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基于腹板受力方式的对旋轴流主通风机叶轮设计研究

2023-11-23 45 上传者：管理员

摘要：对旋轴流主通风机在煤矿开采中至关重要。通过对煤矿对旋轴流主通风机叶轮进行改造设计，在叶片的叶炳处开U形槽，使对旋轴流风机在运行时产生的离心力完全吸收，解决了叶轮质量大、风机可靠性低、静叶角调节精度低等问题。经改造设计，对旋轴流主通风机的效率提高了40%左右，风机发出的噪声仅为90 dB，相比原风机的112dB更低，同时风机的整体稳定性也有所改善，更好地满足了企业的需求。

关键词：
叶轮
对旋轴流
煤矿
设计
通风机
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1、对旋轴流式通风机简介

对旋轴流主通风机（如图1所示）作为煤矿“呼吸系统”的中枢，在煤矿开采过程中对安全生产有着非常重要的作用。它向矿井输送新鲜空气，并排出瓦斯、粉尘等污秽气体，保证矿井内空气清新。随着煤矿现代化、一体化发展的不断加快，煤矿的井巷越来越长，对风量和风压的要求也越来越高，这进一步提高了对对旋轴流主通风机的设计要求。然而，在实际生产中，主通风机的叶片经常断裂，这会严重影响通风系统的正常运转。因此，本文基于腹板受力方式，对对旋轴流主通风机叶轮进行设计研究，旨在为通风系统安全可靠、高效、低噪声地稳定运行奠定良好的基础。

图1 对旋轴流式风机实物图

2、煤矿原通风机概况

本文以某煤矿原来的一台对旋轴流主通风机为研究对象，从图2可以看出，其包含电动机、支板、叶轮及机匣等部分。煤矿在生产过程中，发生过叶片断裂、裂开的碎片击中机匣的事故[1]。在更换叶轮后，出现了风机的风量明显变小、功耗显著增大、风量的调节范围严重受限等严重问题，很难满足煤矿的日常开采需求。这不仅使得煤矿的运行费用明显提高，更严重的是企业的经营生产活动也受到明显的影响。

图2 对旋轴流主通风机示意图

在对通风机结构分析中发现，原来的结构存在如下几个问题：(1)叶片角度可控性差。根据工艺流程，安装过程中，叶片的角度只能通过操作工人的肉眼来判断，这样就导致安装的精度低。(2)电机轴承受压力过大。在设计研究中发现，由于直接将质量过大的两级叶轮安装在电机轴上，致使靠近叶轮一侧的电机轴承所受的轴向力和径向力非常大。因此，在生产过程中，风机的电机轴在巨大的压力之下，易磨损、发热，从而对电机轴的寿命产生严重的影响。(3)运行成本高。在原先的设计中，直接将通风机的叶片叶柄装在轮盘的鼓筒相应位置。在安装、维修及更换时，多次的拆装极易造成螺纹损坏，使得需要多次更换新叶片，大大提高了风机运行的成本[2]。(4)风机运行时叶片易脱落。在原先设计中，叶片和叶柄两者是分开的，采用铆钉铆接方式连接，在风机运行时，曾出现过叶片脱落的现象，极易出现安全隐患。总的来说，原来风机采用传统的翼型和叶栅设计，很难提高风机的效率、降低叶片的噪声，且在运行中存在很大的安全隐患。

本文在科研和教学工作的基础上，综合考虑煤矿企业生产现状、经济成本、可靠性及安全性等条件，对对旋轴流主通风机叶轮进行改造设计，以期能够解决煤矿现有通风机存在的效率比较低、安全性能较差、能耗相对高的严重问题，最大限度提高通风机的整体性能，同时改善现有叶轮部件质量大的状况。

3、通风机叶轮改进设计

3.1 叶轮设计参数

在对旋轴流主通风机的设计过程中，叶轮是通风机中最重要的部件之一。其最主要的功能是将电机所提供的能量传递到流体（空气）中，叶轮主要是由铸铝合金、钢板或者是其他材料做成的。首先，基于高效率和低噪音的理念，对叶片的空气动力学进行计算[3]。在满足流量和全压的条件下，将叶片分成若干个截面，在此基础上计算流量系数：

