專利名稱：隧道全程強制勻化風道的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通風系統(tǒng)，具體涉及一種隧道全程強制勻化風道。
傳統(tǒng)通風系統(tǒng)中的橫向通風系統(tǒng)普遍存在這樣一種現(xiàn)象，即通風量在靠近風機的前段比較充足，然后逐漸變小，到風道后段基本上通風量就為零了，這種情況在短隧道中為害尚輕，在長隧道中問題就顯得特別嚴重。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的癥結(jié)由以下因果關(guān)系構(gòu)成1、風機的單位時間內(nèi)空氣流通量為一常量Q1；2．能從風道抽走或注入的單位時間內(nèi)空氣流量Q2遠遠大于Q1；3、當靠近風機一側(cè)的若干通風窗交換的空氣流量之和達到與Q1等量時，以后的通風窗則不需要再進行欠量空氣補充交換，所以后段的通風量必然下降到零。為解決這種問題，傳統(tǒng)通風系統(tǒng)中采用斜井或豎井進行中途送風或抽風，這樣雖然能使通風效果有所改善，但卻為此增加了巨額土建投資，總體比較，結(jié)果并不令人滿意。
本發(fā)明之目的旨在提供一種建設費用低、節(jié)省巨額土建投資、工作效率高、便于控制、安裝及調(diào)試方便易行、使隧道內(nèi)一氧化碳、煤煙、粉塵等指標大幅度下降、達到國家規(guī)定的環(huán)保要求、大幅度降低能耗、節(jié)藥營運費、總體效果好的隧道全程強制勻化風道。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是隧道全程設計為單向式風道或雙向變換式風道或組合式風道，單向式風道包括有抽風風道和送風風道，抽風風道和送風風道的空氣交換窗交錯配置，雙向變換式風道為單一風道，在抽風風機工作時，送風風機及送風空氣交換窗關(guān)閉，作抽風風道使用，在送風風機工作時，抽風風機及抽風空氣交換窗關(guān)閉，作送風風道使用，組合式風道為兩腔一體結(jié)構(gòu)，抽風交換窗與送風交換窗交錯配置；上述風道進行全程強制勻化空氣交換，即對風道從頭到尾的每一個空氣交換窗口限制其單位時間內(nèi)最大空氣流量，確定不同距離上的空氣交換窗的通風面積、導流葉片的扭角、安裝角和流程腔收斂度或擴散度，風道尾端與風道前端有基本等量的空氣交換；同時，上述風道與風機之間安裝有大型緩沖部件-內(nèi)集氣室，內(nèi)集氣室由限流閥、分流或匯流腔、集氣整流倉、風機安裝基座構(gòu)成，限流閥安裝在風機安裝基座內(nèi)，限流閥下端連接安裝分流或匯流腔，分流腔與匯流腔結(jié)構(gòu)相同，其橫截面面積由小漸大，形狀由圓到方成錐形，腔體兩端具有安裝邊，集氣整流倉為一個大緩沖空間，一端與分流或匯流腔相連，另一端與風道相連，集氣整流倉內(nèi)可設置導流葉柵。
本發(fā)明設計的單向式風道主要用于長度較大的新建隧道，雙向變換式風道主要用于長度不大的隧道，組合式風道主要用于已建成的較長隧道通風系統(tǒng)技改更新，亦可用于新建的較長隧道，因此，本發(fā)明適應于各種類型的隧道，應用范圍廣，實用性強，特別是本發(fā)明對于風道從頭到尾的每一個空氣交換窗限制其單位時間內(nèi)的最大空氣流量，這獨特的設計方案有效的解決了傳統(tǒng)通風系統(tǒng)中風道通風量逐漸變小直至后段通風量基本為零的疑難問題，避免了建鋼筋混凝土風道的巨額土建投資，為國家節(jié)省了大量資金，本發(fā)明總體通風效果好，此外，在風機組與風道之間安裝內(nèi)集氣室作為大型緩沖部件，將被污染的空氣以合理的流速和壓力引向抽風風機，或者，將送風風機注入的新鮮空氣以合理的流速和壓力引向送風風道，這樣，更進一步保障了隧道全程風道的勻化通風效果。