地鐵風機反風方法及裝置

1、地鐵風機反風方法及裝置申振華 李 蕾/沈陽航空工業(yè)學院摘要：分析了地鐵風機的工作特點及傳統(tǒng)反風技術(shù)的缺陷，結(jié)合地鐵風機的結(jié)構(gòu)特征提出了從結(jié)構(gòu)設計入手解決反風問題的方法，并給出了相應的結(jié)構(gòu)方案，從而使得地鐵風機在正、反風時都可在最佳效率狀態(tài)下工作，節(jié)能效果顯著；該裝置操作簡便，結(jié)構(gòu)緊湊、合理，占地面積小，特別適用于城市地鐵建設，也適用于礦井等需要反風的場合。關鍵詞：軸流式通風機 地鐵風機 可逆風機 反風 節(jié)能中圖分類號：TH432.1 文獻標識碼：B文章編號：1006-8155（2006）01-0036-04Inverting Flow Method and Devices for Metro

2、FanAbstract: Operating characteristics of Metro fans and defects of traditional inverting flow methods and analyzed, a new inverting flow method in terms of structure design is proposed with its proposed with its characteristics considered, and a corresponding structure arrangement is given, so that

3、 the fan can be operated in the high efficiency under positive normal or reversible flow conditions, energy-saving effect is remarkable, The device is easy to operate, compact and reasonable in structure, small in occupation area and suitable especially to city metro and also suitable to mine indust

4、ry.Key words: Axial fan Metro Reversible fan Inverting flow Energy-saving1 引言在地鐵通風系統(tǒng)中，有的夏天需要將外面的新鮮空氣引入地下通道，而在冬天則需要風機反向送風，也稱“反風”，將通道中的污濁空氣排放到外面，一年之中風機需要兩次換向工作；還有的要求隔天一次的頻繁換向；特別在緊急情況下，例如發(fā)生火災或毒氣時的應急反風，這就需要一種“可逆風機”。國際通用慣例及國家標準都對風機規(guī)定了反風時的風量和效率，同時還有反風操作時間，一般要求其反風工作時的風量是正向時的60%80% ，而反風動作應在10min內(nèi)完成。迄今為止，幾乎所

5、有地鐵風機的反風都是通過將風機轉(zhuǎn)子逆向旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，而風機動葉及靜葉又彎又扭的特殊造型和結(jié)構(gòu)，決定了它只能在正向時高效率工作，風機的逆向旋轉(zhuǎn)工作恰恰是其最不利的工作狀態(tài)，它會使風機的風量下降，風壓降低，風機效率也很低。為了解決這個矛盾，不得不犧牲正向工作時的高效率，將葉型改成“對稱翼型”，這就使風機常年在低效率下工作，造成了電力的極大浪費；有的還研究了各種動、靜葉的配置結(jié)構(gòu)。近年來出現(xiàn)了一種“S型”葉型的風機, 風機的反風性能有所提高，但由于風機葉型偏離機翼翼型太多，風機正向效率不高也就很自然的了。因此，既要堅持通過反轉(zhuǎn)實現(xiàn)反風，又要從氣動設計方面入手。那么,試圖設計一種新翼型來兼得正、反風同

6、樣的高效工作，這無疑是走進了死胡同。既然單純氣動的路子走不通，就不妨換個思路，從結(jié)構(gòu)設計入手又會怎樣？本文就此作了一次嘗試。2 技術(shù)方案地鐵風機的一個基本要求是結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。從結(jié)構(gòu)上解決風機反風的問題有兩種方法。2.1 旋轉(zhuǎn)葉片法如果將風機的動葉和靜葉分別旋轉(zhuǎn)約180º，則可以實現(xiàn)較高效率的反風。只不過此時的動葉位于靜葉的下風向，其效率要低于正風效率，而且風機葉片在葉根處的稠度（即實度）較大，葉片的旋轉(zhuǎn)會造成相鄰葉片間的干涉，因此不得不每隔一個葉片分兩組進行旋轉(zhuǎn)，這樣才能完成反風動作。所以這種反風方法結(jié)構(gòu)復雜，不容易實施。2.2 風機整體旋轉(zhuǎn)法仔細分析地鐵風機的具體結(jié)構(gòu)是十分

