Шахтные вентиляторы. И. Г. Ивановский шахтные вентиляторы
 Скачать 1.92 Mb.
|
|
Министерство образования Российской Федерации Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В. В. Куйбышева) И.Г. Ивановский ШАХТНЫЕ ВЕНТИЛЯТОРЫ Рекомендовано Дальневосточным региональным учебно-методическим центром в качестве учебного посо- бия для студентов специальностей 090200 « Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», 090400 « Шахтное и подземное строительство» вузов ре- гиона. Владивосток 2003 УДК: 622.4.001.24 (075.8) ББК: 33.18 И 221 Ивановский И.Г. Шахтные вентиляторы: Учеб. пособие.— Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. – 196 с. илл. 86, табл. 7 Приведены сведения о конструкциях шахтных вентиляторов, их рабочих параметрах и характеристиках, способах регулирова- ния их рабочих режимов, о видах приводов вентиляторов, устрой- стве главных вентиляционных установок. Рассмотрены вопросы использования одиночного венти- лятора и совместной работы вентиляторов на шахтную сеть, во- просы выбора и регулирования вентиляторов для обслуживания вентиляционной сети. Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обу- чающихся горным специальностям, может быть использовано ра- ботниками горных предприятий при решении практических во- просов. Рецензенты: Кафедра Безопасности жизнедеятельности ЧГТУ (д-р техн. наук, проф. Е. Т. Воронов); ОАО "ДальвостНИИ- проектуголь" (канд. техн. наук И.В. Садардинов); В.Ф. Мороз д-р техн. наук Учебное пособие печатается с оригинал-макета, подготовленного автором. © Ивановский И.Г. , 2003 © ДВГТУ, 2003 Введение Атмосфера подземных горных выработок шахт в силу огра- ниченного их объема легко насыщается различными вредностями техногенного и ( или) природного характера. Превышение допус- тимых концентраций вредностей опасно для здоровья и жизни ра- ботающих в выработках и ограничивает возможности проведения производственных процессов. Основное направление борьбы с вредностями в подземных горных выработках – их разжижение подаваемым в выработки свежим воздухом до допустимых кон- центраций. Современное горное предприятие немыслимо без принуди- тельной вентиляции. Прекращение проветривания влечет за собой остановку всего технологического комплекса шахты или рудника, к выводу людей на поверхность, прекращению работы всех ма- шин и механизмов. От надежной, безотказной работы системы проветривания полностью зависит безопасность, а зачастую и жизнь людей, работающих в шахте. Возникновение движения воздуха в некотором объеме свя- зано с наличием в этом объеме зон, обладающих более высоким уровнем энергии по сравнению с уровнем, необходимым для со- стояния покоя. Воздух движется от зоны с большим энергетиче- ским уровнем к зоне с меньшим уровнем. Для формирования зон с различными энергетическими уровнями необходимы силы. По существу интенсивность движе- ния зависит от наличия и уровня этих сил. Из большого перечня таких сил, имеющих место быть в шахтных условиях, имеет смысл выделить и рассматривать ос- новные – силы, появляющиеся при работе вентиляторов, и силы, 4 связанные с законом гравитации. К последним относят естествен- ную тягу и силы, появляющиеся при движении достаточно боль- ших масс воды и полезного ископаемого в наклонных выработках. В связи с необходимостью наличия в шахтных условиях надежного, необходимой мощности и управляемого источника сил движения воздуха, в качестве основного источника этих сил используется вентилятор. Вентиляторы широко применяются во всех отраслях про- мышленности. На их привод расходуется огромное количество электроэнергии, вырабатываемой в стране. В частности, в горной отрасли на привод вентиляторов, обслуживающих шахту, уходит до 8 ÷ 10% электроэнергии расходуемой всей шахтой. В связи с этим, создание высокоэкономичных вентиляторов и правильное их использование имеет большое экономическое значение. В настоящем пособии рассматриваются вопросы, связанные с использованием вентиляторов, работающих в системах провет- ривания подземных выработок шахт. Как правило, шахтные сис- темы вентиляции работают в режимах, изменяющих свои пара- метры во времени, поэтому экономика работы этих систем зави- сит от правильного выбора вентилятора, способа и эффективности регулирования режимов его работы и согласования аэродинами- ческих характеристик вентилятора и вентиляционной сети шахты. В пособии не рассматриваются вопросы теории вентилято- ров, основное внимание уделяется вопросам, связанным с практи- кой использования вентиляторов для работы в шахтных сетях. Вентилятором называется механическая ус- тановка, создающая разность давлений на входе в вентиляционную сеть и выходе из нее. 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 от 3,0 ÷ 4,0 до 30,0 ÷ 40,0 м 2 . 