矿井局部通风机空气动力性能的对比分析.pdf

FL UI D MACHI NERY Vo 1 ．3 9， No ． 2， 2 01 1 文章编 号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 1 0 2 0 0 4 4 0 3 矿井局部通风机空气动力性能的对比分析 潘地林 ， 陈燎原 安徽理工大学 ， 安徽淮 南2 3 2 0 0 1 摘要 详细对比分析了矿井局部通风中常用的两级轴流通风机和对旋轴流风机的理论压力参数和动力特性， 根据他 们各自的优缺点 ， 提出了正确选择使用矿井局部通风设备的基本原则。 关键词 轴流式通风机； 对旋式通风机； 风压特性； 叶轮 中图分 类号 T D 4 4 1 文献标 识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 1 ． 0 2 ． 0 1 0 An a l y s i s o f Ae r o dy n a m i c s Pe rfo r m a nc e s o f Lo c a l Fa n s f o r M i n i n g P AN Di l i n， CHEN L i a o y u a n A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Abs t r a c tAe r o dy n a mi c s p e r f o r ma nc e s o f a x i a l f a n s a nd c on t r a r o t a t i n g a x i a l f a n s wh i c h a l e c o mmo n l y u s e d f o r mi ni n g l o c a l v e n t i l a t i o n w e r e a n a l y z e d a n d c o mp a r e d t h e o r e t i c a l l y i n d e t a i l ． A c c o r d i n g t o t h e i r o w n c h a r a c t e ri s t i c s ， t h e p ri n c i p l e o f c h o o s i n g rig h t f a n for mi n e l o c al v e n t i l a t i o n wa s p ut for wa r d ． Ke y wor dsa x i a l fan； c o n t r a r o t a t i n g a x i al f a n； a i r pr e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c s ； r o t o r 1 前言 矿井局部通风机是煤矿采掘中不可缺少的通 风安全设备 ， 其性能特性 的优劣直接与煤矿生产 安全 紧密相关 。2 0世纪 8 0年代 以前 ， 我国矿井 局部通风主要使用的是 J B T系列轴流式局部通风 机。从 2 0世纪 8 0年代 中期开始 ， 有关高校 、 科研 单位和通风机制造厂家借鉴国外技术和风机产品 相继设计开发 了子午加速 、 斜流式和对旋式等新 型矿井局部通风机。子午加速和斜流式通风机尽 管压力系数较高 ， 但 由于其压力特性曲线相对平 缓 ， 不能满足矿井局部通风阻力变化范围大的要 求， 现在已很少使用。随着煤炭采掘技术进步和 大型矿井的不断涌现 ， 近年来对旋式通风机被广 泛推广应用于煤矿井 下的长距离局部通 风。然 而 ， 关于对旋式通风机性能优劣的争论 ， 这些年却 一 直没有停止过 “ 。 目前 ， 我 国矿井局部通风 使用最 多 的是 2级 带后 导 叶 的普 通 轴流 风 机 2 K 和对旋式通风机 2 R 。本文试图从理论上 对这两种风机的压力特性进行对 比分析研究 ， 探 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 0 9 讨正确选择使用矿井局部通风设备的基本原则 。 2 设计工况点理论压力参数 一 级带后导叶的轴流通风机基元级速度三角 形如图 1 所示。 图 1 一级带后导叶的轴流通风机基元级速度三角形 根据欧拉方程 ， 气流流经动叶所获得的理论 全压为 2 0 1 1 年第 3 9卷第 2期 流体机械 4 5 P l p u c p u 1 一％ ．c o t f l l 2 1 气流流经动叶所获得的理论静压为 P 。 一 p u c 一 _p △ c 2 2 由图 1 可知， 气流流经动叶轮后 ， 绝对速度矢 量C 的旋绕动能 c ， 经过静导叶的整流扩 压 ， 又转变成静压能被回收。