 |
Конструкции и параметры вентиляторов
|
|
|
|
Вентиляционные сети шахт представляют собой совокуп- ность большого количества подземных выработок,отличающихся разнообразием параметров, влияющих на аэродинамику этих се- тей. Эти параметры постоянно меняются, следовательно, меняет- ся и аэродинамика сетей.
Выработки могут иметь различную форму поперечного се-чения, величина этого сечения колеблется в пределах от3,0 ÷ 4,0до30,0 ÷ 40,0 м2. В больших пределах колеблется и длина вырабо-ток, доходя иногда до нескольких тысяч метров. Степень шерохо-ватости стенок выработок, влияющая на величину аэродинамиче- ского сопротивления, зависит от типа и размеров крепи выработок и тоже меняется в широких пределах.
Потребители воздуха в шахте отличаются большим разно-образием как по количеству необходимого воздуха, так и по вре-мени его подачи. В качестве потребителя может фигурировать от-дельная выработка, так и вся шахта или значительная ее часть.
Эти обстоятельства привели к необходимости создания группы специализированных шахтных вентиляторов,отвечающих по своим параметрам запросам горной отрасли.
Основное отличие шахтных вентиляторов от вентиляторов,применяющихся в других отраслях промышленности– большая производительность при довольно высоких параметрах по давле- нию.Производительность этих вентиляторов может доходить до500 ÷ 600 м3/с, величина разности давления, создаваемая шахтными вентиляторами,ограничивается значением0,5 ÷ 10,0 кПа. Степень сжатия воздуха вентилятором– 1,1. Это позволяет считать воздух несжимаемым в расчетах, связанных с работой вентилятора.
По своему назначению шахтные вентиляторы условно под- разделяются на три группы:
главные вентиляторы, обслуживающие вентиляционную сеть всей шахты или большей ее части;
|
|
|
вспомогательные вентиляторы, обслуживающие значи- тельную часть вентиляционной сети шахты или работающие со- вместно с главным;
вентиляторы местного проветривания (ВМП),обеспечи- вающие воздухом отдельный забой, выработку или рабочее место.
В качестве главных и вспомогательных могут применяться одни и те же вентиляторы значительных размеров. ВМП состав-ляют отдельную группу вентиляторов, отличающихся небольши-ми размерами, малой мощностью привода и, как правило, не-большой производительностью.
Конструкции шахтных вентиляторов
Все выпускающиеся для горной отрасли вентиляторы отно- сятся по конструкции к так называемым«лопастным нагнетате- лям». В вентиляторах этого типа энергия вращающегося ротора преобразовывается в потенциальную и кинетическую, в свою оче- редь сообщаемые перемещаемому воздуху.
Лопастные вентиляторы в соответствии с характером дви- жения воздуха в них и формы ротора(рабочего колеса)подразде- ляются на осевые и радиальные, последние более известны как центробежные.
Осевые вентиляторы. Осевой вентилятор(рис.1.1) состоит из рабочего колеса(РК) 1, на втулке которого закреплены про-фильные(в форме крыла самолета) лопатки2; рабочее колесо вращается в цилиндрическом корпусе или, как его часто называ-ют, кожухе3. За рабочим колесом располагается спрямляющий аппарат(СА) с неподвижными лопатками4.
Вращающееся рабочее колесо с помощью лопаток передает энергию привода перемещаемому воздуху.Лопатки рабочих ко- лес изготавливаются из стали или пластмасс(для вентиляторов малых размеров).
Лопатки рабочего колеса могут иметь несимметричный или симметричный профиль. Осевые вентиляторы с лопатками рабо- чих колес симметричного типа являются реверсивными,посколь- ку их производительность не меняется при изменении направле- ния вращения рабочего колеса на обратное.Вентиляторы с рабо- чими лопатками несимметричного типа этим качеством не обла- дают, их производительность при изменении направления враще- ния рабочего колеса резко снижается, но эти вентиляторы имеют хорошие аэродинамические характеристики и повышенный коэф-фициент полезного действия. Спрямляющий аппарат обеспечива-
|
|
|
ет плавный переход воздуха от лопаток рабочего колеса к выходу в диффузор или сеть и частично преобразует динамическое дав-ление в движущемся потоке воздуха в статическое давление.
