中國礦業(yè)大學-礦井通風與安全-課堂筆記第4章

礦井通風與安全課堂筆記4章第四章通風動力本章重點與難點1、自然風壓的產(chǎn)生、計算、利用與控制2、軸流式和離心式主要通風機特性3、主要通風機的聯(lián)合運轉(zhuǎn)4、主要通風機的合理工作范圍欲使空氣在礦井中源源不斷地流動，就必須克服空氣沿井巷流動時所受到的阻力。這種克服通風阻力的能量或壓力叫通風動力。由第二章可知，通風機風壓和自然風壓均是礦井通風的動力。本章將就。對這兩種壓力對礦井通風的作用、影響因素、特性進行分析研究，以便合理地使用通風動力，從而使礦井通風達到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理，安全可靠。第一節(jié)自然風壓一、自然風壓及其形成和計算自然風壓與自然通風圖4-1-1為一個簡化的礦井通風系統(tǒng)，2-3為水平巷道，0-5為通過系統(tǒng)最高點的水平線。如果把地表大氣視為斷面無限大，風阻為零的假想風路，則通風系統(tǒng)可視為一個閉合的回路。在冬季，由于空氣柱0-1-2比5-4-3的平均溫度較低，平均空氣密度較大，導致兩空氣柱作用在2-3水平面上的重力不等。其重力之差就是該系統(tǒng)的自然風壓。它使空氣源源不斷地從井口1流入，從井口5流出。在夏季時，若空氣柱5-4-3比0-1-2溫度低，平均密度大，則系統(tǒng)產(chǎn)生的自然風壓方向與冬季相反。地面空氣從井口5流入，從井口1流出。這種由自然因素作用而形成的通風叫自然通風。圖4—1—1簡化礦井通風系統(tǒng)由上述例子可見，在一個有高差的閉合回路中，只要兩側(cè)有高差巷道中空氣的溫度或密度不等，則該回路就會產(chǎn)生自然風壓。根據(jù)自然風壓定義，圖4—1—1所示系統(tǒng)的自然風壓HN可用下式計算：4-1-1式中Z—礦井最高點至最低水平間的距離，m；g—重力加速度，m/s2；ρ1、ρ2—分別為0-1-2和5-4-3井巷中dZ段空氣密度，kg/m3。由于空氣密度受多種因素影響，與高度Z成復雜的函數(shù)關(guān)系。因此利用式4-2-1計算自然風壓較為困難。為了簡化計算，一般采用測算出0-1-2和5-4-3井巷中空氣密度的平均值ρm1和ρm2，用其分別代替式4—1—1中的ρ1和ρ2，則(4-1-1)可寫為：4-1-2二、自然風壓的影響因素及變化規(guī)律自然風壓影響因素由式4-1-1可見，自然風壓的影響因素可用下式表示：HN=f(ρZ）=f[ρ(T,P,R，φ)Z]4-1-3影響自然風壓的決定性因素是兩側(cè)空氣柱的密度差，而影響空氣密度又由溫度T、大氣壓力P、氣體常數(shù)R和相對濕度φ等因素影響。1、礦井某一回路中兩側(cè)空氣柱的溫差是影響HN的主要因素。影響氣溫差的主要因素是地面入風氣溫和風流與圍巖的熱交換。其影響程度隨礦井的開拓方式、采深、地形和地理位置的不同而有所不同。大陸性氣候的山區(qū)淺井，自然風壓大小和方向受地面氣溫影響較為明顯；一年四季，甚至晝夜之間都有明顯變化。由于風流與圍巖的熱交換作用使機械通風的回風井中一年四季中氣溫變化不大，而地面進風井中氣溫則隨季節(jié)變化，兩者綜合作用的結(jié)果，導致一年中自然風壓發(fā)生周期性的變化。圖4-1-2曲線1所示為某機械通風淺井自然風壓變化規(guī)律示意圖。對于深井，其自然風壓受圍巖熱交換影響比淺井顯著，一處四季的變化較小，有的可能不會出現(xiàn)負的自然風壓，如圖4-1-2曲線2所示。圖4—1—22、空氣成分和濕度影響空氣的密度，因而對自然風壓也有一定影響，但影響較小。3、井深。由式4—1—2可見，當兩側(cè)空氣柱溫差一定時，自然風壓與礦井或回路最高與最低點（水平）間的高差Z成正比。4、主要通風機工作對自然風壓的大小和方向也有一定影響。因為礦井主要通風機工作決定了主風流的方向，加之風流與圍巖的熱交換，使冬季回風井氣溫高于進風井，在進風井周圍形成了冷卻帶以后，即使風機停轉(zhuǎn)或通風系統(tǒng)改變，這兩個井筒之間在一定時期內(nèi)仍有一定的氣溫差，從而仍有一定的自然風壓起作用。有時甚至會干擾通風系統(tǒng)改變后的正常通風工作，這在建井時期表現(xiàn)尤其明顯。如淮南潘一礦及浙江長廣一號井在建井期間改變通風系統(tǒng)時都曾遇到這個問題。三、自然風壓的控制和利用自然風壓既是礦井通風的動力，也可能是事故的肇因。因此，研究自然風壓的控制和利用具有重要意義。1、新設計礦井在選擇開拓方案、擬定通風系統(tǒng)時，應充分考慮利用地形和當?shù)貧夂蛱攸c，使在全年大部分時間內(nèi)自然風壓作用的方向與機械通風風壓的方向一致，以便利用自然風壓。例如，在山區(qū)要盡量增大進、回風井井口的高差；進風井井口布置在背陽處等。2、根據(jù)自然風壓的變化規(guī)律，應適時調(diào)整主要通風機的工況點，使其既能滿足礦井通風需要，又可節(jié)約電能。例如在冬季自然風壓幫助機械通風時，可采用減小葉片角度或轉(zhuǎn)速方法降低機械風壓。3、在多井口通風的山區(qū)，尤其在高瓦斯礦井，要掌握自然風壓的變化規(guī)律，防止因自然風壓作用造成某些巷道無風或反向而發(fā)生事故。圖4-1-3a是四川某礦因自然風壓使風流反向示意圖。該礦為抽出式通風，風機型號為BY-2-№28，冬季AB平硐和BD立井進風，QAB=2000m3/min，夏季平硐自然風壓作用方向與主要通風機相反，平硐風流反向，出風量Q‘=300m3/min，反向風流把平硐某處涌出的瓦斯帶至硐口的給煤機附近，因電火花引起瓦斯爆炸。下面就此例分析平硐AB風流反向的條件及其預防措施。如圖4-1-3b所示，對出風井來說夏季存在兩個系統(tǒng)自然風壓。圖4—1—3自然風壓使風流反向示意圖ABB’CEFA系統(tǒng)的自然風壓為DBB’CED系統(tǒng)的自然風壓為式中CB’、、AF和BE分別為CB’、AF和BE空氣柱的平均密度，kg/m3.自然風壓與主要通風機作用方向相反，相當于在平硐口A和進風立井口D各安裝一臺抽風機（向外）。設AB風流停滯，對回路ABDEFA和ABB’CEFA可分別列出壓力平衡方程：4-1-6式中HS—風機靜壓，Pa；Q—DBB’C風路風量，m3/S;RD、RC—分別為DB和BB’C分支風阻，N·S2/m8。方程組4-1-6中兩式相除，得4-1-7此即AB段風流停滯條件式。當上式變?yōu)?-1-8則AB段風流反向。根據(jù)式4-1-8，可采用下列措施防止AB段風流反向：（1）加大RD；（2）增大HS；（3）在A點安裝風機向巷道壓風。為了防止風流反向，必須做好調(diào)查研究和現(xiàn)場實測工作，掌握礦井通風系統(tǒng)和各回路的自然風壓和風阻，以便在適當?shù)臅r候采取相應的措施。4、在建井時期，要注意因地制宜和因時制宜利用自然風壓通風，如在表土施工階段可利用自然通風；在主副井與風井貫通之后，有時也可利用自然通風；有條件時還可利用鉆孔構(gòu)成回路，形成自然風壓，解決局部地區(qū)通風問題。5、利用自然風壓做好非常時期通風。一旦主要通風機因故遭受破壞時，便可利用自然風壓進行通風。這在礦井制定事故預防和處理計劃時應予以考慮。第二節(jié)通風機的類型及構(gòu)造礦井通風的主要動力是通風機。通風機是礦井的“肺臟”。其日夜不停地運轉(zhuǎn)，加之其功率大，因此其能耗很大。