1、PAGE PAGE 21礦山機械流體機械部分（3）13通風設備教學目的和要求主要介紹礦井通風設備的作用、礦井通風系統、礦用風機分類、通風機工作理論、通風機在網路上工作和礦用通風機的結構及性能。通過學習，應能了解礦井通風設備的作用，掌握離心式風機和軸流式風機結構及性能特點、礦井通風系統、礦用風機分類、通風機工作理論、通風機在網路上工作和通風機的選型。重點和難點本章重點：礦用風機分類、作用、結構及性能特點、通風機工作理論和通風機在網上工作特性分析。本章難點：通風機在網路上工作和通風機的選型。考核知識點和考核要求識記：應掌握礦用風機分類、作用、離心式風機與軸流式風機結構及性能特點；領會：通風機工作理

2、論；綜合應用：通風機在網上工作特性分析。13.1概述一、礦山通風設備的作用1、主通風設備的作用：提供安全、可靠和良好的工作條件，稱之為“礦井肺臟”。2、對主通風設備的要求：（1）必須安裝在地面，裝有風機的井口必須封閉嚴密；（2）必須裝備兩部同等能力的通風機，一臺工作，一臺備用。必要時，備風機必須能夠在10分鐘內啟動；（3）要有兩條專用供電線路；（4）必須裝有使風流反向的裝備或具備反風的能力，能在10分鐘內改變巷道中的風流方向，反向后的風量應不小于正常風量的40。（5）裝有主通風機的出風井口必須安裝防爆門，其面積不得小于該井斷面積，并且必須正對風井風流方向；（6）主通風機因檢修、停電或其他原因需

3、要停風時，必須制定停風措施，經總工程師批準；（7）安裝在工業廣場內或城鎮居民區的通風設備，若噪音超過國家標準【工業企業廠界環境噪聲排放標準（GB 123482008）】，應進行綜合治理；（8）整個系統應有較高的效率；（9）盡可能采用自動控制裝置。二、礦井通風方式和通風系統通風方式：抽出式、壓入式。1、礦井通風過程（負壓通風）：大氣進風井井底車場大巷各工作面（新鮮風流）回風巷出風井通風機設備排入大氣。連續風流。礦井通風工程示意圖1進風井；2井底車場；3大巷；4工作面；5回風巷；6出風井；7風峒；8通風機2、通風設備的任務：正常通風、反風（井下發生火災時，防止蔓延）。3、正常通風和反風時的風流路線

4、4、必須保證通風設備的安全、可靠、高效、低噪聲運行兩臺軸流風機利用反風道返風的設備組合風機；2擴散風道；3擴散彎頭；4“S”形進口彎頭；5反風道；6倒換風門；7大氣風門；8隔離風門；9反風風門抽出式通風井筒接口部10主風道11分叉風道12“S”型彎頭風機1擴散器2擴散彎頭3大氣5、專業術語通風機裝置指通風機和它配套的擴散器組成的整體。通風機裝置特性指通風機裝置的空氣動力學特性。通風機設備以風機與主風道接口部為分界線，所有處在通風機一側的裝備的組合（包括接口部、主風道、其它風道和通風機裝置）。通風機設備工作特性設備正常工作時，風流所流經的所有部件組合體的空氣動力性能。通風機設備反風特性設備以反風

5、方式工作時，風流所流經的所有部件組合體的空氣動力性能。通風系統通風機設備和與之工作的網路組成的系統。三、礦用風機的分類1、按流體在葉輪內的流動方向分：離心式（centrifugal fan）、軸流式(axial-flow fan)、混流式(mixed-flow fan)、對旋式（contra-rotating axial fan/counter-rotating axial fan）。2、按葉輪數目分：單級和多級（根據需要的壓力高低選擇）。3、按流體進入葉輪的入口數分：單側進風（葉輪只有一個進風口）、雙側進風（葉輪有兩個進風口）。4、按壓升大小分：低壓（全壓低于1000Pa）、中壓（全壓在10

