礦用對旋軸流主通風機葉輪改造設計與驗證

張軍，向宏輝，趙光敏，蔣志軍，鐘紹輝

（中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

礦用對旋軸流主通風機葉輪改造設計與驗證

張軍，向宏輝，趙光敏，蔣志軍，鐘紹輝

（中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703）

針對礦用主通風機存在的效率低和可靠性差兩個根本問題，采用國內先進的航空發動機壓氣機葉片造型技術，完成了通風機葉片改造氣動設計；結合成熟的旋轉機械結構設計經驗，將傳統鼓筒受力方式改為腹板受力方式，有效減輕了鼓筒質量，同時采取帶不同錐角定位塊的方式實現葉片角度精確調節和減小同級葉片角度偏差。經空載調試、帶網運行、性能測試及運行考核表明，改造后通風機的風量、效率等性能參數明顯提高，運行安全可靠，滿足用戶使用要求。

對旋軸流式通風機；葉輪；葉片角度；壓氣機；氣動設計

1　引言

礦用對旋軸流式主通風機是保障礦井安全生產的重要設備之一，擔負著向井下輸送新鮮空氣，排出粉塵、瓦斯等污濁氣體，確保礦井和井下工人安全的重任。隨著現代化、集約化采煤生產的發展，煤礦掘進巷道長度不斷增加，對通風風量和風壓的要求也越來越高，具有安全可靠、效率高、噪聲低、運行范圍寬等良好性能的通風機，成為礦用對旋主通風機發展的必然趨勢，也是煤礦企業選擇通風設備的理想產品［1］。

某煤礦用通風機在使用中曾出現葉片斷裂飛出擊穿機匣的故障，在對葉輪結構進行優化和更換葉片材料后，又出現通風機風量小、效率低、能耗大、噪聲大、風量調節范圍窄等問題，無法滿足用戶使用需求。因此，從安全和經濟效益以及生產發展的需要出發，通風機改造勢在必行。

本文在綜合考慮成本、安全、可靠性和適用性的原則下，僅對原通風機葉輪進行改造。采用一系列先進航空發動機壓氣機氣動設計方法和結構設計經驗，有效解決了原通風機可靠性差、風量小、效率低、能耗大的缺陷，提高了通風機性能和可靠性，整個葉輪部件質量減小約15%。同時，解決了兩級轉子葉片的安裝、角度調節等問題。

2　原通風機情況分析

原通風機采用對旋軸流式結構［2］，主通風機由進氣段、支板、葉輪、電動機和機匣等組成，其結構示意及實物圖見圖1。兩級葉輪均為機翼型雙層空心鋼制葉片（一級13片、二級11片），機匣、輪盤等構件均用鋼板焊接而成。原通風機使用過程中的問題主要有：出現過葉片斷裂擊穿機匣的故障；隨著巷道掘進深度的增加，通風機風量小、調節范圍窄，無法滿足煤礦巷道通風要求；通風機長期低效率、高能耗運行，給企業帶來巨大的運行成本。

圖1　原通風機結構示意及實物圖Fig.1 original fan structure

原通風機葉片氣動設計采用傳統的孤立翼型和平面葉柵設計［3-4］，不能有效減少氣流在風機中的流動阻力和氣流渦流，無法從根本上大幅提高風機效率和降低葉片氣動噪聲。其結構上存在以下幾方面問題：（1）葉片與葉柄之間采用鉚釘鉚接方式聯結，曾經產生過鉚釘松動，導致葉片脫落［5］；（2）兩級葉輪直接安裝在電機軸上，葉輪質量很大，電機軸形成了一種懸臂軸［6］，靠近葉輪一端的電機軸承承受很大的軸向力和徑向力，使得風機運行中電機軸承容易磨損、發熱，導致軸承溫度過高而停機；（3）葉片葉柄通過螺母固定于輪盤鼓筒上，該種固定方式經多次拆裝容易導致螺紋失效，只能更換新葉片，進而增加了使用成本；（4）葉片角度調節完全通過肉眼觀察確定，調節精度差。

