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地鐵風機反風方法及裝置

信息來源：發(fā)布時間：2020-08-31閱讀：320

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(zāi)或毒氣時的應(yīng)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(yīng)在10min內(nèi)完成。迄今為止，幾乎所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(shè)計方面入手。那么，試圖設(shè)計一種新翼型來兼得正、反風同樣的高效工作，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(shè)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180*，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(shè)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部分一風機換向機構(gòu)；C部分（包括Cl、2）風筒移動機構(gòu)，如所示。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，通過預先設(shè)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)風機反風裝置結(jié)構(gòu)風機反風裝置總體結(jié)構(gòu)的三維圖象如所示，其風機換向驅(qū)動裝置為垂直布局方案。

　　4風機反風裝置的部件結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)計高性能的軸流通風機設(shè)計是實現(xiàn)高效率反風的基礎(chǔ)。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(shè)計的軸流通風機效率可達85%以上。

　　由于本技術(shù)的關(guān)鍵在于風機需繞其縱向?qū)ΨQ軸旋轉(zhuǎn)18tf，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(shè)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。

　　風機反風裝置的三維圖象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)18Cf，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)的過程中不會遇到熱和阻礙，所以其所需的，向兩側(cè)最小移動距離S（mm）很小，并可由下式估算：D2風機葉輪外徑，mm tl*-葉輪尖部與機殼間的徑向間隙，h機殼法蘭高度，mm則有因此，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(shè)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。活動通風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(guān)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(shè)計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(shè)計的單片機程序控制，它使風機剛好轉(zhuǎn)過18tf，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(shè)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。

　　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(shè)計的基本要求。

　　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1~ 2t，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)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。

　　2風機換向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)如中的8所示，主要指減速器和換向旋轉(zhuǎn)軸。

　　2.1換向旋轉(zhuǎn)軸該軸是風機的縱向?qū)ΨQ軸，因此應(yīng)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(yīng)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，以使風機坐落在齒輪轉(zhuǎn)盤上，并使其承受風機的質(zhì)量。

　　3減速器的設(shè)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。

　　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18（b的旋轉(zhuǎn)，則換向轉(zhuǎn)速為0. 25r/min；又假定電機轉(zhuǎn)速為500iVmin（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。

　　3.2電機的選擇風機換向驅(qū)動裝置，如中的7，主要指電機，一般電機轉(zhuǎn)速太高，使減速器設(shè)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控制器的設(shè)計對控制器的設(shè)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，整個動作時間就在2min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)。

　　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。

　　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3min.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(guān)閉控制電源，此時段約需2min.接通風機的內(nèi)置電機，使風機正常運轉(zhuǎn)，此時段約需30s.至此，風機的反風工作狀態(tài)己經(jīng)建立，總共需時約8min，完全達到國標要求。當然，各段時間還可以根據(jù)具體情況進行調(diào)整。

　　5結(jié)論提出了一種地鐵風機反風新方法，從而用結(jié)構(gòu)設(shè)計方法替代氣動設(shè)計方法，為提高風機反風性能指出了一種新途徑。

　　風機整體水平換向?qū)崿F(xiàn)反風的方法可以使風機在正、反風狀態(tài)下都能以高效率工作，有重要的節(jié)能價值。

　　提出的結(jié)構(gòu)方案操作簡便，結(jié)構(gòu)緊湊、合理，占地面積小，特別適用于城市地鐵建設(shè)，也適用于礦井等需要反風的環(huán)境，該結(jié)構(gòu)方案尚可進一步完善。

責任編輯：任江強

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