張軍，向宏輝，趙光敏，蔣志軍，鐘紹輝

（中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

礦用對旋軸流主通風(fēng)機葉輪改造設(shè)計與驗證

張軍，向宏輝，趙光敏，蔣志軍，鐘紹輝

（中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

針對礦用主通風(fēng)機存在的效率低和可靠性差兩個根本問題，采用國內(nèi)先進的航空發(fā)動機壓氣機葉片造型技術(shù)，完成了通風(fēng)機葉片改造氣動設(shè)計；結(jié)合成熟的旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，將傳統(tǒng)鼓筒受力方式改為腹板受力方式，有效減輕了鼓筒質(zhì)量，同時采取帶不同錐角定位塊的方式實現(xiàn)葉片角度精確調(diào)節(jié)和減小同級葉片角度偏差。經(jīng)空載調(diào)試、帶網(wǎng)運行、性能測試及運行考核表明，改造后通風(fēng)機的風(fēng)量、效率等性能參數(shù)明顯提高，運行安全可靠，滿足用戶使用要求。

對旋軸流式通風(fēng)機；葉輪；葉片角度；壓氣機；氣動設(shè)計

1　引言

礦用對旋軸流式主通風(fēng)機是保障礦井安全生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，擔(dān)負(fù)著向井下輸送新鮮空氣，排出粉塵、瓦斯等污濁氣體，確保礦井和井下工人安全的重任。隨著現(xiàn)代化、集約化采煤生產(chǎn)的發(fā)展，煤礦掘進巷道長度不斷增加，對通風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)壓的要求也越來越高，具有安全可靠、效率高、噪聲低、運行范圍寬等良好性能的通風(fēng)機，成為礦用對旋主通風(fēng)機發(fā)展的必然趨勢，也是煤礦企業(yè)選擇通風(fēng)設(shè)備的理想產(chǎn)品［1］。

某煤礦用通風(fēng)機在使用中曾出現(xiàn)葉片斷裂飛出擊穿機匣的故障，在對葉輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和更換葉片材料后，又出現(xiàn)通風(fēng)機風(fēng)量小、效率低、能耗大、噪聲大、風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍窄等問題，無法滿足用戶使用需求。因此，從安全和經(jīng)濟效益以及生產(chǎn)發(fā)展的需要出發(fā)，通風(fēng)機改造勢在必行。

本文在綜合考慮成本、安全、可靠性和適用性的原則下，僅對原通風(fēng)機葉輪進行改造。采用一系列先進航空發(fā)動機壓氣機氣動設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，有效解決了原通風(fēng)機可靠性差、風(fēng)量小、效率低、能耗大的缺陷，提高了通風(fēng)機性能和可靠性，整個葉輪部件質(zhì)量減小約15%。同時，解決了兩級轉(zhuǎn)子葉片的安裝、角度調(diào)節(jié)等問題。

2　原通風(fēng)機情況分析

原通風(fēng)機采用對旋軸流式結(jié)構(gòu)［2］，主通風(fēng)機由進氣段、支板、葉輪、電動機和機匣等組成，其結(jié)構(gòu)示意及實物圖見圖1。兩級葉輪均為機翼型雙層空心鋼制葉片（一級13片、二級11片），機匣、輪盤等構(gòu)件均用鋼板焊接而成。原通風(fēng)機使用過程中的問題主要有：出現(xiàn)過葉片斷裂擊穿機匣的故障；隨著巷道掘進深度的增加，通風(fēng)機風(fēng)量小、調(diào)節(jié)范圍窄，無法滿足煤礦巷道通風(fēng)要求；通風(fēng)機長期低效率、高能耗運行，給企業(yè)帶來巨大的運行成本。

