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地铁风机反风方法及装置
摘要:分析了地铁风机的工作特点及传统反风技术的缺陷,结合地铁风机的结构特征提出了从结构设计入手解决反风问题的方法,并给出了相应的结构方案,从而使得地铁风机在正、反风时都可在最佳效率状态下工作,节能效果显著;该装置操作简便,结构紧凑、合理,占地面积小,特别适用于城市地铁建设,也适用于矿井等需要反风的场合。
关键词:轴流式通风机 地铁风机 可逆风机 反风 节能
1 引言
在地铁通风系统中,有的夏天需要将外面的新鲜空气引入地下通道,而在冬天则需要风机反向送风,也称“反风”,将通道中的污浊空气排放到外面,一年之中风机需要两次换向工作;还有的要求隔天一次的频繁换向;特别在紧急情况下,例如发生火灾或毒气时的应急反风,这就需要一种“可逆风机”。国际通用惯例及国家标准都对风机规定了反风时的风量和效率,同时还有反风操作时间,一般要求其反风工作时的风量是正向时的60%~80%,而反风动作应在10min内完成。迄今为止,几乎所有地铁风机的反风都是通过将风机转子逆向旋转来实现的,而风机动叶及静叶又弯又扭的特殊造型和结构,决定了它只能在正向时高效率工作,风机的逆向旋转工作恰恰是其最不利的工作状态,它会使风机的风量下降,风压降低,风机效率也很低。为了解决这个矛盾,不得不牺牲正向工作时的高效率,将叶型改成“对称翼型”,这就使风机常年在低效率下工作,造成了电力的极大浪费;有的还研究了各种动、静叶的配置结构。近年来出现了一种“S型”叶型的风机,风机的反风性能有所提高,但由于风机叶型偏离机翼翼型太多,风机正向效率不高也就很自然的了。因此,既要坚持通过反转实现反风,又要从气动设计方面入手。那么,试图设计一种新翼型来兼得正、反风同样的高效工作,这无疑是走进了死胡同。既然单纯气动的路子走不通,就不妨换个思路,从结构设计入手又会怎样?本文就此作了一次尝试。
2 技术方案
地铁风机的一个基本要求是结构紧凑,占地面积小。从结构上解决风机反风的问题有两种方法。
2.1 旋转叶片法
如果将风机的动叶和静叶分别旋转约180°,则可以实现较高效率的反风。只不过此时的动叶位于静叶的下风向,其效率要低于正风效率,而且风机叶片在叶根处的稠度(即实度)较大,叶片的旋转会造成相邻叶片间的干涉,因此不得不每隔一个叶片分两组进行旋转,这样才能完成反风动作。所以这种反风方法结构复杂,不容易实施。
2.2 风机整体旋转法
仔细分析地铁风机的具体结构是十分有益的。地铁风机一般都是水平安置的,且都是单级的(一级动叶加一级静叶)电机内置。因此,其轴向长度很短,与其直径差不多,有的比直径还小。这样,就提供了一个契机:当需要反风时,只需将地铁风机整机(包括转子、机壳和电机)原地绕垂直于其旋转轴线的纵向对称轴旋转180°即可完成反风。这种操作并不需要额外的通道空间,且能保证风机在正向和反风时工作状态完全相同,因此也同样具有高性能。
3 风机反风装置总体结构的设计及工作原理
整个风机系统分成三部分:A部分———轴流风机;B部分———风机换向机构;C部分(包括C1、C2)———风筒移动机构,如图1所示。风机正向工作时,气流如图中实线箭头方向所示。当需要反风时,通过预先设置的一系列程序指令执行反风动作:首先执行停机指令,然后通过控制装置将风筒移动机构C1、C2与风机沿轴向分开,并各自沿轴向向两侧移动预定的一小段距离,再由风机换向机构将风机绕垂直于其轴线的纵向对称轴旋转180°,最后再通过控制装置使风筒移动机构C1、C2回移复位,并完成与风机的对接,使二者快速牢固连接,从而完成了反风动作;按下启动按钮,风向立即改变,如图1中虚线箭头所示。
