Общие сведения. 1. И.И. Алиев Справочник по электротехнике и электрооборудованию: Учебное пособие для вузов

Глава ІІ. ВЕНТИЛЯТОРЫ

Общие сведения

При вращении рабочего колеса вентилятора его лопасти оказывают динамическое воздействие на обтекающий их поток воздуха. При этом возникают аэродинамические силы, создающие приращение полного давления, необходимого для движения воздуха в шахте.

Теоретическое давление, создаваемое вентилятором, на основании выражения (4) равно произведению плотности воздуха ρ; на разность произведений окружных скоростей и окружных проекций абсолютной скорости с_u на выходе из рабочего колеса и на входе в него, т. е:

 

Н_т =р(u₂c_2u – u₁c_1u). (2.1)

Если направляющим аппаратом на входе рабочего колеса поток закручивается в направлении вращения колеса (+с_1u), то давление и потребляемая вентилятором мощность уменьшаются, при обратном закручивании (- с_1u) — возрастают.

Создаваемое вентилятором давление зависит от: формы и числа лопастей, угла их установки относительно плоскости вращения в осевых вентиляторах; угла выхода потока в центробежных вентиляторах; размеров рабочего колеса и частоты его вращения; производительности вентилятора; форм и размеров всей проточной части вентилятора.

Полное давление Н вентилятора меньше теоретического на величину потерь, учитываемых гидравлическим к. п. д. вентилятора. Гидравлический к. п. д. — есть отношение полезной мощности (без учета потерь) N_п= QH_т к сумме полезной мощности и мощности, затраченной на преодоление гидравлических потерь, т. е. к мощности; определяемой по фактическому давлению, которое развивает вентилятор N = QH. Таким образом, при одном и том же значении Q можно записать

 

Н = _гН_т. (2.2)

Полное давление Н, развиваемое вентилятором, расходуется на преодоление сопротивлений в вентиляционной сети (статическое давление Н_ст) и на сообщение потоку на выходе из диффузора вентилятора в атмосферу некоторой скорости (динамическое— скоростное давление Н_д). Следовательно, статическое давление вентилятора меньше полного на величину динамического давления.

Отношение полезной мощности, определенной по полному давлению вентилятора, к потребляемой мощности (на валу вентилятора) называется полным к. п. д. вентилятора. Аналогично по статическому давлению определяется статический к. п. д. вентилятора.

Экономичность вентилятора при работе на всасывание оценивается статическим

к. п. д. (так как динамическое давление на выходе из диффузора бесполезно теряется), а при работе на нагнетание - полным к. п. д. .

Применительно ко всей вентиляторной установке, под которой понимают вентилятор с примыкающими к нему участком вентиляционного канала и выходными элементами, введены понятия давлений и к. п. д. установки: Н_У и Н_У.СТ; _У и _У._СТ.

 

а) б)

 

 

Аэродинамические качества вентилятора характеризуются производительностью Q, давлением Н_СТ или Н, к. п. д. _СТ или и потребляемой мощностью N - мощностью на валу вентилятора.

Зависимость между указанными параметрами данного вентилятора при определенных углах установки лопастей рабочего колеса, лопаток направляющего и спрямляющего аппаратов и при постоянной частоте вращения его ротора называется аэродинамической характеристикой вентилятора. Она получается опытным путем при испытаниях вентилятора.

Индивидуальные аэродинамические характеристики вентиляторных установок показаны на рис. 18. Рабочий участок 1 — 2 характеристики установки с центробежным вентилятором (рис. 18, а) получен из условия экономичности. Работа главной вентиляторной установки считается экономичной при η_у.ст ≥ 0,6 и вспомогательной при η_у. ≥ 0,5.

На характеристиках установок с осевыми вентиляторами (рис. 18, б) слева от точки В — область неустойчивой, т. е. недопустимой работы. Поэтому координаты точки 1 определяются из условия устойчивой работы пересечением параболы

 

c характеристикой вентилятора. Ордината точки 3 определяется из условия обеспечения устойчивой работы вентилятора при увеличении сопротивления вентиляционной сети в 1,5 раза. Точка 2 получена из условия экономичной работы. Таким образом, для установок с осевыми вентиляторами рабочий участок 1 — 2 аэродинамической характеристики определяется из условия устойчивой и экономичной работы.

В процессе эксплуатации вентиляторных установок возникает необходимость регулирования их рабочего режима. Для этого лопасти рабочих колес, лопатки направляющих аппаратов и закрылки лопастей (поворотная часть лопастей) рабочих колес вентиляторов могут устанавливаться под различными углами в зависимости от условий эксплуатации. Схемы отсчета углов установки лопастей _к рабочего колеса, лопаток _н.а и _{с. а.} направляющего и спрямляющего аппаратов осевого вентилятора показаны на рис.

