矿用轴流式通风机工作原理和应用现状

1矿用轴流式通风机工作原理和应用现状矿用风机作为矿山安全生产的主要技术装备，是矿井通风系统的重要组成部分，是矿井安全生产和灾害防治的基础。矿用风机产品质量的优劣，运行安全稳定与否，检测和调节、控制方法是否可信可靠，都至关重要。2.1轴流式通风机工作原理轴流式通风机（下图）主要部件有叶轮3、5，导叶2、4、6，机壳10，主轴8等。叶轮由叶片和轮毂组成，叶片断面成机翼型，并以一定的安装角装在轮毂上。当叶轮由主轴拖动旋转时，叶轮流道中的气体受到叶片的作用而增加能量，经固定的各导叶校正流动方向后，以接近轴向的方向通过扩散器7排出。1-集流器;2-前导叶;3-第一级叶轮;4-中导叶;5-第二级叶轮;6-后导叶;7-扩散器;8-主轴;9疏流器;10-外壳图2.1轴流式通风机示意图2.2主扇发展应用基本情况20世纪50年代初至70年代末，我国矿山使用的矿井轴流主扇几乎都是仿制苏联BY型的ZBY、70B和K70等型风机(统称为70B2型)。风量范围7~160m3/s，静压范围400~5900Pa。这类通风机是根据原苏联的煤矿通风网路参数设计的高风压、中小风量型主扇，最高静压效率仅有70%左右。在20世纪70年代沈阳鼓风机厂研制出了62A型单级主扇，其全压、风量参数基本上适合我国的矿井通风网路。但因其本机效率未达到设计要求，相差甚远，没有进一步改进和完善就停止生产了。在此基础上于20世纪80年代，该厂参考原苏联中央流体动力研究所提供的通风机气动略图和特性曲线，又研制推出了2K60型轴流式通风机，风量范围为20~400m3/s，静压范围为2000~5000Pa，最高静压效率为80%左右。比70B2型风机约提高10%。全压效率在80%以上的风范围量比值为1.8，静压范围比值为1.43。可逆转反风，反风率在60%以上。2K60和2K58型矿井通风机在煤矿比较受欢迎，20世纪80年代在煤矿和少量金属矿山中共推广应用了500台左右。但在运行了几年后，随着叶片安装角度的提高达到25度以上，第II级叶轮开始出现叶片撕裂和叶2柄折断等质量事故，较为严重的是在平顶山矿物局七矿，几天之内两台主扇连续发生这种事故。据不完全统计，仅在1985至1990年间，原中国统配煤矿总公司就有26个矿58台主扇风机出现过设计与制造质量问题。这不仅影响了矿山的正常生产，造成较大的经济损失，而且还严重威胁井下矿工的生命安全和矿井安全。通过对事故调查分析，认为通风机在设计和制造工艺方面有诸多不足之处。沈阳鼓风机厂生产的改进型2K60和沈阳风机厂生产的改进型2K58主通风机，经工业性运转试验达到要求后，使我国常规型号的矿井主通风机的安全可靠性有了较大程度的提高。随着矿井通风技术的发展和矿用风机技术的不断进步，许多风机厂家都在致力于开发新型高效节能风机。经过近20多年来的努力，我国矿用主扇的形式发生了较大的变化，到1995年底，相继研制出了BDK、BK、2K56、GAF和KZS等新型煤矿用主扇。BDK65系列大型防爆主扇的风量范围18~420m3/s，静压范围l000~4500Pa，最高装置静压效率达86%；BK54系列中、小型防爆主扇的风量范围4~210m3/s，静压范围300~2000Pa，最高装置静压效率达84.2%。具有叶轮防爆、防爆电机密闭散热、特性曲线无驼峰、高效区域宽广、叶轮直接反转反风且反风率在62%以上等突出特点。1997年在BDK65和BK54系列主扇的基础上，推出了BDK62和BK56系列侧移式、轴移式和固定式煤矿防爆轴流主通风机专利产品，2002年又推出TFBDCZ和FBCZ系列侧移式、轴移式和固定式煤矿防爆轴流主通风机产品，性能范围和机号范围与BDK65和BK54系列主扇基本相同，但主扇叶片的加工成型精度有了大幅度的提高，使叶片的扭曲角误差控制在士0.5度以内。FBDCZ系列主扇的静压效率高达88%，FBCZ系列小型主扇的静压效率高达86%。