《流体机械原理》部分讲义.doc

矿山机械《流体机械》部分（3）
13通风设备
n 教学目的和要求
² 主要介绍矿井通风设备的作用、矿井通风系统、矿用风机分类、通风机工作理论、通风机在网路上工作和矿用通风机的结构及性能。通过学习，应能了解矿井通风设备的作用，掌握离心式风机和轴流式风机结构及性能特点、矿井通风系统、矿用风机分类、通风机工作理论、通风机在网路上工作和通风机的选型。
n 重点和难点
² 本章重点：矿用风机分类、作用、结构及性能特点、通风机工作理论和通风机在网上工作特性分析。
² 本章难点：通风机在网路上工作和通风机的选型。
² 。考核知识点和考核要求
² 识记：应掌握矿用风机分类、作用、离心式风机与轴流式风机结构及性能特点；
² 领会：通风机工作理论；
² 综合应用：通风机在网上工作特性分析。
13.1概述
一、矿山通风设备的作用
1、主通风设备的作用：提供安全、可靠和良好的工作条件，称之为“矿井肺脏”。
2、对主通风设备的要求：
（1）必须安装在地面，装有风机的井口必须封闭严密；
（2）必须装备两部同等能力的通风机，一台工作，一台备用。必要时，备风机必须能够在10分钟内启动；
（3）要有两条专用供电线路；
（4）必须装有使风流反向的装备或具备反风的能力，能在10分钟内改变巷道中的风流方向，反向后的风量应不小于正常风量的40％。
（5）装有主通风机的出风井口必须安装防爆门，其面积不得小于该井断面积，并且必须正对风井风流方向；
（6）主通风机因检修、停电或其他原因需要停风时，必须制定停风措施，经总工程师批准；
（7）安装在工业广场内或城镇居民区的通风设备，若噪音超过国家标准【工业企业厂界环境噪声排放标准（GB 12348—2008）】，应进行综合治理；
（8）整个系统应有较高的效率；
（9）尽可能采用自动控制装置。
二、矿井通风方式和通风系统
通风方式：抽出式、压入式。
1、矿井通风过程（负压通风）：大气→进风井→井底车场→大巷→各工作面（新鲜风流）→回风巷→出风井→通风机设备→排入大气。连续风流。

矿井通风工程示意图
1—进风井；2—井底车场；3—大巷；4—工作面；5—回风巷；6—出风井；7—风峒；8—通风机
2、通风设备的任务：正常通风、反风（井下发生火灾时，防止蔓延）。
3、正常通风和反风时的风流路线
4、必须保证通风设备的安全、可靠、高效、低噪声运行

两台轴流风机利用反风道返风的设备组合
1— 风机；2—扩散风道；3—扩散弯头；4—“S”形进口弯头；5—反风道；6—倒换风门；
2— 7—大气风门；8—隔离风门；9—反风风门

抽出式通风
井筒—接口部10—主风道11—分叉风道12—“S”型弯头—风机1—扩散器2—扩散弯头3—大气
5、专业术语
l 通风机装置
指通风机和它配套的扩散器组成的整体。
l 通风机装置特性
指通风机装置的空气动力学特性。
l 通风机设备
以风机与主风道接口部为分界线，所有处在通风机一侧的装备的组合（包括接口部、主风道、其它风道和通风机装置）。
l 通风机设备工作特性
设备正常工作时，风流所流经的所有部件组合体的空气动力性能。
l 通风机设备反风特性
设备以反风方式工作时，风流所流经的所有部件组合体的空气动力性能。
l 通风系统
通风机设备和与之工作的网路组成的系统。

三、矿用风机的分类
1、按流体在叶轮内的流动方向分：离心式（centrifugal fan）、轴流式(axial-flow fan)、混流式(mixed-flow fan)、对旋式（contra-rotating axial fan/counter-rotating axial fan）。
2、按叶轮数目分：单级和多级（根据需要的压力高低选择）。
3、按流体进入叶轮的入口数分：单侧进风（叶轮只有一个进风口）、双侧进风（叶轮有两个进风口）。
4、按压升大小分：低压（全压低于1000Pa）、中压（全压在1000～3000Pa）和高压（全压在3000～15000Pa）。
5、按用途分：主要通风机（主扇）——负责全矿井、一翼或一个分区的通风；
局部通风机（局扇）——负责掘进工作面或加强采煤工作面通风。

