劉建國(guó)

（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(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉建國(guó)

（黑龍江省建安公路工程有限公司，哈爾濱150001）

單級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)在應(yīng)用的過(guò)程中存在著一系列的問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)了由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的葉輪組成的對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)，具有壓力特性陡、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反風(fēng)量可達(dá)正風(fēng)量的50%～70%等主要特點(diǎn)，成為隧道工程、礦井通風(fēng)的理想通風(fēng)設(shè)備。介紹了對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)建模、裝配和仿真，可以方便地對(duì)零件尺寸、形狀進(jìn)行修改，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品的整體布局、結(jié)構(gòu)的合理性判斷及評(píng)價(jià)。

軸流風(fēng)機(jī)；葉輪；葉片

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)煤礦井下作業(yè)向著長(zhǎng)距離大斷面掘進(jìn)巷道方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢(shì)要求煤礦井下作業(yè)的必備裝備——通風(fēng)機(jī)具有大風(fēng)量、高風(fēng)壓［1］。煤礦井下作業(yè)要求工作環(huán)境安全，礦井通風(fēng)良好，減少能源消耗，因此急需開發(fā)出新型的通風(fēng)機(jī)。對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)具有壓力特性陡、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反風(fēng)量可達(dá)正風(fēng)量的70%～90%等主要特點(diǎn)，這使其成為隧道工程、礦井通風(fēng)的理想通風(fēng)設(shè)備［2］。本文在單級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)，介紹了對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的工作原理，并完成了對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)，包括葉輪、集流器、導(dǎo)流罩以及擴(kuò)散器等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了葉輪葉片根部及后導(dǎo)流器葉片根部不會(huì)產(chǎn)生氣流分離，葉輪葉片滿足強(qiáng)度要求。

1 對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的工作原理

通常，單級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)由集流器1、流線罩2、前導(dǎo)流器3、葉輪4以及后導(dǎo)流器5組成［3］，圖1為典型單級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。由P+R+S組成的一個(gè)完整的級(jí)。對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)是在單級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上，由兩個(gè)軸流通風(fēng)機(jī)葉輪串聯(lián)安裝，彼此相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，它不需要導(dǎo)葉，能產(chǎn)生相當(dāng)于二級(jí)風(fēng)機(jī)的壓力，整個(gè)結(jié)構(gòu)十分緊湊。它需要兩個(gè)單獨(dú)的、轉(zhuǎn)向相反的原動(dòng)機(jī)（近來(lái)也使用柴油機(jī)）；或使用一個(gè)裝在風(fēng)機(jī)外面的電動(dòng)機(jī)帶傳動(dòng)；也可以用裝在輪轂內(nèi)的反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)系列的工作原理是第一級(jí)葉輪與第二級(jí)葉輪之間僅有較小的距離，它們均由隔爆專用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其電動(dòng)機(jī)的容量以及型號(hào)完全相同，兩級(jí)葉輪工作時(shí)的轉(zhuǎn)向相反，且安裝的葉片數(shù)量不同，葉片形狀采用機(jī)翼型，其氣流性能良好，第一級(jí)葉輪的扭曲角以及安裝角均大于第二級(jí)?？諝饬鬟^(guò)第一級(jí)葉輪的過(guò)程中獲得能量，而在流經(jīng)第二級(jí)葉輪后釋放，而第二級(jí)葉輪也擁有在普通軸流風(fēng)機(jī)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(fēng)壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通的軸流式風(fēng)機(jī)［4］。

圖1 單級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)示意圖

多級(jí)軸流風(fēng)機(jī)為2～4級(jí)，大多數(shù)是2級(jí)。一般是一個(gè)葉輪和一個(gè)導(dǎo)葉組成一個(gè)級(jí)，也可在第一級(jí)前裝置前導(dǎo)葉。在進(jìn)行通風(fēng)機(jī)方案選擇時(shí)，可大致參考風(fēng)機(jī)的壓強(qiáng)系數(shù)ψ或比轉(zhuǎn)速ns進(jìn)行：

