离心式主风机配套装置的改进及效果分析

程晋贤

（西山煤电集团镇城底矿通风科， 山西 古交 030203）

引言

煤矿主风机配套装置是矿井通风系统的主要组成部分，其包括扩散塔、集流器、防爆门、风硐、反风门和扩散器等[1]。主风机配套装置的设计是否合理和运行质量的高低都会影响到通风系统的可靠性。因为主风机配套装置可以在通风系统出现故障时为井下供风提供保障。而且主风机配套装置的通风阻力是矿井通风阻力的一部分，进而会影响到矿井通风电能的消耗。因此，对主风机配套装置进行优化改进，以保障矿井通风系统的可靠性，降低多余的电能损耗。

1 问题概况及其分析

1.1 问题概况

某矿配有两台4-72No20B型离心式通风机，一台正常使用，另一台备用。原配有75 kW的电机，因矿井向深部开采，提供的风量不足，换成了150 kW的电机，额定转速由389 r/min增长到了605 r/min。经过现场实测，在更换电机后，风量虽然得到了提高，但是低于更换电机时的设计风量。在技术人员进行现场考察后，发现由于主风机配套装置存在风门漏风、扩散器设计不合理、风机前盘与集流器连接间隙过大和集流器设计不合理的问题导致风量不足。

1.2 问题分析

1）风门漏风。依靠固定在龙门架上的导向轮、钢丝绳和垂直绞车完成垂直闸门的升降操作，进而改变风道的大小。由于垂直闸门的升降通道施工过于粗糙，导致风门在闭合时存在缺口，无法完全密封[2]。而且由于漏风口过大，即使使用软性密封材料也无法密封。

2）扩散器设计不合理。两台主风机配备的扩散器形状与规格相同，扩散角均为9°，在规定范围内。但是由于高度偏低导致扩散度不足，从而使风机运行效率降低。

3）风机前盘与集流器连接间隙过大。由于矿井的主风机为抽出式通风，经过集流器的空气较潮湿。集流器受空气的腐蚀发生破损和形变，导致风机前盘与集流器连接处出现间隙，并不断扩大，导致风机的运行效率降低。

4）集流器设计不合理。由于集流器的入口过小且与风硐衔接质量差，导致风流从风硐流入集流器时，风道突然缩小，形成涡流区，造成风流动量损失，导致风机进风口的风流质量降低，不利于风机的运行。

2 主风机配套装置的改进

针对主风机配套装置存在风门漏风、扩散器设计不合理、风机前盘与集流器连接间隙过大和集流器设计不合理的问题可以通过对提升闸门、扩散器、集流器和风硐进行改造来解决。

2.1 改造提升闸门

将两根导轨固定在龙门架两根立柱的内侧，作为垂直闸门的导轨。并在垂直闸门上端两侧均焊接一个滚轮架，每个滚轮架上配有两个滚轮。通过导轨和滚轮限制垂直闸门，避免垂直闸门在上下移动时出现倾斜而卡住，并且可以提高垂直阀门垂直升降的速度，在闭合时缩小空隙。

2.2 改造扩散器

为降低主风机出口压的损失，通过在风机的出口连接扩散器，使风机流出的风流速度逐渐减小，提高风机的静压。扩散器若设计不合理，就会使通风机的工作风压和效率降低，从而损失更多的电能。一般来讲离心式通风机的立式扩散塔设计成方形，以降低施工难度。扩散器的两项重要参数决定着扩散器的合理性，这两项参数分别：扩散器的扩散角α（一般取8°～10°）；扩散器的扩散度β（扩散器的出口面积A1与进口面积A2之比，一般取2.5～4.0）。

原扩散器进风口边长1.8 m，出风口边长2.2 m，高度为2.5 m，扩散器的扩散角8.4°，扩散度扩散角在合理范围内，但是扩散度低于合理值，使得出口转化为静压的动压过少，导致动压损失过大，不利于通风机效率的提高。

