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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：486

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，幾乎所有地鐵風機的反風都是通過將風機轉子逆向旋轉來實現(xiàn)的，而風機動葉及靜葉又彎又扭的特殊造型和結構，決定了它只能在正向時高效率工作，風機的逆向旋轉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、靜葉的配置結構。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，從結構設計入手又會怎樣本文就此作了一次嘗試。

　　2技術方案地鐵風機的一個基本要求是結構緊湊，占地面積小。從結構上解決風機反風的問題有兩種方法。

　　2.1旋轉葉片法如果將風機的動葉和靜葉分別旋轉約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，這樣才能完成反風動作。所以這種反風方法結構復雜，不容易實施。

　　2.2風機整體旋轉法仔細分析地鐵風機的具體結構是十分有益的。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（包括轉子、機殼和電機）原地繞垂直于其旋轉軸線的縱向對稱軸旋轉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構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部分一風機換向機構；C部分（包括Cl、2）風筒移動機構，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C1、C2與風機沿軸向分開，并各自沿軸向向兩側移動預定的一小段距離，再由風機換向機構將風機繞垂直于其軸線的縱向對稱軸旋轉180*，最后再通過控制裝置使風筒移動機構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.風機換向驅動裝置8.風機換向旋轉機構9.旋轉滾動系統(tǒng)風機反風裝置結構風機反風裝置總體結構的三維圖象如所示，其風機換向驅動裝置為垂直布局方案。

　　4風機反風裝置的部件結構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。用航空技術設計的軸流通風機效率可達85%以上。

　　由于本技術的關鍵在于風機需繞其縱向對稱軸旋轉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風筒移動機構由前面的分析可知，風機繞其縱向對稱軸旋轉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，前后兩側的風筒必須采用軟連接，并向兩側分開，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的通風筒都是“空心”的，在風機繞其縱軸旋轉的過程中不會遇到熱和阻礙，所以其所需的，向兩側最小移動距離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180*，這就降低了整個結構設計的難度。

　　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動的液壓泵驅動（未示出）。

　　4.3風機換向機構風機換向機構是該反風方法的關鍵部件。

　　風機繞其縱向對稱軸旋轉180*，即水平換向靠一套旋轉機構來完成。風機的整個質量通過一個支架穩(wěn)穩(wěn)地坐落在可旋轉的底盤上，底盤與底座之間有一圈大滾珠，形似一個大的“止推軸承”。風機的換向旋轉靠一根與風機和旋轉底盤垂直聯(lián)結的粗大的軸帶動。和該軸聯(lián)接的齒輪與特別設計的大傳動比減速器嚙合；減速器由一臺電機驅動，電機的工作和轉速由專門設計的單片機程序控制，它使風機剛好轉過18tf，并在換向操作開始和結束時使轉速減慢，以減少開始時啟動力矩和結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”設計的基本要求。

　　換向時間又不能太短，即風機水平換向旋轉不能太快，因為地鐵風機是一個龐然大物，其質量少則也有1~ 2t，其旋轉慣性很大。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，換向旋轉接近完成時的速度也不宜太快，否則當停止旋轉時，旋轉慣性會對止動銷產(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，不妨可以轉得快些。

　　2風機換向旋轉機構如中的8所示，主要指減速器和換向旋轉軸。

　　2.1換向旋轉軸該軸是風機的縱向對稱軸，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動風機水平換向，而不必承受風機本體的質量。

　　4.3.2.2齒輪轉盤該轉盤裝在風機的換向旋轉軸上，軸向固定，構成減速器的一部分，并承受風機本體的全部質量；風機下部分別裝有兩個支架，以使風機坐落在齒輪轉盤上，并使其承受風機的質量。

　　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速很快，而風機水平換向的旋轉速度又很慢，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，即風機繞縱向對稱軸在2min內(nèi)完成18（b的旋轉，則換向轉速為0. 25r/min；又假定電機轉速為500iVmin（這種多極電機結構較大），于是要求減速器的減速比為1000，如果限定使用結構緊湊的減速器，就只有選用蝸輪蝸桿結構了；如選用多級圓柱-圓錐齒輪減速器，結構將會很大。

　　3.2電機的選擇風機換向驅動裝置，如中的7，主要指電機，一般電機轉速太高，使減速器設計很困難，因此最好使用調頻電機，它可以對換向轉速進行任意調整。

　　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：首先接通該機構的控制電源，于是電機就帶動氣泵或液壓泵工作，并緩慢驅動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機構的電源，其電機按預定程序驅動風機整體，以順時針方向或逆時針方向，繞其縱向對稱軸以/慢-稍快-慢“的順序旋轉180°，當觸及止動銷時則停止轉動，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，于是在彈簧力的驅動下，活動通風筒由兩側向風機移動，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2min.接通風機的內(nèi)置電機，使風機正常運轉，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)具體情況進行調整。

　　5結論提出了一種地鐵風機反風新方法，從而用結構設計方法替代氣動設計方法，為提高風機反風性能指出了一種新途徑。

　　風機整體水平換向實現(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。

　　提出的結構方案操作簡便，結構緊湊、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環(huán)境，該結構方案尚可進一步完善。

責任編輯：任江強

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