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摘要:介绍了改造后所选用的新型矿井轴流通风机的主要特点，与老式风机做了对比，证明了改造后的风机取得了较好效果。
关键词：轴流式通风机 技术改造
中图分类号:TH432.1 文献标识码:B
文章编号:1006-8155(2005)05-0058-03
Abstract: Main characteristics of new selected mine axial fans after transformation are introduced, comparing with the old fans, preferable effect of new ones is obtained after transformation.
Key words: Axial fan Technical transformation
1 引言
我矿原属于怀仁地方煤矿，在国家政策调整下划归大同煤业集团，成为其下属煤矿。在矿务局的大力支持下，对原有矿井进行了大规模的技术改造。产量由原来的一百多万吨提高到二百多万吨。随着产量的不断提高，原矿井主扇已不能满足井下通风的要求，也制约了矿井的发展。经矿务局有关部门研究决定，在风机房土建基本不动的前提下，对矿上原有的两台老式70B2—11№18风机进行了技术改造。
改造前风机运行参数为
风量：3200m3/min
负压：1400Pa
矿阻：0.0324
改造后风机运行参数为
风量：5400m3/min
负压：4196Pa
矿阻：0.0518
根据以上技术参数再经多方论证和考察，最后选中了航空工业沈阳发动机研究所风机厂设计制造的AGF606-1.88-1.12-2型风机。
2 改造后的风机特点
2.1 先进的气动设计
根据新结构及采用的高强度锻铝合金叶片，可以选用转速为1500r/min单级即可实现。但考虑到噪声及强度的储备，仍采用了1000r/min，将原一级动叶增加为两级动叶。
原机和新机的结构参数见表1和表2。
表1
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参 数 |
原机（工况点） |
新机（设计点） |
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风量/ (m3/min) |
3200 |
5400 |
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风压/ Pa |
1400 |
4196 |
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风机功率/ kW |
74.62 |
377.574 |
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电机功率（额定）/ kW |
185 |
710 |
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静压效率 |
0.6775 |
0.806 |
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动叶扩散因子 |
0.6 |
0.567 |
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电机转速/ (r/min) |
970 |
985 |
表2
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项目 |
原机 |
新机 |
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动叶片数 |
14 |
14×2 |
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最大厚度/mm |
36 |
37.68 |
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联接方式 |
大螺母联接不可调 |
螺钉联接，集中一次可调 |
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静叶 |
后导11片 |
中导9片，后导13片 |
采取航空发动机压气机设计中多年使用的“非径向站流线曲率管流法”进行了S2进出口流面的流场计算并造型。该方法不仅考虑了气体的功、熵沿径向变化，也考虑了流线斜率、曲率及子午速度变化对流场的影响，由于主气流流速低（50m/s 左右），马赫数为0.15，属于不可压，故采用低速叶型，并用圆弧中线来造型。相对厚度由尖部到根部为5.5%/12%；导叶全叶高为12%。
从非设计点工作状态可见，无论是风机还是电机，均有比规范规定的15%要大的足够储备。而且均在高效区内工作。
2.2 结构设计
2.2.1 新旧结构的对比(见表3)
表3
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70B2-11№18原结构 |
AGF606-1.88-1.12新结构 |
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1. 普通碳钢板焊、铆叶片，转速受强度限制，叶尖切线速度小于100m/s |
1. 叶片为机翼形扭曲叶片，用高强度锻造铝合金制成，表面再经防腐处理。在相同条件下转速可提高1.5倍，负压成倍提高，转速虽未变 ，但用了两级故负压仍可提高一倍 |
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2. 用大螺母结构安装叶片，单个调整，精度与人的因素有关，费力、费时
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2. 利用蜗轮蜗杆、锥齿轮副机构进行停车集中无级调节，在调节杆插 入后2min即可完成整级叶片调角度，精确、省力、省时 |
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3. 双支点简支梁结构，支座前后分开，两级转子在双支点的内侧，主轴长，安装调整困难，平衡精度低，仅为6.3mm/s |
3. 结构采用整体式轴承箱，两级转子分别在支点的外侧，轴承箱固定在机壳内法兰上，现场安装大修重装无需对中，调整方便，振动小，平衡精度5.6mm/s |
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4. 脂润滑，维修困难
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4. 油浴式润滑，结构紧凑，轴承润滑良好，采用NSK轴承可两年大修，正常维护条件可运转40000h以上
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5. 铸钢转子，板焊叶片，故转子质量大。整机飞轮矩GD2大、启动时间长，较难启动。制动力矩大 |
5. 轮毂由铸钢改为板焊结构，而且锻铝合金密度只有钢的0.346，故转子质量轻。整机飞轮矩GD2小、启动时间短，易于启动。制动力矩小
