【正文】 第十三章 主要通風機司機第一節(jié) 通風機的工作原理 礦井主要通風機，通常使用離心式和軸流式兩大類。離心式通風機因以離心力形成風壓而得名；軸流式通風機因氣流沿軸向流動而得名。一般說來，離心式通風機適用于小流量、高壓力的場所，而軸流式通風機則常用于大流量、低壓力的情況，它們各有優(yōu)點。 一、離心式通風機工作原理 圖13—1是離心式通風機構(gòu)造簡圖。圖13—1 離心式通風機構(gòu)造簡圖1—進氣；2—進氣口；3—葉輪；4—蝸殼；5—主軸；6—出氣口；7—出口擴壓器 氣體在離心式通風機內(nèi)的流動方向是：從進風口沿軸向進入葉輪，隨著葉輪流道的改變，氣流又從徑向流出葉輪。在這個流動過程中，風壓和流速不斷增大，氣流匯集在螺線形機殼中，氣流速度下降而壓力上升，最后經(jīng)過錐形擴散器排入大氣。 離心式通風機的工作原理：已知氣體在離心式通風機中的流動先為軸向，后轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇谕L機軸的徑向運動，當氣體通過旋轉(zhuǎn)葉輪的流道間，由于葉片的作用，氣體獲得能量，即氣體壓力提高和動能增加。當氣體獲得的能量足以克服其阻力時，則可將氣體輸送到高處或遠處。 離心式通風機是靠旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生的離心力作用增加壓力的。由于離心力的作用氣流被甩到葉輪出口，這時葉輪的入口產(chǎn)生負壓，在大氣壓力作用下氣流不斷由進風口繼續(xù)進入葉輪，在葉輪中氣流獲得高速度，經(jīng)過螺旋形機殼時，因為斷面不斷擴大使氣流速度逐漸降低，壓力繼續(xù)增大，在氣流到達擴散器出口時，氣流具有的壓力基本上和大氣壓相等。由此可見，通風機內(nèi)的氣流壓力是低于大氣壓的。通風機的作用就是把低于大氣壓力的氣流吸進去，經(jīng)過葉輪又給氣流增加了壓力，然后排向大氣。如此不斷地吸、排，以達到輸送空氣的目的。如果能制造足夠長度的擴散器，則排向大氣的空氣壓力就完全和大氣壓力相等。 在氣流從進風口到達擴散器出口的流動過程中，葉輪是增加壓力的惟一部件。當原動機拖動葉輪旋轉(zhuǎn)時，葉輪就對氣體做功，使氣體獲得能量(靜壓和動能)，氣體離開葉輪后仍以一定的速度進入蝸殼，在蝸殼中速度降低，將部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓而離開通風機。蝸殼、擴散器的作用是減低氣流的動壓，增加靜壓以避免葉輪產(chǎn)生的高速氣流直接排出大氣而造成損失。 葉輪是一個使氣體獲得能量的重要部件。不同葉片形式對壓力有著不同的影響。離心式通風機葉輪的葉片可以按照葉片出口安裝角度大小和葉片幾何形狀分為3種不同類型。葉片的3種形式如圖132所示。圖13—2 葉片的3種形式 (圖13—2(a))。葉片出口安裝角β2＞90176。它分為一般前向葉片和多翼式前向葉片。產(chǎn)生的理論壓頭最大，動壓占的比例大，損失也大。 (圖13—2(b))。葉片出口安裝角β2＜90176。它分為曲線形后向葉片和直線形后向葉片。產(chǎn)生的理論壓頭最小，靜壓占的比例大，動壓占的比例小，損失也小。 (圖13—2(c))。葉片出口安裝角β2＝90176。一般有徑向出口葉片和徑向直葉片。產(chǎn)生的理論壓頭介于前向葉片和后向葉片之間。 通過比較可以看出，在其他條件相同時3種葉片形式的比較結(jié)果如下： 從氣體所獲得的壓力看，前向葉片壓頭最大，徑向葉片居中，后向葉片最小。 從效率觀點看，后向葉片損失最小，故效率最高；徑向葉片介于前、后向葉片之間；前向葉片損失最大，故效率最低。 從結(jié)構(gòu)尺寸看，在流量和轉(zhuǎn)速一定時，達到相同的壓力前提下，前向葉輪直徑最小，徑向葉輪稍次，后向葉輪直徑最大。 因此，大功率的通風機一般用后向葉片較多。后向葉片的通風機效率高，壓頭特性曲線平緩穩(wěn)定，這對兩臺通風機的并聯(lián)運轉(zhuǎn)非常有利。