高速节能单级矿用局扇的制作方法

本发明属于矿井局部通风领域，特别涉及一种高速节能单级矿用局扇。
背景技术：
：矿用局部通风机发展至今，主流种类包括普通轴流式通风机和对旋式局部通风机。比如俄罗斯的cbm型局部通风机、英国kcith-blackma生产的68系列混流式局部通风机、英国davilson公司生产的“b”系列和“a系列”局部通风机(轴流式局部通风机)、日本三井株式会社三池制作所生产的“fma”系列通风机(对旋式局部通风机)、德国vortex生产的“vtex”系列轴流对旋式局部通风机。再比如我国的矿用局部通风机包括第一代by型(70b2)、第二代的06-2型、第三代的62a14-11和2k60型，其中ybt型为代表的普通轴流式通风机能耗高、噪声大已被列入淘汰产品目录。自60年代末冶金工业部安全技术研究所研究成功的jfd-5对旋式轴流局部通风机后，我国已经研制出从2×2.2到2×90kw系列对旋式局部通风机产品，从九十年代中期开始在国内各煤矿大量使用，其拥有大风量、高风压和高效率的特点而深受市场欢迎。但是也存在较多问题，经常出现电动机被烧毁，导致听风事故而严重影响煤矿的安全生产，特别是对旋式局部通风机高耗能和高造价的缺点，导致目前全国煤矿中使用的局部通风机在30万台左右中，ybt型普通轴流式通风机和对旋式局部通风机大约各占一半，矿用局部通风机的全面替代产品迫在眉睫。技术实现要素：本发明的第一个目的是提供了一种可以替代对旋式轴流局部通风机的高速节能单级矿用局扇。本发明的第二个目的是提供了一种高风压大风量高速节能单级矿用局扇。本发明的第三个目的是提供了一种制备高风压大流量单级矿用局扇的方法。为了实现第一个目的，本发明提供了一种高速节能单级矿用局扇，包括风筒，其中风筒内按进风口至出风口方向，依次(根据实际加工需求)设置有前导叶、叶轮、后导叶，特别强调的是，本发明的叶轮由单级电机驱动而不是双级电机驱动；本发明对现有矿用风机的较大改动是在风筒外设置有提频模块；需要强调的第一方面是，每台矿用局扇设置唯一所述单级电机，且单级电机转速v为4000-6000rpm，为单级电机安装的轴承为4级轴承或6级轴承；本发明的提频模块可以理解为一种变频器，通过提频模块可以智能调整电机转速，并且提频模块输出频率可以大大高于配电系统额定频率(50/60hz)，且提频模块的提频范围δh满足如下公式：δh＝h-h0＝v*p/60-h0p为电机极对数，v为电机转速；需要强调的第二方面是，本发明的每台矿用局扇仅设置唯一的叶轮，该叶轮至少具备如下三种性能中的一种或多种：200-960σb/mpa、屈服强度为165-445σp0.2/mpa；伸长率7-40σ5/％。为了进一步公开本发明的高速节能单级矿用局扇，下面组件及其连接关系可以帮助本领域技术人员依据本发明的构思来制得一种高速节能单级矿用局扇，但是这些公开不应该理解为对本发明的高速节能单级矿用局扇结构的限制，公开的第一部分结构为：风筒的进风口侧设有进风筒，进风筒通过消音筒与风筒法兰连接；风筒的出风口端设有扩压消音筒，扩压消音筒与风筒法兰连接；扩压消音锥设置在风筒内的靠近后导叶出风侧，椎尖向扩压消音筒内延伸；公开的第二部分结构为：单级电机还包括转轴、前端盖、绕组线圈、定子铁芯、机座、转子铁芯、后端盖、设置在单级电机的外壁周向的散热筋，轴承包括前轴承和后轴承。优选是，前轴承和后轴承均为6311轴承。为了进一步实现本发明的第一个目的，本发明优选的叶轮是铝合金叶轮，抗拉强度270σb/mpa、屈服强度为210σp0.2/mpa；伸长率7.9σ5/％的铝合金叶轮。为了进一步实现本发明的第一个目的，本发明的单级电机直径不超过500mm，单级电机的轴承为4级轴承或6级轴承，最优选的为6级轴承。下面对本发明的提频模块进一步优选，首选本发明优选的提频范围为83-150hz，比如当h0为50hz、p＝2、单级电机转速v为4000-6000rpm时，提频模块输出给叶轮的频率为133-200hz。