式中：n是通风机的转速，r/min;D是叶轮的直径，m;qv是流量，m3/s;vt是叶轮叶顶圆周速度，m/s。

然后，计算全压系数：

式中：ptF.I表示全压，Pa；ρ是流体密度，kg/m3。

其次，根据流量系数和全压系数，确定风机的轮毂比和轮毂直径，并进行轮毂比检验。

最后，根据前述计算进行叶片翼形的选择、参数设计。

在对煤矿通风机的优化设计研究中，需要保证结构改进时不改变风机的转速、风机的功率及叶轮尺寸等基本参数，力求对对旋轴流主通风机其他附属设施、设备的影响降至最小[4]。同时，根据煤矿的生产实际和生产现状，对对旋轴流主通风机的叶轮进行了优化设计，具体的参数见表1。另外，在优化设计时，特别注重了叶片角度问题，使叶片角度的调节最方便、最简捷，同时满足煤矿生产需求，确保正常运转。

表1 叶轮优化设计参数

3.2 叶片气动设计

在本次对旋轴流主通风机设计过程中，为使风机的设计符合用户需求，采用较为先进的航空发动机压气机气动设计方法，并将其中最为成熟的三维叶片造型技术应用于对旋轴流主通风机的制造工艺中。气动布局影响风机的特性和性能，在设计中对对旋轴流主通风机选择最为常用的流线曲率算法S2流面通流计算。

在改造设计时，将轴对称定常流作为通流程序假设气流，来逐站进行计算，采用这样的计算方式，能够最大限度体现出端壁区域的流道所包含的信息，很好地体现了风机流场中的气动布局。由于在生产现场的叶轮前后两个主体部分之间衔接无瑕疵，因此，在设计改造中，对风机的流程不作特别大的改动，只是选择平直的流道方式。

3.3 叶轮结构设计

对煤矿中原来通风机的整体结构并没有进行大的改动和设计，但是，综合考量质量、运行成本及使用频次等各方面因素的影响，在本设计中对风机的叶轮结构进行了改造和设计。希望能够通过改造，最大限度解决原来通风机在运行过程中容易出现的一系列问题，如叶轮的质量大、风机可靠性相对较低、静叶角调节精度比较低等一系列问题。这次改造设计过程中，在解决以上问题的同时，还要保证生产运行的工作需求和风机的使用寿命。然而，考虑到成本、工艺、质量和使用率等因素，本设计仅对原有的风机叶轮进行了修改。这一改变的目的是为了解决原通风机可靠性低、静叶角调节精度差、叶轮质量大等问题，同时，还要满足工作需求和确保其使用寿命。风机叶轮的主要部分（如图3所示）包括叶片、盘、固定支架、卡环、定位块、盖板、挡板、螺钉等。

图3 风机叶轮示意图

首先，对叶片的安装方法加以改进，在叶片的叶柄处开一个U形的凹槽，用来把两个半圆形的夹套固定，在此基础上再用螺钉固定，叶轮高速旋转时产生的离心力将会压紧卡环。在通风机运行过程中，叶轮在离心力的作用下会被牢牢锁定。采用这样的结构设计能够有效避免通风机叶轮旋转速度过快导致叶片快速飞出砸伤通风机附属设备情况的发生，可以在一定程度上提高通风机整体的安全性，大大提高通风机稳定运行的安全系数和可靠性。

另外，针对静叶角调节精度比较低的问题，在改造设计中发现，不同锥角定位块的调整极限是影响叶片角调整幅度的最重要因素。在通风机的机械结构中，在叶柄上设计有一个平面，能够使得叶片在一定的范围内锁定。在风机运行时，根据生产过程中所需的气流要求，通过调整锥角的方式来改变叶片的倾斜度（通常来说，角调整的允许误差为0.5°），在改造设计时，为最大限度提高通风机叶片的调整精度，对同一叶片的叶片角用同一的锥角，以期将通风机叶片安装角误差控制在最小范围。

3.4 结构强度和振动校核

对旋轴流主通风机在运行过程中，叶片会承受两个主要的力：旋转过程中产生的离心力和气流流动时产生的压力。其中，离心力可能导致叶片断裂，而压力则可能使叶片产生弯曲。根据受力分析可知，叶片的根部是受到离心力最大的部位。因此，叶片根部的拉伸应力也最为明显，具体的计算方法为：

式中：Fc是叶片根部所受离心力，N;S是叶片根部最小截面积，m2；σ是叶片根部的离心拉应力，N/m2。

在本次改造设计过程中，由于所涉及的叶片为变截面叶片，离心力计算选用的是离心力算法。这种方法是将叶片视为叶片截面弦长和厚度从叶根到叶顶近似线性变化。随着叶片从根部向顶端的延伸，叶片的弦长和相对厚度逐渐减小。相对厚度可以表示为：

式中：k1是弦长沿径向变化的系数；r是叶片任意截面所在半径，m;rh是叶根半径，m;是半径r处的截面的相对厚度；是叶根截面相对厚度；k2是相对厚度沿径向变化的系数；x是叶轮半径r处叶片截面离叶根的距离，m.