6、003000Pa）和高壓（全壓在300015000Pa）。5、按用途分：主要通風機（主扇）負責全礦井、一翼或一個分區的通風；局部通風機（局扇）負責掘進工作面或加強采煤工作面通風。單級、單側進風離心式通風機1葉輪；2外殼；3集流器；4軸向導流器；5主軸；6葉片；7前盤；8后盤單級、雙側進風離心式通風機1葉輪；2外殼；3進風箱；4主軸；5軸向導流器離心風機葉輪、蝸殼單級、軸流式通風機示意圖1葉輪；2外殼；3集流器；4后導葉；5疏流罩；6擴散器；主軸；8葉片；9輪轂兩級軸流式通風機1一級葉輪；2二級葉輪；3外殼；4集流器；5疏流罩；6前導葉；7中導葉；8后導葉；9擴散器；10主軸對旋軸流式主通風機的

7、擴散器和擴散彎頭對旋軸流式主通風機對旋式局部通風機13.2通風機的工作理論一、通風機工作參數1、風量：單位時間內通風機輸送的氣體的體積，單位：m3/s或m3/h； 2、風壓：單位體積（）空氣經過通風機所獲得的能量，單位Pa；全壓（）：風機提供給空氣的總能量；靜壓（）：用于克服通風網路阻力的能量；動壓（）：系統出口流入大氣的動能。3、功率：分為有益功率Na和軸功率N。全壓有益功率： （kW），Qm3/s，全壓HPa。靜壓有益功率： （kW），Qm3/s，靜壓Pa。軸功率N：由原動機輸入的功率，kW。4、效率：軸功率與有益功率之比。全壓效率： 靜壓效率： 5、轉速n（r/min）二、通風機相似1、

8、相似現象和相似條件（1）相似現象：同一臺風機，當轉速改變時，其特性曲線的變化是有規律的；幾何尺寸完全相似的風機，當轉速相同時，其特性曲線的變化也是有規律的；幾何尺寸完全相似的通風機，當轉速、直徑D同時改變時，其特性曲線的變化也是有規律的。（2）相似條件幾何相似（邊界相似）：對應的幾何尺寸成比例，對應角度相等。按比例放大或縮小。前提。運動相似：彼此相似的通風機對應點處的速度相似（對應點的速度方向相同，大小成比例）。動力相似：流動的各相應點處質點所受的諸同名力（表面力：壓力，；粘性力，。質量力：慣性力外力）成比例。對于通風機而言，主要是要求其雷諾數相等，或相差不大于5倍。2、比例定律：彼此相似的通

9、風機的相應工況參數之間存在的一定的關系。（1）同一臺通風機，轉速不同時的比例定律：（2）兩臺相似的通風機，轉速相同時的比例定律：（3）兩臺相似的通風機，轉速不同時的比例定律：通風機在不同轉速時，其相應工況點應在一條拋物線上，效率近似看作不變。由模型推算實物特性曲線3、類型特性彼此相似的通風機歸于一類或一個系列，稱為同類型或同系列通風機。同類通風機中的各通風機的共同之處表現為幾何形狀相似（來自通風機的相似），不同之處表現為參數的絕對值不同（來自通風機絕對尺寸和轉速的不同）。從特性參數中去掉那些與通風機絕對尺寸和轉速有關的因素，得到表達其共同特征的特性，稱為類型特性。我國通風機行業廣泛采用的類型特

10、性的表達式：全壓系數 靜壓系數 流量系數 功率系數 葉輪外緣直徑；葉輪外緣圓周速度。類型特性曲線：。三、軸流風機的基本理論流體在軸流風機（axial-flow fan）葉輪中的運動和在離心式(centrifugal)機械葉輪內運動一樣是復雜的空間運動，而任何一個空間運動都可以看成是由三個相互垂直的運動分量合成的。因此，在研究流體在軸流風機葉輪中的運動時，引入圓柱坐標，其中軸為半徑方向；軸為圓周方向；軸與葉輪軸線重合。【數學中常用表示圓柱坐標系】在分析和計算軸流風機葉輪時，采用了圓柱層無關性假設，即在葉輪中流體質點是以葉輪軸線為中心的圓柱面上的流動，且相鄰各圓柱面上流體質點的運動互不相關。也就是

