梁 晶

（山西焦煤霍州煤電霍汾煤炭設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司， 山西 忻州 035100）

引言

近年來(lái)，隨著科技水平的飛速發(fā)展，人們對(duì)礦井軸流式通風(fēng)機(jī)調(diào)速問(wèn)題的研究也是越來(lái)越多，當(dāng)前較為流行的方式是通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)整的方式提升通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的效率，眾多學(xué)者在該領(lǐng)域取得了一系列研究成果，歸納總結(jié)為以下兩個(gè)方面[1-2]：將變頻器廣泛應(yīng)用于軸流式通風(fēng)機(jī)，通過(guò)對(duì)變頻器不同頻率下通風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作情況進(jìn)行對(duì)比，得出最為節(jié)能高效的運(yùn)行方式；充分發(fā)揮變頻器自身的優(yōu)勢(shì)，例如控制方面較為穩(wěn)定，受外界環(huán)境變化的干擾較小、電壓較為穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)等；此外，由于變頻器具有較高的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)性能，通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化智能化程度也得到了明顯的提升。

通風(fēng)機(jī)的性能通常由通風(fēng)機(jī)的特性曲線所反應(yīng)，本文以通風(fēng)機(jī)的特性曲線為基礎(chǔ)，觀察對(duì)比不同狀態(tài)下通風(fēng)機(jī)的調(diào)速效果，根據(jù)比較結(jié)果優(yōu)化礦用軸流式通風(fēng)機(jī)的調(diào)速方式，提升調(diào)速效率和效果。

1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力特性曲線與比例曲線

通風(fēng)機(jī)在工作過(guò)程中需要對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦工況點(diǎn)難以滿足實(shí)際需求，需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

調(diào)速是調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)工況最常用的方式之一。一旦通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，工況點(diǎn)也會(huì)呈一定規(guī)律發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

式中：p、Q、η 分別為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n 時(shí)的靜壓、流量以及效率；pm、Qm、ηm分別為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 nm時(shí)的靜壓、流量以及效率。

將式（1）—式（3）整合后可得:

該等式所得曲線在坐標(biāo)系中表現(xiàn)為一條過(guò)原點(diǎn)的拋物線。

比例曲線于通風(fēng)網(wǎng)路阻力特性曲線如圖1 所示。

圖1 比例曲線于通風(fēng)網(wǎng)路阻力特性曲線

圖1 中過(guò)原點(diǎn)的曲線R 代表比例曲線。比例曲線反映了不同轉(zhuǎn)速下通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的改變規(guī)律。其中曲線p 代表壓頭特性曲線。以工況點(diǎn)M 為參考繪制通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)網(wǎng)路阻力特性曲線。由于該拋物線過(guò)原點(diǎn)并且和比例曲線有共同的工況點(diǎn)M，由此可得相同工況下比例曲線以及通風(fēng)網(wǎng)路阻力曲線為同一曲線。

此外，通過(guò)式（3）不難發(fā)現(xiàn)，不同轉(zhuǎn)速情況下，相鄰工況點(diǎn)的效率差異較小。這是變速調(diào)節(jié)過(guò)程中的重要結(jié)論之一，也是研究通風(fēng)機(jī)變速效果的重要參考。

根據(jù)圖1 中的不同曲線發(fā)現(xiàn)，想要通過(guò)改變轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行通風(fēng)機(jī)工況的調(diào)節(jié)，以M 調(diào)節(jié)至Ma為例，首先需要做出待調(diào)節(jié)工況點(diǎn)Ma的比例曲線Rb。比例曲線Rb和壓頭曲線p 相交于點(diǎn)Mb。Ma以及Mb工況差異較小，因此將該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量或壓頭等參數(shù)回代入上式即可得出工況點(diǎn)Ma對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

2 風(fēng)機(jī)特性曲線的區(qū)域劃分及相應(yīng)的調(diào)速效果

軸流式通風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)有不同的特性曲線。以2K60-21No28 型風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為600 r/min 下的特性曲線為例。通風(fēng)機(jī)特性曲線及區(qū)域劃分如圖2 所示，圖中的橢圓曲線幾位通風(fēng)機(jī)的等效率曲線，根據(jù)參數(shù)顯示可知通風(fēng)機(jī)效率在0.600～0.824 之間。