19, а, лопаток _{н. а} направляющего аппарата - на рис. 19, б, ₃, закрылков лопастей рабочего колеса центробежных вентиляторов - на рис. 19, в и _{н. а} закрылковлопаток входного направляющего аппарата осевого вентилятора местного проветривания - на рис. 19, г.

Для каждого угла установки лопастей и закрылков вентиляторная установка имеет свою аэродинамическую характеристику.

Область промышленного использования вентиляторной установки включает рабочие участки аэродинамических характеристик для различных углов установки лопастей при одинаковой частоте вращения ротора и устанавливается следующим образом. На рис.

20, а рабочие участки аэродинамических характеристик 1 — 2 и 3 — 4 соответствуют крайним предельным значениям углов установки лопастей рабочего колеса,

1 — 3 является границей устойчивой работы, 2 — 4 — указывает на минимальное допустимое значение к. п.д. _{У. СТ. min}. На этой же диаграмме показаны линии одинаковых значений к. п. д. — от минимально допустимого до максимального. Построение области промышленного использования на рассматриваемом рисунке показано для осевых вентиляторов.

Область промышленного использования центробежного вентилятора (рис. 20, б) при регулировании направляющим аппаратом заключена между рабочими участками аэродинамических характеристик, соответствующих предельным углам установки лопаток направляющего аппарата, и линией минимально допустимого к. п, д. д. _{У. СТ.min} = 0,6.

При регулировании изменением частоты вращения рабочего колеса область промышленного использования ограничена рабочими участками аэродинамических характеристик при предельных значениях частоты вращения и линией минимально допустимого к. п. д. _{У . СТ..min} = 0,6.

Показателем экономичности вентиляторной установки является средневзвешенный статический к. п. д. в нормальной области рабочих режимов.

Эта область является частьюобласти промышленного использования, в которую входят режимы с наиболее высокими значениями статического к. п. д. Правой и левой границами области (рис. 21) являются линии Q_max и Q_min = 0,5 Q_max,а верхней и нижней – граничные кривые Н_{У. СТ. mах} и Н_{У. СТ. min} = 0,5Н_{У. СТ. mах.}

Для удобства расчетов граничные кривые заменяют ломаными линиями с числом изломов не более двух. Расстояния между правой и левой, а также между верхней и нижней rpaницами разбивают на пять равных частей и соединяют полученные точки линиями. Для точек, лежащих в центрах полученных 25 четырехугольников, определяют Q, Н_{У. СТ}, и _{У. СТ},

Средневзвешенный статический к. п. д. установки _{У. СТ}, _СР определится как частное от деления

на

Шахтные вентиляторы в связи с подвиганием очистных и подготовительных забоев работают на вентиляционную сеть с беспрерывно изменяющимся сопротивлением. Оказывает также влияние естественная тяга — движение воздуха в выработках под действием различных естественных факторов, изменение подсосов и утечек воздуха через неплотности в надшахтном здании, необходимость иногда в кратковременном увеличении расхода воздуха по шахте. В аварийных случаях возникает необходимость в изменении направления (реверсирования) воздушной струи.

Следовательно, шахтная вентиляторная установка должна быть регулируемой и обеспечивать при необходимости реверсирование воздушной струи.

Регулирование рабочего режима вентилятора необходимо для поддержания требуемой его производительности независимо от изменения сопротивления вентиляционной сети, т. е. независимо от изменения ее характеристики.

При характеристике 1 вентилятора и характеристике 2 вентиляционной сети

(рис. 22, а) имеем режим І, при котором подача воздуха в шахту будет больше необходимой Q, что неэкономично и может привести к невыполнению требования ПБ в отношении скорости движения воздуха в выработках. Требуемые режимы ІІ или ІІІ, обеспечивающие необходимую производительность вентилятора Q, могут быть достигнуты либо изменением характеристики вентиляционной сети (парабола 3), либо изменением характеристики вентилятора (кривая 4).

Регулирование рабочего режима вентилятора изменением характеристики вентиляционной сети путем дросселирования в вентиляционном канале по сравнению с регулированием изменением характеристики вентилятора является более простым, но неэкономичным, так как при нем для подачи Q требуется большее давление (ордината

точки ІІ).

При применяемом в настоящее время экономичном регулировании рабочего режима вентилятора изменением его характеристики беспрерывному изменению характеристики вентиляционной сети соответствует изменение характеристики вентилятора (рис. 22, б).

При минимальном сопротивлении вентиляционной сети и требуемой подаче Q воздуха в шахту рабочий режим вентилятора (точка І) обеспечивается при характеристике вентилятора 2.

