通風(fēng)機(jī)的實(shí)際特性曲線(xiàn)

1、第四節(jié) 通風(fēng)機(jī)的實(shí)際特性曲線(xiàn)一、通風(fēng)機(jī)的工作參數(shù)表示通風(fēng)機(jī)性能的主要參數(shù)是風(fēng)壓H、風(fēng)量Q、風(fēng)機(jī)軸功率N、效率h和轉(zhuǎn)速n等。(一)風(fēng)機(jī)(實(shí)際)流量Q風(fēng)機(jī)的實(shí)際流量一般是指實(shí)際時(shí)間內(nèi)通過(guò)風(fēng)機(jī)入口空氣的體積，亦稱(chēng)體積流量（無(wú)特殊說(shuō)明時(shí)均指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），單位為, 或。(二）風(fēng)機(jī)(實(shí)際)全壓Hf與靜壓Hs通風(fēng)機(jī)的全壓Ht是通風(fēng)機(jī)對(duì)空氣作功，消耗于每1m3空氣的能量（Nm/m3或Pa），其值為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)流的全壓與入口風(fēng)流全壓之差。在忽略自然風(fēng)壓時(shí)，Ht用以克服通風(fēng)管網(wǎng)阻力hR和風(fēng)機(jī)出口動(dòng)能損失hv，即Ht=hR+hV, 441克服管網(wǎng)通風(fēng)阻力的風(fēng)壓稱(chēng)為通風(fēng)機(jī)的靜壓HS，PaHS=hR=RQ2 4-4-2

2、因Ht=HS+hV 4-4-3(三)通風(fēng)機(jī)的功率通風(fēng)機(jī)的輸出功率（又稱(chēng)空氣功率）以全壓計(jì)算時(shí)稱(chēng)全壓功率Nt，用下式計(jì)算：Nt=HtQ10-3 4-5-4用風(fēng)機(jī)靜壓計(jì)算輸出功率，稱(chēng)為靜壓功率NS，即:NS=HSQ103 4-4-5因此，風(fēng)機(jī)的軸功率，即通風(fēng)機(jī)的輸入功率N（kW）, 4-5-6或 4-4-7式中:ht,hS分別為風(fēng)機(jī)折全壓和靜壓效率。設(shè)電動(dòng)機(jī)的效率為hm,傳動(dòng)效率為htr時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入功率為Nm,則4-4-8二、通風(fēng)系統(tǒng)主要參數(shù)關(guān)系和風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)（壓差計(jì)）示值含義掌握礦井主要通風(fēng)機(jī)與通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)之間關(guān)系，對(duì)于礦井通風(fēng)的科學(xué)管理至關(guān)重要。為了指示主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以及通風(fēng)系統(tǒng)的狀況，在

3、風(fēng)硐中靠近風(fēng)機(jī)入口、風(fēng)流穩(wěn)定斷面上安裝測(cè)靜壓探頭，通過(guò)膠管與風(fēng)機(jī)房中水柱計(jì)或壓差計(jì)（儀）相連接，測(cè)得所在斷面上風(fēng)流的相對(duì)靜壓h。在離心式通風(fēng)機(jī)測(cè)壓探頭應(yīng)安裝在立閘門(mén)的外側(cè)。水柱計(jì)或壓差計(jì)的示值與通風(fēng)機(jī)壓力和礦井阻力之間存在什么關(guān)系？它對(duì)于通風(fēng)管理有什么實(shí)際意義？下面就此進(jìn)行討論。1、抽出式通風(fēng)1）水柱（壓差）計(jì)示值與礦井通風(fēng)阻力和風(fēng)機(jī)靜壓之間關(guān)系如圖4-4-1，水柱計(jì)示值為4斷面相對(duì)靜壓h4，h4（負(fù)壓）=P4-P04(P4為4斷面絕對(duì)壓力，P04為與4斷面同標(biāo)高的大氣壓力）。沿風(fēng)流方向，對(duì)1、4兩斷面列伯努力方程:hR14=(P1+hv1+m12 gZ12)- (P4+hv4+m34 gZ3

