第四節　通風機的選擇與運行

一、通風機的性能參數和特征曲線

1.通風機的基本性能參數　通風機的主要性能參數包括流量L、全風壓p、功率N、效率η、轉數n以及比轉數ns。要了解通風機的性能，必須正確理解通風機性能參數的含義。

（1）流量。通風機的流量常采用容積流量，即單位時間內流過通風機的空氣容積。容積流量的單為m3/h或m3/s。在通風機的樣本或銘牌上常用m3/h；在通風機的設計計算或性能計算中均用m3/s。

必須注意的是，通風機的容積流量指的都是通風機進口處的容積流量。因為，隨著通風機各流通截面上的壓力增加，流過各截面上的容積流量將隨著變化。通風機進、出口容積流量之間的關系，可以用連續性方程表示：

式中：ρ1——進口處的空氣密度；

L1——進口處的容積流量；

ρ2——出口處的空氣密度；

L2——出口處的容積流量；

ρ——任意流通截面上的氣體密度；

L——容積流量。

當氣體的壓力很低時，ρ1≈ρ2≈ρ，則稱為不可壓縮流動，這時通風機各處的容積流量相等。近似計算時空氣的密度可取標準狀況條件下空氣的密度值1.2 kg/m3。所謂標準狀況條件是指空氣的壓力為101325Pa，溫度為20℃，相對濕度為50%。

（2）全壓。通風機的全壓P（N/m2）為通風機的出口截面上的總壓與進口截面的總壓之差，即：

式中：pst2，ρ2，v2——風機出口截面上空氣的靜壓（N/m2），密度（kg/m3）和平均流速（m/s）；

pst1，ρ1，v1——風機進口截面上空氣的靜壓（N/m2），密度（kg/m3）和平均流速（m/s）。

對于通風機來說，由于輸送的是氣體，即使進出口風管直徑相差不大，但流速仍可相差很大。因此，其動壓改變較大，且在全壓中所占的比例很大，有時甚至可達全壓的50%以上。但是，管路的輸送阻力要由靜壓力來克服，因此，有時需用通風機的pst，動壓pd的數據。通風機的動壓pd（N/m2）是指出口截面氣體動能所表征的壓力，即：

通風機的靜壓pst等于通風機的全壓減去通風機的動壓，即：

由式（3-2）～式（3-4），得：

從式（3-5）可以看出，通風機的靜壓既不是通風機出口空氣的靜壓pst2，也不等于通風機出口處與進口處空氣的靜壓差。

（3）功率。通風機所輸送的氣體，在單位時間內從通風機中所獲得的有效能量，稱為通風機的有效功率Ne也就是通風機的輸出功率，即：

通風機對流體所做的有效功率，必須從原動機那里獲得。原動機傳遞給通風機軸上的功率稱為軸功率，用符號N表示。因為在通風機內部有各種損失，因而軸功率不可能完全傳給流體，所以有效功率始終小于軸功率，即Ne＜N。

（4）效率。通風機的效率是評價能耗指標的主要依據.通風機的有效功率與軸功率之比，稱為通風機的總效率，用符號η表示，即

（5）轉速。轉速系指通風機的轉軸每分鐘的轉速，用符號n表示，單位為r/min。一定的轉速，產生一定的流量Q、全壓p，并對應著一定的軸功率N。當轉速改變后，流量Q、全壓p以及軸功率N都將隨之改變。

（6）無因次系數。由于同類型通風機具有幾何相似、運動相似和動力相似的特性，則每臺通風機的流量、壓力、功率與輸送氣體的密度、葉輪外徑及轉速所組成的同因次量之比是一個常數。也就是說，從通風機的性能參數中除去轉速、尺寸、密度等因素的計量單位，就得出無因次性能參數。這些無因次性能參數分別稱為流量系數L、壓力系數p、功率系數N，其表達式為：

式中：L——通風機的流量，m3/s；

p——通風機的全壓，N/m2；

N——通風機的軸功率，W；

D——葉輪直徑，m；

ρ——輸送氣體的密度，kg/m3；

u——葉輪外緣線速度，m/s。

凡幾何相似的風機，其無因次系數L、p、N是相同的。在相似工況下運行的風機，不管其尺寸大小，只要具有相同的無因次系數組成，就具有相似的性能。利用無因次系數，可以作出無因次性能曲線，用來比較和選擇通風機。壓力系數p還用來作為通風機的命名參數。