В конструкцию шахтных вентиляторов вводятся два обтека- теля, назначение которых заключается в снижении аэродинамиче- ских потерь, связанных с резким изменением скоростей движения воздуха. Передний обтекатель устанавливается во входном кол- лекторе, перед рабочим колесом или направляющим аппаратом, задний– после спрямляющего аппарата, перед диффузором или входом в вентиляционную сеть.
В осевых вентиляторах направление движения воздушного потока совпадает с осью вращения рабочего колеса. Воздух заса-сывается в коллектор5, проходит между лопатками вращающе-гося рабочего колеса, затем поступает в спрямляющий аппарат,оттуда в диффузор6 и выбрасывается в атмосферу(при работе вентилятора на всасывание).
Осевые вентиляторы могут быть одноступенчатыми (с од-ним рабочим колесом) и двухступенчатыми. В последнем случае в кожухе вентилятора находятся две ступени, работающие последо- вательно и имеющие каждая свое рабочее колесо.
Между рабочими колесами находится промежуточный на-правляющий аппарат(НА). Конструктивно направляющий аппа- рат состоит из неподвижных профильных лопаток или профиль- ных лопаток с регулируемым углом установки.Назначение на- правляющего аппарата– подача воздуха к рабочему колесу, уста- новленному за ним в определенном, более эффективном направ- лении, и преобразование значительной части кинетической энер- гии потока(динамического давления) в потенциальную(статиче- ское давление). Спрямляющий аппарат устанавливается за вторым рабочим колесом по ходу струи. Обе ступени могут находиться на одном валу или на отдельных валах(вентиляторВОД-16). Нали- чие двух ступеней позволяет вентилятору развивать более высо- кое давление.
|
|
|
Центробежные вентиляторы. Основу вентилятора
(рис.1.2) составляет рабочее колесо1, между передним и задним
дисками которого закреплены профильные крыловидные лопатки таким образом, что их входная кромка располагается на окружно- сти меньшего радиуса, чем выходная хвостовая часть. Рабочее ко- лесо может быть с лопатками, загнутыми вперед по ходу колеса,радиальными и загнутыми назад, назначение рабочего колеса–передавать энергию привода вентилятора перемещаемому возду- ху.Рабочее колесо вращается в спиральном кожухе2, выполнен- ном из листовой стали. Улиткообразный кожух предназначен для подачи воздуха в определенном направлении и частичного преоб- разования динамического давления в потоке воздуха в статиче- ское давление.Воздух засасывается в вентилятор через входной
оллектор 3, в котором установлены не вращающиеся, а только поворачивающиеся каждая относительно своей оси лопатки4 на-правляющего аппарата. Направляющий аппарат предназначен для
подачи воздуха к рабочему колесу с определенной скоростью и под определенным углом, это позволяет регулировать рабочие режимы вентилятора.
В рабочее колесо воздух входит параллельно оси вала вен-тилятора, затем под действием тяги, развиваемой лопатками, и центробежной силы поворачивает на90о, проходит между лопат-ками, выбрасывается в периферийную часть кожуха и выходит через диффузор5 в атмосферу(при работе вентилятора на всасы-вание). Диффузор является дополнительным преобразователем
динамического давления в потоке на выходе из кожуха в давление статическое.
Центробежные вентиляторы могут выполняться с односто-ронним или двусторонним всасом. В последнем случае на валу вентилятора устанавливается спаренное рабочее колесо, соеди-ненное втулками большего диаметра. Воздух поступает на рабо-чее колесо с двух сторон, из двух направляющих аппаратов. Дву-
стороннее всасывание позволяет разгрузить подшипники вала от осевого давления и уменьшить сопротивление движущемуся воз-духу во всасывающей части. Последнее обстоятельство позволяет увеличить производительность центробежного вентилятора.
|
|
|
Достоинства осевых вентиляторов:
относительная простота конструкции;
простота монтажа, меньшая площадь под установку;
простота реверса воздушной струи (большинство совре-
менных осевых вентиляторов вообще не нуждаются в устройстве реверсивных каналов);
относительно высокая производительность;
более высокий коэффициент полезного действия;
удобство применения вентиляторов этого типа в качестве передвижных ВМП.
