轴流风机性能小雨量骆驼区的无驼化研究

轴流风机性能小雨量骆驼区的无驼化研究

主通风机是实现矿山安全生产、经济合理通风和灾害期间的风机配置的主要动力。该设备本身的安全直接影响到矿山的安全生产和救援工作。我国煤矿使用的离心和轴流两类主通风机性能都程度不同的存在着驼峰区域。从使用范围和驼峰程度两方面考虑,轴流风机超过离心风机。驼峰区域的存在不仅限制着通风机的工作范围,而且构成了通风机自身最严重的安全隐患。一方面,矿井通风有别于电厂、钢厂和隧道通风,通风管网阻力随开采工程的扩展而发生变化,很难单靠选型限制其永远工作在工业利用区内。特别是高风阻矿井,通风管理难度很大,运行工况点极易落入驼峰区,安全性差;另一方面,我国煤矿改扩建的比重很大,许多矿井不得不采用多风机联合工作这种不合理的通风方式,实际操作中又不重视工况点择对的人为调控,因而埋下了风机故障和欠风量瓦斯事故隐患,风机之一总是工作在驼峰区。风机的风量、风压和电流大幅度波动,噪声显著增加,还会伴生管道和通风机的强烈振动,严重时造成叶片撕裂,使通风机损坏。工程上称这种现象为“喘振”。矿井正常时期通风系统阻力的变化,通风机联合工作多值运行工况点择对的存在,热风压对矿井通风的影响等都对矿井通风机提出了“无驼峰”的性能要求。火灾时期火风压对矿井通风的影响更加复杂和强烈,维持风流流动状态及风向稳定性也对通风机提出了“无驼峰”的性能要求。作为“矿用轴流风机无驼化研究”*的重要内容,作者已在文献介绍了通风系统本安度设计思想,文献分析了轴流风机性能小风量驼峰区的形成机理,影响因素和性能参数失速响应特征。通风机叶型附面层分布规律和空间旋涡结构作者将另文论述。本文针对轴流式通风机驼峰区工作的不安全性和各种消驼方法的有效性提出轴流风机无驼化研究的本安度考核指标1全风力比的确定通风机自身的不安全隐患在于小风量驼峰区的存在。因此,定义其性能曲线上效率大于60%的非驼峰区宽度与其全风量范围的比值为本安度;Q60Qk———通风机性能峰点风量,/s;Q60———通风机性能工业利用区右边界风量,/s。2风机本安度曲线本安度An可在0～100%范围取值,本安度100%对应着无驼峰性能的实现。因此本安度既是通风机性能本质安全性的评价指标,又是无驼峰轴流风机的设计指标。通风机性能曲线的形态随着叶片安装角θr的改变而变化,通风机性能曲线峰点的风量Qk与叶片安装角存在着一一对应关系,相同机型不同叶片安装角的工作条件下,风机的本安度是不同的,因此可以用本安度An随叶片安装角θr的变化曲线衡量风机自身的安全性。本安度对通风机性能本质安全性的描述是客观确定的。不同机型的风机有不同的本安度取值范围和变化规律。我国常用的GAF、2K60、2K56、2K58等机型的本安度曲线如图1～10所示。对比各种机型的本安度曲线,除GAF属于引进风机技术外,国产轴流风机的本安度范围从2K60、2K58至2K56显然是逐渐地增加的。2K60是沈阳鼓风机厂80年代参考前苏联中央空气动力研究所提供的通风机气动略图和特性曲线研制的用以替代落后的型轴流风机。当时的设计思想,效率是主要追求目标,因此该机型本安度范围较小,An仅0.35～0.45(图5,图6)。继2K60之后,沈阳鼓风机厂推出了2K58型轴流风机,高效和高效范围都超过了2K60,本安度范围有了明显的增加,An为0.3～0.6(图7、图8)。90年代,沈阳鼓风机厂与东北工学院联合研制的2K56系列轴流风机,把航空技术———如新翼型、机壳、附面层处理技术用于新机型设计,并在设计中融进了多目标优化,气动声学与振动设计等创造性构思,风机的本安度范围也随之增加,An达到0.35～0.65(图9、图10)。可见本安度虽是本文初次提出,但国内风机行业新产品研制已体现了对本安度的追求。GAF型轴流风机是上海鼓风机厂按照德国透平—通用技术有限公司(TLT)许可证协议生产的。该机型没有固定的规格,通过改变叶轮直径、毂比、叶轮级数和转数的不同组合构成风机系列。这种组合方式的弊端在于内部流场状态差,体现在性能曲线上驼峰区范围比其它型宽,因此GAF系列轴流风机本安度范围仅为0.25～0.40(图1～4)。对通风机本安度曲线的分析也说明,在气动和叶片造型时采取某些技术措施可以改内部流场,增加本安度,但范围是有限的,要达到完全消除驼峰区,实现100%的本安度,必须在通风机整体结构设计时考虑分离回流引导,增加稳流环节。3各质量、比、优度确定的指标确定风机行业对通风机的经济性考核指标主要是该风机的最高效率(最高全压效率或最高静压效率)和运行工况点效率。煤矿的实际运转工况变化范围很大,因此获得较高的运行工况点效率除要求风机具有较高的最高效率外,还应具有较宽的高效范围。风机的各项性能参数(风压P、风量Q、功率N、效率η)中,受电机和风机各项损失计算的影响,效率是计算准确性最难保证的。各厂家性能所给定的最高效率和高效率范围除测试和计算的客观因素影响外,还受销售心态的影响普遍偏高,相互比较的准确性和客观性较差。本安度虽然是针对轴流风机性能驼峰区提出的本质安全性指标,其经济性内涵也同样丰富和确定。表1表明了我国矿用轴流风机的最高效率、效率大于80%风量范围比值和本安度范围的一致性。由于前述原因ηst>0.8这一条件很难准确掌握,Qmax/Qmin的计算缺乏统一的基础,因此一直未能作为一种考核指标确