4通风动力

4通风动力矿井通风与安全中国矿业大学第四章通风动力4.1自然风压4.2通风机类型和构造4.3通风机特性曲线4.4通风机联合运转4.5通风机设备选型4.6通风机性能测定通风动力基本概念机械风压由通风机造成的能量差自然风压由矿井自然条件产生的能量差机械风压和自然风压均是矿井通风的动力，用以克服矿井的通风阻力，促使空气流动4.1自然风压自然风压形成和计算自然风压特性自然风压参数计算自然风压测定自然风压的形成和计算形成原因由于风流流过井巷时与岩石发生了热量交换，使得进、回风井内的气温出现差异，回风井里面的空气密度比进风井里的空气密度较小，因而两个井筒底部的空气压力不相等，其压差就是自然风压。自然通风是在自然风压作用下，风流不断流过矿井的现象。自然风压的计算如图所示矿井通风系统：p为井口的大气压，Pa；Z为井深，m；ρ为空气密度，kg/m3，则自然风压为：)(4321210gZpph1、自然风压变化规律自然风压的大小和方向，主要受地面空气温度变化的影响。如图所示分别为浅井和我国北部地区深井的自然风压随季节变化的情形。由图可以看出，对于浅井，夏季的自然风压出现负值；而对于我国北部地区的一些深井，全年的自然风压都为正值。浅井自然风压示意图深井自然风压示意图自然风压特性自然风压特性2、自然风压影响因素1）两侧空气柱的温度差矿井某一回路中两侧空气柱的温差是影响的主要因素。影响气温差的主要因素是地面入风气温和风流与围岩的热交换。其影响程度随矿井的开拓方式、采深、地形和地理位置的不同而有所不同。2）矿井深度当两侧空气柱温差一定时，自然风压与矿井或回路最高与最低点间的高差Z成正比。深1000m的矿井，“自然通风能”占总通风能量的30%。自然风压特性（3）主要通风机工作对自然风压的大小和方向也有一定影响。由于风流与围岩的热交换，冬季回风井气温高于进风井，风机停转或通风系统改变，这两个井筒之间在一定时期内仍存在温差，从而仍有一定的自然风压起作用。有时甚至会干扰通风系统改变后的正常通风工作。（4）地面大气压、空气成分和湿度影响空气的密度，因而对自然风压也有一定影响，但影响较小。自然风压的控制和利用自然风压作用的两面性－积极和消极措施：（1）新设计矿井在选择开拓方案、拟定通风系统时，应使在全年大部分时间内自然风压方向与机械通风风压的方向一致，以便利用自然风压。例如，在山区要尽量增大进、回风井井口的高差；进风井井口布置在背阳处等。（2）适时调整主要通风机的工况点，使其既能满足矿井通风需要，又可节约电能。例如在冬季自然风压帮助机械通风时，可采用减小叶片角度或转速方法降低机械风压。（3）在多井口通风的山区，尤其在高瓦斯矿井，要防止因自然风压作用造成某些巷道无风或反向而发生事故。自然风压测定•直接测定法对于任一矿井，还可用另一种方法测算矿井的自然风压。如在矿井中任一地点制做临时密闭，堵截风流，主要通风机停止运转后，用压差计测出密闭两侧的压差，即为该矿的hn。要求是密闭不漏风，否则测值不准。4.2通风机类型和构造1、通风机类型按服务范围分：主要通风机、辅助通风机与局部通风机。主扇是矿井的“肺脏”，必须昼夜运转保证矿井安全生产。按构造矿用通风机可分为离心式和轴流式通风机。4.2.1离心式通风机离心式通风机主要由动轮、蜗壳体、主轴、锥形扩散器和电动机等构成。叶轮转动时，靠离心力作用，空气由吸风口12进入，经前导器7进入叶轮的中心，折转90°沿径向离开叶轮流入机壳2，经扩散器3排出。1-动轮；2-蜗壳体；3-扩散器；4-主轴；5-止推轴承；6-径向轴承；7-前导器；8-机架；9-联轴节；10-制动器；11-机座；12-吸风口；13-通风机房；14-电动机；15-风硐动轮1由若干个叶片构成，在主轴4带动下旋转。前导器7（有的通风机没有前导器）用来调节风流进入主要通风机叶轮时的方向，以调节主要通风机所产生的风压和风量。制动器10可使主要通风机紧急停转。