所謂等效曲線就是將葉片角度進(jìn)行調(diào)整，將不同角度下對(duì)應(yīng)的效率相等的點(diǎn)進(jìn)行連接形成的曲線。此外，K1、K2以及K3代表了3 條調(diào)速比例曲線。調(diào)速比例曲線以及等效率曲線之間有平行和相交兩種關(guān)系。為了便于后續(xù)分析，將等效率曲線和調(diào)速比例曲線的夾角定義為β，以等效率曲線為基礎(chǔ)，如果比例曲線在其左側(cè)，則二者的夾角為正；如果比例曲線在其右側(cè)，則二者的夾角為負(fù)；平行狀態(tài)下夾角為0[3]。

根據(jù)圖2 中比例曲線和等效率曲線夾角β 的實(shí)際情況不難發(fā)現(xiàn)：軸流式通風(fēng)機(jī)調(diào)速過(guò)程中，調(diào)速結(jié)果效果如何取決于特性曲線上工況點(diǎn)的實(shí)際位置。依照通風(fēng)機(jī)特性曲線中調(diào)速比例曲線和等效曲線的交點(diǎn)可以將特性曲線整體分為4 個(gè)區(qū)域，也就是圖2 中顯示的 A、B、C、D 四個(gè)區(qū)域。

劃分為四個(gè)區(qū)域的原因如下：A 區(qū)左上邊界是通風(fēng)機(jī)正常工作狀態(tài)和失穩(wěn)狀態(tài)的分界線，右上邊界是效率最大時(shí)壓頭特性曲線的分界線，左下邊界安裝角度最小狀態(tài)下壓頭特性曲線的分界線，右下邊界和選定比例特性曲線近似平行的一條等效率曲線。一旦區(qū)域A 劃分完畢，其余3 個(gè)區(qū)域也隨之確定，除區(qū)域B右下邊界未封閉外，其余區(qū)域均為封閉狀態(tài)。

下文根據(jù)區(qū)域的劃分，對(duì)不同工況點(diǎn)下通風(fēng)機(jī)調(diào)速的實(shí)際效果進(jìn)行對(duì)比。

1）A 區(qū)：該區(qū)域內(nèi)，比例曲線在等效率曲線的左側(cè)，二者的夾角β 為正。隨著比例曲線K1橫縱坐標(biāo)不斷增大，比例曲線和等效率曲線的夾角也在不斷增大，部分位置的夾角β 能夠達(dá)到90°，該種情況下比例曲線同等效率曲線的最大值相交。此時(shí)如果要將通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)調(diào)節(jié)至M1，可以通過(guò)調(diào)速的方式或者調(diào)整通風(fēng)機(jī)的葉片角度至15°，該狀態(tài)下工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的效率為0.620。

如果采用調(diào)速的方式進(jìn)行工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)，應(yīng)當(dāng)首先對(duì)比例曲線K1進(jìn)行分析，找出K1所對(duì)應(yīng)的通風(fēng)機(jī)效率最高點(diǎn)，將該點(diǎn)作為參考點(diǎn)。根據(jù)圖2 不難發(fā)現(xiàn)，將葉片安裝角設(shè)定為35°時(shí)，壓頭特性曲線以及等效率曲線K1的交點(diǎn)為效率最高點(diǎn)，該點(diǎn)的效率值為0.824，將該點(diǎn)設(shè)定為M2，因此M2即為參考點(diǎn)。確定葉片安裝角度后，根據(jù)所選的兩個(gè)工況點(diǎn)查找對(duì)應(yīng)的壓頭或流量，將數(shù)值回代進(jìn)入上述等式，即可得出工況M1狀態(tài)下通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

由于參考點(diǎn)M2和M1工況類(lèi)似，因此兩點(diǎn)的效率近似相同，將調(diào)節(jié)前后的效率值做差可得，通過(guò)調(diào)速方式使得通風(fēng)機(jī)的效率提升了0.204。

