王育江

(山西焦煤西山煤电股份有限公司 马兰矿， 山西 古交 030200)

0 引言

多年以来，人们一直在探讨调速技术在矿用轴流式通风机上的应用问题，通过改变转速的方法提高通风机运行工况点的效率，并有一些相关的文献报导。归纳起来,比较有代表性的内容主要体现在以下两个方面：①变频器应用于轴流式通风机后，分析变频调速前后通风机工况点的变化，以及相应的节能效果[1]。②分析通风机应用变频器在电气与控制方面的特性及优势，如能减小电压波动对通风机的影响，减小了机械振动及电气冲击；同时，应用变频器后具有良好的控制与调节特性，提高了通风机设备的自动化水平[2]。

通风机的性能用其特性曲线来表示。有别于以往的研究，本文将根据通风机特性曲线的特征，考察工况点在通风机特性曲线上所处的位置对调速效果的影响，分析矿用轴流式通风机应用调速技术的有效性及局限性。

1 通风网路阻力特性曲线与比例曲线

通风机在网路上工作时，若其工况点不能满足通风网路的需要，就必须对其进行调节。

调速是通风机若干调节方法中的一种。当通风机的转速发生变化时，其相应工况点间工况参数的变化规律由下述比例定律确定。

(1)

(2)

η=ηm

(3)

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

将式(1)和式(2)进行合并整理后得到:

(4)

式(4)所表达的是过坐标原点的抛物线方程。将式(4)表达的曲线在坐标图中画出，如图1所示。图1中的曲线R，即为比例曲线。比例曲线也是转速改变时相似工况点变化的轨迹[3]。图1中的曲线p是通风机的压头特性曲线。过工况点M作一条通风网路阻力特性曲线。由于该曲线同样是过坐标原点的抛物线，所以过同一工况点的比例曲线与通风网路阻力曲线相重合。

图1 比例曲线与通风网路阻力特性曲线

另外，根据式(3)可知，通风机转速发生变化时，相似工况点对应的效率不变。这是变转速调节的一个重要特性，也是分析轴流式通风机应用变速技术是否有效的基本依据。

在图1中，若想用改变转速的方法将工况点由M调节到Ma，则作一条通过Ma的比例曲线Rb(该曲线也是通过Ma的通风网路阻力特性曲线)。比例曲线Rb与压头曲线p相交于Mb。Ma和Mb是相似工况点，根据两点对应的流量或压头，应用式(1)或式(2)即可计算得到Ma所对应的转速。

2 风机特性曲线的区域划分及相应的调速效果

轴流式通风机在一定转数下有一组确定的特性曲线相对应。图2即是一台2K60-21No28型风机在转数n=600 r条件下的特性曲线[4]。图2中的环形或半环形曲线称为通风机的等效率曲线，从低到高其效率值依次为0.600、0.650……0.824。

图2 通风机特性曲线及区域划分

等效率曲线是将不同叶片角度下压头特性曲线上效率相等的点进行光滑连接而成的。同时,在图2中还给出了3条调速比例曲线，即K1、K2和K3。比例曲线(或通风网路阻力特性曲线)与等效率曲线之间的相对关系有两种——平行和相交。为分析问题方便，给出两类曲线夹角β的概念及角度β正负的定义：考察两类曲线交点上方的分支，以等效率曲线为基准，比例曲线在等效率曲线左侧时，其夹角β为正，反之为负。当两线平行时其夹角β为零。

通过考察比例曲线与等效率曲线夹角β在特性曲线坐标平面上的分布状况，可以发现：轴流式通风机应用调速技术时，其有效性取决于工况点在风机特性曲线上所处的位置。根据风机特性曲线上不稳定区与工作区域的分界线、最高效率点对应的压头特性曲线及等效率曲线的分布特征，可将表示通风机特性曲线的整个坐标平面用点划线划分为4个区域，即图2中所示的A、B、C和D区。

各区域的划分原则如下：A区的左上边界是风机特性曲线上正常工作区与不稳定区的分界线，右上边界是通过最高效率点的压头特性曲线(本文中是对应着35°安装角的曲线，该角度也被称为最佳安装角)，左下边界是最小安装角对应的压头特性曲线，右下边界是一条与比例曲线近似平行的等效率曲线。当A确定后，如图2所示，其他各区域即相应地可确定。其中B区是开放的，向右下没有封闭。