4、4)式中:hR141至4斷面通風(fēng)阻力，Pa ;P1、P4分別為1、4斷面壓力，Pa；圖4-4-1 hv1、hv4分別為1、4斷面動(dòng)壓，Pa；Z12、Z34分別為12、34段高差，m；m12、m34分別為12、34段空氣柱空氣密度平均值，kg/m3；因風(fēng)流入口斷面全壓Pt1等于大氣壓力P01，即P1+hv1=Pt1=P01，又因1與4斷面同標(biāo)高，故1斷面的同標(biāo)高大氣壓P01與4斷面外大氣壓P04相等。又:m12gZ12m34gZ34=HN故上式可寫(xiě)為hR14=P04-P4-hv4+HNhR14=|h4|-hv4+HN即:|h4|=hR14+hv4-HN4-4-9根據(jù)通風(fēng)機(jī)靜壓與礦井阻力之間的關(guān)系

5、可得HS+HN=|h4|-hv4=ht44-4-10式4-4-9和式4410，反映了風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)測(cè)值h4與礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力、通風(fēng)機(jī)靜壓及自然風(fēng)壓之間的關(guān)系。通常hv4數(shù)值不大，某一段時(shí)間內(nèi)變化較小，HN隨季節(jié)變化，一般礦井，其值不大，因此，|h4|基本上反映了礦井通風(fēng)阻力大小和通風(fēng)機(jī)靜壓大小。如果礦井的主要進(jìn)回風(fēng)道發(fā)生冒頂堵塞，則水柱計(jì)讀數(shù)增大；如果控制通風(fēng)系統(tǒng)的主要風(fēng)門(mén)開(kāi)啟。風(fēng)流短路，則水柱計(jì)讀數(shù)減小，因此，它是通風(fēng)管理的重要監(jiān)測(cè)手段。2）風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)示值與全壓Ht之間關(guān)系。與上述類(lèi)似地對(duì)4、5斷面(擴(kuò)散器出口）列伯努力方程，便可得水柱計(jì)示值與全壓之間關(guān)系Ht =|h4|hv4+hRd+hv

6、5即|h4|=Ht+hv4-hRd-hv54-4-11式中 hRd擴(kuò)散器阻力，Pa ;hv5擴(kuò)散器出口動(dòng)壓，Pa；根據(jù)式4-4-11可得圖4-4-2Ht=hR12+ hRd+hv4Ht+HN=hR14+ hRd+hv5 4-4-122、壓入式通風(fēng)的系統(tǒng) 如圖4-4-2，對(duì)1、2兩斷面列伯努力方程得：hR12=(P1+hv1+m1gZ1)-(P2+hv2+m2gZ2)因風(fēng)井出口風(fēng)流靜壓等于大氣壓，即P2=P02；1、2斷面同標(biāo)高，其同標(biāo)高的大氣壓相等，即P01-P02，故P1-P2=P1-P01=h1又m1gZ1-m2gZ2=HN故上式可寫(xiě)為hR12=h1+hV1-hv2+HN所以風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)值

7、:h1=hR12+hv2-hV1-HN又Ht=Pt1-Pt1=Pt1-P0=P1+hv1-P0=h1+hv1Ht+HN=hR12+hv2 4-4-13由式4-4-12和式4-4-13可見(jiàn)，無(wú)論何種通風(fēng)方式，通風(fēng)動(dòng)力都是克服風(fēng)道的阻力和出口動(dòng)能損失，不過(guò)抽出式通風(fēng)的動(dòng)能損失在擴(kuò)散器出口，而壓入式通風(fēng)時(shí)出口動(dòng)能損失在出風(fēng)井口，兩者數(shù)值上可能不等，但物理意義相同。三、通風(fēng)機(jī)的個(gè)體特性曲線(xiàn)當(dāng)風(fēng)機(jī)以某一轉(zhuǎn)速、在風(fēng)阻的管網(wǎng)上工作時(shí)、可測(cè)算出一組工作參數(shù)風(fēng)壓、風(fēng)量、功率、和效率，這就是該風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)風(fēng)阻為時(shí)的工況點(diǎn)。改變管網(wǎng)的風(fēng)阻，便可得到另一組相應(yīng)的工作參數(shù)，通過(guò)多次改變管網(wǎng)風(fēng)阻，可得到一系列工況參數(shù)。將這