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 до 500 ÷ 600 м 3 /с, величина разности давления, создаваемая шахтными вентиляторами, ограничивается значением 0,5 ÷ 10,0 кПа. Степень сжатия воздуха вентилятором – 1,1. Это позволяет считать воздух несжимаемым в расчетах, связанных с работой вентилятора. Глава 1 И.Г. Ивановский. Шахтные вентиляторы 6 По своему назначению шахтные вентиляторы условно под- разделяются на три группы: F главные вентиляторы, обслуживающие вентиляционную сеть всей шахты или большей ее части; F вспомогательные вентиляторы, обслуживающие значи- тельную часть вентиляционной сети шахты или работающие со- вместно с главным; F 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) лопатки 2; рабочее колесо вращается в цилиндрическом корпусе или, как его часто называ- ют, кожухе 3. За рабочим колесом располагается спрямляющий аппарат (СА) с неподвижными лопатками 4. Вращающееся рабочее колесо с помощью лопаток передает энергию привода перемещаемому воздуху. Лопатки рабочих ко- лес изготавливаются из стали или пластмасс ( для вентиляторов малых размеров). Глава 1. Конструкции и параметры вентиляторов 7 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. Рис.1.1. Схема осевого вентилятора: 1 – рабочее колесо; 2 – лопатки рабочего колеса; 3 – кожух; 4 – спрямляющий аппарат; 5 – коллектор; 6 – диф- фузор 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. И.Г. Ивановский. Шахтные вентиляторы 8 В осевых вентиляторах направление движения воздушного потока совпадает с осью вращения рабочего колеса. Воздух заса- сывается в коллектор 5, проходит между лопатками вращающе- гося рабочего колеса, затем поступает в спрямляющий аппарат, оттуда в диффузор 6 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 ( вентилятор ВОД-16). Нали- чие двух ступеней позволяет вентилятору развивать более высо- кое давление. Центробежные вентиляторы. Основу вентилятора (рис.1.2) составляет рабочее колесо 1, 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 кожухе 2, 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 Глава 1. Конструкции и параметры вентиляторов 9 коллектор 3, в котором установлены не вращающиеся, а только поворачивающиеся каждая относительно своей оси лопатки 4 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. Рис.1.2. Схема центробежного вентилятора: 1– рабочее колесо; 2 – спиральный кожух; 3 – входной коллектор; 4 – лопатки направляющего аппара- та; 5 - диффузор В рабочее колесо воздух входит параллельно оси вала вен- тилятора, затем под действием тяги, развиваемой лопатками, и центробежной силы поворачивает на 90 о , проходит между лопат- ками, выбрасывается в периферийную часть кожуха и выходит через диффузор 5 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. И.Г. Ивановский. Шахтные вентиляторы 10 Достоинства осевых вентиляторов: J относительная простота конструкции; J простота монтажа, меньшая площадь под установку; J простота реверса воздушной струи ( большинство совре- менных осевых вентиляторов вообще не нуждаются в устройстве реверсивных каналов); J относительно высокая производительность; J более высокий коэффициент полезного действия; J удобство применения вентиляторов этого типа в качестве передвижных ВМП. Достоинства центробежных вентиляторов: J высокая механическая надежность и больший срок службы, связанные с применением более низких скоростей вращения ра- бочего колеса; J высокая устойчивость и надежность рабочих режимов, свя- занные с видом характеристик этих вентиляторов; J меньшая шумность при работе; J относительно высокая депрессия; J большая глубина регулирования; J 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. Глава 1. Конструкции и параметры вентиляторов 11 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 м 3 /с или м 3 /мин, причем при проведении аэродинамических расчетов используется исключительно первый вариант. Производительность шахтных вентиляторов колеблется в весьма широких пределах. Вентиляторы, используемые как ВМП, имеют производительность 2,0 ÷ 20,0 м 3 /с, используемые как вспо- могательные и главные – 20,0 ÷ 600,0 м 3 /с. Депрессия вентилятора ( Н В ). 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/м 2 ). В техни- ческой литературе встречаются и используются и другие единицы давления – кгс/м 2 и мм вод.ст. Соотношение всех используемых единиц может быть представлено выражением 1 кгс/м 2 = 1 мм вод.ст. = 1 даПа = 10Па И.Г. Ивановский. Шахтные вентиляторы 12 Величина депрессии, развиваемой шахтными вентилятора- ми, колеблется в пределах 0,5 ÷ 10,0 кПа. Диаметр рабочего колеса (D B ). Диаметр рабочего колеса – параметр конструктивный, он не может быть изменен в течение срока службы вентилятора. Шахтные вентиляторы выпускаются с диаметрами рабочего колеса 0,3 ÷ 1,2 м ( вентиляторы местного проветривания) и 1,1 ÷ 5,0 м (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 от 250 мин –1 ( вентиляторы с диаметром рабочего колеса 4,0 ÷ 5,0 м) до 3000 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. |