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1、煤炭科技煤矿通风机节能技术发展“十二五”规划一、煤炭科技煤矿通风机节能技术现状与需求（一）现状及存在的问题1. 煤矿主通风机现状分析煤矿地面主通风机担负着向全矿井提供新鲜空气、排出有毒、有害气体的重任，被誉为整个矿井的“肺脏”，其安全、可靠运行事关整个矿井的安全。随着世界范围内能源短缺和经济增长对能源需求的增加，迫切要求人们节约能源和保护环境。而矿井主通风机每天都必须运行，选择节电、低噪型通风机就显得非常重要。20世纪80年代后，由于采用了新技术、新工艺，通风机的效率提高了510%，扩大了调节范围，提高了变负荷条件下通风机的运行效率。随着我国经济的迅猛发展，煤炭在国民经济中的作用日益增强。20
2、05年我国煤炭产量达到21.6亿吨，占我国一次能源消费总量的约70。矿用通风机是保证煤炭安全生产的最主要设施，据统计我国目前在役的矿用主通风机约16000台，矿用局部通风机约25万台，矿用通风机总装机容量约为4000万千瓦，耗能巨大。目前国内在运行的煤矿主要通风机规格、型号如下： (1)电动机外置式单级轴流通风机(GAF单级，K40，K54，K55，K58，K61，K65)。 (2)电动机外置式双级轴流通风机(70B，2K56，2K58，2K60，GAF双级)。 (3)对旋通风机(BD40，54，56，58，60，65，66)。(4)离心通风机(电动机外置)(K472，K4273)。表1 若干
3、矿用主通风机性能参数表（钢板机翼形）通风机型号电机功率KW电机效率静压效率风量m3/min静压Pa噪声dB（A）BK54-4-10BD-8-24BD-8-25.8BD-8-24BD-8-26BD-8-281521852250225022502400869394.4909393 76.175.680.284.478.683.76996180601066528056831084425232524298329504291107 92.365.597.790 表2 国内矿用主通风机的无量纲性能参数如下表主通风机型号压力系数a流量系数比转速ns静压效率/s备注BK40BK54GAF单级2K562K60B
4、D40BD45BD50BD54BD58BD62BD65ABD66K4-72K4-2730.060.090.18760.190.400.170.190.210.250.250.360.330.420.430.430.220.170.24840.170.240.230.220.200.230.270.210.220.220.220.431720614311680148134117111122818873721038080848582807979.481.57879.180778986样本样本样本样本样本样本资料厂内测试厂内测试厂内测试厂内测试厂内测试厂内测试资料资料一般说来，BK40、54等单级通
5、风机适用于压力较低，需风量较大的低风阻矿井；2K56、2K60和BD系列适用于中、高压矿井；而离心通风机适合用高压、需风量较小的矿井。与之相对应，从表4可看出：无量纲压力系数较低的通风机适合于低风阻矿井，反之适合于高风阻矿井；比转数较低的通风机适合于风量要求较小的矿井，反之适合于风量要求较大的矿井。对旋通风机结构特点：(1)对旋通风机与二级轴流通风机相比，它无导叶，两个旋转方向相反的叶轮互为导叶；(2)两个叶轮分别直联在各自的电动机上，因此要求配备两台电动机；(3)两台电动机置于通风机内部，与叶轮直联，不需要长轴结构，因此对旋通风机结构紧凑，安装调试方便。特别适合于安装场地受到限制的矿井。另外
6、，由于电动机内置，省去了电动机房的土建，与长轴结构的轴流通风机相比，可节省大量的土建成本；(4)对旋通风机的消声器与扩压器直联，结构紧凑，一般来说，不必另外建造消声塔，节省土建成本；(5)对旋通风机由于电动机内置，维修不便。电动机散热条件差，对电动机有特殊要求。性能特点：(1)效率与二级轴流通风机相当；(2)良好的反转反风性能；(3)可单级运行，但必须配备后导叶，否则效率很低。单级运行时风压只有双级运行的一半左右。电动机外置式双级轴流通风机结构特点：(1)有两个动叶轮，分别配有导叶，两级动叶和导叶的形状可完全一样，省去叶片模具成本；(2)配备一台外置电动机。由于电动机外置，散热条件较好，对电动
