CN1318684A - 隧道全程强制匀化风道 - Google Patents

Abstract

一种隧道全程强制匀化风道,将隧道全程风道设计为单向式风道或双向变换式风道或组合式风道,空气交换窗交错配置,对风道从头到尾的每一个空气交换窗限制其单位时间内最大空气流量,实现风道全程强制匀化空气交换,同时,风道与风机之间安装大型缓冲部件内集气室。本发明设计合理、功能齐全、应用广泛、实用性强,总体效果好,为一种理想的环保设备。

Description

隧道全程强制匀化风道

本发明涉及一种通风系统，具体涉及一种隧道全程强制匀化风道。

传统通风系统中的横向通风系统普遍存在这样一种现象，即通风量在靠近风机的前段比较充足，然后逐渐变小，到风道后段基本上通风量就为零了，这种情况在短隧道中为害尚轻，在长隧道中问题就显得特别严重。产生这种现象的症结由以下因果关系构成：1、风机的单位时间内空气流通量为一常量Q1；2．能从风道抽走或注入的单位时间内空气流量Q2远远大于Q1；3、当靠近风机一侧的若干通风窗交换的空气流量之和达到与Q1等量时，以后的通风窗则不需要再进行欠量空气补充交换，所以后段的通风量必然下降到零。为解决这种问题，传统通风系统中采用斜井或竖井进行中途送风或抽风，这样虽然能使通风效果有所改善，但却为此增加了巨额土建投资，总体比较，结果并不令人满意。

本发明之目的旨在提供一种建设费用低、节省巨额土建投资、工作效率高、便于控制、安装及调试方便易行、使隧道内一氧化碳、煤烟、粉尘等指标大幅度下降、达到国家规定的环保要求、大幅度降低能耗、节药营运费、总体效果好的隧道全程强制匀化风道。

本发明的技术解决方案是：隧道全程设计为单向式风道或双向变换式风道或组合式风道，单向式风道包括有抽风风道和送风风道，抽风风道和送风风道的空气交换窗交错配置，双向变换式风道为单一风道，在抽风风机工作时，送风风机及送风空气交换窗关闭，作抽风风道使用，在送风风机工作时，抽风风机及抽风空气交换窗关闭，作送风风道使用，组合式风道为两腔一体结构，抽风交换窗与送风交换窗交错配置；上述风道进行全程强制匀化空气交换，即对风道从头到尾的每一个空气交换窗口限制其单位时间内最大空气流量，确定不同距离上的空气交换窗的通风面积、导流叶片的扭角、安装角和流程腔收敛度或扩散度，风道尾端与风道前端有基本等量的空气交换；同时，上述风道与风机之间安装有大型缓冲部件-内集气室，内集气室由限流阀、分流或汇流腔、集气整流仓、风机安装基座构成，限流阀安装在风机安装基座内，限流阀下端连接安装分流或汇流腔，分流腔与汇流腔结构相同，其横截面面积由小渐大，形状由圆到方成锥形，腔体两端具有安装边，集气整流仓为一个大缓冲空间，一端与分流或汇流腔相连，另一端与风道相连，集气整流仓内可设置导流叶栅。

本发明设计的单向式风道主要用于长度较大的新建隧道，双向变换式风道主要用于长度不大的隧道，组合式风道主要用于已建成的较长隧道通风系统技改更新，亦可用于新建的较长隧道，因此，本发明适应于各种类型的隧道，应用范围广，实用性强，特别是本发明对于风道从头到尾的每一个空气交换窗限制其单位时间内的最大空气流量，这独特的设计方案有效的解决了传统通风系统中风道通风量逐渐变小直至后段通风量基本为零的疑难问题，避免了建钢筋混凝土风道的巨额土建投资，为国家节省了大量资金，本发明总体通风效果好，此外，在风机组与风道之间安装内集气室作为大型缓冲部件，将被污染的空气以合理的流速和压力引向抽风风机，或者，将送风风机注入的新鲜空气以合理的流速和压力引向送风风道，这样，更进一步保障了隧道全程风道的匀化通风效果。因此，本发明构思新颖巧妙、设计合理，工作可靠、功能齐全、建设费用低，节省巨额土建投资，安装调试方便易行，便于控制，应用广泛、实用性好，有效地解决了隧道内空气污染，使一氧化碳、煤烟、粉尘等指标大幅度下降，达到国家规定的环保要求，也大幅度降低了能耗、节约了营运费用。本发明为我国隧道建设和技改更新提供了一种切实可行、技术先进的隧道全程强制匀化通风风道设计方案。

