CC BY
80
УДК 622.44
Н.А.Попов, А.С.Белоусова, О.В. Лаврова
АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК С ОСЕВЫМИ ВЕНТИЛЯТОРАМИ
Семинар № 3
Ту ост нагрузок на забои угольных и
-МГ рудных шахт предполагает высокие требования к надежности и эффективности шахтных вентиляционных систем, в том числе главных вентиляторных установок (ГВУ), которые являются важнейшей частью технологического оборудования подземной добычи полезного ископаемого.
При проектировании шахтных ГВУ одной из основных задач является определение заданных величин давления и производительности для выбора
вентилятора или расчета его
аэродинамических и геометрических параметров. Заданными величинами, как правило, являются полное давление вентиляторной установки, производительность вентилятора и коэффи-
циеПотерерьзавйлнняя в у<уаиашвке ДР0
представляют сумму потерь во входном участке ДРвх , потерь от присутствия
опор (ребер жесткости) в самом вентиляторе ДРоП и потерь в выходной части, которые состоят из потерь в диффузоре ДРдиф , в выходном канале ДРк и при
выходе в атмосферу (входе в шахту) ДРвых. Отсюда общие потери давления в установке
ДР0 = ДРвх + ДРоп + Дрдиф + ДРк + ДРвых .
(1)
Полное давление установки Р'¥
меньше полного давления вентилятора Р¥ на величину потерь ДР0, которое принято оценивать [1] коэффициентом потерь
давления £ , определяемого отношением величины ДР0 к динамическому давлению вентилятора Рбу
г ДРо =
ДРех + ДРоп + ДРдиф + ДРк + ДРе,
. (2)
Таким образом, полный коэффициент потерь давления определяется как сумма коэффициентов потерь в элементах установки
С = Сех +С0п +Соиф + СК +Сеьк . (3)
Для вентилятора, работающего в шахтной установке, его полное давление Р¥ определяется по формуле
р = Р1+Ср* , (4)
где р - полное давление вентиляторной установки, Па.
Совершенство всей установки в целом характеризуется ее КПД
, ор
п =----
N
(5)
где О - производительность вентилятора, м3/с; N - мощность, потребляемая вентилятором, Вт.
В случае всасывающих ГВУ р' ' представляет статическое давление установки Р^ , а П - ее статический КПД П. Для нагнетательных ГВУ потери давления ДРк и ДРеых относятся к
О/
О/
Технологические схемы ГВУ с горизонтальными (а, б) и вертикальными (в) осевыми вентиляторами: 1 - приводной электродвигатель, 2 - трансмиссионный вал, 3 - входная коробка, 4 - вентилятор, 5 - диффузор, 6 - канал, 7 -колено, 8 - выходной элемент (коробка)
сопротивлению сети, Р^ -полное давление установки, а п - соответствующий ему ее полный КПД.
Критерием экономичности работы вентилятора в установке может быть КПД установки, рассчитанный с учетом потерь давления ДР0 в переходной части от вентилятора к расположенной за ним части сети [2]
п' = п(1 -їр-),
(6)
где С, - коэффициент потерь давления в переходной части от вентилятора к нагнетательной части сети или - для вентиляторов, работающих на всасывание - потерь в выходной части установки (в диффузоре, в канале и выходной части).
С целью оценки потерь давления в элементах ГВУ рассмотрим технологические схемы ГВУ с осевыми вентиляторами (рис. 1). Всасывающие и нагнетательные установки с горизонтальными вентиляторами (рис. 1 а, б) включают элементы, потери давления в которых могут существенно повлиять на эффективность установки в целом. К таким элементам относятся
а
б
в
входная коробка 3, диффузор 5, канал 6, колено 7 и выходной элемент 8. Для снижения шума, создаваемого вентилятором, установки часто оборудуются устройствами шумоглушения, которые во всасывающих установках располагаются в выходном элементе 8, а в нагнетательных - в канале между помещением калориферной и входной частью установки. Расположение приводного электродвигателя перед вентилятором позволяет применить приемлемой длины трансмиссионных вал 2 и установить за вентилятором диффузор любой длины.
Установки с вертикальными вентиляторами (рис. 1, в) занимают в 2.5-3.5 раза меньше площади по сравнению с горизонтальными [3]. В них устранены традиционные каналы, в которых по данным литературы теряется 19-35% потребляемой из сети энергии.
Входные элементы установки применяются для присоединения вентилятора к шахтной сети или соединяют его с помещением калориферной. Они выполняются в виде различных колен или коробки.
Простое плавное колено широко применяется в ГВУ с осевыми вентиляторами серии ВОД. Потери давления в плавном колене не превышают £ = 0.03 [1,4]. В тех случаях, когда вес и размеры электродвигателя не позволяют расположить его над коленом можно применить входную коробку (рис. 1 а, б), которая позволяет расположить ось подводящего канала к оси вентилятора под углом, близким к 90°.
