第四节　通风机的选择与运行

一、通风机的性能参数和特征曲线

1.通风机的基本性能参数　通风机的主要性能参数包括流量L、全风压p、功率N、效率η、转数n以及比转数ns。要了解通风机的性能，必须正确理解通风机性能参数的含义。

（1）流量。通风机的流量常采用容积流量，即单位时间内流过通风机的空气容积。容积流量的单为m3/h或m3/s。在通风机的样本或铭牌上常用m3/h；在通风机的设计计算或性能计算中均用m3/s。

必须注意的是，通风机的容积流量指的都是通风机进口处的容积流量。因为，随着通风机各流通截面上的压力增加，流过各截面上的容积流量将随着变化。通风机进、出口容积流量之间的关系，可以用连续性方程表示：

式中：ρ1——进口处的空气密度；

L1——进口处的容积流量；

ρ2——出口处的空气密度；

L2——出口处的容积流量；

ρ——任意流通截面上的气体密度；

L——容积流量。

当气体的压力很低时，ρ1≈ρ2≈ρ，则称为不可压缩流动，这时通风机各处的容积流量相等。近似计算时空气的密度可取标准状况条件下空气的密度值1.2 kg/m3。所谓标准状况条件是指空气的压力为101325Pa，温度为20℃，相对湿度为50%。

（2）全压。通风机的全压P（N/m2）为通风机的出口截面上的总压与进口截面的总压之差，即：

式中：pst2，ρ2，v2——风机出口截面上空气的静压（N/m2），密度（kg/m3）和平均流速（m/s）；

pst1，ρ1，v1——风机进口截面上空气的静压（N/m2），密度（kg/m3）和平均流速（m/s）。

对于通风机来说，由于输送的是气体，即使进出口风管直径相差不大，但流速仍可相差很大。因此，其动压改变较大，且在全压中所占的比例很大，有时甚至可达全压的50%以上。但是，管路的输送阻力要由静压力来克服，因此，有时需用通风机的pst，动压pd的数据。通风机的动压pd（N/m2）是指出口截面气体动能所表征的压力，即：

通风机的静压pst等于通风机的全压减去通风机的动压，即：

由式（3-2）～式（3-4），得：

从式（3-5）可以看出，通风机的静压既不是通风机出口空气的静压pst2，也不等于通风机出口处与进口处空气的静压差。

（3）功率。通风机所输送的气体，在单位时间内从通风机中所获得的有效能量，称为通风机的有效功率Ne也就是通风机的输出功率，即：

通风机对流体所做的有效功率，必须从原动机那里获得。原动机传递给通风机轴上的功率称为轴功率，用符号N表示。因为在通风机内部有各种损失，因而轴功率不可能完全传给流体，所以有效功率始终小于轴功率，即Ne＜N。

（4）效率。通风机的效率是评价能耗指标的主要依据.通风机的有效功率与轴功率之比，称为通风机的总效率，用符号η表示，即

（5）转速。转速系指通风机的转轴每分钟的转速，用符号n表示，单位为r/min。一定的转速，产生一定的流量Q、全压p，并对应着一定的轴功率N。当转速改变后，流量Q、全压p以及轴功率N都将随之改变。

（6）无因次系数。由于同类型通风机具有几何相似、运动相似和动力相似的特性，则每台通风机的流量、压力、功率与输送气体的密度、叶轮外径及转速所组成的同因次量之比是一个常数。也就是说，从通风机的性能参数中除去转速、尺寸、密度等因素的计量单位，就得出无因次性能参数。这些无因次性能参数分别称为流量系数L、压力系数p、功率系数N，其表达式为：

式中：L——通风机的流量，m3/s；

p——通风机的全压，N/m2；

N——通风机的轴功率，W；

D——叶轮直径，m；

ρ——输送气体的密度，kg/m3；

u——叶轮外缘线速度，m/s。

凡几何相似的风机，其无因次系数L、p、N是相同的。在相似工况下运行的风机，不管其尺寸大小，只要具有相同的无因次系数组成，就具有相似的性能。利用无因次系数，可以作出无因次性能曲线，用来比较和选择通风机。压力系数p还用来作为通风机的命名参数。