风机反风装置总体结构的三维图象如图2所示,其风机换向驱动装置为垂直布局方案。
4 风机反风装置的部件结构设计
考虑到反风动作必须在10min内完成的要求,该反风装置各部件设计则要求各个分解动作必须能够在最短的时间内完成。
4.1 轴流通风机设计
高性能的轴流通风机设计是实现高效率反风的基础。原则上,本技术可以在任何轴流通风机上实施,它可以保证风机的反风性能与正风性能相同。用航空技术设计的轴流通风机效率可达85%以上。
由于本技术的关键在于风机需绕其纵向对称轴旋转180°,因此与通常的风机不同,其机壳的两端不能与其前后通风道的风筒固定联接,而必须是能够密封的活动联接;最简单的是采取端面密封的端面对接。而为了保证橡胶密封圈的密封效果,必须得为其提供足够的压紧力,这种力可由作动筒靠气动或液压提供,但是作动筒由于长期处于工作状态会导致漏气或漏油。因此,可考虑采用预先设定的弹簧力压紧密封环来保证密封,而作动筒仅在需要移动活动通风筒时才使用。
4.2 风筒移动机构
由前面的分析可知,风机绕其纵向对称轴旋转180°,实现反风而无需额外的空间是可能的。但是在实现这个动作之前,前后两侧的风筒必须采用软连接,并向两侧分开,以留出足够的空间。完成动作之后,又必须退回原位,并给密封圈足够的压力以保持密封。
4.2.1 活动通风筒最小移动距离的估计
由于风机两侧的通风筒都是“空心”的,在风机绕其纵轴旋转的过程中不会遇到热和阻碍,所以其所需的,向两侧最小移动距离S(mm)很小,并可由下式估算:
式中 L———固定通风筒(机壳)长度,mm
D2———风机叶轮外径,mm
t1———叶轮尖部与机壳间的径向间隙,mm
t2———机壳厚度,mm
h———机壳法兰高度,mm
例如:某风机L=2000mm,D2=2000mm,t1=3mm,t2=8mm,h取为50mm,则有
因此,两侧活动通风筒只需向两边移动58.2mm,风机就有足够的空间旋转180°,这就降低了整个结构设计的难度。
4.2.2 软连接风筒
为了使风机前、后方的风筒能够移动,而且还得保证密封,必须采用如图1中的活动通风筒3,而活动通风筒与更远的上、下游固定风筒连接的最简单方法是采用可以伸缩的软连接风筒,如图1中的2所示,这种软连接实现上述58.2mm的移动是很方便的。活动通风筒与软连接风筒一起靠作动筒5支撑并固连于固定风筒1上。
4.2.3 活动通风筒的移动
活动通风筒与软连接风筒向风机两侧的移动靠沿圆周均布的3个作动筒5执行,而作动筒是由一台电机驱动的液压泵驱动(未示出)。
4.3 风机换向机构
风机换向机构是该反风方法的关键部件风机绕其纵向对称轴旋转180°,即水平换向靠一套旋转机构来完成。风机的整个质量通过一个支架稳稳地坐落在可旋转的底盘上,底盘与底座之间有一圈大滚珠,形似一个大的“止推轴承”。风机的换向旋转靠一根与风机和旋转底盘垂直联结的粗大的轴带动。和该轴联接的齿轮与特别设计的大传动比减速器啮合;减速器由一台电机驱动,电机的工作和转速由专门设计的单片机程序控制,它使风机刚好转过180°并在换向操作开始和结束时使转速减慢,以减少开始时启动力矩和结束时惯性造成的冲击力。最后用止动装置定位。
4.3.1 风机换向速度的确定
在设计风机换向机构之前,首先必须确定换向速度,即风机水平换向需要多少时间,这是因为如下原因。
(1)必须得在尽可能短的时间内完成换向这是对“可逆风机”设计的基本要求。
