1、地铁隧道轴流风机地铁隧道轴流风机设设 计计 报报 告告 本公司的对该型风机设计采取以下六个方面的措施：本公司的对该型风机设计采取以下六个方面的措施：（1）风机空气动力性能设计计算；）风机空气动力性能设计计算；（2）防喘振装置的设计；）防喘振装置的设计；（3）风机强度有限元分析计算；）风机强度有限元分析计算；（4）风机总体结构设计及降噪措施；）风机总体结构设计及降噪措施；（5）风机正反转切换电路控制设计；）风机正反转切换电路控制设计；（6）气动性能试验及耐高温试验。）气动性能试验及耐高温试验。一、风机空气动力性能设计计算一、风机空气动力性能设计计算 1、叶型设计、叶型设计 气动设计运用旋涡理论、
2、采用孤立叶型方法进行，按变环量扭向规气动设计运用旋涡理论、采用孤立叶型方法进行，按变环量扭向规律律Cu =const进行基元级叠加。以深圳地铁进行基元级叠加。以深圳地铁TVF风机为例，风机为例，1800mm风机其设计参数为风机其设计参数为Q=55m3/s，H=800Pa；Q=60.5 m3/s,H=800Pa；Q=66 m3/s,H=900Pa设计点效率为设计点效率为78%，设计转速为，设计转速为985rpm，其设计难度在于，其设计难度在于正、反转，等效率。结合国际先进同类风机效率大都在正、反转，等效率。结合国际先进同类风机效率大都在76%左右的实际左右的实际情况，本公司工程技术中心会同北京航
3、空航天大学，运用国际先进航空情况，本公司工程技术中心会同北京航空航天大学，运用国际先进航空领域的旋涡理论，建立数学模型，通过流场数值计算，进行验证。领域的旋涡理论，建立数学模型，通过流场数值计算，进行验证。r计算结果如下：计算结果如下：（1）基元截面叶根处压升为）基元截面叶根处压升为545Pa，叶尖处为，叶尖处为990Pa；叶片弦长叶根处；叶片弦长叶根处为为295mm，叶尖处为，叶尖处为231mm；安装角叶根处为；安装角叶根处为49.06,叶尖处为叶尖处为23.86（其详细的计算结果表略）。（其详细的计算结果表略）。（2）对于）对于Q=55m3/s，H=800Pa及及Q=60.5 m3/s，H
4、=800Pa二种性能参二种性能参数的风机，确定其叶片数数的风机，确定其叶片数Z=12；二种性能参数的风机可以通过调整叶；二种性能参数的风机可以通过调整叶片角度来实现，且均在高效区内。对于片角度来实现，且均在高效区内。对于Q=66 m3/s，H=900Pa的风机，的风机，确定其叶片数为确定其叶片数为Z=14。2、风机静压比、风机静压比75%的设计方案的设计方案 从提高风机本体的静压比入手，兼顾风机全压值与轮毂比，采用较从提高风机本体的静压比入手，兼顾风机全压值与轮毂比，采用较宽的叶片弦长、增设导流罩、合理配置导叶等以保证较高的静压比；同宽的叶片弦长、增设导流罩、合理配置导叶等以保证较高的静压比；
5、同时，优化风机结构，通过在风机两端增设钟形管的办法以满足静压比达时，优化风机结构，通过在风机两端增设钟形管的办法以满足静压比达到到75%的要求。的要求。Q=55m3/s，H=800Pa；Q=60.5 m3/s，H=800Pa风机设计工况曲线图风机设计工况曲线图Q=66 m3/s，H=900Pa风机设计风机设计 风机设计工况曲线图风机设计工况曲线图二、防喘振装置的设计二、防喘振装置的设计 为保证地铁风机能安全运转，专门设计了与风机相匹配的防喘振装置。喘振现象喘振现象具有“驼峰”形性能曲线的轴流风机，若其工作点在曲线上K点的左侧，即在不稳定区内工作时，就会出现喘振现象，即风机的风量在瞬间发生数值不
