高压水射流风机的研制与应用.doc

高压水射流风机的研制与应用郑光相 李德记（平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 467000） 摘要：在对水射流风机理论特性分析研究的基础上，研制出一种适合矿井特殊环境下使用的通风除尘风机，为采煤工作面上隅角瓦斯治理和掘进工作面除尘增加了一种新的途径和措施。 关键词：水射流；风机；除尘；瓦斯治理 1、概述煤矿井下由于存在瓦斯煤尘爆炸的安全隐患，对设备使用安全性要求很高。早期出现的水射流引射装置（水射流风机），因用水作动力，本身无机械运动部件，不会产生火花，被用于井下局部通风和除尘，但由于耗水量大或配套泵站庞大未能在井下推广应用。笔者在广泛调研的基础上，研制出了GSF型高压水射流风机。该风机用旋转射流代替原来的普通射流，提高能量转换效率，缩短风机长度；设计配套了一台小巧的高压小流量泵站，用高压小流量水源（大于10MPa）代替原来的低压大流量水源（小于4MPa）,大幅降低用水量，大幅降低用水量。该风机通过在多个矿井使用，效果良好。2、工作原理及理论特性2.1.结构特点该风机主要由集流器、引风器、风筒、泵站和高压胶管组成（见图1）。旋转雾化射流喷射组件用流线形支撑固定于引射器中央，射流缓慢扩散至端部时到达风筒边缘，以尽可能多地将射流能量传给风流。风筒由钢板卷制而成，每节1250mm，两端分别焊接一特制的快速连接装置。尾段风筒设有风水分离器，将部分水流分离引出风机。风机可由井下高压水源供水，也可由专用泵站供水。2.2工作原理高压水通过固定在引风器内的特制喷头形成旋转雾化射流，高速雾粒与空气的动量交换和高压水射流的卷吸作用带动气流前进，形成风流，在进风口处产生负压，把含有瓦斯或粉尘的空气吸入风机，从而达到通风或降尘的目的。图1 水射流风机结构原理在处理采煤工作面上隅角积聚瓦斯时，高压水射流风机利用高压水作动力形成引射风流，可将积聚在上隅角的瓦斯抽放或吹散到回风巷，使其与主风流混合，从而达到解决瓦斯积聚的目的。在掘进工作除尘时，高压水射流风机利用高压旋转雾化射流将含尘空气吸入到风筒内，高速雾粒与粉尘的密集碰撞、喷淋将粉尘截获随雾粒沉降，达到除尘的目的。图12.3.理论特性水射流风机的风量与供水压力间的关系称之为水射流风机的理论特性。假定高压水射流与风流能量交换时无能量损失，按能量守恒定律，输入给水射流风机功率应等于水射流风机输出的功率，即： 1000PQ0/60=hQ/60 (1)其中，P 为动力水源的水压，MPa；Q0为喷嘴出口流量， L/min；h为克服风筒中风流流动阻力而产生的风压，Pa；Q为风机产生的风量，m3/min。风流流动阻力： h=LUQ2/S3 (2)其中，为风筒的摩擦阻力系数，Ns2/m4；L为风机风筒全长，m；U为风筒过风断面周界（圆形Ud），m；S为风筒断面面积，m2。喷头出口流量与动力水源水压关系：Q0=kd2p1/2 (3) 其中，k为喷嘴流量系数，由实验确定；d为喷嘴直径，mm。将(2)、(3)式代入(1)式得： Q=10(kd2S3/LU)1/3.p1/2=A.p1/2 (4)式中，A=10(kd2S3/LU)1/3为风机结构参数。式(4)说明高压水射流风机的风量与供水压力的平方根成正比，与风机结构参数成正比，如图2所示（实线为A=0.5时的特性，虚线为A=0.75时的特性）。风机结构参数仅与风机几何尺寸有关，由风筒断面面积、风筒长度、喷嘴直径等决定。图2 水射流风机理论特性3、GSF-80型风机技术参数及实际特性3.1 技术参数（1）水射流风机参数： 额定风量： 80 m3/s 额定水压： 10 MPa 额定水量： 12 L/min 喷嘴直径： 1.5 mm 风机最小长度： 4.6 m 风筒直径： 320 mm（2）配套供水泵站参数： 额定压力： 10 MPa 最高压力： 15 MPa 额定流量： 15 L/min 电机功率： 4 kw 泵站重量： 75 kg3.2. 实际特性GSF-80的高压水射流风机实际特性如图4所示（实线喷嘴直径d=1.5mm；虚线喷嘴直径d=2.5mm)。图3 GSF-80水射流风机实际特性3.4 性能特点(1)利用高压水通过喷嘴形成的射流动力引射产生风量，风机本身无机械运动部件，没有产生火花的隐患。特别适合各种含有瓦斯及其他有害气体的环境通风除尘。(2)用水量仅相当一只转载点降尘喷嘴，井下使用可省掉水循环系统。(3)既可引射通风，又可除尘，除尘效率可达98%。(4)结构简单，安装、移动方便。(5)风量大小可调，改变水压即可调节风量。(6)在采面上隅角使用时，可直接由高压乳化液提供动力，不需配备泵站。 4、安装布置方式现场安装时，按图1所示的顺序连接集风器、引风器和风筒，将其用两根圆环链吊挂于顶梁上，用10mm的高压胶管连接泵站与引风器，用13mm的吸水管连接泵站与供水管路，用控制容量大于4kW的磁力启动器（自备）控制泵站的开停。掘进机使用时，可直接由掘进机控制箱联锁控制。风机引排上隅角瓦斯可采取三种布置方式：风机顺采面布置，出风口对准上隅角吹散瓦斯；风机顺回风巷布置，吸风口对准上隅角抽排瓦斯。吸风口可装一段骨架风筒，使排风口避开回风巷设备；风机顺回风巷布置，出风口对准上隅角吹散瓦斯。风机在掘进工作面除尘可采用两种布置方式：固定支撑在掘进机后端，吸风口位于掘进机司机顶部；风机与掘进工作面局扇组成长压短抽通风方式。5、应用情况及效果GSF型高压水射流风机在平煤集团、义煤集团和郑煤集团等多个矿井已推广使用40多台，获得了良好的使用效果，为煤矿采煤工作面上隅角瓦斯治理和掘进工作面除尘增添了一种新的途径和措施。义马某综放工作面，走向长度652m，倾斜长度127m，煤层厚度0.58.0m，平均厚度4.0m，倾角49。媒质松软，呈粉末状。由于煤层厚度变化较大，瓦斯涌出不均匀，最大绝对瓦斯涌出量5m3/min，上隅角瓦斯经常超限，为处理瓦斯常被迫停产。2004年7月5日将GSF型高压水射流风