如果對通風機的壓力要求較高，而轉(zhuǎn)速或圓周速度又受到一定限制時，則往往選用前向葉片。如果從磨損和積垢角度看，選用徑向直葉片較有利。 二、軸流式通風機工作原理 軸流式通風機與離心式通風機一樣，由于葉片與氣流相互作用而產(chǎn)生壓差，使空氣沿軸向流動。圖13—3是軸流式通風機構(gòu)造簡圖。氣流從集風器進入，通風葉輪使氣體獲得能量，然后流入導(dǎo)葉，導(dǎo)葉將一部分偏轉(zhuǎn)的氣流動能變?yōu)殪o壓能，最后通過擴散筒將一部分軸向氣流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，然后從擴散筒流出，輸入管路。工程中常見到氣體繞物體的流動，簡稱繞流。研究繞流問題的目的，就是研究作用在物體周圍的氣流速度、壓力等的變化情況。首先我們來看一個理想流體流過靜止圓柱體的情況。如圖13—4(a)所示。 流體在流近靜止圓柱體前，是一組均勻的平行流線，當流體流過圓柱體時，由于圓柱體的阻礙，流線逐層發(fā)生彎曲。繞過c、d點后，鑒于理想流體沒有粘性，不會產(chǎn)生附面層分離，因此流線又合攏。因為圓柱體是一對稱物體，它不受任何作用，即使對于實際流體，也只會產(chǎn)生平行于流動方向的阻力，在垂直于流動的方向，仍無外力產(chǎn)生。圖13—3 軸流式通風機構(gòu)造簡圖1—集風器；2—葉輪；3—導(dǎo)葉；4—擴散筒圖13—4 理想流體流過圓柱體 如果圓柱體在靜止的空氣中轉(zhuǎn)動，根據(jù)實際觀察，圓柱體周圍的流體也將隨圓柱一起繞軸心流動，如圖13—4(b)所示。這種流動稱為環(huán)流。離開圓柱越遠的流體轉(zhuǎn)得越慢。 如果把轉(zhuǎn)動的圓柱體放在均勻平行的流體中，這時圓柱體上面的流體速度較快，但壓力較低，圓柱體下面的流體因速度較慢而壓力增大。因為圓柱上下壓差的作用，產(chǎn)生一個向上的推力，稱為升力，如圖13—4(c)所示。上面所產(chǎn)生的這種現(xiàn)象，稱為升力效應(yīng)。 理想流體流過軸流通風機葉片翼型的情況與流過圓柱體相類似，如圖135所示。圖135 理想流體流過軸流通風機葉片翼型的情況 當實際流體流過葉片翼型時，表面上存在著附面層，由于起動渦的產(chǎn)生，一個與起動渦大小相等、方向相反的環(huán)流在葉片翼型周圍產(chǎn)生。實際氣流繞葉片翼型的流動，可以看成是理想流體繞葉片翼型的流動與葉片翼型的環(huán)流的疊加。疊加的結(jié)果改變了葉片翼型上下表面的速度分布，使葉片翼型上表面速度增加，下表面速度減小，于是產(chǎn)生了壓差，也就產(chǎn)生了把葉片推向低壓區(qū)的力，使葉片上升。 但是軸流式通風機的葉片是均勻固定在輪轂表面上排列成柵形的，所以葉片底面的高壓氣流在葉片推動下向出口流出，葉片上凸面的低壓氣流會不斷地將空氣引進來，穿過兩葉片的通道，向后流動。這樣在葉輪的旋轉(zhuǎn)下形成連續(xù)不斷的氣流。軸流式通風機在葉輪后面安裝了固定不動的后導(dǎo)葉，它可以將一部分動壓變?yōu)殪o壓。有時為了提高通風機的壓力，在一臺風機上安裝兩個轉(zhuǎn)動葉輪，這種兩級通風機的第一個葉輪之后必須安裝中間導(dǎo)葉，以使流入第二個葉輪的氣流方向與流入第一個葉輪的氣流方向相同。第二節(jié) 通風機主要性能參數(shù) 一、通風機工作的基本參數(shù) 風量、風壓、轉(zhuǎn)速、功率及效率是表示通風機性能的主要參數(shù)，稱為通風機的性能參數(shù)。它們共同表達通風機的規(guī)格和特性。這里簡單地說明它們的概念。 表示單位時間流過通風機的空氣量，常用單位為m3/s、m3/min、m3／h。 當空氣流過通風機時，通風機給予每立方米空氣的總能量(kgfm)稱為通風機的全壓(kgf/m2)，它總是由靜壓和動壓所組成，即： (kgf/m2) 通風機無論抽出或壓入工作，其全壓Ht總是消耗于克服礦井通風阻力h和擴散器出口(抽出式)或風井出口(壓入式)的動壓損失。