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| 公路隧道纵向通风系统射流风机选型计算 | |
| 华东大学 杨洪海 崔兴华 | |
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【摘要】 为满足公路隧道通风降噪的需要，提出了射流风机推力影响因素及其选用要求。在计算隧道中总推力的前提下确定出射流风机的推力。并确定所用风机的数量。
关键词：喷流式通风机 隧道 选用 计算
一、引言
在公路隧道纵向通风系统中，射流风机通常是并联为一组，并沿隧道方向间隔布置，为了满足隧道内噪声环境的要求，射流风机通常配有整体消声器。在夜间，为了防止隧道洞口产生较大的噪声，通常是只运行隧道中间部分的风机，或者加长靠近隧道洞口处的风机消声器长度，或者采用双速射流风机。
二、射流风机推力影响因素及选用
1.每组风机之间的纵向距离
如果隧道中每组风机之间具有足够的距离，则喷射气流会有充分的逐渐减速，如果喷射气流减速不完全，将会影响到下一级风机的工作性能。一般情况下，每组风机之间的纵向间距取为隧道截面水力当量直径的10倍或10倍以上，也可以取风机空气动压(Pa)的十分之一作风机纵向间距(m)，同一组风机之间的中心距至少取为风机直径的2倍。隧道中的射流风机布置并不一定具有同一间距，只要风机之间具有足够的纵向间距，则风机可以尽可能地布置在靠近隧道洞口的位置；如果风机轴向安装位置允许存在一定倾斜，则风机之间的纵向距离可以减少，从而可以提高安装系数。
2.隧道中空气流速、风机与壁面及拱顶的接近度
风机推力是在空气静止条件下，根据风机的空气动量的变化而测定的。如果风机进口的空气处于运动状态，则风机中空气动量的变化值必然减小。如果射流风机的安装位置靠近隧道壁面或拱顶，则空气射流与壁面或与拱顶之间必然产生附加摩擦损失。
3.风机尺寸
射流风机耗电量与推力之比与风机出口风速有关，对于给定的推力要求，出口风速越高，耗电量越大。因此，为了降低运行成本，应尽可能选用大直径、低转速或叶片角度小的风机。对于给定的风机尺寸，如果降低其推力，必然导致风机数量的增加，从而增加风机本身的投资，但此时风机出口风速也随之降低，使得消声器得以取消或减小其长度。
4.可逆运转风机
可逆运转风机与单向风机相比，效率略低，且噪声稍高，但此类风机可以使隧道的运营具有较大的选择性。如在特别需要的情况下，单向隧道可以用作双向运营，在着火时，风机可以反转排烟。
三、隧道中总推力计算
对于采用纵向通风方式的公路隧道，在确定了其需要的空气量后，使可以计算用于克服隧道中全部空气阻力所需要的射流风机的推力，隧道中的空气阻力主要由以下各项阻力组成。
1.隧道进口、出口空气阻力
隧道进口、出口空气阻力pen,ex通常取为隧道中空气动压的1.5倍，如果隧道进口置有流线型喇叭段结构，出口置有扩散结构，则此项阻力会小些。
pdt=1/2ρV2T
式中 pdt——隧道空气动压，Pa
ρ——空气密度，kg/m3
VT——隧道中空气平均流速=qT/VT，m/s
qT——隧道中空气流速，m/s
AT——隧道截面积，m2
2.车辆拖阻或阻力
在单向隧道中，如果车辆速度低于隧道中风速，车辆会产生拖阻，如果车辆速度大于隧道中风速，则车辆会对空气流动产生助推力；在双向隧道中，与风速反向的车辆行驶速度会对空气流动产生阻力，车辆拖阻或助推力计算如下：
pdrag=CdAV/AT×0.5ρ〔(NC1+NT1)(VV1+VT)2-(NC2+NT2)｜VV2-VT｜(VV2-VT)〕
式中 pdrag——车辆拖阻或阻力，Pa
Cd——车辆拖阻系数(1.0)
AV——车辆迎风面积(小汽车：2m2，卡车6m2)
NC1——与风向相反行驶小汽车车辆数
NT1——与风向相反行驶卡车车辆数
NC2——与风向同向行驶小汽车车辆数
NT2——与风向同向行驶卡车车辆数
VV1——与风向相反行驶车辆速度，m/s
VV2——与风向同向行驶车辆速度，m/s
对于单向隧道NC1=0，NT1=0
3.环境条件
由于隧道的地理位置不同，隧道进出口的环境条件存在较大差异，如自然风速、风向、空气温度、海拔、大气压等条件会差别较大，从而会导致烟囱效应(stack effects)，应从隧道的空气阻力中增加或减掉此效应。由于隧道两端大气压差而引起的阻力pstack应由测量值确定，并增加到系统阻力中。
4.隧道中表面摩擦损失
隧道中的悬挂物表面，如照明灯具、道路方向指示牌等会对隧道中的空气流动产生阻力。其计算如下：
pL=0.5ρV2TL/Dh
式中 VT——隧道中空气平均流速，m/s
L——隧道长度，m
Dh——隧道横截面当量直径=4AT/PT，m
AT——隧道横截面积，m2
PT——隧道横截面周长，m
f——摩擦系数
通常情况下，f取值为0.02～0.04，主要取决于隧道表粗糙度及隧道中悬挂物的尺寸及数量。如果上述因素不易确定，则取f=0.025。
5.隧道中总推力TT
隧道中的总推力是用于克服隧道中的空气阻力，故
TT=pTAT
pT即为1～4中各项阻力损失之和
pT=pen,ex+pdrag±pstack+pL
四、射流风机推力
射流风机的基本推力等于风机进出口空气动量的变化。风机进口或出口空气动量等于空气质量流量与进口或出口的平均流速之乘积。根据隧道中射流风机的布置原则，通常认为射流风机进口处空气流速为0，故射流风机的理论推力为：
Tm=ρqVFVF=ρqvf2/AF
式中 qVF——风机中空气体积流量，m3/s
VF——风机出口空气平均流速，m/s
Af——风机有效通流面积，m2
上式仅适用于流速均匀分布的情况，而风机中的流速分布通常差别很大，主要取决于风机的设计，特别是叶轮上的轮毂直径与叶片长度的比、叶片设计基础(自由流动，强制流动或旋涡流)、整流体的效率以及流动障碍物的布置等。
射流风机的推力测试是按ISO13350〔1〕进行的，WOODS射流风机的测试推力〔2〕一般为理论推力的0.85～1.05倍，而其它射流风机的测试推力仅为理论推力的0.65倍或更低。
隧道中的总推力等于隧道中所有射流风机产生的推力之和。不管射流风机的布置是并联、串联还是其它布置形式。
五、隧道中射流风机数量的确定
NF=TT/Ti，小数点圆整为1
式中 NF——射流风机数量
TT——隧道中推力，N
Ti——射流风机安装推力，N
射流风机的安装推力通常会小于射流风机的测试推力(按ISO13350)或理论推力，这主要是由于风机安装之后会受到其周围客观环境的影响。
射流风机的安装推力Ti=TmK1K2K3 (N)
K1是隧道空气流速与射流风机出口风速之间的影响系数。在相同出口风速条件下，隧道中空气流速越小，则K1越大；在隧道中空气流速相同的条件下，出口风速越大，K1值越大，这主要是由于风机进口处空气动量的K1值不同而造成的。K1值选择参见图1。
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