单级、单侧进风离心式通风机
1—叶轮；2—外壳；3—集流器；4—轴向导流器；5—主轴；6—叶片；7—前盘；8—后盘

单级、双侧进风离心式通风机
1—叶轮；2—外壳；3—进风箱；4主轴；5—轴向导流器

离心风机叶轮、蜗壳

单级、轴流式通风机示意图
1—叶轮；2—外壳；3—集流器；4—后导叶；5—疏流罩；6—扩散器；主轴；8—叶片；9—轮毂

两级轴流式通风机
1—一级叶轮；2—二级叶轮；3—外壳；4—集流器；5—疏流罩；6—前导叶；7—中导叶；
8—后导叶；9—扩散器；10—主轴

对旋轴流式主通风机的扩散器和扩散弯头

对旋轴流式主通风机

对旋式局部通风机

13.2通风机的工作理论
一、通风机工作参数
1、风量：单位时间内通风机输送的气体的体积，单位：m3/s或m3/h；
2、风压：单位体积（）空气经过通风机所获得的能量，单位Pa；
全压（）：风机提供给空气的总能量；
静压（）：用于克服通风网路阻力的能量；
动压（）：系统出口流入大气的动能。
3、功率：分为有益功率Na和轴功率N。
全压有益功率： （kW），Q－m3/s，全压H－Pa。
静压有益功率： （kW），Q－m3/s，静压－Pa。
轴功率N：由原动机输入的功率，kW。
4、效率：轴功率与有益功率之比。
全压效率：
静压效率：
5、转速n（r/min）
二、通风机相似
1、相似现象和相似条件
（1）相似现象：同一台风机，当转速改变时，其特性曲线的变化是有规律的；几何尺寸完全相似的风机，当转速相同时，其特性曲线的变化也是有规律的；几何尺寸完全相似的通风机，当转速、直径D同时改变时，其特性曲线的变化也是有规律的。
（2）相似条件
①几何相似（边界相似）：对应的几何尺寸成比例，对应角度相等。按比例放大或缩小。前提。
②运动相似：彼此相似的通风机对应点处的速度△相似（对应点的速度方向相同，大小成比例）。
③动力相似：流动的各相应点处质点所受的诸同名力（表面力：压力，；粘性力，。质量力：惯性力－外力）成比例。对于通风机而言，主要是要求其雷诺数相等，或相差不大于5倍。
2、比例定律：彼此相似的通风机的相应工况参数之间存在的一定的关系。
（1）同一台通风机，转速不同时的比例定律：

（2）两台相似的通风机，转速相同时的比例定律：

（3）两台相似的通风机，转速不同时的比例定律：

通风机在不同转速时，其相应工况点应在一条抛物线上，效率近似看作不变。

由模型推算实物特性曲线

3、类型特性
彼此相似的通风机归于一类或一个系列，称为同类型或同系列通风机。
同类通风机中的各通风机的共同之处表现为几何形状相似（来自通风机的相似），不同之处表现为参数的绝对值不同（来自通风机绝对尺寸和转速的不同）。
从特性参数中去掉那些与通风机绝对尺寸和转速有关的因素，得到表达其共同特征的特性，称为类型特性。
我国通风机行业广泛采用的类型特性的表达式：
全压系数
静压系数
流量系数
功率系数
－叶轮外缘直径；－叶轮外缘圆周速度。
类型特性曲线：。
三、轴流风机的基本理论
流体在轴流风机（axial-flow fan）叶轮中的运动和在离心式(centrifugal)机械叶轮内运动一样是复杂的空间运动，而任何一个空间运动都可以看成是由三个相互垂直的运动分量合成的。因此，在研究流体在轴流风机叶轮中的运动时，引入圆柱坐标，其中轴为半径方向；轴为圆周方向；轴与叶轮轴线重合。【数学中常用表示圆柱坐标系】
在分析和计算轴流风机叶轮时，采用了圆柱层无关性假设，即在叶轮中流体质点是以叶轮轴线为中心的圆柱面上的流动，且相邻各圆柱面上流体质点的运动互不相关。也就是说，在叶轮的流动区域内，流体质点不存在径向分速度，即；实际上，在轴流风机叶轮中，流体处于湍流状态，流体质点的径向运动以及相邻各圆柱面上流体质点相互之间的作用与交换是肯定存在的。但实验证明，在设计工况下，流体质点的径向分速度极小，以致在工程上可以略去不计。
根据圆柱层无关性假设，流体质点没有径向分速度()，研究轴流风机叶轮内的复杂运动就可以简化为研究圆柱面上的流动，该圆柱面称为流面（stream-surface）。在叶轮内可以作出无穷多个这种圆柱流面，每个流面上的流动可能不完全相同，但研究的方法是相同的，只要了解一个流面上的流动，其他流面上的流动问题亦可按类似方法得到解决。