（7）比轉速。比轉速的概念最早在研究水輪機時引入，以后又廣泛地應用于通風機和水泵。比轉速可作為通風機分類、系列化和相似設計的依據，因而是通風機的一個非常重要的參數，用ns表示。通風機的比轉速用下列式確定

在工程中，當L以m3/s為單位、p以mmH2O為單位、n以r/min為單位計算時，一般離心式通風機的比轉速為15～80，軸流式通風機的比轉速為100～500。

2.通風機的特性曲線　利用通風機的基本方程式推演可得到理論的通風機特性曲線，但與實際情況差距比較大。因此，實際應用上都采用實驗方法繪制。實驗的方法是，在通風機入口端設置流量調節閥，用閥門控制，以獲得某一型號通風機在一定轉速下的各種不同流量與相對應的壓力和軸功率數值。在橫坐標為流量L，縱坐標表示壓力p的坐標系中，將獲得的點表示出來。然后用手滑的曲線將所有的點連起來，即得到該通風機的壓力特性曲線，稱為L—p特性曲線。在以流量L為橫坐標，軸功率N為縱坐標的坐標系中，獲得該通風機在一定轉速下的流量與軸功率之間的關系曲線，稱為L—N特性曲線。通過測得的通風機的軸功率N、流量L和壓力p，即可利用式（3-6）、式（3-7）計算出通風機的效率。于是，在以流量L為橫坐標，以效率η為縱坐標的坐標系中，便可獲得通風機的效率曲線，稱為L—η特性曲線。

通風機的L—p、L—N、L—η三條特性曲線稱為通風機的工作特性曲線。在實際運用中，一般都把這三條曲線繪在一個坐標圖上，這時縱坐標分別表示的是壓力p、軸功率N和效率η。

（1）離心式通風機的特性曲線分析。圖3-20為兩種葉輪的離心式通風機的特性曲線略圖。從圖3-20中可看出，前向葉輪通風機的L—p曲線在某一區段內，流量增大時全壓的變化較平緩。而對于后向葉輪通風機來說，全壓是隨著流量增大呈下降趨勢。離心式通風機的L—η曲線是馬鞍形的，在設計流量附近效率最高。流量過小或過大時，由于沖擊損失的增大，泄露損失的變化均使效率下降。一般地，前向葉輪的效率比后向葉輪的效率稍低些。軸功率N與流量，全壓和效率有關。流量開始增加時，軸功率也隨之增大。對于前向葉輪通風機，L—N曲線是隨L的增加而一直上升，稱可過載通風機。后向葉輪通風機當流量超過設計流量時，由于全壓減小得較多，軸功率幾乎不在增加；故有功率不過載的優點。

（2）軸流式通風機的特性曲線分析。圖3-21是軸流式通風機的特性曲線圖。軸流式通風機是按照最佳工作點設計的，L—η曲線的最高效率點就是設計工作點。圖中的L—p曲線顯示，在最高效率點左側有一段下凹段。這是因為，當軸流式通風機的流量小于設計值時，葉片內部氣流的流動情況趨于復雜化，葉頂部的進口端將出現渦流甚至逆流。在這段流量區域內屬不穩定工況區。凹部的形形狀與葉柵設計所取的參數有關。

由L—N曲線可知，當流量減小時軸功率N反而增大，當流量L=0時軸功率可達最大值。圓弧板形葉片的軸流式通風機，小流量時的主要特點是零流量的軸功率最大。故此種風機不宜關閉風道啟動。一般機翼形葉片的軸流式通風機，在小流量時其功率特性變化比較平緩，最大功率位于最高效率點附近，但其零流量的軸功率也還是較大。因此，軸流式通風機不像離心式通風機那樣具有啟動功率小的優點。

二、通風機的工況分析

1.通風機在管路中的實際工作狀況　管路系統的阻力是隨風速的變化而變化的。對于一定的管路系統，風速是由流經管路系統的流量來決定的。應用流體力學的有關理論可以導出管路系統阻力與流量之間的關系式