7、有益的。地鐵風機一般都是水平安置的，且都是單級的（一級動葉加一級靜葉）電機內(nèi)置。因此，其軸向長度很短，與其直徑差不多，有的比直徑還小。 這樣，就提供了一個契機：當需要反風時，只需將地鐵風機整機（包括轉(zhuǎn)子、機殼和電機）原地繞垂直于其旋轉(zhuǎn)軸線的縱向?qū)ΨQ軸旋轉(zhuǎn)180°即可完成反風。這種操作并不需要額外的通道空間，且能保證風機在正向和反風時工作狀態(tài)完全相同，因此也同樣具有高性能。3 風機反風裝置總體結(jié)構(gòu)的設計及工作原理整個風機系統(tǒng)分成三部分：A部分軸流風機；B部分風機換向機構(gòu)；C部分(包括C1、C2)風筒移動機構(gòu)，如圖1所示。風機正向工作時，氣流如圖中實線箭頭方向所示。當需要反風時，通過預先

8、設置的一系列程序指令執(zhí)行反風動作：首先執(zhí)行停機指令，然后通過控制裝置將風筒移動機構(gòu)C1、C2與風機沿軸向分開，并各自沿軸向向兩側(cè)移動預定的一小段距離，再由風機換向機構(gòu)將風機繞垂直于其軸線的縱向?qū)ΨQ軸旋轉(zhuǎn)180°，最后再通過控制裝置使風筒移動機構(gòu)C1、C2回移復位，并完成與風機的對接，使二者快速牢固連接，從而完成了反風動作；按下啟動按鈕，風向立即改變，如圖中虛線箭頭所示。1. 固定風筒 2.軟連接風筒 3.活動通風筒 4.軸流風機 5.作動筒 6.密封環(huán) 7.風機換向驅(qū)動裝置 8.風機換向旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 9 .旋轉(zhuǎn)滾動系統(tǒng)圖1 風機反風裝置結(jié)構(gòu) 風機反風裝置總體結(jié)構(gòu)的三維圖象如圖2所示，其風

9、機換向驅(qū)動裝置為垂直布局方案。 圖2 風機反風裝置的三維圖象4 風機反風裝置的部件結(jié)構(gòu)設計 考慮到反風動作必須在10min內(nèi)完成的要求，該反風裝置各部件設計則要求各個分解動作必須能夠在最短的時間內(nèi)完成。4.1 軸流通風機設計高性能的軸流通風機設計是實現(xiàn)高效率反風的基礎。原則上，本技術(shù)可以在任何軸流通風機上實施，它可以保證風機的反風性能與正風性能相同。用航空技術(shù)設計的軸流通風機效率可達85%以上。由于本技術(shù)的關鍵在于風機需繞其縱向?qū)ΨQ軸旋轉(zhuǎn)180°，因此與通常的風機不同，其機殼的兩端不能與其前后通風道的風筒固定聯(lián)接，而必須是能夠密封的活動聯(lián)接；最簡單的是采取端面密封的端面對接。而為了保

10、證橡膠密封圈的密封效果，必須得為其提供足夠的壓緊力，這種力可由作動筒靠氣動或液壓提供，但是作動筒由于長期處于工作狀態(tài)會導致漏氣或漏油。因此，可考慮采用預先設定的彈簧力壓緊密封環(huán)來保證密封，而作動筒僅在需要移動活動通風筒時才使用。4.2 風筒移動機構(gòu) 由前面的分析可知，風機繞其縱向?qū)ΨQ軸旋轉(zhuǎn)180°，實現(xiàn)反風而無需額外的空間是可能的。但是在實現(xiàn)這個動作之前，前后兩側(cè)的風筒必須采用軟連接，并向兩側(cè)分開，以留出足夠的空間。完成動作之后，又必須退回原位，并給密封圈足夠的壓力以保持密封。4.2.1 活動通風筒最小移動距離的估計由于風機兩側(cè)的通風筒都是“空心”的，在風機繞其縱軸旋轉(zhuǎn)的過程中不會遇