8、些參數(shù)對(duì)應(yīng)描繪在以為橫坐標(biāo)，以、和為縱坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系上，并用光滑曲線(xiàn)分別把同名參數(shù)點(diǎn)連結(jié)起來(lái)，即得、和曲線(xiàn)，這組曲線(xiàn)稱(chēng)為通風(fēng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速條件下的個(gè)體特性曲線(xiàn)。有時(shí)為了使用方便，僅采用風(fēng)機(jī)靜壓特性曲線(xiàn)(S)。為了減少風(fēng)機(jī)的出口動(dòng)壓損失，抽出式通風(fēng)時(shí)主要通機(jī)的出口均外接擴(kuò)散器。通常把外接擴(kuò)散器看作通風(fēng)機(jī)的組成部分，總稱(chēng)之為通風(fēng)機(jī)裝置。通風(fēng)機(jī)裝置的全壓t為擴(kuò)散器出口與風(fēng)機(jī)入口風(fēng)流的全壓之差，與風(fēng)機(jī)的全壓t之關(guān)系為4-4-14式中:hd擴(kuò)散器阻力。通風(fēng)機(jī)裝置靜壓sd因擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)形式和規(guī)格不同而有變化，嚴(yán)格地說(shuō)圖 4-4-3 t、td、s和sd之間的相互關(guān)系圖4-4-15式中:hVd擴(kuò)散器出口動(dòng)壓。比

9、較式410與式415可見(jiàn)，只有當(dāng)hd+hVds，即通風(fēng)機(jī)裝置阻力與其出口動(dòng)能損失之和小于通風(fēng)機(jī)出口動(dòng)能損失時(shí)，通風(fēng)機(jī)裝置的靜壓才會(huì)因加擴(kuò)散器而有所提高，即擴(kuò)散器起到回收動(dòng)能的作用。圖443表示了t、td、s和sd之間的相互關(guān)系，由圖可見(jiàn)，安裝了設(shè)計(jì)合理的擴(kuò)散器之后，雖然增加了擴(kuò)散器阻力，使td曲線(xiàn)低于t曲線(xiàn)，但由于hd+hVdhV，則說(shuō)明了擴(kuò)散器設(shè)計(jì)不合理。安裝擴(kuò)散器后回收的動(dòng)壓相對(duì)于風(fēng)機(jī)全壓來(lái)說(shuō)很小，所以通常并不把通風(fēng)機(jī)特性和通風(fēng)機(jī)裝置特性嚴(yán)加區(qū)別。通風(fēng)機(jī)廠提供的特性曲線(xiàn)往往是根據(jù)模型試驗(yàn)資料換算繪制的，一般是未考慮外接擴(kuò)散器。而且有的廠方提供全壓特性曲線(xiàn)，有的提供靜壓特性曲線(xiàn)，讀者應(yīng)能根據(jù)

10、具體條件掌握它們的換算關(guān)系。圖4-4-4和圖4-4-5分別為軸流式和離心式通風(fēng)機(jī)的個(gè)體特性曲線(xiàn)示例。圖4-4-4軸流式個(gè)體特性曲線(xiàn) 圖4-4-5離心式通風(fēng)機(jī)個(gè)體特性曲線(xiàn)軸流式通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓特性曲線(xiàn)一般都有馬鞍形駝峰存在。而且同一臺(tái)通風(fēng)機(jī)的駝峰區(qū)隨葉片裝置角度的增大而增大。駝峰點(diǎn)以右的特性曲線(xiàn)為單調(diào)下降區(qū)段，是穩(wěn)定工作段；點(diǎn)以左是不穩(wěn)定工作段，風(fēng)機(jī)在該段工作，有時(shí)會(huì)引起風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓和電動(dòng)機(jī)功率的急劇波動(dòng)，甚至機(jī)體發(fā)生震動(dòng)，發(fā)出不正常噪音，產(chǎn)生所謂喘振（或飛動(dòng)）現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞風(fēng)機(jī)。離心式通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓曲線(xiàn)駝峰不明顯，且隨葉片后傾角度增大逐漸減小，其風(fēng)壓曲線(xiàn)工作段較軸流式通風(fēng)機(jī)平緩；當(dāng)管網(wǎng)風(fēng)阻作相同