7、机维修方便；(3)由于用长轴连接动叶轮和电动机，安装要求严格，结构不太紧凑，前置长轴穿过气流通道，需置S型弯道；(4)需建电动机一通风机房，土建成本较大；(5)安装场地要求较大。性能特点：(1)与对旋通风机相当；(2)由于存在导叶，反转反风性能不如对旋；(3)此类通风机在国外广泛应用，历史悠久。离心风机结构特点：(1)安装较为方便，但双面进气用双支承轴较长。有蜗壳，径向尺寸很大；(2)电动机外置，散热条件好，易维修；(3)安装调节门(前导器)后，启动时关小调节门，启动功率小，易启动，且能调节风量、风压。性能特点：风量较小，风压较高，效率也较高。表3 各类矿用主通风机的评价名称长轴双级轴流对旋离
8、心效率电动机维修安装简便结构紧凑综合成本风量安全性总体来讲，通过近几年的规范整顿，所有的矿井都基本上采用了符合要求的主通风机，并制定了以风定产的安全措施，由于主要通风机出现故障而造成的事故大为减少。衡量风机技术水平主要从产品标准化、通用化、系列化的程度和容量、转速、效率及噪声等几个方面考察。产品的标准化、通用化、系列化能够降低产品成本、缩短生产周期，扩大产品使用范围，以较少的零件品种达到较大应用范围的需要，产品质量与工艺要求都容易得到保证，同时可采用专用设备与流水线操作，提高了生产效率又降低了产品维护成本。风机采用大容量后可使一台机组替代几台机组，这样可降低设备和建造费用，节省材料，节约能源，
9、便于管理和采用自动化技术。提高了风机转速后，可节省材料，减少体积，减轻重量，同时为运输和使用带来方便。风机是一种使用量大面广的通用机械，它的高效和节能对于国民经济建设具有重要意义。据统计，风机的电能消耗约占全国发电量的810%。因此，提高风机的效率和运行效率是十分必要的。2. 煤矿主通风机存在的问题（1）风机低效率运行据中煤集团和煤科总院2004年的调查表明，我国在役的矿用主通风机运行效率低于40%的占20%，运行效率高于70%的不足10%。对于在役的局部通风机，平均运行效率低于60%，其中地方煤矿平均运行效率仅为48%。这同西方发达国家约85%的平均运行效率相差甚远，节能潜力巨大。煤矿选用的
10、主通风机大多数采用异步电动机驱动，特别是近十年来普遍选用防爆对旋轴流式，电机的调速控制几乎是一片空白。主要原因是交流异步电机调速困难。机械调速方式体积庞大，维护困难。电力调速在变频调速系统出现前系统复杂、损耗大。因此不得不放弃这种有效的性能调节方式。（2）高噪声噪声对人们的听觉、视觉、神经系统、心血管系统、消化系统和内分泌系统都有严重危害。风机是一个较强的噪声源。如锅炉送风机的噪声可达124dB。对噪声的控制也是我国风机行业广大技术人员一直在努力的一个重要方向。利用气动声学原理来设计低噪声风机是从噪声源处着手，没有为降噪而增加质量、空间和成本，具有较大的吸引力，但难度较大；采用消声、隔声或吸声
11、等无源噪声控制措施可以取得了不错的效果，但也存在低频噪声难以消除，质量和成本增加等问题；有源噪声控制技术通过引入二次声源建立一个相消干涉模式，从而实现指定区域内声能降低或消除的目的，具有良好的解决低频噪声问题的潜力，但也存在一些缺点：其一是有源控制只对风机低频窄带比较成功，其二是实际应用中需要复杂的控制系统，这在硬软件方面都存在极大的困难，其三是有源控制系统中采用的电子设备过于昂贵。（3）加工手段落后，质量难以保证世界上较著名的通风机企业主要有德国TLT公司、英国豪登公司、丹麦诺文科公司、德国K.K.K公司及日本荏原制作所等等，这些公司技术先进，科研实力雄厚，都能设计三元叶轮并进行计算机仿真和
