第三节 通风机结构 ? 三、离心式与轴流式通风机的比较 ? 5 ．适合使用的范围 ? （ 1 ） 离心式风机适应于流量小、风压大、转速较低的情况，轴 流式风机则相反 。通常当风压在（ 3 ～ 3.2 ） kPa 以下时，应尽量 选用轴流式通风机。 ? （ 2 ）由于轴流式风机的特性曲线有效部分陡斜，适用于矿井阻 力变化大而风量变化不大的矿井；而离心式风机的特性曲线较 平缓，适用风量变化大而矿井阻力变化不大的矿井。 ? （ 3 ）通常来说， 大、中型矿井的通风应采用轴流式通风机 ； ? （ 4 ）中、小型矿井应采用叶片前弯式叶轮的离心式风机，因为 这种风机的风压大，但效率低； ? （ 5 ）对于特大型矿井，应选用大型的叶片后弯式叶轮的离心式 风机，主要因为这种风机的效率高。 第四节 通风机网路工况 ? 一、通风网路特性 ? 气流在流过网路时，网路流量与所需风压的关系就是 通风网路阻力特性，简称网路特性。通风机在网路上 的工作可用图 13-14 示意。设风机全压为 H ，列截面 0-0 和 3-3 间有能量输入的伯努利方程式。 ? p 0 + ρ v 0 2 / 2 + H ＝ p 3 + ρ v 3 2 / 2 + Δ p ? Δ p －整个网路的流动损失， Pa ； ? 因为 p 0 ＝ p 3 ＝ p a （大气压）， v 0 ≈ 0 ，所以上式可写为： ? H ＝ ρ v 3 2 / 2 + Δ p ? 上式表明，风机全压 H 中，一部分用来克服流动损失 Δ p ，即静 压；另一部分用来增加空气动能 ρ v 3 2 / 2 。 第四节 通风机网路工况 ? 一、通风网路特性 ? H ＝ ρ v 3 2 / 2 + Δ p （ 13-13 ） ? 网路出口空气动能 ρ v 3 2 / 2 是无用的，所以风机提供给 网路有效能量的大小为网路静压 H st 。 ? 阻力损失 ： Δ p ＝ H st ＝ RQ 2 （ 13-14 ） ? R －通风网路阻力系数，网路一定时， R 为常数 。 ? 设网路的出口截面积为 F ，将式（ 13-14 ）代入式（ 13- 13 ）并整理可得： ? H ＝ b Q 2 （ 13-15 ） ? b －比例系数， b ＝ R + ρ / ( 2 F 2 ) 式（ 13-14 ） 和（ 13-15 ） 分 别为通风机网路静压特性方程 和全压特性方程。以流量为横 坐标，风压为纵坐标，将特性 方程绘制成曲线，此曲线就称 为通风网路特性曲线 ），其中曲线和分别为静 压和全压特性曲线，它们都是 通过坐标原点的二次抛物线。 对于具体网路，当其参数确定 时，它的网路特性曲线也是确 定的。由曲线能够准确的看出，随着 通风量的变化，所需的风压也 随之变化。 图 13-15 通风网路特性曲线 第四节 通风机网路工况 ? 二、工况和工业利用区 ? 1 ．工况 ? 风机装置的风压特性曲线与通 风网路特性曲线在同一坐标图 上的交点称为工况点，与工况 点相对应的各参数称为工况参 数。在确定工况时，若风机装 置为全压特性时，网路特性也 应为全压特性；若风机装置为 静压特性时，网路特性也应为 静压特性，但无论用全压特性 还是用静压特性，两工况点的 流量是相等的（图 13-16 ）。 图 13-16 工况点的确定 第四节 通风机网路工况 ? 二、工况和工业利用区 ? 2 ．工业利用区 ? 对于轴流式风机而言，由于 其特性曲线 中 AM 区域，此区域 为不稳定区域，为了能够更好的保证风 机稳定工作，应使风机运转 工况点落在点以右的区域， 考虑到电压变化使风机转速 下降，因此限定轴流式风机 工业利用区工况静压不得超 过最高静压的 90 ％。 （ a ）轴流式通风机 （ b ）离心式通风机 图 13-17 通风机的工业利用区 第十三章 矿井通风设备 ? 第一节 概 述 ? 一、矿井通风设备的作用 ? 矿井通风设备包括 通风机组 、 电气设备 、 通风网路 及 辅助装置 。 ? 在煤矿井下开采时，不但煤层中所含的有毒气体（如 CH4 、 CO 、 H 2 S 、 CO2 等）会大量涌出，而且伴随着采煤过程还会产生大量易 燃、易爆的煤尘；同时，由于地热和机电设施散发的热量，使井 下空气温度和湿度也随之增高。这些有毒的气体、过高的温度以 及会造成爆炸的煤尘和瓦斯，不但极度影响井下工作人员的身 体健康，而且对矿井安全也产生很大威胁。 ? 矿井通风设备的作用 是 向井下输送新鲜空气，供人员呼吸，并使 有害化学气体的浓度降低到对人体和安全无害的程度 ；同时， 调节温 度和湿度，改善井下工作环境，保证煤矿生产安全 。 第一节 概 述 ? 二、矿井通风方式和通风系统 ? 通风方式 分为 抽出式 和 压入式 两种。目前煤矿常采用抽出式。 图 13-1 矿井通风方式示意图 （ a ）抽出式；（ b ）压入式 1- 风井； 2- 井底车场； 3- 石门； 4- 运输平巷； 5- 回采工作面； 6- 回风巷； 7- 出风井； 8- 风硐； 9- 通风机； 10- 风门 第一节 概 述 ? 二、矿井通风方式和通风系统 ? 连接在一起的所有通风巷道及通风机构成了矿井通风系统。按通风机 和巷道布置方式的不同，有三种通风系统，如图 13-2 所示 ： 图 13-2 矿井通风系统示意图 （ a ）中央并列式；（ b ）对角式；（ c ）中央边界 式 第一节 概 述 ? 二、矿井通风方式和通风系统 ? （ 1 ）图 13-2a 为中央并列式通风系统。其特点是进风井 和出风井均在通风系统中部，一般布置在同一工业广 场内。 ? （ 2 ）图 13-2b 为对角式通风系统。它是利用中央主要井 筒作为进风井，在井田两翼各开一个出风井进行抽出 式通风的通风系统。 ? （ 3 ）图 13-2c 为中央边界式通风系统。它是利用中央主 要井筒作为进风井，在井田边界开一个出风井进行抽 出式通风的通风系统。 第一节 概 述 ? 三、矿井通风机的分类 ? （ 1 ）根据通风机的用途不同，可分为 主要通风机 和 局 部通风机 。主要通风机是负责全矿井或某一区域通风 任务的风机，局部通风机是负责掘进工作面或加强采 煤工作面通风用的风机。 ? （ 2 ）根据气体在风机叶轮内部的流动方向不同，可分 为 离心式通风机、轴流式通风机和混流式 。离心式通 风机是气体沿轴向流入叶轮，在叶轮内转为径向流出 ；轴流式通风机是气体沿轴向进入叶轮，经叶轮后仍 沿轴向流出。 第二节 矿井通风机工作理论 ? 一、通风机的工作原理 图 13-3 离心式通风机示意图 1- 叶轮； 2- 轴； 3 －进风口； 4- 机壳； 5- 前导器； 6 －扩散器 图 13-4 叶轮结构示意图 1- 前盘； 2- 叶片； 3- 后盘 第二节 矿井通风机工作理论 ? 一、通风机的工作原理 图 13-5 轴流式通风机示意图 1- 集流器； 2- 前导叶； 3- 第一级叶轮； 4- 中导叶； 5- 第二级叶轮； 6- 后导叶； 7- 扩散器； 8- 主轴； 9- 疏流器； 10- 外壳 第二节 矿井通风机工作理论 ? 二、通风机的特性参数 ? 1 ．风压 ? 