图1为单向抽风风道横截面结构示意图

图2为单向抽风风道纵向结构示意图

图3为单向送风风道横截面结构示意图

图4为单向送风风道纵向结构示意图

图5为双向变换风道横截面结构示意图

图6为双向变换风风道纵向结构示意图

图7为双向变换风道空气交换窗分布图

图8为组合式风道横截面结构示意图

图9为组合式风道横截面结构示意图

图10为组合式风道空气交换窗分布图

图11为本发明空气交换窗导流叶片扭角渐变示意图

图12为抽风风道空气交换窗平面示意图

图13为图12的A-A截面示意图

图14为送风风道空气交换窗平面示意图

图15为图14的B-B截面示意图

图16为集气室结构示意图

图17为集气室限流阀平面示意图

图18为图17的A-A截面示意图

图19为分流或汇流腔结构示意图

图20为图19的左视图

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明：

本发明的风道设计方案：

本发明不考虑射流通风方式而采用以装配式风道为基础的横向通风方式，其特点是建设费用低，工作效率高且便于控制，安装及调试方便易行。

为照顾不同的通风工作情况，本发明用于隧道营运通风的风道分为单向式、双向变换式、组合式三大类，用于隧道施工通风的风道分为直抽式和双向变换式两类。

以往的横向通风系统通常都会出现远离风机的后段通风量不足甚至没有空气交换的情况。为避免这种情况的发生，本发明首次在隧道通风系统中引入匀化交换概念。

以下对风道设计方案进行较为系统的阐述。

风道的标准段

一、单向式风道

单向式风道分为抽风风道和送风风道两种，主要用于长度较大的新建隧道。

抽风风道安装在隧道顶部中央，风道轴线与隧道轴线平行，其构造横截面和纵截面如图1、图2所示：

送风风道在隧道土建设计时应预留安装位置空间，安装位置空间可以设计在隧道侧壁的下部。送风风道的构造横截面和纵截面见图3、图4所示：

为避免注入的新鲜空气立即被抽走而影响通风效果。抽风风道和送风风道的空气交换窗应交错配置。

二、双向变换式风道

双向变换式风道主要用于长度不大隧道，在抽风风机工作，送风风机关机时作抽风风道使用，此时关闭送风空气交换窗。在送风风机工作，抽风风机关机时作送风风道使用，此时关闭抽风空气交换窗。

双向交换式风道的构造及空气交换窗位置如图5、图6、图7所示。

三、组合式风道

组合式风道主要用于已建成的较长隧道的通风系统技改更新。由于隧道长往往需要同时进行抽风和送风，故无法使用双向变换式风道；又由于已建成隧道无预留安装新型送风风道的空间位置，故单向式送风风道无法安装。

出于因地致宜，不作大的土建改造且又能满足通风要求这一考虑，本发明专为老隧道的通风技改设计了组合式通风风道。组合式风道为两腔一体结构，其构造见图8、图9所示：

组合式风道的抽风交换窗开于风道底部，如图9，送风交换窗开于风道侧面如图8。送风交换窗开于风道侧面的一个附加好处是可以借助隧道壁作辅助导流，从而在整个隧道横断面内构成一个较为良好的空气循环回路，为避免注入的新鲜空气被立即抽出，抽风交换窗与送风交换窗应如图10所示交错配置。

四、隧道施工用风道

隧道施工通风有两个目的，一是及时抽走掘进施工面现场的一氧化碳，烟雾及粉尘；二是确保人员及设备通行通道的空气新鲜。

对于前一目的，适用的风道是直抽式风道，即风道中途不开交换窗而在末端敞口；对于后一目的，适用的是双向变换风道。鉴于施工期间无法安装自动控制系统。故双向变换式风道的空气交换窗导流叶片位置固定不调节。

匀化交换与空气交换窗设计方案

传统通风系统中的横向通风系统普遍存在这样一种现象，就是通风量在靠近风机前段最大，然后逐渐变小，到风道后段基本上通风量就为零了，这种情况在短隧道中为害尚轻，在长隧道中问题就显得特别严重。为解决这种问题，传统通风系统中采用斜井进行中途送风或抽风，这样虽能使通风效果有所改善，但却为此增加了巨额土建投资，总体比较结果并不令人满意。