FBDCZ和FBCZ系列侧移式煤矿防爆轴流主通风机产品，两台主机并联在1台可侧向往返移动的平板车上，两台主机可在5min以内实现相互更换，共用1条总回风道和1套风机的集流器、扩散器和扩散塔，取消了分风岔道的局部阻力损失(5%~8%)和两付风闸门的漏风损失(13%~18%)，二项损失合计高达18%~26%，节能效果显著。沈阳鼓风机厂与东北大学合作开发的2K56系列矿井轴流主扇，适合中压大风量的要求。其装置静压效率为85.3%，高效区域宽广，静压效率在80%以上的风量范围比值为2.57，静压范围比值为2.64。该机仍采用长轴传动，可逆转反风，反风率为60%以上。上海鼓风机厂和德国TLT(TuiboLufttechnik)公司合作研制的GAF型矿井轴流主通风机，风量范围为30~1800m3/s。风压范围为300~8000Pa，最高全压效率为88%。全压效率在80%以上的风量范围比值为2.24，风压范围比值为1.63。风机性能的调节方式有液压动叶可调和机械式动叶可调两种，扩散塔安装型式有卧式和立式两种，立式安装于地面时，风机卧式采用长轴传动，且长传动轴从立式扩散塔端伸出。吉林市鼓风机厂生产的KZS型矿井轴流主扇是仿原苏联的产品，经改进后最高装置静压效率为84%，采用长轴传动，可逆转反风。该机突出的优点是叶片强度高、安全可靠、动叶安装拆卸方便、中和后导叶可在风机运转中通过电控无级调角，可获得不同动叶角度下最佳导叶匹配角度的最佳节能效果，是一种效率高、安全性好的主扇风机。32.3局部通风机发展概况煤矿将局扇用于采掘工作面或局部通风有困难的地方,20世纪80年代前，在我国煤矿主要采用№4,№5,№6的单级和双级高压(俗称普通)轴流式通风机。20世纪90年代，我国的新型局部通风机有了长足的发展，矿用局部通风机几乎全部采用双级或三级高压对旋和双级高压轴流风机,其功率达264kW,压力8000多Pa,风量1000m3/min。在压入式掘进通风作业中推广了对旋局部通风机；在瓦斯排放和掘进除尘方面又出现了新型抽出式局部通风机和多功能局部通风机；在风机材质方面采用了无摩擦火花和安全摩擦火花材料；在驱动方面，除了传统的防爆电动机外，还采用了气马达；所有新型风机都设计了各种形式的消声结构。2.3.1FD系列对旋式局部通风机1、对旋式风机的工作原理对旋式局部通风机是由两个防爆电机驱动两个旋向相反的叶轮，串联组成。一般不设置导叶。空气流入第一级叶轮获得能量后，并经第二级叶轮排出，第二级叶轮兼备着普通轴流式通风机中静叶栅的功能，在获得整直圆周方向速度分量的同时，并加给气流能量，从而达到普通轴流式通风机不能达到的高效率、高风压。由于是叶栅I和II等速相反转动，空气经过两级叶栅后得到了较高能量，即在同样轴向进、排气条件和同样叶列数的情况下，对旋式局部通风机可以比普通局部通风机提高6%~8%的作功能力。2、FD系列对旋式局部通风机的主要特点FD系列对旋式局部通风机是我国研制较早，推广应用比较广泛的一种大功率局部通风机，它具有以下特点：1)该系列风机第一级和第二级两个贴得很近，风叶采用扭曲的圆弧钢板叶片。叶轮材质为软钢；2)该系列风机属于无导叶轴流式通风机和采用外包复式单孔空腔共振吸声结构消声器组合体，具有较低的噪声；3）该系列风机在工作面范围区域和最高效率下的流量系数变化不大，而压力系数变化却不小，即P-Q性能曲线较普通轴流式通风机陡，故非常适合掘进工作面定风量控制，即压力增加较大，而风量变化较小。因此，只要风筒接头质量好，漏风率在规定值内，当双级运行时，FD-1NNo6型对旋风机在10~20m2掘进断面的送风距离可达2000m以上；FD-1No5型风机在6~8m2掘进断面可达1500m.。4）系该系列风机效率提高，满载时为80%左右，高出JBT系列风机8~10个百分点。2.3.2新型抽出式局部通风机1、原理、结构及分类煤矿用抽出式局部通风机除需具有一般局部通风机的性能外，还需满足防止产生摩擦火花和电动机不直接与抽出的乏风相接触等要求。