圖1　原通風(fēng)機結(jié)構(gòu)示意及實物圖Fig.1 original fan structure

原通風(fēng)機葉片氣動設(shè)計采用傳統(tǒng)的孤立翼型和平面葉柵設(shè)計［3-4］，不能有效減少氣流在風(fēng)機中的流動阻力和氣流渦流，無法從根本上大幅提高風(fēng)機效率和降低葉片氣動噪聲。其結(jié)構(gòu)上存在以下幾方面問題：（1）葉片與葉柄之間采用鉚釘鉚接方式聯(lián)結(jié)，曾經(jīng)產(chǎn)生過鉚釘松動，導(dǎo)致葉片脫落［5］；（2）兩級葉輪直接安裝在電機軸上，葉輪質(zhì)量很大，電機軸形成了一種懸臂軸［6］，靠近葉輪一端的電機軸承承受很大的軸向力和徑向力，使得風(fēng)機運行中電機軸承容易磨損、發(fā)熱，導(dǎo)致軸承溫度過高而停機；（3）葉片葉柄通過螺母固定于輪盤鼓筒上，該種固定方式經(jīng)多次拆裝容易導(dǎo)致螺紋失效，只能更換新葉片，進而增加了使用成本；（4）葉片角度調(diào)節(jié)完全通過肉眼觀察確定，調(diào)節(jié)精度差。

3　通風(fēng)機葉輪改進設(shè)計

3.1葉輪設(shè)計參數(shù)

在保證原通風(fēng)機功率、轉(zhuǎn)速、葉輪尺寸等指標(biāo)不變的基礎(chǔ)上，進行通風(fēng)機葉輪改進設(shè)計。同時，根據(jù)用戶的具體使用要求，確定了通風(fēng)機葉輪改造的設(shè)計參數(shù)，見表1。此外，改進后的葉輪，葉片角度應(yīng)調(diào)節(jié)方便、可靠，并滿足行業(yè)規(guī)范、連續(xù)運轉(zhuǎn)等要求。

表1　通風(fēng)機改造設(shè)計參數(shù)表Table 1 Improved design data of fan

3.2葉片氣動設(shè)計

為達到性能設(shè)計指標(biāo)和質(zhì)量要求，采用目前成熟的先進航空發(fā)動機壓氣機氣動設(shè)計方法，應(yīng)用全三維葉片造型技術(shù)進行通風(fēng)機葉片氣動設(shè)計。

氣動布局采用準(zhǔn)三維S2流面通流計算。通流程序假設(shè)氣流為軸對稱定常流，采用矩陣通流法逐站求解，能反映端壁區(qū)域的流道信息，從而得到流場的氣動布局?？紤]到原有葉輪與通風(fēng)機前后段的良好對接，不對通風(fēng)機流場做大的改變，選用平直流道。通風(fēng)機子午面流道及葉片投影見圖2。

圖2　通風(fēng)機葉輪段流道子午面投影圖Fig.2 Meridian plane projection of fan flow path

采用在超跨聲葉型設(shè)計中廣泛應(yīng)用的B樣條控制中線角葉型、貝塞爾曲線控制葉型厚度（BMAA）的方法進行葉片造型［7］。該造型技術(shù)可良好控制氣流在葉片表面的速度，擴大穩(wěn)定工作范圍，提高通風(fēng)機抗流場畸變能力，有效降低通風(fēng)機噪聲。圖3和圖4分別為改進前、后的通風(fēng)機葉片。

采用三維計算軟件Numerca，對準(zhǔn)三維設(shè)計方案進行全三維數(shù)值仿真分析和修正。圖5為三維仿真驗算獲得的葉片內(nèi)部流場相對馬赫數(shù)等值線圖。

3.3葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

原通風(fēng)機總體結(jié)構(gòu)不進行大的改造，在綜合考慮成本、加工工藝、質(zhì)量和使用性的原則下，僅對原通風(fēng)機葉輪結(jié)構(gòu)進行改造。目標(biāo)是在滿足使用要求及壽命的前提下，解決原通風(fēng)機可靠性低、靜葉角度調(diào)節(jié)精度差、葉輪質(zhì)量大等問題。通風(fēng)機改造后的葉輪組件，主要由葉片、輪盤、安裝座、卡箍、定位塊、蓋板、擋板、螺釘?shù)攘悴考M成，葉輪裝配UG模型見圖6。

