礦用地面防爆抽出式軸流風機的結構設計

劉建國

（黑龍江省建安公路工程有限公司，哈爾濱150001）

礦用地面防爆抽出式軸流風機的結構設計

劉建國

（黑龍江省建安公路工程有限公司，哈爾濱150001）

單級軸流通風機在應用的過程中存在著一系列的問題，為此設計了由兩個旋轉方向相反的葉輪組成的對旋式軸流通風機，具有壓力特性陡、結構簡單、反風量可達正風量的50%～70%等主要特點，成為隧道工程、礦井通風的理想通風設備。介紹了對旋式軸流通風機結構設計要點，運用Pro/E軟件對軸流通風機進行三維設計建模、裝配和仿真，可以方便地對零件尺寸、形狀進行修改，同時實現了對產品的整體布局、結構的合理性判斷及評價。

軸流風機；葉輪；葉片

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，我國煤礦井下作業(yè)向著長距離大斷面掘進巷道方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢要求煤礦井下作業(yè)的必備裝備——通風機具有大風量、高風壓［1］。煤礦井下作業(yè)要求工作環(huán)境安全，礦井通風良好，減少能源消耗，因此急需開發(fā)出新型的通風機。對旋式軸流風機具有壓力特性陡、結構簡單、反風量可達正風量的70%～90%等主要特點，這使其成為隧道工程、礦井通風的理想通風設備［2］。本文在單級軸流通風機的基礎上設計了對旋式軸流通風機，介紹了對旋式軸流通風機的工作原理，并完成了對旋式軸流通風機主要結構，包括葉輪、集流器、導流罩以及擴散器等的結構設計，通過計算驗證了葉輪葉片根部及后導流器葉片根部不會產生氣流分離，葉輪葉片滿足強度要求。

1 對旋式軸流通風機的工作原理

通常，單級軸流通風機由集流器1、流線罩2、前導流器3、葉輪4以及后導流器5組成［3］，圖1為典型單級軸流通風機的結構示意圖。由P+R+S組成的一個完整的級。對旋式軸流通風機是在單級軸流通風機的基礎上，由兩個軸流通風機葉輪串聯安裝，彼此相對轉動，它不需要導葉，能產生相當于二級風機的壓力，整個結構十分緊湊。它需要兩個單獨的、轉向相反的原動機（近來也使用柴油機）；或使用一個裝在風機外面的電動機帶傳動；也可以用裝在輪轂內的反轉機構驅動。對旋式軸流風機系列的工作原理是第一級葉輪與第二級葉輪之間僅有較小的距離，它們均由隔爆專用電動機驅動，其電動機的容量以及型號完全相同，兩級葉輪工作時的轉向相反，且安裝的葉片數量不同，葉片形狀采用機翼型，其氣流性能良好，第一級葉輪的扭曲角以及安裝角均大于第二級?？諝饬鬟^第一級葉輪的過程中獲得能量，而在流經第二級葉輪后釋放，而第二級葉輪也擁有在普通軸流風機中靜葉的作用，既獲得整直圓周方向的速度分量，也提高了氣流的能量，從而獲得了高效率和高風壓，遠遠超過普通的軸流式風機［4］。

圖1 單級軸流通風機示意圖

多級軸流風機為2～4級，大多數是2級。一般是一個葉輪和一個導葉組成一個級，也可在第一級前裝置前導葉。在進行通風機方案選擇時，可大致參考風機的壓強系數ψ或比轉速ns進行：

當ψ＜0.3或ns＞32.5（180）時，一般采用單獨葉輪的級；

當ψ＝0.3～0.5或ns＝20.8～32.5（115～180）時，可采用葉輪加后導葉級；

當ψ＞0.5或ns＝14.5～20.8（80～115）時，用前導葉加葉輪加后導葉級。

式中：ut為葉輪外緣圓周速度，m/s。

從以上介紹可以看出，多級軸流風機比普通軸流風機具有更高的風壓、風量和效率，風機的壓力—風量特性曲線陡峭，斜率較大，在高效區(qū)域，風量變化量較小卻可以獲得較大的風壓變化量，這種特性可以滿足礦井主通風和局部通風的要求。