本发明的提频模块通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器，选自但不限于正弦脉宽调制(spwm)控制方式、电压空间矢量(svpwm)控制方式、矢量控制(vc)方式、直接转矩控制(dtc)方式、矩阵式交—交控制方式。需要指出的是，本发明的矿用局扇还可另外包括用于无级变速控制的无级变速变频器，所述变频器的频率范围为0-200hz，优选的是0-150hz，进一步优选的是0-83hz。本发明的创造性构思为，将提频模块(2)与无级变速变频器集成设置，具体设置方式选自于已知的电气工程技术。另外，本发明的单级矿用局扇为电气设备，必然会涉及相应的控制器等其他元器件，本领域技术人员根据本发明的记载可以在现有技术中选择合适的电路布置方式和部件连接方式，这些合理的选择均在本发明的构思之内。本发明的术语“高风压”，本专利申请中所示例机型的额定工作点全压范围为5000-6200pa，该风压可满足矿井风压需求，特别是还满足在巷道掘进的过程中，通风压力随通风距离长短而变化的需求。本发明的术语“大流量”，本专利申请中所示例机型的额定工作点的范围为风量：30000-36000m3/h，该流量可满足矿井送风流量需求，特别是还满足在巷道掘进的过程中，要求的风量相对是一定的需求。本发明的术语“静压”的定义是：气体对平行于气流的物体表面作用的压力。通俗的讲：静压是指克服管道阻力的压力。本发明的术语“动压”的定义是：把气体流动中所需动能转化成压力的形式。通俗的讲：动压是带动气体向前运动的压力。本发明的术语“全压”的计算方式是：全压＝静压+动压。为了实现第二个目的，本发明还提供了一种高风压大流量单级矿用局扇，包括风筒，其中风筒内按进风口至出风口方向，依次(根据实际加工需求)设置有前导叶、叶轮、后导叶，特别强调的是，本发明的叶轮由单级电机驱动而不是双级电机驱动；本发明对现有矿用风机的较大改动是在风筒外设置有提频模块；提频模块的输出频率大于配电系统额定频率h0，且提频模块的提频范围δh的范围为16.7-150hz。需要强调的第一方面是，每台矿用局扇设置唯一单级电机，单级电机的轴承为4级轴承或6级轴承，单级电机转速v为按如下公式设置：v＝(h0+δh)×60/p；需要强调的第二方面是，每台矿用局扇设置唯一叶轮，叶轮至少具备如下三种性能中的一种或多种：抗拉强度为200-960σb/mpa、屈服强度为165-445σp0.2/mpa；伸长率7-40σ5/％。为了实现第二个目的，本发明还提供了一种制备高风压大流量单级矿用局扇的方法，包括如下步骤：s1：取叶轮，该叶轮至少具备如下三种性能中的一种或多种：抗拉强度为200-960σb/mpa、屈服强度为165-445σp0.2/mpa；伸长率7-40σ5/％；s2：取风筒，按进风口至出风口方向，依次设置前导叶、叶轮、后导叶，其中叶轮由单级电机驱动，且每台矿用局扇设置唯一叶轮；s3：在风筒外设置提频模块，将提频模块的输出频率设置成大于配电系统额定频率h0，且提频模块的提频范围δh满足如下公式：δh＝v*p/60-h0；s4：获得高风压大流量单级矿用局扇，其中：本专利申请中所示例机型所述额定工作点的范围为风量：30000-36000m3/h，额定工作点全压范围为5000-6200pa；本发明的有益效果在于：1.采用单级电机的一体化紧凑式设计，并创造性的给出了提频模块、单级电机的相应轴承、特定叶轮等核心部件，以解决上述高转速带来的技术障碍，进而提供了一种替代旋式轴流局部通风机的高速节能单级矿用局扇，具有显著的节能减排的社会效益。2.本发明的矿用局扇电机由3000rpm提升至4000-6000rpm，协调解决了壳共振频率、壳的强度、轴承承受和平衡能力、叶轮的性能。3.相比双级对旋，高速节能单级矿用局扇显著减少体积，结构简化，重量大幅度减轻，方便用户在井下使用，为矿用局扇领域突破常规电机(3000r/min)双级串联(包括但不限于)的限制提供一种开创性解决方案，且显著提高了矿用局扇工作效率，节能环保。