王 超

（山西陽城陽泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司， 山西 晉城 048100）

引言

目前煤炭開采的深度越來越深，在地層以下會(huì)開采出多個(gè)煤炭巷道，每一個(gè)巷道錯(cuò)綜復(fù)雜并交織在一起，對(duì)于每一個(gè)巷道通風(fēng)的科學(xué)合理布局安排有較高的工作要求。隨著開采深度的加深，礦井內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)風(fēng)阻過大的問題，并且每一個(gè)掘進(jìn)巷道的通風(fēng)量都不足，從而造成了通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)效率的大大降低[1]。為了解決該問題，技術(shù)人員就會(huì)采用更高功率的局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)作業(yè)，裝配直徑很大的高強(qiáng)風(fēng)筒向巷道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，然而該種不經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)作業(yè)將造成資源的浪費(fèi)，并且目前的對(duì)旋風(fēng)機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷地進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)通風(fēng)，隨著時(shí)間的推移將降低工作效率。此外，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知目前的對(duì)旋風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)后由于兩級(jí)電機(jī)的功率匹配不一致的問題容易發(fā)生燒電機(jī)的安全隱患事故，影響正常開采作業(yè)的進(jìn)行，甚至在有易燃易爆氣體的巷道內(nèi)容易發(fā)生安全生產(chǎn)事故[2]。針對(duì)上述現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際問題，設(shè)計(jì)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的對(duì)旋通風(fēng)機(jī)設(shè)備，可防止兩個(gè)電機(jī)功率不匹配而發(fā)生燃燒的問題，還可以通過機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)裝置對(duì)安裝在通風(fēng)機(jī)上的葉片進(jìn)行調(diào)整，通過對(duì)不同安裝角葉片的調(diào)整，可提高通風(fēng)的效率，使通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的目的[3]。

1 對(duì)旋通風(fēng)機(jī)參數(shù)與原理

1.1 風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

采用目前常用的對(duì)旋通風(fēng)機(jī)型號(hào)FAD No9.0/2×65kW 為對(duì)象進(jìn)行研究，該通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)制通風(fēng)的性能并具備安全防爆等級(jí)的行業(yè)規(guī)定。FAD No9.0/2×65kW 型通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 500～2 900 r/min，根據(jù)通風(fēng)工作要求可以對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，分為兩級(jí)葉輪布置，一級(jí)葉輪16 個(gè)葉片、二級(jí)葉輪12個(gè)葉片，每一個(gè)葉片均呈不同的角度進(jìn)行安裝，安裝角度分別為48°和32°。FAD No9.0/2×65kW 型通風(fēng)機(jī)葉輪的外圓直徑為850 mm，輪轂比為0.60，通風(fēng)流量范圍500～1 050 m3/min[4]。

1.2 風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)原理

FAD No9.0/2×65kW 型對(duì)旋風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，由許多關(guān)鍵部件組成，主要的重要部件為前級(jí)電機(jī)、前級(jí)葉輪、后級(jí)葉輪、后級(jí)電機(jī)、擴(kuò)壓器和風(fēng)筒等。葉輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行高速的旋轉(zhuǎn)吸入空氣，空氣形成對(duì)流后，在葉輪的入風(fēng)口形成了巨大的負(fù)壓作用，外界的空氣由于存在著壓力梯度而被吸入風(fēng)筒，進(jìn)入前級(jí)葉輪區(qū)域，然后葉片與氣流相互作用，使葉輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣流的動(dòng)能和壓力勢(shì)能。通過一級(jí)、二級(jí)的氣流流動(dòng)，使空氣在對(duì)流通風(fēng)機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，空氣將最終流出前級(jí)葉輪。由于對(duì)旋通風(fēng)機(jī)軸向的間距比較短，空氣在軸向方向上停留的時(shí)間較短并產(chǎn)生短暫增壓，然后又進(jìn)入后級(jí)葉輪區(qū)域，后級(jí)葉輪與前級(jí)葉輪旋向相反，這樣的一正一反的相互作用能夠?qū)饬鞯脑鰤浩鸫龠M(jìn)的作用，空氣在經(jīng)過兩級(jí)葉輪之間的相互作用調(diào)節(jié)后氣壓更為猛烈，動(dòng)能和壓力能的提升效果顯著，最終氣流經(jīng)過擴(kuò)壓器把部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能后流出風(fēng)筒[5]。

如圖1 所示，由于葉輪是與空氣產(chǎn)生接觸時(shí)間最長(zhǎng)的部件，能有效提高葉輪葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)提高通風(fēng)效率有較大的幫助。目前常常通過增加葉片數(shù)目、調(diào)整葉輪的大小以及改變?nèi)~片形狀來提升通風(fēng)效率[6]。

2 對(duì)旋通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)性能分析

2.1 風(fēng)機(jī)流場(chǎng)

在FAD No9.0/2×65kW 型對(duì)旋通風(fēng)機(jī)額定功率作用下，產(chǎn)生了風(fēng)速17 m/s 的作用，通過在葉輪軸向方向的葉片高速轉(zhuǎn)動(dòng)吸入了空氣，在通風(fēng)機(jī)內(nèi)部形成了空氣流場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 空氣流場(chǎng)示意圖