Так как характеристика сети изменяется ежедневно, а характеристику вентилятора менять так часто нецелесообразно, то начальным будет режим П при характеристике вентилятора 3. При этом производительность вентилятора будет несколько больше Q. Когда характеристика сети изменится и приобретет вид кривой 4, для достижения режима IV характеристика вентилятора должна быть изменена (кривая 5); чтобы получить режим VІ при характеристике сети 6, характеристика вентилятора должна иметь вид кривой 7.При максимальном сопротивлении сети ее характеристика изобразится кривой 8, а рабочий режим — точкой VІІ. Момент перехода на новую характеристику вентилятора устанавливается по ординатам точек ІІІ и V, т. е. путем замера давления.

Указанный порядок изменения характеристики вентилятора имеет место при ведении горных работ от ствола к границам шахтного поля; при обратном порядке ведения горных работ изменение характеристики вентилятора производится в обратной последовательности. Описанное регулирование рабочего режима вентилятора будет ступенчатым, так как смещение режимов из точки П в точку ІІІ, из точки IV в точку V и т. д. происходит без дополнительного регулирования, а только за счет увеличения сопротивления вентиляционной сети. Ступенчатое регулирование при осевых вентиляторах достигается за счет изменения при остановленном вентиляторе угла установки лопастей рабочего колеса на 3.... 5⁰ в диапазоне от 15 до 45⁰, снятием половины лопастей (через одну) рабочего колеса и изменением частоты вращения путем замены двигателя, а при центробежных — изменением угла установки лопаток направляющего аппарата, поворотом закрылков (если они имеются) лопастей рабочего колеса на 10 ⁰ в диапазоне от — 20 до +30 ⁰ при остановленном вентиляторе и изменением частоты вращения.

Для повышения экономичности целесообразно применять комбинированный способ регулирования рабочего режима вентилятора, при котором имеет место как ступенчатое, так и плавное регулирование в диапазоне режимов II — ІІІ; ІV-V; VI — VІІ (см. рис. 22, б). Плавное регулирование достигается как при осевых, так и при центробежных вентиляторах одновременным поворотом лопаток направляющих аппаратов при работающих вентиляторах. Применение в мощных установках с центробежными вентиляторами в качестве привода вентильно-машинного каскада дает возможность осуществлять плавное регулирование в течение всего времени эксплуатации установки.

В осевых вентиляторах местного проветривания регулирование рабочих режимов производится путем одновременного поворота закрылков резиновых лопаток входного направляющего аппарата без остановки вентилятора.

Экономичность регулирования оценивается к. п. д. регулирования — отношением мощности, потребляемой из электрической сети до момента регулирования, к мощности, которую приобретает вентилятор после регулирования.

Выбор способа регулирования определяется не только конструкцией вентилятора, но и глубиной и частотой (периодичностью) регулирования.

Глубину регулирования по производительности E_Q и E_Н давлению устанавливают по формулам

 

 

E_Q = (2.3)

E_Н = (2.4)

 

Центробежные вентиляторы при вытянутой вдоль оси Н области промышленного использования (см. рис. 20, б) имеют относительно большую глубину регулирования по давлению и малую по производительности. Поэтому регулирование режимов этих вентиляторов с помощью входного направляющего аппарата не всегда достаточно и может возникнуть необходимость в регулировании изменением частоты вращения рабочего колеса вентилятора (замена двигателя, регулируемый электропривод). При этом направляющие аппараты используются для плавного регулирования.

Так как в осевых вентиляторах разница в глубине регулирования по давлению и производительности выражена менее резко (см. рис. 20, а), то при них в ряде случаев достаточно регулирование изменением угла установки лопастей на рабочем колесе. При необходимости значительного увеличения глубины регулирования изменяют частоту вращения, заменяя двигатели.

Реверсирование воздушной струи согласно ПБ должно быть произведено не более чем за 10 мин, при этом подача воздуха в шахту должна составлять не менее 60 % его подачи при нормальном направлении вентиляционной струи.

В главной установке с осевым вентилятором реверсирование вентиляционной струи производится изменением направления вращения ротора и поворота лопаток промежуточного направляющего и спрямляющего аппаратов на угол 180 ⁰.

В центробежном вентиляторе при изменении направления вращения его рабочего колеса поток воздуха не изменяет направления движения и потому реверсирование в этом случае сложнее (рис. 23). При нормальной работе вентилятора воздух из шахты, как показано сплошными стрелками, поступает по вентиляционному каналу 1 к вентилятору 2 и выбрасывается им в атмосферу. Ляды (перекрывающая 3, атмосферная 4, переключающая 5 и диффузора 6) установлены в положениях, показанных сплошными линиями. При реверсировании все ляды, за исключением ляды 5, устанавливают в положение, показанное штриховыми линиями. Воздух из атмосферы, как показано штриховыми стрелками, поступает через диффузор вентилятора 2, обводной канал 7 и канал 1 в шахту. При этом подается 90…95% воздуха от расхода

 

его при нормальной работе. Так как главная вентиляторная установка состоит из двух вентиляторов, то ляда 5 отключает вентилятор (ее положение при этом показано штрихами), когда в работе будет второй вентилятор.