當(dāng)ψ＜0.3或ns＞32.5（180）時(shí)，一般采用單獨(dú)葉輪的級(jí)；

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

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

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(jí)軸流風(fēng)機(jī)比普通軸流風(fēng)機(jī)具有更高的風(fēng)壓、風(fēng)量和效率，風(fēng)機(jī)的壓力—風(fēng)量特性曲線陡峭，斜率較大，在高效區(qū)域，風(fēng)量變化量較小卻可以獲得較大的風(fēng)壓變化量，這種特性可以滿足礦井主通風(fēng)和局部通風(fēng)的要求。

3 對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求風(fēng)機(jī)流量為10.5～28.7 m3/s，風(fēng)壓為600～1 500 Pa，現(xiàn)取流量為28.7 m3/s，風(fēng)壓為1 500 Pa進(jìn)行計(jì)算，取空氣密度為1.2 kg/m3。計(jì)算主要參考文獻(xiàn)［5］進(jìn)行。

3.1 葉輪直徑和葉片數(shù)目

1）葉輪直徑計(jì)算。

（2）葉片個(gè)數(shù)和計(jì)算截面積。

3.2 其它主要部分設(shè)計(jì)

1）擴(kuò)散器設(shè)計(jì)。

式中的D4為擴(kuò)散器出口截面直徑。常取φ＝10°，D與d的值參看葉輪的計(jì)算。

2）集流器與導(dǎo)流罩。

本文采用簡(jiǎn)化的集流器。試驗(yàn)表明，簡(jiǎn)化集流器在損失較小的情況之下，能得到均勻的速度場(chǎng)，并且便于制造；采用流線形導(dǎo)流罩，線形由圖2所示流線體最大直徑的前端（其長(zhǎng)度等于 0.4l部分）繪制，該流線體的型線坐標(biāo)值列于表1。設(shè)計(jì)時(shí)使dmax等于輪轂直徑d。

圖2 導(dǎo)流罩

表1 導(dǎo)流罩型線坐標(biāo) %

4 對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

1）葉輪葉片根部及后導(dǎo)流器葉片根部氣流分離驗(yàn)證。

2）葉輪葉片強(qiáng)度校核。

軸流風(fēng)機(jī)工作過(guò)程中，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片受到離心力以及氣流流動(dòng)壓力的共同作用；離心力使葉片拉伸，而氣流流動(dòng)壓力使葉片彎曲。扭曲葉片中，離心力對(duì)葉片也會(huì)產(chǎn)生彎曲。離心力及其產(chǎn)生的應(yīng)力從葉片頂端向根部遞增，在頂端時(shí)為零，而在到達(dá)葉片根部時(shí)，其值達(dá)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(zhì)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(fēng)機(jī)葉片拉伸計(jì)算圖

5 對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的三維實(shí)體設(shè)計(jì)

利用三維建模軟件Pro/E對(duì)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了三維實(shí)體建模和裝配，為后續(xù)的產(chǎn)品分析、處理以及模擬仿真做好了準(zhǔn)備。由于Pro/E具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)和全相關(guān)性等特點(diǎn)，因此能夠在軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程的任意階段對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，同時(shí)帶動(dòng)相關(guān)設(shè)計(jì)部分的變化，并且借助特征管理樹來(lái)掌握產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)，減少了產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的葉輪組件機(jī)構(gòu)和總裝配圖如圖4、圖5所示。

圖4 對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)葉輪組件機(jī)構(gòu)

圖5 對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的裝配總圖

6 結(jié) 論

本文在單級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)，介紹了對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的工作原理，并完成了對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)，包括葉輪、集流器、導(dǎo)流罩以及擴(kuò)散器等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了葉輪葉片根部及后導(dǎo)流器葉片根部不會(huì)產(chǎn)生氣流分離，以及葉輪葉片滿足強(qiáng)度要求。把Pro/ENGINEER造型與產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，為產(chǎn)品的系列化奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 華耀南，巨廣剛.礦用通風(fēng)機(jī)的現(xiàn)狀及評(píng)價(jià)［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2008（4）：60-65.

［2］ 李金華.國(guó)內(nèi)礦用通風(fēng)機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.煤礦機(jī)械，2013，34（5）：2-4.

［3］ 何耀華，鄧娟.通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與效率［J］.中國(guó)水運(yùn)，2008，8（6）：139-140.

［4］ 凌志軍.對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試與分析［J］.礦山機(jī)械，2013，41（3）：36-38.

［5］ 商景泰.通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)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(guó)（1959—），男，助理工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

2014-01-02