当前，世界上可作煤矿压抽式的电动局部通风机有两种，即以英国B型风机为代表的流道分叉式和以波兰WLE-B型为代表的电动机隔离密闭腔式。我国煤矿抽出式局部通风机是在研究了上述两种代表型风机利弊的基础4上，结合我国的具体情况研制而成。大体上可分为两大类。2、无摩擦火花型动叶片或叶轮采用阻燃、抗静电的工程塑料注塑成型。因工程塑料为热塑性材料，熔融温度200~300，不会产生高温粉屑，所以不产生摩擦火花。3、安全摩擦火花型动叶铜合金，轮毂用软钢制成；或者叶轮外的机壳内壁镶铜环，叶轮用软钢制成。因软钢与铜产生的摩擦火花能量不足以点燃沼气，故称之为安全摩擦火花。上述每一类型风机又可分为电动机驱动和气动马达驱动，而电动机驱动又可分为外电机（流道分叉式）和内置电机（密封腔式）。2.3.3无摩擦火花型抽出式局部通风机1、FSD-2X18.5型塑料叶轮抽出式局部通风机为了使风机能在高瓦斯涌出的长距离巷道条件下做抽出式运转，同时还要保证高效低噪，采用了内置式电机和对旋式气动原理。流道中的电机用特殊密闭腔与乏风隔开；风机叶轮采用阻燃抗静电塑料以防止产生摩擦火花；外壳采用消音结构。风机由下述五部分组成：具有阻燃、抗静电（内添加型）工程塑料叶片的叶轮一对；2台YBFd160L-2型防爆电机；2套隔离密封腔将风机流道与电机隔离；带消音结构的扩散器和进气罩各一个；带消音结构的风机外壳2套。叶轮由单片塑料叶片和轮毂组装而成。叶片由模具注塑制成单件，组装时，先将叶片镶嵌在钢制轮毂上，然后且螺栓紧固起来，两端面用铜皮覆盖。该风机适用于长距离高瓦斯巷道掘进时作压抽式通风，适用于走向长、隅角瓦斯涌出量大的回采工作面处理隅角瓦斯；可作除尘风机。2、FSWZ-11B型塑料叶轮外电机抽出式局部通风机该风机在普通风机气动原理基础上采用了英国B型风机的流道分叉式结构，使电机置于风机流道之外；又采用了波兰WLE-B型风机的塑料叶轮防摩擦火花方式。塑料叶轮由单件叶片和轮毂组装而成。叶片和轮毂由模具注塑成单件，组装时将叶片镶嵌在轮毂上，用专门的粘结剂粘结而成。该风机适用于煤矿井下含爆炸性物质（瓦斯和煤尘）环境作抽出式局部通风，可以抽排井下局部积聚瓦斯，也可与除尘装备联合使用排除工作面粉尘。3、SQF-5和SQF-3/6型塑料叶轮气动风机该风机是在普通风机和对旋风机的气动原理基础上，采用全塑叶轮以防止摩擦火花；采用气动马达代替电动机驱动，以防止电火花，成为真正的无火花风机，风机还可以进行无级调速，使风量可以任意改变。SQF-5型风机是单级塑料叶轮加单台叶片气马达构成。SQF-3/6型风机是两级塑料叶轮加两台叶片式马达构成对旋式风机。该风机是无火花型，适用于其他各类电动风机无法使用的高浓度瓦斯环境，特别是适合在风流瓦斯有时超限的回采工作面处理隅角瓦斯和巷道复工时的瓦斯排放。2.3.4脉动通风技术治理上隅角瓦斯积聚脉动通风技术就是利用风流的紊流扩散系数与风流脉动特性相关的理论，5研制的一套技术可靠、经济合理且实用的脉动风机。在正常通风风流中叠加脉动风流，从而增加风流的紊流扩散系数，提高风流驱散局部积聚瓦斯的能力，从根本上解决回采工作面上隅角瓦斯积聚问题。针对脉动通风机运行环境的特殊安全要求，在其动力方面考虑采用气压或液压作为动力源。由于综采工作面都有配套的乳化液泵站，因此对于综采工作面确定采用高压乳化液作为动力源，这样也可简化通风机的动力系统。在叶轮材质方面，选用具有抗静电和阻燃性能的高强度工程塑料。脉动风流的产生是因为风机体旋转，在风机体周围获得脉动风流。脉动通风机主要由以下部分组成：(1)液压动力源；(2)执行元件（液压马达）；(3)控制元件（包括各种压力、流量、方向控制阀及其他各种控制元件）；(4)辅助装置（滤油器及冷却器、压力表及管道、管接头等）。该通风机主要特性：(1)乳化液动力源和抗静电和阻燃工程塑料叶轮，具有可靠的无火花防爆性能，可在有矿井瓦斯或可燃气体爆炸危险的通风工程中使用；(2)液压马达驱动叶轮和机体，产生双旋转脉动射流，不仅有效射程长，冲淡瓦斯的扩散系数高，而且