11、到熱和阻礙，所以其所需的，向兩側(cè)最小移動距離(mm)很小，并可由下式估算： 式中 固定通風筒（機殼）長度，mm風機葉輪外徑，mm葉輪尖部與機殼間的徑向間隙，mm機殼厚度，mm機殼法蘭高度，mm例如：某風機=2000mm，=2000mm，=3mm，=8mm，取為50mm，則有 =58.2mm因此，兩側(cè)活動通風筒只需向兩邊移動58.2mm，風機就有足夠的空間旋轉(zhuǎn)180°，這就降低了整個結(jié)構(gòu)設計的難度。4.2.2 軟連接風筒 為了使風機前、后方的風筒能夠移動，而且還得保證密封，必須采用如圖1中的活動通風筒3，而活動通風筒與更遠的上、下游固定風筒連接的最簡單方法是采用可以伸縮的軟連接風筒，如

12、圖1中的2所示，這種軟連接實現(xiàn)上述58.2mm的移動是很方便的?；顒油L筒與軟連接風筒一起靠作動筒5支撐并固連于固定風筒1上。4.2.3 活動通風筒的移動 活動通風筒與軟連接風筒向風機兩側(cè)的移動靠沿圓周均布的3個作動筒5執(zhí)行，而作動筒是由一臺電機驅(qū)動的液壓泵驅(qū)動（未示出）。4.3 風機換向機構(gòu) 風機換向機構(gòu)是該反風方法的關鍵部件。風機繞其縱向?qū)ΨQ軸旋轉(zhuǎn)180°，即水平換向靠一套旋轉(zhuǎn)機構(gòu)來完成。風機的整個質(zhì)量通過一個支架穩(wěn)穩(wěn)地坐落在可旋轉(zhuǎn)的底盤上，底盤與底座之間有一圈大滾珠，形似一個大的“止推軸承”。風機的換向旋轉(zhuǎn)靠一根與風機和旋轉(zhuǎn)底盤垂直聯(lián)結(jié)的粗大的軸帶動。和該軸聯(lián)接的齒輪與特別設計

13、的大傳動比減速器嚙合；減速器由一臺電機驅(qū)動，電機的工作和轉(zhuǎn)速由專門設計的單片機程序控制，它使風機剛好轉(zhuǎn)過180°，并在換向操作開始和結(jié)束時使轉(zhuǎn)速減慢，以減少開始時的啟動力矩和結(jié)束時慣性造成的沖擊力。最后用止動裝置定位。4.3.1 風機換向速度的確定在設計風機換向機構(gòu)之前，首先必須確定換向速度，即風機水平換向需要多少時間，這是因為如下原因：(1) 必須得在盡可能短的時間內(nèi)完成換向，這是對“可逆風機”設計的基本要求。(2) 換向時間又不能太短，即風機水平換向旋轉(zhuǎn)不能太快，因為地鐵風機是一個龐然大物，其質(zhì)量少則也有12t，其旋轉(zhuǎn)慣性很大。因此，水平換向時間分為3段：然后用止動裝置定位。旋轉(zhuǎn)

