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    公路隧道縱向通風系統射流風機選型計算

    2016-07-18 13:22:24點擊:
    【摘要】 為滿足公路隧道通風降噪的需要,提出了射流風機推力影響因素及其選用要求。在計算隧道中總推力的前提下確定出射流風機的推力。并確定所用風機的數量。 

    關鍵詞:噴流式通風機 隧道 選用 計算 

    一、引言 

    在公路隧道縱向通風系統中,射流風機通常是并聯為一組,并沿隧道方向間隔布置,為了滿足隧道內噪聲環境的要求,射流風機通常配有整體消聲器。在夜間,為了防止隧道洞口產生較大的噪聲,通常是只運行隧道中間部分的風機,或者加長靠近隧道洞口處的風機消聲器長度,或者采用雙速射流風機。 

    二、射流風機推力影響因素及選用 

    1.每組風機之間的縱向距離 

    如果隧道中每組風機之間具有足夠的距離,則噴射氣流會有充分的逐漸減速,如果噴射氣流減速不完全,將會影響到下一級風機的工作性能。一般情況下,每組風機之間的縱向間距取為隧道截面水力當量直徑的10倍或10倍以上,也可以取風機空氣動壓(Pa)的十分之一作風機縱向間距(m),同一組風機之間的中心距至少取為風機直徑的2倍。隧道中的射流風機布置并不一定具有同一間距,只要風機之間具有足夠的縱向間距,則風機可以盡可能地布置在靠近隧道洞口的位置;如果風機軸向安裝位置允許存在一定傾斜,則風機之間的縱向距離可以減少,從而可以提高安裝系數。 

    2.隧道中空氣流速、風機與壁面及拱頂的接近度 

    風機推力是在空氣靜止條件下,根據風機的空氣動量的變化而測定的。如果風機進口的空氣處于運動狀態,則風機中空氣動量的變化值必然減小。如果射流風機的安裝位置靠近隧道壁面或拱頂,則空氣射流與壁面或與拱頂之間必然產生附加摩擦損失。 

    3.風機尺寸 

    射流風機耗電量與推力之比與風機出口風速有關,對于給定的推力要求,出口風速越高,耗電量越大。因此,為了降低運行成本,應盡可能選用大直徑、低轉速或葉片角度小的風機。對于給定的風機尺寸,如果降低其推力,必然導致風機數量的增加,從而增加風機本身的投資,但此時風機出口風速也隨之降低,使得消聲器得以取消或減小其長度。 

    4.可逆運轉風機 

    可逆運轉風機與單向風機相比,效率略低,且噪聲稍高,但此類風機可以使隧道的運營具有較大的選擇性。如在特別需要的情況下,單向隧道可以用作雙向運營,在著火時,風機可以反轉排煙。 

    三、隧道中總推力計算 

    對于采用縱向通風方式的公路隧道,在確定了其需要的空氣量后,使可以計算用于克服隧道中全部空氣阻力所需要的射流風機的推力,隧道中的空氣阻力主要由以下各項阻力組成。 

    1.隧道進口、出口空氣阻力 

    隧道進口、出口空氣阻力pen,ex通常取為隧道中空氣動壓的1.5倍,如果隧道進口置有流線型喇叭段結構,出口置有擴散結構,則此項阻力會小些。 

    pdt=1/2ρV2T 

    式中 pdt——隧道空氣動壓,Pa 
    ρ——空氣密度,kg/m3 
    VT——隧道中空氣平均流速=qT/VT,m/s 
    qT——隧道中空氣流速,m/s 
    AT——隧道截面積,m2 

    2.車輛拖阻或阻力 

    在單向隧道中,如果車輛速度低于隧道中風速,車輛會產生拖阻,如果車輛速度大于隧道中風速,則車輛會對空氣流動產生助推力;在雙向隧道中,與風速反向的車輛行駛速度會對空氣流動產生阻力,車輛拖阻或助推力計算如下: 

    pdrag=CdAV/AT×0.5ρ〔(NC1+NT1)(VV1+VT)2-(NC2+NT2)|VV2-VT|(VV2-VT)〕 

    式中 pdrag——車輛拖阻或阻力,Pa 
    Cd——車輛拖阻系數(1.0) 
    AV——車輛迎風面積(小汽車:2m2,卡車6m2) 
    NC1——與風向相反行駛小汽車車輛數 
    NT1——與風向相反行駛卡車車輛數 
    NC2——與風向同向行駛小汽車車輛數 
    NT2——與風向同向行駛卡車車輛數 
    VV1——與風向相反行駛車輛速度,m/s 
    VV2——與風向同向行駛車輛速度,m/s 

    對于單向隧道NC1=0,NT1=0 

    3.環境條件 

    由于隧道的地理位置不同,隧道進出口的環境條件存在較大差異,如自然風速、風向、空氣溫度、海拔、大氣壓等條件會差別較大,從而會導致煙囪效應(stack effects),應從隧道的空氣阻力中增加或減掉此效應。由于隧道兩端大氣壓差而引起的阻力pstack應由測量值確定,并增加到系統阻力中。 