據(jù)統(tǒng)計，全國部屬煤礦主要通機平均電耗約占礦井電耗的16%。所以合理地選擇和使用通風機，不僅關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)和職工的身體健康，而且對礦井的主要技術(shù)經(jīng)濟指標也有一定影響。礦用通風機按其服務范圍可分為三種：1、主要通風機，服務于全礦或礦井的某一翼（部分）；2、輔助通風機，服務于礦井網(wǎng)絡的某一分支（采區(qū)或工作面），幫助主要通風機通風，以保證該分支風量；3、局部通風機，服務于獨頭掘進井巷道等局部地區(qū)。按通風機的構(gòu)造和工作原理可分為離心式通風機和軸流式通風機兩種。一、離心式通風機的構(gòu)造和工作原理風機構(gòu)造。離心式通風機一般由進風口、工作輪（葉輪）、螺形機殼和前導器等部分組成。圖4-2-1是G4-73-11型離心式通風機的構(gòu)造。工作輪是對空氣做功的部件，由呈雙曲線型的前盤、呈平板狀的后盤和夾在兩者之間的輪轂以及固定在輪轂上的葉片組成。風流沿葉片間流道流動，在流道出口處，風流相對速度W2的方向與圓周速度u2的反方向夾角稱為葉片出口構(gòu)造角，以β2表示。根據(jù)出口構(gòu)造角β2的大小，離心式通風機可分為前傾式（β2>90o)、徑向式（β2=90o)和后傾式（β2<90o)三種，如圖4-2-2。β2不同，通風機的性能也不同。礦用離心式通風機多為后傾式。圖4-2-1離心式通風機圖4-2-2葉片出口構(gòu)造角與風流速度圖進風口有單吸和雙吸兩種。在相同的條件下雙吸風機葉（動）輪寬度是單吸風機的兩倍。在進風口與葉（動）輪之間裝有前導器（有些通風機無前導器），使進入葉（動）輪的氣流發(fā)生預旋繞，以達到調(diào)節(jié)性能之目的。工作原理。當電機通過傳動裝置帶動葉輪旋轉(zhuǎn)時，葉片流道間的空氣隨葉片旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，獲得離心力。經(jīng)葉端被拋出葉輪，進入機殼。在機殼內(nèi)速度逐漸減小，壓力升高，然后經(jīng)擴散器排出。與此同時，在葉片入口（葉根）形成較低的壓力（低于進風口壓力），于是，進風口的風流便在此壓差的作用下流入葉道，自葉根流入，在葉端流出，如此源源不斷，形成連續(xù)的流動。常用型號。目前我國煤礦使用的離心式通風機主要有G4-73、4-73型和K4-73型等。這些品種通風機具有規(guī)格齊全、效率高和噪聲低等特點。型號參數(shù)的含義舉例說明如下：G4—73—11№25D代表通風機的用途，K表示表示傳動方式礦用通風機，G代表鼓風機通風機葉輪直徑（25dm)表示通風機在最高效率點時全壓系數(shù)10倍化整設計序號(1表示第一次設計）表示通風機比轉(zhuǎn)速(ns)化整表示進風口數(shù),1為單吸,0為雙吸說明：（1）比轉(zhuǎn)數(shù)ns是反映通風機Q、H和n等之間關(guān)系的綜合特性參數(shù)。。式中Q、H分別表示全壓效率最高時的流量和壓力。相似通風機的比轉(zhuǎn)數(shù)相同。（2）離心式通風機的傳動方式有六種：A表示無軸承電機直聯(lián)傳動；B表示懸臂支承皮帶輪在中間；C表示懸臂支承皮帶輪在軸承外側(cè)；D表示懸臂支承聯(lián)軸器傳動；E表示雙支承皮帶輪在外側(cè)；F表示雙支承聯(lián)軸器傳動。二、軸流式通風機的構(gòu)造和工作原理如圖4-2-3，軸流式通風機主要由進風口、葉輪、整流器、風筒、擴散（芯筒）器和傳動部件等部分組成。圖4-2-3軸流式通風機進風口是由集流器與疏流罩構(gòu)成斷面逐漸縮小的進風通道，使進入葉輪的風流均勻，以減小阻力，提高效率。葉輪是由固定在軸上的輪轂和以一定角度安裝其上的葉片組成。葉片的形狀為中空梯形，橫斷面為翼形。沿高度方向可做成扭曲形，以消除和減小徑向流動。葉輪的作用是增加空氣的全壓。葉輪有一級和二級兩種。二級葉輪產(chǎn)生的風壓是一級兩倍。整流器安裝在每級葉輪之后，為固定輪。其作用是整直由葉片流出的旋轉(zhuǎn)氣流，減小動能和渦流損失。環(huán)形擴散（芯筒）器是使從整流器流出的氣流逐漸擴大到全斷面，部分動壓轉(zhuǎn)化為靜壓。工作原理。在軸流式通風機中，風流流動的特點是，當葉（動）輪轉(zhuǎn)動時，氣流沿等半徑的圓柱面旋繞流出。用與機軸同心、半徑為R的圓柱面切割葉（動）輪葉片，并將此切割面展開成平面，就得到了由翼剖面排列而成的翼柵。如圖4-2-4。在葉片迎風側(cè)作一外切線稱為弦線。弦線與葉(動)輪旋轉(zhuǎn)方向（u)的夾角稱為葉片安裝角，以θ表示。葉(動)輪上葉片的安裝角可根據(jù)需要在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整，但必需保持一致。當葉（動）輪旋轉(zhuǎn)時，翼柵即以圓周速度u移動。處于葉片迎面的氣流受擠壓，靜壓增加；與此同時，葉片背的氣體靜壓降低，翼柵受壓差作用，但受軸承限制，不能向前運動，于是葉片迎面的高壓氣流由葉道出口流出，翼背的低壓區(qū)“吸引”葉道入口側(cè)的氣體流入，形成穿過翼柵的連續(xù)氣流。常用型號。我國煤礦在用的軸流式通風機有1K58、2K58、GAF和BD或BDK（對旋式）等系列軸流式通風機。在用的60年代產(chǎn)品70B2。軸流式通風機型號的一般含義是：1K—58—4№25表示表示葉輪級數(shù),1表示通風機葉輪直徑（25dm)單級，2表示雙級表示設計序號表示用途，K表示礦用，T表示通用表示通風機輪轂比,0.58化整BDK658№24防爆型葉輪直徑（24dm)對旋結(jié)構(gòu)電機為8極（740r/min）表示用途，K為礦用輪轂比0.65的100倍化整對旋式軸流風機的特點是，一級葉輪和二級葉輪直接對接，旋轉(zhuǎn)方向相反；機翼形葉片的扭曲方向也相反，兩級葉片安裝角一般相差3o；電機為防爆型安裝在主風筒中的密閉罩內(nèi)，與通風機流道中的含瓦斯氣流隔離，密閉罩中有扁管與大氣相通，以達到散熱目的。此種通風機可進行反轉(zhuǎn)反風。第三節(jié)通風機附屬裝置礦山使用的通風機，除了主機之外尚有一些附屬裝置。主機和附屬裝置總稱為通風機裝置。附屬裝置的設計和施工質(zhì)量，對通風機工作風阻、外部漏風以其工作效率均有一定影響。因此，附屬裝置的設計和施工質(zhì)量應予以充分重視。一、風硐風硐是連接風機和井筒的一段巷道。由于其通過風量大、內(nèi)外壓差較大，應盡量降低其風阻，并減少漏風。在風硐的設計和施工中應注意下列問題：斷面適當增大，使其風速≤10m/s，最大不超過15m/s；轉(zhuǎn)彎平緩，應成圓弧形；風井與風硐的連接處應精心設計，風硐的長度應盡量縮短，并減少局部阻力；風硐直線部分要有一定的坡度，以利流水；風硐應安裝測定風流壓力的測壓管。施工時應使其壁面光滑，各類風門要嚴密，使漏風量小。二、擴散器(擴散塔)無論是抽出式還是壓入式通風，無論是離心式通風機還是軸流式通風機，在風機的出口都外接一定長度、斷面逐漸擴大的構(gòu)筑物──擴散器。其作用是降低出口速壓以提高風機靜壓。小型離心式通風機的擴散器由金屬板焊接而成，擴散器的擴散角(敞角)α不宜過大，以阻止脫流，一般為8～10°；出口處斷面與入口處斷面之比約為3～4。擴散器四面張角的大小應視風流從葉片出口的絕對速度方向而定。