軸流風機性能小雨量駱駝區(qū)的無駝化研究

主通風機是實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)、經(jīng)濟合理通風和災害期間的風機配置的主要動力。該設備本身的安全直接影響到礦山的安全生產(chǎn)和救援工作。我國煤礦使用的離心和軸流兩類主通風機性能都程度不同的存在著駝峰區(qū)域。從使用范圍和駝峰程度兩方面考慮,軸流風機超過離心風機。駝峰區(qū)域的存在不僅限制著通風機的工作范圍,而且構(gòu)成了通風機自身最嚴重的安全隱患。一方面,礦井通風有別于電廠、鋼廠和隧道通風,通風管網(wǎng)阻力隨開采工程的擴展而發(fā)生變化,很難單靠選型限制其永遠工作在工業(yè)利用區(qū)內(nèi)。特別是高風阻礦井,通風管理難度很大,運行工況點極易落入駝峰區(qū),安全性差;另一方面,我國煤礦改擴建的比重很大,許多礦井不得不采用多風機聯(lián)合工作這種不合理的通風方式,實際操作中又不重視工況點擇對的人為調(diào)控,因而埋下了風機故障和欠風量瓦斯事故隱患,風機之一總是工作在駝峰區(qū)。風機的風量、風壓和電流大幅度波動,噪聲顯著增加,還會伴生管道和通風機的強烈振動,嚴重時造成葉片撕裂,使通風機損壞。工程上稱這種現(xiàn)象為“喘振”。礦井正常時期通風系統(tǒng)阻力的變化,通風機聯(lián)合工作多值運行工況點擇對的存在,熱風壓對礦井通風的影響等都對礦井通風機提出了“無駝峰”的性能要求?；馂臅r期火風壓對礦井通風的影響更加復雜和強烈,維持風流流動狀態(tài)及風向穩(wěn)定性也對通風機提出了“無駝峰”的性能要求。作為“礦用軸流風機無駝化研究”*的重要內(nèi)容,作者已在文獻介紹了通風系統(tǒng)本安度設計思想,文獻分析了軸流風機性能小風量駝峰區(qū)的形成機理,影響因素和性能參數(shù)失速響應特征。通風機葉型附面層分布規(guī)律和空間旋渦結(jié)構(gòu)作者將另文論述。本文針對軸流式通風機駝峰區(qū)工作的不安全性和各種消駝方法的有效性提出軸流風機無駝化研究的本安度考核指標1全風力比的確定通風機自身的不安全隱患在于小風量駝峰區(qū)的存在。因此,定義其性能曲線上效率大于60%的非駝峰區(qū)寬度與其全風量范圍的比值為本安度;Q60Qk———通風機性能峰點風量,/s;Q60———通風機性能工業(yè)利用區(qū)右邊界風量,/s。2風機本安度曲線本安度An可在0～100%范圍取值,本安度100%對應著無駝峰性能的實現(xiàn)。因此本安度既是通風機性能本質(zhì)安全性的評價指標,又是無駝峰軸流風機的設計指標。通風機性能曲線的形態(tài)隨著葉片安裝角θr的改變而變化,通風機性能曲線峰點的風量Qk與葉片安裝角存在著一一對應關(guān)系,相同機型不同葉片安裝角的工作條件下,風機的本安度是不同的,因此可以用本安度An隨葉片安裝角θr的變化曲線衡量風機自身的安全性。本安度對通風機性能本質(zhì)安全性的描述是客觀確定的。不同機型的風機有不同的本安度取值范圍和變化規(guī)律。我國常用的GAF、2K60、2K56、2K58等機型的本安度曲線如圖1～10所示。對比各種機型的本安度曲線,除GAF屬于引進風機技術(shù)外,國產(chǎn)軸流風機的本安度范圍從2K60、2K58至2K56顯然是逐漸地增加的。2K60是沈陽鼓風機廠80年代參考前蘇聯(lián)中央空氣動力研究所提供的通風機氣動略圖和特性曲線研制的用以替代落后的型軸流風機。當時的設計思想,效率是主要追求目標,因此該機型本安度范圍較小,An僅0.35～0.45(圖5,圖6)。繼2K60之后,沈陽鼓風機廠推出了2K58型軸流風機,高效和高效范圍都超過了2K60,本安度范圍有了明顯的增加,An為0.3～0.6(圖7、圖8)。90年代,沈陽鼓風機廠與東北工學院聯(lián)合研制的2K56系列軸流風機,把航空技術(shù)———如新翼型、機殼、附面層處理技術(shù)用于新機型設計,并在設計中融進了多目標優(yōu)化,氣動聲學與振動設計等創(chuàng)造性構(gòu)思,風機的本安度范圍也隨之增加,An達到0.35～0.65(圖9、圖10)?？梢姳景捕入m是本文初次提出,但國內(nèi)風機行業(yè)新產(chǎn)品研制已體現(xiàn)了對本安度的追求。GAF型軸流風機是上海鼓風機廠按照德國透平—通用技術(shù)有限公司(TLT)許可證協(xié)議生產(chǎn)的。該機型沒有固定的規(guī)格,通過改變?nèi)~輪直徑、轂比、葉輪級數(shù)和轉(zhuǎn)數(shù)的不同組合構(gòu)成風機系列。這種組合方式的弊端在于內(nèi)部流場狀態(tài)差,體現(xiàn)在性能曲線上駝峰區(qū)范圍比其它型寬,因此GAF系列軸流風機本安度范圍僅為0.25～0.40(圖1～4)。對通風機本安度曲線的分析也說明,在氣動和葉片造型時采取某些技術(shù)措施可以改內(nèi)部流場,增加本安度,但范圍是有限的,要達到完全消除駝峰區(qū),實現(xiàn)100%的本安度,必須在通風機整體結(jié)構(gòu)設計時考慮分離回流引導,增加穩(wěn)流環(huán)節(jié)。3各質(zhì)量、比、優(yōu)度確定的指標確定風機行業(yè)對通風機的經(jīng)濟性考核指標主要是該風機的最高效率(最高全壓效率或最高靜壓效率)和運行工況點效率。煤礦的實際運轉(zhuǎn)工況變化范圍很大,因此獲得較高的運行工況點效率除要求風機具有較高的最高效率外,還應具有較寬的高效范圍。風機的各項性能參數(shù)(風壓P、風量Q、功率N、效率η)中,受電機和風機各項損失計算的影響,效率是計算準確性最難保證的。各廠家性能所給定的最高效率和高效率范圍除測試和計算的客觀因素影響外,還受銷售心態(tài)的影響普遍偏高,相互比較的準確性和客觀性較差。本安度雖然是針對軸流風機性能駝峰區(qū)提出的本質(zhì)安全性指標,其經(jīng)濟性內(nèi)涵也同樣豐富和確定。表1表明了我國礦用軸流風機的最高效率、效率大于80%風量范圍比值和本安度范圍的一致性。由于前述原因ηst>0.8這一條件很難準確掌握,Qmax/Qmin的計算缺乏統(tǒng)一的基礎,因此一直未能作為一種考核指標確