(2)换向时间又不能太短,即风机水平换向旋转不能太快,因为地铁风机是一个庞然大物其质量少则也有1~2t,其旋转惯性很大。因此,水平换向时间分为3段:然后用止动装置定位。旋转的启动速度不能太快,以减少开始时的启动力矩;同样,换向旋转接近完成时的速度也不宜太快,否则当停止旋转时,旋转惯性会对止动销产生很大的冲击力;其余就是中间一段时间了,为了缩短总的换向时间,不妨可以转得快些。
4.3.2 风机换向旋转机构
如图1中的8所示,主要指减速器和换向旋转轴。
4.3.2.1 换向旋转轴
该轴是风机的纵向对称轴,因此应精确定位在轴流通风机4机壳纵向子午面内的1/2处,其强度应能传递足够的扭矩以驱动风机水平换向,而不必承受风机本体的质量。
4.3.2.2 齿轮转盘
该转盘装在风机的换向旋转轴上,轴向固定,构成减速器的一部分,并承受风机本体的全部质量;风机下部分别装有两个支架,以使风机坐落在齿轮转盘上,并使其承受风机的质量。
4.3.3 减速器的设计
减速器是风机水平换向操作中必不可少的部件,因为通常带动减速器的电动机转速很快,而风机水平换向的旋转速度又很慢,只有大减速比的减速器才可以完成。
4.3.3.1 减速器型式的选择
减速器型式的选择在很大程度上取决于减速比。假定风机水平换向,即风机绕纵向对称轴在2min内完成180°的旋转,则换向转速为0.25r/min;又假定电机转速为500r/min(这种多极电机结构较大),于是要求减速器的减速比为1000,如果限定使用结构紧凑的减速器,就只有选用蜗轮蜗杆结构了;如选用多级圆柱-圆锥齿轮减速器,结构将会很大。
4.3.3.2 电机的选择
风机换向驱动装置,如图1中的7,主要指电机,一般电机转速太高,使减速器设计很困难,因此最好使用调频电机,它可以对换向转速进行任意调整。
4.3.4 控制器的设计
对控制器的设计要求则是能按预定程序来控制水平换向的旋转速度。如,换向开始和终了时速度要慢,中间可适当加快,整个动作时间就在2min内完成。
4.4 系统控制方案的确定
当需要反风时,由通风系统控制室发出指令,使风机进入换向工作状态。
(1)首先使风机电机电源断开(因此其转速会逐渐降低,直到停机),此时段约需30s,无需等待风机完全停机,即可执行以下步骤。
(2)启动风筒移动机构:首先接通该机构的控制电源,于是电机就带动气泵或液压泵工作,并缓慢驱动3个作动筒来压缩软连接风筒(同时反抗弹簧的拉力),并将活动通风筒向风机两侧移动,当移到预定位置时自动停止,此时段约需2min。
(3)接通风机换向旋转机构的电源,其电机按预定程序驱动风机整体,以顺时针方向或逆时针方向,绕其纵向对称轴以“慢-稍快-慢”的顺序旋转180°,当触及止动销时则停止转动,此时风机刚好到达反风位置,此时段约需3min。
(4)再次接通风筒移动机构的控制电源,使气泵或液压泵泄压,3个作动筒卸荷,于是在弹簧力的驱动下,活动通风筒由两侧向风机移动,使软连接风筒恢复到自由状态;弹簧的剩余拉伸状态仍有足够的压力将活动通风筒压紧在风机的密封环上,以产生所需的密封效果。然后关闭控制电源,此时段约需2min。
(5)接通风机的内置电机,使风机正常运转,此时段约需30s。
至此,风机的反风工作状态已经建立,总共需时约8min,完全达到国标要求。当然,各段时间还可以根据具体情况进行调整。
5 结论
(1)提出了一种地铁风机反风新方法,从而用结构设计方法替代气动设计方法,为提高风机反风性能指出了一种新途径。
(2)风机整体水平换向实现反风的方法可以使风机在正、反风状态下都能以高效率工作,有重要的节能价值。
(3)提出的结构方案操作简便,结构紧凑、合理,占地面积小,特别适用于城市地铁建设,也适用于矿井等需要反风的环境,该结构方案尚可进一步完善。
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