风压表征介质通过风机所获得的能量大小，单位为 Pa 。风机风压又可分为全压（ H ）、静压（ H st ）和动压 （ H d ），分别指单位体积气体从风机获得的全部能量 、势能和动能。三者的关系为： H ＝ H st +H d 。 ? 2 ．风量 ? 风量指单位时间内通风机输送气体的体积，一般用 Q 表示（单位为 m3/s ）。 第二节 矿井通风机工作理论 ? 二、通风机的特性参数 ? 3 ．功率（分有效功率和轴功率 ） ? （ 1 ）有效功率 ： N e ＝ Q H/1000 （ kW ） ? （ 2 ）轴功率 ? 指原动机输入的功率，用 N 表示 ? 4 ．效率 ? 有效功率 N e 与轴功率 N 之比，分为全压效率 η 和静压效 率 η st 。 ? （ 1 ） η ＝ N e / N ＝ Q H / (1000N) ? （ 2 ） η st ＝ Q H st / (1000N) 第二节 矿井通风机工作理论 ? 三、离心式通风机的工作理论 ? （ 1 ）离心式通风机的理论全压 H T ? H T ＝ ρ ( u 2 c 2 u － u 1 c 1 u ) ? 当叶轮前无前导器时，其进口绝对速度 c 1 为径向 ，故 c 1 u ＝ 0 。此时，离心式通风机的理论风压方程 式变为： H T ＝ ρ u 2 c 2 u 。 ? 为了通过调节气流在叶片入口处的切向速度 c 1 u 来 调节风机特性，可在叶轮入口前装前导器（图 13-3 ），用以调节切向速度 c 1 u 。 第二节 矿井通风机工作理论 ? 三、离心式通风机的工作理论 ? 离心式通风机的叶轮也有 前弯叶片 、 径向叶片 和 后弯叶 片 三种型式 。其特性同离心式水泵叶轮三种相应型式一样 ，即前弯叶片的叶轮，在尺寸和转速相同的条件下所产生 的理论风压最高，但流动损失最大，效率最低；而 后弯叶 片的叶轮，虽产生的理论风压最低，但效率最高 ；径向叶 片的叶轮产生的理论风压和效率都居中。 由于矿井通风设 备是长时间连续运转的大功率机电设施，为减少通风电 耗，大多数矿用离心式通风机都采用后弯叶片的叶轮。 ? 同推导水泵的理论扬程与理论流量关系式的方法一样， 由课本式（ 12-7 ）可得离心式通风机理论全压与理论流量 的关系式为 2 2 T 2 2 T 2 2 cot D H u u Q b ? ? ? ? ? ? 第二节 矿井通风机工作理论 ? 三、离心式通风机的工作理论 ? 离心式通风机的实际特性曲线 ），包括全 压 H 曲线、轴功率 N 曲线和效率 η 曲线 离心式通风机的实际特性曲线 第二节 矿井通风机工作理论 ? 四、轴流式通风机的工作理论 ? 1 ．轴流式通风机的基本理论方程 ? 图 13-7 为轴流式通风机叶轮示意图。气流在叶轮中的运 动是一个复杂的空间运动，为分析简便，采用 圆柱层 无关性假设 ，即当叶轮在机壳内以一定的角速度旋转 时，气流沿叶轮轴线为中心的圆柱面作轴向流动，且各 相邻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，流体质点无径向速度。根据圆柱层 无关性假设，研究叶轮中气流的复杂运动就可简化为研 究圆柱面上的柱面流动，该柱面称为流面。 第二节 矿井通风机工作理论 ? 四、轴流式通风机的工作理论 ? 1 ．轴流式通风机的基本理论方程 ? 如图 13-7 所示，在半径处用两个无限接近的圆柱面截取 一个厚度为 Δ r 的基元环，并将圆环展开为平面。