因此，本發(fā)明構(gòu)思新穎巧妙、設計合理，工作可靠、功能齊全、建設費用低，節(jié)省巨額土建投資，安裝調(diào)試方便易行，便于控制，應用廣泛、實用性好，有效地解決了隧道內(nèi)空氣污染，使一氧化碳、煤煙、粉塵等指標大幅度下降，達到國家規(guī)定的環(huán)保要求，也大幅度降低了能耗、節(jié)約了營運費用。本發(fā)明為我國隧道建設和技改更新提供了一種切實可行、技術(shù)先進的隧道全程強制勻化通風風道設計方案。


圖1為單向抽風風道橫截面結(jié)構(gòu)示意2為單向抽風風道縱向結(jié)構(gòu)示意3為單向送風風道橫截面結(jié)構(gòu)示意4為單向送風風道縱向結(jié)構(gòu)示意5為雙向變換風道橫截面結(jié)構(gòu)示意6為雙向變換風風道縱向結(jié)構(gòu)示意7為雙向變換風道空氣交換窗分布8為組合式風道橫截面結(jié)構(gòu)示意9為組合式風道橫截面結(jié)構(gòu)示意10為組合式風道空氣交換窗分布11為本發(fā)明空氣交換窗導流葉片扭角漸變示意12為抽風風道空氣交換窗平面示意13為圖12的A-A截面示意14為送風風道空氣交換窗平面示意15為圖14的B-B截面示意16為集氣室結(jié)構(gòu)示意17為集氣室限流閥平面示意18為圖17的A-A截面示意19為分流或匯流腔結(jié)構(gòu)示意20為圖19的左視圖下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明本發(fā)明的風道設計方案本發(fā)明不考慮射流通風方式而采用以裝配式風道為基礎的橫向通風方式，其特點是建設費用低，工作效率高且便于控制，安裝及調(diào)試方便易行。
為照顧不同的通風工作情況，本發(fā)明用于隧道營運通風的風道分為單向式、雙向變換式、組合式三大類，用于隧道施工通風的風道分為直抽式和雙向變換式兩類。
以往的橫向通風系統(tǒng)通常都會出現(xiàn)遠離風機的后段通風量不足甚至沒有空氣交換的情況。為避免這種情況的發(fā)生，本發(fā)明首次在隧道通風系統(tǒng)中引入勻化交換概念。
以下對風道設計方案進行較為系統(tǒng)的闡述。
風道的標準段一、單向式風道單向式風道分為抽風風道和送風風道兩種，主要用于長度較大的新建隧道。
抽風風道安裝在隧道頂部中央，風道軸線與隧道軸線平行，其構(gòu)造橫截面和縱截面如圖1、圖2所示送風風道在隧道土建設計時應預留安裝位置空間，安裝位置空間可以設計在隧道側(cè)壁的下部。送風風道的構(gòu)造橫截面和縱截面見圖3、圖4所示為避免注入的新鮮空氣立即被抽走而影響通風效果。抽風風道和送風風道的空氣交換窗應交錯配置。
二、雙向變換式風道雙向變換式風道主要用于長度不大隧道，在抽風風機工作，送風風機關(guān)機時作抽風風道使用，此時關(guān)閉送風空氣交換窗。在送風風機工作，抽風風機關(guān)機時作送風風道使用，此時關(guān)閉抽風空氣交換窗。
雙向交換式風道的構(gòu)造及空氣交換窗位置如圖5、圖6、圖7所示。
三、組合式風道組合式風道主要用于已建成的較長隧道的通風系統(tǒng)技改更新。由于隧道長往往需要同時進行抽風和送風，故無法使用雙向變換式風道；又由于已建成隧道無預留安裝新型送風風道的空間位置，故單向式送風風道無法安裝。
出于因地致宜，不作大的土建改造且又能滿足通風要求這一考慮，本發(fā)明專為老隧道的通風技改設計了組合式通風風道。組合式風道為兩腔一體結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造見圖8、圖9所示組合式風道的抽風交換窗開于風道底部，如圖9，送風交換窗開于風道側(cè)面如圖8。送風交換窗開于風道側(cè)面的一個附加好處是可以借助隧道壁作輔助導流，從而在整個隧道橫斷面內(nèi)構(gòu)成一個較為良好的空氣循環(huán)回路，為避免注入的新鮮空氣被立即抽出，抽風交換窗與送風交換窗應如圖10所示交錯配置。