大型的離心式通風機和大中型的軸流式通風機的外接擴散器，一般用磚和混凝土砌筑。其各部分尺寸應根據(jù)風機類型、結(jié)構(gòu)、尺寸和空氣動學特性等具體情況而定，總的原則是，擴散器的阻力小，出口動壓小并無回流。(可參考有關(guān)標準設計。)三、防爆門(防爆井蓋)出風井的上口，必須安裝防爆設施，在斜井井口安設防爆門，在立井井口安設防爆井蓋。其作用是，當井下一旦發(fā)生瓦斯或煤塵爆炸時，受高壓氣浪的沖擊作用，自動打開，以保護主要通風機免受毀壞；在正常情況下它是氣密的，以防止風流短路。圖4-3-1所示為不提升的通風立井井口的鐘形防爆井蓋。井蓋１用鋼板焊接而成，其下端放入凹槽２中，槽中盛油密封(不結(jié)冰地區(qū)用水封)，槽深與負壓相適應；在其四周用四條鋼絲繩繞過滑輪３用重錘４配重；井口壁四周還應裝設一定數(shù)量的壓腳５，在反風時用以壓住井蓋，防止掀起造成風流短路。裝有提升設備的井筒設井蓋門，一般為鐵木結(jié)構(gòu)。與門框接合處要加嚴密的膠皮墊層。防爆門(井蓋)應設計合理，結(jié)構(gòu)嚴密、維護良好、動作可靠。圖4—3—1立井井口防爆蓋示意圖1.防爆井蓋2.密封液槽3.滑輪4.平衡重錘5.壓角6.風硐四、反風裝置和功能反風裝置是用來使井下風流反向的一種設施，以防止進風系統(tǒng)發(fā)生火災時產(chǎn)生的有害氣體進入作業(yè)區(qū)；有時為了適應救護工作也需要進行反風。反風方法因風機的類型和結(jié)構(gòu)不同而異。目前的反風方法主要有：設專用反風道反風；利用備用風機作反風道反風；風機反轉(zhuǎn)反風和調(diào)節(jié)動葉安裝角反風。⒈設專用反風道反風圖4-3-2為軸流式通風機作抽出式通風時利用反風道反風的示意圖。反風時，風門１、5、7打開，新鮮風流由風門１經(jīng)反風門７進入風硐２，由通風機３排出，然后經(jīng)反風門５進入反風繞道６，再返回風硐送入井下。正常通通風時，風門１、７、５均處于水平位置，井下的污濁風流經(jīng)風硐直接進入通風機，然后經(jīng)擴散器４排到大氣中。圖4—3—2軸流式通風機作抽出式通風時利用專用反風道反風示意圖圖4-3-3為離心式通風機作抽出式通風時利用反風道反風的示意圖。通風機正常工作時反風門１和２在實線位置。反風時，風門１提起，風門２放下，風流自反風門２進入通風機，再從反風門１進入反風道３，經(jīng)風井流入井下。圖4—3—3離心式通風機作抽出式通風時利用反風道反風示意圖2軸流式通風機反轉(zhuǎn)反風調(diào)換電動機電源的任意兩項接線，使電動機改變轉(zhuǎn)向，從而改變通風機葉（動）輪的旋轉(zhuǎn)方向，使井下風流反向。此種方法基建費較小，反風方便。但反風量較小。3利用備用風機的風道反風(無地道反風)。如圖4-3-4所示，當兩臺軸流式通風機并排布置時，工作風機(正轉(zhuǎn))可利用另一臺備用風機的風道作為“反風道”進行反風。圖中Ⅱ號風機正常通風時，分風風門４、入風門６、７和反風門９處于實線位置。反風時風機停轉(zhuǎn)，將分風風門４、反風門９Ⅰ９Ⅱ拉到虛線位置，然后開啟入風門６、７，壓緊入風門６、７，再妄動啟動Ⅱ號風機，便可實現(xiàn)反風。圖4—3—4軸流式風機無地道反風⒋調(diào)整動葉安裝角進行反風。對于動葉可同時轉(zhuǎn)動的軸流式通風機，只要把所有葉片同時偏轉(zhuǎn)一定角度(大約120o)，不必改變?nèi)~（動）輪轉(zhuǎn)向就可以實現(xiàn)礦井風流反向，如圖4-3-5。我國上海鼓風機廠生產(chǎn)GAF型風機，結(jié)構(gòu)上具有這種性能。國外此種風機較多。圖4—3—5調(diào)整動葉安裝角反風反風裝置應滿足下列要求：定期進行檢修，確保反風裝置處于良好狀態(tài)；動作靈敏可靠，能在10min內(nèi)改變巷道中風流方向；結(jié)構(gòu)要嚴密，漏風少；反風量不應小于正常風量的40%；每年至少進行一次反風演習。第四節(jié)通風機的實際特性曲線一、通風機的工作參數(shù)表示通風機性能的主要參數(shù)是風壓H、風量Q、風機軸功率N、效率和轉(zhuǎn)速n等。（一）風機(實際)流量Q風機的實際流量一般是指實際時間內(nèi)通過風機入口空氣的體積，亦稱體積流量（無特殊說明時均指在標準狀態(tài)下），單位為,或。（二）風機(實際)全壓Hf與靜壓Hs通風機的全壓Ht是通風機對空氣作功，消耗于每1m3空氣的能量（N·m/m3或Pa），其值為風機出口風流的全壓與入口風流全壓之差。在忽略自然風壓時，Ht用以克服通風管網(wǎng)阻力hR和風機出口動能損失hv，即Ht=hR+hV,4—4—1克服管網(wǎng)通風阻力的風壓稱為通風機的靜壓HS，PaHS=hR=RQ24-4-2因此Ht=HS+hV4-4-3(三）通風機的功率通風機的輸出功率（又稱空氣功率）以全壓計算時稱全壓功率Nt，用下式計算：Nt=HtQ×10-34—5—4用風機靜壓計算輸出功率，稱為靜壓功率NS，即NS=HSQ×10—34-4-5因此，風機的軸功率，即通風機的輸入功率N（kW）,4—5—6或4-4-7式中t、S分別為風機折全壓和靜壓效率。設電動機的效率為m,傳動效率為tr時，電動機的輸入功率為Nm,則4-4-8二、通風系統(tǒng)主要參數(shù)關(guān)系和風機房水柱計（壓差計）示值含義掌握礦井主要通風機與通風系統(tǒng)參數(shù)之間關(guān)系，對于礦井通風的科學管理至關(guān)重要。為了指示主要通風機運轉(zhuǎn)以及通風系統(tǒng)的狀況，在風硐中靠近風機入口、風流穩(wěn)定斷面上安裝測靜壓探頭，通過膠管與風機房中水柱計或壓差計（儀）相連接，測得所在斷面上風流的相對靜壓h。在離心式通風機測壓探頭應安裝在立閘門的外側(cè)。水柱計或壓差計的示值與通風機壓力和礦井阻力之間存在什么關(guān)系？它對于通風管理有什么實際意義？下面就此進行討論。1、抽出式通風1）水柱（壓差）計示值與礦井通風阻力和風機靜壓之間關(guān)系如圖4-4-1，水柱計示值為4斷面相對靜壓h4，h4（負壓）=P4-P04(P4為4斷面絕對壓力，P04為與4斷面同標高的大氣壓力）。圖4—4—1沿風流方向，對1、4兩斷面列伯努力方程hR14=(P1+hv1+ρm12gZ12)-(P4+hv4+ρm34gZ34)式中hR14—1至4斷面通風阻力，Pa;P1、P4—分別為1、4斷面壓力，Pa；hv1、hv4—分別為1、4斷面動壓，Pa；Z12、Z34—分別為12、34段高差，m；ρm12、ρm34—分別為12、34段空氣柱空氣密度平均值，kg/m3；因風流入口斷面全壓Pt1等于大氣壓力P01，即P1+hv1=Pt1=P01，又因1與4斷面同標高，故1斷面的同標高大氣壓P01’與4斷面外大氣壓P04相等。又ρm12gZ12’—ρm34gZ34=HN故上式可寫為hR14=P04-P4-hv4+HNhR14=|h4|-hv4+HN即|h4|=hR14+hv4-HN4-4-9根據(jù)通風機靜壓與礦井阻力之間的關(guān)系可得HS+HN=|h4|—hv4=ht44-4-10式4-4-9和式4—4—10，反映了風機房水柱計測值h4與礦井通風系統(tǒng)阻力、通風機靜壓及自然風壓之間的關(guān)系。