Достоинства центробежных вентиляторов:
высокая механическая надежность и больший срок службы, связанные с применением более низких скоростей вращения ра- бочего колеса;
высокая устойчивость и надежность рабочих режимов,свя- занные с видом характеристик этих вентиляторов;
меньшая шумность при работе;
относительно высокая депрессия;
большая глубина регулирования;
меньшая чувствительность к загрязненному воздуху.
Выпускаемые для горной отрасли вентиляторы могут оди- наково эффективно работать как на всасывание, так и на нагнета- ние.
Параметры шахтных вентиляторов
Вентиляторы, выпускаемые для работы в системах провет-ривания шахт, различаются не только по конструкции и назначе- нию, но и своими параметрами, обуславливающими их использо- вание в тех или иных условиях.
Основными параметрами вентиляторов являются их произ- водительность, развиваемое давление, диаметр рабочего колеса, потребляемая мощность, коэффициент полезного действия, ок- ружная скорость рабочего колеса, угол поворота лопаток рабочего колеса и(или) направляющего аппарата.
Именно эти параметры определяют возможность и целесо-
образность применения конкретного вентилятора для работы в конкретной вентиляционной сети.
В горной практике для характеристики параметров вентиля- торов вместо термина«давление» чаще используется понятие«депрессия».
Условно из этой группы можно выделить параметры экс-плуатационные – производительность и депрессию, как основные. Эти два параметра объединяются в одно общее понятие– режим работы вентилятора. Три другие параметра– диаметр рабочего колеса,окружная скорость вращения рабочего колеса и угол по- ворота лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата назы-ваются регулировочными. Изменение величины любого из них приводит к изменению эксплуатационных параметров. Мощность на валу вентилятора и его коэффициент полезного действия мож- но отнести к производным параметрам, зависимым от совокупно- сти остальных параметров вентилятора.
|
|
|
Производительность вентилятора (Q В). Под производи-
тельностью вентилятора понимается объем воздуха, проходящего через вентилятор при его работе в единицу времени. Производи-тельность выражается в м3/с или м3/мин, причем при проведении
аэродинамических расчетов используется исключительно первый вариант. Производительность шахтных вентиляторов колеблется в весьма широких пределах. Вентиляторы, используемые как ВМП, имеют производительность2,0÷20,0 м3/с, используемые как вспо- могательные и главные– 20,0÷600,0 м3/с.
Депрессия вентилятора (НВ). Депрессией вентилятора на-
зывается разность статических давлений в воздушном потоке на входе в вентилятор и выходе из него. Основная единица, исполь-зуемая для выражения величины депрессии– Па(Н/м2). В техни-
ческой литературе встречаются и используются и другие единицы давления – кгс/м2 и мм вод.ст. Соотношение всех используемых
единиц может быть представлено выражением 1кгс/м2 = 1 мм вод.ст. = 1 даПа= 10Па
Величина депрессии, развиваемой шахтными вентилятора- ми, колеблется в пределах0,5÷10,0 кПа.
Диаметр рабочего колеса (DB). Диаметр рабочего колеса – параметр конструктивный, он не может быть изменен в течение срока службы вентилятора. Шахтные вентиляторы выпускаются с диаметрами рабочего колеса0,3 ÷1,2 м (вентиляторы местного проветривания) и 1,1÷5,0м (вспомогательные и главные вентиля- торы).
Скорость вращения рабочего колеса (n). Обычно имеется в
виду количество оборотов рабочего колеса в единицу времени (мин–1). В связи с большими размерами рабочих колес вентилято- ров и необходимостью обеспечения механической прочности по- следних,линейная скорость на ободе колеса(м/с) ограничивается. Выпускаемые для горной отрасли вентиляторы работают при ско- ростях от250 мин–1(вентиляторы с диаметром рабочего колеса4,0÷5,0 м) до3000 мин–1(ВМП). Изменение скорости рабочего ко-
леса вентилятора приводит к изменению его эксплуатационных параметров. Этим обстоятельством пользуются для регулировки
режимов работы вентиляторов при наличии регулируемого по скорости привода.