（7）比转速。比转速的概念最早在研究水轮机时引入，以后又广泛地应用于通风机和水泵。比转速可作为通风机分类、系列化和相似设计的依据，因而是通风机的一个非常重要的参数，用ns表示。通风机的比转速用下列式确定

在工程中，当L以m3/s为单位、p以mmH2O为单位、n以r/min为单位计算时，一般离心式通风机的比转速为15～80，轴流式通风机的比转速为100～500。

2.通风机的特性曲线　利用通风机的基本方程式推演可得到理论的通风机特性曲线，但与实际情况差距比较大。因此，实际应用上都采用实验方法绘制。实验的方法是，在通风机入口端设置流量调节阀，用阀门控制，以获得某一型号通风机在一定转速下的各种不同流量与相对应的压力和轴功率数值。在横坐标为流量L，纵坐标表示压力p的坐标系中，将获得的点表示出来。然后用手滑的曲线将所有的点连起来，即得到该通风机的压力特性曲线，称为L—p特性曲线。在以流量L为横坐标，轴功率N为纵坐标的坐标系中，获得该通风机在一定转速下的流量与轴功率之间的关系曲线，称为L—N特性曲线。通过测得的通风机的轴功率N、流量L和压力p，即可利用式（3-6）、式（3-7）计算出通风机的效率。于是，在以流量L为横坐标，以效率η为纵坐标的坐标系中，便可获得通风机的效率曲线，称为L—η特性曲线。

通风机的L—p、L—N、L—η三条特性曲线称为通风机的工作特性曲线。在实际运用中，一般都把这三条曲线绘在一个坐标图上，这时纵坐标分别表示的是压力p、轴功率N和效率η。

（1）离心式通风机的特性曲线分析。图3-20为两种叶轮的离心式通风机的特性曲线略图。从图3-20中可看出，前向叶轮通风机的L—p曲线在某一区段内，流量增大时全压的变化较平缓。而对于后向叶轮通风机来说，全压是随着流量增大呈下降趋势。离心式通风机的L—η曲线是马鞍形的，在设计流量附近效率最高。流量过小或过大时，由于冲击损失的增大，泄露损失的变化均使效率下降。一般地，前向叶轮的效率比后向叶轮的效率稍低些。轴功率N与流量，全压和效率有关。流量开始增加时，轴功率也随之增大。对于前向叶轮通风机，L—N曲线是随L的增加而一直上升，称可过载通风机。后向叶轮通风机当流量超过设计流量时，由于全压减小得较多，轴功率几乎不在增加；故有功率不过载的优点。

（2）轴流式通风机的特性曲线分析。图3-21是轴流式通风机的特性曲线图。轴流式通风机是按照最佳工作点设计的，L—η曲线的最高效率点就是设计工作点。图中的L—p曲线显示，在最高效率点左侧有一段下凹段。这是因为，当轴流式通风机的流量小于设计值时，叶片内部气流的流动情况趋于复杂化，叶顶部的进口端将出现涡流甚至逆流。在这段流量区域内属不稳定工况区。凹部的形形状与叶栅设计所取的参数有关。

由L—N曲线可知，当流量减小时轴功率N反而增大，当流量L=0时轴功率可达最大值。圆弧板形叶片的轴流式通风机，小流量时的主要特点是零流量的轴功率最大。故此种风机不宜关闭风道启动。一般机翼形叶片的轴流式通风机，在小流量时其功率特性变化比较平缓，最大功率位于最高效率点附近，但其零流量的轴功率也还是较大。因此，轴流式通风机不像离心式通风机那样具有启动功率小的优点。

二、通风机的工况分析

1.通风机在管路中的实际工作状况　管路系统的阻力是随风速的变化而变化的。对于一定的管路系统，风速是由流经管路系统的流量来决定的。应用流体力学的有关理论可以导出管路系统阻力与流量之间的关系式