四、隧道施工用風道隧道施工通風有兩個目的，一是及時抽走掘進施工面現(xiàn)場的一氧化碳，煙霧及粉塵；二是確保人員及設備通行通道的空氣新鮮。
對于前一目的，適用的風道是直抽式風道，即風道中途不開交換窗而在末端敞口；對于后一目的，適用的是雙向變換風道。鑒于施工期間無法安裝自動控制系統(tǒng)。故雙向變換式風道的空氣交換窗導流葉片位置固定不調(diào)節(jié)。
勻化交換與空氣交換窗設計方案傳統(tǒng)通風系統(tǒng)中的橫向通風系統(tǒng)普遍存在這樣一種現(xiàn)象，就是通風量在靠近風機前段最大，然后逐漸變小，到風道后段基本上通風量就為零了，這種情況在短隧道中為害尚輕，在長隧道中問題就顯得特別嚴重。為解決這種問題，傳統(tǒng)通風系統(tǒng)中采用斜井進行中途送風或抽風，這樣雖能使通風效果有所改善，但卻為此增加了巨額土建投資，總體比較結(jié)果并不令人滿意。
產(chǎn)生這種現(xiàn)象的癥結(jié)由以下因果關(guān)系構(gòu)成A、風機的單位時間內(nèi)空氣流通量是一常量Q1；B、能從風道抽走或注入的單位時間內(nèi)空氣流量Q2遠遠大于Q1；C、當靠近風機一側(cè)的若干通風窗交換的空氣流量和達到與Q1等量時，以后的通風窗不需要再進行欠量空氣補充交換，故后段的通風量必然下降到零。
解決長隧道通風不勻的唯一辦法是進行全程強制性勻化空氣交換。即對從頭到尾每一個空氣交換窗口均限制其單位時間內(nèi)最大空氣流量，從而使得直到風道的尾端均有與風道前端基本等量的空氣交換在進行。
強制勻化交換的隧道全程計算數(shù)學模型如下設T為根據(jù)隧道長度、地域、氣候、交通量規(guī)律算出的空氣交換總量；N為空氣交換窗數(shù)(與隧道長度有關(guān))；i為空氣交換窗體位置(與流動距離有關(guān))Ui為流動損失系數(shù)；Vi為限流(可控)系數(shù)?？捎靡韵鹿絹韺諝饨粨Q總量進行全程勻化分配式①t1/(u+v1+1)=t2/(u2+v2+1)=…ti/(ui+vi+1)…=tN/(uN+vN+1)式②T=Σi=1i=N(ti/(ui+vi+1))]]>根據(jù)以上公式，就可以確定不同距離上空氣交換窗的通風面積。隧道全程距離上空氣交換窗導流葉片的扭角和流程腔收斂(擴散)度。
圖11是隧道中與風機不同距離處風道空氣交換窗導流葉片的氣動流型示意圖。
圖中，A為葉片迎角，B為葉片延角，送風與抽風反向，L為導流腔長度線性投影，A1、B1、L1為靠近風機的風道段，A3、B3、L3為遠離風機的風道段。
抽風交換窗邊框輪廓為矩形，如圖12，送風交換窗邊框輪廓為園形，如圖14，其面積均按式①和式②算出。抽風交換窗的安裝位置在抽風風道的底部，與抽風風道軸線的相對位置關(guān)系見圖12、圖13所示；送風交換窗的安裝位置在送風風道的側(cè)面，與風道軸線的相對位置見圖14、圖15所示。
內(nèi)集氣室方案內(nèi)集氣室是風機組與風道之間的大型緩沖部件，其功能在于抽風風道將被污染的空氣以合理的流速和壓力引向抽風風機，或者是將送風風機注入的新鮮空氣以合理的流速和壓力引向送風風道。
內(nèi)集氣室由限流閥、分流或匯流腔、集氣整流倉、風機安裝基座四部分構(gòu)成。其安裝配合關(guān)系見圖16所示以下四大部件的設計方案作分別闡述一、限流閥1限流閥由圓筒形通道、百葉窗、蝸輪和蝸桿構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)及設計控制要素見圖17、圖18所示。
