煤矿培训教材(下)

560第十三章主要通风机司机第一节通风机的工作原理矿井主要通风机，通常使用离心式和轴流式两大类。离心式通风机因以离心力形成风压而得名；轴流式通风机因气流沿轴向流动而得名。一般说来，离心式通风机适用于小流量、高压力的场所，而轴流式通风机则常用于大流量、低压力的情况，它们各有优点。一、离心式通风机工作原理图13—1是离心式通风机构造简图。图13—1离心式通风机构造简图1—进气；2—进气口；3—叶轮；4—蜗壳；5—主轴；6—出气口；7—出口扩压器气体在离心式通风机内的流动方向是：从进风口沿轴向进入叶轮，随着叶轮流道的改变，气流又从径向流出叶轮。在这个流动过程中，风压和流速不断增大，气流汇集在螺线形机壳中，气流速度下降而压力上升，最后经过锥形扩散器排入大气。离心式通风机的工作原理：已知气体在离心式通风机中的流动561先为轴向，后转变为垂直于通风机轴的径向运动，当气体通过旋转叶轮的流道间，由于叶片的作用，气体获得能量，即气体压力提高和动能增加。当气体获得的能量足以克服其阻力时，则可将气体输送到高处或远处。离心式通风机是靠旋转的叶轮产生的离心力作用增加压力的。由于离心力的作用气流被甩到叶轮出口，这时叶轮的入口产生负压，在大气压力作用下气流不断由进风口继续进入叶轮，在叶轮中气流获得高速度，经过螺旋形机壳时，因为断面不断扩大使气流速度逐渐降低，压力继续增大，在气流到达扩散器出口时，气流具有的压力基本上和大气压相等。由此可见，通风机内的气流压力是低于大气压的。通风机的作用就是把低于大气压力的气流吸进去，经过叶轮又给气流增加了压力，然后排向大气。如此不断地吸、排，以达到输送空气的目的。如果能制造足够长度的扩散器，则排向大气的空气压力就完全和大气压力相等。在气流从进风口到达扩散器出口的流动过程中，叶轮是增加压力的惟一部件。当原动机拖动叶轮旋转时，叶轮就对气体做功，使气体获得能量(静压和动能)，气体离开叶轮后仍以一定的速度进入蜗壳，在蜗壳中速度降低，将部分动能转变为静压而离开通风机。蜗壳、扩散器的作用是减低气流的动压，增加静压以避免叶轮产生的高速气流直接排出大气而造成损失。叶轮是一个使气体获得能量的重要部件。不同叶片形式对压力有着不同的影响。离心式通风机叶轮的叶片可以按照叶片出口安装角度大小和叶片几何形状分为3种不同类型。叶片的3种形式如图13-2所示。图13—2叶片的3种形式1.前向叶片(图13—2(a))。叶片出口安装角β2＞90°。它分为562一般前向叶片和多翼式前向叶片。产生的理论压头最大，动压占的比例大，损失也大。2.后向叶片(图13—2(b))。叶片出口安装角β2＜90°。它分为曲线形后向叶片和直线形后向叶片。产生的理论压头最小，静压占的比例大，动压占的比例小，损失也小。3.径向叶片(图13—2(c))。叶片出口安装角β2＝90°。一般有径向出口叶片和径向直叶片。产生的理论压头介于前向叶片和后向叶片之间。通过比较可以看出，在其他条件相同时3种叶片形式的比较结果如下：从气体所获得的压力看，前向叶片压头最大，径向叶片居中，后向叶片最小。从效率观点看，后向叶片损失最小，故效率最高；径向叶片介于前、后向叶片之间；前向叶片损失最大，故效率最低。从结构尺寸看，在流量和转速一定时，达到相同的压力前提下，前向叶轮直径最小，径向叶轮稍次，后向叶轮直径最大。因此，大功率的通风机一般用后向叶片较多。后向叶片的通风机效率高，压头特性曲线平缓稳定，这对两台通风机的并联运转非常有利。如果对通风机的压力要求较高，而转速或圆周速度又受到一定限制时，则往往选用前向叶片。如果从磨损和积垢角度看，选用径向直叶片较有利。二、轴流式通风机工作原理轴流式通风机与离心式通风机一样，由于叶片与气流相互作用而产生压差，使空气沿轴向流动。图13—3是轴流式通风机构造简图。气流从集风器进入，通风叶轮使气体获得能量，然后流入导叶，导叶将一部分偏转的气流动能变为静压能，最后通过扩散筒将一部分轴向气流的动能转变为静压能，然后从扩散筒流出，输入管路。