式中：p——管路中的总阻力；

p0——管路系统中的背压，即排汽空间与进气空间的压力差；

K——管路中的阻力系数；

L——流经管路中的总流量。

由式（3-12）可知，空气流经管路系统时必须克服管路中的阻力和进排汽空间的压力差。式（3-12）表示的管路系统中的总阻力与流经系统的流量之间的关系曲线是一条抛物线。我们把这条关系曲线称为管路特性曲线。

当管路系统中有背压时，这条抛物线过p轴的p0点，如图3-22所示。当管路系统中无背压时，该抛物线通过原点，如图3-23所示。当影响管路中的阻力系数K的因数改变时，K值将随之改变，管路特性曲线亦将发生变化。例如，当关小风道中的阀门时，K值增大则管路特性曲线变陡。当阀门开大或扩大风道断面积时，K值减小则管路特性曲线变缓。

管路中的阻力在管路结构不变时决定于流量。流量是由在管路系统中工作的通风机所输送的，通风机的流量、压力又应按通风机的性能曲线变化。因此，当通风机在管路系统工作时，必须同时满足通风机性能曲线和管路特性曲线。也就是说，通风机的实际工作状况，是由通风机性能曲线与管路特性曲线联合确定的。在p—L坐标中，通风机性能曲线与管路特性曲线的交点M，就是通风机在管路中实际工作点。如图3-24所示，图中A点是通风机实际工作功率点，B点称为通风机实际工作效率点。

通风机在管路中工作的效率最高点称为最佳工作点。选择通风机时，要尽可能地让工作点达到理想状态的最佳值。但是在实际工作中，由于设计计算误差或管路系统的变化都会造成通风机工作偏离最佳工作点的情况出现。为了使通风机在管路中既满足流量、压力的要求，又不得使工作效率低于最高工作效率的90%，必须使选用的通风机进行工作点调整。

2.通风机的联合工作及其分析　通风机的联合工作，在不得已的情况下才选用。因为通风机联合工作时，在技术上、经济上都不是最合理的。通风机的联合工作，包括通风机的并联工作和串联工作。

（1）通风机的并联工作（图3-25）。通风机的并联使用，是为了加大流量。当需要的风量较大，无适合的通风机，或在现有设备上增加风量时，可以用两台通风机并联工作。并联后的压力，对于每台通风机都是相等的，而总流量则为各台并联后通风机流量之和。

两台同性能通风机并联工作时，根据压力相同、流量叠加的原则，可求得其合成性能曲线。从图3-26中可明显看出，通风机并联使用在阻力较小的RA管路系统中时，可以获得较大得流量增加值。而并联工作在阻力较大的RB管路系统中时，几乎只起到一台通风机的作用。由此可见，两台同性能通风机并联使用后的流量，不可能提高到一台通风机单独工作的两倍。可以用流量有效系数q来衡量通风机并联效果，其关系表达式为：

式中：L1——一台通风机的工作时的流量；

L2——二台通风机并联工作时的流量。

把两台不同性能通风机并联工作时，其情况就较为复杂。图3-27中绘出两台不同性能通风机并联工作在三种不同阻力管路中的合成曲线。在阻力小的RA管路系统中，并联工作点为A点，LA＞LⅠ，LA＞L　Ⅱ，并联有增大流量的作用。在阻力稍大的RB管路系统中，并联工作点为B点，LⅠ，表明并联后　Ⅱ号通风机的作用没发挥，总流量只等于Ⅰ号通风机的流量。在阻力较大的RB=LC管路系统中，并联工作点C降至Ⅰ号通风机性能曲线之下，LC＜LⅠ，说明Ⅰ号通风机与　Ⅱ号通风机并联的结果还不如Ⅰ号通风机单机运行的流量。

（2）通风机的串联工作（图3-28）。通风机的串联使用，是为了加大压力。当一台通风机提供的全压不能满足管路系统所需的压力时，可以采用两台通风机串联工作。串联工作时的风量，对于每台通风机来说是完全相等的。总压力则为两台通风机串联后的压力之和。

