吴 炜

（中铁二院工程集团有限责任公司地下铁道设计研究院，610031，成都∥高级工程师）

风机是地铁环控系统中的一种重要设备，为了确保其供货质量，往往都由建设方通过招投标方式进行公开招标采购。

本文根据国内不同地铁线路风机设备招标的实际经验和教训，结合作者对目前国内几个地铁风机供货商的实地考察和技术交流情况，针对风机用户需求书在编制中需要引起注意的相关技术部件进行总结，并对一些关键点进行筛选和分析。

1 风机的叶轮

对于轴流风机，叶轮由叶片、轮毂等构成；对于离心风机，叶轮由轮盖、叶片、轮盘等构成。

1.1 叶片的材质

地铁风机用的叶片材质主要为高强度航空铝，根据其成型工艺不同分为铸铝和锻铝。两种成型工艺的特点如下。

铸铝是一种将纯铝或铝合金锭按标准的成份比例配制后，经过人工加热将其变成铝合金液体或熔融状态后，再通过专业的模具或相应工艺将铝液或熔融状态的铝合金浇注进型腔，经冷却形成所需形状铝件的一种工艺方法。

锻铝是铝镁硅合金，采用高温下挤压成型的方法。由此方法锻造出来的构件具有中、高等强度，冲击韧性高，热塑性极好。

从上述两种成型工艺的介绍可以得出，由于工艺的不同，锻铝件要比铸铝件金属组织紧密，因此在机械性能（承压强度、韧性等）方面锻铝优于铸铝。

经过调研，除广州地铁所有线路的隧道风机叶片采用锻铝材质以外，多数城市地铁的风机叶片均采用铸铝材质。经过厂家出具的相关测试报告，铸铝的机械性能完全满足地铁风机的强度要求。

通过对国内几个地铁风机供货商的考察发现：采用铸铝的叶片，厂家均有自己的生产线，加工工艺较为简单；若采用锻铝叶片，各个风机厂家则需要外协（厂家外购）进行定制，这样一来，势必对风机的供货周期产生一定影响。

此外，从造价方面来看，采用锻铝叶片的单台风机造价约为铸铝叶片风机的3～4倍多。当数量较多时，所引起的工程造价提高不容忽视。

从实际已运行于地铁隧道的风机运行模式来看，除满足早晚各约0.5h的正常通风和事故（阻塞）或火灾模式下的运行以外，其余时间内，区间隧道风机并不开启。因此，综合以上因素分析，针对地铁风机的叶片型式建议仍采用目前常用的铸铝型式即可。这样，在满足功能的前提下，可最大限度地节约工程成本。

1.2 轮毂比的设定

轮毂比为轴流式风机轮毂的外径与叶轮外径之比。在规范GB／T 3235—2008《通风机基本型式、尺寸参数及性能曲线》中专门针对轮毂作了规定，以指导实际风机的设计制造。同时在规范GB 19761—2009《通风机能效限定值及能效等级》中，也专门结合轮毂比值给出了风机最高效率等级要求，可见此值的重要性。

现就轮毂比对风机效率的影响进行分析。对风机效率的影响主要表现在对风机几种损失的理解［1］。

1）风机的环形壁面损失：当气流经过叶片环时，气流对轮毂及机壳的壁面有摩擦损失。随着轮毂比的增大，环形壁面损失系数也随之增加，此时风机的效率会降低。

2）在轴流通风机的各种损失中，涡流损失占的比重较大：在靠近轮毂及机壳处，由于气流的空间流动而产生的涡流损失是由轮毂及机壳附面层中的漩涡形成的。气流流道两侧的不同压力造成漩涡，最终变为热能损耗掉，叶片越短（即轮毂比越大），涡区所占据流道面积的比例越大，涡流损失越大。

轮毂比的选取必须合适。对于高压力、小流量的通风机，可选取较大轮毂比；对于低压力、大流量的通风机，则取较小的轮毂比。当轮毂比小时，通风机的压力曲线要平坦些，工作区域也要宽一些。

但轮毂比不能过小，否则容易引起叶片根部的附面层分离，降低压力，同时增加制造难度，容易产生振动，对风机整体强度不利。

经过对相关风机厂家的调研，并结合实际地铁用风机的风量和压力范围，一般轮毂比范围都在0.3～0.5之间。

1.3 风机机壳法兰和风筒的连接方式

针对大型风机即隧道通风系统的隧道风机和轨排风机等，其风机机壳法兰和风筒的连接方式不一。经过调研得知，分直接由风筒整体翻边成形和法兰单独制作直接与风筒焊接两种型式。