圖3　原通風(fēng)機葉片實物圖Fig.3 The original blade

圖4　改進后通風(fēng)機葉片UG模型Fig.4 UG model of improved blade

圖5　相對馬赫數(shù)等值線圖Fig.5 Contours of relative Mach number

圖6　通風(fēng)機葉輪裝配UG模型Fig.6 UG model of improved fan assembly

改善葉片安裝方式：在葉片葉柄設(shè)計一環(huán)形U型槽，用于放置兩個半圓形卡箍，并通過螺栓鎖緊。當(dāng)通風(fēng)機運轉(zhuǎn)時，葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力擠壓卡箍，使卡箍牢固地鎖緊葉片，有效提高了葉片的鎖緊度，進而提高了通風(fēng)機運行的可靠性。

提高葉片角度調(diào)節(jié)精度：葉片角度調(diào)節(jié)通過帶不同錐角的定位塊限位確定葉片角度。在葉片葉柄上設(shè)計一平面，用于定位塊擠壓葉柄起角度鎖定作用，定位塊通過螺栓固定于輪盤安裝座上。根據(jù)通風(fēng)機風(fēng)量要求，可采取更換不同錐角的定位塊來調(diào)節(jié)葉片角度（角度調(diào)節(jié)偏差≯0.5°），同級葉片角度確定采用相同錐角的定位塊，有效地提高了葉片角度調(diào)節(jié)精度，減小了同級葉片安裝角的角度偏差。

圖7　通風(fēng)機輪盤UG模型Fig.7 UG model of disk

葉輪減重：將原通風(fēng)機鋼葉片改為優(yōu)質(zhì)鑄鋁葉片，質(zhì)量輕、抗腐蝕性好。通風(fēng)機輪盤腹板外圓設(shè)計帶臺階的U型槽（輪盤UG模型見圖7），葉片和安裝座產(chǎn)生的離心力完全由腹板承受，鼓筒的厚度變薄，有效減輕了輪盤質(zhì)量。這一改進既滿足了使用要求，又減輕了葉輪組件質(zhì)量，使得電機軸承的負(fù)荷降低，有效減少了通風(fēng)機的使用維護費用，大大提高了通風(fēng)機的安全運行可靠性。

3.4結(jié)構(gòu)強度和振動校核

為保證通風(fēng)機結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，對轉(zhuǎn)子葉片、輪盤進行了強度校核，對葉輪整體結(jié)構(gòu)進行了振動計算。結(jié)果表明，葉片榫頭U型槽根部位置處的應(yīng)力水平最高（葉片應(yīng)力場分布見圖8），其強度儲備系數(shù)為4.3，具有足夠的強度裕度，可保證轉(zhuǎn)子葉片長期安全、可靠地工作；輪盤最大等效應(yīng)力為202 MPa（輪盤應(yīng)力場分布見圖9），小于35#鋼的屈服強度315 MPa，輪盤設(shè)計滿足結(jié)構(gòu)強度要求；葉片振動頻率相鄰兩階次的頻差均大于10%，葉片均不存在裕度小于10%的共振危險點，葉輪在工作轉(zhuǎn)速附近不存在結(jié)構(gòu)因素引起的共振現(xiàn)象。

圖8　葉片應(yīng)力場分布圖Fig.8 Stress distribution of blade

圖9　輪盤等效應(yīng)力分布圖Fig.9 Equivalent stress distribution of disk

4　改進驗證

改進后的通風(fēng)機進行了現(xiàn)場安裝調(diào)試和帶網(wǎng)運行考核。整個考核過程中，通風(fēng)機運行平穩(wěn)，未出現(xiàn)螺栓松動、葉片角度偏轉(zhuǎn)、葉片裂紋或斷裂現(xiàn)象。