两台同性能通风机串联工作性能曲线，可将同一流量下的两台通风机的压力进行叠加而成。从图3-29中可见，两台通风机串联后，其压力值不可能提高到一台通风机单独工作时压力的两倍。在阻力较大的RB管路系统中获得较大的压力增加值，串联后的工作点压力P2大于串联前的工作点压力P1。而在阻力较小的RA管路系统中压力的增加值很小，几乎与一台通风机的压力相当。可以用压力有效系数h来表示通风机串联效果，其表达式为：

图3-30绘出了两台不同性能通风机串联工作在三种管路系统中的情况。在阻力大的管路系统RC工作时，串联后获得的压力pC大于每台通风机单独工作时的压力，获得了压力增加值。在阻力中等的管路系统RB工作时，串联后的压力等于Ⅰ号通风机的压力，说明　Ⅱ号通风机不起任何作用。在阻力较小的管路系统RA工作时，串联后的压力还小于Ⅰ号通风机的压力，说明　Ⅱ号通风机不但没有出力反而增加了阻力。

（3）通风机联合工作的原则。通过上述对通风机并联、串联工作的分析，在实际选用过程中应尽可能避免使用通风机联合工作。当不可避免时，也应该考虑两项原则：不论并联还是串联，应当选择同性能的通风机；注意并联、串联的使用场合，并联工作适合于管路阻力较小的条件，串联工作适合于管路阻力较大的条件。

总之，选择通风机并联或串联工作时一定要慎重。特别是在不同型号通风机并联、串联时，一定要做出并联、串联工作的特性曲线。经过认真的技术与经济分析后，在确认使用合理才可采用。

三、通风机的选择

正确合理地选择通风机，是保证纺织车间空调系统或除尘系统获得预期效果而又经济运转的一项十分重要的设计内容。通风机选择得不合适，就不能达到使用的目的；或者造成设备、资金、能源的浪费，或者事与愿违，给系统带来不利影响。所谓正确合理地选用通风机主要是指所选择的通风机在管路中工作时，不但要满足能克服流动过程中的阻力而达到所需送风量，而且要求通风机在工作时其效率为最高，或在其经济使用范围之内。

选择通风机，就是确定能满足系统全部技术要求的通风机型号、尺寸、转速及传动方式和电动机型号。在纺织厂还必须保证通风机输送纤维时的安全性。正确合理地选择通风机是使用好通风机的关键。所以，选用的通风机应具有尽可能高的效率，尽可能小的外形尺寸和质量。

1.根据纺织厂中不同的用途选择通风机类型　在棉纺、毛纺、麻纺、丝绸等纺织企业中的空调系统，由于风道阻力小，送风量又很大，因而在选择时应选取低风压、大流量且高效率的纺织轴流式通风机。如果风道的阻力较大时可考虑选用双吸离心式通风机。

在纺织空调系统中，还可以选用喷雾轴流式通风机。这样，通风机不仅能输送空气，同时又能对空气进行加湿调节处理。

在纺织除尘系统中，阻力较高，风量也较大，应选取中低压、高效率的双吸或单吸离心式通风机作为滤尘设备后的系统主风机。而系统中直接输送含纤维尘杂空气的接力风机，如用来直接输送清花车肚排落棉或梳棉三吸排杂的风机，应选择纺织排尘风机。在原棉输送的多仑混棉机、清钢联等设备上配用的气力输送风机，应选取输棉风机。

选择通风机时，不但要考虑初次设备投资的费用，更重要的是要考虑以后的长期经济运行效果。

2.确定管路系统所需的流量和全压　在实际选择通风机时，一般都是在管路条件决定之后来确定通风机。就是说，按系统的流量设计出管道的管径及布置形式，再计算出管路的总阻力，然后按照管路系统的总阻力和总风量来选择通风机。尽可能选用单台通风机，如果现有型号的通风机不能满足所需流量、压力要求时，才考虑采用并联或串联的工作形式。

