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国内对旋轴流通风机推广应用评述

吴秉礼/长春花园机械有限公司    

摘要:从效率、单机运行、叶轮与电机直联、露天安装使用等方面,对国内对旋轴流通风机的推广应用作出评述。
关键词:对旋式;轴流通风机;推广应用;评述

中图分类号:TH43      文献标志码:A

Review of Popularization and Application of Domestic Counter- rotating Axial Fans
Abstract: This paper has reviewed the popularization and application of domestic counter-rotating axial fans from the aspects of efficiency, stand-alone operation, impeller and motor connected directly, outdoor installation, use and so on.
Key words: counter-rotating; axial fan; popularization and application; review

0   引言
  近十年来,对旋轴流通风机(以下简称对旋)在国内煤矿的推广应用势头强劲。如果说,二十世纪八九十年代,2K60、1K58、2K58、2K56、TLT的GAF等非对旋替代2BY、70B2是我国矿用主通风机技术发展的新阶段;那么,现今对旋的推广应用该如何评价,这个问题现在还难以回答。因为,上述的非对旋尚未退出历史舞台,也不可能退出历史舞台,尚有旺盛的生命力;尽管这些年销量有所下降,但非对旋仍然在使用。
  对旋(含主通风机和局部通风机)从推广应用至今从未停止过技术争论。可以说,对旋的推广应用是在技术质疑中走到今天的。笔者认为,通过十年来的推广应用,对对旋的技术争论和质疑做阶段性小结,无论从哪方面考虑,都是必要和有益的。
1  从宣传包装谈起
  产品推向市场,企业对产品进行科学的、实事求是的宣传包装是必要的。但是,对旋生产商在产品样本上这样写道:
  与非对旋相比,对旋效率最高,可达85%以上;
  与非对旋相比,对旋可实现单机运行;
  对旋叶轮与电机直联,结构简单,安装维护方便;
  对旋可露天安装使用,无需机房,节省大量基建费用。特别是说:对旋“引起风机制造业的一场革命”。
  于是,上述宣传包装的重点,成为国内业界技术争论和质疑的焦点。下面,将结合十年来的推广应用情况,一一梳理、评述。
2  关于效率
  国内对旋始于金属矿山通风,而后进入煤炭矿井领域。
  国内最初的对旋,是在手工作坊里由能工巧匠们敲打问世的。他们对对旋的初始认识受到文献[1]的影响,以为对旋效率比同样的带后置导叶的二级风机效率高5%,比带前置导叶的风机高约8%[1] (文献[2]也有同样的论述)。在这种理论观点的指导下,高效率成为对旋推广应用的助力器,于是业界人士开始对对旋的效率高低展开了争论和质疑,综合起来,基本情况如下:
  1) 文献[3]早已指出,对旋与2K(叶轮+后导叶的二级非对旋)相比,效率低1%~2%。
  2) 2002年,文献[4]从理论分析、设计实践和性能试验对比等方面论述了对旋效率低于2K,更低于1K(叶轮+后导叶单级非对旋)。
    3) 2004年~2008年,文献[5-15]从不同角度分析了普通轴流、子午加速和对旋三种局部通风机的技术特点及其使用情况,较全面的阐述了对旋局部通风机效率低的问题,并对非对旋局部通风机的推广应用充满了期待。
    4) 2005年,文献[16]论述了普通轴流(1K和2K)、对旋和子午加速的压力特性,介绍了1991年国内15家企业的17台不同型式的局部轴流通风机性能统一检测的综合评比结果:带消声器的普通轴流最好,无消声器的子午加速次之,带消声器的对旋再次之。
    5) 2007年,文献[17]指出了对旋效率低于2K的原因,修正了文献[18]的对旋与2K效率说法不一的观点。
