随着我国煤矿的发展、机械化程度的提高，瓦斯粉尘的危害也在加剧，而在矿井的综掘过程中粉尘的危害尤为突出。资料表明，在实际综掘中粉尘的浓度在作业面都高达1000mg/m³以上，即便采取了一定措施，距国家规定的允许浓度仍相差甚远。目前常用的压入式通风方法，不仅造成工作面的尘害，而且污染波及所有的回风巷道。虽然目前常用的湿式除尘风机治理尘害的措施对全尘起着主要作用，但对风流中的呼吸性粉尘降尘率较差，除耗费大量的水资源外，在实施中也恶化了工作面的环境。为改变治理粉尘现状，我们研制了锥形风幕风机并提出了锥形风幕流场理论及应用。专业人员熟知，煤矿中呼吸性粉尘危害程度最为严重，治理难度较大。我们研制的锥形风幕风机就是利用其合理的风流流场——锥形风幕流场，不仅能够控制全尘，而且完全可以控制住危害最严重的呼吸性粉尘。该风机在获国家专利的基础上，由辽宁工程技术大学、矿用局部通风机厂家及矿务局联合研制了样机，经初步研究测定，达到了预期效果，并通过辽宁省教育厅鉴定。该样机采用轴流式叶片，设计功率为10.5kW，设计压力为1500～2000Pa，设计流量为150～300m³/min，动轮直径为0.5m。

1风幕风机的构造及其工作原理

如图1所示，锥形风幕风机不同于一般风机，其轮毂9上安装了2组叶片3和5，中间用连接环4连接，2组叶片安装角度方向相反，分别位于内腔12和外腔2。为使内外腔风流独立，2腔之间仅有一刚刚允许内外动轮连接环4通过的环形空隙相通。内腔叶片5产生负压江流，外腔叶片3产生正压射流。为使射流对污染源形成隔绝作用，内外腔向外与轴线成一角度延伸扩张形成环形喇叭口，射流通过环形喇叭口后形成环形湍流射流。如图1，外腔正压形湍流射流在内腔负压汇流作用下逐渐衰减，最后方向发生逆转，流向风机内腔，整个流场形成一状似锥形风幕的轴对称射流——汇叠加流，锥形风幕将污染源15封闭隔绝在其中，洗刷污染源的载毒载尘风流经风机内腔12、除尘器6及滤毒装置7后排入排风管道13。

1－外腔出风口导叶；2－风机外腔；3－外动轮叶片；4－内外动轮连接环；5－内动轮叶片；6－除尘器；7－滤毒装置；8－内腔入风口导叶；9－轮毂；10－外腔入风口导叶；11－电机；12－风机内腔；13－排风管道；14－流线；15－污染源

图1 锥形风幕风机及其流场

2锥形风幕风机的流场测试

2.1锥形风幕风机流场的测试布置

模拟其在井下实际巷道中的工作状态，锥形风幕风机的测试布置如图2所示。为调试方便，测试在地面进行。按1：1比例在地面搭建模拟巷道，模拟巷道尺寸：30m×4m×4m，风机轴线与巷道轴线重合布置。风机距工作面约6m，其间用坐标格控制，坐标方格的长度等于风机动轮直径，为0.5m，在锥形风幕流场区设置约25个演示点，将长度为2.0m的竹竿垂直插入演示点，其顶部均布置在锥形风幕风机的轴线截面内，每根竹竿端头都系1条柔软轻质丝带，保证其在0.1m/s的风速时能随风飘动，以显示风向。模拟巷道尽量做到不漏风、少漏风。风机的开关、电气设备、功率测试设备均放在巷道外的试验台中，图中从略。

1－锥形风幕风机；2－测试铁风筒；3－调风阀门；4－移动支架；5－固定支架；6－竹竿；7－示踪丝带；

图2 锥形风幕风机流场测试布置示意图

2.2锥形风幕风机流场的测试

锥形风幕流场是锥形风幕风机集尘的重要特性。考察其流场效果的标志：其一是锥形风幕流场的形态，其二是风机有效吸程增加的程度以及边缘点的最低风速。

首先进行了锥形风幕流场的演示，如图2，主要是通过布置在水平轴面内的示踪丝带所指示的风流方向，从而观察整个流场内的流动状态。风机启动后我们可以比较清楚的观察到，锥形风幕流场区内所布置的丝带均水平飘起（伴有波动），指向风流方向，随着风量的调节，丝带指向相对稳定在某一个方向，从而得到比较理想的流场。调节后我们观察到，少量布置在边缘正压区丝带指示射流方向，靠近巷道壁的丝带，在附壁效应的作用下向工作面流动。丝带沿风机轴线方向向内偏移，说明正压风流在流动过程中不断向负压区流动，即风流不断“断路”，由于边缘射流作用，扩大了风机吸入口的作用范围。

布置在负压区内的演示点丝带顺风流指向风机吸入口。这样我们逐点描素演示点风流方向，由各点风向顺势连成流线，便得到锥形风幕流场流线图，见图3的虚线部分。

在该项测试中，以演示点为测点（也可适当增加测点），用多个微型皮托管同时测量各点速压，而后将所测速压换算成风速。

从风机的吸入口开始，沿轴线对称向远处展开一直测到工作面端头。外腔射流同样由出风口开始，沿轴线在两侧对称测试。当取得全部数据后开始整理，得到风机流场测点的实测风速，并绘出流场内的等风速线图，见图3的实线部分。



方格规格D×D（D为风机动轮直径）

――――流线；——等风速线

图3锥形风幕流场的流线与等风速线

上述流场测试数据是在风机某一稳定运行状态下得到的，此状态下风机工作参数为：风机内动轮风压为1515Pa，风量为263m³/min，风机外腔射流初速为15m/s。风机自身结构参数为：动轮直径为0.5m，风机外腔环形正压场出口外缘至风机出口轴心的距离为0.66m，风机外腔环形正压场出口断面宽度为15mm。

2.3锥形风幕流场测试结果分析

通过对锥形风幕流场的测试结果可以看出，在锥形风幕流场的作用下，风机的吸入口有效吸程大大增加。一般风机的有效吸程是动轮直径1倍距离左右，其吸风口风速如为100％时，而距其吸风口轴线方向1D距离时，其风速就会减少到7.5％（按有效排尘风速计算可得），可见风速衰减很快。而本项实测结果表明，如取风机内腔吸入口风速为8m/s时，同样衰减到7.5％时，其到风机抽出口距离为动轮直径D的8～12倍，由图3的等风速线可以查出此时的风速将达到0.6m/s。可见，边缘最低风速完全满足除尘排瓦斯要求，而且随风机能力增加，其有效吸程仍有增加潜力。

从整个流场流动状态可以看出，由于锥形风幕流场的作用，使尘源粉尘与短路风流充分混扰，在压力差作用下，只能向风机吸风口运移，无它路可走，从而达到除尘排瓦斯的作用。