选择通风机主要依据系统要求的流量全压以及要求达到的通风机效率。对于这几项基本参数，由于通风机使用时的条件不同于通风机制造时的标准条件，应把这几项参数换算成标准状态时的数值，才能进行选型。

通风机产品样本上的参数指的是干净空气在T=293K（20℃），大气压pa=101325N/m2，相对湿度为50%，空气密度ρ=1.2 kg/m3时的值。若输送流体介质不符合上述条件状态时，为了按照样本或设计规范来选择通风机，可按下列公式进行换算：

式中：L2、p2、N2——通风机在使用条件下的风量（m3/s）、全压（N/m2）、和轴功率（kW）；

L 1、p 1、N 1——标准状态下的流量（m3/s）、全压（N/m2）和轴功率（kW）；

pa——当地大气压（N/m2）；

t——使用条件下通风机进口处的空气温度（℃）。

经过换算的系统流量，在选择通风机时还应作如下修正：

式中：L——选择通风机的流量；

L1——系统的标准状态下的流量；

α——考虑通风机性能降低的流量安全系数。当通风机制造厂提不出数据时，6号通风机取α=1.1；7号以上通风机取α=1.05。

经过换算得出的额定管路系统流动阻力，在选择通风机时其压力修正为：

式中：p——选择通风机的压力；

p1——系统的标准状态下的压力（已考虑了管路系统阻力的附加数）；

β——考虑通风机性能降低的安全系数，当通风机制造厂提不出数据时，取β=1.1。

3.从通风机的性能参数表或性能曲线中确定型号规格　选择通风机的基本任务，就是在适用型的通风机中确定其机号及转速n，使之在允许条件下其工作接近于最高效率点。

在选用通风机时，一般是根据式（3-16）和式（3-17）的流量、压力，在通风机性能参数表上查找合适的型号。在性能参数表中，一种机号，一定转速条件下，有几组流量和全压数据。这几组数据实际上是连续变化的代表点，它们的效率均在最高效率90%的范围内。在所列数据范围之外，效率比较低，一般应避免使用。有些性能参数表中注明较多点的性能参数值，如果此时有通风机性能曲线，则可根据效率曲线判断所选的通风机工作效率高低。

轴流式通风机因其工作范围较窄，应使其工作在最高效率点附近。对于轴流式通风机，宜选用号数大，转速较低的型号使用。因为相同风量风压时，虽然也可用转速高型号小的通风机达到要求值，但经过通风机的动压较大，造成损耗大噪声亦大，这是选用轴流式通风机普遍应注意之点。

四、通风机的运行调节

通风机启动前要进行认真地检查。对于功率在75kW以上的离心式通风机，要检查通风机入口或出口的阀门（或导向器）是否关闭，应避免通风机带负荷启动。这些阀门应待通风机启动达到额定转速后，再逐渐开启，调整到所需位置。轴流式通风机启动时，通风系统的阀门或附属装置均应处于全开启的位置，使轴流式通风机的启动负荷最小。

通风机投入系统运行以后，一般都需要经过调节才能达到预期的流量。要改变通风机的流量，即要改变其工作点。前面已经分析，工作点是通风机性能曲线与管路性能曲线的交点。所以，无论是改变通风机的L—p曲线，还是改变管路性能曲线，都可以实现通风机的调节。通风机流量的调节有以下几种方法。

1.改变管路阻力调节法　改变管路阻力调节法也叫节流调节法。这种方法是通过调节管路系统中阀门等节流装置的开启程度大小，来增减管路阻力，从而改变管路特性曲线，达到调节流量的目的。此时通风机特性曲线不改变，由于管路特性曲线发生改变，使工作点位置改变。

图3-31所示的p、N、η为通风机的全压、轴功率和效率曲线，p=KL2为管路特征曲线。1点为工作点，此时通风机的流量为L1，压力为p1，功率为N1，效率为η1。为减小流量，可关小管路上的阀门。由于阀门关小，管路阻力增大，由p1增大到p2，使通风机工作点沿L—p曲线向左上上升，点1变到点2。这时通风机的流量已由L1减到L2，轴功率由N1降到N2，效率由η1降到η2。

