矿用对旋轴流主通风机叶轮改进探讨

秦 鹏

（山西煤炭运销集团金裕达煤业有限公司， 山西 临汾 041000）

引言

煤矿矿井生产中对旋轴流式主通风机是重要设备之一，主要负责向矿井输送输送新鲜空气，加速瓦斯、粉尘等有毒有害气体的快速排出，为矿井安全生产提供良好的环境。随着当前国内煤炭行业开采技术水平的不断提升，煤矿掘进巷道长度持续增大，对通风量及风压等的要求也越来越高，噪声低、性能稳定、效率高、运行范围广成为矿用对旋轴流式主通风机发展的必然趋势。对旋轴流式主通风机中叶轮质量的高低、性能的好坏及结构稳定性是影响和决定通风机运行状况的关键因素，必须从转子叶片安装、角度调节等叶轮改进角度出发，加强对矿用主通风机结构的优化改进。

1 某矿原通风机概况

某矿井田面积16.1066 km2，生产能力为0.9 Mt/年，批准开采2～11 号煤层。对旋轴流式通风机由电动机、叶轮、支板、进气段、机匣等部件组成的，叶轮均采用机翼形双层空心钢叶片，两级叶轮分别包括13片和11 片叶片；其余轮盘、机闸等部件也均通过钢板焊接。原通风机在长期运行过程中主要表现出以下问题：风量和调节范围越来越小，无法满足煤巷掘进深度增大后的通风需求；叶片断裂后造成机匣击穿，带病运行；能耗高，运行成本居高不下。

原矿用通风机叶片采用常规孤立翼型气动设计和平面叶栅设计，难以降低风机中气流流动阻力及涡流，导致叶片气动噪声过大、风机运行效率低下。具体而言，此类设计在结构上存在问题为：叶片、叶柄间连接铆钉易松动，造成叶片松动脱落；质量较大的叶轮直接安装在电机轴上，形成悬臂轴，电机轴在通风机叶片运行过程中承受较大径向力和轴向力[1]，磨损、断裂的可能性非常大；通风机叶片和叶柄主要通过螺母固定在轮盘鼓筒结构上，此种固定方式数次拆装后会造成螺纹失效，必须进行叶片更换，运行成本较高。

2 主通风机叶轮改进

2.1 叶轮参数设计

在确保该煤矿原通风机叶轮尺寸、转速、功率等既定的基础上进行叶轮参数优化设计，设计结果详见表1。叶轮改进后其角度必须便于进行可靠调节，并符合连续运转等方面的要求。

表1 矿用对旋轴流主通风机叶轮参数优化

2.2 叶片气动设计

应用当前较为成熟的航空发动机压气机气动设计技术，即全三维叶片技术进行该矿井对旋轴流通风机叶片气动改进设计，以达到性能及质量方面的要求。通过准三维流面通流进行叶片气动布局计算[2]，该程序将气流假定为轴对称定常流状态，并通过矩阵通流法展开求解，以体现端壁范围内实际流道状况，得出全面的流场气动布局信息。为确保原通风机叶片良好对接设备前后段，不改变通风机原流场，还应在叶片气动设计过程中采用平直流道。

2.3 叶轮结构设计

不对煤矿原主通风机整体结构进行大规模改造，仅在综合考虑使用性能、加工工艺、维护成本等的基础上，改造通风机叶轮结构，以便在满足正常运行要求并延长使用寿命的情况下，有效解决原主通风机所存在的性能不可靠、能耗高、叶片角度调节精度差、叶轮过重等问题。优化改进后的叶轮组件主要包括轮盘、卡箍、叶片、定位块、安装座、挡板、盖板、螺钉等部件。

叶片安装方式也随之改变，即将一U 形环形槽设置在叶片叶柄上，半圆形卡箍置于其上，再由螺栓牢固连接。通风机启动后叶片因旋转而产生离心力进而挤压卡箍，卡箍进一步锁紧叶片，叶片锁紧度提升，通风机整体运行的可靠性大大增加。

叶片角度调节精度也得到提升：改进后，主要通过带锥角的定位块进行叶片角度的限位调节和确定。在叶片叶柄处增设一个用于定位块挤压叶柄角度的平面，通过螺栓将定位块固定在轮盘安装座处。通风机运行过程中主要通过锥角定位块的更换以进行叶片角度调节，且调节偏差不超出0.5°，使叶片角度调节精度显著提升，叶片安装角度偏差明显降低。

原主通风机钢制叶片改良为轻质铸铝叶片，抗腐蚀性提升；轮盘腹板外圆形设计使叶片与安装座之间的离心力全部由腹板承受，鼓筒厚度及重量均减小，叶轮重量大大减轻，并使电机轴承负荷随之下降，矿用对旋轴流主通风机运维成本下降，机械运行的安全可靠性得到保障。

2.4 强度及振动校核

为增强矿用主通风机结构改进设计的可靠性，还必须校核转子叶片、轮盘等结构强度，进行叶轮整体结构振动计算。强度校核及振动计算结果显示，通风机叶片榫头U 形槽的根部应力水平最高，所对应的强度储备系数4.4，强度裕度足够，可确保转子叶片安全稳定运行。轮盘等效应力最大值210 MPa，比35 号钢屈服强度值小，表明轮盘结构强度也符合设计要求。叶片振频相邻阶次频差不小于0.1，且不存在任何裕度在0.1 以下的共振风险点，表明主通风机叶轮改进优化后其工作转速范围内不存在危害机械安全运行的共振现象[3]。

3 运行效果验证

采用本文所提出的思路对矿用主通风机叶轮改进后，进行了现场安装调试及带网运行考核。在考察期间主通风机性能良好、运行稳定，从未出现任何叶片角度翻转、螺栓松动、叶片断裂及裂纹等情况。结合矿用主通风机实际运行环境，还由专业测试机构进行了风门调节、叶片角度调节等性能测试。通过比较和分析通风机叶轮改造前后性能参数的变化，如图1 所示，通风机优化改进后流量范围增加了400 m3/min，运行效率至少提升10%，且在风量水平相同的情况下，风压至少提高200 MPa，运行功率降低至少30 kW。当前，矿井井下用主通风机改进后已投运并一直处于24 h 持续工作状态，运行期间所监测得风机振幅仅为1.3～1.45 mm/s，远小于4.6 mm/s 的限定值，噪声为89 dB，比原通风机108 dB 的噪声降低74%，运行状态良好。

图1 矿用主通风机改造前后性能参数变动情况

4 结语

航空叶轮机设计思路在矿用对旋轴流式主通风机叶轮改进中的应用可有效解决主通风机性能不稳定、运行效率低、噪声大、风量小及带病运行等问题，优化改进后风量明显增大、风压及运行工效大大提升、功率和噪声降低。经现场安装调试及带网运行考核后表明，对旋轴流式主通风机改进后各项性能指标均超出设计规范所要求的正常水平。本研究对于国内矿用旋轴流式主通风机叶轮改进及升级换代具有较好的参考借鉴价值。