通风机房13中通常设有能反映通风机工作状况的各种仪表和电力拖动装置等。径向式后倾式前倾式根据通风机的叶片角度的不同，离心式通风机可分为径向式、后倾式和前倾式三种，β2为叶片出口的构造角，即为风流沿叶片移动的切线W2与圆周速度u2的夹角。对于径向式β2为90°，后倾式β2大于90°，而前倾式的β2则小于90°。4.2.2轴流式通风机轴流式通风机主要由动轮l、圆筒形机壳3、集风器4、整流器5、流线体6和环形扩散器7所组成。集风器是外壳呈曲线形且断面收缩的风筒。流线体是一个遮盖动轮轮毂部分的曲面圆锥形罩，它与集风器构成环形入风口，以减少入口对风流的阻力。动轮由固定在轮上的轮毂和等间距安装的叶片2组成。叶片的安装角θ可以根据需要来调整，国产轴流式通风机的叶片安装角一般可调为15°、25°、30°、35°、40°和45°七种，使用时可以每隔2.5°调一次。叶片按等间距t安装在动轮上，当动轮的机翼形叶片在空气中快速扫过时，由于叶片的凹面与空气冲击，给空气以能量，产生正压，将空气从叶道压出，叶片的凸面牵动空气，产生负压，将空气吸入叶道。如此一压一吸便造成空气流动。一个动轮和它后面一个有固定叶片的整流器组成一段。整流器用来整理动轮流出的旋转气流，以减少涡流损失。为了提高通风机的风压，有些轴流式通风机安装两段动轮。环形扩散器是轴流式通风机特有的部件，其作用是使环状气流过渡到柱状气流时，速压逐渐减少，以减少冲击损失，同时使静压逐渐增加。4.2.3对旋式通风机对旋式通风机在构造上属于轴流式，采用双级双电机驱动结构，两机叶轮相对并反向旋转，相当于两台同型号轴流风机对接在一起串联工作，称为对旋式风机。这种结构可省去中间及后置固定导叶，涡流损失较小，具有传动损耗小、压力高、高效范围较宽、效率较高的特点。1-集流器2-前消声器3-前机壳4-进气翼5-电机6-Ⅰ级叶轮7-Ⅱ级叶轮8-出气翼9-后机壳10-后消声器4.2.4通风机附属装置通风机的附属装置包括反风装置、防爆门、风峒和扩散器、消音装置等。1.反风装置《规程》规定生产矿井主风机必须装有反风装置，要求在10min内能反转矿井风流方向，反风后的风量不小于正常供风的40%。反风作用：避免灾害扩大；救灾需要反风方法：专用反风道、备用风机做反风道、风机反转、调节动叶安装角利用反风道反风，可靠且能满足反风的时间和风量要求。轴流式风机反风情况如图所示，图A为正常通风时反风门1和2的位置，风机由井下吸风，然后排至大气；若将反风门1、2置于图B中的状态，风流从大气吸入风机内，再经反风道压入井下，井下风流反向。AB离心式通风机的反风情况如图所示，正常通风时，反风门1和2为实线位置；反风时，反风门1提起，而将反风门2放下，风流自反风门2进入通风机，再从反风门1进入反风道3，经风井压入井下。利用通风机反转反风只适用于轴流式风机，将电动机的三相电源线中的任意两相调换使电机反转即可。对于动叶可同时转动的轴流式风机，只要将所有叶片同时偏转一定角度，就可实现矿井风流反向。2.防爆门《规程》规定：装有主要通风机的出风井口，应安装防爆门。防爆门不得小于出风井口的断面积，并正对出风口的风流方向。当井下发生瓦斯爆炸时，爆炸气浪将防爆门掀起，从而起到保护主扇的作用。3．风峒风峒是主扇和出风井之间的一段联络巷道。由于风峒风量和内外压差较大，应降低风峒阻力、减少漏风。风峒设计时应满足：1)风峒的断面不宜太小，风速以10m/s为宜，最大不超过15m/s；2)风峒的阻力不大于100～200Pa。为减小阻力，风峒不宜过长，内壁光滑并保持无堆积物，转弯部分呈圆弧形，安装导流叶片。3)风峒及其闸门等装置，结构要严密以防止漏风。4.扩散器定义：通风机出风口外接的一段断面逐渐扩大的风道。作用：减少出风口的速压损失，提高通风机有效静压。轴流式风机的扩散器是由圆锥形内筒和外筒构成的环状扩散器。出口与混凝土砌筑成的外接扩散器相连。外接扩散器是一段向上弯曲的风道，要求阻力小，出口动压损失小，并且无回流现象。