流体力学

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2. 通风设备 万英盛 2009.7

3. 首 页 后 退 前 进 退 出 重、难点1.连续介质和理想液体的概念。2.流体的主要物理力学性质，重点是流体的易流动性和粘滞性。牛顿内摩擦定律。3.作用在液体上的力：质量力、表面力。 对象：液体、气体等，各部分易发生相对运动，具有流动性。

4. 矿井通风设备 矿井通风设备包括通风机、 电气设备、扩散器及反风装置等。

5. §1 概述 • 一、矿井通风设备的作用 • 向井下输送新鲜空气，稀释和排除有毒、有害气体，调节井下所需风量、温度和湿度，改善劳动条件，保证安全生产。 • 二、矿井通风方法及方式 • 1、通风方法 • 自然通风： • 机械通风： • 2、主通风设备的工作方式 • 抽出式：即通风机的进风侧与巷道相接， 将井下污风抽至地面。在抽出式通风矿井中，井下任何一点的空气压力，都小于大气压力，称为负压通风。（我国常采用） • 压入式：即通风机的出风侧与巷道相接，向井下压送新鲜空气，井下巷道空气压力高于大气压，称为正压通风。

6. 。 3、矿井通风系统 矿井通风设备与通风网路组成的系统称为矿井通风系统。有： （1）中央式：出风井与进风井大致位于矿井井田走向中央。中央式分为中央并列式和中央边界式。 （2）两翼对角式：进风井位于井田中央，出风井分别位于井田走向的两翼。 （3）混合式：井田内有两种或两种以上通风方式组成的通风系统。

7. 三、矿井生产对通风设备的要求 • 1、必须安装在地面；装有通风机的井口必须封闭严密； • 2、主要通风系统必须装置两套同等能力的通风机（包括电动机），一套工作，一套备用，备用通风机必须能在10min内启动。 • 3、生产矿井主要通风机必须装有反风设施，并能在10min内改变巷道中的风流方向。且反风风量不应小于正常风量的60%。 • 4、为保证通风机用电，必须装备两套专用供电线路。 • 5、装有主要通风机的出风井必须安装防爆门，其面积不得小于该井筒横断面积，并且必须正对风流方向。 • 6、主通风机因检修、停电或其它原因需要停风时，必须制定停风措施，报总工程师批准。 • 7、安装在工业广场地或居民区的通风设备，噪声超过允许值时，应配备有消声装置或采取相应的措施。 • 8、尽可能采用自动控制装置。 • 9、整个系统应有较高的工作效率。

8. 四、通风机的工作原理 通风机的分类 通风机按服务范围分，可分为主要通风机（它负责全矿井或某一区域通风任务）和局部通风机（它负责掘进工作面或加强采煤工作面通风）；按气体在叶轮内部流动方向分，可分为离心式通风机和轴流式通风机 （1）离心式通风机的工作原理 组成：叶轮、螺线形外壳、进风口及锥形扩散器等。 原理：当叶轮旋转时，叶轮中的空气在叶片作用下，随同叶轮一起旋转。由于叶片对空气的动力作用，使叶轮中的空气获得能量，并由中心流向外缘，最后经螺线外壳和扩散器排至大气中。与此同时，叶轮中心处形成负压，外部空气在大气压作用下，不断经进风口进入叶轮。由于气流在这种风机中是受到离心力的作用产生的连续风流，故称为离心式通风机。 该风机的气流运动方向为：轴向流入，径向流出。

10. （2）轴流式通风机的工作原理 组成：主要由圆筒形外壳、整流器、扩散器、以及进风口和叶轮组成。其中：进风口由集风器和流线体组成；叶轮由叶片和轮毂组成。叶轮和轴固定在一起形成风机的转子，并支承在轴承上。 原理：当叶轮旋转时，叶片推动空气质点作圆周运动，同时又迫使空气质点沿轴向流动，经整流器、扩散器排出风机，与此同时，在叶轮入口处形成负压，外部空气在大气压力作用下，经集风器进入叶轮，叶轮连续转动，气流就被连续推出。由于气流在风机中是沿轴向流动，故称为轴流式通风机。 该风机的气流运动方向为：轴向流入，轴向流出。

12. 五、通风机的性能参数 1、风量（Q）：单位时间内通风机输送的气体体积量。 m3/s、m3/min、m3/h 2、风压（H） 风压分为静压、动压和全压。单位为Pa（N/㎡） （1）静压（Hj） 指单位体积的气体流过通风机后所获得的压力能（即压力势能） （2）动压（Hd） 指单位体积的气体流过通风机后所获得的动能。 （3）全压（H） 指单位体积的气体流过通风机后所获得的总能量。 3、功率 （1）轴功率（N） 单位KW。 （2）有效功率（Nx） 指单位时间内气体从通风机获得的实际能量。