4.采用提频模块，可以在不同高静压工况要求下提频调速，契合使用工况，节能降噪。附图说明图1.为实施例1的高速节能单级矿用局扇结构示意图；图2.为实施例2的单级电机剖视示意图；图3.为实施例2的单级电机侧面示意图；图4.为实施例4的高速节能单级矿用局扇结构示意图；图中部件名称及编号为：1-风筒、2-提频模块、3-单级电机、4-叶轮、5-前导叶、6-后导叶、7-进风筒、8-扩压消音筒、9-扩压消音锥、10-消音筒、11-转轴、12-前端盖、13-绕组线圈、14-定子铁芯、15-机座、16-转子铁芯、17-后端盖、18-前轴承、19-后轴承。具体实施方式实施例1实施例1的高速节能单级矿用局扇，如图1所示，包括风筒1，风筒1内按进风口至出风口方向，依次设置有前导叶5、唯一的铝合金叶轮4、后导叶6，叶轮4由唯一的单级电机3驱动；风筒1外设置有提频模块2；风筒1的进风口侧设有进风筒7，进风筒7通过消音筒10与风筒1的法兰连接；风筒1的出风口端设有扩压消音筒8，扩压消音筒8)与风筒1法兰连接；扩压消音锥9设置在风筒1内的靠近所述后导叶6出风侧，椎尖向扩压消音筒8内延伸，本发明采用的降噪材料为矿棉。单级电机3转速v为4000-6000rpm，所使用的轴承为6级轴承；本实施例中，以配电系统额定频率h0＝50hz为例，提频模块2的输出频率大于配电系统额定频率h0，且提频模块的提频范围δh满足如下公式：δh＝v*p/60-h0；本实施例的叶轮的材料为镍基合金，生产技术标准:gb/t14992,gb/t14995，为上海康晟航材科技股份有限公司提供，抗拉强度为800σb/mpa、屈服强度为420σp0.2/mpa、伸长率25σ5/％的铝合金叶轮。目前单级风机转速最高达到3000r/s，流量低、风压高，应用时只能用2级风扇，本实施例通过改变叶轮材料、风机结构等达到单级风扇4000-6000r/s，使该单级风扇能够很好的应用到矿井局部通风，大大降低了成本，节约了能源。实施例2制备方法实施例2为制备高风压大流量单级矿用局扇的方法，包括如下步骤：s1：取叶轮4，所述叶轮4至少具备如下三种性能中的一种或多种：抗拉强度为200-960σb/mpa、屈服强度为165-445σp0.2/mpa；伸长率7-40σ5/％；s2：取风筒1，按进风口至出风口方向，依次设置前导叶5、叶轮4、后导叶6，其中叶轮4由单级电机3驱动，且每台所述矿用局扇设置唯一所述叶轮4；s3：在风筒1外设置提频模块2，将所述提频模块2的输出频率设置成大于配电系统额定频率h0，且提频模块的提频范围δh满足如下公式：δh＝v*p/60-h0；s4：获得高风压大流量单级矿用局扇，其中：本专利申请中所示例机型所述额定工作点的范围为风量：30000-36000m3/h，额定工作点全压范围为5000-6200pa；实施例3实施例3与实施例1的区别是将实施例1的前导叶替换成导流罩。实施例4如图2所示，实施例4是在实施例1的基础上，继续公开了一种可供本发明使用的单级电机，该单级电机3包括转轴11、前端盖12、绕组线圈13、定子铁芯14、机座15、转子铁芯16、后端盖17，其中轴承包括前轴承18和后轴承19，均为6311轴承，结合图3所示，单级电机3的外壁周向设置散热筋20，该单级电机直径为500mm。实施例5本实施例与实施例1基本相同，所不同的是叶轮采用了陕西宝鸡沃钛金属制造有限公司生产的ta6钛合金。实施例6由于目前行业通用的矿用局扇所使用的电机最高转速为2极3000r/min之限制，同时目前所通用的矿用局扇的叶轮之设计强度仅能适用3000r/min的工况条件，因此，目前为满足静压要求较高的适用要求，只能采用二级叶轮串联对旋才能达到所需要求。导致结构复杂、体积大、运行效率低，同时也会导致控制难度增加。