轴流式风机的技术改造及应用.docx

轴流式风机的技术改造及应用来源：焦作工学院学报 李玉娟房振旭时间：2005-10-24 摘要阐述了轴流式通风机改造的必要性介绍了采用三元流动理论对叶片进行重新设计、应用计算机模拟技术对动叶进行模态分析试验及对高效区分布特性的研究转移了高效区的位置等措施，对风机进行了改造并经运行实践证明，风机改造后效率提高、噪声降低、运行安全关键词轴流式通风机技术改造应用中图法分类号TD4412The Innovation of Axial Flow Fans and Its ApplicationLi YujuanFang Zhenxu（Jiaozuo Coal Mine Bureau，Jiaozuo 454002）（Henan Zhongzhou GroupCoLtd）AbstractThis paper expounded that the innovation of axial flow fans is necessaryIt introduces a series of methods about the innovation of axial flow fans that the theroy of three?component mobile has been used to desgin the vane，the technology of analogue computer has been used to do the model experiment of movable?vanes，the characteristic of efficient distribution are studied to change the place of the efficiencyIts working performances showed that the efficiency of the fan is increased while the noisy is decreasedKeywordsaxial flow fans；innovation；application0引言矿井主扇风机是矿井通风的重要设备，也是耗电大户，如何用有效的方法使风机安全、经济运行是一个很重要的课题焦作矿务局近几年来和山东矿业学院合作在对旧风机的技术改造上进行了一系列尝试，取得了较明显的效果1风机技术改造的必要性我局现有2K60系列风机7台，其中1台为加长改造型，用于朱村矿东风井2K60系列风机是由沈阳鼓风机厂生产的，经运行实践证明，该型风机在设计和制造工艺上均存在一些问题我局使用该型风机的三个矿，都发生过事故朱村东风井用该型风机曾发生过两次风叶断裂，八次叶片损坏中马矿北风井用该型风机也曾发生过导叶错位的现象1994年底，这种型号的风机在叶片安装角为35运行时，振动明显加大，效率明显降低，为确保安全，上级下文规定不允许叶片安装角大于30从以上情况分析，2K60系列风机在运行中存在下列问题：（1）动静叶片数相等，违背了互为质数的风机设计基本原则，引起谐振（2）动叶片的固有频率与气流的激振频率相重合或是固有频率的整数倍时，动叶片在运行中处于共振状态，使振动加剧对叶片叶柄的动力强度有很大影响，从而导致动叶片疲劳断裂（3）动静叶片的轴向间隙和轴向距离小，气流流经叶栅时，由于粘性的作用，在叶片的表面上形成附面层，从而在叶片的尾部形成尾迹，因此风机每一排叶栅尾部都存在着气流压力、速度沿圆周方向剧烈的周期性变化，这种叶栅尾迹气流的不均匀性随着流动距离的增加而减弱因此叶栅理论要求，风叶的弦长b，轴向间隙应满足下列关系：（02505）b2K60系列风机的轴向间隙均小于上述数值，如2K60-24轴向间隙应为93614976mm，而实际上只有4128mm，这导致后排叶栅在前排叶栅的不均匀尾迹区内工作不均匀尾迹区内实质有一个周期性的干扰力，因此轴向间隙偏小等于增大了激振力的强度，加速了叶片破坏过程（4）叶片根部有清根现象，造成应力集中（5）中导叶可调，运行中易发生错位2K60系列风机存在的这些问题，特别在大角度运行时，表现的更为充分，给煤矿安全生产带来严重威胁另外，风机的高效运行区域与我局部分矿井通风网络特性不相匹配，致使风机在低效区运行，没有起到应有的节约电能的目的其次，我局正在使用的2BY、70B2型风机是50年代仿苏产品，已属淘汰产品这