12、优化设计，他们加工三元叶轮的工艺方法也非常先进，如意大利新比隆公司采用开槽焊接技术，德国德马格公司采用钎焊接技术，而国内还未将这些技术应用于生产；在五座标铣制叶轮方面，国外先进厂家加工效率比国内高23倍；在叶轮焊接方面，国外采用数控自动焊，而国内还在沿用手工电弧焊的落后工艺方法。国外的小型通风机产品的外观质量相当于工艺品，涂装质量既牢固又漂亮；国内近几年虽有所提高,但仍有很大差距。我国装备制造业总体水平不高，生产矿用通风设备的制造企业加工制造工艺更显落后，无法完成精细化、规模化生产，这就导致在主通风机在关键部件及关键工艺上难以得到可靠的质量保证，为煤矿安全通风带来隐患。（4）叶片等关键部件检验
13、手段缺乏，存在故障隐患目前国内煤矿多采用轴流式通风机，其气动性能已被广大用户认可接受。但是由于风机从设计、制造到使用维护过程中，都有一些造成风机运行可靠性不足的问题，运行故障率较高，如叶片断裂、电机温度过高、主通风机运行工况不稳定、气动风机齿轮马达易损坏、轴承润滑结构不完善等，这些给煤矿生产带来一定的安全隐患，并大大增加了风机生产厂家和用户的维护费用。如何提高主通风机产品运行可靠性，降低故障率，是现阶段亟待解决的重要课题。（5）设计方法落后目前国内矿用通风机的研究和设计还基本停留在二维无粘假设的基础上，矿井通风系统的设计与计算甚至还停留在一维损失模型的水平上，矿用风机准三维和全三维数值研究与应
14、用工作，还基本上是空白。国外通风机企业为了进入中国市场，他们采取了与我国通风机企业合资、合作等方式，而英国豪登公司已在国内建立了独资企业，早已参与了国内的通风机市场竞争。3. 煤矿局部通风机现状局部通风机，向矿井下局部地点供风的通风机，主要用于掘进通风。按布置方式可分为压入式、抽出式和混合式三种。压入式局部通风机是将新鲜空气通过风管压到工作地点，电动机不需隔流。抽出式局部通风机是将污风从工作面抽走，电动机需隔流。局部通风机有JBT系列通风机、子午加速行系列通风机及对旋轴流式系列通风机3类。目前，我国煤矿用局部通风机生产企业90家，主要分布在重庆、山东、山西、河南、江苏、湖南、江西等19个省(区
15、、市)。技术力量、设备条件、管理水平、执行标准状况和经营思路各不相同，产品质量、技术性能差异较大。产品质量、性能指标和技术水平不容乐观。（1）JBT、YBT系列单级轴流式局部通风机是我国20世纪50、60年代引进前苏联的产品，体积小、价格低，但噪音大，全压效率低，风压偏低。其全压效率约60%73%左右，噪声103111dB(A),有的甚至达到l27dB(A)。风机效率低，造成了能源的严重浪费。噪声主要集中在中、高频率范围，刺耳的尖叫声严重影响了工人的正常作业和身心健康，并且掩盖了一定距离内行车声、机械运转声和信号电铃声，易引起伤亡事故。近两年，个别企业与高校或科研院所合作，对YBT产品进行了技
16、术改造，在小型号上改善了风机叶型和加装了消音器，取得了较好的效果。但大部分产品不符合现代生产环境的要求，属于应该被淘汰的产品。（2）斜流式(也称：昆流式)局部通风机是20世纪90年代初期发展起来的新型风机，具有空气轴向流动、高效运行区域宽、噪音小等优点。但风压偏低，在效率指标上形同虚设，生产工艺、技术还不成熟，目前国内生产企业约有4家，规格型号和使用量较少，未形成批量和系列化生产。（3）对旋式局部通风机是20世纪80年代末、90年代初研制并迅速发展、推广的一种局部通风机。目前机号有4.0至10.0等；装机功率有1.lkW2至75kW2等；工作方式有压入式、抽出式和压抽式等；叶片材料有钢叶、铜叶
17、片、铝合金铸造叶片和塑料叶片等。表4 国外对旋局部通风机主要性能国家型号风筒直径Mm全压Pa风量m3/min电机功率kw额定转速r/min日本日本日本日本日本日本日本德国德国德国德国德国德国德国波兰波兰波兰波兰波兰MFA40P2SC4MFA50P2SC4MFA60P2SC6MFA60P2SC3MFA90P2SC3MFA100P2SC6MFA100P2SC3GAL5-45/45GAL5-60/60 GAL5-75/75GAL6-110/110GAL6-150/150GAL7-220/220GAL7-300/300WLE-503AWLE-603AWLE-603BWLE-803AWLE-1003B4
