1、研究生机电综合实验 风机性能测试实验指导书 西安科技大学机械工程学院 通风机是煤矿安全生产中的重要设备，其性能关系到工作人员的人身安全和运行的经济性。 该实验系统可完成空气 密度 、 风量 vq 、静压 stp 、 轴 功率 shP 、静压效率 st 、转速 n 等主要参数的测试 和计算 ，并可 将通风机的压力、功率和效率等随通风机的流量的不同而变化的关系绘成曲线，即通风机的性能曲，以此来评价通风机的性能。实验系统主要有通风机、变频器、压力、温度、湿度、功率、风速传感器、数据采集装置、微型计算机系统、测试分析软件等组成。 一、 实验目的 1. 通过本实验使学生了解 矿井通 风 系统的组成，了解
2、 流量、压力、功率等各参数的关系，加强对风机运行工况的认识。 2. 学习本实验中所涉及的各种参数的测量方法，掌握风机性能 分析 的方法。 3. 通过标准环境和实验环境的对比，了解环境因数对风机性能的影响。 4. 学习计算机测试系统的构成方式及简单虚拟仪器的设计。 二、 实验对象 轴流风机、离心风机 。 三、 实验原理 与方法 本 实验采用 标准为 中华人民共和国安全生产行业标准 AQ 1011 2005 煤矿在用主通风机系统安全检测检验规范 ，按本规范要求对实验室现有 轴流风机、离心风机 进行通风机性能测试。 1. 通风机 主要 性能参数 风机的基本性能参数包括流量 vq 、全压 p 、静压
3、sp 、功率 aP 、全压效率 t 、静压效率 s 、转速 n 、比转速等，它们从不同的角度表示了风机的工作性质。 (1) 流量。风机流量是指单位时间内通过风机进口的气体的体积，单位为 m3/s，m3/h。 (2) 全压。风机全压指单位体积气体从风机进口截面经叶轮到风机出口截面所获得的机械能，单位为 Pa。若忽略位能的变化，风机的全压可表示为： 222 2 1 111( ) ( )22p p v p v （ 1） 式中： 2p ， 1p 风机出口、进口截面处气体的压强，单位为 Pa； 2v ， 1v 风机出口、进口截面处气体的平均速度，单位为 m/s。 (3) 静压。风机的全压减去风机出口截面
4、处的动压 2dp （通常将风机的出口截面处的动压作为风机的动压）称为风机的静压，用 sp 表示，即 22 2 1 112sdp p p p p v （ 2） (4) 功率。 风机的功率通常是指输入功率，即轴功率，用 aP 表示，单位为 kW。除此之外，还有内功率 iP 、全压有效功率 eP 、静压有效功率 estP ，其计算式为： ieP P P （ 3） 1000ve qpP（ 4） 1000vsest qpP （ 5） 式中， P 为除轴承外风机内损失掉的各种功率。 (5) 噪声 。通风机工作时的噪声， 衡量通风机性能的一个重要指标 (6) 全压效率。全压效率是指通风机的全压有效功率和轴功
5、率之比，用 t 表 示。 (7) 静压效率。静压效率是指通风机的静压有效功率和轴功率之比，用 s 表示。 转速。风机转速是指风机轴每分钟的转数，用 n 表示，单位为 r/min。 2. 通风机的特性曲线 将通风机的压强、功率和效率等随通风机的流量的不同而变化的关系绘成曲线，称为通风机的性能曲线，如图 1 所示。通风机的特性曲线用来表明通风机的全压（或静压）、轴功率以及效率同通风机的流量之间的变化关系。它是风机生产厂家在实验室对通风机模型进行空气动力性能试验后，再按照相似原理换算得到的同系列通风机的实际特性。 3. 通风网路特性曲线 通风网路的全压特性方程式为： 2H bQ （ 6） 式中： H