因此可提高扩散器的扩散角来提高通风机的工作效率。不对扩散器的进风口进行改变，将出风口的边长扩大为3.2 m，高度增加为5 m。则扩散角，扩散度经过改进，扩散器的扩散度与扩散角均在合理范围内。因此对扩散器的改造合理。

2.3 改造集流器和风硐

一般将集流器与风机前盘之间的空隙设置为叶轮直径的3%～4%。4-72No20B型离心式通风机的叶轮直径为167 cm，因此应将间隙控制在5～6mm。而风机集流器与风机前盘实际对接间隙为12～20mm，间隙极不均匀。而且在风硐矩形断面与集流器圆形端面连接处留有台阶，这会导致风流突然收缩，造成局部损失。因此需要将已锈蚀的集流器进行更换，将原有的台阶进行平整处理，改造成光滑的曲线。新集流器在安装前需先进行检查，保证圆周的高度差不大于10mm，检验合格后均匀涂上防锈漆。两种措施共同作用，改善风机进风口的风道阻力。

3 改进效果分析

3.1 外部漏风率

外部漏风率μ为：

式中：θ1为改进前漏风量，取 15.69 m3/s；θ2为改进前漏风量，取11.22 m3/s。则外部漏风率μ=28%，降低了28%。

3.2 扩散器效率

从阻力、静压和损失比三个方面比较扩散器改造前后的效率[3]。

1）阻力。由于改造后扩流器的尺寸较大，因此其过流断面也增大，风流经过扩散器的阻力也会缩小。经技术人员实测改进前扩散器的阻力为128 Pa，改进后扩散器的阻力为98 Pa，因此经过改进，扩散器的阻力降低了30 Pa。

2）静压。扩散器出口气流的速度V1为：

式中：Q为扩散器的流量，取2450 m3/s；S1为扩散器出口面积，取10.2 m2。则，扩散器出口气流的速度V1=3.9 m/s。

动压损失ΔPm为：

式中：ρ为空气密度，取1.21 m3/s；V1为扩散器出口气流的速度，取3.9 m/s。则动压损失ΔPm=9.2 Pa。

静压增量ΔPs为：

式中：P'm为扩散器改造前风机动压，取192.09 Pa；ΔPm为扩散器改进后动压损失，取9.2 Pa；δ'为改造前扩散器阻力，取128 Pa；δ为改造后扩散器阻力，取98 Pa。则静压增量ΔPs=210.89 Pa。

3）损失比。扩散器经过改进，损失比ε为：

式中：δ为改造后扩散器阻力，取98 Pa；δ'为改造前扩散器阻力，取128 Pa；ΔPm为扩散器改进后动压损失，取9.2 Pa；P'm为扩散器改造前风机动压，取192.09 Pa。则损失比ε=33.5%。

3.3 效率分析

旧扩散器的效率λ1为：

式中：Psro为扩散器改造前静压回收量，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；Vz2为风机主轴向气流速度，m/s。

改造后扩散器的效率λ2为：

式中：Psrn为扩散器改造后前静压回收量，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；Vz2为风机主轴向气流速度，m/s。

则改进后扩散器的效率与改进前效率之比λ为：

式中：Psrn=1368.89 Pa；Psro=1158 Pa。则改进后扩散器的效率与改进前效率之比λ=1.2。

3.4 经济效益

对风机的配套装置进行改进可以降低主风机的动压损失，进而节省电能。主风机的配套装置在进行改进后每年可节省的通风电能W为：

式中：ΔPs为静压增量，取210.89 Pa；Q为扩散器的流量，取2450 m3/s；σ1为改进后风机的静压效率，取0.259；σ2为传动效率，取 0.9；σ3为电动机效率，取0.8。则主风机的配套装置在进行改进后每年可节省的通风电能W=2.43×104kW·h。

4 结论

通过对离心式主风机配套的提升闸门、扩散器、集流器和风硐进行改造，有效解决了由于配套装置设计与使用不合理导致风量不足的问题。离心式主风机配套装置的改造不仅提高了通风系统的可靠性还为煤矿企业每年节省通风电能达2.43×104kW·h。