式中：p——管路中的總阻力；

p0——管路系統中的背壓，即排汽空間與進氣空間的壓力差；

K——管路中的阻力系數；

L——流經管路中的總流量。

由式（3-12）可知，空氣流經管路系統時必須克服管路中的阻力和進排汽空間的壓力差。式（3-12）表示的管路系統中的總阻力與流經系統的流量之間的關系曲線是一條拋物線。我們把這條關系曲線稱為管路特性曲線。

當管路系統中有背壓時，這條拋物線過p軸的p0點，如圖3-22所示。當管路系統中無背壓時，該拋物線通過原點，如圖3-23所示。當影響管路中的阻力系數K的因數改變時，K值將隨之改變，管路特性曲線亦將發生變化。例如，當關小風道中的閥門時，K值增大則管路特性曲線變陡。當閥門開大或擴大風道斷面積時，K值減小則管路特性曲線變緩。

管路中的阻力在管路結構不變時決定于流量。流量是由在管路系統中工作的通風機所輸送的，通風機的流量、壓力又應按通風機的性能曲線變化。因此，當通風機在管路系統工作時，必須同時滿足通風機性能曲線和管路特性曲線。也就是說，通風機的實際工作狀況，是由通風機性能曲線與管路特性曲線聯合確定的。在p—L坐標中，通風機性能曲線與管路特性曲線的交點M，就是通風機在管路中實際工作點。如圖3-24所示，圖中A點是通風機實際工作功率點，B點稱為通風機實際工作效率點。

通風機在管路中工作的效率最高點稱為最佳工作點。選擇通風機時，要盡可能地讓工作點達到理想狀態的最佳值。但是在實際工作中，由于設計計算誤差或管路系統的變化都會造成通風機工作偏離最佳工作點的情況出現。為了使通風機在管路中既滿足流量、壓力的要求，又不得使工作效率低于最高工作效率的90%，必須使選用的通風機進行工作點調整。

2.通風機的聯合工作及其分析　通風機的聯合工作，在不得已的情況下才選用。因為通風機聯合工作時，在技術上、經濟上都不是最合理的。通風機的聯合工作，包括通風機的并聯工作和串聯工作。

（1）通風機的并聯工作（圖3-25）。通風機的并聯使用，是為了加大流量。當需要的風量較大，無適合的通風機，或在現有設備上增加風量時，可以用兩臺通風機并聯工作。并聯后的壓力，對于每臺通風機都是相等的，而總流量則為各臺并聯后通風機流量之和。

兩臺同性能通風機并聯工作時，根據壓力相同、流量疊加的原則，可求得其合成性能曲線。從圖3-26中可明顯看出，通風機并聯使用在阻力較小的RA管路系統中時，可以獲得較大得流量增加值。而并聯工作在阻力較大的RB管路系統中時，幾乎只起到一臺通風機的作用。由此可見，兩臺同性能通風機并聯使用后的流量，不可能提高到一臺通風機單獨工作的兩倍。可以用流量有效系數q來衡量通風機并聯效果，其關系表達式為：

式中：L1——一臺通風機的工作時的流量；

L2——二臺通風機并聯工作時的流量。

把兩臺不同性能通風機并聯工作時，其情況就較為復雜。圖3-27中繪出兩臺不同性能通風機并聯工作在三種不同阻力管路中的合成曲線。在阻力小的RA管路系統中，并聯工作點為A點，LA＞LⅠ，LA＞L　Ⅱ，并聯有增大流量的作用。在阻力稍大的RB管路系統中，并聯工作點為B點，LⅠ，表明并聯后　Ⅱ號通風機的作用沒發揮，總流量只等于Ⅰ號通風機的流量。在阻力較大的RB=LC管路系統中，并聯工作點C降至Ⅰ號通風機性能曲線之下，LC＜LⅠ，說明Ⅰ號通風機與　Ⅱ號通風機并聯的結果還不如Ⅰ號通風機單機運行的流量。

（2）通風機的串聯工作（圖3-28）。通風機的串聯使用，是為了加大壓力。當一臺通風機提供的全壓不能滿足管路系統所需的壓力時，可以采用兩臺通風機串聯工作。串聯工作時的風量，對于每臺通風機來說是完全相等的。總壓力則為兩臺通風機串聯后的壓力之和。