通常hv4數(shù)值不大，某一段時間內(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阻力大小和通風機靜壓大小。如果礦井的主要進回風道發(fā)生冒頂堵塞，則水柱計讀數(shù)增大；如果控制通風系統(tǒng)的主要風門開啟。風流短路，則水柱計讀數(shù)減小，因此，它是通風管理的重要監(jiān)測手段。2）風機房水柱計示值與全壓Ht之間關(guān)系。與上述類似地對4、5斷面(擴散器出口）列伯努力方程，便可得水柱計示值與全壓之間關(guān)系Ht=|h4|—hv4+hRd+hv5即|h4|=Ht+hv4-hRd-hv54—4—11式中hRd——擴散器阻力，Pa;hv5——擴散器出口動壓，Pa；根據(jù)式4—4—11可得Ht=hR12+hRd+hv4Ht+HN=hR14+hRd+hv54—4—122、壓入式通風的系統(tǒng)如圖4-4-2，對1、2兩斷面列伯努力方程得：hR12=(P1+hv1+ρm1gZ1)-(P2+hv2+ρm2gZ2)因風井出口風流靜壓等于大氣壓，即P2=P02；1、2斷面同標高，其同標高的大氣壓相等，即P01-P02，故P1-P2=P1-P01=h1又ρm1gZ1-ρm2gZ2=HN故上式可寫為hR12=h1+hV1-hv2+HN所以風機房水柱計值h1=hR12+hv2-hV1-HN又Ht=Pt1-Pt1’=Pt1-P0=P1+hv1-P0=h1+hv1Ht+HN=hR12+hv24—4—13由式4—4—12和式4—4—13可見，無論何種通風方式，通風動力都是克服風道的阻力和出口動能損失，不過抽出式通風的動能損失在擴散器出口，而壓入式通風時出口動能損失在出風井口，兩者數(shù)值上可能不等，但物理意義相同。圖4—4—2三、通風機的個體特性曲線當風機以某一轉(zhuǎn)速、在風阻Ｒ的管網(wǎng)上工作時、可測算出一組工作參數(shù)風壓Ｈ、風量Ｑ、功率Ｎ、和效率η，這就是該風機在管網(wǎng)風阻為Ｒ時的工況點。改變管網(wǎng)的風阻，便可得到另一組相應的工作參數(shù)，通過多次改變管網(wǎng)風阻，可得到一系列工況參數(shù)。將這些參數(shù)對應描繪在以Ｑ為橫坐標，以Ｈ、Ｎ和η為縱坐標的直角坐標系上，并用光滑曲線分別把同名參數(shù)點連結(jié)起來，即得Ｈ─Ｑ、Ｎ─Ｑ和η─Ｑ曲線，這組曲線稱為通風機在該轉(zhuǎn)速條件下的個體特性曲線。有時為了使用方便，僅采用風機靜壓特性曲線(ＨS─Ｑ)。為了減少風機的出口動壓損失，抽出式通風時主要通機的出口均外接擴散器。通常把外接擴散器看作通風機的組成部分，總稱之為通風機裝置。通風機裝置的全壓Ｈt為擴散器出口與風機入口風流的全壓之差，與風機的全壓Ｈt之關(guān)系為4-4-14式中hd━━擴散器阻力。通風機裝置靜壓Ｈsd因擴散器的結(jié)構(gòu)形式和規(guī)格不同而有變化，嚴格地說4-4-15式中hVd━─擴散器出口動壓。比較式４－4－10與式４－4－15可見，只有當hd+hVd<hV時，才有Ｈsd>Ｈs，即通風機裝置阻力與其出口動能損失之和小于通風機出口動能損失時，通風機裝置的靜壓才會因加擴散器而有所提高，即擴散器起到回收動能的作用。圖4－4－3表示了Ｈt、Ｈtd、Ｈs和Ｈsd之間的相互關(guān)系，由圖可見，安裝了設計合理的擴散器之后，雖然增加了擴散器阻力，使Ｈtd─Ｑ曲線低于Ｈt─Ｑ曲線，但由于hd+hVd<hV，故Ｈsd─Ｑ曲線高于Ｈs─Ｑ曲線（工況點由Ａ變至Ａ’）。若hd+hVd>hV，則說明了擴散器設計不合理。圖4-4-3Ｈt、Ｈtd、Ｈs和Ｈsd之間的相互關(guān)系圖安裝擴散器后回收的動壓相對于風機全壓來說很小，所以通常并不把通風機特性和通風機裝置特性嚴加區(qū)別。通風機廠提供的特性曲線往往是根據(jù)模型試驗資料換算繪制的，一般是未考慮外接擴散器。而且有的廠方提供全壓特性曲線，有的提供靜壓特性曲線，讀者應能根據(jù)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機的個體特性曲線示例。軸流式通風機的風壓特性曲線一般都有馬鞍形駝峰存在。而且同一臺通風機的駝峰區(qū)隨葉片裝置角度的增大而增大。駝峰點Ｄ以右的特性曲線為單調(diào)下降區(qū)段，是穩(wěn)定工作段；點Ｄ以左是不穩(wěn)定工作段，風機在該段工作，有時會引起風機風量、風壓和電動機功率的急劇波動，甚至機體發(fā)生震動，發(fā)出不正常噪音，產(chǎn)生所謂喘振（或飛動）現(xiàn)象，嚴重時會破壞風機。離心式通風機風壓曲線駝峰不明顯，且隨葉片后傾角度增大逐漸減小，其風壓曲線工作段較軸流式通風機平緩；當管網(wǎng)風阻作相同量的變化時，其風量變化比軸流式通風機要大。離心式通風機的軸功率Ｎ又隨Ｑ增加而增大，只有在接近風流短路時功率才略有下降。因而，為了保證安全啟動，避免因啟動負荷過大而燒壞電機，離心式通風機在啟動時應將風硐中的閘門全閉，待其達到正常轉(zhuǎn)速后再將閘門逐漸打開。當供風量超過需風量過大時，常常利用閘門加阻來減少工作風量，以節(jié)省電能。軸流式通風機的葉片裝置角不太大時，在穩(wěn)定工作段內(nèi)，功率N隨Q增加而減小。所以軸流式通風機應在風阻最小時啟動，以減少啟動負荷。圖5-4-4軸流式個體特性曲線圖5-4-5離心式通風機個體特性曲線在產(chǎn)品樣本中，大、中型礦井軸流式通風機給出的大多是靜壓特性曲線；而離心式通風機大多是全壓特性曲線。對于葉片安裝角度可調(diào)的軸流式通風機的特性曲線，通常以圖4－7－2的形式給出，Ｈ─Ｑ曲線只畫出最大風壓點右邊單調(diào)下降部分，且把不同安裝角度的特性曲線畫在同一坐標上，效率曲線是以等效率曲線的形式給出。四、無因次系數(shù)與類型特性曲線目前風機種類較多，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。如果僅僅用個體特性曲線表示各種通風機性能，就顯得過于復雜。還有，在設計大型風機時，首先必須進行模型實驗。那么模型和實物之間應保持什么關(guān)系？如何把模型的性能參數(shù)換算成實物的性能參數(shù)？這些問題都要進行討論。（一）無因次系數(shù)⒈通風機的相似條件兩個通風機相似是指氣體在風機內(nèi)流動過程相似，或者說它們之間在任一對應點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)。同一系列風機在相應工況點的流動是彼此相似的，幾何相似是風機相似的必要條件，動力相似則是相似風機的充要條件，滿足動力相似的條件是雷諾數(shù)Ｒe（=）和歐拉數(shù)Eu=（）分別相等。同系列風機在相似的工況點符合動力相似的充要條件。2、無因次系數(shù)無因次系數(shù)主要有：（1）壓力系數(shù)同系列風機在相似工況點的全壓和靜壓系數(shù)均為一常數(shù)。可用下式表示：，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)由幾何相似和運動相似可以推得4-4-18式中D、u、—分別表示兩臺相似風機的葉論外緣直徑、圓周速度，同系列風機的流量系數(shù)相等。（3）功率系數(shù)風機軸功率計算公式中的H和Q分別用式4-4-17和式4-4-18代入得4-4-19同系列風機在相似工況點的效率相等，功率系數(shù)為常數(shù)。