计算叶片所受的离心力：

式中：l是叶片长度，m。

通过式（6）的计算，能够精确算出叶片根部受到的离心力。根据已知条件，求出叶片的离心力、截面积及叶片根部的离心拉应力。最后，将叶片根部的离心拉应力与拉伸极限强度作比较，经验证可知叶轮能够满足工况需求[5]。

在对叶轮结构总体改进设计以后，对叶片的强度进行理论分析，并分析了叶片在整体结构中的可靠性，优化其叶片结构设计，改进后叶片情况如表2所示。

同时，在运行时，叶轮的转速受外界的影响较小。对于叶轮的材质，选用的是高质量的铸铝，其重量比较轻、耐腐蚀性能好。在叶片的叶柄处开U形槽，在风机叶轮高速旋转时叶片和固定座所产生的离心力会完全由腹板承受。这样的结构设计最大的好处是能够将风机壁筒的厚度降至最薄，叶轮的重量明显降低。在其后风机运行调试中发现，通过这样的优化设计，不仅能满足生产需要，还能减轻整个叶轮的重量，使得电机的轴承荷载大幅度减小，降低了风机运行的成本，为企业的安全生产提供坚实保障。

表2 优化设计后叶轮情况

3.5 叶轮的检修

在煤矿风机叶轮改造设计中，针对前期运行中容易出现的问题进行了优化，叶轮是转子里最易磨损的部件，叶轮如果磨损过度，在运转时会影响转子的平衡，引起风机剧烈的抖动，甚至会造成严重的安全事故。因此，煤矿相关部门要定期检修风机，尤其是叶片，叶片的检修数据如表3所示。

表3 叶片检修数据表

表中：k为与叶片数、转速等因素相关的系数，此处取0.01;B是叶片的不垂直度允差，单位为mm;D为叶轮的直径，单位为m;a为与具体设计要求相关的系数，单位为mm/m，此处取0.1。

4、通风机性能改进优化验证

在对风机叶轮改造设计完成、现场安装调试完毕后，对风机各项性能指标进行检测。经现场运行证明，整个设备运转正常，无叶片角度偏转、叶片开裂及螺栓松动等问题。对于现场工况，据有关部门分析，对旋轴流主通风机效率提高了40%左右，风机运行的噪声仅为90 db，与原风机112 dB相比相对较低，风机整体稳定性有所改善，更好地满足了企业生产的需求。

5、结语

本文通过对煤矿对旋轴流主通风机叶轮进行改造设计，解决了叶轮质量大、风机可靠性相对低、静叶角调节精度低等问题。在叶轮改造中，在叶片的叶柄处开U形槽，对旋轴流风机运行时产生的离心力被完全吸收，从而使得对旋轴流主通风机更加安全可靠。

参考文献:

[1]呼和.对旋式轴流风机优化设计[D].呼和浩特:内蒙古工业大学,2015.

[2]张泽琦.对旋风机变转速下叶片空气动力特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2015.

[3]吴秉礼.国内煤矿用对旋式轴流主通风机性能剖析[J].通用机械,2011(3):9.

[4]秦鹏.矿用对旋轴流主通风机叶轮改进探讨[J].机械管理开发,2022(6):37.

[5]贺秋冬,乐文武,王平港,等.一种对旋轴流式主通风机:CN112343843A[P]. 2021.

[6]杨兴华.对旋轴流通风机选型及流体动力学分析[J].机械工程与自动化,2018(4):201-202.

[7]周福国.基于腹板受力方式叶轮的对旋轴流主通风机叶轮设计优化[D].长沙:湖南大学,2013.

[8]卞青山,王安平,刘志宏.基于腹板受力方式的对旋轴流主通风机叶轮设计与性能分析[J].热力发电,2015(4):26-31,36.

[9]周福国,林谦,黄可.腹板法对旋风机叶轮设计区的研究[J].动力工程,2011,31(3):275-278.