Угол поворота лопаток рабочего колеса (θрк). Углом пово-
рота лопаток рабочего колеса считается угол, образуемый хордой профиля лопатки рабочего колеса и плоскостью вращения по-следнего. По условиям эффективности аэродинамической схемы
осевых вентиляторов этот угол может колебаться в пределах15÷45о, его изменение приводит к изменению основных парамет-ров– производительности и депрессии вентилятора. Таким обра-зом, угол поворота лопаток рабочего колеса является регулиро-вочным параметром. В первых разработках осевых вентиляторов лопатки рабочего колеса крепились к последнему неподвижно(с помощью сварки), у этих вентиляторов отсутствовала возмож- ность регулирования режимов.Современные шахтные осевые вентиляторы выпускаются, как правило, с регулируемым углом установки лопаток.
Более того, в последних разработках конструкций шахтных
вентиляторов предусмотрены механизмы для одновременного и плавного изменения этого угла. Такой вид регулирования режи-мов работы вентиляторов называют грубой регулировкой.
Угол поворота лопаток направляющего аппарата (θна).
Углом поворота лопаток направляющего аппарата принято счи-тать угол между хордой профиля лопатки и плоскостью, прохо-дящей через ось рабочего колеса. Этот параметр вентилятора так- же относится к регулировочным. Лопатки направляющего аппа- рата могут быть закреплены жестко, в этом случае возможность регулировки отсутствует(вентиляторы ВОКД и более ранние), и могут иметь изменяемый угол установки.Изменяемый угол пово-
рота лопаток направляющего аппарата имеют все современные центробежные вентиляторы и осевые вентиляторы серий ВОКР и ВОД. Как правило, угол поворота лопаток может изменяться в пределах0÷90о. Поворот лопаток направляющего аппарата у цен-тробежных вентиляторов на90о фактически перекрывает входное сечение коллектора, сокращая до минимума производительность вентилятора и, естественно, нагрузку на валу вентилятора. Этим приемом пользуются при запуске крупных вентиляторов. Регули-рование рабочих параметров с помощью поворота лопаток на-правляющего аппарата называется тонким регулированием венти- лятора.
Мощность на валу вентилятора (N В). Мощность на валу вентилятора (кВт) для любого режима может быть подсчитана по
формуле
| NВ = | QВ HВ | , | (1.1) |
| 1000η в |
где QВ – производительность в расчетном режиме,м3/с; H В – депрессия в том же режиме, Па;
η в – статический коэффициент полезного действия для этого режима.
Статический коэффициент полезного действия (η в. ст).
Поскольку перемещение воздуха осуществляется за счет статического давления, создаваемого вентилятором, в выражении(1.1) в качестве коэффициента полезного действия используется так называемый«статический» коэффициент полезного действия, который меньше полного КПД вентилятора на20÷30%.
Величина максимального статического коэффициента по-
лезного действия зависит от аэродинамической схемы вентилято-ра. Максимальный статический коэффициент полезного действия
современных шахтных осевых вентиляторов достаточно высок и колеблется в пределах от 0,78 (ВОКР-1,8) до0,81 (ВОД-11), у центробежных вентиляторов этот параметр немного выше–
0,84÷0,86.
Вопросы для самоконтроля
1.Чем отличаются шахтные вентиляторы от других венти- ляторов, применяемых в промышленности?
2.Представьте конструкцию осевого вентилятора,назовите основные узлы и поясните их назначение.
3.Представьте конструкцию центробежного вентилятора,назовите основные узлы и поясните их назначение.
4.Назовите основные параметры вентилятора, приведите
единицы измерения этих параметров и величину в приложении к применяемым шахтным вентиляторам.
5.Какие из параметров вентиляторов называются регулиро-
вочными? Почему?
|
|
|