下面分别探讨当通风机运行工况点分别位于上述不同区域时，应用调速技术的有效性。

1)A区：在该区内，比例曲线(或通风网路阻力特性曲线)与等效率曲线的夹角β为正。比例曲线K1接近A区的左上方边界时，则与某些等效率曲线的夹角β最大可达90°，且比例曲线通过了通风机的最高效率点。此种情况下，若要求通风机的工况点位于M1，当不采用调速方法时，需将通风机叶片的安装角调整为15°，工况点效率为0.620。

若应用改变转数的方法使工况点位于M1，则应考察比例曲线K1上哪一点对应的风机特性曲线上效率最高，将效率最高的点称为参考工况点。由图2可知，叶片安装角为35°时的压头特性曲线与K1交点M2处的效率最高，其效率值为0.824，则M2即为参考工况点。因此,将叶片安装角定为35°，从图2中查出M1和M2各自所对应的压头或流量，根据式(1)或式(2)即可求出工况M1点所对应的转数。因为M1和M2是相似工况点，两者效率相等，均为0.824,所以应用调速技术相对于改变叶片角度，效率提高值为0.204。

由上述分析可见，当β接近或等于90°时，比例曲线与等效率曲线接近正交，等效率曲线沿比例曲线的变化梯度最大，且比例曲线K1上某一点位于通风机的最高效率区域，从而有一个高效率的参考工况点。因此，在此种状况下应用调速技术可取得最佳效果。随着比例曲线K1向右下方偏移，β角逐渐变小，应用调速技术的效果也逐渐变差。

2)B区：在该区内，比例曲线K2与区域的左上边界，即效率为0.600的等效率曲线夹角β接近于0°，比例曲线与等效率曲线近似平行，等效率曲线沿比例曲线的变化梯度为0。因此，在此种情况下使用调速方法不会提高风机的效率。要想调节通风机的流量,可使用改变叶片角度的方法。

若比例曲线K2进一步向左下方偏移，则β<0°。在这种情况下要减小流量，应用调速技术相对于改变叶片角度,效率反而会降低。由此可见，当β≤0°时，应用调速技术是得不偿失的。

3)C区：该区域是叶片安装角大于最佳叶片安装角的区域。当工况点位于该区域，尤其是接近叶片的最大安装角时，说明通风机已经接近于满负荷，不再需要变速调节。

4)D区：该区域是一个特殊的区域，在该区内比例曲线与某些等效率曲线的最大夹角虽然可达90°，但该区靠近通风机的不稳定区。因此，它限制了调速技术的应用。只有当通风机能力很大，而通风机的运行安装角较小——如要求工况点处在该区域的下方时，才能在此有限的范围内应用调速技术，实现提高效率的目的。值得注意的是，在该区域内选择参考工况点，既要考虑通风机的效率，还不能使其位于不稳定区内。

3 调速技术的其他应用场合

对于不具备动叶片自动调节的轴流式通风机，当流量频繁变化时，用改变叶片角度的方法跟随矿井流量的变化是一件繁琐的事情。况且，动叶片的频繁调节，将致使动叶片根部锁紧机构过早地磨损。为了避免这种情况的发生，将动叶片安装角调到一合适的角度，而后采用改变转数的方法使通风机的流量跟随矿井流量的变化，是一种可以考虑的方案。对于这一方案，在某些情况下虽有可能降低通风机的运行效率，但通风机实现了按需供风，并省去了频繁调节叶片角度带来的麻烦。

4 结语

1) 轴流式通风机应用变转速调节是否有效，与通风机运行工况点所处的区域有关。在某一区域内可以取得较好的效果，而在另外一些区域则没有效果，甚至适得其反。因此，将变转速技术用于节能目的时，应根据通风机特性曲线与比例曲线之间的关系进行认真的技术分析。

2) 本文虽然是针对一台2K60型通风机进行探讨的，但其解决问题的方法也适用于其他形式的轴流式通风机，也包括对旋式通风机。不同类型的轴流式通风机尽管其特性曲线各有差异，但特性曲线的分布特征和基本要素是相同的。因此，对于其他形式的轴流式通风机，均可以按照上述思路划分出应用变速技术的有效区域。