轴流风机叶轮
上图所示为一轴流风机叶轮。如果用半径为和的两个无限接近的圆柱面截取一个厚度为的圆环，取出并沿其母线切开展为平面，下图所示叶片被圆柱面截割，其截面（叶型）在平面上组成等距排列的一系列叶型，叶型的前端点（叫做前缘）和后端点（叫做后缘）的连线与弦线的夹角称为叶片安装角，（通常以叶片与轮毂交接处的安装角标志叶轮叶片安装角）。这种由相同叶型等距离排列而组成的无限薄叶型系列称为平面无限直列叶栅（或称基元叶栅cascade）。在这个叶栅中，由于每个叶型的绕流情况相同，因此只要研究其中一个叶型的绕流情况即可。

轴流式通风机叶轮与基圆环

直列叶栅入、出口速度图

图2-16 平面直列叶栅
1、速度三角形
流体在轴流风机叶轮中圆柱面上的流动亦是—个复合运动。流线上任一质点的绝对运动速度等于相对运动速度和圆周速度的矢量和，即。其速度三角形作法基本上与离心泵、离心风机相同。绝对速度也可分解为圆周速度、径向速度，轴向速度，根据假定，轴流风机径向速度等于零，即，则：
(14-1)
由此可作出叶轮进、出口速度三角形，并分别用下标“1”和“2”来区别其所表示的量，如下图所示。

叶栅进、出口速度三角形
在轴流风机中，由于流体沿相同半径的流面流动，所以进、出口处的圆周速度相同，即。另外，叶轮进、出口过流截面面积相等，根据连续方程，在不可压缩流体的前提下，流面进、出口轴向速度相等，即。因此，可以把进、出口速度三角形绘在一起，如图(b)所示。从图中可见，流体绝对速度的变化仅仅是由于进、出口流体运动方向改变引起的，绝对速度在圆周方向的分量产生了变化。
2、轴流风机的基本方程式
轴流风机的基本方程式的推导仍采用与离心式水泵一样的方法，假定流体为不可压缩且流动是定常的；流过叶轮的流体是理想流体，即旋转叶片的机械能将毫无保留地传给流体。现取半径为和两个无限接近的圆柱面和两端面为控制面，则由假设条件可得：
(14-2)
式中：—叶片输入基元的功率；
—基元的理论压头；
—通过基元的理论流量；
—叶片作用于控制面的动量矩；
—叶轮的角速度。
叶片作用于控制面的动量矩可根据动量矩定理求得（，，），即

把上式代入式(14-2)化简后可得：
(14-3)
此式即为轴流通风机基元叶栅的理论压头方程式。(与同向取“－”号，反向取“＋”。)
根据速度三角形可得：
，
将以上两式代入式(14-3)可得：
(14-3a)
由式(14-3a)可知，只有当时轴流风机才能产生风压。
这里应该指出，由于通风机的压头习惯用压强来表示。因此，式(14-3)可改写成：
(14-3b)
离心风机的压头特性方程：
(14-4a)
(后弯叶片) (14-4b)
3、轴流通风机的特性曲线
轴流通风机的特性曲线表示一定转速下压强、轴功率及效率与流量之间的关系，与离心式机械一样，轴流通风机的特性曲线也是通过实验测得的。

轴流式风机理论与实际压头特性曲线
1、全压与流量()的特性曲线
下图所示是典型的轴流风机全压特性曲线和各工况下的流动形态。在设计工况点()，通风机的轴向流线是平直均匀的。如图(d)所示，当流量大于设计工况时(如点)，流线稍向轮毂处偏移，在叶顶出口处出现较小的反向流，在该区域中，性能稍有变化但仍可用，噪声特性也基本良好。从流量小于设计流量开始，出现了较大扰动，这是轴流风机的典型特点。接近工况点，特性曲线出现峰值，这时流线向叶顶方向偏移，在轮毂出口处出现一涡流区域，这是由于叶片背面脱流引起的。在性能曲线的谷底(工况点)，旋涡更大，同时在叶顶进口处出现了新的旋涡，气流不再沿轴向通过叶轮，而是斜向通过叶轮。在零流量工况()点、旋涡相进一步扩大，使得叶轮前后的吸入空间和压出空间全部为旋涡所充塞。同时，随着旋涡和的增大，噪声也增加了。尽管此时没有流体通过叶轮，但点的压力却最高，这点很容易从流动示意图上看出。流体大致是径向流经叶轮，类似于离心风机叶轮内的流动，压力得到了提高。图中的()，()和()为典型的轴向速度变化图。它说明了除设计工况以外，分布不再均匀而出现了径向分量。