11、量的變化時(shí)，其風(fēng)量變化比軸流式通風(fēng)機(jī)要大。離心式通風(fēng)機(jī)的軸功率又隨增加而增大，只有在接近風(fēng)流短路時(shí)功率才略有下降。因而，為了保證安全啟動(dòng)，避免因啟動(dòng)負(fù)荷過(guò)大而燒壞電機(jī)，離心式通風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)應(yīng)將風(fēng)硐中的閘門(mén)全閉，待其達(dá)到正常轉(zhuǎn)速后再將閘門(mén)逐漸打開(kāi)。當(dāng)供風(fēng)量超過(guò)需風(fēng)量過(guò)大時(shí)，常常利用閘門(mén)加阻來(lái)減少工作風(fēng)量，以節(jié)省電能。軸流式通風(fēng)機(jī)的葉片裝置角不太大時(shí)，在穩(wěn)定工作段內(nèi)，功率N隨Q增加而減小。所以軸流式通風(fēng)機(jī)應(yīng)在風(fēng)阻最小時(shí)啟動(dòng)，以減少啟動(dòng)負(fù)荷。在產(chǎn)品樣本中，大、中型礦井軸流式通風(fēng)機(jī)給出的大多是靜壓特性曲線(xiàn)；而離心式通風(fēng)機(jī)大多是全壓特性曲線(xiàn)。對(duì)于葉片安裝角度可調(diào)的軸流式通風(fēng)機(jī)的特性曲線(xiàn)，通常以圖472的

12、形式給出，曲線(xiàn)只畫(huà)出最大風(fēng)壓點(diǎn)右邊單調(diào)下降部分，且把不同安裝角度的特性曲線(xiàn)畫(huà)在同一坐標(biāo)上，效率曲線(xiàn)是以等效率曲線(xiàn)的形式給出。四、無(wú)因次系數(shù)與類(lèi)型特性曲線(xiàn)目前風(fēng)機(jī)種類(lèi)較多，同一系列的產(chǎn)品有許多不同的葉輪直徑，同一直徑的產(chǎn)品又有不同的轉(zhuǎn)速。如果僅僅用個(gè)體特性曲線(xiàn)表示各種通風(fēng)機(jī)性能，就顯得過(guò)于復(fù)雜。還有，在設(shè)計(jì)大型風(fēng)機(jī)時(shí)，首先必須進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)。那么模型和實(shí)物之間應(yīng)保持什么關(guān)系？如何把模型的性能參數(shù)換算成實(shí)物的性能參數(shù)？這些問(wèn)題都要進(jìn)行討論。（一） 無(wú)因次系數(shù)通風(fēng)機(jī)的相似條件兩個(gè)通風(fēng)機(jī)相似是指氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)過(guò)程相似，或者說(shuō)它們之間在任一對(duì)應(yīng)點(diǎn)的同名物理量之比保持常數(shù)，這些常數(shù)叫相似常數(shù)或比例系數(shù)。同

13、一系列風(fēng)機(jī)在相應(yīng)工況點(diǎn)的流動(dòng)是彼此相似的，幾何相似是風(fēng)機(jī)相似的必要條件，動(dòng)力相似則是相似風(fēng)機(jī)的充要條件，滿(mǎn)足動(dòng)力相似的條件是雷諾數(shù)e（=）和歐拉數(shù)Eu=（）分別相等。同系列風(fēng)機(jī)在相似的工況點(diǎn)符合動(dòng)力相似的充要條件。2、無(wú)因次系數(shù)無(wú)因次系數(shù)主要有：（1）壓力系數(shù) 同系列風(fēng)機(jī)在相似工況點(diǎn)的全壓和靜壓系數(shù)均為一常數(shù)?？捎孟率奖硎荆?， 4-4-16或 4-4-17式中 和叫全壓系數(shù)和靜壓系數(shù)。為壓力系數(shù)，u為圓周速度。（2）流量系數(shù)由幾何相似和運(yùn)動(dòng)相似可以推得 4-4-18式中D、u、分別表示兩臺(tái)相似風(fēng)機(jī)的葉論外緣直徑、圓周速度，同系列風(fēng)機(jī)的流量系數(shù)相等。（3）功率系數(shù)風(fēng)機(jī)軸功率計(jì)算公式中的H和Q分別