有的厂家推荐采用利用法兰翻边机由风筒整体翻边施压成形，在壳体和法兰之间无焊缝。此翻边工艺能确保风筒的圆度达到设计的最高要求，既能保证叶轮和机壳之间的间隙在允许的公差范围内，又能保证整台设备的刚性和强度，从而保证了风机的流量和压力能够符合设计要求。

有的厂家建议法兰直接和风筒焊接，不推荐采用上述旋压成形。其原因是：①旋压成型的翻边宽度都很有限，难以满足法兰连接要求；②旋压翻边法兰的厚度较小，无法与焊接法兰的厚度相比，焊接法兰厚度可根据需要进行选择；③旋压法兰在翻边过程中会产生应力。

不同厂家在风机本体机壳法兰和风筒的连接方式上各有不同。为此，针对用户需求书里就机壳法兰是否旋压成形还是焊接成形，建议不作明确限定，对两种方法分别列出相关要求即可。如“法兰若由风筒旋压翻边加工，其厚度不低于风筒壁厚；法兰若采用焊接加工，其厚度应比风筒壁厚大2mm，并应有足够满足使用的强度和耐蚀性能”。

2 电机

电机是风机的重要组成部分，电机的好坏，直接关系到风机的各项性能指标。现就设备招标中的电机性能要求分析如下。

2.1 电机的品牌

风机厂家大多直接对外采购电机，由于电机的复杂性，在编制风机的用户需求书中，设计方也无法针对电机进行详细的描述。因此，为确保电机质量，建设方往往希望直接通过给定电机品牌，作为控制电机质量的手段。

经过调研，目前地铁用风机的配用电机的厂家如下：①国内大陆品牌有卧龙电机（卧龙电器集团有限公司）、KDS电机（顺德金泰德胜电机有限公司）、河南南阳电机、佳木斯电机、上海先锋电机等；②国外和中国台湾品牌有ABB电机、西门子电机、WEG电机、台湾东元电机等。

调研结果发现：国外和中国台湾的品牌电机综合性能优于国内大陆的品牌产品，但整体价格较高且国外部分品牌存在贴牌生产现象；国内大陆品牌电机现已非常成熟，在国内各城市地铁中都有成功应用。

鉴于此，为保证地铁风机采购物有所值，同时满足相关法律、法规，针对电机至少应推荐3个及以上的品牌，同时设定绝缘等级、防护等级、能效等级等方面要求，以确保供货风机的电机质量。

2.2 变频型式

随着节能要求日益提高，目前地铁隧道内风机运行需分别按照初、近、远期要求进行运行。国内大部分地铁线路，针对站内隧道通风系统和公共区通风空调系统大多考虑了变频技术。

目前实现变频的型式，有采用普通的三相异步电动机＋变频器型式和变频专用电机＋变频器型式这两种。以下从电动机的效率和温升、谐波电磁噪声与震动、低转速时的冷却问题等方面对这两种变频型式的优劣进行分析：

1）电动机的效率和温升：不论那种型式的变频器，在运行中均会产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜损耗。这些损耗都会使电动机额外发热、效率降低、输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%～20%。

2）谐波电磁噪声与振动：普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。

3）低转速时的冷却问题：普通异步电动机在转速降低时，冷却风量与转速的三次方成正比，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。而变频电机一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。

综合以上分析，笔者认为：当电机处于转速较低、功率较大的工况时，不宜采用普通的三相异步电动机＋变频器型式，推荐采用变频专用电机＋变频器型式，应直接在用户需求书中加以明确即可。此外，针对变频电机应加强绝缘，应能耐受变频器产生的浪涌电压及高次谐波的影响。

2.3 双速电机的绕组型式

地铁风机的实际配置，除采用变频型式以外，还有采用满足两种风量工况下的双速电机型式。如对通风兼排烟的风机，应满足低速和高速下的两种运行风量。

双速电机属于变级调速，通过设置两套独立绕组，或通过定子绕组接线的变换来获得两种不同的速度，可以是反相变级、换相变级。以往双速电机多选配YD系列电机。YD系列变级多速异步电动机是利用换接引线的方法来控制转速变化，其绕组接线型式为△／YY；而其升级版YDT型电机其绕组接线型式为Y／Y、Y／YY、3Y＋Y／3Y等。

表1给出了YD250M型和YDT250M型电机在低速和高速两种风量工况下的功率、效率、电流的比较数据。

表1 YD250M型和YDT250M型电机的功能比较

从表1可看出，两种电机的机座号（250M）、转速和出线端子数完全相同，额定负载的功率因数、电机效率及堵转电流和额定电流之比也极其接近，但两种电机的高速和低速功率的匹配设计却有非常明显的差距。YDT250M型的低速额定功率配置只是高速额定功率配置的34.04%，但YD250M的低速额定功率配置却是高速额定功率配置的76.19%。