产生这种现象的症结由以下因果关系构成：

A、风机的单位时间内空气流通量是一常量Q1；

B、能从风道抽走或注入的单位时间内空气流量Q2远远大于Q1；

C、当靠近风机一侧的若干通风窗交换的空气流量和达到与Q1等量时，以后的通风窗不需要再进行欠量空气补充交换，故后段的通风量必然下降到零。

解决长隧道通风不匀的唯一办法是进行全程强制性匀化空气交换。即对从头到尾每一个空气交换窗口均限制其单位时间内最大空气流量，从而使得直到风道的尾端均有与风道前端基本等量的空气交换在进行。

强制匀化交换的隧道全程计算数学模型如下：

设T为根据隧道长度、地域、气候、交通量规律算出的空气交换总量；N为空气交换窗数(与隧道长度有关)；i为空气交换窗体位置(与流动距离有关)：Ui为流动损失系数；Vi为限流(可控)系数。可用以下公式来对空气交换总量进行全程匀化分配：

式①

t₁/(u+v₁+1)=t₂/(u₂+v₂+1)=…t_i/(u_i+v_i+1)…=t_N/(u_N+v_N+1)

式② $T=\underset{i=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}(t_i/(u_i+v_i+1))$ 根据以上公式，就可以确定不同距离上空气交换窗的通风面积。隧道全程距离上空气交换窗导流叶片的扭角和流程腔收敛(扩散)度。

图11是隧道中与风机不同距离处风道空气交换窗导流叶片的气动流型示意图。

图中，A为叶片迎角，B为叶片延角，送风与抽风反向，L为导流腔长度线性投影，A1、B1、L1为靠近风机的风道段，A3、B3、L3为远离风机的风道段。

抽风交换窗边框轮廓为矩形，如图12，送风交换窗边框轮廓为园形，如图14，其面积均按式①和式②算出。抽风交换窗的安装位置在抽风风道的底部，与抽风风道轴线的相对位置关系见图12、图13所示；送风交换窗的安装位置在送风风道的侧面，与风道轴线的相对位置见图14、图15所示。

内集气室方案

内集气室是风机组与风道之间的大型缓冲部件，其功能在于抽风风道将被污染的空气以合理的流速和压力引向抽风风机，或者是将送风风机注入的新鲜空气以合理的流速和压力引向送风风道。

内集气室由限流阀、分流或汇流腔、集气整流仓、风机安装基座四部分构成。其安装配合关系见图16所示：

以下四大部件的设计方案作分别阐述：

一、限流阀1

限流阀由圆筒形通道、百叶窗、蜗轮和蜗杆构成，其结构及设计控制要素见图17、图18所示。

限流阀的限流功能由百叶窗来实现，百叶窗的叶片为平直叶片，当叶片受控转到与气流通道轴线垂直时，阀门关闭，空气流量为零；当叶片受控转到与气流通道轴线平行时，阀门全开，空气流量为最大额定流量。

限流阀的控制应与风机工作状态相匹配，当风机关闭时，限流阀应同时关闭：当风机以最大转速工作时，限流阀应全开；其他转速状态也应与限流阀的开度对应匹配。

限流阀的开关控制方法是通过步进电机带动蜗杆旋转；蜗杆带动蜗轮变向旋转，蜗轮与限流叶片轴连成一体，蜗轮转动即带动限流叶片转动来达到限流控制的目的。

二、分流或汇流腔2

分流或汇流腔在结构上是相同的，不同之处在于用途，即安装在抽风集气室内为分流腔，安装在送风集气室内则为汇流腔，其功能均是减缓结构突变部位气流的速度与压力变化，使流动损失降低，通风效率提高。

分流或汇流腔应设计成横截面面积由小渐大，形状由圆到方的锥形结构，过轴线纵部面轮廓线夹角以不大于25度为宜。腔体两端均应具有安装边，其中圆端为法兰盘，方端为带沉头螺孔的镶装安装边。分流或汇流的构造示意及设计控制要素见图19、图20所示：

三、集气整流仓3

集气整流仓是一个大的缓冲空间，这个空间的一端与风机相连，另一端则与风道相连，是确保通风效果的关键部件之一，基本设计指导思想应该是避免出现对涡及大的侧涡，保护空气流场通畅。具体做法是：

在仓内不要出现突兀的断面结构；

流场转向处的曲率半径要尽可能大；

在曲率半径较小的流场转向处增设导流叶栅5。

用以上方法可消除对涡与侧涡，保持空气流场通畅。

四、风机安装基座4

风机安装基座是承力部件，为使基座受力尽可能均匀合理，本系统风机采用立式位置安装。这样，对抽风机而言，基座承受的外力为风机重力加工作推力；对送风风机而言，基座承受的外力为风机重力减去工作推力。

