对旋式通风机性能试验分析

通风机设计制造性能的好坏通常是通过试验(即通风机的性能测试)来验证。 根据 GB/ T 1236-2000 规定， 对于在管道中使用的风机，试验方法可分为3种 ： B 型——自由进口和管道出口; C 型——管道进口和自由出口; D 型——管道进口和管道出口。 我国矿用通风机的工作方式可分为压入式和抽出式。 由于局扇在井下的工作方式大都为压入式，因此，此次试验采用的是 B 型试验装置，笔者分别测试了对旋式通风机一级叶轮、二级叶轮以及两级叶轮同时工作时的性能参数，然后又对得出的性能曲线进行了分析和比较。

2 性能试验的装置及测试方法

2.1 试验装置

对旋式通风机由 2 个叶轮组成，分别用2台等速和等功率的电机驱动。第一级叶轮顺时针方向旋转;第二级叶轮逆时针方向旋转。气流由集流器进入第一级叶轮，获得能量后，再经过第二级叶轮升压排出。

试验风机为VH404型，试验装置见图1。

2.2 测试原理

在管道中流动的流体，具有动压能和静压能，在一定条件下这两种能量可以互相转换，但参加转换的能量总和不变。用孔板测量流量时，流体流过孔板前后时产生压力差，且流过的流量越大，孔板前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定的对应关系，这就是孔板法的测试原理。

2.3 测试方法

测试方法：按图 1 进行风机性能测试设备的安装，试验时利用 U 型管测量孔板上、下游的静压。试验的各工况点由出口处的锥形调节器调节，由全开开始逐渐闭合，均匀调节若干个工况点，直至不稳定区域时停止。

测试的数据：转速、输入功率、出口压力、孔板上游压力、孔板压差、大气压力及进口环境温度。

功率的测试：由 DZFC-1 型电能综合分析测试仪来测量。

风机性能计算：依据 GB/T 1236-2000 。

3 测试数据的处理

采用matlab软件处理数据。利用相关的计算方法和公式编写计算处理程序和特性曲线绘制程序。输入原始数据后，便可直接得到各工作参数的计算结果和特性曲线图。图 2 是由程序得出的风机各级叶轮的全压与流量关系图(为了方便分析研究，将风机管网的性能曲线也画在了该图上)。

p1，p2和 p 为试验曲线 p12为计算曲线 p1 ——一级叶轮单独工作时的全压 p2 ——二级叶轮单独工作时的全压

p12 ——两级叶轮全压的叠加 p ——两级叶轮同时工作时的全压

图 2 风机各级叶轮的全压与流量关系图

4 测试结果分析

测试了风机的 3 种运转方式，即一级叶轮单独工作、二级叶轮单独工作和两级叶轮同时工作时的性能参数。由图 2 看出，在相同流量下(这里取流量 qv = 1.6 m3/s )，一级叶轮单独工作时产生的全压是 590Pa ，二级叶轮单独工作时产生的全压是 292Pa ，按照传统的计算方法(将两个叶轮的全压相加)，得到风机两个叶轮的计算全压之和为 882Pa (图中曲线 p12 )。但事实上，当两级叶轮同时工作时，该风机的全压可达到 2323Pa ，比计算值的 2 倍还要多。试验结果表明：对旋式风机叶轮单独工作时的风压如此之低，远低于两级叶轮同时工作时风压的一半，这与常规的两级轴流风机叶轮单独工作时的风压特性有着显著的差异。这是由于普通轴流风机的动叶下游有后导叶，气体轴向进入叶轮后，从叶轮流出的气体绝对速度尚有一定的旋转，但经过后导叶扩压整流后，使气体轴向流出。因此一台两级的普通轴流风机实际相当于两台单级风机的串联组合。而对旋风机无导叶，一旦一级叶轮停开，则运行的另一级叶轮就成为单叶轮风机了。对于单叶轮风机，叶轮进口无旋绕速度，但出口却有较大的旋绕，由于无后导叶，无法将偏转气流的动能转变为静压能。因此，动叶出口动压中的旋转部分未经导叶回收，就都损失了。下面由对旋式轴流风机的速度三角形来解释，为何单级叶轮运转和两级叶轮同时运转时的压力相差如此之大。