、、三個參數(shù)都不含有因次，因此叫無因次系數(shù)。（二）類型特性曲線、、和η可用相似風機的模型試驗獲得，根據(jù)風機模型的幾何尺寸、實驗條件及實驗時所得的工況參數(shù)Q、H、N和η。利用式4-4-17、4-4-18和4-4-19計算出該系列風機的、、和η。然后以為橫坐標，以、和η為縱坐標，繪出-、-和η-曲線，此曲線即為該系列風機的類型特性曲線，亦叫通風機的無因次特性曲線和抽象特性曲線。圖4-4-6和力圖4-4-7分別為4-72-11和G4-73-11型離心式通風機的類型曲線，2K60型類型風機的類型曲線如圖4-7-2（a)、(b)所示?？筛鶕?jù)類型曲線和風機直徑、轉(zhuǎn)速換算得到個體特性曲線。需要指出的是，對于同一系列風機，當幾何尺寸（D）相差較大時，在加工和制造過程中很難保證流道表面相對粗糙度、葉片厚度以及機殼間隙等參數(shù)完全相似，為了避免因尺寸相差較大而造成誤差，所以有些風機（4-72-11系列）的類型曲線有多條，可按不同直徑尺寸而選用。圖4—4—6圖4—4—7五、比例定律與通用特性曲線1、比例定律由式4-4-17、4-4-18和4-4-19可見，同類型風機在相似工況點的無因次系數(shù)、、和η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ρ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=πDn/60代入式4-4-17、4-4-18和4-4-19得對于1、2兩個相似風機而言，、、，所以其壓力、風量和功率之間關(guān)系為：4-4-204-4-214-4-22各種情況下相似風機的換算公式如表4—4—1所示。由比例定律知，同類型同直徑風機的轉(zhuǎn)速變化時，其相似工況點在等風阻曲線上變化。表4-4—1兩臺相似風機H、Q、和N的換算壓力換算風量換算功率換算效率換算η1=η2例題某礦使用主要通風機為4-72-11№20B離心式通風機，其特性曲線如圖4-4-7所示，圖上給出三種不同轉(zhuǎn)速n的Ht--Q曲線，四條等效率曲線。轉(zhuǎn)速為n1=630r/min,風機工作風阻R=0.0547×9.81=0.53657N．s2/m8，工況點為M0（Q=58m3/s,Ht=1805Pa)，后來，風阻變?yōu)镽’=0.7932N．s2/m8，礦風量減小不能滿足生產(chǎn)要求，擬采用調(diào)整轉(zhuǎn)速方法保持風量Q=58m3/s，求轉(zhuǎn)速調(diào)至多少？解因管網(wǎng)風阻已變，故應先將新風阻R’=0.7932N．s2/m8的曲線繪制在圖中，得其與n1=630r/min曲線的交點為M1，其風量Q1=51.5m3/s。在此風阻下風量增至Q2=58m3/s的轉(zhuǎn)速n2，可按下式求得：n2=n1Q2/Q1=630×58/51.5=710r/min即轉(zhuǎn)速應調(diào)至n2=710r/min，可滿足供風要求。圖4-4-84-72=11№20B離心式通風機特性曲線2、通用特性曲線為了便于使用，根據(jù)比例定律，把一個系列產(chǎn)品的性能參數(shù)，如壓力H、風量Q、和轉(zhuǎn)速n、直徑D、功率N和效率η等相互關(guān)系同畫在一個坐標圖上，這種曲線叫通用特性曲線。圖4-7-3為G4--73系列離心式通風機的對數(shù)坐標曲線，在對數(shù)坐標圖中，風阻R曲線為直線，與Q軸夾角為63.°,與機號線平行，大大簡化了作風阻曲線的步驟。第五節(jié)通風機工況點及其經(jīng)濟運行一、工況點的確定方法所謂工況點，即是風機在某一特定轉(zhuǎn)速和工作風阻條件下的工作參數(shù)，如Ｑ、Ｈ、Ｎ和η等，一般是指Ｈ和Ｑ兩參數(shù)。已知通風機的特性曲線，設礦井自然風壓忽略不計，則可用下列方法求風機工況點。⒈圖解法當管網(wǎng)上只有一臺通風機工作時，只要在風機風壓特性（Ｈ─Ｑ）曲線的坐標上，按相同比例作出工作管網(wǎng)的風阻曲線，與風壓曲線的交點之坐標值，即為通風機的工作風壓和風量。通過交點作Ｑ軸垂線，與Ｎ─Ｑ和η─Ｑ曲線相交，交點的縱坐標即為風機的軸功率Ｎ和效率η。圖解法的理論依據(jù)是：風機風壓特性曲線的函數(shù)式為Ｈ＝f(Ｑ)，管網(wǎng)風阻特性（或稱阻力特性)曲線函數(shù)式是h=ＲＱ2，風機風壓Ｈ是用以克服阻力h，所以Ｈ＝h，因此兩曲線的交點，即兩方程的聯(lián)立解?？梢妶D解法的前提是風壓與其所克服的阻力相對應。以抽出式通風礦井（安有外接擴散器）為例，如已知通風機裝置靜壓特性曲線ＨS─Ｑ，則對應地要用礦井系統(tǒng)總風阻ＲS（包括風硐風阻）作風阻特性曲線，求工況點。若使用廠家提供的不加外接擴散器的靜壓特性曲線Ｈs─Ｑ，則要考慮安裝擴散器所回收的風機出口動能的影響，此時所用的風阻ＲS應小于Ｒm，即4-5-1式中Ｒv──相當于風機出口動能損失的風阻，ＳV──風機出口斷面，即外接擴散器入口斷面；Ｒd──擴散器風阻；ＲVd──相當于擴散器出口動能損失的風阻，ＳVd──為擴散器出口斷面。若使用通風機全壓特性曲線Ｈt─Ｑ，則需用全壓風阻Ｒt作曲線，且4-5-2若使用通風機裝置全壓特性曲線Ｈtd─Ｑ，則裝置全壓風阻應為Ｒtd，且4-5-3應當指出，在一定條件下運行時，不論是否安裝外接擴散器，通風機全壓特性曲線是唯一的，而通風機裝置的全壓和靜壓特性曲線則因所安擴散器的規(guī)格、質(zhì)量而有所變化。⒉解方程法隨著電子計算機的應用，復雜的數(shù)學計算已成為可能。風機的風壓曲線可用下面多項式擬合4-5-4式中a1、a2、a3──曲線擬合系數(shù)。曲線的多項式次數(shù)根據(jù)計算精度要求確定，一般取3，精度要求較高時也可取5。在風機風壓特性曲線的工作段上選取i個有代表性的工況點（Ｈi、Ｑi），一般取i＝６。通常用最小二乘法求方程中各項系數(shù)，也可將已知的Ｈi、Ｑi值代入上式，即得含i個未知數(shù)的線性方程，解此聯(lián)立線性方程組，即得風壓特性曲線方程中的各項擬合系數(shù)。對于某一特定礦井，可列出通風阻力方程4-5-5式中Ｒ為通風機工作管網(wǎng)風阻，可根據(jù)上述方法確定。解式4－5－4、4－5－5兩聯(lián)立方程，即可得到風機工況點。如果礦井自然風壓不能忽略，用圖解法求工況點的方法見本章第六節(jié)中通風機的自然風壓串聯(lián)工作。若井口漏風較大，通風系統(tǒng)因外部漏風通道并聯(lián)而風阻減小，此時應算出考慮外部漏風后的礦井系統(tǒng)總風阻，然后按上述方法求工況點。二、通風機工況點的合理工作范圍為使通風機安全、經(jīng)濟地運轉(zhuǎn)，它在整個服務期內(nèi)的工況點必須在合理的范圍之內(nèi)。從經(jīng)濟的角度出發(fā)，通風機的運轉(zhuǎn)效率不應低于６０％；從安全方面來考慮，其工況點必須位于駝峰點的右下側(cè)、單調(diào)下降的直線段上。由于軸流式通風機的性能曲線存在馬鞍形區(qū)段，為了防止礦井風阻偶爾增加等原因，使工況點進入不穩(wěn)定區(qū)，一般限定實際工作風壓不得超過最高風壓的９０％，即ＨS＜０.９ＨSmax。軸流式通風機的工作范圍如圖４－5－１的陰影部分所示。上限為最大風壓０.９倍的連線，下限為η＝０.