第 十五 章 矿井通风设备

1. 第十五章 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。

2. §15—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：（每个矿井必须采用（《规程》规定）） 2、主通风设备的工作方式 抽出式：（我国常采用） 压入式：

3. 三、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 （一）离心式通风机的工作原理 （二）轴流式通风机的工作原理

6. 四、通风机的性能参数 1、风量（流量）（Q） m3/s、m3/min、m3/h 2、风压（P） 通风机的风压分为静压、动压和全压。单位为Pa（N/㎡） （1）静压（Pj） 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（Pd） 指单位体积的气体流过通风机后所获得的动能。 （3）全压（P） 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（P） 单位KW。 （2）有效功率（Pe） 指单位时间内气体从通风机获得的能量。

7. 5、转速（n） 风机叶轮每分钟的转数，单位为r/min。 4、效率 （1）全效率（η） 指通风机的有效功率与轴功率之比。 （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。

8. §15—2 通风机的特性曲线 一、离心式通风机的特性曲线 （一）理论风压方程式与个体特性曲线 1、理论风压方程式

9. 3、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） 4、实际风压特性曲线 2、理论风压特性曲线

10. （二）离心式通风机的类型系数和类型曲线 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 （1）风压系数

12. （2）流量系数

13. （3）功率系数

14. 2、离心式通风机的类型特性 （1）类型特性曲线 （2）类型特性曲线的作用 1）用一个类型特性曲线代替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）用类型曲线选取最有利的通风机。

15. 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

17. （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：

18. 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。则：

19. 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、基本方程式的能量意义 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。

20. 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 1、理论压头特性 利用出口三角形的速度关系

21. 可以用叶轮外缘处的参数代换任意半径处的参数。以下缀“R”表示外缘参数，则有： 在 ， = 常数情况下

22. 2、静压与动压的分配

23. （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。

26. §15—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。 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。过去，它的叶轮叶型多采用圆弧形；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4—73模型机安装角一致，均为45°。） 叶轮的叶片数目 与安装角和叶轮外径对内径的比值有关，通过试验可以找到某一最佳值，4—72和4—73模型机的叶轮叶片数目均为10片。

28. 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。其螺壳的型线与其中气流要求有关。假定气流在所有径向截面中的流速保持常数，其螺壳的型线应是阿基米德螺线；若假定叶轮出口绝对速度在圆周方向上的分量，即旋绕速度C2u的分布规律为C2uR=常数，则螺壳的型线为对数螺旋线。

29. 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，使叶轮得到良好的进气条件。常用的是锥弧形的，它的前半部分是圆锥形的收敛段，后部是近似双曲线的扩散段，前后两段之间的过度段，是收敛度较大的喉部。气流进入这种集流器后，首先是缓慢加速，在喉部形成高速气流，而后又均匀扩散，均匀地充满整个叶轮流道。集流器的喉部形状和喉部直径，对风机效率有较大影响。集流器与叶轮入口部分之间的间隙形式和大小，对容积损失和流动损失有重要影响。4—72和4—73模型机采用径向间隙，通过这种间隙的泄漏气流方向，与主气流方向一致，不会干扰主气流。此外，为了减少容积损失，在工艺允许的条件下，应尽可能采用较小的间隙尺寸。

30. （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 （2）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：

31. 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。）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 （3）技术性能及特性曲线 2、G4—73—11型离心式通风机 3、K4—73—01型离心式通风机

34. 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。 1、叶轮 叶轮是风机的主要部件，决定着风机性能的主要因素是风机翼型、叶轮外径、外径对轮毂的比值（轮毂比）和叶轮转速。适用于矿用通风机的翼型、CLARK—Y翼型和RAF—6E翼型等。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。

36. 2、导叶 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。

37. 3、进风口（集流器和整流罩） 作用是使气流顺利地进入风机的环行入口信道，并在叶轮入口处，形成均匀的速度场。目前，矿用通风机集流器型线为圆弧形，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，重要的是叶轮外缘与外壳内表面的径向间隙应尽可能地减小。通常 （s—径向间隙，l—叶片展长）在0.01～0.06之间。

38. 二）几种常用轴流式通风机 1、2K60型通风机 （1）结构特点 （2）技术性能和性能曲线 （3）型号意义 2、2K56型轴流式通风机

39. 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。

40. （二）离心式通风机的反风 利用反风道（图8—19） （三）轴流式通风机的反风 1、反转反风法 2、反风道反风法（图8—20） 3、无反风道反风法 （图8—21） 4、各种反风方法的比较

44. §15—4 通风机在网络中的工作 通风机是与一定的网络相连接而进行工作的，因此通风机本身与相应的网络构成一个完整的系统。通风机的工作状况不仅取决于通风机本身，同时也取决于网络的状况。

45. 一、通风机在网络上的工作分析 通风机或以抽出方式工作，或以压入方式工作。前者，设备位于系统的出口端；后者，位于系统入口端。设备在系统中的位置不同，会不会影响其工作参数呢？ 取某一通风系统，假设通风机位于网络中部，将网络分为两段，对来流段以吸风方式工作，对出流段以压风方式工作。

46. 如上图所示，取四个截面：Ⅰ—Ⅰ截面为系统入口前未受到风机工作干扰的某一截面，因未受干扰，故V1=0，P1=Pa；Ⅱ—Ⅱ截面为风机入口截面，此处全压为H2；Ⅲ—Ⅲ截面为设备出口截面，此处全压为H3；Ⅳ—Ⅳ截面为系统出口截面，此处风压为大气压，气流速度为气流脱离系统的速度，即P4=Pa和V4=c。就Ⅰ—Ⅰ和Ⅱ—Ⅱ截面，以及Ⅲ—Ⅲ和Ⅳ—Ⅳ截面之间写伯诺里方程式，得：如上图所示，取四个截面：Ⅰ—Ⅰ截面为系统入口前未受到风机工作干扰的某一截面，因未受干扰，故V1=0，P1=Pa；Ⅱ—Ⅱ截面为风机入口截面，此处全压为H2；Ⅲ—Ⅲ截面为设备出口截面，此处全压为H3；Ⅳ—Ⅳ截面为系统出口截面，此处风压为大气压，气流速度为气流脱离系统的速度，即P4=Pa和V4=c。就Ⅰ—Ⅰ和Ⅱ—Ⅱ截面，以及Ⅲ—Ⅲ和Ⅳ—Ⅳ截面之间写伯诺里方程式，得：

47. 利用此两式可求得风机工作的全压 式中h——网络中风压损失， ρ——矿井空气密度； c——气流脱离系统时的断面平均流速。 此式说明风机在网络中工作时，产生的全压等于，等于网络中风压损失，与气流脱离系统时带走的动压损失之和。通常，将通风机产生的风压p称为全压；克服网络阻力的风压称为静压，用pj表示，即pj=h；出口动能损失称动压，用符号pd表示，即 。 于是

48. 二、通风网络特性曲线 1、网络特性方程式 （通风网络静阻力特性方程） 式中S——通风网络过流面积，㎡； Q——通风网络的流量，m3/s； Rj——通风网络静阻力系数，N·s2/m8。

49. 式中S4——通风机出口过流面积，㎡。 （通风网络全阻力特性方程） 式中R——通风网络全阻力系数，N·s2/m8。

50. 三、通风机工况点和工业利用区 （一）工况点 1、定义 2、工况参数 注意：网络特性曲线与风压特性曲线的对应关系。 （二）工业利用区 1、划定原则 稳定性和经济性 1、划定方法 （1）稳定工作条件（有且只有一个工作点）