结合图4所示，本实施例解决了上述问题，本实施例设置上与实施例1基本相同，所不同的是提频模块，该提频模块与无级变速变频器设置为一个功能单元，一方面可按δh＝v*p/60-h0调高频率，一方面还可作为用于无级变速控制的无级变速变频器，即h0＝50hz时，无级变速变频器的频率范围为0-50hz，被提频模块2的调高后的输出频率在50-100hz。实施例7-15与实施例1的主要不同之处在于叶轮，叶轮的技术参数如表1所示。表1实施7-15技术参数列表抗拉强度屈服强度伸长率轴承实施例72201807.24级实施例830022084级实施例9600280234级实施例10720320304级实施例11880390354级实施例12960445406级实施例13780360326级实施例142501957.86级实施例152702107.96级对照例1对照例：fbd系列风机浙江巨风通风设备有限公司，主要参数见表2所示：表2对照例1风机主要技术参数机号电机功率kw风量m3/min全压pa比a声级db(a)№6.3/602×30595-360900-6150≤25对照例2-10对照例2-10与实施例1的主要不同之处在于叶轮，叶轮的如表3所示。表3对照例2-10技术参数列表抗拉强度屈服强度伸长率轴承对照例2500205284级对照例3560250306级对照例4580270356级对照例514012254级对照例615513564级对照例718516664级对照例826022076级对照例9530285296级对照例1065033056级试验例1单级矿用局扇的性能比较试验试验方法：分别取实施例5、7-15作为实验组，取对照例2-10作为对照组，以单级矿用局扇的性能指标选用流量(m3/min)、全压(pa)、全压效率(％)、最高破坏转速(r/min)、整机重量(kg)、焊接工艺、成型工艺、铸造工艺。试验结果如表4所示，表4单级矿用局扇性能测试列表不同强度材料耐受的转速试验结果：(1)为了实现本发明，叶轮材质的选择是核心因素之一，在实验的过程中，我们发现影响实验是否成功的因素，绝不仅仅是材料自身的屈服强度、抗拉强度以及材料的比重，材料自身的加工工艺性能会严重影响到实验的结果，其中包括高强合金钢的焊接性能以及成型工艺，铝合金材料的铸造工艺及相应产生的铸造缺陷，镍基合金以及钛基合金的焊接性能，所有以上不同材料的工艺性能特点，都将影响到今后大批量工业制造的产品统一性，因此，选择何种材料，必须从产品性能的实现，生产工艺的统一及稳定性以及产品供货后的耐用性等方面综合考虑；(2)实施例15与对照组2-10均有显著差异，且实施例14、15与实施例7-10有显著性差异；(3)同一类材料，屈服强度与破坏最高转速表现出一定的正相关，但材料本身的工艺特性会影响实验结果。试验例2节电比较试验目的：矿井局部通风机使用数量多，常年连续运转，其耗电量占矿井生产用电的30％以上。随着高产、高效工作面的出现，井巷掘进面向大断面、长距离发展，要求的通风机功率越来越大，可靠性越来越高。试验方法：本设计(实施例4)采用≤40kw风机代替2*22kw风机；≤55kw风机代替2*30kw风机(见对照例1)；节能量≥10％。按全国在线运营双级对旋风机超过10万台计算，平均装机功率≥44kw，总装机功率≥4.4*106kw，每年运行时间估计20*300h，总耗电量为4.4*106*20*300kwh＝2.64*1010kwh/年。试验结果：以本设计产品(实施例15)代替对照例1产品，节省电能2.64*1010kwh*10％＝2.64*109kwh/年。试验例3节省钢材比较试验目的：矿井局部通风机使用数量多，耗费钢材较多。试验方法：与二级叶轮串联对旋局扇(风机重量约为900公斤)相比(运营时效率按70％计算)，本设计(实施例15)将现有的两个电机合并为1个电机，而且直径由630(1.26π乘以2)改为了500(0.79π)(由于速度高)，本产品在400公斤以下。试验结果：为矿用局部通风机应用领域节省了超过原适用机型一半的钢材。以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。当前第1页12