风机轴功率计算

第四节第四节 通风机的实际特性曲线通风机的实际特性曲线 一 通风机的工作参数一 通风机的工作参数 表示通风机性能的主要参数是风压 H 风量 Q 风机轴功率 N 效率 和转速 n 等 一 风机 一 风机 实际实际 流量流量 Q Q 风机的实际流量一般是指实际时间内通过风机入口空气的体积 亦称体积流量 无特殊说明时均指在标准状态下 单位为 或 二 风机 二 风机 实际实际 全压全压 H Hf f与静压与静压 H Hs s 通风机的全压 Ht是通风机对空气作功 消耗于每 1m3空气的能量 N m m3或 Pa 其值为风机出口风流的全压与入口风流全压之差 值为风机出口风流的全压与入口风流全压之差 在忽略自然风压时 Ht用以克服通 风管网阻力 hR和风机出口动能损失 hv 即 Ht hR hV 4 4 1 克服管网通风阻力的风压称为通风机的静压 HS Pa HS hR RQ2 4 4 2 因此 Ht HS hV 4 4 3 三 通风机的功率三 通风机的功率 通风机的输出功率 又称空气功率 以全压计算时称全压功率 Nt 用下式计算 Nt HtQ 10 3 4 5 4 用风机静压计算输出功率 称为静压功率 NS 即 NS HSQ 10 3 4 4 5 因此 风机的轴功率 即通风机的输入功率 N kW 4 5 6 或 4 4 7 式中 t S分别为风机折全压和静压效率 设电动机的效率为 m 传动效率为 tr时 电动机的输入功率为 Nm 则 4 4 8 二 通风系统主要参数关系和风机房水柱计 压差计 示值含义二 通风系统主要参数关系和风机房水柱计 压差计 示值含义 掌握矿井主要通风机与通风系统参数之间关系 对于矿井通风的科 学管理至关重要 为了指示主要通风机运转以及通风系统的状况 在风硐中靠近风机入口 风流稳定 断面上安装测静压探头 通过胶管与风机房中水柱计或压差计 仪 相连接 测得所 在断面上风流的相对静压 h 在离心式通风机测压探头应安装在立闸门的外侧 水柱计 或压差计的示值与通风机压力和矿井阻力之间存在什么关系 它对于通风管理有什么通风管理有什么 实际意义实际意义 下面就此进行讨论 1 1 抽出式通风 抽出式通风 1 1 水柱 压差 计示值与矿井通风阻力和风机静压之间关系 水柱 压差 计示值与矿井通风阻力和风机静压之间关系 如图 4 4 1 水柱计示值为 4 断面相对静压 h4 h4 负压 P4 P04 P4为 4 断面绝 对压力 P04为与 4 断面同标高的大气压力 图 4 4 1 沿风流方向 对 1 4 两断面列伯努力方程 hR14 P1 hv1 m12 gZ12 P4 hv4 m34 gZ34 式中 hR14 1 至 4 断面通风阻力 Pa P1 P4 分别为 1 4 断面压力 Pa hv1 hv4 分别为 1 4 断面动压 Pa Z12 Z34 分别为 12 34 段高差 m m12 m34 分别为 12 34 段空气柱空气密度平均值 kg m3 因风流入口断面全压Pt1等于大气压力P01 即 P1 hv1 Pt1 P01 又因 1 与 4 断面同标高 故1 断面的同标高大气压P01 与 4 断面外大 气压 P04相等 又 m12gZ12 m34gZ34 HN 故上式可写为 hR14 P04 P4 hv4 HN hR14 h4 hv4 HN 即 h4 hR14 hv4 HN 4 4 9 根据通风机静压与矿井阻力之间的关系可得 HS HN h4 hv4 ht4 4 4 10 式 4 4 9 和式 4 4 10 反映了风机房水柱计测值反映了风机房水柱计测值 h h4 4与与矿井通风系统阻力 通矿井通风系统阻力 通 风机静压及自然风压之间的关系 风机静压及自然风压之间的关系 通常 hv4数值不大 某一段时间内变化较小 HN随 季节变化 一般矿井 其值不大 因此 h4 基本上反映了矿井通风阻力大小和通风 机静压大小 如果矿井的主要进回风道发生冒顶堵塞 则水柱计读数增大 如果控制 通风系统的主要风门开启 风流短路 则水柱计读数减小 因此 它是通风管理的重 要监测手段 2 2 风机房水柱计示值与全压 风机房水柱计示值与全压 H Ht t之间关系 之间关系 与上述类似地对 4 5 断面 扩散器出口 列伯努力方程 便可得水柱计示值与全 压之间关系 Ht h4 hv4 hRd hv5 即 h4 Ht hv4 hRd hv5 4 4 11 式中 hRd 扩散器阻力 Pa hv5 扩散器出口动压 Pa 根据式 4 4 11 可得 