11、說，在葉輪的流動區域內，流體質點不存在徑向分速度，即；實際上，在軸流風機葉輪中，流體處于湍流狀態，流體質點的徑向運動以及相鄰各圓柱面上流體質點相互之間的作用與交換是肯定存在的。但實驗證明，在設計工況下，流體質點的徑向分速度極小，以致在工程上可以略去不計。根據圓柱層無關性假設，流體質點沒有徑向分速度()，研究軸流風機葉輪內的復雜運動就可以簡化為研究圓柱面上的流動，該圓柱面稱為流面（stream-surface）。在葉輪內可以作出無窮多個這種圓柱流面，每個流面上的流動可能不完全相同，但研究的方法是相同的，只要了解一個流面上的流動，其他流面上的流動問題亦可按類似方法得到解決。軸流風機葉輪上圖所示為一

12、軸流風機葉輪。如果用半徑為和的兩個無限接近的圓柱面截取一個厚度為的圓環，取出并沿其母線切開展為平面，下圖所示葉片被圓柱面截割，其截面（葉型）在平面上組成等距排列的一系列葉型，葉型的前端點（叫做前緣）和后端點（叫做后緣）的連線與弦線的夾角稱為葉片安裝角，（通常以葉片與輪轂交接處的安裝角標志葉輪葉片安裝角）。這種由相同葉型等距離排列而組成的無限薄葉型系列稱為平面無限直列葉柵（或稱基元葉柵cascade）。在這個葉柵中，由于每個葉型的繞流情況相同，因此只要研究其中一個葉型的繞流情況即可。軸流式通風機葉輪與基圓環直列葉柵入、出口速度圖圖2-16 平面直列葉柵1、速度三角形流體在軸流風機葉輪中圓柱面上的

13、流動亦是個復合運動。流線上任一質點的絕對運動速度等于相對運動速度和圓周速度的矢量和，即。其速度三角形作法基本上與離心泵、離心風機相同。絕對速度也可分解為圓周速度、徑向速度，軸向速度，根據假定，軸流風機徑向速度等于零，即，則： (14-1)由此可作出葉輪進、出口速度三角形，并分別用下標“1”和“2”來區別其所表示的量，如下圖所示。葉柵進、出口速度三角形在軸流風機中，由于流體沿相同半徑的流面流動，所以進、出口處的圓周速度相同，即。另外，葉輪進、出口過流截面面積相等，根據連續方程，在不可壓縮流體的前提下，流面進、出口軸向速度相等，即。因此，可以把進、出口速度三角形繪在一起，如圖(b)所示。從圖中可見

14、，流體絕對速度的變化僅僅是由于進、出口流體運動方向改變引起的，絕對速度在圓周方向的分量產生了變化。2、軸流風機的基本方程式軸流風機的基本方程式的推導仍采用與離心式水泵一樣的方法，假定流體為不可壓縮且流動是定常的；流過葉輪的流體是理想流體，即旋轉葉片的機械能將毫無保留地傳給流體。現取半徑為和兩個無限接近的圓柱面和兩端面為控制面，則由假設條件可得： (14-2)式中：葉片輸入基元的功率；基元的理論壓頭；通過基元的理論流量；葉片作用于控制面的動量矩；葉輪的角速度。葉片作用于控制面的動量矩可根據動量矩定理求得（，），即把上式代入式(14-2)化簡后可得： (14-3)此式即為軸流通風機基元葉柵的理論壓