根據(jù)上述分析不難發(fā)現(xiàn)，隨著等效率曲線和比例曲線夾角的不斷增大，等效比例曲線的斜率也在逐漸增大，此外隨著夾角的增大，比例曲線K1上的點(diǎn)也逐漸接近通風(fēng)機(jī)的效率最高點(diǎn)，因此所選的參考工況點(diǎn)效率也在不斷提高。根據(jù)所選參考工況點(diǎn)求得的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的通風(fēng)機(jī)效率也逐漸提高。反之，隨著比例曲線和等效率曲線的夾角的減小，調(diào)速效果也逐漸減弱。

2）B 區(qū)：該區(qū)域的左上邊界是通風(fēng)機(jī)效率最低的等效率曲線K2，在該區(qū)域內(nèi)等效率曲線和比例曲線的夾角近似為零，因此等效率曲線和比例曲線為近似平行關(guān)系，等效率曲線的斜率較小。所以該種情況下采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式得到的通風(fēng)機(jī)效率難以獲得實(shí)質(zhì)性改變。所以區(qū)域B 內(nèi)盡量采取調(diào)節(jié)葉片角度的方式進(jìn)行通風(fēng)機(jī)效率的調(diào)節(jié)。

此外隨著比例曲線K2橫縱坐標(biāo)逐漸減小，等效率曲線和比例曲線的夾角β 變?yōu)樨?fù)數(shù)。該狀態(tài)下通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)，不僅不會(huì)對(duì)通風(fēng)機(jī)的效率有所幫助，反而會(huì)起到降低效率的作用，因此該區(qū)域內(nèi)最好采用調(diào)節(jié)葉片角度的方式進(jìn)行流速的調(diào)節(jié)。

3）C 區(qū)：該區(qū)域是葉片安裝角超過(guò)最佳葉片安裝角的區(qū)域。如果通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)位于該區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明通風(fēng)機(jī)的葉片安裝角過(guò)大，因此要想通風(fēng)機(jī)的流量，通常采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行通風(fēng)機(jī)流量的調(diào)節(jié)，避免葉片安裝角過(guò)大導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。

4）D 區(qū)：該區(qū)域情況較為復(fù)雜，雖然該區(qū)域處于通風(fēng)機(jī)效率較高的區(qū)域，并且比例曲線和等效率曲線近似垂直，但是該區(qū)域的左上邊界為是通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定和不穩(wěn)定區(qū)域的交界處。所以，工況點(diǎn)在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行流量調(diào)解時(shí)需要嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。必須滿足通風(fēng)機(jī)功率較大且當(dāng)前安裝角較小時(shí)，才能通過(guò)調(diào)速的方式進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，并且不會(huì)降低通風(fēng)機(jī)的工作效率。在該區(qū)域內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)需要注意，參考工況點(diǎn)的選擇過(guò)程不僅要確保比例曲線和等效率曲線的夾角盡量較大，還要確保參考點(diǎn)處于通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定區(qū)。

3 調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用分析

部分軸流式通風(fēng)機(jī)無(wú)法自動(dòng)進(jìn)行葉片角度的調(diào)節(jié)，因此如果通風(fēng)機(jī)的流量需要高頻變化，則使用改變角度的方式工作量較大、效率較低。此外，過(guò)于頻繁的進(jìn)行角度調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致葉片連接處出現(xiàn)松動(dòng)磨損，降低葉片的使用壽命。

為了預(yù)防此類(lèi)情況的出現(xiàn)，通常將葉片角度調(diào)節(jié)為一個(gè)定值，在工作過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行通風(fēng)機(jī)流量的調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）軸流式通風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)的效果如何，和通風(fēng)機(jī)所選的參考工況點(diǎn)存在密切關(guān)系。根據(jù)比例曲線和等效率曲線的相交情況將坐標(biāo)系分為四個(gè)區(qū)域，根據(jù)區(qū)域的不同選擇調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速或者調(diào)節(jié)葉片安裝角度的方式進(jìn)行通風(fēng)機(jī)流量的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程綜合考慮相關(guān)規(guī)定以及工況點(diǎn)的實(shí)際情況。

2）不同類(lèi)型的軸流式通風(fēng)機(jī)之間特性曲線略有差異，但是曲線整體變化規(guī)律相同且區(qū)域分布一致，因此本文對(duì)于2K60 型通風(fēng)機(jī)流速調(diào)節(jié)問(wèn)題的研究同樣適用于其他型號(hào)的軸流式通風(fēng)機(jī)。

（編輯：王慧芳）