不同流量下轴流风机的流动状态及压头特性
2、功率与流量()特性曲线
一般机冀形叶片的风机，在小流量时功率曲线变化比较平缓，最大功率位于最高效率点附近。圆弧板形叶片的风机功率特性是在零流量时功率最大。即使是机冀形叶片的风机，在零流量时其功率也不是最小。
脱流（separation of flow）不仅造成压力损失形成鞍形曲线，而且还容易引起喘振（surge）现象，喘振可使叶片毁坏。所以轴流风机的有效工作范围只限在最高压力点的右侧。为了扩大风机工作范围，通常采用改变叶片安装角的办法实现。
1、失速与喘振
失速是由风机本身引起的。对于轴流风机，失速是引发喘振的前因，但失速不一定发生喘振，喘振是失速恶化的宏观表现。
风机失速：轴流风机叶片通常都是流线型的，设计工况下运行时，气流冲角（即气流相对速度的方向与叶片进口几何角之差）约为0，气流阻力小，风机效率高。当流量减小时，的方向发生改变，气流冲角增大，当达到某一临界值时，叶片背面尾端产生涡流区，即所谓的脱流（失速）工况，此时阻力急剧增大，而升力（压力）迅速降低；若冲角继续增大，脱流现象更为严重，甚至会出现部分叶道阻塞的情况。

附图 正常工况下的气体流动 附图 脱流工况下的气体流动

附图 动叶中旋转脱流的形成
喘振是流体机械特有的振动故障之一，其实质是风机严重失速和管网相互作用的结果，即由于管道内压力的滞后导致风机风压与出口压力周期性的变化。
参考文献：吴利云,石成江. 轴流风机喘振原因及控制措施[J]. 现代制造技术与装备, 2011, 6: 41-43
2、风机喘振后会带来哪些问题？如何防止风机喘振？
当风机发生喘振时，风机的流量周期性地反复，并在很大范围内变化，表现为零流量甚至出现负流量。风机流量的这种正负剧烈的波动，就像哮喘病人呼吸一样。由于流且波动很大而发生气流的猛烈撞击，使风机本身产生剧烈振动．同时风机工作的噪声加。大容量的高压头风机产生喘振时的危害很大，可能导致设备和轴承的损坏、造成事故。直接影响了设备的安全运行。为了防止风机的不稳定性，可采取如下措施：
(1) 保持风机在稳定区域工作。因此，管路中应选择P-Q特性曲线没有驼峰的风机；如果风机的性能曲线有驼峰，应使风机—直保持在稳定区(即P-Q曲线下降段)工作。
(2) 采用再循环。使一部分排出的气体再引回风机入口，不使风机流量过小而工作在不稳定区。
(3) 加装放气阀。当输送流量小于或接近喘振的临界流量时，开启放气阀、放掉部分气体，降低管系压力，避免喘振。

附图 喘振分析 轴流风机风压特性曲线与管网阻力特性曲线
改变叶片安装角的典型轴流风机的特性曲线如图2-19所示。图中表示风机的静压，。

轴流式风机实验特性——实际特性

轴流风机压头特性
通风机静压定义为通风机的全压减去通风机的动压。
气流静压是气流中某一点或充满气体的空间某点的绝对压力与大气压力之压力差，该点的压力高于大气压力时为正值，低于时则为负值。静压能作用于气体的各个方向，与速度无关，是气体中的潜能的量度。
通风机动压定义为：通风机出口截面上气体的动能所表征的压力。
气流的动压是将气体从零速度加速至某一速度所需的压力。动压与气流的动能成正比。动压只作用于气流方向，并且永远是正值。
通风机全压定义为通风机出口截面上的总压与进口截面上的总压之差。
气流全压气流在某一点或某一截面上的全压等于该点或该截面上的动压与静压之和。

抽出式和压入式通风风压比较

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