６的等效曲線圖4-5-1軸流式通風機的合理工作范圍通風機葉（動）輪的轉(zhuǎn)速不應超過額定轉(zhuǎn)速。分析主要通風機的工況點合理與否，應使用實測的風機裝置特性曲線。因廠方提供之曲線一般與實際不符，應用時會得出錯誤的結(jié)論。三、主要通風機工況點調(diào)節(jié)在煤礦中，通風機的工況點常因采掘工作面的增減和轉(zhuǎn)移、瓦斯涌出量等自然條件變化和風機本身性能變化（如磨損）而改變。為了保證礦井的按需供風和風機經(jīng)濟運行，需要適時地進行工況點調(diào)節(jié)。實質(zhì)上，工況點調(diào)節(jié)就是供風量的調(diào)節(jié)。由于風機的工況點是由風機和風阻兩者的特性曲線決定的，所以，欲調(diào)節(jié)工況點只需改變兩者之一或同時改變即可。據(jù)此，工點調(diào)節(jié)方法主要有：⒈改變風阻特性曲線當風機特性曲線不變時，改變其工作風阻，工況點沿風機特性曲線移動。１）增風調(diào)節(jié)。為了增加礦井的供風量，可以采取下列措施：（１）減少礦井總風阻。在礦井（或系統(tǒng)）的主要進、回風道采取增加并聯(lián)巷道、縮短風路、擴刷巷道斷面、更換摩擦阻力系數(shù)小的支架（護）、減小局部阻力等措施，均可收到一定效果。這種調(diào)節(jié)措施的優(yōu)點是，主要通風機的運轉(zhuǎn)費用經(jīng)濟，但有時工程費用較大。（２）當?shù)孛嫱獠柯╋L較大時，可以采取堵塞地面的外部漏風措施。這樣做，通風機的風量雖然因其工作風阻增大而減小，但礦井風量卻會因有效風量率的提高而增大。這種方法實施簡單，經(jīng)濟效益較好，但調(diào)節(jié)幅度不大。２）減風調(diào)節(jié)。當?shù)V井風量過大時，應進行減風調(diào)節(jié)。其方法有：（１）增阻調(diào)節(jié)。對于離心式通風機可利用風硐中閘門增阻（減小其開度）。這種方法實施較簡單，但因無故增阻而增加附加能量損耗。調(diào)節(jié)時間不宜過長，只能作為權(quán)宜之計。（２）對于軸流式通風機，當其Ｎ─Ｑ曲線在工作段具有單調(diào)下降特點時，因種種原因不能實施低轉(zhuǎn)速和減少葉片安裝角度θ時，可以用增大外部漏風的方法，來減小礦井風量。這種方法比增阻調(diào)節(jié)要經(jīng)濟，但調(diào)節(jié)幅度較小。⒉改變風機特性曲線這種調(diào)節(jié)方法的特點是礦井總風阻不變，改變風機特性，工況點沿風阻特性曲線移動。調(diào)節(jié)方法有：１）軸流風機可采用改變?nèi)~安裝角度達到增減風量的目的。但要注意的是，防止因增大葉片安裝角度而導致進入不穩(wěn)定區(qū)運行。對于有些軸流式通風機還可以改變?nèi)~片數(shù)改變風機的特性。圖4-7-2a和圖4-7-2b分別為２Ｋ６０型風機不同葉片數(shù)的特性曲線。改變?nèi)~片數(shù)時，應按說明書規(guī)定進行。對于能力過大的雙級葉（動）輪風機，還可以減少葉（動）輪級數(shù)，減少供風。目前，有些從國外進口的風機能夠在風機運轉(zhuǎn)時，自動調(diào)節(jié)葉片安裝角。如淮南礦務局潘一礦和謝橋礦從德國進口的GVI軸流式通風機，自帶狀態(tài)監(jiān)測和控制計算機。只需向計算機輸入要求的風機工作風量，計算機就能自動選擇并調(diào)節(jié)到合適的葉片安裝角。２）裝有前導器的離心式通風機，可以改變前導器葉片轉(zhuǎn)角進行風量調(diào)節(jié)。風流經(jīng)過前導器葉片后發(fā)生一定預旋，能在很小或沒有沖角的情況下進入風機。前導葉片角由０°變到９０°時，風壓曲線降低，風機效率也有所降低。但調(diào)節(jié)幅度不大（７０％以上）時，比增阻調(diào)節(jié)經(jīng)濟。圖4-4-7是Ｇ４－７３風機調(diào)節(jié)范圍在０～６０°時的類型特性曲線。３）改變風機轉(zhuǎn)速。無論是軸流式通風機還是離心式通風機都可采用。調(diào)節(jié)的理論依據(jù)是相似定律，即4-5-6（１）改變電機轉(zhuǎn)速?？刹捎每煽毓璐壵{(diào)速；更換合適轉(zhuǎn)速的電動機和采用變速電機（此種電機價格貴）等方法。（２）利用傳動裝置調(diào)速。如，利用液壓聯(lián)軸器調(diào)速。其原理是，改變聯(lián)軸器工作室內(nèi)的液體量來調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速；利用皮帶輪傳動的風機可以更換不同直徑的皮帶輪，改變傳動比。這種方法只適用于小型離心式通風機。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速沒有額外的能量損耗，對風機的效率影響不大，因此是一種較經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方法，當調(diào)節(jié)期長，調(diào)節(jié)幅度較大時應優(yōu)先考慮。但要注意，增大轉(zhuǎn)速時可能會使風機震動增加，噪音增大、軸承溫度升高和發(fā)生電動機超載等問題。調(diào)節(jié)方法的選擇，取決于調(diào)節(jié)期長短、調(diào)節(jié)幅度、投資大小和實施的難易程度。調(diào)節(jié)之前應擬定多種方案，經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟比較后擇優(yōu)選用。選用時，還要考慮實施的可能性。有時，可以考慮采用綜合措施。第六節(jié)通風機的聯(lián)合運轉(zhuǎn)在煤礦生產(chǎn)和建設時期，通風系統(tǒng)的阻力是經(jīng)常變化的。當管網(wǎng)的阻力變大到使一臺風機不能保證按需供風時，就有必要利用二臺或二臺以上風機進行聯(lián)合工作，以達到增加風量的目的。兩臺或兩臺以上風機同在一個管網(wǎng)上工作叫通風機聯(lián)合工作。兩臺風機聯(lián)合工作與一臺風機單獨工作有所不同。如果不能掌握風機聯(lián)合工作的特點和技術(shù)，將會事與愿違，后果不良，甚至可能損壞風機。因此，分析通風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)的特點、效果、穩(wěn)定性和合理性是十分必要的。風機聯(lián)合工作可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩大類。下面就兩種聯(lián)合工作的特點進行分析。一、風機串聯(lián)工作一臺風機的進風口直接或通過一段巷道（或管道）聯(lián)結(jié)到另一臺風機的出風口上同時運轉(zhuǎn)，稱為風機串聯(lián)工作。風機串聯(lián)工作的特點是，通過管網(wǎng)的總風量等于每臺風機的風量（沒有漏風）。兩臺風機的工作風壓之和等于所克服管網(wǎng)的阻力。即h=Hs1+Hs2Q=Q1=Q2式中h為管網(wǎng)的總阻力，HS1、HS2分別為1、2兩臺風機的工作靜壓；Q為管網(wǎng)的總風量，Q1、Q2分別為1、2兩臺風機的風量。1、風壓特性曲線不同風機串聯(lián)工作分析串聯(lián)風機的等效特性曲線。