离心式通风机的扩散器是长方形，其敞角取8°～10°，出风口断面(S3)与入风口断面(S2)之比约为3～4，如图所示。5．消音装置我国规定通风机的噪音不得超过90dB。速度较大的风流在通风机内和高速旋转的动轮叶片迅猛冲击，产生空气动力噪音，同时机件振动产生机械噪音。当通风机的圆周速度大于20m/s时，空气动力噪音占主要地位。正对通风机出口方向的噪音最大，侧向逐渐减少。消音装置分为主动式与反射式。主动式是吸收声音的能量，反射式是把声能反射回声源。通风机多采用主动式，风流通过多孔材料装成的通道时，其噪音被吸收。为有效降噪，消音板要有足够的厚度，也可制成空心，以节省材料。4.3通风机特性曲线通风机特性参数包括：流量、压力、功率、效率。这四个参数可以描述通风机的整个特性。1．流量(风量)单位时间内通过通风机的空气体积，称为通风机的流量，一般用Qf表示，单位为m3/s、m3/min或m3/h。在矿井通风中，通过通风机的流量，也就是通风机送入井下或从井下排出的空气量。2．压力(1)主风机全压hft通风机工作时，对每1m3空气做的功称为风机全压。它用于克服管网阻力和消耗于出口处的动能损失。其值等于通风机出口断面上空气的绝对全压(P2+hv2)与通风机入口断面上空气的绝对全压(P1+hv1)之差：hft＝(P2+hv2)－(P1+hv1)实际运转的通风机都装有扩散器，用hft’表示通风机装置全压。它指通风机扩散器出口断面空气的绝对全压与通风机入口断面空气的绝对全压之差。hft和hft’在数值上相差不大，在通风机选型计算中，可直接应用厂家提供的性能曲线所给出的数值。(2)风机静压hfs：通风机全压中用来克服井巷通风阻力的部分，为通风机静压。(3)风机动压hfv通风机全压中的出口断面动能损失部分为通风机动压，计算公式为：hfv=Qf×(ρ/2sf2)式中，ρ——空气密度，kg/m3；sf——风机出口断面积，m2；Qf——风机风量，m3/s。故通风机全压还可表示成：hft’=hfs’＋hfv3.主通风机功率(1)主风机功率（输出功率）KW单位时间内主通风机对通过风量为Qf的空气所做的功，可分为全压功率Nfot和静压功率Nfos，计算公式为：Nfot＝hft.Qf/1000，Nfos＝hfs.Qf/1000(2)轴功率N（输入功率）KW电动机经传动部件输入给主通风机的功率，计算公式为：U－线电压，V；I－线电流，A；cosψ－功率因数；ηd－电动机效率，％；ηc－传动功率，％。cdUIN1000cos34．主通风机的效率通风机输出功率和通风机轴功率N轴之比，叫做通风机的效率，即：ηft＝Nft/N轴＝hftQf/(1000N轴)ηfs＝Nfs/N轴＝hfsQf/(1000N轴)上式中ηft和ηfs分别表示通风机的全压效率和静压效率。4.3.1通风机个体特征曲线通风机的个体特性曲线：各基本参数之间的依存关系风量—风压曲线（风压曲线）风量－效率曲线（效率曲线）风量－功率曲线（功率曲线）离心式通风机的风压曲线比较平缓，风压随风量变化不大；而功率曲线显示，在稳定工作区内功率随风量的增加而增加，为避免启动负荷大而烧毁电动机，离心式通风机启动时，应将闸门关闭，待启动正常后再逐渐打开闸门。轴流式通风机的风压曲线较陡，有一个类似“马鞍”的驼峰区，风压随风量变化较大；而功率曲线，在稳定工作区内(图中GF区)，功率随着风量的增加而减少，为减少启动负荷，故轴流式通风机启动时，不能关闭闸门。二个体特性曲线的应用1．对于抽出式通风矿井，通风机装置的全压(hft)＝扩散器出风口断面绝对全压－通风机入口断面绝对全压hft＝Pt3－Pt2＝(Ps3＋hv3)－(Ps2＋hv2)式中Pt2，Pt3——分别为②，③断面上的绝对全压，Pa，Ps2，Ps3——分别为②、③断面上的绝对静压，Pahv2，hv3——分别为②、③断面上的速压，Pa由于Ps3＝地面大气压P，hft＝(P－Ps2)+hv3－