矿用地面防爆抽出式轴流风机的结构设计

刘建国

（黑龙江省建安公路工程有限公司，哈尔滨150001）

矿用地面防爆抽出式轴流风机的结构设计

刘建国

（黑龙江省建安公路工程有限公司，哈尔滨150001）

单级轴流通风机在应用的过程中存在着一系列的问题，为此设计了由两个旋转方向相反的叶轮组成的对旋式轴流通风机，具有压力特性陡、结构简单、反风量可达正风量的50%～70%等主要特点，成为隧道工程、矿井通风的理想通风设备。介绍了对旋式轴流通风机结构设计要点，运用Pro/E软件对轴流通风机进行三维设计建模、装配和仿真，可以方便地对零件尺寸、形状进行修改，同时实现了对产品的整体布局、结构的合理性判断及评价。

轴流风机；叶轮；叶片

0 引言

随着科学技术的发展，我国煤矿井下作业向着长距离大断面掘进巷道方向发展，这种发展趋势要求煤矿井下作业的必备装备——通风机具有大风量、高风压［1］。煤矿井下作业要求工作环境安全，矿井通风良好，减少能源消耗，因此急需开发出新型的通风机。对旋式轴流风机具有压力特性陡、结构简单、反风量可达正风量的70%～90%等主要特点，这使其成为隧道工程、矿井通风的理想通风设备［2］。本文在单级轴流通风机的基础上设计了对旋式轴流通风机，介绍了对旋式轴流通风机的工作原理，并完成了对旋式轴流通风机主要结构，包括叶轮、集流器、导流罩以及扩散器等的结构设计，通过计算验证了叶轮叶片根部及后导流器叶片根部不会产生气流分离，叶轮叶片满足强度要求。

1 对旋式轴流通风机的工作原理

通常，单级轴流通风机由集流器1、流线罩2、前导流器3、叶轮4以及后导流器5组成［3］，图1为典型单级轴流通风机的结构示意图。由P+R+S组成的一个完整的级。对旋式轴流通风机是在单级轴流通风机的基础上，由两个轴流通风机叶轮串联安装，彼此相对转动，它不需要导叶，能产生相当于二级风机的压力，整个结构十分紧凑。它需要两个单独的、转向相反的原动机（近来也使用柴油机）；或使用一个装在风机外面的电动机带传动；也可以用装在轮毂内的反转机构驱动。对旋式轴流风机系列的工作原理是第一级叶轮与第二级叶轮之间仅有较小的距离，它们均由隔爆专用电动机驱动，其电动机的容量以及型号完全相同，两级叶轮工作时的转向相反，且安装的叶片数量不同，叶片形状采用机翼型，其气流性能良好，第一级叶轮的扭曲角以及安装角均大于第二级。空气流过第一级叶轮的过程中获得能量，而在流经第二级叶轮后释放，而第二级叶轮也拥有在普通轴流风机中静叶的作用，既获得整直圆周方向的速度分量，也提高了气流的能量，从而获得了高效率和高风压，远远超过普通的轴流式风机［4］。

图1 单级轴流通风机示意图

多级轴流风机为2～4级，大多数是2级。一般是一个叶轮和一个导叶组成一个级，也可在第一级前装置前导叶。在进行通风机方案选择时，可大致参考风机的压强系数ψ或比转速ns进行：

当ψ＜0.3或ns＞32.5（180）时，一般采用单独叶轮的级；

当ψ＝0.3～0.5或ns＝20.8～32.5（115～180）时，可采用叶轮加后导叶级；

当ψ＞0.5或ns＝14.5～20.8（80～115）时，用前导叶加叶轮加后导叶级。

式中：ut为叶轮外缘圆周速度，m/s。

从以上介绍可以看出，多级轴流风机比普通轴流风机具有更高的风压、风量和效率，风机的压力—风量特性曲线陡峭，斜率较大，在高效区域，风量变化量较小却可以获得较大的风压变化量，这种特性可以满足矿井主通风和局部通风的要求。

3 对旋式轴流通风机结构设计

设计要求风机流量为10.5～28.7 m3/s，风压为600～1 500 Pa，现取流量为28.7 m3/s，风压为1 500 Pa进行计算，取空气密度为1.2 kg/m3。计算主要参考文献［5］进行。

3.1 叶轮直径和叶片数目

1）叶轮直径计算。

（2）叶片个数和计算截面积。

3.2 其它主要部分设计

1）扩散器设计。

式中的D4为扩散器出口截面直径。常取φ＝10°，D与d的值参看叶轮的计算。

2）集流器与导流罩。

本文采用简化的集流器。试验表明，简化集流器在损失较小的情况之下，能得到均匀的速度场，并且便于制造；采用流线形导流罩，线形由图2所示流线体最大直径的前端（其长度等于 0.4l部分）绘制，该流线体的型线坐标值列于表1。设计时使dmax等于轮毂直径d。

图2 导流罩

表1 导流罩型线坐标 %

4 对旋式轴流通风机结构设计验证

1）叶轮叶片根部及后导流器叶片根部气流分离验证。

2）叶轮叶片强度校核。

轴流风机工作过程中，叶轮转动时，叶片受到离心力以及气流流动压力的共同作用；离心力使叶片拉伸，而气流流动压力使叶片弯曲。扭曲叶片中，离心力对叶片也会产生弯曲。离心力及其产生的应力从叶片顶端向根部递增，在顶端时为零，而在到达叶片根部时，其值达到最大。作用在叶片上的总离心力为Pc（N），如图2所示。作用在叶片上的总离心力Pc＝mω2rc。m为叶片质量，kg；rc为叶片中心至叶轮中心之距离，m；ω为叶轮角速度，rad/s。

图3 轴流风机叶片拉伸计算图

5 对旋式轴流通风机的三维实体设计

利用三维建模软件Pro/E对轴流风机进行了三维实体建模和装配，为后续的产品分析、处理以及模拟仿真做好了准备。由于Pro/E具有单一数据库和全相关性等特点，因此能够在轴流风机设计过程的任意阶段对设计进行修改，同时带动相关设计部分的变化，并且借助特征管理树来掌握产品的设计思想，有利于实现产品的并行设计，减少了产品的开发时间。对旋式轴流通风机的叶轮组件机构和总装配图如图4、图5所示。

图4 对旋式轴流通风机叶轮组件机构

图5 对旋式轴流通风机的装配总图

6 结 论

本文在单级轴流通风机的基础上设计对旋式轴流通风机，介绍了对旋式轴流通风机的工作原理，并完成了对旋式轴流通风机主要结构，包括叶轮、集流器、导流罩以及扩散器等的结构设计，并通过计算验证了叶轮叶片根部及后导流器叶片根部不会产生气流分离，以及叶轮叶片满足强度要求。把Pro/ENGINEER造型与产品概念设计结合起来，为产品的系列化奠定了基础。

［1］ 华耀南，巨广刚.矿用通风机的现状及评价［J］.风机技术，2008（4）：60-65.

［2］ 李金华.国内矿用通风机的现状与发展［J］.煤矿机械，2013，34（5）：2-4.

［3］ 何耀华，邓娟.通风机的结构与效率［J］.中国水运，2008，8（6）：139-140.

［4］ 凌志军.对旋式轴流通风机内部流场测试与分析［J］.矿山机械，2013，41（3）：36-38.

［5］ 商景泰.通风机实用技术手册［M］.北京：机械工业出版社，1994：242.

（编辑启 迪）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0190－03

刘建国（1959—），男，助理工程师，从事机械设计工作。

2014-01-02