CC BY
73
© Н.А. Попов, О.В. Лаврова, А.С.Белоусова, 2006
УДК 622.44
Н.А. Попов, О.В. Лаврова, А.С.Белоусова
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ РЕВЕРСИРОВАНИЕ ПОТОКА ВОЗДУХА В ОСЕВЫХ ТОННЕЛЬНЫХ ВЕНТИЛЯТОРАХ
Семинар № 20
ш ш ри проектировании метрополи-
1. Л. тенов подземные сооружения оборудуются системами тоннельной и местной вентиляции с искусственным побуждением [1]. Основной функцией вентиляции станций и тоннелей является поддержание в местах пребывания людей заданных метрологических условий и химического состава воздуха, а также создание необходимых режимов проветривания при возникновении чрезвычайных ситуаций, которые могут сопровождаться пожарами, задымлениями и загазованиями.
Требуемое количество воздуха в метрополитене существенно изменяется в течение суток и зависит от пассажиропотока, интенсивности движения поездов, температуры атмосферного воздуха. Поэтому для экономичного поддержания требуемой производительности тоннельных вентиляторов на заданном уровне необходимо изменять их режим одновременно с изменением числа пар поездов.
Проведенные исследования [2] показали, что для осевых тоннельных вентиляторов известные способы регулирования производительности изменением угла установки лопаток рабочего колеса (РК) и изменением частоты вращения ротора имеют одинаковые показатели экономичности по критерию экономии
электроэнергии. Однако осевые вентиляторы, оборудованные механизмами поворота лопаток РК на ходу, могут обеспечить, за короткий промежуток времени, экстренное изменение направления потока воздуха с прямого на обратный без изменения направления вращения.
Для примера рассмотрим режим экстренного реверсирования осевого тоннельного вентилятора, выполненного по аэродинамической схеме колесо + спрямляющий аппарат (К+СА) (рис. 1).
При реверсировании без изменения вращения следует установить лопатки под углом 0=к (рис. 1, б), то есть повернуть лопатки колеса на угол 50 к = 180 -50к - 0к. Так как величина 50к по радиусу постоянна, то закон изменения угла установки профилей лопатки по радиусу при ее реверсивном положении в этом случае будет противоположным тому, который имеет место при ее нормальном положении.
Известно, что у лопаток РК осевых вентиляторов, рассчитываемых на постоянные теоретические давления и осевую скорость по радиусу, угол установки профилей на периферии лопатки более, чем на 20-300 меньше ее угла в корневом сечении. Например, у сдвоенных лопаток аэродинамической схемы АМ-25 диапазон этих углов составляет 380, схемы АМ-27- 34.20 [3].
Рис. 1. Реверсирование потока поворотом лопаток колеса без изменения направления вращения: а - нормальное положение лопаток и направление течения; б - реверсирование;---------- -
положение лопаток при нормальном течении
Следует заметить, что с увеличением коэффициента теоретического давления ут увеличивается и диапазон углов между сечениями лопатки на периферии и у корня. Поэтому при разработке реверсивных и регулируемых вентиляторов с поворотными на ходу лопатками РК необходимо определить угол поворота лопаток при переходе из нормального режима вентилятора в реверсивный, при котором в реверсивном режиме не произойдут значительные отрывы потока у втулки и на периферии. В [4] приведены следующие рекомендации: у втулки не следует допускать 0 к <150, а на периферии 0 к > 450. Для вентилятора ВО-21 К(т) (схема АМ-25 с диаметром втулки 0.5Б, где Б - диаметр вентилятора) при значении 0 к =400 (0к = 1400) значение угла у корня будет 0к = 16,70 , а на периферии 0 к =590. Соответственно, для схемы АМ-27 с диаметром втулки 0.4 Б при значении 0=к = 450 (0к = 1350) - у корня 0=к = 9,70, а на периферии 0=к =
47.10. При 0 к = 9,70 у корня резко взра-