工程中常见到气体绕物体的流动，简称绕流。研究绕流问题的563目的，就是研究作用在物体周围的气流速度、压力等的变化情况。首先我们来看一个理想流体流过静止圆柱体的情况。如图13—4(a)所示。流体在流近静止圆柱体前，是一组均匀的平行流线，当流体流过圆柱体时，由于圆柱体的阻碍，流线逐层发生弯曲。绕过c、d点后，鉴于理想流体没有粘性，不会产生附面层分离，因此流线又合拢。因为圆柱体是一对称物体，它不受任何作用，即使对于实际流体，也只会产生平行于流动方向的阻力，在垂直于流动的方向，仍无外力产生。图13—3轴流式通风机构造简图1—集风器；2—叶轮；3—导叶；4—扩散筒图13—4理想流体流过圆柱体如果圆柱体在静止的空气中转动，根据实际观察，圆柱体周围的流体也将随圆柱一起绕轴心流动，如图13—4(b)所示。这种流动称为环流。离开圆柱越远的流体转得越慢。如果把转动的圆柱体放在均匀平行的流体中，这时圆柱体上面的流体速度较快，但压力较低，圆柱体下面的流体因速度较慢而压力增大。因为圆柱上下压差的作用，产生一个向上的推力，称为升564力，如图13—4(c)所示。上面所产生的这种现象，称为升力效应。理想流体流过轴流通风机叶片翼型的情况与流过圆柱体相类似，如图13-5所示。图13-5理想流体流过轴流通风机叶片翼型的情况当实际流体流过叶片翼型时，表面上存在着附面层，由于起动涡的产生，一个与起动涡大小相等、方向相反的环流在叶片翼型周围产生。实际气流绕叶片翼型的流动，可以看成是理想流体绕叶片翼型的流动与叶片翼型的环流的叠加。叠加的结果改变了叶片翼型上下表面的速度分布，使叶片翼型上表面速度增加，下表面速度减小，于是产生了压差，也就产生了把叶片推向低压区的力，使叶片上升。但是轴流式通风机的叶片是均匀固定在轮毂表面上排列成栅形的，所以叶片底面的高压气流在叶片推动下向出口流出，叶片上凸面的低压气流会不断地将空气引进来，穿过两叶片的通道，向后流动。这样在叶轮的旋转下形成连续不断的气流。轴流式通风机在叶轮后面安装了固定不动的后导叶，它可以将一部分动压变为静压。有时为了提高通风机的压力，在一台风机上安装两个转动叶轮，这种两级通风机的第一个叶轮之后必须安装中间导叶，以使流入第二个叶轮的气流方向与流入第一个叶轮的气流方向相同。第二节通风机主要性能参数一、通风机工作的基本参数风量、风压、转速、功率及效率是表示通风机性能的主要参数，565称为通风机的性能参数。它们共同表达通风机的规格和特性。这里简单地说明它们的概念。1.风量Q表示单位时间流过通风机的空气量，常用单位为m3/s、m3/min、m3／h。2.风压H当空气流过通风机时，通风机给予每立方米空气的总能量(kgf·m)称为通风机的全压tH(kgf/m2)，它总是由静压sH和动压vH所组成，即：vstHHH(kgf/m2)通风机无论抽出或压入工作，其全压Ht总是消耗于克服矿井通风阻力h和扩散器出口(抽出式)或风井出口(压入式)的动压损失。那么，通风机压入式工作时，一般常用它的全压Ht来表示它的风压参数，而抽出式工作时，常用它的“有效静压”来表示其风压参数。3.转速n通风机转子旋转速度的快慢将直接影响通风机的风量、风压、效率。单位为r/min。4.功率N驱动通风机所需要的功率N称为轴功率，或者说是单位时间内传递给通风机轴的能量。通风机工作有效的总功率为：102/ttHQN(kW)如果通风机风压是用其有效静压Hs来表示，则102/ssHQN(kW)5.效率η通风机轴上的功率N因为有部分损失而不能全部传给空气，所以就用效率来反映损失的大小及其工作的优劣，效率高，即损失小。