6、等的周期性的反复变化的现象。本公司为满足地铁环控系统消防安全的需要，避免采用机械式或安装报警装置达到消防安全的问题，对防喘振装置的设计研究引起了高度重视，通过大量的研制和试验验证，研制出与国际先进设计完全一致的防喘振装置，其防喘振效果极为明显，并已获得国家实用新型专利。1吸入口2外壳3导向叶片4内圈5引导流器6法兰防喘振装置结构防喘振装置结构：防喘振装置主要由外壳、内圈，置于外壳和内圈之间均匀分布的导向叶片，置于外壳一端的引导流器等组成。下图为防喘振装置整体结构半剖视图和AA面剖视图。防喘振装置安装于风机叶轮进气端前端，对于TVF风机，由于其具有正逆转功能，故叶轮两端均需安装防喘振装置。对于不
7、同性能参数、不同叶轮尺寸的风机，必须配有专用的防喘振装置。安装防喘振装置后，此时叶尖处产生的涡流通过防喘振装置，从空腔的导叶使气流与主气流相遇，在主气流的带动下，进入叶轮加速形成顺流，使其消除叶尖处产生的涡流，减弱气流堵塞状态，从而有效地消除风机的喘振现象。三、风机强度有限元分析计算三、风机强度有限元分析计算根据TVF风机在各个地铁工程中的不同要求，本公司对风机总体结构进行了最优设计，使风机各部分结构可靠、匹配合理，尽量减少流道中的旋涡冲击和流阻损失，尽可能降低气流和结构噪声，采用国际上最先进的软件I-DEAS（7.0）和ANSYS对各关键零部件进行了强度分析，保证了风机的强度和可靠性。下面分
8、别是风机轮毂及叶片有限元分析的立体模型和应力分布图：轮毂模型 叶片振型“摆”叶片振型“扭”叶片模型图 轮毂应力分布图 叶片应力分布图 四、风机总体结构设计与降噪措施四、风机总体结构设计与降噪措施叶轮的气动设计从叶片叶型、叶片安装角、叶片数、轮毂比等方面着手，保证了风机能适应较广的工作范围。风机总体结构应保证风机流道呈流线型，尽可能使气流在流道内均匀流动，最大限度地降低气动噪声。图为此风机的总体结构图。为满足气流的均匀性，在总体结构上采取了以下主要措施。1、电机2、导向叶3、叶轮4、防喘振装置5、空间段6、整流罩7、注油咀8、接线盒9、底脚10、内筒1、电动机选择的技术要求(1)为保证电机有很好
9、的冷却效果，在电机外装设一内筒并开设若干条冷却槽。这些冷却槽的设计，既要保证电机得到充分的冷却，又要避免因冷却槽开设不合理引起涡流导致噪声提高。(2)为使电机拆装检修方便，在电机基础底部增设了一个推杆滑槽结构，可以很方便地进行电机的拆装检修。(3)为保证电机与风机壳体的连接牢固、可靠，并考虑TVF风机在高温状态下热膨胀系数的影响，同时也为了减少风机流道内的旋涡损失，在风机和内筒之间增设了导叶，既可以加强内筒的刚度，降低内筒结构声的辐射，又可对气流起到导向作用。(4)为降低电机本身的机械噪声，电动机轴承采用了SKF品牌的轴承。同时，对电机制造厂提出了定子和转子的间隙要求，使其尽可能降低电磁噪声。
10、(5)电动机是地铁隧道风机的关键部件之一，其防护等级、绝缘等级、防湿热、耐高温等要求具有一定的特殊性，我们选择了对该型电机有相应业绩并有丰富经验的电机制造厂。2、在叶轮轮毂处增加整流罩，进出口处安装双扭型线钟形喇叭口，保证进出口流道呈流线型，使气流较均匀地流入叶轮和叶轮流出，并减少进出口因截面突变而产生的流动阻力和涡流噪声。3、电机的支撑肋和内筒上的固定导叶在叶轮旋转时会产生相应干涉频率，以及由此而引起的干涉噪声，为降低干涉噪声的峰值声级，选择支撑肋与导叶成为奇数，并确定导叶与动叶之间的合理间距。4、叶轮的动平衡精度达到ISO2.5级，使其减小振动值，并降低由振动引起的噪声。5、为减少风机振动