这种调节方法的优点是结构简单，操作方便。但是，由于人为增加管路阻力而多消耗了一部分能量，不经济。只适合在风量调节范围不大或者在小型通风机上采用这种调节方法。

2.改变通风机转速调节法　从流体动力学理论看，改变通风机转速调节法是合理的。改变转速后，通风机的效率基本保持不变，而功率则由于流量和压力的降低而迅速下降。

如图3-32所示，管路特征曲线p=KL2不变。当通风机以转速n1工作时，工作点为1，此时流量为L1，压力为p1，功率为N1，效率为η1。若为减小流量，把通风机的转速n1减小到n2。由通风机定律可知，通风机的流量、压力、功率分别作如下变化：

n2时的通风机L—p曲线如虚线所示。这样通风机的工作点由于转速减小而沿p=KL2曲线下降，从1点下降到2点。此时流量为L2，压力为p2，轴功率为N2，效率为η2。

与增加管路阻力的方法相比较，利用降低通风机转速来减小风量的调节方法，效率不会降低太多，故比较经济。要改变通风机的转速，在不更换电动机时可以采用皮带变速、齿轮变速、变频变速等方法来实现。在纺织风机上应用广泛的是通过变频器改变输出频率来调节电动机转速，实现通风机的平滑无级调速且节能显著。但是在纺织空调系统中，如调节不当也会给生产带来一些负面影响。生产实践经验表明，轴流式空调风机的风压本来就不高，如调节频率低于30Hz时风压下降过大，会造成回风沟道内因吸力不足而大量积聚短绒灰尘，时间稍长会造成送、吸风不畅，影响空调效果和车间生产。因此利用变频器调节时，35～50Hz的调节范围比较适宜。值得注意的是，当提高通风机转速时，验算是否超过叶轮允许最高圆周速度和电动机是否超载。

3.改变通风机进口导流叶片角度调节法　离心式通风机采用的导流器有轴向和径向两种，如图3-33所示。轴流式通风机在叶轮前的调节门，也称为进口导流器。导流器与转动挡板虽有部分共同之处，即改变导流器叶片的开启程度将改变节流阻力从而达到调节流量的目的。但是，导流器的主要作用并不在于此，而在于使气流进入叶轮前先行转向，从而改变压力而达到调节流量的目的。

当导流器叶片角度为零时，此时叶片全开启，流量L为最大。关小叶片开启程度，即导流器叶片角度变化到30°、60°，将使通风机的性能曲线下降，工作点由1变化到2、3。从图3-34中可以看出，流量由于工作点的改变而由L1减少到L2、L3。

比较图3-34与图3-31可以看出，用调节导流器叶片角度减少流量时，通风机轴功率沿着曲线1′—2′—3′下降，而用阀门等节流装置增大阻力来减少流量时，通风机的轴功率是沿着L—N曲线向左下降的。可见前者陡于后者。因此，用调节导流器叶片角度比节流调节所消耗的功率小，是一种比较经济的调节方法。

当然，由于用导流器调节会使通风机效率降低，在这一点上它的经济性比改变转速调节要差。但是，因导流器结构简单，使用可靠，而又比节流调节优越，在通风机调节中应用比较广泛。

综上所述通风机调节的方法，一般认为，最经济的是改变转速调节法，其次是导流器调节法，调节经济性最差的是节流调节法。

思考题

1.简述轴流式通风机的工作原理。

2.简述离心式通风机的工作原理。

3.为什么大型轴流式通风机不能在风道阀门关闭状态下启动？

4.如何确定通风机的实际工作点？

5.为什么不提倡两台不同型号的轴流式通风机并联工作？

6.一台轴流式通风机的风量为30m2/s，全压为370Pa，风机效率为83%，问需要配备多大功率的电动机？