轴流式通风机调速技术应用的有效性探讨

梁 晶

（山西焦煤霍州煤电霍汾煤炭设计咨询有限责任公司， 山西 忻州 035100）

引言

近年来，随着科技水平的飞速发展，人们对矿井轴流式通风机调速问题的研究也是越来越多，当前较为流行的方式是通过转速调整的方式提升通风机运行工况点的效率，众多学者在该领域取得了一系列研究成果，归纳总结为以下两个方面[1-2]：将变频器广泛应用于轴流式通风机，通过对变频器不同频率下通风机的实际工作情况进行对比，得出最为节能高效的运行方式；充分发挥变频器自身的优势，例如控制方面较为稳定，受外界环境变化的干扰较小、电压较为稳定，不会出现剧烈波动等；此外，由于变频器具有较高的自动控制和调节性能，通风机的自动化智能化程度也得到了明显的提升。

通风机的性能通常由通风机的特性曲线所反应，本文以通风机的特性曲线为基础，观察对比不同状态下通风机的调速效果，根据比较结果优化矿用轴流式通风机的调速方式，提升调速效率和效果。

1 通风网络阻力特性曲线与比例曲线

通风机在工作过程中需要对其状态进行实时监测，一旦工况点难以满足实际需求，需要及时进行调节。

调速是调节通风机工况最常用的方式之一。一旦通风机的转速发生改变，工况点也会呈一定规律发生变化，对应关系如下：

式中：p、Q、η 分别为通风机转速为n 时的静压、流量以及效率；pm、Qm、ηm分别为通风机转速为 nm时的静压、流量以及效率。

将式（1）—式（3）整合后可得:

该等式所得曲线在坐标系中表现为一条过原点的抛物线。

比例曲线于通风网路阻力特性曲线如图1 所示。

图1 比例曲线于通风网路阻力特性曲线

图1 中过原点的曲线R 代表比例曲线。比例曲线反映了不同转速下通风机工况点的改变规律。其中曲线p 代表压头特性曲线。以工况点M 为参考绘制通风机的通风网路阻力特性曲线。由于该抛物线过原点并且和比例曲线有共同的工况点M，由此可得相同工况下比例曲线以及通风网路阻力曲线为同一曲线。

此外，通过式（3）不难发现，不同转速情况下，相邻工况点的效率差异较小。这是变速调节过程中的重要结论之一，也是研究通风机变速效果的重要参考。

根据图1 中的不同曲线发现，想要通过改变转速的方式进行通风机工况的调节，以M 调节至Ma为例，首先需要做出待调节工况点Ma的比例曲线Rb。比例曲线Rb和压头曲线p 相交于点Mb。Ma以及Mb工况差异较小，因此将该点对应的流量或压头等参数回代入上式即可得出工况点Ma对应的转速。

2 风机特性曲线的区域划分及相应的调速效果

轴流式通风机不同转速下对应有不同的特性曲线。以2K60-21No28 型风机在转速为600 r/min 下的特性曲线为例。通风机特性曲线及区域划分如图2 所示，图中的椭圆曲线几位通风机的等效率曲线，根据参数显示可知通风机效率在0.600～0.824 之间。

所谓等效曲线就是将叶片角度进行调整，将不同角度下对应的效率相等的点进行连接形成的曲线。此外，K1、K2以及K3代表了3 条调速比例曲线。调速比例曲线以及等效率曲线之间有平行和相交两种关系。为了便于后续分析，将等效率曲线和调速比例曲线的夹角定义为β，以等效率曲线为基础，如果比例曲线在其左侧，则二者的夹角为正；如果比例曲线在其右侧，则二者的夹角为负；平行状态下夹角为0[3]。

根据图2 中比例曲线和等效率曲线夹角β 的实际情况不难发现：轴流式通风机调速过程中，调速结果效果如何取决于特性曲线上工况点的实际位置。依照通风机特性曲线中调速比例曲线和等效曲线的交点可以将特性曲线整体分为4 个区域，也就是图2 中显示的 A、B、C、D 四个区域。

划分为四个区域的原因如下：A 区左上边界是通风机正常工作状态和失稳状态的分界线，右上边界是效率最大时压头特性曲线的分界线，左下边界安装角度最小状态下压头特性曲线的分界线，右下边界和选定比例特性曲线近似平行的一条等效率曲线。一旦区域A 划分完毕，其余3 个区域也随之确定，除区域B右下边界未封闭外，其余区域均为封闭状态。