6、 通风网路所需要的全压， Pa； b 通风网路比例系数， Ns2/m8。 通风网路静压特性方程式为： 2h RQ （ 7） 式中： h 矿井通风负压， Pa； R 通风网路阻力系数， Ns2/m8。 其相应的特性曲线如图 1 所示，它表明了通风网路的流量与通风网路所需全压或静压之间的关系。 4. 通风机的特性曲线 测试与绘制 将通风机的特性曲线与相应的网路特性曲线绘在同一坐标图中，网路特性曲线与相应的通风机风压特性曲线的交点称为通风机运行工况点，如图 1 中的 M 点。 a) 轴流式 b) 离心式 图 1 通风机性能曲线图 在一定转速下通风机的风压特性曲线是不变的，工况点 M 的变化取决于网路
7、特性曲线。因此可以人为地改变通风网路的阻力，从而使通风网路具有不同阻力系数 R（或比例系数 b ）和不同的网路特性曲线。这样，工况点变化的轨迹即为通风机的风压特性曲线。 在改变通风网路阻力的过程中，对应于每一个工 况点 iQ ，测出相应的通风机静压 sip （或 ip ）及通风机的轴功率 aiP ，并由此计算出通风机的静压效率 si （或 ti ）。然后在坐标纸上以 Q 为横坐标，以 sp （或 p ）、 a P 、 s （或 t ）为纵坐标，依次确定 iQ 对应的 sip （或 ip ）、 aiP 以及 si （或 ti ）等坐标点。将各个 sip （或 ip ）点用光滑曲线连接起来，即为通
8、风机的静压（或全压）特性曲线；同理亦可得到通风机的功率及静压（或全压）效率特性曲线。 5. 通风机 主要 性能参数 测试 与计算 方法 (1) 静压测量 本 实验 静压测量采用多点分联法测量。 对 圆形断面，测点布置在水平、垂直的两条直径与硐壁的交点 a、 b、 c、 d处 。 将静 压测管一端与通风机风筒上的静压测孔相连，另一端连接在一起，并与 压 力 传感器相连 。 静压测定布置位置为图 2所示。 图 2 静压测点布置位置示意图 (2) 空气密度 测量 在距风压测点 附近 ，布置压力和温湿度传感器，测量 大气 压 、温度和湿度，并按式（ 8）计算空气密度： t pp s a t 273 3
9、779.010484.3 03 （ 8） ：空气密度， kg/m3； 0p ：大气压力， Pa； ：空气相对湿度，； satP ：温度 t 时饱和水蒸气压力， Pa； t ：空气的温度， 。 (3) 风量测量 1) 静压差法 静压差法测定风量以流体力学原理为依据。测量时在通风机入口逐渐收缩段上，选择两个近距离变径断面 作为测风截面（ - ， - ）， 在各测风截面风道壁上设置静压孔，如图 3 所示。 通过静压管口引出两路压力至压差传感器的输入端，式（ 9）计算求得风量。 12图 3 静压差法测风面 2221 21212 SS ppSSQ （ 9） 1S 、 2S ： 两个过流断面的横截面积，
10、2m 1p 、 2p ： 两个测量断面上的静压， ap ： 空气密度， 3/mkg 2) 风速法 风速法的测试原理是将风速传感器布置在测风断面上，测得风速，并求通风机的风量。 测风断面 选 在风硐的缓变流处，通常选在风机入口或出口风硐中一段较长平直段上的某处。测风断面确定后， 采用切贝切夫法 或 线性法确定测试点的位置。圆形风硐，其测试点数目 采用 24个 ，将测试点分布 4条直径 上 ，每条半径上布置 3个测试点，测试点的具体位置 见 表 1。测试点的分布情况如图 4所示 。 表 2.2测试点的确定 0. 03 2D 0.137D0.312D0.688D0.863D0.968D图 4 测试点
11、 分布位置 采用风速传感器测量各点风速，并由式（ 10）计算出风量： 测试点 线性法（ y/D） 切贝切夫法（ y/D） 1 0.032 0.032 2 0.135 0.137 3 0.321 0.312 4 0.679 0.688 5 0.865 0.863 6 0.968 0.968 ni ivnSQ 1 （ 10） iv ：测风断面上第 i 点的风速， sm/ ； S ： 测风断面 截面面积， 2m 。 风量测量也可 将整个断面划分为 n 个等 面积的小网格，将传感器布置在每个小网格的中心处，测量各点风速，风量 由式（ 11）求出 。 vS iNi iQ 1 （ 11） iv ：测风断面