18、005006006009001000100050050050060060070070050060060080010001300-2800190042001900390028006000220042002100450024005500190-3100200-3680280-4400380-4700400-5400400-5900560-6500700=35001100=5500900=5300800=57001100=5900180-12040022050031060040090055012008201300850187-120204-123243-123336-186358-240564-34
19、8685-432252-138402-228400-220558-348775-5905.521521523023023725524.52627.521121522223027.5215218.522223723000300030003000150015001500300030003000300030003000300030003000300030003000注：日本的全压效率070078，噪声6885dB(A)；德国的全压效率06307；噪声7890 dB(A)；波兰的全压效率060075，噪声8492 dB(A)。制造商：日本三井三池制作所；德国YORTE；波兰ROWEN。专家们认为：中国
20、的通风机在气动设计和气动性能方面已处于国际水平，但通风机的加工工艺、设备落后，外观质量较差。对旋式局部通风机一般由容量相同的隔爆电动机驱动，两个风叶轮采用不同的叶片数，一级叶轮的叶片安装角大于二级叶轮的叶片安装角。二级叶片还兼备普通轴流式风机中的静叶功能。测试证明：对旋式局部通风机的通风效率比前置静叶型两级普通轴流式通风机高约8%10%,比后置静叶型高约4%5%；具备良好的逆风性能，逆向风量可达60%70%。目前，对旋式局部通风机均采用了外包复式消声器结构，有效地降低了噪声。实验证明：噪声频率越高，吸声系数越高。在125Hz500Hz时，吸声系数只有0.30.5左右，在1000Hz以上吸声系数
21、可达0.8以上，4000Hz时可达0.95。近年来，部分高校和科研院所对矿用通风机技术进行了深入的研究，先进的理论、计算方法和结构优化等得到较好地应用，促进了矿用通风机产品行业技术水平的提高。表5 我国部分矿用对旋局部通风机性能参数通风机型号电机功率KW全压效率风量m3/min全压Pa噪声dB（A）备注5.06.36.07.16.06.725.5218.521123721523080.080.878.280.281.277.11773652785842944002606506233505876433359139089.28996.2单弧板叶型机翼型叶片机翼型叶片单弧板叶型单弧板叶型单弧板叶型表
22、6 局部通风机的评价名称YBT、JBTBKJ、2BKJ对旋斜流效率性能曲线送风距离噪声结构紧凑成本4. 煤矿局部通风机存在的问题目前局部通风机主要存在的是加工质量问题。部分生产企业因局部通风机价格低，利润小，不太重视，投入小。主要问题有8个方面。（1）叶型尺寸叶片是通风机的核心，是保证通风机达到性能的关键部件，应保证叶片的叶型符合样板坐标，一方面严格检验模具的准确性，对钢板压制工艺，应考虑反弹因素，最好要求设计者在样板坐标上给出叶型在轴向的投影长度L和在周向的投影长度L1，可以方便地检查叶片安装角；另外，应用样板检查叶型是否符合给定的坐标，样板与叶型之间的缝隙不应大于05b(b为叶片弦长)。在
23、叶片加工中要注意叶型前、后缘的加工质量，特别是叶型后缘的小圆，应符合样板坐标规定的尺寸，尤其是铆焊工艺，一般加工都比较粗糙。（2）叶片表面粗糙度应保证叶片表面粗糙度，特别注意叶片表面绝对不能有凹凸不平或明显的划痕。（3）安装角叶片安装角严重影响通风机性能，相差1就有可能使效率相差12，使通风机的风量、风压相差25，若安装角度偏大，可能会导致电动机超功率，电动机烧毁现象。因此应严格检查叶片沿叶高各截面叶型的安装角。通风机制造企业应加工叶片焊接模具，具备检测叶片的专用工具，检测叶片叶型坐标和安装角的误差。（4）通风机流道加工质量由于通风机流道为铆焊件，焊接质量成为关键，最常见的问题是焊接质量差，焊