  6) 2008年,文献[19]叙述了№16对旋样机的试验结果:带扩压器的对旋装置的最高静压效率为0.823(电机效率取为0.9时);文献[20]介绍了№14对旋样机的试验结果:带扩压器的对旋装置的最高静压效率为0.816(电机效率按电机效率曲线取值)。
    7) 2008年,有作者在叙述对旋的性能特点时提出第一种观点:由于没有导叶,仅此一项,效率就较普通轴流风机高5%左右。该作者的第二种观点:用同一设计方法设计的电动机外置式双级轴流通风机的效率与对旋风机相当。还是该作者在介绍所开发的2BKj-11型轴流通风机时指出:与对旋相比,新风机(2BKj普通轴流)的最高全压效率要比对旋高。
    8) 2010年,笔者在剖析国内五家企业的对旋性能不实问题的同时,提出了对旋推广应用的价值在于压力特性最佳,而并非效率最高的新观点[24]
    综上所述,通过研讨,国内业界对对旋效率低的看法,基本趋于一致。只是上述的同一作者表达了三种观点。笔者认为,该作者的第一种说法是错误的,是早已过时的观点,第二种观点电机外置非对旋与电机内置对旋的对比条件是非对等的或是不公平的,是难以令人信服的,实为对对旋效率的辨解;而第三种观点则反映了客观实际,是正确的。
    那么,生产商如何说明对旋的高效率的呢?下面简要做出介绍:
    首先,在产品样本的性能曲线上,将等效率曲线的最高值设定在0.85,以增加对用户的吸引力。实际上绝大部分性能曲线是不能用于选型的,文献[24-25]已作了剖析。
  其次,为满足用户期望、达到高效要求,生产商在具体的选型上,根据标书或用户提出的技术参数,有针对性地绘制出设定的或假想的性能曲线,并在曲线上标画出前、后期使用的高效工况点的位置。
    最后,当中标或签订合同后,通常对于地方煤矿使用的中、小型主通风机,按常规生产、供货。只要风量差不多,不振动、不烧电动机,使用没问题,用户一般不会追问效率高低。对于统配煤矿使用大型对旋,生产商会引起重视。通常由企业自己或请他人设计,然后制作一台№14-16机号的带扩压器的样机,进行性能测试。根据企业的经验,若风量和风压基本达到用户要求,电机不超载,静压效率达到0.75以上,就算过关了。大型主通风机通常要在现场测定性能。如若现场测定出现问题,或风量和风压不够,或效率未达到规定要求,通过采取一定的方法,使问题得到解决的。对旋的高效率就是这样高上去的。
   下面有必要对对旋推广应用中的弯掠叶片技术和不等径叶轮技术作概要剖析。
   弯掠叶片并非什么“引起风机制造业的一场革命”。实际上,早在上世纪60年代初哈尔滨工业大学的王仲奇教授就提出了这种叶片的设计思想和技术方法,并成功地应用于高压比的汽轮机和多级轴流压缩机上,使高压比的叶轮机械的效率提高约2%[21]
   对于轴流通风机而言,不论对旋还是非对旋,他们的压比通常小于1.05,参考马赫数M≤0.15[26] 。因此,轴流通风机叶片既不需要弯(气流折转角,动叶片根部不大于35°,静叶片根部不大于40°,边壁二次流损失较小),也无需掠(M数小,不存在激波阻力损失) [4,21] 。弯掠叶片的对旋样本上给出的性能曲线表明:弯掠对旋与非弯掠对旋性能没有区别、完全一样[24]
   国内个别企业的对旋,是将工级叶片反制得到Ⅱ级叶片的。这样,除旋转方向和叶片数不同外,Ⅰ、Ⅱ级叶片的宽度分布、厚度分布和扭曲角度分布完全相同(扭曲角相同是违背对旋气动设计理论的) [27] 。试验结果表明:此类对旋的效率低。于是,无奈之中,生产商毫无道理的把Ⅱ级叶片加长,即增大了Ⅱ级叶轮的直径(与Ⅰ级相比),同时将Ⅱ级主机筒设计、制造成锥形台形状,这就是所谓的不等径叶轮技术。然而,这种错误做法必然导致风机性能的更大失效。这就告诉人们:当基本特征参数之间没有必然的逻辑关系时,将会常常造成自身的矛盾。而基本特征参数不做本质的改变,所有的弥补和修正都只能是暂时的、无效的和错误的。不等径叶轮技术就是如此。
3  关于单机(级)运行
   对旋可以单机运行,是生产商宣传包装的又一个重点内容。