由圖2 可以看出，整個(gè)通風(fēng)器內(nèi)部的空氣流場(chǎng)是不連續(xù)的，在靠近進(jìn)口端的附近產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象，對(duì)于通風(fēng)機(jī)后部的空氣吸入和排出整個(gè)過程的暢通性是不利的。說明現(xiàn)有常用的FAD No9.0/2×65kW 型對(duì)旋通風(fēng)機(jī)在整個(gè)局部通風(fēng)工作性能方面的效率較低，不能高效率地排出礦井巷道內(nèi)的有毒有害氣體。

2.2 葉片壓力分析

FAD No9.0/2×65kW 型對(duì)旋通風(fēng)機(jī)葉輪葉片在與空氣接觸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，將受到來自空氣阻力的載荷壓力。如圖3 所示為葉片在受到載荷壓力的應(yīng)力云圖分布。

圖3 葉片壓力云示意圖

由圖3 可知，每一個(gè)葉片上面所受到的壓力分布區(qū)域均較為集中，沒有充分發(fā)揮每一個(gè)葉片的工作面積，工作效率低下。通過提取數(shù)據(jù)分析，每個(gè)葉片的作用面積為總面積的31.68%，說明對(duì)旋通風(fēng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間通風(fēng)作業(yè)后效率將逐漸降低，造成了能源的浪費(fèi)。

3 單電機(jī)外置式可調(diào)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 總體方案的設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有對(duì)旋通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上所存在的缺陷問題，設(shè)計(jì)思路考慮單電機(jī)外置式可調(diào)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)主要由單電機(jī)模塊和可調(diào)對(duì)旋葉片的模塊組成，單電機(jī)的功率輸出為單項(xiàng)的動(dòng)力輸出，是不可往復(fù)的動(dòng)力輸出。設(shè)置傳動(dòng)箱將兩個(gè)同一軸輸出的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)過兩個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)后形成對(duì)旋作用，整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過齒輪和螺紋進(jìn)行傳動(dòng)。葉片是該設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，每一片葉片均環(huán)繞軸線的中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，兩級(jí)葉片根據(jù)通風(fēng)量的大小進(jìn)行角度的調(diào)節(jié)。具體設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。

圖4 單電機(jī)外置式可調(diào)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)模塊化設(shè)計(jì)方案

3.2 葉片調(diào)節(jié)關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)

通過ANSYS 優(yōu)化組件模塊，單電機(jī)外置式可調(diào)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)對(duì)錐齒輪、內(nèi)外軸向筒進(jìn)行目標(biāo)值的優(yōu)化，設(shè)計(jì)出兩者新型的結(jié)構(gòu)模型，并通過SolidWorks三維模型設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模，將關(guān)鍵部件的零碎結(jié)構(gòu)進(jìn)行去除，具體設(shè)計(jì)圖如圖5 所示。

圖5 葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要零件

4 通風(fēng)效果試驗(yàn)結(jié)果

4.1 空氣流動(dòng)軸向湍動(dòng)能

圖6 軸向湍動(dòng)能云圖

如圖6 所示，空氣在通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的軸向湍動(dòng)能平均數(shù)據(jù)為2.365 m2/s2，從內(nèi)部分布云圖可以看出軸向湍動(dòng)能運(yùn)動(dòng)分布較為均勻，偏差僅為1.68%。說明單電機(jī)外置式可調(diào)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)能夠使氣流在軸向的運(yùn)動(dòng)更具有規(guī)律性，并非雜亂無章地運(yùn)動(dòng)，提高了通風(fēng)的效率。

4.2 葉片壓力對(duì)比

將圖7 和圖3 進(jìn)行對(duì)比分析可知，圖7 所示，葉片壓力云圖分布狀況更為均勻理想，每一片葉片的利用率由31.68%上升至81.65%，增大了葉片的工作性能和效率，提高了每一片葉片在通風(fēng)機(jī)工作過程的參與度。

5 結(jié)語

通過分析可知現(xiàn)有煤礦常用的FAD No9.0/2×65kW 型對(duì)旋型通風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在一定的缺陷，軸向方向上的空氣氣流運(yùn)動(dòng)雜亂無章，降低了通風(fēng)的效率，并且葉片的利用率較低，不能很好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于目前礦井通風(fēng)要求越到越高的現(xiàn)狀，F(xiàn)AD No9.0/2×65kW 型通風(fēng)機(jī)不能滿足要求。然而設(shè)計(jì)出的單電機(jī)外置式可調(diào)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)避免了原有通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的弊端，使通風(fēng)機(jī)在通風(fēng)的時(shí)候，空氣在軸向方向上的流通更加的順暢均勻，并設(shè)計(jì)出可調(diào)葉片角度的葉輪裝置，提高了葉片通風(fēng)面積的利用效率。試驗(yàn)結(jié)果表明單電機(jī)外置式可調(diào)對(duì)旋通風(fēng)機(jī)更加符合當(dāng)前礦井開采對(duì)于通風(fēng)性能的工作要求，試驗(yàn)研究成果為礦井在通風(fēng)工藝改進(jìn)方面提供了研究思路。

圖7 新型葉片壓力云示意圖