24、缝不连续，不光滑，气流流过时会产生很大阻力，使通风机效率降低。对流道的加工应特别注意：支撑、导叶与机壳的焊接质量；法兰、垫片的连接应保证流道的光滑；各部件的轴向间隙应符合图纸要求。（5）径向间隙径向间隙严重影响通风机效率，应严格按MT2222007的规定控制。（6）消声器加工质量消声器是降低通风机噪声最有效的措施。但加工不当，严重影响消声效果，最常见的问题有两个：消声棉(矿渣棉，超细玻璃棉等)没有压实，应严格按照规定的密度操作，例如对矿渣棉，应保证240kg/m3，对超细玻璃棉应保证25kg/m3；消声器多孔钢板涂刷防锈漆应放在第一道工序，如放在末道工序，防锈漆将纤维布的孔隙堵死，使消声棉不能
25、吸声，大大影响消声效果。（7）安装改进叶轮安装方式，避免大力敲打；电动机的定位安装水平也影响电动机同心度和叶片间隙。（8）流道设计应对通风机流道进行优化设计，符合气动力学规律，避免出现尺寸的急剧变化，如进口导流帽、轮毂与电动机外形尺寸、后消声器的导流锥收敛角度，电动机穿线管结构等均对通风机性能产生较大的影响。（二）趋势及需求分析1. 煤矿主通风机技术趋势及需求矿用通风机内部流动是全三维、粘性、非定常流动，存在着十分复杂的旋涡分离流动、湍流流动、不稳定流动等。而由主扇、风硐、风井、巷道、采掘工作面、采空区、硐室及数十台甚至近百台局部通风机及管道网络等组成矿井通风系统内部流动将更加复杂，是全三维、
26、粘性、多组分、多相、非定常的流动。必须掌握了矿井通风机和复杂矿井通风系统流场结构和损失机理，才有可能改进和控制矿井通风机及其通风系统的气动效率和节能技术水平。近20年来，伴随着计算流体力学和控制技术的迅猛发展，矿用风机的设计技术得到了巨大发展，从简单的一维无粘流动的直叶片设计、到具有代表性的二维无粘流动的等环量扭曲叶片设计、可控涡设计、再到准3维无粘流动的S1、S2流面的弯扭掠叶片设计等。特别是近10年来，全三维粘性计算流体力学技术已推广到西方发达国家矿用风机及其系统的分析、控制与优化设计中。不仅如此，西方发达国家还将计算流体力学技术和控制技术等有机结合，应用于风机本体、系统及运行的全过程的流
27、动数值研究与分析，基于全三维粘性流动数值研究与分析的叶片优化设计、通流部分设计、叶片调节和电机变频调速技术为一体的风机及系统优化设计技术极大地提高了风级的运行效率和节能技术水平。目前，英国Howden、Keith-Blackman公司、美国的Bonanza Fans、Buffalo Forge、Fairchild、Joy、Strobic Air、TLT-Babcock公司、德国的TLT、Turmag、3K、Vortfx公司、日本的三井三池制作所、生产的矿用轴流主通风机或局部通风机的运行效率均保持在8487%以上。主通风机的新型应用技术研究方向主要体现在以全三维粘性计算流体力学技术为基础，从风机
28、本体节能、系统节能及运行节能三个方面开展矿用风机节能技术研究。包括矿用主通风机流动损失机理及控制技术的研究、复杂矿井通风网络系统内部流动损失机理与优化设计研究、风机气动优化技术、通风网络优化、电机变频调速、电机风机系统匹配等节能技术集成研究和矿用风机智能运行控制系统等。使我国矿用通风机节能技术水平达到国际先进水平，风机效率达到85%以上，系统运行效率达到85%以上，噪音85dB以下，通风量提高1020%，实现节能30%以上，具体实现方法如下：（1）全三维粘性计算流体力学的设计理念利用全三维粘性计算流体力学技术深入开展老式一级、二级矿用轴流主通风机（BY、70B2系列）、老式矿用离心主通风机（G