限流閥的限流功能由百葉窗來實現(xiàn)，百葉窗的葉片為平直葉片，當葉片受控轉(zhuǎn)到與氣流通道軸線垂直時，閥門關(guān)閉，空氣流量為零；當葉片受控轉(zhuǎn)到與氣流通道軸線平行時，閥門全開，空氣流量為最大額定流量。
限流閥的控制應與風機工作狀態(tài)相匹配，當風機關(guān)閉時，限流閥應同時關(guān)閉當風機以最大轉(zhuǎn)速工作時，限流閥應全開；其他轉(zhuǎn)速狀態(tài)也應與限流閥的開度對應匹配。
限流閥的開關(guān)控制方法是通過步進電機帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)；蝸桿帶動蝸輪變向旋轉(zhuǎn)，蝸輪與限流葉片軸連成一體，蝸輪轉(zhuǎn)動即帶動限流葉片轉(zhuǎn)動來達到限流控制的目的。
二、分流或匯流腔2分流或匯流腔在結(jié)構(gòu)上是相同的，不同之處在于用途，即安裝在抽風集氣室內(nèi)為分流腔，安裝在送風集氣室內(nèi)則為匯流腔，其功能均是減緩結(jié)構(gòu)突變部位氣流的速度與壓力變化，使流動損失降低，通風效率提高。
分流或匯流腔應設計成橫截面面積由小漸大，形狀由圓到方的錐形結(jié)構(gòu)，過軸線縱部面輪廓線夾角以不大于25度為宜。腔體兩端均應具有安裝邊，其中圓端為法蘭盤，方端為帶沉頭螺孔的鑲裝安裝邊。分流或匯流的構(gòu)造示意及設計控制要素見圖19、圖20所示三、集氣整流倉3集氣整流倉是一個大的緩沖空間，這個空間的一端與風機相連，另一端則與風道相連，是確保通風效果的關(guān)鍵部件之一，基本設計指導思想應該是避免出現(xiàn)對渦及大的側(cè)渦，保護空氣流場通暢。具體做法是在倉內(nèi)不要出現(xiàn)突兀的斷面結(jié)構(gòu)；流場轉(zhuǎn)向處的曲率半徑要盡可能大；在曲率半徑較小的流場轉(zhuǎn)向處增設導流葉柵5。
用以上方法可消除對渦與側(cè)渦，保持空氣流場通暢。
四、風機安裝基座4風機安裝基座是承力部件，為使基座受力盡可能均勻合理，本系統(tǒng)風機采用立式位置安裝。這樣，對抽風機而言，基座承受的外力為風機重力加工作推力；對送風風機而言，基座承受的外力為風機重力減去工作推力。
內(nèi)集氣室的出口部位應設計與風道變?nèi)萁M合段相匹配的安裝座，安裝座的配合邊應加工兩道凹槽，內(nèi)壓入橡膠條，風道變?nèi)萁M合段與內(nèi)集氣室緊固連接后橡膠條就起到密封防漏作用。
用于抽風和送風的內(nèi)集氣室雖然構(gòu)造基本相同，但流向及壓力變化都相反。故抽風內(nèi)集氣室與送風內(nèi)集氣室應完全隔開。
除了集氣整流倉與風機安裝基座外，內(nèi)集氣室的其他部件均可規(guī)范化設計，按標準件批量生產(chǎn)。集氣整流倉與風機安裝基座的結(jié)構(gòu)規(guī)模受具體工程限制。一般都要結(jié)合工程進行設計。然后在現(xiàn)場進行構(gòu)架施工，最后用高強度材料(可考慮鋼板)從內(nèi)到外進行封閉，調(diào)試時還要進行漏氣檢查，一旦發(fā)現(xiàn)漏氣還須進行補漏排障。
本發(fā)明還可在風機組與外界之間設計外集氣室對用于抽風用途外集氣室的要求要求將抽出的被污染的空氣輸送到較遠的地方，一則是為了隧道口鄰域的環(huán)保達標，二則是避免抽出的廢氣又立即被送風機吸入送回隧道。
防止集氣室內(nèi)積水引起設備銹蝕損壞；防止外部環(huán)境風對風機倒灌。
對用于送風用途外集氣室的要求防止雜物及塵土進入風機；維持風機入口處空氣壓力，流向的相對穩(wěn)定，以免造成風機進口流場的紊亂；一、抽風用外集氣室抽風用外集氣室由室體、排氣延伸管、設備檢修通道門所組成。