兩臺同性能通風機串聯工作性能曲線，可將同一流量下的兩臺通風機的壓力進行疊加而成。從圖3-29中可見，兩臺通風機串聯后，其壓力值不可能提高到一臺通風機單獨工作時壓力的兩倍。在阻力較大的RB管路系統中獲得較大的壓力增加值，串聯后的工作點壓力P2大于串聯前的工作點壓力P1。而在阻力較小的RA管路系統中壓力的增加值很小，幾乎與一臺通風機的壓力相當。可以用壓力有效系數h來表示通風機串聯效果，其表達式為：

圖3-30繪出了兩臺不同性能通風機串聯工作在三種管路系統中的情況。在阻力大的管路系統RC工作時，串聯后獲得的壓力pC大于每臺通風機單獨工作時的壓力，獲得了壓力增加值。在阻力中等的管路系統RB工作時，串聯后的壓力等于Ⅰ號通風機的壓力，說明　Ⅱ號通風機不起任何作用。在阻力較小的管路系統RA工作時，串聯后的壓力還小于Ⅰ號通風機的壓力，說明　Ⅱ號通風機不但沒有出力反而增加了阻力。

（3）通風機聯合工作的原則。通過上述對通風機并聯、串聯工作的分析，在實際選用過程中應盡可能避免使用通風機聯合工作。當不可避免時，也應該考慮兩項原則：不論并聯還是串聯，應當選擇同性能的通風機；注意并聯、串聯的使用場合，并聯工作適合于管路阻力較小的條件，串聯工作適合于管路阻力較大的條件。

總之，選擇通風機并聯或串聯工作時一定要慎重。特別是在不同型號通風機并聯、串聯時，一定要做出并聯、串聯工作的特性曲線。經過認真的技術與經濟分析后，在確認使用合理才可采用。

三、通風機的選擇

正確合理地選擇通風機，是保證紡織車間空調系統或除塵系統獲得預期效果而又經濟運轉的一項十分重要的設計內容。通風機選擇得不合適，就不能達到使用的目的；或者造成設備、資金、能源的浪費，或者事與愿違，給系統帶來不利影響。所謂正確合理地選用通風機主要是指所選擇的通風機在管路中工作時，不但要滿足能克服流動過程中的阻力而達到所需送風量，而且要求通風機在工作時其效率為最高，或在其經濟使用范圍之內。

選擇通風機，就是確定能滿足系統全部技術要求的通風機型號、尺寸、轉速及傳動方式和電動機型號。在紡織廠還必須保證通風機輸送纖維時的安全性。正確合理地選擇通風機是使用好通風機的關鍵。所以，選用的通風機應具有盡可能高的效率，盡可能小的外形尺寸和質量。

1.根據紡織廠中不同的用途選擇通風機類型　在棉紡、毛紡、麻紡、絲綢等紡織企業中的空調系統，由于風道阻力小，送風量又很大，因而在選擇時應選取低風壓、大流量且高效率的紡織軸流式通風機。如果風道的阻力較大時可考慮選用雙吸離心式通風機。

在紡織空調系統中，還可以選用噴霧軸流式通風機。這樣，通風機不僅能輸送空氣，同時又能對空氣進行加濕調節處理。

在紡織除塵系統中，阻力較高，風量也較大，應選取中低壓、高效率的雙吸或單吸離心式通風機作為濾塵設備后的系統主風機。而系統中直接輸送含纖維塵雜空氣的接力風機，如用來直接輸送清花車肚排落棉或梳棉三吸排雜的風機，應選擇紡織排塵風機。在原棉輸送的多侖混棉機、清鋼聯等設備上配用的氣力輸送風機，應選取輸棉風機。

選擇通風機時，不但要考慮初次設備投資的費用，更重要的是要考慮以后的長期經濟運行效果。

2.確定管路系統所需的流量和全壓　在實際選擇通風機時，一般都是在管路條件決定之后來確定通風機。就是說，按系統的流量設計出管道的管徑及布置形式，再計算出管路的總阻力，然后按照管路系統的總阻力和總風量來選擇通風機。盡可能選用單臺通風機，如果現有型號的通風機不能滿足所需流量、壓力要求時，才考慮采用并聯或串聯的工作形式。