内集气室的出口部位应设计与风道变容组合段相匹配的安装座，安装座的配合边应加工两道凹槽，内压入橡胶条，风道变容组合段与内集气室紧固连接后橡胶条就起到密封防漏作用。

用于抽风和送风的内集气室虽然构造基本相同，但流向及压力变化都相反。故抽风内集气室与送风内集气室应完全隔开。

除了集气整流仓与风机安装基座外，内集气室的其他部件均可规范化设计，按标准件批量生产。集气整流仓与风机安装基座的结构规模受具体工程限制。一般都要结合工程进行设计。然后在现场进行构架施工，最后用高强度材料(可考虑钢板)从内到外进行封闭，调试时还要进行漏气检查，一旦发现漏气还须进行补漏排障。

本发明还可在风机组与外界之间设计外集气室：

对用于抽风用途外集气室的要求：

要求将抽出的被污染的空气输送到较远的地方，一则是为了隧道口邻域的环保达标，二则是避免抽出的废气又立即被送风机吸入送回隧道。

防止集气室内积水引起设备锈蚀损坏；

防止外部环境风对风机倒灌。

对用于送风用途外集气室的要求：

防止杂物及尘土进入风机；

维持风机入口处空气压力，流向的相对稳定，以免造成风机进口流场的紊乱；

一、抽风用外集气室

抽风用外集气室由室体、排气延伸管、设备检修通道门所组成。

外集气室室体的结构尺寸与抽风风机装机量有关，需要根据具体工程设计而确定。

排气延伸管的许用流量应大于抽风风机开机率为100％且功耗为额定值状态下的排风总量。延伸管采用直排式烟囱方式，当地貌环境允许时可以借助地形以较隐蔽方式组装，出口处应装防雨帽罩并加装避雷针和相应避雷接地辅助设施。

设备检修通道门在关闭时应有很好的密封性，整个外集气室除了考虑防水防漏气外，还应将排水单向活门通道体现在设计中。

二、送风用外集气室

送风用外集气室由带防杂物滤网的进气道、室体和设备维修通道门所组成。

为防止雨水渗入，带滤网的进气道应设计成弯管形式，进气道的数目视工程规模而定，设计原则是所有进气道许用空气流量之和应大于送风风机100％开机且功率为额定值状态下的空气吸入总量。

Claims (2)

1．一种隧道全程强制匀化风道，其特征在于隧道全程设计为单向式风道或双向变换式风道或组合式风道，单向式风道包括有抽风风道和送风风道，抽风风道和送风风道的空气交换窗交错配置，双向变换式风道为单一风道，在抽风风机工作时，送风风机及送风空气交换窗关闭，作抽风风道使用，在送风风机工作时，抽风风机及抽风空气交换窗关闭，作送风风道使用，组合式风道为两腔一体结构，抽风交换窗与送风交换窗交错配置；上述风道进行全程强制匀化空气交换，即对风道从头到尾的每一个空气交换窗口限制其单位时间内最大空气流量，确定不同距离上的空气交换窗的通风面积、导流叶片的扭角、安装角和流程腔收敛度或扩散度，风道尾端与风道前端有基本等量的空气交换；同时，上述风道与风机之间安装有大型缓冲部件-内集气室，内集气室由限流阀、分流或汇流腔、集气整流仓、风机安装基座构成，限流阀安装在风机安装基座内，限流阀下端连接安装分流或汇流腔，分流腔与汇流腔结构相同，其横截面面积由小渐大，形状由圆到方成锥形，腔体两端具有安装边，集气整流仓为一个大缓冲空间，一端与分流或汇流腔相连，另一端与风道相连，集气整流仓内可设置导流叶栅。

2、根据权利要求1所述的隧道全程强制匀化风道，其特征在于强制匀化交换的隧道全程计算数学模型如下：

设T为根据隧道长度、地域、气候、交通量规律算出的空气交换总量；N为空气交换窗数(与隧道长度有关)；i为空气交换窗体位置(与流动距离有关)：Ui为流动损失系数；Vi为限流(可控)系数。可用以下公式来对空气交换总量进行全程匀化分配：

式①

t₁/(u+v₁+1)=t₂/(u₂+v₂+1)=…t_i/(u_i+v_i+1)…=t_N/(u_N+v_N+1)

式② $T=\underset{i=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}(t_i/(u_i+v_i+1))$

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