种风机效率低、噪声污染严重，若不进行改造将造成重大的能源浪费从安全和节能两方面考虑，对该型风机进行改造是十分必要的2技术改造的主要内容针对2K60系列风机存在的主要问题，我局和山东矿业学院合作，首先对九里山矿东风井两台2K60-424型风机进行改造用新设计制造的动叶片和中导叶取代原风机的动叶片和中导叶，其它部位未做改动风机改造时采取了如下主要技术措施：（1）设计新风叶时对高效区的分布特性进行了研究轴流风机的主要结构参数有叶轮外径、轮毂比、叶片数以及风叶级数，这些参数和风机转数在一定程度上决定着风机最高效率的数值及高效区域在HstQ（静压风量）坐标图上的位置研究结果表明，当叶栅结构参数不同时，2K60风机的高效区位于某一抛物线上若2K60风机的实际运行工况点偏离最高效率点，则在上述抛物线上选择一个与实际工况最接近的点作为设计工况，对动叶进行气动设计用上述过程可将2K60风机的高效区从原来位置移到所需位置，从而使风机高效区特性与通风网络特性相吻合（2）气动设计采用了三元流动计算方法通风机效率不仅是衡量风机能量转化有效性的尺度，同时也是反应风机声学性能的标志，提高通风机效率是有效抑制风机噪声的一种主动措施理论与实践均已证明，风机内部气体的流动在本质上都是三元的，即在风机内部的实际流场中，所有气流参数都是空间坐标系上三个方向的变量的函数首先，根据能量方程与连续性方程，气流沿轴向必有显著变化；其次，由于有机械功的输入，气流在工作叶片通道内的压力面（凹面）与吸力面（凸面）之间必然形成压力差，从而使气流参数在周向呈现显著的周期性变化；最后，由于转子周向速度沿叶高的变化和气体沿径向的完全平衡，气流参数沿半径也必有变化这种三元特性是实际气体最主要的流动特征之一为了使通风机获得优良的空气动力性能，设计时采用了先进的叶轮机械三元流动设计理论对叶栅进行了气动力计算，采用该方法可使叶栅内气流流动更趋合理，从而减少涡流和冲击损失，提高效率并降低噪声在对叶栅进行三元流动计算之前，首先根据已有的风机设计经验和实验资料初步给定叶栅流道的大致形状，为了简化设计计算特做如下基本假设：假设叶轮在定转数下运行时，动叶栅内的相对流动和静叶栅内的绝对流动是稳定的假设风机内部气体的流动是一个绝热过程由于风机的压头不是太高，假设气体是不可压缩的在额定工况下动静叶栅上气体流动的边界不会发生明显的分离，叶栅内的流场可分为无粘性的势流区和有粘性的附面层，本课题仅对势流区进行研究，可假设气体是理想的在上述假设条件下，从理想气体三元流动的基本方程组出发，就可得到基本方程组的简化形式连续性方程运动方程能量方程理想气体状态方程PRT在求解以上方程组的过程中，应用了两类相对流面理论，将S1流面作为任意回转面，S2流面作为叶栅中两相邻叶片的中位面，这样就将一个三元流动问题转化为S1、S2流面上一个二元流动迭代求解的问题为了求解两类相对流面的气动方程组首先沿叶片高度方向取若干个（所取个数根据计算精度要求确定）从叶片到叶片的S1流面（假设为任意回转面）和一个中心S2流面，并根据计算精度要求在所有S1流面和S2流面上划分计算网络（S2流面的准正交线取在无叶间隙内）再根据给定的边界条件，利用流面曲率法将以流线曲率和斜率为变量的沿任定准正交线方面的速度梯度常微分方程，根据给定的初始速度，横跨流道进行积分，积分常数由总流量方程确定，这样便可计算出网格点上的速度分布，并得新的流线形状，如此反复迭代，当选择适当的松驰因子时，便可使迭代收敛，并达到所需要的精度设计新风叶时进行了动叶片的模态分析试验设计新风叶时采用了先进的试验方法，即用现代模态分析试验和计算机模拟技术对风机动叶进行了结构动力试验，以便求得其模态固有频率及模态振型在试验中，数据的采集及数据的处理均由微型计算机完成预先将要试验的动叶结构输入微机，经微机处理后可在屏幕上描绘出动叶片在各阶固有频率下的振动状况，从而判断出动叶片的危险部位试验布置如图1所示图1试验装置布置示意Fig1The sheme of theexperimental equipment设计时，分别对2K60风机原动叶和新研制的动叶片进行了模态分析试验原2K60-21-24型动叶片的试验结果计算机模拟情况见图2，新型动叶片的模态分析试验结果见图3图22K60-24旧风叶模态试验结果Fig2The result of model experiment of the old vanes 