選擇通風機主要依據系統要求的流量全壓以及要求達到的通風機效率。對于這幾項基本參數，由于通風機使用時的條件不同于通風機制造時的標準條件，應把這幾項參數換算成標準狀態時的數值，才能進行選型。

通風機產品樣本上的參數指的是干凈空氣在T=293K（20℃），大氣壓pa=101325N/m2，相對濕度為50%，空氣密度ρ=1.2 kg/m3時的值。若輸送流體介質不符合上述條件狀態時，為了按照樣本或設計規范來選擇通風機，可按下列公式進行換算：

式中：L2、p2、N2——通風機在使用條件下的風量（m3/s）、全壓（N/m2）、和軸功率（kW）；

L 1、p 1、N 1——標準狀態下的流量（m3/s）、全壓（N/m2）和軸功率（kW）；

pa——當地大氣壓（N/m2）；

t——使用條件下通風機進口處的空氣溫度（℃）。

經過換算的系統流量，在選擇通風機時還應作如下修正：

式中：L——選擇通風機的流量；

L1——系統的標準狀態下的流量；

α——考慮通風機性能降低的流量安全系數。當通風機制造廠提不出數據時，6號通風機取α=1.1；7號以上通風機取α=1.05。

經過換算得出的額定管路系統流動阻力，在選擇通風機時其壓力修正為：

式中：p——選擇通風機的壓力；

p1——系統的標準狀態下的壓力（已考慮了管路系統阻力的附加數）；

β——考慮通風機性能降低的安全系數，當通風機制造廠提不出數據時，取β=1.1。

3.從通風機的性能參數表或性能曲線中確定型號規格　選擇通風機的基本任務，就是在適用型的通風機中確定其機號及轉速n，使之在允許條件下其工作接近于最高效率點。

在選用通風機時，一般是根據式（3-16）和式（3-17）的流量、壓力，在通風機性能參數表上查找合適的型號。在性能參數表中，一種機號，一定轉速條件下，有幾組流量和全壓數據。這幾組數據實際上是連續變化的代表點，它們的效率均在最高效率90%的范圍內。在所列數據范圍之外，效率比較低，一般應避免使用。有些性能參數表中注明較多點的性能參數值，如果此時有通風機性能曲線，則可根據效率曲線判斷所選的通風機工作效率高低。

軸流式通風機因其工作范圍較窄，應使其工作在最高效率點附近。對于軸流式通風機，宜選用號數大，轉速較低的型號使用。因為相同風量風壓時，雖然也可用轉速高型號小的通風機達到要求值，但經過通風機的動壓較大，造成損耗大噪聲亦大，這是選用軸流式通風機普遍應注意之點。

四、通風機的運行調節

通風機啟動前要進行認真地檢查。對于功率在75kW以上的離心式通風機，要檢查通風機入口或出口的閥門（或導向器）是否關閉，應避免通風機帶負荷啟動。這些閥門應待通風機啟動達到額定轉速后，再逐漸開啟，調整到所需位置。軸流式通風機啟動時，通風系統的閥門或附屬裝置均應處于全開啟的位置，使軸流式通風機的啟動負荷最小。

通風機投入系統運行以后，一般都需要經過調節才能達到預期的流量。要改變通風機的流量，即要改變其工作點。前面已經分析，工作點是通風機性能曲線與管路性能曲線的交點。所以，無論是改變通風機的L—p曲線，還是改變管路性能曲線，都可以實現通風機的調節。通風機流量的調節有以下幾種方法。

1.改變管路阻力調節法　改變管路阻力調節法也叫節流調節法。這種方法是通過調節管路系統中閥門等節流裝置的開啟程度大小，來增減管路阻力，從而改變管路特性曲線，達到調節流量的目的。此時通風機特性曲線不改變，由于管路特性曲線發生改變，使工作點位置改變。