如圖4-6-1所示，兩臺不同型號風機F1和F2的特性曲線分別為Ⅰ、Ⅱ。兩臺風機串聯(lián)的等效合成曲線Ⅰ+Ⅱ按風量相等風壓相加原理求得。即在兩臺風機的風量范圍內(nèi)，作若干條風量坐標的垂線（等風量線），在等風量線上將兩臺風機的的風壓相加，得該風量下串聯(lián)等效風機的風壓（點），將各等效風機的風壓點聯(lián)起來，即可得到風機串聯(lián)工作時等效合成特性曲線Ⅰ+Ⅱ。圖4—6—1風機的實際工點。在風阻為R的管網(wǎng)上風機串聯(lián)工作時，各風機的實際工況點按下述方法求得：在等效風機特性曲線Ⅰ+Ⅱ上作管網(wǎng)風阻特性曲線R，兩者交點為M0，過M0作橫坐標垂線，分別與曲線Ⅰ和Ⅱ相交于MⅠ和MⅡ，此兩點即是兩風機的實際工況點。為了衡量串聯(lián)工作的效果，可用等效風機產(chǎn)生的風量Q與能力較大風機的F2單獨工作產(chǎn)生風量QⅡ之差表示。由圖4-6-1可見，當工況點位于合成特性曲線與能力較風機F2性能曲線Ⅱ交點A（通常稱為臨界工況點）的左上方（如M0）時，ΔQ=Q-QⅡ>0，則表示串聯(lián)有效；當工況點M’與A點重合（即管網(wǎng)風阻R’通過A點）時，ΔQ=Q’-QⅡ=0，則串聯(lián)無增風；當工況點M”位于A點右下方（即管網(wǎng)風阻為R”）時，ΔQ=Q’-QⅡ<0，則串聯(lián)不但不能增風，反而有害，即小風機成為大風機的阻力。這種情況下串聯(lián)顯然是不合理的。通過A點的風阻為臨界風阻，其值大小取決于兩風機的特性曲線。欲將兩臺風壓曲線不同的風機串聯(lián)工作時，事先應將兩風機所決定的臨界風阻R’與管網(wǎng)風阻R進行比較，當R’<R方可應用。還應該指出的是，對于某一形狀的合成特性曲線，串聯(lián)增風量取決于管網(wǎng)風阻。2、風壓特性曲線相同風機串聯(lián)工作圖4-6-2所示的兩臺特性曲線相同（性能曲線Ⅰ和Ⅱ重合）的風機串聯(lián)工作。由圖可見，臨界點A位于Q軸上。這就意味著在整個合成曲線范圍內(nèi)串聯(lián)工作都是有效的，不過工作風阻不同增風效果不同而已。圖4—6—2根據(jù)上述分析可得出如下結(jié)論：風機串聯(lián)工作適用于因風阻大而風量不足的管網(wǎng)；風壓特性曲線相同的風機串聯(lián)工作較好；串聯(lián)合成特性曲線與工作風阻曲線相匹配，才會有較好的增風效果。串聯(lián)工作的任務是增加風壓，用于克服管網(wǎng)過大阻力，保證按需供風。3、風機與自然風壓串聯(lián)工作1）、自然風壓特性自然風壓特性是指自然風壓與風量之間的關(guān)系。在機械通風礦井中，冬季自然風壓隨風量增大略有增大；夏季，若自然風壓為負時，其絕對值亦將隨風量增大而增大。風機停止工作時自然風壓依然存在。故一般用平等Q軸的直線表示自然風壓的特性。如圖4-6—3中Ⅱ和Ⅱ’分別表示正和負的自然風壓特性。2）、自然風壓對風機工況點影響在機械通風礦井中自然風壓對機械風壓的影響，類似于兩臺風機串聯(lián)工作。如圖4-6-3，礦井風阻曲線為R，風機特性曲線為Ⅰ，自然風壓特性曲線為Ⅱ，按風量相等風壓相加原則，可得到正負自然風壓與風機風壓的合成特性曲線Ⅰ+Ⅱ和Ⅰ+Ⅱ’。風阻R與其交點分別為MⅠ和MⅠ’，據(jù)此可得通風機的實際工況點為M和M’。由此可見，當自然風壓為正時，機械風壓與自然風壓共同作用克服礦井通風阻力，使風量增加；當自然風壓為負時，成為礦井通風阻力。圖4—6—3二、通風機并聯(lián)工作如圖4-6—4，兩臺風機的進風口直接或通過一段巷道連結(jié)在一起工作叫通風機并聯(lián)。風機并聯(lián)有集中并聯(lián)和對角并聯(lián)之分。圖a為集中并聯(lián)，圖b叫對角并聯(lián)。圖4—6—4圖4—6—5（一）集中并聯(lián)理論上，兩臺風機的進風口（或出風口）可視為連接在同一點。所以兩風機的裝置靜壓相等，等于管網(wǎng)阻力；兩風機的風量流過同一條巷道，故通過巷道的風量等于兩臺風機風量之和。即h=Hs1=Hs2Q=Q1+Q2式中符號同前。1、風壓特性曲線不同風機并聯(lián)工作1）風機并聯(lián)工作的特點和工況分析如圖4-6-5所示，兩臺不同型號風機F1和F2的特性曲線分別為Ⅰ、Ⅱ。兩臺風機并聯(lián)后的等效合成曲線Ⅲ可按風壓相等風量相加原理求得。即在兩臺風機的風壓范圍內(nèi)，作若干條等風壓線（壓力坐標軸的垂線），在等風壓線上把兩臺風機的風量相加，得該風壓下并聯(lián)等效風機的風量（點），將等效風機的各個風量點連起來，即可得到風機并聯(lián)工作時等效合成特性曲線Ⅲ。風機并聯(lián)后在風阻為R的管網(wǎng)上工作，R與等效風機的特性曲線Ⅲ的交點M，過M作縱坐標軸垂線，分別與曲線Ⅰ和Ⅱ相交于m1和m2，此兩點即是F1和F2兩風機的實際工況點。并聯(lián)工作的效果，也可用并聯(lián)等效風機產(chǎn)生的風量Q與能力較大風機的F1單獨工作產(chǎn)生風量Q1之差來分析。由圖4-6-5可見，當ΔQ=Q-Q1>0，即工況點M位于合成特性曲線與大風機曲線的交點A右側(cè)時，則并聯(lián)有效；當管網(wǎng)風阻R’（稱為臨界風阻）通過A點時，ΔQ=0，則并聯(lián)增風無效；當管網(wǎng)風阻R”>R’時，工況點M”位于A點左側(cè)時，ΔQ<0，即小風機反向進風，則并聯(lián)不但不能增風，反而有害。此外，由于軸流式通風機的特性曲線存在馬鞍形區(qū)段，因而合成特性曲線在小風量時比較復雜，當管網(wǎng)風阻R較大時，風機可能出現(xiàn)不穩(wěn)定工作。2、風壓特性曲線相同風機并聯(lián)工作圖4-6-6所示的兩臺特性曲線Ⅰ（Ⅱ）相同的風機F1和F2并聯(lián)工作。Ⅲ為其合成特性曲線，R為管網(wǎng)風阻。M和M’為并聯(lián)的工況點和單獨工作的工況點。由M作等風壓線與曲線Ⅰ（Ⅱ）相交于m1，此即風機的實際工況點。由圖可見，總有ΔQ=Q-Q1>0，且R越小，ΔQ越大。應該指出，兩臺特性相同風機并聯(lián)作業(yè)，同樣存在不穩(wěn)定運轉(zhuǎn)情況。圖4—6—6（二）對角并聯(lián)工況分析如圖4-6-4b所示的對角并聯(lián)通風系統(tǒng)中，兩臺不同型號風機F1和F2的特性曲線分別為Ⅰ、Ⅱ，各自單獨工作的管網(wǎng)分別為OA（風阻為R1）和OB（風阻為R2），公共風路OC（風阻為R0），如圖4-6-7。為了分析對角并聯(lián)系統(tǒng)的工況點，先將兩臺風機移至O點。方法是，按等風量條件下把風機F1的風壓與風路OA的的阻力相減的原則，求風機F1為風路OA服務后的剩余特性曲線Ⅰ’，即作若干條等風量線，在等風量線上將風機F1的風壓減去風路OA的的阻力，得風機F1服務風路OA后的剩余風壓點，將各剩余風壓點連起來即得剩余特性曲線Ⅰ’。按相同方法，在等風量條件下，把風機F2的風壓與風路OB的阻力相減得到風機F2為風路OB服務后的剩余特性曲線Ⅱ’。這樣就變成了等效風機F1’和F2’集中并聯(lián)于O點，為公共風路OC服務（如圖4-6-7b)。按風壓相等風量相加原理求得等效風機F1’和F2’集中并聯(lián)的特性曲線Ⅲ，它與風路OC的風阻R0曲線交點M0，由此可得OC風路的風量Q0。過M0作Q軸平行線與特性曲線Ⅰ’和Ⅱ’分別相交于MⅠ’和MⅡ’點。