矿井单电机外置式可调对旋通风机结构设计

王 超

（山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司， 山西 晋城 048100）

引言

目前煤炭开采的深度越来越深，在地层以下会开采出多个煤炭巷道，每一个巷道错综复杂并交织在一起，对于每一个巷道通风的科学合理布局安排有较高的工作要求。随着开采深度的加深，矿井内就会出现风阻过大的问题，并且每一个掘进巷道的通风量都不足，从而造成了通风设备通风效率的大大降低[1]。为了解决该问题，技术人员就会采用更高功率的局部通风机进行通风作业，装配直径很大的高强风筒向巷道内进行通风，然而该种不经济的通风作业将造成资源的浪费，并且目前的对旋风机不能长时间高负荷地进行运转通风，随着时间的推移将降低工作效率。此外，通过现场调研可知目前的对旋风机长时间作业后由于两级电机的功率匹配不一致的问题容易发生烧电机的安全隐患事故，影响正常开采作业的进行，甚至在有易燃易爆气体的巷道内容易发生安全生产事故[2]。针对上述现场工程实际问题，设计单电机驱动的对旋通风机设备，可防止两个电机功率不匹配而发生燃烧的问题，还可以通过机械结构调节装置对安装在通风机上的叶片进行调整，通过对不同安装角叶片的调整，可提高通风的效率，使通风机的结构更加紧凑，并且能够实现节能减排的目的[3]。

1 对旋通风机参数与原理

1.1 风机相关参数

采用目前常用的对旋通风机型号FAD No9.0/2×65kW 为对象进行研究，该通风机结构具有强制通风的性能并具备安全防爆等级的行业规定。FAD No9.0/2×65kW 型通风机的转速为1 500～2 900 r/min，根据通风工作要求可以对转速进行调节，分为两级叶轮布置，一级叶轮16 个叶片、二级叶轮12个叶片，每一个叶片均呈不同的角度进行安装，安装角度分别为48°和32°。FAD No9.0/2×65kW 型通风机叶轮的外圆直径为850 mm，轮毂比为0.60，通风流量范围500～1 050 m3/min[4]。

1.2 风机运转原理

FAD No9.0/2×65kW 型对旋风机结构设计紧凑，由许多关键部件组成，主要的重要部件为前级电机、前级叶轮、后级叶轮、后级电机、扩压器和风筒等。叶轮在电机的驱动下进行高速的旋转吸入空气，空气形成对流后，在叶轮的入风口形成了巨大的负压作用，外界的空气由于存在着压力梯度而被吸入风筒，进入前级叶轮区域，然后叶片与气流相互作用，使叶轮的机械能转化为气流的动能和压力势能。通过一级、二级的气流流动，使空气在对流通风机内部旋转调节，空气将最终流出前级叶轮。由于对旋通风机轴向的间距比较短，空气在轴向方向上停留的时间较短并产生短暂增压，然后又进入后级叶轮区域，后级叶轮与前级叶轮旋向相反，这样的一正一反的相互作用能够对气流的增压起促进的作用，空气在经过两级叶轮之间的相互作用调节后气压更为猛烈，动能和压力能的提升效果显著，最终气流经过扩压器把部分动能转化为压力能后流出风筒[5]。

如图1 所示，由于叶轮是与空气产生接触时间最长的部件，能有效提高叶轮叶片的结构参数对提高通风效率有较大的帮助。目前常常通过增加叶片数目、调整叶轮的大小以及改变叶片形状来提升通风效率[6]。

2 对旋通风机结构性能分析

2.1 风机流场

在FAD No9.0/2×65kW 型对旋通风机额定功率作用下，产生了风速17 m/s 的作用，通过在叶轮轴向方向的叶片高速转动吸入了空气，在通风机内部形成了空气流场如图2 所示。

图2 空气流场示意图

由图2 可以看出，整个通风器内部的空气流场是不连续的，在靠近进口端的附近产生的涡流现象，对于通风机后部的空气吸入和排出整个过程的畅通性是不利的。说明现有常用的FAD No9.0/2×65kW 型对旋通风机在整个局部通风工作性能方面的效率较低，不能高效率地排出矿井巷道内的有毒有害气体。

2.2 叶片压力分析

FAD No9.0/2×65kW 型对旋通风机叶轮叶片在与空气接触产生旋转的时候，将受到来自空气阻力的载荷压力。如图3 所示为叶片在受到载荷压力的应力云图分布。

图3 叶片压力云示意图

由图3 可知，每一个叶片上面所受到的压力分布区域均较为集中，没有充分发挥每一个叶片的工作面积，工作效率低下。通过提取数据分析，每个叶片的作用面积为总面积的31.68%，说明对旋通风机在长时间通风作业后效率将逐渐降低，造成了能源的浪费。

3 单电机外置式可调对旋通风机整体结构的设计

3.1 总体方案的设计

针对现有对旋通风机结构上所存在的缺陷问题，设计思路考虑单电机外置式可调对旋通风机主要由单电机模块和可调对旋叶片的模块组成，单电机的功率输出为单项的动力输出，是不可往复的动力输出。设置传动箱将两个同一轴输出的驱动力经过两个叶轮旋转后形成对旋作用，整个传动机构是通过齿轮和螺纹进行传动。叶片是该设备的关键结构，每一片叶片均环绕轴线的中心进行旋转，两级叶片根据通风量的大小进行角度的调节。具体设计图如图4 所示。

图4 单电机外置式可调对旋通风机模块化设计方案

3.2 叶片调节关键构件的设计

通过ANSYS 优化组件模块，单电机外置式可调对旋通风机对锥齿轮、内外轴向筒进行目标值的优化，设计出两者新型的结构模型，并通过SolidWorks三维模型设计软件进行建模，将关键部件的零碎结构进行去除，具体设计图如图5 所示。

图5 叶片调节机构的主要零件

4 通风效果试验结果

4.1 空气流动轴向湍动能

图6 轴向湍动能云图

如图6 所示，空气在通风机内部的轴向湍动能平均数据为2.365 m2/s2，从内部分布云图可以看出轴向湍动能运动分布较为均匀，偏差仅为1.68%。说明单电机外置式可调对旋通风机能够使气流在轴向的运动更具有规律性，并非杂乱无章地运动，提高了通风的效率。

4.2 叶片压力对比

将图7 和图3 进行对比分析可知，图7 所示，叶片压力云图分布状况更为均匀理想，每一片叶片的利用率由31.68%上升至81.65%，增大了叶片的工作性能和效率，提高了每一片叶片在通风机工作过程的参与度。

5 结语

通过分析可知现有煤矿常用的FAD No9.0/2×65kW 型对旋型通风机在结构上存在一定的缺陷，轴向方向上的空气气流运动杂乱无章，降低了通风的效率，并且叶片的利用率较低，不能很好地发挥结构的优势。对于目前矿井通风要求越到越高的现状，FAD No9.0/2×65kW 型通风机不能满足要求。然而设计出的单电机外置式可调对旋通风机避免了原有通风机结构的弊端，使通风机在通风的时候，空气在轴向方向上的流通更加的顺畅均匀，并设计出可调叶片角度的叶轮装置，提高了叶片通风面积的利用效率。试验结果表明单电机外置式可调对旋通风机更加符合当前矿井开采对于通风性能的工作要求，试验研究成果为矿井在通风工艺改进方面提供了研究思路。

图7 新型叶片压力云示意图