从不同角度出发有不同的效率，因所用风压参数不同就有：全压效率NHQtt102/静压效率NHQss102/566二、通风机的主要无因次参数将通风机的主要性能参数风量(m3／s)、风压H(kg／m2)、功率N(kW)、转速n(r／min)与通风机特性值—叶轮外径D(m)、叶轮外缘的圆周速度U(m/s)以及气体密度ρ(kg／m3)之间的关系用无因次参数来表示，它们分别是：压力系数_H2_UHH流量系数_QUDQQ2_4功率系数_N32_41000UDNN比转数sn4/32/1HQnns三、通风机的个体特性曲线通风机的风量、风压、功率、效率等几个参数之间存在着一定的依存关系。如果风量发生了变化，相应地风压、功率、效率等也要发生变化。通风机的特性曲线，就是在既定转速下，反映风量、风压、功率、效率之间关系的曲线，它表明通风机的各种工作性能和变化规律，对通风机的选型和分析通风机的工作状态是十分有用的。因为空气在通风机内流动情况非常复杂，所以至今我们还无法用理论计算的方法得到它的特性曲线，而只能用试验的方法求得。新通风机在出厂之前，一般进行模拟试验给出特性曲线。通常通风机样本给出的特性曲线，是通风机气动特性曲线，其效率为气动效率，而在现场测定的曲线为通风机装置曲线，其效率为装置效率。实际使用时，常将矿井风阻特性曲线与通风机特性曲线绘在一张图上，矿井风阻曲线R与通风机Q—H特性曲线的交点A为通风机的工况点。根据工况点的位置，便可由图中纵横坐标查出相应的风机、风量、风压、功率、效率。5671.离心式通风机的特性曲线图13—6是后弯式离心式通风机特性曲线。(1)风量—风压曲线通风机风量和风压之间的关系曲线叫做风量—风压曲线(Q—H曲线)。轮叶后弯式通风机Q—H曲线一般呈单斜状；轮叶前弯式通风机Q—H曲线一般呈驼峰状。当风量接近零时会出现一最大值，随着风压的增加，风量逐渐下降，所以Q—H曲线是一条变化较为平缓的曲线。(2)风量—功率曲线通风机的风量和功率之间的关系曲线叫图13—6后弯式离心式通风机特性曲线做风量—功率曲线(Q—N曲线)。当风量为零时，功率最小，这是Q—N特性曲线的一个特点，所以利用这一特点离心式通风机是在闸门全闭下启动，此时电机消耗功率是最小的，利于安全启动，避免电流过大烧坏电机。随着风量的增加，功率是缓缓上升的，最后达到功率的最大值。(3)风量—效率曲线通风机风量和效率之间的关系曲线，叫做风量—效率曲线(Q—η曲线)。当风量为零时，效率也为零；随着风量的增加，效率也逐渐上升，在P处到达最大值时又逐渐下降。P点是最高效率点，也就是通风机运行最经济的一点。2.轴流式通风机的特性曲线如图13—7所示，轴流式通风机与离心式通风机的特性曲线差异较大。(1)风量—风压曲线轴流式通风机的Q—H曲线一般呈马鞍—驼峰状，在马鞍的左端是不稳定的工作段。多台通风机联合运转时，568要特别注意这一点。每一个安装角对应一条Q—H曲线。当风量为零时风压有一较大值，随着风量的增加风压逐渐下降，当风量再继续增加时，风压又上升到最大峰值F，尔后又突然下降，形成了一个“马鞍形”的驼峰区，风量虽然变化不大，风压却有着明显的变化。在轴流式通风机中增加了稳流环装置后的Q—H曲线有所不同，Q—H曲线较稳定，见图13—8。图13—7轴流式通风机的特性曲线图13—8增加稳流环装置后的曲线(2)风量—功率曲线轴流式通风机叶片每一组不同的安装角对应一条Q—N曲线。当风量为零时，功率有较大值，随着风量的增加，功率逐渐变为最小值，再到最大值，最后逐渐呈下降趋势。轴流式通风机在启动时，闸门不允许全闭启动，如果全闭启动，则电机消耗的功率最大。轴流式通风机可以直接启动。(3)风量—效率曲线同样地，每一个安装角对应着一条Q—η569曲线。其中，设计安装角时所对应的效率最高。由于通风机本身存在能量损失，因此，其输出功率小于输入功率。两者之比即为通风机的效率。Q—η曲线近似为一条抛物线，随风量的增加而增加，当增大值后，又随风量的增加而降低。四、通风机的工况及其合理工作段通风机在网络中运行时，所产生的风量等于通过网络的风量，而风量通过该网络时，对应的阻力即等于通风机的风压。也就是说，矿井的通风工作是由网络与通风机的配合来完成的。网络有多大的阻力，通风机就对应地产生多大的压力；网络需要多大风量，通风机就对应地产生多