再過MⅠ’和MⅡ’點作Q軸垂線與曲線Ⅰ和Ⅱ相交于MⅠ和MⅡ，此即在兩臺風機的實際工況點，其風量分別為Q1和Q2。顯然Q0=Q1+Q2。圖4—6—7由圖可見，每臺風機的實際工況點MⅠ和MⅡ，既取決于各自風路的風阻，又取決于公共風路的風阻。當各分支風路的風阻一定時，公共段風阻增大，兩臺風機的工況點上移；當公共段風阻一定時，某一分支的風阻增大，則該系統(tǒng)的工況點上移，另一系統(tǒng)風機的工況點下移；反之亦然。這說明兩臺風機的工況點是相互影響的。因此，采用軸流式通風機作并聯(lián)通風的礦井，要注意防止因一個系統(tǒng)的風阻減小引起另一系統(tǒng)的風機壓增加，進入不穩(wěn)定區(qū)工作。三、并聯(lián)與串聯(lián)工作的比較圖4-6-8的中兩臺型號相同離心式通風機的風壓特性曲線為Ⅰ，兩者串聯(lián)和并聯(lián)工作的特性曲線分別為Ⅱ和Ⅲ，N--Q為其功率特性曲線，R1、R2和R3為大小不同的三條管網(wǎng)風阻特性曲線。當風阻為R2時，正好通過Ⅱ、Ⅲ兩曲線的交點B。若并聯(lián)則風機的實際工況點為M1，而串聯(lián)則實際工況點為M2。顯然在這種情況下，串聯(lián)和并聯(lián)工作增風效果相同。但從消耗能量（功率）的角度來看，并聯(lián)的功率為NP，而串聯(lián)的功率為NS，顯然N2>N1，故采用并聯(lián)是合理的。當風機的工作風阻為R1，并聯(lián)運行時工況點A的風量比串聯(lián)運行工況點F時大，而每臺風機實際功率反而小，故采用并聯(lián)較合理。當風機的工作風阻為R3，并聯(lián)運行時工況點E，串聯(lián)運行工況點為C，則串聯(lián)比并聯(lián)增風效果好。對于軸流式通風機則可根據(jù)其壓力和功率特性曲線進行作類似分析。圖4—6—8應該指出的是，選擇聯(lián)合運行方案時，不僅要考慮管網(wǎng)風阻對工況點影響，還要考慮運轉(zhuǎn)效率和軸功率大小。在保證增風或按需供風后應選擇能耗較小的方案。綜上所述，可得如下結(jié)論：（1）并聯(lián)適用于管網(wǎng)風阻較小，但因風機能力小導致風量不足的情況；（2）風壓相同的風機并聯(lián)運行較好；（3）軸流式通風機并聯(lián)作業(yè)時，若風阻過大則可能出現(xiàn)不穩(wěn)定運行。所以，使用軸流式通風機并聯(lián)工作時，除要考慮并聯(lián)效果外，還要進行穩(wěn)定性分析。第七節(jié)礦井通風設備選型*礦井通風設備選型的主要任務是，根據(jù)通風設計參數(shù)在已有的風機系列產(chǎn)品中，選擇適合風機型號、轉(zhuǎn)速和與之相匹配的電機。所選的風機必需具有安全可靠，技術(shù)先進、經(jīng)濟技術(shù)指標良好等優(yōu)點。根據(jù)“煤炭工業(yè)設計規(guī)范”等技術(shù)文件的有關(guān)規(guī)定，進行通風機設備選型時，應符合下列要求：1、風機的服務年限盡量滿足第一水平通風要求，并適當照顧二水平通風；在風機的服務年限內(nèi)其工況點應在合理的工作范圍之內(nèi)。2、當風機服務年限內(nèi)通風阻力變化較大時，可考慮分期選擇電機，但初裝電機的使用年限不小于5年。3、風機的通風能力應留有一定富余量。在最大設計風量時，軸流式通風機的葉片安裝角一般比允許使用最大值小5；風機的轉(zhuǎn)速不大于額定值90%。4、考慮風量調(diào)節(jié)時，應盡量避免使用風硐閘門調(diào)節(jié)。5、正常情況下，主要通風機不采用聯(lián)合運轉(zhuǎn)。選型必備的基礎(chǔ)資料有：通風機的工作方式（是抽出式還是壓入式）；礦井瓦斯等級；礦井不同時期的風量；通風機服務年限內(nèi)的最大阻力和最小阻力以及風井是否作為提升用等。通風機選型按下列步驟進行：一、計算風機工作風量Qf、最大和最小靜壓（抽流式）HSmax、Hsmin-或全壓（離心式）Htmax、Htmin；二、初選風機根據(jù)Qf、Hsmax、Hsmin(或Htmax、Htmin）在新型高效風機特性曲線上用直觀法篩選出滿足風量和風壓要求的若干個通風機。三、求風機的實際工點因為根據(jù)Qf、Hsmax、Hsmin(或Htmax、Htmin）確定的工況點即設計工況點不一定恰好在所選擇風機的特性曲線上，所以風機選擇后必須確定實際工況點。1、計算風機的工作風阻用靜壓特性曲線時，最大靜壓工作風阻按下式計算4—7—42、同理可算出最小工作靜風阻Rsmin.。用全壓特性曲線時，根據(jù)風機的最大和最小工作全壓計算出最大和最小全壓工作風阻Rtmax和Rtmin。在風機特性曲線上作工作風阻曲線，與風壓特性曲線的交點即為實際工況點。四、確定風機的型號和轉(zhuǎn)速根據(jù)實際工況點所確定的各個風機的軸功率大小，并考慮對風機調(diào)節(jié)性能的要求，進行經(jīng)濟、技術(shù)比較，最后確定風機的型號和轉(zhuǎn)速。五、電機選擇1、根據(jù)最后選擇風機的實際工況點（H、Q、和）按下式計算所匹配電機的功率：4—7—5式中Nmmax(Nmmin)--通風阻力最大（最?。r期所配電機功率，kW；Qfmax(Qfmin)--通風阻力最大（最?。r期風機工作風量，m3/s；Hmax(Hmin)--風機實際最大（最?。┕ぷ黠L壓，Pa；--通風機工作效率（用全壓時為t，用靜壓時為s），%；tr--傳動效率，直聯(lián)傳動時t=1，皮帶傳動時tr=0.95～0.9，聯(lián)軸器傳動時tr=0.98;Km--電機容量備用系數(shù)，Km=1.1～1.2。2、電機種類及臺數(shù)選擇當電機功率Nmmax>500kW時，宜選用同步電機，其功率為Nmmax，其優(yōu)點是在低負荷運轉(zhuǎn)時，可用來改善電網(wǎng)功率因數(shù)，缺點是初期投資大，采用異步電機時，當可選一臺電機，功率為Nmmax；當時選兩臺電機，后期電機功率為Nmmax，初期電機功率可按下式計算：4—7—6根據(jù)計算的Nmmax和Nm和通風機要求的轉(zhuǎn)數(shù)，在電機設備手冊上選用合適的電機。例題某礦為抽出式通風，高瓦斯礦井，礦井需風量為Qm=400m3/s，礦井投產(chǎn)后20年內(nèi)最大和最小通風阻力分別為hmax=2551Pa和hmin=1668Pa，阻力最大和最小時自然風壓分別為Hnop=49Pa和Hmin=147Pa，風井不作提升用，試選礦井主要通風機和主要電機。解1、計算主要通風機的工作風量Qf=KQm=40×1.15=46m3/s=16.56×104m3/h；2、計算風機工作風壓取通風機裝置各部分阻力h=196Pa，風機裝置動壓hvd=49PaHSmax=hmax+h+HNOP=2551+196+49=2796PaHSmin=hmin+h+HNAS=1668+196-147+49=1717Pa；3、通風機的全壓Htmax=hmax+h+hvd+HNOP=2551+196+49+49=2845PaHtmai=hmin+h+hvd+HNAS=1668+96+49-147=1766Pa4、根據(jù)設計工況點初選風機1）在4-72-11型離心式通風機性能曲線（圖4-7-1）風量坐標Q=46m3/s點，作Q軸垂線，在風壓坐標Ht=1766Pa和Ht=2845Pa