2K60-242K60风机激振力频率分布范围如表1：表12K60-24型风机激振力频率范围Tab1The frequency scope of the movable?vane2K60-24 vibrational force序号124524号风机735rpm激振力频率HZ049161182291394473556将图2中所标叶片固有频率与表1中气流的激振频率相比较，当24号风机转数为735rpm时，叶片的1、4、7阶固有频率分别在激振频率的第1、4、5范围内，因此，动叶将在运行中产生共振可见微机给出的试验结果与原风机的实验破坏状况完全吻合将图3所标叶片固有频率与表1比较可知，新风叶的固有频率不在激振频率范围内 图32K60新风叶模态试验结果Fig3The result of model experiment of the new vanes 2K60-24（4）新风叶的弦长b减小，使动静叶片之间轴向间隙也相应增大，减小了激振力的强度（5）中导叶采用直接焊在风机轮毂和外壳之间的不可调固定结构，消除了导叶错位的隐患（6）改变中导叶数量，由14片改为17片，使其与动叶互为质数，消除了谐振3改造前后性能对比及经济效益分析（1）改造前后性能对比以1号机为例，改造前后风机的各项性能参数比较如表2由表2中的数据可知，九里山矿东风井改造后，设备静压效率提高181，单台风机工序能耗降低0115KWhMm3.Pa改造后风机节能效果显著改造后，风机与原风机相比，噪声有明显下降，有利于改善环境及延长设备寿命改造后电机振动烈度未超出JBTQ334-84通风机振动精度所规定的数值（小于63），处于良好状态改造后风机安装角度为275，略大于原风机35时的风量负压，说明风机改造后，能力提高，有较大的富裕量来满足以后随着生产地区的延伸所需风量负压，并且能在45以下安全运行，原煤产量不再受限（2）经济效益分析根据测试数据计算其年节电量（因同型号风机一备一用，故按一台风机运行一年计算年节电量）：表2改造前后1号风机性能参数对比Tab2The comparasion of the No1 fan characteristicparameters before and after innovation项目改造前改造后风叶安装角（）35275风机装置静压Pa236 52562风机装置风量（m3.s1）912949风机轴功率kN3523072风机装置静压效率0610792风机设备静压Pa23052502风机设备风量（m3.s1）885922电机输入功率kN378330风机设备设备静压效率054070围墙外噪声dB（A）9588扩散器检查处噪声dB（A）9586电机振动烈度2328工序能耗kWh.（Mm3.Pa）105040389W（E1E2）HQT（05040389）2562949365243600106836 609（kWh）E1、E2分别为改前改后单台风机工序能耗，kWhMm3.Pa；H改造后风机设备负压，Pa；Q改造后风机设备风量，m3s年节约电费为：（按平均电价034元kWh）A034W034836 609284 447（元）2844（万元）（2）投资回收期两台风机共投资172万元，正常运行1台，投资回收期为172284406（a）726（月）由此可见，九里山矿7个多月即可收回投资，经济效益是可观的 4推广应用效果九里山矿东风井2台2K60型风机经改造后，运行平稳，1号机现运行18个月，2号机运行13个月，没出现任何异常现象风机改造后，消除了原风机存在的缺陷，可保证风机安全运行，改造后效率有明显提高，节约了电能，各项性能指标均达到协议所规定的要求，达到了改造的目的九里山矿改造2台后，又在中马矿、朱村矿进行了推广，中马矿改造了1台2K60型风机，朱村矿改造了1台2BY型风机，均取得了较好的效果中马矿风机改造后，解决了风机大角度运行时的安全问题，效率提高了125，年节电9775万元朱村矿风机改造后，扭转了原来的高能耗、低效率、噪声污染严重的局面，使效率提高94，单耗降低0735kWhMm3.Pa年节电275 940kWh，节约电费938万元，噪声降低65dB（A）今年我们还将在韩王矿、朱村等矿继续推广，必将创造更大的经济效益和社会效益5结论（1）风机经改造后，运行平稳，没出现任何异常现象说明应用先进的模态分析试验手段研究动叶片的结构动力特性，使之与激振频率相错开从而消除共振，改变