Ht hR12 hRd hv4 Ht HN hR14 hRd hv5 4 4 12 2 2 压入式通风的系统 压入式通风的系统 如图 4 4 2 对 1 2 两断面列伯努力方程得 hR12 P1 hv1 m1gZ1 P2 hv2 m2gZ2 因风井出口风流静压等于大气压 即P2 P02 1 2 断面同标高 其同 标高的大气压相等 即P01 P02 故 P1 P2 P1 P01 h1 又 m1gZ1 m2gZ2 HN 故上式可写为 hR12 h1 hV1 hv2 HN 所以风机房水柱计值 h1 hR12 hv2 hV1 HN 又 Ht Pt1 Pt1 Pt1 P0 P1 hv1 P0 h1 hv1 Ht HN hR12 hv2 4 4 13 由式 4 4 12 和式 4 4 13 可见 无论何种通风方式 通风动力都是克服风道 的阻力和出口动能损失 不过抽出式通风的动能损失在扩散器出口 而压入式通风时 出口动能损失在出风井口 两者数值上可能不等 但物理意义相同 图 4 4 2 三 通风机的个体特性曲线三 通风机的个体特性曲线 当风机以某一转速 在风阻 的管网上工作时 可测算出一组工作参数风压 当风机以某一转速 在风阻 的管网上工作时 可测算出一组工作参数风压 风量 功率 和效率风量 功率 和效率 这就是该风机在管网风阻为 时的工况点 这就是该风机在管网风阻为 时的工况点 改变管网的 风阻 便可得到另一组相应的工作参数 通过多次改变管网风阻 可得到一系列工况 参数 将这些参数对应描绘在以 为横坐标 以 和将这些参数对应描绘在以 为横坐标 以 和 为纵坐标的直角坐标系上 为纵坐标的直角坐标系上 并用光滑曲线分别把同名参数点连结起来 即得 并用光滑曲线分别把同名参数点连结起来 即得 和 和 曲线 这组曲线称为通风机在该转速条件下的个体特性曲线 曲线 这组曲线称为通风机在该转速条件下的个体特性曲线 有时为了使用方便 仅采用风机静压特性曲线 S 为了减少风机的出口动压损失 抽出式通风时主要通机的出口 均外接扩散器外接扩散器 通常把外接扩散器看作通风机的组成部分 总称之总称之 为通风机装置 通风机装置的全压 为通风机装置 通风机装置的全压 t t为扩散器出口与风机入口风流 的全压之差 与风机的全压 t之关系为 4 4 14 式中 hd 扩散器阻力 通风机装置静压 通风机装置静压 sd sd因扩散器的结构形式和规格不同而有变化 严格地说 4 4 15 式中 hVd 扩散器出口动压 比较式 4 10 与式 4 15 可见 只有当 hd hVd s 即通 风机装置阻力与其出口动能损失之和小于通风机出口动能损失时 通风机装置的静压 才会因加扩散器而有所提高 即扩散器起到回收动能的作用 图 4 4 3 表示了 t td s和 sd之间的相互关系 由图可见 安装了设计 合理的扩散器之后 虽然增加了扩散器阻力 使 td 曲线低于 t 曲线 但由 于 hd hVdhV 则说明了扩散器设计不合理 图图 4 4 34 4 3 t t td td s s和 和 sd sd之间的相互关系图 之间的相互关系图 安装扩散器后回收的动压相对于风机全压来说很小 所以通常并不把通风机特性 和通风机装置特性严加区别 通风机厂提供的特性曲线往往是根据模型试验资料换算绘制的 一般是未考虑外 接扩散器 而且有的厂方提供全压特性曲线 有的提供静压特性曲线 读者应能根据 具体条件掌握它们的换算关系 图 4 4 4 和图 4 4 5 分别为轴流式和离心式通风机的个体特性曲线示例 轴流式通风机的风压特性曲线一般都有马鞍形驼峰存在轴流式通风机的风压特性曲线一般都有马鞍形驼峰存在 而且同一台通风机的驼峰区 随叶片装置角度的增大而增大 驼峰点 以右的特性曲线为单调下降区段 是稳定工 作段 点 以左是不稳定工作段 风机在该段工作 有时会引起风机风量 风压和电 动机功率的急剧波动 甚至机体发生震动 发出不正常噪音 产生所谓喘振 或飞动 现象 严重时会破坏风机 离心式通风机风压曲线驼峰不明显离心式通风机风压曲线驼峰不明显 且随叶片后倾角度增 大逐渐减小 其风压曲线工作段较轴流式通风机平缓 当管网风阻作相同量的变化时 其风量变化比轴流式通风机要大 离心式通风机的轴功率 又随 增加而增大 只有在接近风流短路时功率才略有 下降 因而 为了保证安全启动 避免因启动负荷过大而烧坏电机 离心式通风机在 启动时应将风硐中的闸门全闭闸门全闭 待其达到正常转速后再将闸门逐渐打开 当供风量超 过需风量过大时 