    4.隧道中表面摩擦損失 

    隧道中的懸掛物表面,如照明燈具、道路方向指示牌等會對隧道中的空氣流動產生阻力。其計算如下: 

    pL=0.5ρV2TL/Dh 

    式中 VT——隧道中空氣平均流速,m/s 
    L——隧道長度,m 
    Dh——隧道橫截面當量直徑=4AT/PT,m 
    AT——隧道橫截面積,m2 
    PT——隧道橫截面周長,m 
    f——摩擦系數 

    通常情況下,f取值為0.02~0.04,主要取決于隧道表粗糙度及隧道中懸掛物的尺寸及數量。如果上述因素不易確定,則取f=0.025。 

    5.隧道中總推力TT 

    隧道中的總推力是用于克服隧道中的空氣阻力,故 

    TT=pTAT 

    pT即為1~4中各項阻力損失之和 

    pT=pen,ex+pdrag±pstack+pL 

    四、射流風機推力 

    射流風機的基本推力等于風機進出口空氣動量的變化。風機進口或出口空氣動量等于空氣質量流量與進口或出口的平均流速之乘積。根據隧道中射流風機的布置原則,通常認為射流風機進口處空氣流速為0,故射流風機的理論推力為: 

    Tm=ρqVFVF=ρqvf2/AF 

    式中 qVF——風機中空氣體積流量,m3/s 
    VF——風機出口空氣平均流速,m/s 
    Af——風機有效通流面積,m2 

    上式僅適用于流速均勻分布的情況,而風機中的流速分布通常差別很大,主要取決于風機的設計,特別是葉輪上的輪轂直徑與葉片長度的比、葉片設計基礎(自由流動,強制流動或旋渦流)、整流體的效率以及流動障礙物的布置等。 

    射流風機的推力測試是按ISO13350〔1〕進行的,WOODS射流風機的測試推力〔2〕一般為理論推力的0.85~1.05倍,而其它射流風機的測試推力僅為理論推力的0.65倍或更低。 

    隧道中的總推力等于隧道中所有射流風機產生的推力之和。不管射流風機的布置是并聯、串聯還是其它布置形式。 

    五、隧道中射流風機數量的確定 

    NF=TT/Ti,小數點圓整為1 
    式中 NF——射流風機數量 
    TT——隧道中推力,N 
    Ti——射流風機安裝推力,N 

    射流風機的安裝推力通常會小于射流風機的測試推力(按ISO13350)或理論推力,這主要是由于風機安裝之后會受到其周圍客觀環境的影響。 

    射流風機的安裝推力Ti=TmK1K2K3 (N) 

    K1是隧道空氣流速與射流風機出口風速之間的影響系數。在相同出口風速條件下,隧道中空氣流速越小,則K1越大;在隧道中空氣流速相同的條件下,出口風速越大,K1值越大,這主要是由于風機進口處空氣動量的K1值不同而造成的。K1值選擇參見圖1。 

     
    圖1 隧道中空氣流速對射流風機推力的影響曲線

    K2是風機安裝偏心校正系數。風機安裝偏心是指風機安裝位置靠近隧道的壁面或拱頂,從而使部分氣流撞擊壁面,不能進入隧道主氣流。K2值選擇參見圖2。

     
    Z——射流風機軸線至隧道壁面或拱頂距離 
    DF——射流風機直徑 
    DT——隧道橫截面積當量直徑 
    圖2 與隧道主軸線平行安裝射流風機推力受壁面影響曲線/p>K3是風機安裝時軸線傾斜的較正系數,如圖3所示。

     
    圖3 風機安裝時軸線傾斜對推力的影響曲線

    由圖3可以看出,當風機安裝偏心度為0.16時,即使其軸向傾斜角較大,其校正系數K3也大于1,超過10%。因此,選擇K3時,應與K2一起考慮。對于WOODS風機,其K2K3值一般如下取值:  

    傾角      K2K3 
    0       0.82 
    5       0.88 
    10       0.93 
    15       0.90 

    六、結束語 

    在設計隧道通風系統時,射流風機經常被選用的原因之一是其具有低的初投資和低的運行費用。同時,射流風機還可以與通風系統聯合使用,用于排風和排煙。 

    隧道內的空氣流動主要是由于存在氣流壓差。射流風機通過噴射高速氣流而產生推力,隨著空氣流速的減小,其能量傳遞給沿隧道內的運動空氣,從而產生隧道內的空氣壓差,其大小等于射流風機的推力與隧道橫截面積之商,用于克服隧道內的空氣流動阻力。因此,射流風機的選型主要取決于對風機推力的要求(即風機出口氣流噴射速度的要求)以及所需排風量(即風機直徑)的要求。 
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