根據(jù)通風(fēng)機的工作條件，專業(yè)測試機構(gòu)采用主通風(fēng)機巷道內(nèi)調(diào)節(jié)風(fēng)門和調(diào)節(jié)葉片角度的方法，完成了性能測試。從通風(fēng)機改進前、后性能數(shù)據(jù)（圖10）分析可知：改進后的通風(fēng)機比原通風(fēng)機效率提高了約10%，流量范圍增大了約400 m3/min；在相同風(fēng)量下，改進后的通風(fēng)機比原通風(fēng)機最小風(fēng)壓提高了至少200 Pa以上，功率減小了約30 kW。

圖10　通風(fēng)機改造前后性能參數(shù)隨流量的變化Fig.10 Performance vs.mass flow before and after the improvement

目前，該通風(fēng)機已投入使用14個月，且24 h不間斷工作，運行過程中監(jiān)測風(fēng)機振動僅為1.20～1.45 mm/s（限定值≯4.6 mm/s），風(fēng)機噪聲為89 dB（原通風(fēng)機108 dB），總體運行狀況良好，滿足業(yè)主使用要求。

5　結(jié)束語

采用系列先進的航空葉輪機設(shè)計方法，對某型對旋軸流式通風(fēng)機葉輪進行改進設(shè)計，有效解決了原通風(fēng)機存在的可靠性差、效率低、風(fēng)量小等問題，改進后風(fēng)量增加了400 m3/min，風(fēng)壓提高了200 Pa，效率提高了10%，功率減小了30 kW，噪聲降低了20 dB左右?？蛰d調(diào)試、帶網(wǎng)運行考核和性能測試結(jié)果表明，改進后的通風(fēng)機各項性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。其研究結(jié)果對于國內(nèi)礦用主通風(fēng)機設(shè)計改進與升級換代具有一定借鑒意義。

［1］張廣勛.高性能對旋軸流式通風(fēng)機的研究［J］.風(fēng)機技術(shù)，1999，（5）：6—9.

［2］李慶宜.通風(fēng)機［M］.北京：機械工業(yè)出版社出版，1981.

［3］Deere K A.Summary of fluidic thrust vectoring research conducted at NASA Langley Research Center［R］.AIAA 2003-3800，2003.

［4］Wing D J，Giuliano V J.Fluidic thrust vectoring of an axisymmetric exhaust nozzle at static conditions［R］.ASME FEDSM97-3228，1997.

［5］陳宜振，尹民權(quán).動葉可調(diào)軸流通風(fēng)機機械故障原因分析［J］.風(fēng)機技術(shù)，2008，（4）：68—73.

［6］甘英浩.礦用對旋軸流主通風(fēng)機的研制及改進［J］.風(fēng)機技術(shù)，2010，（1）：32—34.

［7］安利平，李清華，劉劍鵬，等.一種新型壓氣機葉片造型方法的平面葉柵試驗驗證［J］.燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2013，26（5）：12—15.

An improved design and test of a mine contra-rotating axial fan unit

ZHANG Jun，XIANG Hong-hui，ZHAO Guang-min，JIANG Zhi-jun，ZHONG Shao-hui
（China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China）

Aimed at solving the problem of low efficiency and low reliability for some contra-rotating fan unit，an improved aerodynamic design was completed by means of advanced compressor design technique. The mature designing experience of rotating machine was employed to reduce the weight of rotor drum.In addition，different cone angle locating pieces were taken to adjust the blade angle accurately and reduce the deviation.The performance such as mass flow，efficiency and reliability was proved to be raised through a series of strict tests of non-load characteristic，load characteristic，performance and certification.The improved design met the demand of the consumer as well.

contra-rotating axial fan；impeller；blade angle；efficiency；compressor；aerodynamic design

TD441+2

A

1672-2620（2015）05-0049-05

2015-03-26；

2015-09-04

張軍（1982-），男，陜西渭南人，工程師，碩士研究生，主要從事壓氣機試驗研究。