13. 4、效率 （1）全效率（η） 指通风机的有效功率与轴功率之比。 5、转速（n） 风机叶轮每分钟的转数，单位为r/min。 （2）静效率（ηj） 指在上式中如果用静压代替全压，则所得的效率称为静效率。

14. 小 结 • 1、通风机的作用：通风机是矿井的“肺脏”，承担着向井下输送新鲜空气，保障作业人员身心健康和矿井设备安全运转的重任。 • 2、通风机的工作方式：抽出式、压入式。 • 3、矿井通风系统：中央式、两翼对角式、混合式。 • 4、离心式、轴流式风机的工作原理，都是由于气流通过叶轮时，受到叶轮作用而获得能量，从而实现通风的目的。离心式风机，气流径向流动；轴流式风机，气流沿轴向流动。 • 5、性能参数：风量，风压，功率，效率，转速。

15. §2 通风机的特性曲线 （一）理论风压方程式与个体特性曲线 1、理论风压方程式

16. 2、离心式风机的理论流量 • 理论流量计算方程式为：

17. 3、、理论风压与理论流量的关系式及理论风压特性曲线3、、理论风压与理论流量的关系式及理论风压特性曲线 4、影响理论风压的因素 （1）结构尺寸（D2） （2）运转工况（n） （3）叶片型式（前向、径向、后向） 5、实际风压特性曲线

18. （二）离心式通风机的类型系数和类型特性曲线（二）离心式通风机的类型系数和类型特性曲线 同类型风机：满足几何相似、运动相似、动力相似的风机。 1、类型系数 风压系数

19. 若有两台同类型通风机，其风压分别为H和H‘，则风压比为：若有两台同类型通风机，其风压分别为H和H‘，则风压比为：

20. 流量系数

21. 功率系数

22. 和效率都与几何参数及转速无关，且两台同类型通风机在相似工况下的流量系数、风压系数、功率系数和效率都相等。它们均为无因次系数，其值都小于1。，和效率都与几何参数及转速无关，且两台同类型通风机在相似工况下的流量系数、风压系数、功率系数和效率都相等。它们均为无因次系数，其值都小于1。，

23. 2、离心式通风机的类型特性曲线 （1）类型特性曲线：见教材图 （2）类型特性曲线的作用： 1）用类型特性曲线可以方便的画出该类型不同尺寸和转速的通风机的所用个体特性曲线； 2）用类型特性曲线比较不同类型通风机的性能； 3）用类型曲线可以选取最有利的通风机。

24. 二、轴流式通风机的特性曲线 （一）轴流式通风机叶轮中气流的运动及速度三角形 1、气流在叶轮中的流动 （1）基元环 （2）叶栅 将基元环展开成平面后，成为直列叶栅。 栅距：叶栅中的相邻叶片间的间距，以“t”表示。 栅稠：弦长与栅距之比。栅稠在外缘处最小并向轮毂处逐渐增大。 安装角：叶片弦长与栅出口边缘线的交角，以“θ”表示。通常以叶根处安装角标志叶轮叶片安装角。 2、速度三角形 图8—5

26. （二）轴流式通风机基本方程式 1、理论压头（风压） 不考虑任何损失的情况下，叶栅输入的功率△P等于输出功率： 式中： ---通过叶栅的理论流量，m3/s ; ---单位体积空气的叶栅中的能量增量，Pa; ---外界加给此叶栅的力矩； 　　　　　－叶轮转动的角速度

27. 按照动量矩定理，在稳定流动中，单位时间内气流动量矩的变化量等于同一时间的外力对同一轴线的外力矩。可得作用于叶栅上的外力矩等于每秒钟流经叶栅出、入口间气流质量的动量矩的增量。则：按照动量矩定理，在稳定流动中，单位时间内气流动量矩的变化量等于同一时间的外力对同一轴线的外力矩。可得作用于叶栅上的外力矩等于每秒钟流经叶栅出、入口间气流质量的动量矩的增量。则：

28. 如叶轮加装前导叶时，产生强迫旋绕，这时 （当c1u与u同向时取“-”，c1u与u反向时取“+”） 2、轴流风机理论压头基本方程式的能量意义 式中：C1,C2---叶轮进、出口处绝对速度，m/s W1,W2--- 叶轮进、出口处相对速度，m/s 与离心机理论压头相比较，轴流机没有 这 项。这表明轴流式风机并非按惯性离心力工作，也是轴流式风机的压头低于离心式风机压头的根本原因。 因此，在其它条件相同的情况下，轴流式风机的静压要低于离心式通风机。

