變頻軸流式風(fēng)機(jī)風(fēng)量-效率關(guān)系研究

徐 杰

（山西潞安化工集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036700）

為了使礦井主要通風(fēng)機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，本文搭建了煤礦主要通風(fēng)機(jī)比例模型，并進(jìn)行了風(fēng)機(jī)特性研究實(shí)驗(yàn)，研究軸流式通風(fēng)機(jī)在不同頻率下的效率并選出軸流式風(fēng)機(jī)最優(yōu)效率，為現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 主要通風(fēng)機(jī)特性曲線理論研究

1.1 基本性能參數(shù)

（1）主要通風(fēng)機(jī)的流量

主要通風(fēng)機(jī)的流量是指在一段時(shí)間里經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)入口處的空氣體積[1-3]。測(cè)流量最常見(jiàn)的方法是風(fēng)速法。風(fēng)速法的內(nèi)涵是由測(cè)試位置的平均風(fēng)速與斷面積相乘求得，如公式（1）：

Q=VS（1）

式中：S為測(cè)試位置斷面積，m2；V為位于測(cè)試位置的平均風(fēng)速，m/s。

（2）主要通風(fēng)機(jī)的裝置靜壓與全壓

主要通風(fēng)機(jī)全壓Ht的含義為主要通風(fēng)機(jī)克服通風(fēng)阻力與出口動(dòng)能損失，通風(fēng)機(jī)的靜壓Hs的含義為克服管網(wǎng)阻力的風(fēng)壓，如公式（2）：

式中：cosφ為功率因數(shù)；η1為電動(dòng)機(jī)效率；η2為傳動(dòng)效率。

（5）主要通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)機(jī)軸轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)數(shù)，通常用n表示，單位為r/min。

1.2 礦井軸流式主通風(fēng)機(jī)的特性曲線

通過(guò)風(fēng)壓、風(fēng)量等參數(shù)的變化，可以得到主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性。主要通風(fēng)機(jī)的性能曲線變化規(guī)律趨勢(shì)可分別用曲線表示出來(lái)，即H-Q、N-Q、和η-Q曲線。三條主要通風(fēng)機(jī)的性能曲線如圖1～圖3 所示，本文主要研究?jī)?nèi)容為η-Q曲線。

圖1 H-Q 曲線

圖2 N-Q 曲線

圖3 η-Q 曲線

（1）風(fēng)壓特性曲線

風(fēng)壓特性曲線存在一個(gè)“駝峰”區(qū)，比較陡峭，由圖1可知。當(dāng)風(fēng)量變化較小的時(shí)候，風(fēng)壓較為敏感，變化較大[4]。

（2）輸入功率曲線

軸流式通風(fēng)機(jī)最高點(diǎn)右下側(cè)的功率隨著風(fēng)量的增加而減小，目的是為了避免因啟動(dòng)時(shí)電流過(guò)大而致使電機(jī)超載。在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，閘門應(yīng)當(dāng)保證打開(kāi)和半打開(kāi)的狀態(tài)，直至風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，將閘門調(diào)到合適位置。

（3）效率曲線

隨著風(fēng)量的增加，主要通風(fēng)機(jī)的效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)（本文研究?jī)?nèi)容）。

2 變頻軸流式風(fēng)機(jī)比例模型實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為得到礦井主要通風(fēng)機(jī)調(diào)頻與效率之間的規(guī)律，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。以軸流式風(fēng)機(jī)和比例模型管道為原型，構(gòu)建出的實(shí)驗(yàn)示意模型如圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)效果圖

實(shí)驗(yàn)包含的主要設(shè)備有：軸流式風(fēng)機(jī)、變頻器、管道、法蘭、便攜式通風(fēng)多參、功率計(jì)、亞克力板和皮托管等。設(shè)計(jì)模擬巷道圓管尺寸為：直徑0.2 m，長(zhǎng)4 m。