所 以， 风机一级 的理 论静压升应该为 1 P p s 1 p A c p u A c 3 2 K轴流风机的两级叶轮工作方式完全相同 ， 实质上就是两个单级风机的串联工作 。因此 2 K 风机的理论全压升和理论静压升都是单级风机 的 2倍 ， 理论反作用度等于 力1 。 对旋通风机基元级速度三角形如图 2所示 。 其 I 级叶轮的工作方式和普通 轴流风机相 同， 气 流流经 I 级动叶所获得的理论全压升为 P l p u 3 c 1 p u 。 1 一 c o l 2 4 轮 l l 【， I l 图2 对旋通风机的基元级速度三角形 气流流经 I 级动叶所获得的理论静压升为 P ， 一 p u c 一 寺 _p △ c 5 显然 ， 由于没有后导叶， 对旋风机 I 级叶轮 的 反作用度 1 。这表 明， 对旋风机 的 I I 级 叶轮 除了承担给气 流增加能量的功能外 ， 还承担了静导 叶回收动能 的功能。 对旋风机在设计工况点工作时 ， 一般有 △ c z a c A C ， 故风机的全压升为 P 1 p 2 2 p c ， 静压升为 P P e p ic ， 总反作用 度 也等 于 1 。 从以上分析可以看出， 2 K轴流风机与 2 R对 旋风机的理论压力特性参数在设计工况点处是没 有差别的。需要指 出的是 ， 文献 [ 2 ， 3] 在分析 风 机理论静压升时 ， 没有把静 导叶回收动压所产生 的静压升计算在 内， 所得 出的 2 R对旋 风机的反 作用度大于 2 K轴流风机的反作用度的结论是不 正确 的 。 3 理论压力特性曲线 前面讨论了设计工况点处通风机的压力性能 参数 ， 下面分析风机偏离设计工况时的压力性能 特性 。为了分 析对 比的方便 ， 可 以把式 1 与式 4 写为 以下形式 p p 必 c p u “ 1 一 詈 c 。 1 一 警 Q 8 式中 ． c 气流轴向速度分量 ， C C Q ／ F Q 风机流量 F 叶轮通流断面积 由图2可知 ， 因为 C 2 1 2 1 c c o t a l 2 ， 且 有 u C z c o ， 因此可以把对旋风机的 I I 级叶轮全压方 程式 6 改写为 J P2 pu Ac 2 pu t 2 1 C O S O f 2 1 p u c ； c o t a l 2 一 c 。 c 0 2 2 M 把关系式 。 。 t 代入上式得 P 2 1 一 Q 1一 Q P l 1 一 Q 9 ， 由于 2 K轴流式通风机的两级叶轮工作方式 相同， 其全压特性方程为 p 2 p 1 一 Q 1 0 而 2 R对旋式通风机的全压特性方程则为 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ．3 9， No ． 2， 2 01 1 p p 1 p 2 2 p l p u 2 1一 Q 1 1 对 比式 1 O 、 1 1 可知， 2 K轴流风机在偏离 设计工况工作时 ， 理论上两个动叶轮的所产生的 全压仍然是相 同的； 而 2 R对旋风机 只有在设计 工况点工作时 Qu F ／ c o t l3 ， I 级和 I I 级 叶轮 的全压相等。当 Q小于设计风量时 ， I I 级叶轮产 生的全压要大于 I 级 叶轮所产生 的全压 ； 当 Q大 于设计风量 时， I I 级叶轮产生的全压要小于 I 级 叶轮所产生的全压。这样就使得对旋风机的整体 压力特性曲线更加 陡峭 ， 有利于满足矿井局部通 风所需要的深度调节性能。 取设计风量 Q6 m ／ s ， ed , 风 压， P4 6 0 0 P a 分别按式 1 0 、 1 1 绘 制出 2 K轴流风机 和 2 R 对旋风机的理论全压特性如图 3所示。可 以看 出， 对旋风机的理论全压特性 曲线更加陡峭。当 管网通风阻力增加 5 0 ％时， 轴流风机的输 出风量 减少了约 8 ％ ， 而对旋风机 的输 出风量 只减少 了 约 5 ％ 。 50 O O 图 3通风机理论全压特性 曲线与管网阻力特性曲线 另外 ， 对旋风机的实 际压力曲线 的驼峰区相 对较小 ， 特性曲线几乎没有断裂段 ， 工业利用区就 相对大些 ， 这也有利于矿井局部通风管网阻力变 化大的实际需求 。现代煤矿掘进巷道长 ， 通风 阻力变化幅度大 ， 才使得对旋风机在矿井局部通 风 中得到广泛应用 。 4 对旋式风机的缺点 尽管对旋式通风机具有压力 曲线 陡峭 、 工业 利用区较宽阔的优点， 但其技术上也存在如下的 缺点也 。 首先其效率不 比普通轴流风机高。对旋式风 机的 I 级叶轮的实际工作状态和普通轴流式风机 相似 ， 没有后导叶 ， 使得其效率不可能超过带后导 叶的轴流风机 I 级叶轮。仔细分析对旋式风机的 I I 级叶轮的速度 三角形 图 2 ， 不难看出它的 I I 级叶轮实际工作状态和带前导流器的普通轴流风 机叶轮相似 。