从地铁风机运行模式来看，通常情况下的双速风机高速运转时间是很少的，绝大部分时间是低速运行。因而，实现双速风机节能的关键是看低速运行的节能情况。对于双速风机来说，双速电机的低速负载率是电机节能问题的核心。

经过相关调研，由于双绕组造价高，厂家一般不推荐双速风机采用独立双绕组型式。但笔者认为，目前地铁用双速风机（以一座车站为例）主要有区间隧道风机、排风兼排烟风机等，数量相对较少，且目前双速隧道风机常用的是6／8极，其定子接线绕组采用Y／Y型式，双绕组型式在高速和低速时两者功率差别较大，有利于节能。因此，还是推荐在双速电机的选择中明确其电机定子绕组接线型式采用独立双绕组型式。

3 风机的制动方式

经过调研，目前可逆隧道风机的正反转切换均需通过设置制动电阻，即采取能耗制动方式［2］，即在风机还未完全停止时，利用串接在定子两相绕组中的制动电阻，将动能转换为热能，达到瞬间停机完成反向启动运行。

制动电阻往往设置在环控电控柜内，地铁环控设计需考虑制动电阻瞬间散热对环控电控柜的影响。由于风机环控电控柜由动力照明专业负责采购，因此对于可逆风机采取能耗制动方式时，需提醒动力照明专业在环控柜招标设计文件中不能遗漏该部分的要求内容。

4 振动监测装置的设置

振动监测装置是近几年来随着地铁线路的发展，逐渐应用于地铁隧道风机的监测装置，用以确保地铁风机的稳定运行。

振动监测就是针对风机本体的振动进行适时监测。目前的设置范围有2种：一种是在隧道风机、轨道排风机、推力风机上设置；另一种是仅在区间射流风机上设置。笔者认为：隧道风机、轨道排风机、推力风机等虽然风量大、体积大，但基本都是落地安装于混凝土基础之上，从实际运行来看，振动带来的问题不明显；而设置在区间的射流风机由于其要承受隧道内活塞风压及空气压力交变，会影响其设备的牢固性，从而给行车安全带来不利影响。因此，笔者建议仅对射流风机设置振动监测。

5 风机能效等级的设定

风机的效率是风机的一项重要参数，也是目前评估节能的一个重要指标。风机效率往往通过其能效等级来实现。此外，在用户需求书编制中，建设方往往要求增加对风机电机能效等级的设定。目前电机的能效等级限定都是针对单速给出的，对双速、变频电机并未有专门的能效等级规范，这在用户需求书编制中要予以区分。

为便于招标的顺利进行，在给定了风机整体的能效等级要求后，针对其电机，可不必再有能效要求。

6 主要接口控制

针对地铁环控设备，一定要在用户需求书中给出相应的接口，明确划分其工作界面。

下面以目前地铁风机设备发生界面接口关系的两个主要接口为例，进行说明。

6.1 风机与动力照明（低压配电）的接口

1）动力照明专业负责为风机提供三相380V／50Hz、电压波动≤±10%、频率波动≤±5%的电源。

2）动力照明专业负责实现风机的启／停控制，与风阀联动／联锁控制，电机的缺相、短路和过载保护，状态显示；并负责将风机、联锁风阀、故障等状态反馈给BAS（环境与设备监控系统），风机通过环控电控柜接受BAS的监控。

3）动力照明专业负责配置风机（车站轨道排风机、公共区回／排风机）的变频器。变频器应设置于环控电控室内。

4）风机接线盒内连接动力电缆的端子应比正常配电容量端子尺寸大至少2个等级，以满足电缆接入的要求。在设计联络稳定后，由风机厂家提供接线盒内接线孔孔径及间距，供动力照明专业落实其接线电缆。

6.2 与BAS的接口

1）除轴温报警和振动报警以外，风机与综合监控系统无直接物理接口，而间接接口在环控电控柜处。

2）轴温报警装置和振动报警装置负责将报警信息传递给BAS，并具备2个输入接口（即1台变送器或2台变送器监视对应风机的2个轴温或／和2个振动信号），接口在风机自带变送器盒内，变送器之后与BAS控制器的电缆由BAS提供。

3）BAS通过环控电控柜对风机的具体监控内容和方式由BAS与环控电控柜供货商双方协商解决。

［1］昌泽周，安庆丰，冯成戈，等.轴流式通风机实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］李玉街，蔡小兵，郭林，等.中央空调系统模糊控制节能技术及应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.