15、頭方程式。(與同向取“”號，反向取“”。)根據速度三角形可得：，將以上兩式代入式(14-3)可得： (14-3a)由式(14-3a)可知，只有當時軸流風機才能產生風壓。這里應該指出，由于通風機的壓頭習慣用壓強來表示。因此，式(14-3)可改寫成： (14-3b)離心風機的壓頭特性方程： (14-4a) (后彎葉片) (14-4b)3、軸流通風機的特性曲線軸流通風機的特性曲線表示一定轉速下壓強、軸功率及效率與流量之間的關系，與離心式機械一樣，軸流通風機的特性曲線也是通過實驗測得的。軸流式風機理論與實際壓頭特性曲線1、全壓與流量()的特性曲線下圖所示是典型的軸流風機全壓特性曲線和各工況下的流動形態

16、。在設計工況點()，通風機的軸向流線是平直均勻的。如圖(d)所示，當流量大于設計工況時(如點)，流線稍向輪轂處偏移，在葉頂出口處出現較小的反向流，在該區域中，性能稍有變化但仍可用，噪聲特性也基本良好。從流量小于設計流量開始，出現了較大擾動，這是軸流風機的典型特點。接近工況點，特性曲線出現峰值，這時流線向葉頂方向偏移，在輪轂出口處出現一渦流區域，這是由于葉片背面脫流引起的。在性能曲線的谷底(工況點)，旋渦更大，同時在葉頂進口處出現了新的旋渦，氣流不再沿軸向通過葉輪，而是斜向通過葉輪。在零流量工況()點、旋渦相進一步擴大，使得葉輪前后的吸入空間和壓出空間全部為旋渦所充塞。同時，隨著旋渦和的增大，噪

17、聲也增加了。盡管此時沒有流體通過葉輪，但點的壓力卻最高，這點很容易從流動示意圖上看出。流體大致是徑向流經葉輪，類似于離心風機葉輪內的流動，壓力得到了提高。圖中的()，()和()為典型的軸向速度變化圖。它說明了除設計工況以外，分布不再均勻而出現了徑向分量。不同流量下軸流風機的流動狀態及壓頭特性2、功率與流量()特性曲線一般機冀形葉片的風機，在小流量時功率曲線變化比較平緩，最大功率位于最高效率點附近。圓弧板形葉片的風機功率特性是在零流量時功率最大。即使是機冀形葉片的風機，在零流量時其功率也不是最小。脫流（separation of flow）不僅造成壓力損失形成鞍形曲線，而且還容易引起喘振（sur

18、ge）現象，喘振可使葉片毀壞。所以軸流風機的有效工作范圍只限在最高壓力點的右側。為了擴大風機工作范圍，通常采用改變葉片安裝角的辦法實現。1、失速與喘振失速是由風機本身引起的。對于軸流風機，失速是引發喘振的前因，但失速不一定發生喘振，喘振是失速惡化的宏觀表現。風機失速：軸流風機葉片通常都是流線型的，設計工況下運行時，氣流沖角（即氣流相對速度的方向與葉片進口幾何角之差）約為0，氣流阻力小，風機效率高。當流量減小時，的方向發生改變，氣流沖角增大，當達到某一臨界值時，葉片背面尾端產生渦流區，即所謂的脫流（失速）工況，此時阻力急劇增大，而升力（壓力）迅速降低；若沖角繼續增大，脫流現象更為嚴重，甚至會出現部分葉道阻塞的情況。附圖 正常工況下的氣體流動 附圖 脫流工況下的氣體流動附圖 動葉中旋轉脫流的形成喘振是流體機械特有的振動故障之一，其實質是風機嚴重失速和管網相互作用的結果，即由于管道內壓力的滯后導致風機風壓與出口壓力周期性的變化。參考文獻：吳利云,石成江. 軸流風機喘振原因及控制措施J. 現代制造技術與裝備, 2011, 6: 41-432、風機喘振后會帶來哪些問題？如何防止風機喘振？當風機發生喘振時，風機的流量周期性地反復，并在很大范圍內變化，表現為零流量甚至出現負流量。風機流量的這種正負劇烈的波動，就像哮喘病人呼吸一樣。由于流且波動很大而發生氣流的猛烈撞擊，使風機本身產