11、传递到基座，在风机与基座之间安装隔振垫。隔振垫的选择和布置是根据保证风机在长期运行条件下隔振垫能承受动载荷并有良好隔振效果而确定的。隔振垫为SH型板式结构，上下二层为钢板，中间为橡胶层。6、风机本体用耐高温橡胶软接管与主风管相连接，以降低传递至风管的结构振动及声的辐射，软接管材料为耐高温织物与橡胶的复合材料。7、在叶轮结构上，对于静态可变叶角风机，叶片和轮毂的联接采用了圆柱法兰边内六角螺栓紧固和圆锥面定位的组合联接方式，既达到叶片与轮毂牢固安装，又可以根据隧道内实际需要的变化而改变叶片安装角，使风机具有不同的性能参数，满足系统不同要求，达到所需风量并仍能保证风机具有较高的效率。五、风机正反转切
12、换电路控制设计五、风机正反转切换电路控制设计保证风机在14秒内启动到额定转速我们运用了核电厂核级风机在装机250kW、风机线速度96m/s的条件下，保证6秒钟内启动的设计方案，一方面通过控制转子重量，最大限度地减少风机启动惯量负荷，另一方面，提高电机轴承档次（SKF）和叶轮与电机的装配精度，使其绝对保证风机启动时间。另外，采用PLC控制风机反转，在30秒钟以内达到正转和反转切换到额定转速。本公司针对TVF风机正反转切换采用的是能耗制动方式，其原理为：在电动机定子绕阻与交流电源断开后，立即使其二相定子绕阻接上一直流电源，于是在定子绕阻中产生一个静止磁场，转子在静止磁场中旋转产生感应电动势，转子电
13、流与固定磁场所产生的转矩阻碍了转子的继续转动，因而产生制动作用，使电动机迅速停止。可逆正反转切换电气控制原理框图：1、9 塑壳式空气开关2、3、4 电流互感器5、7、10、12、13、14 交流接触器6 自藕变压器8 制动变压器11 整流装置15 热继电器16 可编程序控制器17 电动机18 停止按钮20 模拟故障起动按钮21 外接自动控制触点22 遥控触点六、气动性能试验及耐高温试验、验证六、气动性能试验及耐高温试验、验证自2000年4月9日召开地铁隧道风机新产品（省重大科研项目）鉴定会后，根据专家意见，本公司对TVF风机作了大量的设计改进和创新工作，同时围绕各个地铁工程的不同要求，制作了十
14、多台TVF风机样机，并进行了近三十多次的试验，同时，模拟地铁隧道安装实况制作了各类风阀、消声器及其辅助设备进行试验验证。模拟隧道实况安装模拟隧道实况安装本公司按国家最新标准（等效采用国际ISO-5801标准）建造了大型气室试验台，该试验装置是目前国内同行规模最大，设施最齐全、技术性能最先进的试验装置，经国家一级科技查新咨询单位水平检索表明，该装置处国内领先，达到国际同类当今先进水平，该装置已通过了省技术监督局的鉴定。2001年2月，我们又专门邀请国内地铁界的专家教授到公司指导，重点对TVF风机进行实测考评，一致认为该型风机设计是先进的，特别是TVF风机的防喘振装置及能耗制动正逆转切换二项技术不仅对TVF风机而言，而且对其它用途的轴流风机在性能方面都提高了一个档次，是我国风机行业轴流风机技术上的一大进步。按ISO5801标准建造的风机气动性能试验台TVF风机耐高温试验按我国的惯例委托国家防火检测中心检测，我们曾分别将12.5#UPE/OTE和18#TVF风机到国家定点灭火系统和耐火构件质监中心检测，在280高温条件下，连续安全运行60min（国标规定30min）不损坏，是目前国内风机行业耐高温试验机号最大、试验时间最长的TVF风机。