3　通風機葉輪改進設計

3.1葉輪設計參數

在保證原通風機功率、轉速、葉輪尺寸等指標不變的基礎上，進行通風機葉輪改進設計。同時，根據用戶的具體使用要求，確定了通風機葉輪改造的設計參數，見表1。此外，改進后的葉輪，葉片角度應調節方便、可靠，并滿足行業規范、連續運轉等要求。

表1　通風機改造設計參數表Table 1 Improved design data of fan

3.2葉片氣動設計

為達到性能設計指標和質量要求，采用目前成熟的先進航空發動機壓氣機氣動設計方法，應用全三維葉片造型技術進行通風機葉片氣動設計。

氣動布局采用準三維S2流面通流計算。通流程序假設氣流為軸對稱定常流，采用矩陣通流法逐站求解，能反映端壁區域的流道信息，從而得到流場的氣動布局。考慮到原有葉輪與通風機前后段的良好對接，不對通風機流場做大的改變，選用平直流道。通風機子午面流道及葉片投影見圖2。

圖2　通風機葉輪段流道子午面投影圖Fig.2 Meridian plane projection of fan flow path

采用在超跨聲葉型設計中廣泛應用的B樣條控制中線角葉型、貝塞爾曲線控制葉型厚度（BMAA）的方法進行葉片造型［7］。該造型技術可良好控制氣流在葉片表面的速度，擴大穩定工作范圍，提高通風機抗流場畸變能力，有效降低通風機噪聲。圖3和圖4分別為改進前、后的通風機葉片。

采用三維計算軟件Numerca，對準三維設計方案進行全三維數值仿真分析和修正。圖5為三維仿真驗算獲得的葉片內部流場相對馬赫數等值線圖。

3.3葉輪結構設計

原通風機總體結構不進行大的改造，在綜合考慮成本、加工工藝、質量和使用性的原則下，僅對原通風機葉輪結構進行改造。目標是在滿足使用要求及壽命的前提下，解決原通風機可靠性低、靜葉角度調節精度差、葉輪質量大等問題。通風機改造后的葉輪組件，主要由葉片、輪盤、安裝座、卡箍、定位塊、蓋板、擋板、螺釘等零部件組成，葉輪裝配UG模型見圖6。

圖3　原通風機葉片實物圖Fig.3 The original blade

圖4　改進后通風機葉片UG模型Fig.4 UG model of improved blade

圖5　相對馬赫數等值線圖Fig.5 Contours of relative Mach number

圖6　通風機葉輪裝配UG模型Fig.6 UG model of improved fan assembly

改善葉片安裝方式：在葉片葉柄設計一環形U型槽，用于放置兩個半圓形卡箍，并通過螺栓鎖緊。當通風機運轉時，葉片旋轉產生的離心力擠壓卡箍，使卡箍牢固地鎖緊葉片，有效提高了葉片的鎖緊度，進而提高了通風機運行的可靠性。

提高葉片角度調節精度：葉片角度調節通過帶不同錐角的定位塊限位確定葉片角度。在葉片葉柄上設計一平面，用于定位塊擠壓葉柄起角度鎖定作用，定位塊通過螺栓固定于輪盤安裝座上。根據通風機風量要求，可采取更換不同錐角的定位塊來調節葉片角度（角度調節偏差≯0.5°），同級葉片角度確定采用相同錐角的定位塊，有效地提高了葉片角度調節精度，減小了同級葉片安裝角的角度偏差。

圖7　通風機輪盤UG模型Fig.7 UG model of disk

葉輪減重：將原通風機鋼葉片改為優質鑄鋁葉片，質量輕、抗腐蝕性好。通風機輪盤腹板外圓設計帶臺階的U型槽（輪盤UG模型見圖7），葉片和安裝座產生的離心力完全由腹板承受，鼓筒的厚度變薄，有效減輕了輪盤質量。這一改進既滿足了使用要求，又減輕了葉輪組件質量，使得電機軸承的負荷降低，有效減少了通風機的使用維護費用，大大提高了通風機的安全運行可靠性。