29. 3、气流速度和压力沿叶片高度分布 =常数，扭曲状 （三）轴流式通风机理论压头特性曲线 1、理论压头特性方程及压头线 利用出口三角形的速度关系

30. 在 ，注意：下式错误改 = 常数情况下

31. 2、静压与动压的分配

32. （四）轴流式通风机实际特性 1、轴流式通风机的损失 （1）气流在进入叶轮前由于进风部件阻力而形成的损失； （2）气流在叶轮中由于翼型的阻力和叶片与外壳间的缝隙而形成的损失； （3）气流由叶轮脱出时由于气流的旋流而造成的损失； （4）在叶轮后面的通流部件中气流转向和能量转换的损失； （5）传动时的机械损失。 2、实际特性曲线（图8-6、7） 它的特点是在曲线上出现了马鞍形区域。

35. 轴流式风机的特点： • 1、轴流式风机可利用动叶调节机构改变叶片的安装角来达到调节的目的。利用动叶调节，基本保证原来工作点的效率。一般采用动叶调节的轴流式风机的运行效率比其他类型的风机高，而且高效工作区较大。 • 2、轴流式风机流量大，特大型轴流式风机的流量可达 。因此风量要求特大的情况下，轴流风机几乎是惟一可选择的机型。 • 3、轴流负机外形尺寸小，结构紧凑、质量轻，因而可节省金属材料和加工时间。另外，风机占地面积少，机房建筑面积小，节省投资，缩短工期。 • 4、最大缺点是压头太低，应用范围受到很大限制。

36. §3 通风机的构造及反风装置 一、离心式通风机的构造及性能 （一）结构 离心式通风机的主要气动部件是叶轮、集流器（进风口）和外壳。 1、 叶轮 组成 由前盘面、后盘面和叶片组成。 叶型 用于矿井通风的离心式通风机属于中、低压风机。现在多采用机翼形叶片。（矿用风机多采用后向叶片，安装角一般18～75°之间，4—72和G4—73模型机安装角一致，均为45°。） 叶轮的叶片数目4—72和G4—73模型机的叶轮叶片数目均为10片。 • 2、外壳（螺壳） • 风机的外壳的作用是汇集从叶轮流出的气流，并输送到外壳的出口。 • 形状 外壳的截面呈螺旋状。

38. 3、集流器（进风口） 集流器的作用是保证气流平稳地进入叶轮，减少流动损失和降低进口涡流噪声。常用的是锥弧形的。

39. （二）几种常用离心式通风机 1、4—72—11型离心式通风机 （1）结构特点：效率高、功耗小、运转平稳、噪声低、结构完善、便于维护和拆装，适合中小型煤矿。机号NO2.8-12型风机的机壳为整体式，不能拆卸；NO16-20型风机的机壳为三开式，可拆卸。传动方式采用A、B、C、D四种。 NO16-20两种风机出口制成品O、90、180度三种固定位置，不能调整，只能选用。 （2）结构型式： A、旋转方向：左旋、右旋两种。确定方法：从电机一端看风机，叶轮按时针方向旋转的称为右旋，逆时针方向旋转的为左旋。 B、进气方式：单吸和双吸两种。 C、出口位置：有多种。 D、传动方式：有直接传动和皮带传动。

40. （3）技术性能及特性曲线 见教材 （4）型号意义 □4—72—11—No.20 B 右90° □——一般用字母表示通风机的用途。“G”表示锅炉用通风机；“K”表示矿用通风机； 4——最高效率点的全压系数乘以10； 72——比转数 1——表示叶轮进风方式。“1”表示叶轮单侧进风；“0”表示叶轮双侧进风 No.20——机号；叶轮直径除以100 B——传动方式（离心式通风机的传动方式有六种：A—无轴承箱；B—支撑皮带（悬臂支撑，皮带传动，带轮在支撑点中部）；C—悬臂皮带；D—悬臂联轴节；E—中间皮带；F—中间联轴节。一般4—72—11和G4—73—11采用前四种；大型的K4—73—01采用后两种。） 右——叶轮旋向（站在电动机一侧正视叶轮，顺时针方向旋转的称为“右”旋，逆时针方向旋转的称为“左”旋。） 90°——出风口位置

41. 2、G4—73—11型离心式通风机 结构特点：叶轮有12个后曲式机翼型叶片，弧锥形前盘，运转平稳，噪声低，强度高，全效率高达93%。与4-72型风机相比，最大不同是装有进口导流器，用以调节通风机流量；调节范围由90度（全闭）到0度（全开），每隔15度调节一次。其风压风量范围大，适用于大中型矿井。 3、K4—73—01型离心式通风机 该机专供大型矿井使用。效率高，运转平稳，噪声低。