下文根据区域的划分，对不同工况点下通风机调速的实际效果进行对比。

1）A 区：该区域内，比例曲线在等效率曲线的左侧，二者的夹角β 为正。随着比例曲线K1横纵坐标不断增大，比例曲线和等效率曲线的夹角也在不断增大，部分位置的夹角β 能够达到90°，该种情况下比例曲线同等效率曲线的最大值相交。此时如果要将通风机的工况点调节至M1，可以通过调速的方式或者调整通风机的叶片角度至15°，该状态下工况点对应的效率为0.620。

如果采用调速的方式进行工况点的调节，应当首先对比例曲线K1进行分析，找出K1所对应的通风机效率最高点，将该点作为参考点。根据图2 不难发现，将叶片安装角设定为35°时，压头特性曲线以及等效率曲线K1的交点为效率最高点，该点的效率值为0.824，将该点设定为M2，因此M2即为参考点。确定叶片安装角度后，根据所选的两个工况点查找对应的压头或流量，将数值回代进入上述等式，即可得出工况M1状态下通风机的转速。

由于参考点M2和M1工况类似，因此两点的效率近似相同，将调节前后的效率值做差可得，通过调速方式使得通风机的效率提升了0.204。

根据上述分析不难发现，随着等效率曲线和比例曲线夹角的不断增大，等效比例曲线的斜率也在逐渐增大，此外随着夹角的增大，比例曲线K1上的点也逐渐接近通风机的效率最高点，因此所选的参考工况点效率也在不断提高。根据所选参考工况点求得的转速进行调节，调节后的通风机效率也逐渐提高。反之，随着比例曲线和等效率曲线的夹角的减小，调速效果也逐渐减弱。

2）B 区：该区域的左上边界是通风机效率最低的等效率曲线K2，在该区域内等效率曲线和比例曲线的夹角近似为零，因此等效率曲线和比例曲线为近似平行关系，等效率曲线的斜率较小。所以该种情况下采用调节转速的方式得到的通风机效率难以获得实质性改变。所以区域B 内尽量采取调节叶片角度的方式进行通风机效率的调节。

此外随着比例曲线K2横纵坐标逐渐减小，等效率曲线和比例曲线的夹角β 变为负数。该状态下通过调节转速的方式进行流量的调节，不仅不会对通风机的效率有所帮助，反而会起到降低效率的作用，因此该区域内最好采用调节叶片角度的方式进行流速的调节。

3）C 区：该区域是叶片安装角超过最佳叶片安装角的区域。如果通风机的工况点位于该区域内，说明通风机的叶片安装角过大，因此要想通风机的流量，通常采用调节转速的方式进行通风机流量的调节，避免叶片安装角过大导致通风机无法正常运行。

4）D 区：该区域情况较为复杂，虽然该区域处于通风机效率较高的区域，并且比例曲线和等效率曲线近似垂直，但是该区域的左上边界为是通风机稳定和不稳定区域的交界处。所以，工况点在该区域内进行流量调解时需要严格遵守相关标准。必须满足通风机功率较大且当前安装角较小时，才能通过调速的方式进行流量调节，并且不会降低通风机的工作效率。在该区域内调节时需要注意，参考工况点的选择过程不仅要确保比例曲线和等效率曲线的夹角尽量较大，还要确保参考点处于通风机的稳定区。

3 调速技术的应用分析

部分轴流式通风机无法自动进行叶片角度的调节，因此如果通风机的流量需要高频变化，则使用改变角度的方式工作量较大、效率较低。此外，过于频繁的进行角度调节会导致叶片连接处出现松动磨损，降低叶片的使用寿命。

为了预防此类情况的出现，通常将叶片角度调节为一个定值，在工作过程中通过调节转速的方式进行通风机流量的调节。

4 结语

1）轴流式通风机变速调节的效果如何，和通风机所选的参考工况点存在密切关系。根据比例曲线和等效率曲线的相交情况将坐标系分为四个区域，根据区域的不同选择调节转速或者调节叶片安装角度的方式进行通风机流量的调节，调节过程综合考虑相关规定以及工况点的实际情况。

2）不同类型的轴流式通风机之间特性曲线略有差异，但是曲线整体变化规律相同且区域分布一致，因此本文对于2K60 型通风机流速调节问题的研究同样适用于其他型号的轴流式通风机。

（编辑：王慧芳）