圖3-31所示的p、N、η為通風機的全壓、軸功率和效率曲線，p=KL2為管路特征曲線。1點為工作點，此時通風機的流量為L1，壓力為p1，功率為N1，效率為η1。為減小流量，可關小管路上的閥門。由于閥門關小，管路阻力增大，由p1增大到p2，使通風機工作點沿L—p曲線向左上上升，點1變到點2。這時通風機的流量已由L1減到L2，軸功率由N1降到N2，效率由η1降到η2。

這種調節方法的優點是結構簡單，操作方便。但是，由于人為增加管路阻力而多消耗了一部分能量，不經濟。只適合在風量調節范圍不大或者在小型通風機上采用這種調節方法。

2.改變通風機轉速調節法　從流體動力學理論看，改變通風機轉速調節法是合理的。改變轉速后，通風機的效率基本保持不變，而功率則由于流量和壓力的降低而迅速下降。

如圖3-32所示，管路特征曲線p=KL2不變。當通風機以轉速n1工作時，工作點為1，此時流量為L1，壓力為p1，功率為N1，效率為η1。若為減小流量，把通風機的轉速n1減小到n2。由通風機定律可知，通風機的流量、壓力、功率分別作如下變化：

n2時的通風機L—p曲線如虛線所示。這樣通風機的工作點由于轉速減小而沿p=KL2曲線下降，從1點下降到2點。此時流量為L2，壓力為p2，軸功率為N2，效率為η2。

與增加管路阻力的方法相比較，利用降低通風機轉速來減小風量的調節方法，效率不會降低太多，故比較經濟。要改變通風機的轉速，在不更換電動機時可以采用皮帶變速、齒輪變速、變頻變速等方法來實現。在紡織風機上應用廣泛的是通過變頻器改變輸出頻率來調節電動機轉速，實現通風機的平滑無級調速且節能顯著。但是在紡織空調系統中，如調節不當也會給生產帶來一些負面影響。生產實踐經驗表明，軸流式空調風機的風壓本來就不高，如調節頻率低于30Hz時風壓下降過大，會造成回風溝道內因吸力不足而大量積聚短絨灰塵，時間稍長會造成送、吸風不暢，影響空調效果和車間生產。因此利用變頻器調節時，35～50Hz的調節范圍比較適宜。值得注意的是，當提高通風機轉速時，驗算是否超過葉輪允許最高圓周速度和電動機是否超載。

3.改變通風機進口導流葉片角度調節法　離心式通風機采用的導流器有軸向和徑向兩種，如圖3-33所示。軸流式通風機在葉輪前的調節門，也稱為進口導流器。導流器與轉動擋板雖有部分共同之處，即改變導流器葉片的開啟程度將改變節流阻力從而達到調節流量的目的。但是，導流器的主要作用并不在于此，而在于使氣流進入葉輪前先行轉向，從而改變壓力而達到調節流量的目的。

當導流器葉片角度為零時，此時葉片全開啟，流量L為最大。關小葉片開啟程度，即導流器葉片角度變化到30°、60°，將使通風機的性能曲線下降，工作點由1變化到2、3。從圖3-34中可以看出，流量由于工作點的改變而由L1減少到L2、L3。

比較圖3-34與圖3-31可以看出，用調節導流器葉片角度減少流量時，通風機軸功率沿著曲線1′—2′—3′下降，而用閥門等節流裝置增大阻力來減少流量時，通風機的軸功率是沿著L—N曲線向左下降的。可見前者陡于后者。因此，用調節導流器葉片角度比節流調節所消耗的功率小，是一種比較經濟的調節方法。

當然，由于用導流器調節會使通風機效率降低，在這一點上它的經濟性比改變轉速調節要差。但是，因導流器結構簡單，使用可靠，而又比節流調節優越，在通風機調節中應用比較廣泛。

綜上所述通風機調節的方法，一般認為，最經濟的是改變轉速調節法，其次是導流器調節法，調節經濟性最差的是節流調節法。

思考題

1.簡述軸流式通風機的工作原理。

2.簡述離心式通風機的工作原理。

3.為什么大型軸流式通風機不能在風道閥門關閉狀態下啟動？

4.如何確定通風機的實際工作點？

5.為什么不提倡兩臺不同型號的軸流式通風機并聯工作？

6.一臺軸流式通風機的風量為30m2/s，全壓為370Pa，風機效率為83%，問需要配備多大功率的電動機？