常常利用闸门加阻来减少工作风量 以节省电能 轴流式通风机的叶片装置角不太大时 在稳定工作段内 功率 N 随 Q 增加而减小 所以轴流式通风机应在风阻最小时启动风阻最小时启动 以减少启动负荷 图图 5 4 45 4 4 轴流式个体特性曲线轴流式个体特性曲线 图图 5 4 55 4 5 离心式通风机个体特性曲线离心式通风机个体特性曲线 在产品样本中 大 中型矿井轴流式通风机给出的大多是静压特性曲线 而离心 式通风机大多是全压特性曲线 对于叶片安装角度可调的轴流式通风机的特性曲线 通常以图 4 7 2 的形式给 出 曲线只画出最大风压点右边单调下降部分 且把不同安装角度的特性曲线 画在同一坐标上 效率曲线是以等效率曲线的形式给出 四 无因次系数与类型特性曲线四 无因次系数与类型特性曲线 目前风机种类较多 同一系列的产品有许多不同的叶轮直径 同一直径的产品又 有不同的转速 如果仅仅用个体特性曲线表示各种通风机性能 就显得过于复杂 还 有 在设计大型风机时 首先必须进行模型实验 那么模型和实物之间应保持什么关那么模型和实物之间应保持什么关 系 如何把模型的性能参数换算成实物的性能参数 系 如何把模型的性能参数换算成实物的性能参数 这些问题都要进行讨论 一 一 无因次系数无因次系数 通风机的相似条件通风机的相似条件 两个通风机相似是指气体在风机内流动过程相似 或者说它们之间在任一对应点 的同名物理量之比保持常数 这些常数叫相似常数或比例系数 同一系列风机在相应 工况点的流动是彼此相似的 几何相似是风机相似的必要条件 动力相似则是相似风几何相似是风机相似的必要条件 动力相似则是相似风 机的充要条件机的充要条件 满足动力相似的条件是雷诺数 e 和欧拉数 Eu 分别 相等 同系列风机在相似的工况点符合动力相似的充要条件 2 2 无因次系数 无因次系数 无因次系数主要有 1 1 压力系数 压力系数 同系列风机在相似工况点的全压和静压系数均为一常数 可 用下式表示 4 4 16 或 4 4 17 式中 和叫全压系数和静压系数 为压力系数 u 为圆周速度 2 2 流量系数 流量系数 由几何相似和运动相似可以推得 4 4 18 式中 D u 分别表示两台相似风机的叶论外缘直径 圆周速度 同系列风机 的流量系数相等 3 3 功率系数 功率系数 风机轴功率计算公式中的 H 和 Q 分别用式 4 4 17 和式 4 4 18 代入得 4 4 19 同系列风机在相似工况点的效率相等 功率系数为常数 三个参数都不含有因次 因此叫无因次系数 二 类型特性曲线 二 类型特性曲线 和 可用相似风机的模型试验获得 根据风机模型的几何尺寸 实 验条件及实验时所得的工况参数 Q H N 和 利用式 4 4 17 4 4 18 和 4 4 19 计 算出该系列风机的 和 然后以为横坐标 以 和 为纵坐标 绘出 和 曲线 此曲线即为该系列风机的类型特性曲线 亦叫通风亦叫通风 机的无因次特性曲线和抽象特性曲线机的无因次特性曲线和抽象特性曲线 图 4 4 6 和力图 4 4 7 分别为 4 72 11 和 G4 73 11 型离心式通风机的类型曲线 2K60 型类型风机的类型曲线如图 4 7 2 a b 所示 可根据类型曲线和风机直径 转速换算得到个体特性曲线 需要指出的是 对 于同一系列风机 当几何尺寸 D 相差较大时 在加工和制造过程中很难保证流道表 面相对粗糙度 叶片厚度以及机壳间隙等参数完全相似 为了避免因尺寸相差较大而 造成误差 所以有些风机 4 72 11 系列 的类型曲线有多条 可按不同直径尺寸而选 用 图 4 4 6 图 4 4 7 五 比例定律与通用特性曲线五 比例定律与通用特性曲线 1 1 比例定律 比例定律 由式 4 4 17 4 4 18 和 4 4 19 可见 同类型风机在相似工况点的无因次系数 和 是相等的 它们的压力 H 流量 Q 和功率 N 与其转速 n 尺寸 D 和空气密 度 成一定比例关系 这种比例关系叫比例定律 将转速 u Dn 60 代入式 4 4 17 4 4 18 和 4 4 19 得 对于 1 2 两个相似风机而言 所以其压力 风量 和功率之间关系为 4 4 20 4 4 21 4 4 22 各种情况下相似风机的换算公式如表 4 4 1 所示 由比例定律知 同类型同直径风机的转速变化时 其相似工况点在等风阻曲线上 变化 表 4 4 1 两台相似风机 H Q 和 N 的换算 压力 换算 风量 换算 功率 换算 效率换算 1 2 例题例题