各叶 片被圆柱面截割，其截面在平面上组成了一系列相同叶 型并且等距排列的叶栅系列，称之为平面直列叶栅（或 基元叶栅），如图 13-8 所示。相邻叶栅的间距称为栅距 t ，叶片的弦线与叶栅出口边缘线的交角称为叶片安装角 θ （通常以叶片与轮毂交接处的安装角标志叶轮叶片的 安装角）。 第二节 矿井通风机工作理论 ? 四、轴流式通风机的工作理论 ? 1 ．轴流式通风机的基本理论方程 ? 气流在轴流式通风机叶轮圆柱流面上的流动是一个复合 运动，其绝对速度 c 等于相对速度 w 和圆周速度 u 的矢量 和；另外，绝对速度 c 也能分解为轴向速度 c a 和旋绕速 度 c u （假设径向速度为零），由此作出叶轮进、出口处 的速度三角形，如图 13-8 所示。 ? 由于气流沿着相同半径的流面流动，所以同一流面上的 圆周速度相等，即 u = u 1 = u 2 。另外，叶轮进、出口过流截 面面积相等，根据连续方程，在假设流体不可压缩的前 提下，流面进、出口轴向速度相等，即 c 1 a = c 2 a = c a 。 第二节 矿井通风机工作理论 ? 四、轴流式通风机的工作理论 ? 1 ．轴流式通风机的基本理论方程 ? （ 1 ）理论全压： ? H T ＝ ρ u ( c 2 u － c 1 u ） （ 13 － 8 ） ? 若风机前面未加前导器，气流在叶轮入口的绝对速度 c 1 是轴向的，即 c 1 u =0 ，则： H T ＝ ρ u c 2 u （ 13 － 9 ） ? 在设计时，通常使任一半径流面上的 u c 2 u 为一常数。为 此，可将叶片做成扭曲状，即叶片的安装角随半径的增 大而减少，这样做才能够满足不产生径向流动的要求，此时 ，任一基元叶栅的理论全压即为通风机叶轮的理论全压 ，即通风机叶轮理论全压方程式可用式 13-9 表示。 第二节 矿井通风机工作理论 ? 四、轴流式通风机的工作理论 ? 1 ．轴流式通风机的基本理论方程 ? （ 2 ）理论流量 Q T ? Q T ＝ π( D 2 － d 2 ) / 4 ＝ F 0 c av ， m 3 /s （ 13-10 ） ? F 0 －叶轮过流截面积， m 2 ； c av －平均轴向速度 , m/s 。 ? （ 3 ）轴流式通风机的理论全压特性 H T － Q T ? c 2 u = u － c a · cot β 2 ； H T ＝ ρ u ( u － c a cot β 2 ) ； ? H T ＝ ρ u ( u － cot β 2 /F 0 · Q T ) ? 上式即为轴流式通风机理论全压特性方程。当风机 尺寸、转速一定时，其理论全压特性曲线 中 H T － Q T 所示。 第二节 矿井通风机工作理论 ? 四、轴流式通风机的工作理论 ? 2 ．轴流式通风机的实际特性曲线 ? 与离心式通风机一样，轴流式通风机实际特性 曲线是通过实验测得的。在图 13-9 中，除全压 曲线和全压效率曲线外，还有静压曲线 H st － Q 和静压效率 η st － Q 曲线（轴流式风机通常提供 静压和静压效率曲线）。在风压特性曲线上有 一段风机压力和功率跌落的鞍形凹谷段。在这 一区段内，风机压力及功率变化剧烈，当风机 工况落在该区段内，将可能会产生不稳定的情况 ，机体振动，噪声增大，即产生喘振现象，甚 至损毁通风机，这是轴流式通风机的典型特点 ，因此，轴流式风机的有效工作范围是在额定 工作点（最高效率点）的右侧。 图 13-9 轴流式风

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