图 3 所示为两级叶轮同时工作时的速度三角形。图中 1-1 为第一级叶轮进口; 2-2 为第一级叶轮出口; 3-3 为第二级叶轮进口; 4-4 为第二级叶轮出口。当气流轴向进入第一级叶轮( cⅠ1 = c z )，在牵连速度 u 的共同作用下，气流以相对速度 wⅠ1 流入第一级叶轮，获得能量后，从叶轮流出的气体绝对速度尚有一定的旋转，并经第二级叶轮反转排出，此时，第二级叶轮兼具普通轴流式风机的中导叶功能，将流出叶轮的气流旋转运动扭转为轴向运动，同时又将部分动能转换为压力能。气流通过第二级叶轮时，不仅获得了圆周方向的速度分量 u ，而且还进一步增加了气流的能量，从而达到了比普通轴流式通风机高的效率和风压。由于两级叶轮分别用一台电机驱动，它们既互相独立，又互相联系，所以工作可靠。

如果只其中的一级叶轮运行，则相当于单独叶轮工作，此时的效率则很低。对于第一级叶轮单独工作时，当气体轴向进入第一级叶轮，从叶轮流出的气体绝对速度尚有一定的旋转，由于气流不能轴向流出，此时，第二级电机不带电，二级叶轮在前级气流的作用下形成反向转动，这不仅不能对气流做功，反而产生很大阻力，使第一级叶轮产生的全压降低。同样，后一级叶轮单独工作时，也存在类似的问题。气流首先经过不工作的第一级叶轮，并驱动其反转，从第一级叶轮流出的气体不是以设计工况的运动方向进入第二级叶轮，使得第二级叶轮进口气流阻力大大增加，流场恶化，从而使第二级叶轮性能很差。因此，与叶轮单独工作相比，两级叶轮同时工作的全压远大于两级叶轮单独工作之和。

目前存在着一种说法，即对旋式通风机在井下工作时，如果其中的一台电机损坏了，可以由另一台继续工作。但是，从试验数据看出，其中任何一级叶轮独立工作都不能满足井下的通风要求。为何单级叶轮工作不能满足井下通风需求，下面从管网的特性曲线分析其原因。由于通风机总是要与管网联合工作的，气体在通风机中获得外功时，其全压 p 与流量 qv 之间的关系是按通风机的性能曲线变化的。而当气体通过管网时，其p-qv 关系又要遵循管网的性能曲线，因此，整个装置(包括通风机和管网)只能在通风机压力曲线p-qv 与管网性能曲线的交点 A1(工况点)上运行。设两级叶轮正常工作时的工况点为图 2 的 A1 点( q v =2.3m3/s 、 p =1431Pa )，送风管道特性曲线为 R1，此时，B1 、B2 分别为一级、二级叶轮单独工作时的工况点，所对应的流量值分别为 1.5m3/s、1.33m3/s 。显然， 单级叶轮工作时不能满足井下的通风要求。此时若将风门关小，通风机的压力p2 除了克服管网阻力p2′以外，还要克服阀门中的压力损失Δp2 即 p2 = p2′+ Δp2 ，增加了管网阻力。管网性能曲线变为R2 ，两级叶轮同时工作，工况点移至 A2 ，其流量、压力分别为 qv2 = 2.0m3/s 、 p2 =1910Pa 。此时，在此管网阻力下，叶轮单独工作时，风机的性能进入不稳定区，根本无法工作。由此可见，管网阻力曲线越平缓，两叶轮同时工作的流量也就越大;反之，管网阻力曲线越陡，两叶轮同时工作的流量就越小;所以，单独叶轮则无法工作。

5  结论

(1)对旋式轴流通风机的每一级叶轮单独工作时产生的风压之和都远低于两级叶轮同时工作时风压的一半。

(2)在井下工作时，如果其中的一台电机损坏，理论上另一台可以继续工作，但结合管网的性能曲线分析得知，其中任何一级叶轮独立工作，其风量都远小于两叶轮正常工作时的风量，而且有无法工作的可能。因此，也就不能满足井下的通风要求。

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