变频轴流式风机风量-效率关系研究

徐 杰

（山西潞安化工集团潞宁煤业有限责任公司，山西 忻州 036700）

为了使矿井主要通风机高效运转从而实现节能减排的目标，本文搭建了煤矿主要通风机比例模型，并进行了风机特性研究实验，研究轴流式通风机在不同频率下的效率并选出轴流式风机最优效率，为现场通风管理提供科学依据。

1 主要通风机特性曲线理论研究

1.1 基本性能参数

（1）主要通风机的流量

主要通风机的流量是指在一段时间里经过风机入口处的空气体积[1-3]。测流量最常见的方法是风速法。风速法的内涵是由测试位置的平均风速与断面积相乘求得，如公式（1）：

Q=VS（1）

式中：S为测试位置断面积，m2；V为位于测试位置的平均风速，m/s。

（2）主要通风机的装置静压与全压

主要通风机全压Ht的含义为主要通风机克服通风阻力与出口动能损失，通风机的静压Hs的含义为克服管网阻力的风压，如公式（2）：

式中：cosφ为功率因数；η1为电动机效率；η2为传动效率。

（5）主要通风机的转速

风机转速为单位时间内风机轴转过的转数，通常用n表示，单位为r/min。

1.2 矿井轴流式主通风机的特性曲线

通过风压、风量等参数的变化，可以得到主要通风机的运行特性。主要通风机的性能曲线变化规律趋势可分别用曲线表示出来，即H-Q、N-Q、和η-Q曲线。三条主要通风机的性能曲线如图1～图3 所示，本文主要研究内容为η-Q曲线。

图1 H-Q 曲线

图2 N-Q 曲线

图3 η-Q 曲线

（1）风压特性曲线

风压特性曲线存在一个“驼峰”区，比较陡峭，由图1可知。当风量变化较小的时候，风压较为敏感，变化较大[4]。

（2）输入功率曲线

轴流式通风机最高点右下侧的功率随着风量的增加而减小，目的是为了避免因启动时电流过大而致使电机超载。在风机启动时，闸门应当保证打开和半打开的状态，直至风机运转稳定后，将闸门调到合适位置。

（3）效率曲线

随着风量的增加，主要通风机的效率呈现先增加后减小的趋势（本文研究内容）。

2 变频轴流式风机比例模型实验

2.1 实验设计

为得到矿井主要通风机调频与效率之间的规律，本文进行了实验研究。以轴流式风机和比例模型管道为原型，构建出的实验示意模型如图4。

图4 实验模型设计效果图

实验包含的主要设备有：轴流式风机、变频器、管道、法兰、便携式通风多参、功率计、亚克力板和皮托管等。设计模拟巷道圆管尺寸为：直径0.2 m，长4 m。

（1）工况调节的位置与操作方式

轴流式风机工况调节位置设置在距离轴流式风机出口3.5 m 的管道处。本文工况调节的主要方法为增阻法，通过增加亚克力板的方式进行调节，随着亚克力板数量的逐渐增加，管道内的进风面积会逐渐减小。

（2）实验管道测风位置和测试方法

实验管道测风位置设置在距离轴流式风机出口1 m 的管道处，此种状态下风流能够保证稳定流动。使用便携式通风多参测量风速，需要注意的是：风速探头所处的位置位于实验管道的圆心高度，且使风速探头固定保持不动。

（3）实验管道测静压位置和测试方法

实验管道测风位置设置在轴流式风机的入风口处，将静压管固定在实验管路的中心，为了消除速压带来的影响将静压管的尖端迎着风流，其管轴与风流方向平行进行测试。连接好便携式通风多参，实验时在入口处进行相对静压的测量，使用气压计同步测量大气压力。

2.2 实验测试过程

首先，调节轴流式风机叶片安装角度为定值，本文设置为0°安装角度，对实验仪器进行安装调试。开始实验后，将变频器调至频率为45.0 Hz，打开调节门，启动轴流式风机，逐次加装亚克力板进行实验，得到45.0 Hz 的风机性能参数。然后依次调节频率为40.0 Hz、35.0 Hz 和30.0 Hz，得到不同频率的轴流式风机性能参数。实验结束后关闭轴流式风机和其他电子设备。

需要注意的是：实验过程中，通过增加亚克力板的方式调节风量时，随着亚克力板数量的增加，管道内的风量会发生改变。风量调节完毕，需要等待轴流式风机稳定运行1 min，直至轴流式风机风量稳定，再进行实验数据的测量。在不同的频率下，轴流式风机的性能参数也不尽相同。调频结束后，需使轴流式风机运行5 min，直至风流稳定，再开始记录各组实验数据。

3 实验结果分析

为了探究轴流式风机频率改变下风量与效率的关系，设定轴流式风机叶片角度为0°，通过改变风机不同的运转频率，统计主要通风机性能参数实验数据并进行整理，结果见表1。

表1 变频下轴流式风机性能参数整理

由图5 和表1 可知，在30.0 Hz、35.0 Hz、40.0 Hz、45.0 Hz 四种频率下，风量-效率曲线与现场实际基本一致。轴流式风机风量增加的这一过程，风机效率同时增加，达到峰值后减少。当频率为45.0 Hz 时，风机的效率最高，达到了接近68%。另外，对比不同频率下风机的效率，45.0 Hz>40.0 Hz >35.0 Hz >30.0 Hz，可以得出随着运行频率的提升，效率峰值也在提升。

图5 0°叶片角度不同频率下风量-效率曲线