29、4-73、4-72系列）、80年代以后研制的矿用轴流主通风机和对旋轴流通风机（2K、BD(K)、GAF系列）各系列矿用主通风机流场结构、流动损失机理、流动控制方法及变工况特性的研究，在此技术上开展叶片优化设计、叶轮有优化设计和通流部分优化设计和实验验证；通过全三维粘性计算流体力学技术揭示和预测采用叶片调节技术、电机变频调速技术后风机本体、系统及运行特性；通过以上研究，掌握矿用主通风机节能关键技术，并为矿用风机集成技术研究与自动运行控制系统的研制提供基础。（2）主通风机变频节能技术的推广此外，由于矿用风机设计及节能技术水平低，较大一部分电能转化为噪声，严重影响煤矿生产环境和人们的身心健康。因此开
30、展矿用风机节能技术研究在节能、安全、环保三方面具有重要意义。以往主通风机未能采用调速方式的原因，主要是因为其采用的高压交流异步鼠笼式电动机驱动方式，在调速技术上难以实现。随着电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展，高压变频调速技术已经成熟，价格也在用户接受范围内。主通风机实现变频调速可以达到以下目的。(1)实现真正意义上的软起动，减小风机起动时对电网的冲击，减小对电网容量的要求（直接起动时，要求电网容量是电机额定功率的5倍以上）。(2)减小机械损耗，延长设备寿命，降低噪音，安全环保。(3)提高功率因数。大型风机属于电感负载，功率因数低，额定负荷时，普遍只有75%左右，采用变频调速技术，功率因
31、数可提高到90%以上，减少了无功损耗，改善了电网品质。(4)提高系统效率，能随时根据矿井通风网络的变化，调节风机性能与之匹配，始终保持风机在高效区运行。现有风机最高效率普遍在80%以上，而实际运行效率在20%左右。至少有15%以上的节能空间，节能前景巨大。(5)实现自动化控制。由于变频器采用了微电子技术，标准的通讯协议，输入、输出端口，可以十分方便的实现自动控制。综上所述，研制的主通风机变频调速装置是一种量大面广，适应性强的高科技产品，符合国家节能环保政策，增加企业的经济效益。具有重大的社会效益和经济效益。（3）主通风降噪研究随着科技的进步，在风机噪声控制领域内，有源控制技术方面的研究将会越来
32、越多地得到实际应用。但是，一些无源控制技术目前仍然是基本的应用措施与手段。对风机噪声的控制，最积极最根本的措施是从声源上根治噪声，即设计制造高性能、低噪声的风机是控制风机噪声的根本途径。从噪声源和消声器两方面入手，对主通风机进行降噪研究。在噪声源方面，对气流参数和结构参数进行研究，对风机的核心部件叶轮进行优化设计，找到从噪声源上降低对旋风机噪声的办法，在消声器方面，对通风机的消声器进行优化设计，找到从转播途径上降低对旋风机噪声的措施。（4）大力加强通风监管随着煤炭资源的大量开采，煤炭生产安全问题日趋严重，2005年我国煤炭安全事故死亡人数高达5938人，百万吨死亡人数是发达国家的100倍以上。
33、而据国家安全生产监督管理局的统计，造成煤矿安全事故的原因超过三分之一在于通风问题。（5）提高核心部件可靠性煤矿主通风机是大型固定设备，它的安全性直接影响矿井的生产。提高核心部件可靠性对提高通风机运行可靠性，降低因叶片等故障导致的事故率，在预防煤矿安全事故的同时，也提高了煤矿生产效率，其社会效益是不可估量的。具体方法表现在：从设计上对风机的关键零部件叶片进行材质、结构设计研究，并进行各种型号风机叶片理论强度计算，通过各种必要的力学性能试验进行校核；对叶片以及其它关键零部件从原材料、制造工艺、检测检验等方面进行可靠性分析研究；叶片无损检测工艺研究；优化电机散热结构的研究；控制风机喘振、振动的研究。
34、2. 煤矿局部通风机技术趋势及需求现今，国内外在局部通风机的研发和推广应用上总体趋势基本相近，主要都是在普通轴流、子午加速和对旋局部通风机等方面做了许多的工作。国外更提倡产品的多样化并注意有针对性地推广应用。在不断完善所开发的局部通风机产品的同时，还重视设计生产与局部通风机配套使用的附属件。对于地方中小型煤矿，掘进巷道不长，适宜选用单级普通轴流或子午加速局部通风机；对于国家统配矿井，掘进巷道较长，选用对旋或双级普通轴流局部通风机是合理、可行的。为了进一步提高单级普通轴流和子午加速局部通风机的压力，以适应增大通风输送距离的要求，开发前导叶叶轮后导叶的局部通风机是必要的。从降低噪声方面考虑，开发离