Переход от канала с коленом 7 (рис. 1
а, б) к вентилятору осуществляется при помощи входной коробки 3, течение в которой происходит с ускорением. Такое течение способствует локализации возможных отрывов потока и большей равномерности поля скоростей и давлений в сечении перед вентилятором, что важно для его нормальной работы. Коллектор вентилятора вместе с коком осуществляют дальнейшее поджатие и выравнивание потока перед лопаточным венцом. При оптимальной конструкции входной коробки
коэф-фициент потерь давления в ней может не превышать С, = 0.06 [5].
Необходимо заметить, что в аварийном режиме при реверсировании осевого вентилятора поворотом лопаток рабочего колеса (РК) на угол 120-125° (шахтные реверсивные и регулируемые на ходу поворотом лопаток РК осевые вентиляторы ВО-21К, ВО-24К, ВО-ЗОВК и др. [3]) входная коробка 3 становится выходной. В результате может оказаться, что в реверсивном режиме она будет иметь большой коэффициент потерь давления и создавать значительный шум в помещении установки. Таким образом, при аэродинамическом расчете входной коробки следует учитывать режимы работы ГВУ и обеспечивать коэффициенты потерь, способствующие высокой эффективности вентиляторной установки в целом.
Выходные элементы установки соединяют вентилятор с атмосферой (рис. 1, а) или присоединяют его шахтной сети (рис. 1,
б, в). К ним относится диффузор 5, канал 6, выходной элемент 8, который может представлять колено (рис. 1, а) и выходную коробку (рис. 1, в).
Диффузор за вентилятором устанавливается для торможения потока. Если шахтная сеть находится на стороне всасывания (рис. 1, а), назначение диффузора состоит в том, чтобы с наибольшей эффективностью преобразовать динамическое давление вентилятора в статическое. В случае, когда вся сеть за диффузором (рис. 1, б, в), то он предназначается для уменьшения скорости до величины, заданной на входе в шахтную сеть.
В настоящее время в шахтных ГВУ с осевыми вентиляторами применяют пре-дотрывные диффузоры [6], у которых закон изменения проходных сечений выбран из условия, что во всех сечениях пограничный слой находится в предотрывном состоянии. При таком профилировании каналов можно получить максимальную эффективность диффузора при заданной длине, либо предельное сокращение его
длины при фиксированной эффективности.
Продувки предотрывных кольцевых диффузоров [6] показали, что при длине
I = 1.5 (I = d., где I - длина диффузора, м; d - диаметр входа в диффузор, м) полный коэффициент потерь давления в установке с моделью вентилятора ВОД составил £ = 0.2 . Такой же коэффициент потерь давления имеет конический кольцевой диффузор, но только при I = 2 .
Коэффициенты потерь давления всей выходной части при правильном расчете конструкции ее элементов могут дости-
гать £ = 0.2 -0.25 , а всей установки -^ = 0.27 - 0.33 [1, 7].
Проведенный анализ потерь давления в элементах шахтных ГВУ с осевыми вентиляторами показал, что для выбора требуемых расчетных параметров вентилятора необходимо на стадии проектирования достаточно точно оценить полный коэффициент потерь давления в установке £, а
для эффективной работы всей установки в целом - выбрать ее компоновку и конструктивные параметры элементов, которые бы обеспечили минимальные коэффициенты потерь давления при заданных аэродинамических и акустических параметрах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ушаков К.А., Брусиловский И.В., Бушель А.Р. Аэродинамика осевых вентиляторов и элементы их конструкций. - М.: Госгортехиздат, 1960. -422 с.
2. Бычков А.Г. Аэродинамические характеристики, области работы и графики для выбора центробежных и осевых вентиляторов // Промышленная аэродинамика, вып. 17. - М.: Оборон-гиз, 1960. - с. 102-121.
3. Петров Н.Н., Попов Н.А, Батяев Е.А., Новиков В.А. Теория проектирования реверсивных осевых вентиляторов с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса // ФТПРПИ. - 1999. №5. -с.79-92.
4. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания. Справочник// Бабак Г. А.,
Бочаров К.П., Волохов и др. - М.: Недра, 1982. -296 с.
5. Брусиловский Н.В. Аэродинамика и акустика осевых вентиляторов. - М.: Изд. ЦАГИ. -2004. - 265 с.
6. Левин Е.М. Предотрывные диффузор-ные элементы установок с осевыми вентиляторами // Шахтные турбомашины. - Донецк: ИГМТК им. М.М.Федорова. - 1972. - №30. - с. 16-24.
7. Захарчук Г.И. Рациональные компоновки выходных элементов шахтных установок с осевыми вертикальными вентиляторами // Стационарное оборудование шахт. - Донецк: ВНИ-ИГМ им. М.М. Федорова. - 1987. - с. 156 - 164.
— Коротко об авторах ----------------------------
ПоповН.А., Белоусова А.С., Лаврова О.В. - ИГД СО РАН.