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6. 计算噪声： 根据现有风量53.33 m3/s 、风压1400Pa，计算噪声为110.2dB，测点(机壳扩散器出口)90.5 dB (A) |
6. 计算噪声：据新机风量、风压计算噪声为122dB。转、静子叶片的最佳匹配除满足气动、强度、振动外，还满足噪声要求。现有声功率水平可降低10~14 dB |
2.2.2 结构特点
完全抛开原有风机的结构：即双支点简支梁结构。两级转子放在两支点的内侧，主轴长，安装调整困难，平衡精度低。新机采用了悬臂梁结构，整体内置轴承箱。两级转子分别悬挂于两支点的外侧，形成一担挑，对加工安装有利，平衡精度高达2.5级。
抛开传统的板焊件，铆接结构，叶片采用了锻铝合金整体结构，这是一个本质的飞跃，因为早期转子的叶尖切线速度低于100m/s，现提高到149m/s。
抛开了大螺母叶片的单个联接方式。采用了蜗轮、蜗杆、锥齿轮组机械式一次集中可调节结构。极大地节省了调节安装时间，节省了人力，提高了精度。
抛开前后支撑轴承分开式轴承单独脂润滑方式，采用整体轴承油浸润滑，再加上采用进口滚动轴承，经核算寿命可达40000h以上。节省了维修的人力和费用。
2.3 可靠性保证
2.3.1 关键零部件强度计算
风量、负压大幅度提高，关键零部件，特别是转动件能否承受,有多大的储备，经核算结论是肯定的。结果见表4。
表4
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零件名 |
材料 |
许用值[σ]/MPa |
计算值σ/MPa |
储备 |
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动 叶 |
LD5 |
313 |
30 |
10.4 |
|
轮 盘 |
25 |
210 |
180 |
1.17 |
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叶片-柄
连接螺钉 |
40Cr |
785 |
120.8 |
6.5 |
|
叶柄螺钉 |
45 |
[τ]=142.0
[σ]=213 |
τ=32.0
σW=58.7 |
4.4
3.63 |
2.3.2 动叶振频特性试验
动叶是保证通风机性能的核心，不仅要承受离心力，气动弯矩和扭矩而产生的静载荷，还要承受由于结构或气动等因素激励振动而产生的动载荷。在投产前除用有限元做出理论分析外，还要用航空发动机叶片专用的1380MK4 1KV的振动台通过频率扫描测定动叶的前几阶固有频率及对应振型，除一阶为叶根部弯曲振型外，其他各阶均为复合振型。
采用4块支板，9片中导叶和13片后导叶，基本上可满足规范关于激振，应偏离固有频率15%的要求。不会因固有因素在恒定工作转速下产生共振。
2.3.3 轴临界转速
通常用传递矩阵法计算，但稳定性较差，数值易溢出，现仍采用有限元方法对整体转子临界转速计算表明：前三阶均大于工作转速，裕度大于30%，符合规范要求。
传动轴 1500
主 轴 5725.7 6934.2 1000
轴 系 1498 4979
均为刚性轴，不会引起轴系振动。
2.3.4 轴承寿命
对3种轴承核算寿命列于表5（按油润滑）。
表5
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工作条件 |
圆柱滚子轴承NU330 |
推力球轴承7330 |
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1000r/min |
D=320 |
D=320 |
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70℃ |
D=150 |
D=150 |
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30#机床油 |
当量动负荷
17248.8N |
当量动负荷
10045N |
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振动5.6mm/s |
99%可靠，LH=45270h |
99%可靠，LH=52732h |
由表5可见运行寿命均超过40000h。
2.3.5 风机监控
为保证风机正常、安全的工作，设置以下的监控：轴承箱油位的监控；轴承温度的监测；电机定子及轴承温度监控、脱风的监控。
3 新机效果
3.1 现场动平衡
改型后的风机，转盘加工、组装除静平衡外还做动平衡（专用机床，平衡转速400r/min）。锻造后加工的叶片，一、二阶固有频率数据均衡，分散度低于 5%，质量差低于0.5%，质量矩差低于0.005kg·m。在转盘上采用对称、对号入座方式安装，为转子总体平衡奠定基础。在现场，通常在机壳安装边近支点处用测振仪测水平和垂直方向的振幅，未做调整即已达到5.6 mm/s的精度。经配合调整最后核定值为2.4 mm/s。
3.2 短路测试
在两个角度下测得的数据如表6。
表6
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参 数 |
0° |
-10° |
原机 |
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风量/（m3/s） |
100 |
90 |
80 |
67.5 |
73.5 |
77.5 |
53.33 |
|
静压/Pa |
3650 |
4250 |
4660 |
3300 |
2800 |
2400 |
1400 |
|
风机功率/kW |
364.8 |
382.3 |
372.8 |
222.6 |
205.7 |
186.00 |
74.64 |
|
轴功率/kW |
467.6 |
469 |
478.6 |
281.8 |
263.7 |
249.7 |
— |
|
机组效率 |
0.7489 |
0.7824 |
0.7478 |
0.7580 |
0.749 |
0.7151 |
0.7412 |
|
工序能耗/ (kW·h) |
0.371 |
0.355 |
0.3673 |
0.366 |
0.371 |
0.388 |
0.375 |
|
振动速度/（mm/s） |
— |
2.4 |
— |
— |
— |
— |
— |
|
机壳辐射噪声/dB |
— |
88.5~78.2 |
— |
— |
— |
— |
— |
4 结论
原机型参数也列于表6中，以便对比。
（1） 在0o设计角度下，风量、负压达到并略超过预定指标。
（2） 在0o和-10o两个角度下用板阻法测得特性曲线相当吻合，仅略向下漂移。
（3） 若矿阻不变目前用风量为3200 m3/min（53.33m3/s）时需关小角度到17°左右。
（4） 反转时测得的风量为49.5m3/s。即反风率约为55.5%，超过合同规定值。 （5）工序能耗落在0.359~0.388范围，即属于规范的二级标准，原机水平为0.375，二者基本相当。从节电看没有变化，但是风量由3200 m 3/min提高到5400 m 3/min，负压由1400 Pa提高到4196Pa，分别提高了68.8%和199%。 |