（1）工況調(diào)節(jié)的位置與操作方式

軸流式風(fēng)機(jī)工況調(diào)節(jié)位置設(shè)置在距離軸流式風(fēng)機(jī)出口3.5 m 的管道處。本文工況調(diào)節(jié)的主要方法為增阻法，通過(guò)增加亞克力板的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨著亞克力板數(shù)量的逐漸增加，管道內(nèi)的進(jìn)風(fēng)面積會(huì)逐漸減小。

（2）實(shí)驗(yàn)管道測(cè)風(fēng)位置和測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)管道測(cè)風(fēng)位置設(shè)置在距離軸流式風(fēng)機(jī)出口1 m 的管道處，此種狀態(tài)下風(fēng)流能夠保證穩(wěn)定流動(dòng)。使用便攜式通風(fēng)多參測(cè)量風(fēng)速，需要注意的是：風(fēng)速探頭所處的位置位于實(shí)驗(yàn)管道的圓心高度，且使風(fēng)速探頭固定保持不動(dòng)。

（3）實(shí)驗(yàn)管道測(cè)靜壓位置和測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)管道測(cè)風(fēng)位置設(shè)置在軸流式風(fēng)機(jī)的入風(fēng)口處，將靜壓管固定在實(shí)驗(yàn)管路的中心，為了消除速壓帶來(lái)的影響將靜壓管的尖端迎著風(fēng)流，其管軸與風(fēng)流方向平行進(jìn)行測(cè)試。連接好便攜式通風(fēng)多參，實(shí)驗(yàn)時(shí)在入口處進(jìn)行相對(duì)靜壓的測(cè)量，使用氣壓計(jì)同步測(cè)量大氣壓力。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程

首先，調(diào)節(jié)軸流式風(fēng)機(jī)葉片安裝角度為定值，本文設(shè)置為0°安裝角度，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行安裝調(diào)試。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)后，將變頻器調(diào)至頻率為45.0 Hz，打開(kāi)調(diào)節(jié)門，啟動(dòng)軸流式風(fēng)機(jī)，逐次加裝亞克力板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到45.0 Hz 的風(fēng)機(jī)性能參數(shù)。然后依次調(diào)節(jié)頻率為40.0 Hz、35.0 Hz 和30.0 Hz，得到不同頻率的軸流式風(fēng)機(jī)性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉軸流式風(fēng)機(jī)和其他電子設(shè)備。

需要注意的是：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)增加亞克力板的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，隨著亞克力板數(shù)量的增加，管道內(nèi)的風(fēng)量會(huì)發(fā)生改變。風(fēng)量調(diào)節(jié)完畢，需要等待軸流式風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行1 min，直至軸流式風(fēng)機(jī)風(fēng)量穩(wěn)定，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量。在不同的頻率下，軸流式風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)也不盡相同。調(diào)頻結(jié)束后，需使軸流式風(fēng)機(jī)運(yùn)行5 min，直至風(fēng)流穩(wěn)定，再開(kāi)始記錄各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了探究軸流式風(fēng)機(jī)頻率改變下風(fēng)量與效率的關(guān)系，設(shè)定軸流式風(fēng)機(jī)葉片角度為0°，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，統(tǒng)計(jì)主要通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 變頻下軸流式風(fēng)機(jī)性能參數(shù)整理

由圖5 和表1 可知，在30.0 Hz、35.0 Hz、40.0 Hz、45.0 Hz 四種頻率下，風(fēng)量-效率曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本一致。軸流式風(fēng)機(jī)風(fēng)量增加的這一過(guò)程，風(fēng)機(jī)效率同時(shí)增加，達(dá)到峰值后減少。當(dāng)頻率為45.0 Hz 時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率最高，達(dá)到了接近68%。另外，對(duì)比不同頻率下風(fēng)機(jī)的效率，45.0 Hz>40.0 Hz >35.0 Hz >30.0 Hz，可以得出隨著運(yùn)行頻率的提升，效率峰值也在提升。

圖5 0°葉片角度不同頻率下風(fēng)量-效率曲線