外集氣室室體的結(jié)構(gòu)尺寸與抽風風機裝機量有關(guān)，需要根據(jù)具體工程設計而確定。
排氣延伸管的許用流量應大于抽風風機開機率為100％且功耗為額定值狀態(tài)下的排風總量。延伸管采用直排式煙囪方式，當?shù)孛箔h(huán)境允許時可以借助地形以較隱蔽方式組裝，出口處應裝防雨帽罩并加裝避雷針和相應避雷接地輔助設施。
設備檢修通道門在關(guān)閉時應有很好的密封性，整個外集氣室除了考慮防水防漏氣外，還應將排水單向活門通道體現(xiàn)在設計中。
二、送風用外集氣室送風用外集氣室由帶防雜物濾網(wǎng)的進氣道、室體和設備維修通道門所組成。
為防止雨水滲入，帶濾網(wǎng)的進氣道應設計成彎管形式，進氣道的數(shù)目視工程規(guī)模而定，設計原則是所有進氣道許用空氣流量之和應大于送風風機100％開機且功率為額定值狀態(tài)下的空氣吸入總量。
權(quán)利要求
1．一種隧道全程強制勻化風道，其特征在于隧道全程設計為單向式風道或雙向變換式風道或組合式風道，單向式風道包括有抽風風道和送風風道，抽風風道和送風風道的空氣交換窗交錯配置，雙向變換式風道為單一風道，在抽風風機工作時，送風風機及送風空氣交換窗關(guān)閉，作抽風風道使用，在送風風機工作時，抽風風機及抽風空氣交換窗關(guān)閉，作送風風道使用，組合式風道為兩腔一體結(jié)構(gòu)，抽風交換窗與送風交換窗交錯配置；上述風道進行全程強制勻化空氣交換，即對風道從頭到尾的每一個空氣交換窗口限制其單位時間內(nèi)最大空氣流量，確定不同距離上的空氣交換窗的通風面積、導流葉片的扭角、安裝角和流程腔收斂度或擴散度，風道尾端與風道前端有基本等量的空氣交換；同時，上述風道與風機之間安裝有大型緩沖部件-內(nèi)集氣室，內(nèi)集氣室由限流閥、分流或匯流腔、集氣整流倉、風機安裝基座構(gòu)成，限流閥安裝在風機安裝基座內(nèi)，限流閥下端連接安裝分流或匯流腔，分流腔與匯流腔結(jié)構(gòu)相同，其橫截面面積由小漸大，形狀由圓到方成錐形，腔體兩端具有安裝邊，集氣整流倉為一個大緩沖空間，一端與分流或匯流腔相連，另一端與風道相連，集氣整流倉內(nèi)可設置導流葉柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道全程強制勻化風道，其特征在于強制勻化交換的隧道全程計算數(shù)學模型如下設T為根據(jù)隧道長度、地域、氣候、交通量規(guī)律算出的空氣交換總量；N為空氣交換窗數(shù)(與隧道長度有關(guān))；i為空氣交換窗體位置(與流動距離有關(guān))Ui為流動損失系數(shù)；Vi為限流(可控)系數(shù)。可用以下公式來對空氣交換總量進行全程勻化分配式①t1/(u+v1+1)=t2/(u2+v2+1)=…ti/(ui+vi+1)…=tN/(uN+vN+1)式②T=Σi=1i=N(ti/(ui+vi+1))]]>
全文摘要
一種隧道全程強制勻化風道,將隧道全程風道設計為單向式風道或雙向變換式風道或組合式風道,空氣交換窗交錯配置,對風道從頭到尾的每一個空氣交換窗限制其單位時間內(nèi)最大空氣流量,實現(xiàn)風道全程強制勻化空氣交換,同時,風道與風機之間安裝大型緩沖部件內(nèi)集氣室。本發(fā)明設計合理、功能齊全、應用廣泛、實用性強,總體效果好,為一種理想的環(huán)保設備。
文檔編號E21D1/00GK1318684SQ0011337
公開日2001年10月24日 申請日期2000年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月17日
發(fā)明者李華玨 申請人:李華玨