实践证 明， 尽管带前导流器的叶轮 级具有较高 的压力 系数 ， 反应度 力1 ， 但 由于前 导流器恶化 了叶轮入 口气流的速度场和压力场 ， 而且增加了叶轮平均相对速度 的数值 ， 导致 通风机损失增加 ， 效率 降低 ’ 。 J 。现在一般 已很 少采用这种叶轮级的形式。因此可以断定 ， 2 R对 旋式通风机的整体效率不可能 比 2 K轴流式通风 机高。文献 [ 2 ， 7 ] 给出的实际测试结果也都肯定 了这一论点。应该指出的是 ， 我 国有些风机生产 厂家在产品宣传上有些是夸大其词的。 其次 ， 2 R对旋风机在偏离设计工况工作时 ， 两个动叶轮 的负荷差别很大。当通风阻力增大， 对旋风机在小风量 区域工作 时， I I 级叶轮的工作 负荷急剧增大 ， 很容易发生 I I 级 电机由于过负荷 而烧毁的现象 ’ m J 。文献 [ 8 ] 详 细分析 了造成对 旋风机 I I 级电机容易烧毁 的原 因。例如 ， 一台设 计风量为 6 m ／ s 的对旋风机 ， I I 级动叶可调 ， 叶片 安装角在 2 0～3 5 。 范围 内变化 ， 两级叶轮最大功 率 比为 1 ． 0 7～1 ． 6 8 ， 变化幅度很大。按 I 级叶轮 的最大负荷只需配 1 8 k W 电机 ， 而按 I I 级叶轮则 需配置 3 0 k W 电机。如果按设计工况点参数配置 两台相同的电机 ， 就很难避免 I I 级 电机过负荷 的 现象 。而 2 K轴 流风机在偏 离设 计工况工作时 ， 两个动叶轮的负荷仍然是基本相同的。一般不会 发生 I I 级叶轮过负荷的现象 。 对旋风机 的另外一个突 出的缺陷就是 噪声 大。尽管对旋风机从理论上讲没有后导叶 ， 结构 相对简单， 但实际上， 由于对旋风机必须使用两台 电机单独驱动 ， 其机械结构 和电控装 置都变得相 对更复杂。对旋 风机 的两个 叶轮 近距 离反 向旋 转 ， 恶化了风机的噪声特性 ， 因此它的空气动力噪 声 比一般的轴流风机更高 ， 未经消声处理的对旋 风机 A声级噪声最高可达 1 2 0 d B A 1． 4 J 。 为了克服对旋风机噪声大的缺 陷， 矿井局部 对旋风机都采用外包复式与风机为一体的整机消 声结构， 致使风机体积庞大， 重量倍增 ， 制造 和应 用成本大大增加。即使如此对旋局部通风机的 A 声级噪声尚难达到国家煤矿安全规程标准。 下转第 5 7页 2 0 1 1年第 3 9卷第 2期 流体机械 5 7 高发生器 ， 冷凝器和氨水溶液热交换器等设备 的 换热能力 ， 对于提高系统 的能量利用率 和制冷效 率具有重要意义 ； 3 合理 的振 动 可实现换 热 设备性 能 的强 化 ， 但是系统的整体性能提升有限 ， 恶劣的振动将 导致制冰机组的性能急剧降低 ， 此外振动对系统 的强度和可靠性方面带来不利 因素 ， 因此需合理 的增加减震装置 ， 维持机组较高的性能， 保持系统 安全 、 稳定运行。 参考文献 慰迟斌． 实用制冷与空调工程手册[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 杨思文． 氨水吸收式制冷机的基础理论和设计 [ J ] ． 流体工程 ， 1 9 9 1 1 5 3 - 5 8 ． 邓文字． G A X循环的模拟与特性研究[ D] ． 北京 北 京化工大学 ， 2 0 0 6 ． 赵宗昌， 张晓冬． 低温余热驱动的氨吸收／ 压缩联合 制冷循环 的热力性能分析 [ J ] ． 化工进展， 2 0 0 9 ， V2 8， s up p l 4 59- 46 2． 刘猛， 张娜， 蔡睿贤． 氨吸收式 串联型制冷／ 动力复 合循环[ A] ． 中国工程热物理学会热力学与能源利 用学术会议论文集[ c ] ． 2 0 0 4 5 2 0 - 5 2 9 ． [ 6 ] 孙道青． 双级氨水吸收制冷系统的模拟优化与改造 研究[ D] ． 大连 大连理工大学， 2 0 0 8 ． [ 7 ] 董景明， 黄党和 ， 谷杰然， 等． 吸附式制冷在船舶空 调中应用的可行性研究[ J ] ． 船舶工程， 2 0 0 8 ， 3 0 ， 1 1 9- 2 2． [ 8 ] 王丽伟 ， 吴静怡 ， 王如竹， 等． 渔船用吸附式制冰系 统的模拟仿真以及试验 [ J ] ． 制冷学报， 2 0 0 3 3 42 4 4． [ 9 ] 许圣华． 烟气物性的直接计算方法[ J ] ． 苏州丝绸工 学 院学报 ， 1 9 9 9 ， 1 9 3 3 2 - 3 6 ． [ 1 0 ] 张晋彪． 利用柴油机余热吸收式制冷系统的研究 [ D] ． 大连． 大连海事大学 ， 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