煤矿对旋轴流式通风机的改进设计探析

李春潮

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部寺河煤矿， 山西 晋城 048205）

引言

对旋轴流式通风机主要是由送风筒、进风口处集流器、扩散系统、功能主机等构成，为了预防通风机在运行时叶轮逆向旋转速度加快，摩擦产生火花，因此把铜环装置设置在其回轮处，而且风机中的电动机安装的防爆电机是专属的[1-2]。这种通风机的优点是具有较高的风压、较大的风量、较高的工效，并在我国煤矿行业中普遍使用，可是由于煤矿行业持续上升的机械化生产，持续提高了井下工作面对风压与风量方面的要求。

1 煤层概述

沁水煤田的东南侧为寺河矿所处的位置，并且寺河矿是高瓦斯矿井，瓦斯在每吨煤中的占有量西井区与东井区对应的分别是21.8 m3、13.76 m3，并且矿西井区瓦斯的绝对与相对的涌出量分别是694.5 m3/min、101.85 m3/min。当对瓦斯进行治理时，按照“监测监控、以风定产、先抽后采”的方针。斜井开采使用的通风方法是中间并列式，而且此方法具有辅助性，在开采时产生煤尘，采用机械抽出法。当进行通风时，寺河矿使用的通风机主要有两种，分别是BDK-10-NO40、BDK-8-NO32，对应的功率分别是1120 kW×2、560 kW×2，二者都是一个使用一个备用。对旋轴流式通风机的2 个叶轮的叶片都是机翼型铸钢的，并把通风板安装在了叶轮的前侧与后侧，用螺丝对电机进行固定，法兰盘与机壳的连接是使用具有螺旋的螺钉实现的，用钢板把机壳和轮翼焊接在一起。寺河矿是经过对风道节流板与风机中风片的角度进行调节来实现对风量的控制。有1 台风机的铆钉连接着机壳与铜衬，可是由于其铆钉发生坠落，击坏了风机的叶片，造成风机不能供风，更换击坏的叶片之后，还有性能不符、喘振裕度不足等状况出现。本着方案设计的适用性以及可安全高效施工的原则，重新改进与设计了矿用对旋轴流式通风机的叶轮，用来把其采用过程中发生的问题进行解决，使叶轮的质量下降，工效提高，电能的节约。

2 矿用对旋轴流式通风机性能的具体要求

与煤矿的通风条件相结合，基于电机的功率不发生改变，以表1 中的各项性能参数为依据，来对风机性能重新改进与设计。对出现在寺河矿对旋轴流式通风机中的问题（如喘振裕度不足）进行解决，所以对通风机进行了检查，经过检查得知，在出现喘振的是当负压是2.2～2.6 kPa 的进口范围，由于要把喘振裕度增强，就要把进口位置的真实负压，调大到2.7 kPa，并且还有优化通风机的扇叶的设计，而且使用的叶片为铸铝，有利于叶片在优化之后进行角度的调整。

表1 本煤层通风所使用对旋轴流式通风机性能参数取值

3 对旋轴流式通风机改进设计

3.1 气动的设计

由于要在功率相同的情况下符合性能与设计质量等方面的条件，必须要和航空发动机压气机系统相关设计原理相结合。来对矿用对旋轴流式通风机进行气动的设计。

3.1.1 总体结构

气动的设计的总体结构会选取准三维流面通流程序来实现。设计结果具有合理性与准确性是该程序的优点，并普遍使用于航空发动机压气机有关的气动设计中。设计的流动方程依据的是与其有关的理论，流场气动结构的得出按照的是气动方程。由于在改进之后的叶轮段连接着通风机与之前的叶轮，所以，目前先小面积的对通风机里面的流场结构进行改进。由于流道的不对称性，所以一定要把抽气和吸气等流程考虑进来，而且对流道的设计使用的是平直型。

3.1.2 叶片的设计

在对通风机的叶片进行设计时，选取的技术主要是扩散叶型，该技术不但能使叶片质量更薄，还可以把叶片的稠度与裕度保持在一个较高的值，由于叶片质量更薄，所以轮盘的负荷有所下降。并把航空发动机压气机叶片设计原理作为参考，对于设计叶片的主要方法为径向扭转、弯曲堆积、局部前掠。

3.2 改进工艺与结构

对叶片与轮毅的材质进行改进。对叶片与轮毅进行制作所使用的材料是ZL-105 A 铸铝，此材质不但在功能方面能够达到条件，还可以把叶轮组件的质量减小，把叶轮轴与电机负荷之间由于摩擦而导致的损坏下降，使电机、叶片与轮毅的使用期限延长。轮毅把前、后盘连接的方法由焊接变成螺栓，把轮毅可靠运行水平得到提高，预防风机由于焊接紧密性差而造成故障发生。铜衬与机壳的连接使用的铆钉，把机壳和铆钉钉帽焊接在一起，达到两层保护的作用，使其牢固性增强，预防了由于铆钉坠落而导致叶片损坏，并把铜衬在机壳里面进行固定。调节叶片角度的方法要进行改变，之前的方法是按照轮毅表面的刻度来实施的，现在要在叶片的其他位置分别安装限位块，控制和调整叶片的角度可以经过限位块来实现；当制作叶片与轮毅时，使用的方法是机加成型、金属浇筑，并对其进行安装与校正，在结束安装与校正后就能进行喷漆。把叶轮与支撑板之间的距离增大，能够预防支撑板对叶轮气流所带来的影响，经过对叶轮的平衡性的保持，可以使风机平稳运行得到提升。

3.3 变频调速

目前，寺河矿矿井只保存了风道节流板控制的风量与风机叶片的角度的调节，此方法的缺点是会损失不小的功率、运行效率比较低。被用于通风的机械的作用主要是保障煤巷在采煤时的效率与安全性，由于要实现这个目标，当煤矿开采时，不能把通风机关闭，所以，通风机是煤矿最耗电的设备之一。并且保存的这两种控制方法更加浪费了能源，所以，对旋轴流式通风机使用的节能原理应该是将变频调速，来实现节能的目的。经过分析发现，在改进对旋轴流式通风机的变频调速之后，当煤巷进行掘进时，若不需要太大的送风量，就可以进行适当的调节和把风机的转速对应着也下降，按照其详细介绍，若实际供风量占额定供风量的70%，那么就风机而言，其实际的转速占额定转速的70%，并且实际转速是被控制而下降，其轴功率一定要下降到其额定轴率的34.3%。在改进对旋轴流式通风机变频调速之后，提高了风机的运转效率与节能运转成效非常明显。

4 结语

旋轴流式通风机被寺河矿应用时，有叶片受损的情况发生，进而导致工率偏低、喘振裕度不足等情况发生，在学习借鉴航空发动机压气机系统相关设计原理的基础上，把对旋轴流式通风机设计成平直型流道。实际使用结果表明，避免出现喘振负压为2.2～2.6 kPa 的进口范围内，此措施消除了该矿通风机现存的喘振问题；风机在改进之后，其运转效率为93.4%，而且在风压相同时，能大幅度提高通风机的供风量。