35、心叶轮和轴向导流的筒型机壳的局部通风机，亦是新的研究方向。随着我国煤矿采掘机械化水平的提高，巷道掘进中产生的大量粉尘和沼气，严重地污染井下空气。因此，矿井局部通风不仅要满足掘进巷道中风压和风量的要求，还需考虑清除巷道粉尘和烟雾的污染，通风与除尘必须同时进行，压入式和抽出式混合通风以及大功率局部通风机的开发必将提到日程上来。二、“十二五”规划的指导思想、发展思路与目标（一）指导思想近年来，伴随着计算流体力学技术和控制技术的迅猛发展，西方发达国家已将全三维粘性计算流体力学技术应用于风机设计与改造中，并指导和推动叶片调节技术、电机变频调速技术和运行控制技术的应用，从而大幅度提高了矿用风机的节能技术水
36、平。另一方面，由于技术研究投入少和自主创新能力差，我国矿用风机总体设计及节能技术水平远远落后于西方发达国家，大量陈旧产品仍在运行中。例如，我国目前重点煤矿使用的主通风机共有1000余台，平均运行效率不到60%，而我国目前非重点煤矿共有主通风机约15000台，平均运行效率不足50%，这同西方发达国家约85%的平均运行效率相差甚远。由于矿用风机设计及节能技术水平低，较大一部分电能转化为噪声，严重影响煤矿生产环境和人们的身心健康。不仅如此，由于矿用风机效率低、通风能力差，煤矿安全生产事故频繁发生，给人民生命财产造成巨大损失。因此开展矿用风机节能技术研究在节能、安全、环保三方面具有重要意义。（二）发展
37、思路1. 深入煤矿和矿用风机生产企业，进一步收集整理我国在役的7个系列（BY、70B2、G4-73、4-72、2K、BD(K)和GAF系列）矿用主通风机、5个系列（YBT、JBT、BKJ、BDJ、DSF系列）局部通风机、5类矿井通风网络系统（中央式、对角式、分区式、区域式和混合式通风系统）及运行控制系统（包括叶片调节系统、电机变频调速控制系统系统等）的有关资料和详细技术参数。2. 利用全三维粘性计算流体力学技术深入开展老式一级、二级矿用轴流主通风机（BY、70B2系列）、老式矿用离心主通风机（G4-73、4-72系列）、80年代以后研制的矿用轴流主通风机和对旋轴流通风机（2K、BD(K)、GA
38、F系列）各系列矿用主通风机流场结构、流动损失机理、流动控制方法及变工况特性的研究，在此技术上开展叶片优化设计、叶轮有优化设计和通流部分优化设计和实验验证；通过全三维粘性计算流体力学技术揭示和预测采用叶片调节技术、电机变频调速技术后风机本体、系统及运行特性；通过以上研究，掌握矿用主通风机节能关键技术，并为矿用风机集成技术研究与自动运行控制系统的研制提供基础。3. 利用全三维粘性计算流体力学技术深入开展老式单级、双级轴流局部通风机（YBT、JBT系列）、70年代以后的子午加速局部通风机（如BKJ、BDJ系列等）、斜流局部通风机（如YBT系列）和90年代以来研制的对旋局部通风机（如DSF系列）各系列
39、矿用局部通风机流场结构、流动损失机理、流动控制方法及变工况特性的研究，在此技术上开展叶片优化设计、叶轮有优化设计和通流部分优化设计和实验验证等；通过全三维粘性计算流体力学技术揭示和预测采用叶片调节技术、电机变频调速技术后风机本体、系统及运行特性；通过以上研究，掌握矿用局部通风机节能关键技术，并为矿用风机集成技术研究与自动运行控制系统的研制提供基础。4. 利用全三维粘性计算流体力学技术深入开展中央式、对角式、分区式、区域式和混合式等5类典型的矿井通风网络系统内部全三维流场结构、流动损失机理、流动控制方法及变工况特性的研究；研究10种典型的由外扩散器、导风叶片、消声板、内部扩散器、主通风机、风门、
40、风硐及其他复杂形状管道组成的主通风机装置系统内部全三维流场结构、流动损失机理、流动控制方法及变工况特性的研究；在满足通风网络系统各节点通风流量、压力要求的基础上，提出减少管网阻力的多种节能技术改进措施，进行通风网络优化设计；通过以上研究，掌握矿井通风网络系统节能关键技术，并为矿用风机集成技术研究与自动运行控制系统的研制提供基础。5. 选择58个煤矿，利用全三维计算流体力学技术针对各煤矿现有风机、通风系统特点及通风要求开展采用叶片优化、叶轮优化、通流部分优化、叶片调节、电机变频调速技术、通风网络系统优化等各种节能技术集成的研究与性能预测，并通过研究选定与风机及系统相匹配的主通风机的电机功率，为煤