14、用式4-4-17和式4-4-18代入得 4-4-19同系列風(fēng)機(jī)在相似工況點(diǎn)的效率相等，功率系數(shù)為常數(shù)。、三個(gè)參數(shù)都不含有因次，因此叫無(wú)因次系數(shù)。（二）類(lèi)型特性曲線(xiàn)、和可用相似風(fēng)機(jī)的模型試驗(yàn)獲得，根據(jù)風(fēng)機(jī)模型的幾何尺寸、實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)時(shí)所得的工況參數(shù)Q、H、N和。利用式4-4-17、4-4-18和4-4-19計(jì)算出該系列風(fēng)機(jī)的、和。然后以為橫坐標(biāo)，以、和為縱坐標(biāo)，繪出-、-和-曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)即為該系列風(fēng)機(jī)的類(lèi)型特性曲線(xiàn)，亦叫通風(fēng)機(jī)的無(wú)因次特性曲線(xiàn)和抽象特性曲線(xiàn)。圖4-4-6和力圖4-4-7分別為4-72-11和G4-73-11型離心式通風(fēng)機(jī)的類(lèi)型曲線(xiàn)，2K60型類(lèi)型風(fēng)機(jī)的類(lèi)型曲線(xiàn)如圖4-7-2（a

15、)、(b)所示。可根據(jù)類(lèi)型曲線(xiàn)和風(fēng)機(jī)直徑、轉(zhuǎn)速換算得到個(gè)體特性曲線(xiàn)。需要指出的是，對(duì)于同一系列風(fēng)機(jī)，當(dāng)幾何尺寸（D）相差較大時(shí)，在加工和制造過(guò)程中很難保證流道表面相對(duì)粗糙度、葉片厚度以及機(jī)殼間隙等參數(shù)完全相似，為了避免因尺寸相差較大而造成誤差，所以有些風(fēng)機(jī)（4-72-11系列）的類(lèi)型曲線(xiàn)有多條，可按不同直徑尺寸而選用。圖446 圖447 五、比例定律與通用特性曲線(xiàn) 1、比例定律 由式4-4-17、4-4-18和4-4-19可見(jiàn)，同類(lèi)型風(fēng)機(jī)在相似工況點(diǎn)的無(wú)因次系數(shù)、和是相等的。它們的壓力H、流量Q和功率N與其轉(zhuǎn)速n、尺寸D和空氣密度成一定比例關(guān)系，這種比例關(guān)系叫比例定律。將轉(zhuǎn)速u(mài)=Dn/60代入

16、式4-4-17、4-4-18和4-4-19得 對(duì)于1、2兩個(gè)相似風(fēng)機(jī)而言，、，所以其壓力、風(fēng)量和功率之間關(guān)系為： 4-4-20 4-4-21 4-4-22各種情況下相似風(fēng)機(jī)的換算公式如表441所示。 由比例定律知，同類(lèi)型同直徑風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，其相似工況點(diǎn)在等風(fēng)阻曲線(xiàn)上變化。 表4-41 兩臺(tái)相似風(fēng)機(jī)H、Q、和N的換算壓力換算風(fēng)量換算功率換算效率換算1=2 例題 某礦使用主要通風(fēng)機(jī)為4-72-1120B離心式通風(fēng)機(jī)，其特性曲線(xiàn)如圖4-4-7所示，圖上給出三種不同轉(zhuǎn)速n的Ht-Q曲線(xiàn)，四條等效率曲線(xiàn)。轉(zhuǎn)速為n1=630r/min,風(fēng)機(jī)工作風(fēng)阻R=0.05479.81=0.53657Ns2/m8，工況點(diǎn)為M0（Q=58m3/s,Ht=1805Pa)，后來(lái)，風(fēng)阻變?yōu)镽=0.7932 Ns2/m8，礦風(fēng)量減小不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，擬采用調(diào)整轉(zhuǎn)速方法保持風(fēng)量Q=58 m3/s，求轉(zhuǎn)速調(diào)至多少？ 解 因管網(wǎng)風(fēng)阻已變，故應(yīng)先將新風(fēng)阻R=0.7932 Ns2/m8的曲線(xiàn)繪制在圖中，得其與n1=630r/min曲線(xiàn)的交點(diǎn)為M1，其風(fēng)量Q1=51.5 m3/s。在此風(fēng)阻下風(fēng)量增至Q2=58 m3/s的轉(zhuǎn)