44. 二、轴流式通风机的构造及性能 （一）结构 一般矿用轴流式通风机的主要气动部件有叶轮、导叶（前导叶、中导叶、后导叶）、外壳、进风口（集流器、疏流罩）以及出口处的扩散器。

45. 1、叶轮 • 叶轮是风机的主要部件，用来对气体做功以提高气体能量。叶片多为机翼型。叶片叶型、叶轮外径、外径对轮毂的比值（轮毂比）、叶片数和叶轮转速对风机性能有着重要影响。 • 叶轮外径和风机轴转速决定圆周速度，直接影响到风机全压。轮毂比与风机比转数有关。一般说来，轮毂比大时，轴向速度Ca增大，叶片数目z和叶片相对宽度b/l（b为弦长，l为叶展）也相应增大，风机的风压系数提高；反之，轮毂比小，多数取0.6，风压系数也较低。叶轮叶片安装角直接影响旋绕速度的增量，影响风机全压。通常，可在10～45°范围内调整。

46. 2、导叶 其作用是确定流体通过叶轮前或后的流动方向，减少气流流动的能量损失。 对于后导叶还有将叶轮出口旋绕速度的动压转换成静压的作用。前导叶若为可调的，还可以改变风机的工况点。 前导叶某些风机设有前导叶，用以控制进入叶轮的气流方向，达到调节特性的目的。此导叶可分为两段，头部固定不动，尾部可以摆动。这样，外界气流可以较小的冲击进入前导叶，而后改变方向进入叶轮。 中导叶在多级轴流式通风机中级间设置。它的作用是将前级叶轮的流出气流方向，转为轴向流入后级叶轮。 后导叶作用是将最后一级叶轮的出流方向转为接近轴向流出。剩余的旋绕速度使气流不仅沿轴向，而且是沿螺线方向在扩散器中流动，有利于改善扩散器的工作。 注意： （1）导叶的形式以前多采用圆弧形叶片。现在多采用机翼形叶片，中、后导叶还采用扭曲机翼形叶片。 （2）导叶的数目（前导叶、中导叶、后导叶）应与叶轮叶片数互为质数，以避免气流通过时产生同期扰动。

47. 3、进风口（集流器和整流罩） 作用：是改善气体进入风机的条件，使气体在流入叶轮的过程中过流断面变小，以减少入口流动损失，提高风机效率。目前，矿用通风机集流器为圆弧形，疏流罩的型面为球面或椭球面。 4、扩散器 作用：是把风机出口动压的一部分转换为静压，以提高风机的静效率。一般由锥形筒芯和筒壳组成，装在风机出口侧。 5、外壳 风机外壳呈圆筒形，叶轮外缘与外壳内表面的径向间隙应尽可能地减小。通常在0.01～0.06之间。

48. 二）几种常用轴流式通风机 1、2K60型通风机 （1）结构特点：是一种高效率，最高静效率达86%，低噪声，可反转反风的风机。该风机为两级叶轮 ，轮毂比为0.6，叶轮为机翼扭曲叶片。安装角可在15-45度范围内调节，每个叶轮上装有14个叶片。 中、后导叶也是机翼扭曲叶片。可以采用改变中、后导叶安装角的办法实现反转反风，且反风量可超过正常风量的60%。（这是此类风机的一个特点）。 （2）技术性能和性能曲线 （3）型号意义

49. 2、K66、K55、K50型轴流式通风机 • 该机85年从丹麦诺文科公司引进了生产技术，设计制造适合我国矿井通风用的三种风机。叶轮直径分别为1.875m、2.25m、2.5m，轮毂直径均为1.25m，单级叶轮，叶片为机翼扭曲型，安装角可在10-55度范围内调整。 • 特点：高效区域广，最大静效率达0.85。能实现直接反转反风，反风量达正常风量的60%以上。 • 3、GAF型轴流式通风机 • 引进西德透平通风技术公司的技术制造而成的。特点： • 4、BDK对旋轴流式风机

50. 三、矿用通风机的反风 （一）反风的意义及要求 1、意义 2、要求 《煤矿安全规程》规定：生产矿井主要通风机必须装有反风设施，必须能在10min内改变巷道中的风流方向。 当风流方向改变后，主要通风机的供风量，不应小于正常风量的40%。 反风设施由矿长组织有关部门每季度至少检查一次，每年应进行1次反风演习。当矿井通风系统有较大变化时，也应进行1次反风演习。