANSYS 優化組件模塊，單電機外置式可調對旋通風機對錐齒輪、內外軸向筒進行目標值的優化，設計出兩者新型的結構模型，并通過SolidWorks三維模型設計軟件進行建模，將關鍵部件的零碎結構進行去除，具體設計圖如圖5 所示。

圖5 葉片調節機構的主要零件

4 通風效果試驗結果

4.1 空氣流動軸向湍動能

圖6 軸向湍動能云圖

如圖6 所示，空氣在通風機內部的軸向湍動能平均數據為2.365 m2/s2，從內部分布云圖可以看出軸向湍動能運動分布較為均勻，偏差僅為1.68%。說明單電機外置式可調對旋通風機能夠使氣流在軸向的運動更具有規律性，并非雜亂無章地運動，提高了通風的效率。

4.2 葉片壓力對比

將圖7 和圖3 進行對比分析可知，圖7 所示，葉片壓力云圖分布狀況更為均勻理想，每一片葉片的利用率由31.68%上升至81.65%，增大了葉片的工作性能和效率，提高了每一片葉片在通風機工作過程的參與度。

5 結語

通過分析可知現有煤礦常用的FAD No9.0/2×65kW 型對旋型通風機在結構上存在一定的缺陷，軸向方向上的空氣氣流運動雜亂無章，降低了通風的效率，并且葉片的利用率較低，不能很好地發揮結構的優勢。對于目前礦井通風要求越到越高的現狀，FAD No9.0/2×65kW 型通風機不能滿足要求。然而設計出的單電機外置式可調對旋通風機避免了原有通風機結構的弊端，使通風機在通風的時候，空氣在軸向方向上的流通更加的順暢均勻，并設計出可調葉片角度的葉輪裝置，提高了葉片通風面積的利用效率。試驗結果表明單電機外置式可調對旋通風機更加符合當前礦井開采對于通風性能的工作要求，試驗研究成果為礦井在通風工藝改進方面提供了研究思路。

圖7 新型葉片壓力云示意圖