12、上第 i 点的风速， sm/ ； iS ： 每个网格的 截面面积， 2m 。 (4) 轴功率测量 由安装在电机与风机之间的扭矩转速传感器测量扭矩和转速，并由式（ 11） 计算 轴功率 。 9550nMPa （ 11） aP ：轴功率 ， kW M：扭矩 ， N m n：转速 ， r/min (5) 转速测量 由安装在电机与风机之间的扭矩转速传感器测量转速。 (6) 通风机静压功率： 1000QpP ss （ 12） sP :通风机静压功率， kW； sp :通风机 静 压， Pa ； Q :通 风机风量， 3m/s 。 (7) 通风机静压效率 100ss aPP （ 13） s ： 通风机全压
13、效率，； sP ， aP ： 通风机 静 压功率、轴功率， kW。 (8) 噪声测量 在风机全速运行状态下，采用声级计在通风机扩散器 45 方向上 测量风机噪声。机壳噪声在距离壳体 1m 处测量。 6. 标准状态下性能参数的换算 由于通风机生产厂家给出的通风机性能为标准状态（或未指定状态）下的性能，为了将测得的通风机装置的性能与厂家给定的性能相比较，应把通风机装置各工况的实测性能参数换算为标准状态下的性能参数。换算公式如下： (1) 换算系数计算 空气密度换算系数 ： 1.2k （ 14） k 空气密度换算系数； 实测空气密度， 3kg/m 。 通风机转速换算系数 ： 0n Nk N （ 15
14、） 式中： nk 转速换算系数； 0N 通风机额定转速， r/min ； N 实测转速， r/min 。 (2) 通风机风量换算： QkQ nvf （ 16） vfQ 换算后通风机风量， 3m/s 。 (3) 通风机 静 压换算 snvf pkkp 2 （ 17） sfp 换算后通风机静压， Pa 。 (4) 通风机功率换算： 轴功率换算 anaf PkkP 3 （ 18） 输出静压功率换算 snsf PkkP 3 （ 19） afP 换算后通风机轴功率， kW sfP 换算后通风机静压功率， kW 7. 工况与转速调节 (1) 工况调节装置 本实验系统 在风机进口处安装圆形节流挡板，通过改变
15、挡板与通风机进口截面的夹角，改变通风机的运行工况。节流装置结构简图如图 5 所示。调节工况时，若是通风机流量从大到小的方向进行，则圆形挡板的调节过程如图 6 所示，从工况 1到工况 4，直至入风口被封严，之后继续旋转则可实现流量从小到大的控制。 风 筒旋 转 手 柄圆 形 挡 板图 5 旋转挡板结构简图 图 6 工况调节过程 (2) 风机转速调节 本 实验 系统 风机 采用变频 控制，通过改变 变频器 频率来 改变风机的转速。 四、 实验内容与要求 本实验 主要完成实验室现有通风机（离心式或轴流式）性能测试并绘制性能曲线图。主要 实验内容与要求 ： (1) 学习熟悉 RJFJC 风 机性能测试
16、系统，了解系统组成及工作原理。画出系统组成框图，以表格方式列出系统主要组成部件型号与基本参数。学习掌握软件、风机转速调节、工况调节等操作方法。利用系统自带 测试软件，对通风机进行性能测试。要求分别测试风机工作在 10HZ、 20HZ、 30HZ、 40、 50HZ 频率下， 7 个不同风阻条件下的性能参数。 绘制表格，记录 原始 测量数据。 对原始数据进行分析计算，绘制所测风机性能曲线。 (2) 按照本指导书给出的测试方法， 对 RJFJC风 机性能测试系统 进行改进设计。延长现有测试风硐，增加 风速、噪声传感器，实现风量测试。 (3) 学习 虚拟仪器设计方法，学习 相关仪器设计软件（ LABVIEW），设计通风机振动 测试 系统，并对所设计系统进行实验验证 。 完成实验室现有通风机（离心式或轴流式） 径向和轴向振动 测试 与分析 。