那么，通風機壓入式工作時，一般常用它的全壓Ht來表示它的風壓參數(shù)，而抽出式工作時，常用它的“有效靜壓”來表示其風壓參數(shù)。 通風機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的快慢將直接影響通風機的風量、風壓、效率。單位為r/min。 驅(qū)動通風機所需要的功率N稱為軸功率，或者說是單位時間內(nèi)傳遞給通風機軸的能量。通風機工作有效的總功率為： (kW)如果通風機風壓是用其有效靜壓Hs來表示，則 (kW) 通風機軸上的功率N因為有部分損失而不能全部傳給空氣，所以就用效率來反映損失的大小及其工作的優(yōu)劣，效率高，即損失小。從不同角度出發(fā)有不同的效率，因所用風壓參數(shù)不同就有： 全壓效率 靜壓效率 二、通風機的主要無因次參數(shù) 將通風機的主要性能參數(shù)風量(m3／s)、風壓H(kg／m2)、功率N(kW)、轉(zhuǎn)速(r／min)與通風機特性值—葉輪外徑D(m)、葉輪外緣的圓周速度U(m/s)以及氣體密度ρ(kg／m3)之間的關(guān)系用無因次參數(shù)來表示，它們分別是：壓力系數(shù) 流量系數(shù) 功率系數(shù) 比轉(zhuǎn)數(shù) 三、通風機的個體特性曲線 通風機的風量、風壓、功率、效率等幾個參數(shù)之間存在著一定的依存關(guān)系。如果風量發(fā)生了變化，相應(yīng)地風壓、功率、效率等也要發(fā)生變化。 通風機的特性曲線，就是在既定轉(zhuǎn)速下，反映風量、風壓、功率、效率之間關(guān)系的曲線，它表明通風機的各種工作性能和變化規(guī)律，對通風機的選型和分析通風機的工作狀態(tài)是十分有用的。 因為空氣在通風機內(nèi)流動情況非常復(fù)雜，所以至今我們還無法用理論計算的方法得到它的特性曲線，而只能用試驗的方法求得。新通風機在出廠之前，一般進行模擬試驗給出特性曲線。通常通風機樣本給出的特性曲線，是通風機氣動特性曲線，其效率為氣動效率，而在現(xiàn)場測定的曲線為通風機裝置曲線，其效率為裝置效率。 實際使用時，常將礦井風阻特性曲線與通風機特性曲線繪在一張圖上，礦井風阻曲線R與通風機Q—H特性曲線的交點A為通風機的工況點。根據(jù)工況點的位置，便可由圖中縱橫坐標查出相應(yīng)的風機、風量、風壓、功率、效率。 圖13—6是后彎式離心式通風機特性曲線。 (1)風量—風壓曲線 通風機風量和風壓之間的關(guān)系曲線叫做風量—風壓曲線(Q—H曲線)。輪葉后彎式通風機Q—H曲線一般呈單斜狀；輪葉前彎式通風機Q—H曲線一般呈駝峰狀。當風量接近零時會出現(xiàn)一最大值，隨著風壓的增加，風量逐漸下降，所以Q—H曲線是一條變化較為平緩的曲線。(2)風量—功率曲線 通風機的風量和功率之間的關(guān)系曲線叫圖13—6 后彎式離心式通風機特性曲線做風量—功率曲線(Q—N曲線)。當風量為零時，功率最小，這是Q—N特性曲線的一個特點，所以利用這一特點離心式通風機是在閘門全閉下啟動，此時電機消耗功率是最小的，利于安全啟動，避免電流過大燒壞電機。隨著風量的增加，功率是緩緩上升的，最后達到功率的最大值。 (3)風量—效率曲線 通風機風量和效率之間的關(guān)系曲線，叫做風量—效率曲線(Q—η曲線)。當風量為零時，效率也為零；隨著風量的增加，效率也逐漸上升，在P處到達最大值時又逐漸下降。P點是最高效率點，也就是通風機運行最經(jīng)濟的一點。 如圖13—7所示，軸流式通風機與離心式通風機的特性曲線差異較大。 (1)風量—風壓曲線 軸流式通風機的Q—H曲線一般呈馬鞍—駝峰狀，在馬鞍的左端是不穩(wěn)定的工作段。多臺通風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)時，要特別注意這一點。