   对旋系双级轴流通风机,是直径相同、互为反向转动的两个单级叶轮的串联。理论上,此时的流量与单级的流量相同,压力为单级的2倍。对旋的单机运行,应该是对旋中的一个叶轮的单独运行,也就是说,要么Ⅱ级叶轮K停机、工级叶轮K运行;要么K停机,K运行。
   2004年,文献[28]通过对旋单机运行的试验研究指出:从性能曲线上看到,与K+K整机运行相比,K或K单机运行的压力、效率曲线都发生了根本性变化,即QIQQ<Q;(psI<1/2ps,(ps<1/2ps,(ηs≤ηs,(ηsηs。由此说明,K或K单机运行难以满足采掘前期运行工况的要求。
   2006年,文献[29]通过试验分析得知,K或K运行时,压力远小于K+K整机工作压力的一半,并指出,考虑到官网特性后,任何一级叶轮独立工作的风量都远小于两个叶轮正常工作的风量,从而不能满足井下通风要求。
   上述试验结果表明:作为对旋只有K+K整机运行,才能发挥对旋的作用。当K或K单机运行时,K或K已起不到互为导叶的作用,反而成为阻力或阻塞部件存在于流道之内,从而造成性能“畸变”。
   然而,有作者则认为,对旋可单机运行,但必须配备后导叶,否则效率很低。这哪是对旋的单机运行,是为对旋单机运行的辨解。试问,如果煤矿采掘前期采用保留K、去除K并加上后导叶(所谓对旋单机运行),而到了采掘后期,再把后导叶去掉,换上K叶轮,如此装卸、更换,所用的主通风机到底是什么形式,恐怕,只能称作单叶轮+后导叶(即1K)和对旋的混合型了,这种做法绝不是通常意义上所说的对旋和对旋单机运行。
   实践是检验真理的唯一标准。无论是真正意义上的对旋单机运行,还是单叶轮+后导叶的所谓的对旋单机运行,至今没有被任何一家煤矿所采用。这是对对旋单机运行宣传包装的根本否定。
4  关于结构、安装与维护
   目前,国内的非对旋主通风机大多电机外置,叶轮通过长轴与电机联接,即所谓长轴传动;而对旋主通风机大多电机内置,叶轮与电机直联,即所谓直联传动。非对称的主张者认为,1K、2K的电机不能内置,对旋的电机不能外置,甚至断言,国外先进的2K主通风机电机皆外置;电机内置是对旋的工作原理和结构决定的[30] 。而对旋生产商却说,电机与叶轮直联的对旋,结构简单,安装维护方便。这两种观点都是片面的。实际上,对于非对旋,电机既可外置也可内置,TLT的GAF非对旋主通风机的产品使用说明书就明确指出具有电机外置和内置两种传动方式。对于对旋而言,电机既可内置也可外置,前苏联的BOд-16型,即OBB-84-84B型对旋主通风机的两台电机就是外置的[3]
   笔者认为,作为轴流主通风机,电机内置或外置,即直联或长轴传动是各有利弊的。电机内置的对旋,必须选用防爆电机,并需在结构设计上处理好电机的隔爆与冷却,特别是对于抽出式通风,必须设置隔流腔室,使内置电机安装、拆卸与维修极不方便。此外,内置电机须选用价格昂贵的YBF系列专用防爆电机;对于大直径叶轮,质量很重,若仍采用与电机直联,结构上就难说是合理的了。对于非对旋电机外置,只需普通电机,价格便宜,安装维护简便;只是长轴的同心度以及联轴器间隙的安装调整略显复杂。在现代技术手段条件下,这类问题是不难解决的。由此可见,把对旋的直联传动说成结构简单、安装维护方便是不可靠的。
5  关于露天安装使用
   把露天安装使用,无需机房,节省基建费用,说成是对旋的优势,对用户是不小的诱惑。笔者以为,对旋的露天使用并非是合理的选择。如果说,地方煤矿使用的小型主通风机放在露天使用还可理解的话;那么,统配煤矿使用的大型主通风机放在露天使用就不太合适了,它至少存在以下问题:
    1) 受风吹、日晒、沙打、雨淋和冰雪覆盖等的浸蚀,严重影响设备的使用寿命;
   2) 增加了设备的维护成本,给工人的维护工作带来极大的不便;
    3) 作为现代矿井,把价值几百万元的重要大型设备,毫无遮挡的暴露在外,显得极不规范与美观,尤为影响现代企业形象。
    笔者高兴地看到,辽源煤务局新建的龙家堡煤矿是一座现代化的大型矿井。在建矿过程中,该企业的领导者们毅然决定将两台直径3.6m的对旋安装在宽敞明亮的厂房内。他们认为,从长远考虑,一次性投资多花点基建费也是值得的,绝不让这两台大型的人命关天的重要设备在露天下工作。如今,龙家堡煤矿早已建成投产。远远望去,高大的主机房与矿区整个建筑浑然一体,十分气派。