3 對旋式軸流通風機結構設計

設計要求風機流量為10.5～28.7 m3/s，風壓為600～1 500 Pa，現取流量為28.7 m3/s，風壓為1 500 Pa進行計算，取空氣密度為1.2 kg/m3。計算主要參考文獻［5］進行。

3.1 葉輪直徑和葉片數目

1）葉輪直徑計算。

（2）葉片個數和計算截面積。

3.2 其它主要部分設計

1）擴散器設計。

式中的D4為擴散器出口截面直徑。常取φ＝10°，D與d的值參看葉輪的計算。

2）集流器與導流罩。

本文采用簡化的集流器。試驗表明，簡化集流器在損失較小的情況之下，能得到均勻的速度場，并且便于制造；采用流線形導流罩，線形由圖2所示流線體最大直徑的前端（其長度等于 0.4l部分）繪制，該流線體的型線坐標值列于表1。設計時使dmax等于輪轂直徑d。

圖2 導流罩

表1 導流罩型線坐標 %

4 對旋式軸流通風機結構設計驗證

1）葉輪葉片根部及后導流器葉片根部氣流分離驗證。

2）葉輪葉片強度校核。

軸流風機工作過程中，葉輪轉動時，葉片受到離心力以及氣流流動壓力的共同作用；離心力使葉片拉伸，而氣流流動壓力使葉片彎曲。扭曲葉片中，離心力對葉片也會產生彎曲。離心力及其產生的應力從葉片頂端向根部遞增，在頂端時為零，而在到達葉片根部時，其值達到最大。作用在葉片上的總離心力為Pc（N），如圖2所示。作用在葉片上的總離心力Pc＝mω2rc。m為葉片質量，kg；rc為葉片中心至葉輪中心之距離，m；ω為葉輪角速度，rad/s。

圖3 軸流風機葉片拉伸計算圖

5 對旋式軸流通風機的三維實體設計

利用三維建模軟件Pro/E對軸流風機進行了三維實體建模和裝配，為后續(xù)的產品分析、處理以及模擬仿真做好了準備。由于Pro/E具有單一數據庫和全相關性等特點，因此能夠在軸流風機設計過程的任意階段對設計進行修改，同時帶動相關設計部分的變化，并且借助特征管理樹來掌握產品的設計思想，有利于實現產品的并行設計，減少了產品的開發(fā)時間。對旋式軸流通風機的葉輪組件機構和總裝配圖如圖4、圖5所示。

圖4 對旋式軸流通風機葉輪組件機構

圖5 對旋式軸流通風機的裝配總圖

6 結 論

本文在單級軸流通風機的基礎上設計對旋式軸流通風機，介紹了對旋式軸流通風機的工作原理，并完成了對旋式軸流通風機主要結構，包括葉輪、集流器、導流罩以及擴散器等的結構設計，并通過計算驗證了葉輪葉片根部及后導流器葉片根部不會產生氣流分離，以及葉輪葉片滿足強度要求。把Pro/ENGINEER造型與產品概念設計結合起來，為產品的系列化奠定了基礎。

［1］ 華耀南，巨廣剛.礦用通風機的現狀及評價［J］.風機技術，2008（4）：60-65.

［2］ 李金華.國內礦用通風機的現狀與發(fā)展［J］.煤礦機械，2013，34（5）：2-4.

［3］ 何耀華，鄧娟.通風機的結構與效率［J］.中國水運，2008，8（6）：139-140.

［4］ 凌志軍.對旋式軸流通風機內部流場測試與分析［J］.礦山機械，2013，41（3）：36-38.

［5］ 商景泰.通風機實用技術手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994：242.

（編輯啟 迪）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0190－03

劉建國（1959—），男，助理工程師，從事機械設計工作。

2014-01-02