3.4結構強度和振動校核

為保證通風機結構設計的可靠性，對轉子葉片、輪盤進行了強度校核，對葉輪整體結構進行了振動計算。結果表明，葉片榫頭U型槽根部位置處的應力水平最高（葉片應力場分布見圖8），其強度儲備系數為4.3，具有足夠的強度裕度，可保證轉子葉片長期安全、可靠地工作；輪盤最大等效應力為202 MPa（輪盤應力場分布見圖9），小于35#鋼的屈服強度315 MPa，輪盤設計滿足結構強度要求；葉片振動頻率相鄰兩階次的頻差均大于10%，葉片均不存在裕度小于10%的共振危險點，葉輪在工作轉速附近不存在結構因素引起的共振現象。

圖8　葉片應力場分布圖Fig.8 Stress distribution of blade

圖9　輪盤等效應力分布圖Fig.9 Equivalent stress distribution of disk

4　改進驗證

改進后的通風機進行了現場安裝調試和帶網運行考核。整個考核過程中，通風機運行平穩，未出現螺栓松動、葉片角度偏轉、葉片裂紋或斷裂現象。

根據通風機的工作條件，專業測試機構采用主通風機巷道內調節風門和調節葉片角度的方法，完成了性能測試。從通風機改進前、后性能數據（圖10）分析可知：改進后的通風機比原通風機效率提高了約10%，流量范圍增大了約400 m3/min；在相同風量下，改進后的通風機比原通風機最小風壓提高了至少200 Pa以上，功率減小了約30 kW。

圖10　通風機改造前后性能參數隨流量的變化Fig.10 Performance vs.mass flow before and after the improvement

目前，該通風機已投入使用14個月，且24 h不間斷工作，運行過程中監測風機振動僅為1.20～1.45 mm/s（限定值≯4.6 mm/s），風機噪聲為89 dB（原通風機108 dB），總體運行狀況良好，滿足業主使用要求。

5　結束語

采用系列先進的航空葉輪機設計方法，對某型對旋軸流式通風機葉輪進行改進設計，有效解決了原通風機存在的可靠性差、效率低、風量小等問題，改進后風量增加了400 m3/min，風壓提高了200 Pa，效率提高了10%，功率減小了30 kW，噪聲降低了20 dB左右。空載調試、帶網運行考核和性能測試結果表明，改進后的通風機各項性能指標滿足設計要求。其研究結果對于國內礦用主通風機設計改進與升級換代具有一定借鑒意義。

［1］張廣勛.高性能對旋軸流式通風機的研究［J］.風機技術，1999，（5）：6—9.

［2］李慶宜.通風機［M］.北京：機械工業出版社出版，1981.

［3］Deere K A.Summary of fluidic thrust vectoring research conducted at NASA Langley Research Center［R］.AIAA 2003-3800，2003.

［4］Wing D J，Giuliano V J.Fluidic thrust vectoring of an axisymmetric exhaust nozzle at static conditions［R］.ASME FEDSM97-3228，1997.

［5］陳宜振，尹民權.動葉可調軸流通風機機械故障原因分析［J］.風機技術，2008，（4）：68—73.

［6］甘英浩.礦用對旋軸流主通風機的研制及改進［J］.風機技術，2010，（1）：32—34.

［7］安利平，李清華，劉劍鵬，等.一種新型壓氣機葉片造型方法的平面葉柵試驗驗證［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2013，26（5）：12—15.

An improved design and test of a mine contra-rotating axial fan unit

ZHANG Jun，XIANG Hong-hui，ZHAO Guang-min，JIANG Zhi-jun，ZHONG Shao-hui
（China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China）

Aimed at solving the problem of low efficiency and low reliability for some contra-rotating fan unit，an improved aerodynamic design was completed by means of advanced compressor design technique. The mature designing experience of rotating machine was employed to reduce the weight of rotor drum.In addition，different cone angle locating pieces were taken to adjust the blade angle accurately and reduce the deviation.The performance such as mass flow，efficiency and reliability was proved to be raised through a series of strict tests of non-load characteristic，load characteristic，performance and certification.The improved design met the demand of the consumer as well.

contra-rotating axial fan；impeller；blade angle；efficiency；compressor；aerodynamic design

TD441+2

A

1672-2620（2015）05-0049-05

2015-03-26；

2015-09-04

張軍（1982-），男，陜西渭南人，工程師，碩士研究生，主要從事壓氣機試驗研究。