   这是对旋不在露天安装使用的典型事例。
6  其他几个问题
6.1  价格竞争的后果
      随着对旋的推广应用和市场竞争的加剧,对旋与非对旋之间以及对旋之间的价格竞争愈演愈烈。特别是当对旋间的相互压价不断升级的时候,生产商便开始在产品上做文章。比如,有的随意将进口稳定段和出口过渡段的长度缩短;有的对集流器和扩压器进行“瘦身”处理[31] ;有的把钢板厚度减薄,等等。最终,影响的是产品质量,损害的是用户的利益,这是价格竞争带来的不良后果。
6.2  建造超大型试验设备的必要性
   对旋推广应用中,一个引人深思的问题是有的生产商相互攀比,或已经或正在或将要建造直径4或5m的超大型风管试验设备。花费大量人力、物力和财力建造庞大的试验装置(风管长度约30~40m)是什么目的呢?
   1) 要用来检测或验证超大型对旋的性能吗?完全没有必要。人们知道,通风机产品(含对旋)都是系列化的。国内外都是运用相似设计理论进行产品开发、设计和制造的,其系列产品的性能是以一定机号的样机或模型机(通常直径不大于1.8m)的性能试验结果为依据,利用性能相似换算法则得到的。如果你的样机试验结果是准确而不是虚假的,那么,其他机号的性能也必定是准确真实的。当然,试验室条件下得到的风机性能与现场使用时的风机性能是有差异的,了解并缩小差异的办法是现场性能标定,这也是用户所期望的。GB/T 21151-2007煤矿用轴流主通风机 技术条件的4.7款同时规定,当实验室条件下不满足时(指大风机无法在试验室条件下进行性能试验时——作者注),通风机空气动力性能试验可在安装使用现场按GB/T 10178标准规定执行。所以,建造超大型风管试验设置是完全没有必要的。
   2) 要用来包装产品赢得用户,也是大可不必。你要想使用户不只是观看庞然大物本身而作运行演示,就必须制造一台4m或5m直径的对旋;带动这台超大型风机运转需要成千或上万伏的高压、几百或上千瓦的电动机,这种做法值得和必要吗?笔者大胆的预言,这种超大型的试验设备有可能作为观赏物而长久地摆放在那里。
   综上所述,笔者认为,建造超大型试验设备的作法不值得提倡。它有害而无益。有财力的生产商应该把精力放到基础理论和试验研究上来,放到产品开发和创新上来,赢得企业的可持续性发展。
6.3  关于取证之我见
   煤矿井下作业是一项高危工作。为确保矿工的人身安全和国家财产不受损失,对主通风机和局部通风机实施取证制度是十分必要的。
   我国局部通风机是按机号和电机功率逐一进行设计、制造的,因此应按机号逐一取证。
   我国主通风机,不论对旋还是非对旋,都是按相似设计理论方法进行系列化产品开发设计、制造的,因此,主通风机无需逐个机号进行气动性能试验取证;笔者以为,只要根据系列化范围,规定一个或两个机号的风机,进行气动性能试验检测就完全可以了。现场使用性能,可根据用户需要,进行现场测定考核。隔流腔的密闭试验,由于同系列产品的原理和结构是相同的,只进行一次检验即可。摩擦火花试验,由于均采用H62黄铜板铆接,也无需台台检测。至于电机的隔爆检查可完全不必进行,因为所采用的YBF专用防爆电机已由生产企业出具了合格证明。企业管理、产品制造质量等事宜,并非一次取证就万事大吉。对此,建立定期或不定期的抽检制度是必要的。
   以上意见和建议,供有关部门考虑。
7  结论
   在技术争论和质疑中推广应用的对旋,有的问题已经解决或基本解决,有的问题尚需在技术实践中逐步加以解决。在已经或期待解决的对旋的理论和实践中,一个新的观点值得关注,那就是对旋推广应用的价值在于他的压力特性最佳,而绝非效率最高[24] 。当生产商、用户和业界人士等对对旋和非对旋产品的认识取得共识的时候,国内对旋的推广应用将会走上健康发展之路;不同型式的主通风机和局部通风机的推广应用,必定会出现新的局面。

参 考 文 献

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