每一個安裝角對應(yīng)一條Q—H曲線。當風量為零時風壓有一較大值，隨著風量的增加風壓逐漸下降，當風量再繼續(xù)增加時，風壓又上升到最大峰值F，爾后又突然下降，形成了一個“馬鞍形”的駝峰區(qū)，風量雖然變化不大，風壓卻有著明顯的變化。 在軸流式通風機中增加了穩(wěn)流環(huán)裝置后的Q—H曲線有所不同，Q—H曲線較穩(wěn)定，見圖13—8。圖13—7 軸流式通風機的特性曲線圖13—8 增加穩(wěn)流環(huán)裝置后的曲線 (2)風量—功率曲線 軸流式通風機葉片每一組不同的安裝角對應(yīng)一條Q—N曲線。當風量為零時，功率有較大值，隨著風量的增加，功率逐漸變?yōu)樽钚≈?，再到最大值，最后逐漸呈下降趨勢。軸流式通風機在啟動時，閘門不允許全閉啟動，如果全閉啟動，則電機消耗的功率最大。軸流式通風機可以直接啟動。 (3)風量—效率曲線 同樣地，每一個安裝角對應(yīng)著一條Q—η曲線。其中，設(shè)計安裝角時所對應(yīng)的效率最高。由于通風機本身存在能量損失，因此，其輸出功率小于輸入功率。兩者之比即為通風機的效率。Q—η曲線近似為一條拋物線，隨風量的增加而增加，當增大值后，又隨風量的增加而降低。 四、通風機的工況及其合理工作段 通風機在網(wǎng)絡(luò)中運行時，所產(chǎn)生的風量等于通過網(wǎng)絡(luò)的風量，而風量通過該網(wǎng)絡(luò)時，對應(yīng)的阻力即等于通風機的風壓。也就是說，礦井的通風工作是由網(wǎng)絡(luò)與通風機的配合來完成的。網(wǎng)絡(luò)有多大的阻力，通風機就對應(yīng)地產(chǎn)生多大的壓力；網(wǎng)絡(luò)需要多大風量，通風機就對應(yīng)地產(chǎn)生多大風量。能量的消耗和供給是平衡的。如圖13—9將網(wǎng)絡(luò)風阻特性曲線與通風機特性曲線畫在同一坐標中，兩曲線的交點就是它的工況點，根據(jù)此工況點就可以決定通風機的效率、軸功率。當網(wǎng)絡(luò)風阻發(fā)生變化時，其特性曲線由OR1變到OR2和0R3，圖139 通風機的工況點此時工況點隨之變?yōu)镸2和M3。工況點發(fā)生變化后，通風機的風量、風壓、功率、效率等都隨之變化。為了保證通風機穩(wěn)定、經(jīng)濟、安全地運行，其工況點要限制在一定的范圍內(nèi)。 從穩(wěn)定性考慮，離心式通風機工作穩(wěn)定性較好。一般的軸流式通風機特性曲線呈馬鞍形，且有駝峰點，工況點需選擇在駝峰的右側(cè)才能保證其穩(wěn)定性。 從經(jīng)濟性考慮，要求通風機的靜壓效率大于60％。運行工況點的選擇應(yīng)不低于最高效率的85％～90％范圍內(nèi)最為經(jīng)濟。 從安全性考慮，對于葉輪外徑較大的軸流通風機，不宜選用較高轉(zhuǎn)速，葉輪直徑超過150cm時，通風機的轉(zhuǎn)速應(yīng)選擇8級以下，以免超載燒機。五、通風機參數(shù)的比例定律 同一類型通風機的風量、風壓、功率與通風機尺寸(葉輪直徑)和轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系，稱之為通風機參數(shù)的比例定律。 通風機屬于同一類型就是指彼此的結(jié)構(gòu)幾何上相似，通風機內(nèi)風流的運行相似和動力相似。在通風機中相似理論的應(yīng)用是非常重要的，它主要應(yīng)用于通風機的相似設(shè)計及性能的相似換算。 兩個通風機相似是指葉輪與氣體的能量傳遞過程以及氣體在通風機內(nèi)流動過程相似，或者說它們在任一對應(yīng)點的同名物理量之比保持常數(shù)，這些常數(shù)叫做比例常數(shù)。 通風機各部件的對應(yīng)邊成比例。例如，一臺離心式通風機的葉輪外徑、出口寬度、入口直徑、入口寬度與另外一臺同類型的離心式通風機的上述尺寸之比為常數(shù)。