41、矿节能集成技术的应用提供技术依据和改造方案；在以上技术研究基础上进行风机节能集成技术设计及加工，为开展节能技术示范提供硬件支持。6. 为实现矿用风机及系统在各种工况下均自动运行在最高效率区，需实时调整叶片安装角、电机变频调速、导风叶片角度等，以全三维计算流体力学的计算与分析为指导研制运行控制调整与专家分析系统，建立矿用风机智能安全运行节能控制模块；在煤炭科学研究总院重庆研究院进行关键部件节能技术验证；在有条件进行试验煤矿进行具有智能安全运行控制系统的矿用风机节能集成技术示范。（三）规划目标1. 为我国在役的12个系列矿用风机的叶片优化设计、叶轮优化设计、通流部分优化设计等风机本体节能技术改造提
42、供核心技术和解决方案，大幅度提高我国矿用风机节能技术水平。2. 通过对5种类型的煤矿通风网络系统的全三维粘性流动数值分析与动态特性分析，提出安全高效煤矿通风网络系统设计技术准则，大幅度减少通风网络系统的阻力损失，并为风机选型、风机与系统管网匹配设计提供依据。3. 建立集叶片优化设计、叶轮优化设计、通流部分优化设计、叶片调节技术、电机变频调速技术、通风网络系统优化设计技术等为一体的全三维粘性数值分析与优化设计体系，掌握矿用风机节能技术集成的关键技术。4. 研制成功矿用风机智能运行控制模块，进行具有智能运行控制系统的矿用风机节能技术集成技术系统示范，该系统运行效率达到85%以上，噪音降为85dB以
43、下，通风量提高1020%。三、“十二五”规划的发展方向和主要任务（一）煤矿通风机节能技术发展方向1. 大型风机容量继续增大大型风机容量继续增大。随着国家政策及各个煤矿的整合，大型煤矿不断增多，需要通风能力越来越大，大型风机容量继续增大，因此，大机号的风机在未来几年在市场中将会受到欢迎。 2. 高效化正在进一步研究三元流动理论,扩大其应用范围。在透平压缩机方面,随着计算机的迅速发展及三元气流解析的应用,三元流动叶轮理论研究,已从准三元流动叶轮发展到全三元流动叶轮。三元流动分析法不仅用于叶轮设计,还发展到叶片扩压器静止元件设计中,以期达到最高的机组效率。三元流动叶轮在离心通风机中,也将得到越来越多
44、的运用。扩大调节范围,提高变负荷条件下风机的效率,即运行效率是风机高效化的重要方面。在所有调节方法中,以离心式通风机变转速调节,轴流式通风机的动、静叶片角度调节及鼓风机、压缩机的进口导叶调节为最佳方式。3. 高速小型化各类风机采用三元流动叶轮后,在提高效率的同时,压力也可提高,所以在同等条件下,叶轮直径可减少10%30%,这样就取得了缩小体积和减轻重量的明显效果。提高转速也是风机小型化的重要途径之一。4. 低噪声化风机的噪声是工业生产中噪声污染最主要的来源之一。风机大型化和高速化使噪声问题更加突出。风机的噪声主要是气动噪声，气动噪声包括旋转噪声和涡流噪声。对不同种类的风机，采用不同的降噪方式，
45、对于低频噪声风机主要通过改进风机结构设计，降低本体噪声。如仍达不到环保要求，则要配置消声装置。5. 智能化计算机集成制造系统在风机中得以广泛应用。计算机及自动化技术的迅速发展，使得风机制造厂普遍采用计算机各种单元技术，并在此基础上致力于企业实现计算机集成制造技术的应用。计算机技术的发展，带动了工业自动控制水平的不断提高。随着各种产业装置规模的不断扩大，对生产过程控制的要求，已从过去的单一工况参数控制发展到多工况参数控制，这样便可更好地满足生产工艺流程的要求，并从原有对具体设备的控制转变为对整个装置的综合控制。（二）煤矿通风机节能技术主要任务1. 开展7个系列矿用主通风机和5个系列局部通风机流动损失机理及控制技术的研究。2. 开展5类典型通风方式和10种典型主通风机装置系统的矿井通风网络系统内部流动损失机理与优化设计研究。3. 开展叶片优化、叶轮优化、通流部分优化、叶片调节、通风网络优化、电机变频调速、电机风机系统匹配等节能技术集成研究。4. 研制矿用风机智能运行控制模块，进行具有智能运行控制功能的矿用风机节能技术集成示范。