14、的啟動速度不能太快，以減少開始時的啟動力矩；同樣，換向旋轉(zhuǎn)接近完成時的速度也不宜太快，否則當停止旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)慣性會對止動銷產(chǎn)生很大的沖擊力；其余就是中間一段時間了，為了縮短總的換向時間，不妨可以轉(zhuǎn)得快些。4.3.2 風機換向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖1中的8所示，主要指減速器和換向旋轉(zhuǎn)軸。4.3.2.1 換向旋轉(zhuǎn)軸該軸是風機的縱向?qū)ΨQ軸，因此應精確定位在軸流通風機4機殼縱向子午面內(nèi)的1/2處，其強度應能傳遞足夠的扭矩以驅(qū)動風機水平換向，而不必承受風機本體的質(zhì)量。4.3.2.2 齒輪轉(zhuǎn)盤該轉(zhuǎn)盤裝在風機的換向旋轉(zhuǎn)軸上，軸向固定，構(gòu)成減速器的一部分，并承受風機本體的全部質(zhì)量；風機下部分別裝有兩個支架，以使風機坐落在

15、齒輪轉(zhuǎn)盤上，并使其承受風機的質(zhì)量。4.3.3 減速器的設計減速器是風機水平換向操作中必不可少的部件，因為通常帶動減速器的電動機轉(zhuǎn)速很快，而風機水平換向的旋轉(zhuǎn)速度又很慢，只有大減速比的減速器才可以完成。4.3.3.1 減速器型式的選擇減速器型式的選擇在很大程度上取決于減速比。假定風機水平換向，即風機繞縱向?qū)ΨQ軸在2min內(nèi)完成180°的旋轉(zhuǎn)，則換向轉(zhuǎn)速為0.25r/min；又假定電機轉(zhuǎn)速為500r/min（這種多極電機結(jié)構(gòu)較大），于是要求減速器的減速比為1000，如果限定使用結(jié)構(gòu)緊湊的減速器，就只有選用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)了；如選用多級圓柱-圓錐齒輪減速器，結(jié)構(gòu)將會很大。4.3.3.2 電機的

16、選擇風機換向驅(qū)動裝置，如圖1中的7，主要指電機，一般電機轉(zhuǎn)速太高，使減速器設計很困難，因此最好使用調(diào)頻電機，它可以對換向轉(zhuǎn)速進行任意調(diào)整。4.3.4 控制器的設計 對控制器的設計要求則是能按預定程序來控制水平換向的旋轉(zhuǎn)速度。如，換向開始和終了時速度要慢，中間可適當加快，整個動作時間應在2 min內(nèi)完成。4.4 系統(tǒng)控制方案的確定當需要反風時，由通風系統(tǒng)控制室發(fā)出指令，使風機進入換向工作狀態(tài)。（1）首先使風機電機電源斷開（因此其轉(zhuǎn)速會逐漸降低，直到停機），此時段約需30s，無需等待風機完全停機，即可執(zhí)行以下步驟。（2）啟動風筒移動機構(gòu)：首先接通該機構(gòu)的控制電源，于是電機就帶動氣泵或液壓泵工作，并

17、緩慢驅(qū)動3個作動筒來壓縮軟連接風筒（同時反抗彈簧的拉力），并將活動通風筒向風機兩側(cè)移動，當移到預定位置時自動停止，此時段約需2 min。 （3）接通風機換向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的電源，其電機按預定程序驅(qū)動風機整體，以順時針方向或逆時針方向，繞其縱向?qū)ΨQ軸以“慢-稍快-慢”的順序旋轉(zhuǎn)180°，當觸及止動銷時則停止轉(zhuǎn)動，此時風機剛好到達反風位置，此時段約需3 min。 （4）再次接通風筒移動機構(gòu)的控制電源，使氣泵或液壓泵泄壓，3個作動筒卸荷，于是在彈簧力的驅(qū)動下，活動通風筒由兩側(cè)向風機移動，使軟連接風筒恢復到自由狀態(tài)；彈簧的剩余拉伸狀態(tài)仍有足夠的壓力將活動通風筒壓緊在風機的密封環(huán)上，以產(chǎn)生所需的密封效果。然后關閉控制電源，此時段約需2 m