стут потери давления, поэтому следует принять 0 к = 500 (0к = 1300), если мощность приводного электродвигателя достаточная для работы вентилятора в данном режиме. Тогда у корня 0 к = 14,70 , а на периферии 0=к = 52.10. Отсюда следует, что для лопаток схемы АМ-25 на среднем радиусе можно принять угол 0=к = 400 (0к = 1400). Тогда диапазон поворота лопаток РК, который должен обеспечиваться механизмом поворота лопаток 50к = 140 -15 = 1250, а для схемы АМ-27 угол 50к = 130 -15 = 1150. Значительные углы установки профиля на периферии 0=к =590, что больше 0=к =
52,10, могут привести к отрыву потока, но для схемы ВНА + К это экспериментально не подтвердилось, так как спрямляющий аппарат вентилятора при реверсе выполняет функции входного направляющего аппарата ВНА=, подкручивающего поток против направления вращения. При правильно установленных лопатках СА это благоприятно влияет на устойчивость работы вентиля-
тора в реверсивном режиме и на увеличение производительности. В схемах АМ-25 и АМ-27 вентилятора ВО-21 К(т) лопатки СА установлены под углом 0СА= =76 0.
При проектировании реверсивных осевых тоннельных вентиляторов с поворотными на ходу лопатками РК необходимо учитывать следующее: 1) при расчете геометрии лопаток закручен-ность лопаток по их длине должна быть такой, при которой бы обеспечивались минимальные потери давления в прикорневом сечении лопатки и на периферии; 2) номинальная мощность приводного электродвигателя должна выбираться с учетом работы электродвигателя в реверсивном режиме.
Эффективность реверсирования осевого вентилятора поворотом лопаток РК на ходу была подтверждена экспериментальными исследованиями вентилятора ВО-21 К(т) на экспериментальном стенде ИГД СО РАН. Экспериментальные исследования реверсирования потока вентилятора ВО-21 К(т) на стенде показали (рис. 2), что исполнительный механизм поворачивает лопатки РК от 450
Рис. 2. Реверсирование вентилятора: 0 - угол установки лопаток рабочего колеса, град; Q -производительность вентилято-
3 -1 ^
ра, м *с ; ТР - время реверсирования режима проветривания, с; ТРВ - время реверсирования вентилятора
до 13 50 за время реверсирования Трв = 15 с, время реверса вентиляционного потока составляет Тв=25 с. Таким образом, время реверсирования вентиляционного режима составило Тр « 40 с. Время реверса вентиляционного потока для длинных вентиляционных сетей из-за их инерционности может увеличиваться и достигать 70-120 с. В режиме реверса производительность вентилятора достигает Qp = 0,94 Qн - произво-
дительность вентилятора при нормальном режиме).
Реверсирование потока воздуха изменением направления вращения РК вентилятора широко применяется в шахтных вентиляторах серии ВОД и тоннельных ВОМД-24. Основным недостатком этого способа является ненормальное, противоположное необходимому направление кривизны профилей лопаток колеса К при реверсировании потока. При изменении направления вращения диффузорная решетка становится конфузорной, но работающей на диффузорном, вентиляторном режиме. Кроме того в аэродинамической схеме входной направляющий аппарат + колесо + спрямляющий аппарат (ВНА+К+СА) СА становится ВНА= (рис. 3 б), а ВНА выполняет роль спрямляющего аппарата СА=.
положение лопаток и направление течения; б - реверсирование;------ - положение лопаток при
нормальном течении
Эффективность этого способа в тоннельных вентиляторах ВОМД-24 не достаточно высока. Производительность вентилятора в реверсивном режиме не превышает 65-70 % от производительности в нормальном режиме. А в аварийных режимах может потребоваться производительность до 85 % и более от нормальной работы.
Одним из путей повышения эффективности работы вентиляторов ВОМД-24 в реверсивном режиме является их модернизация, заключаю-щаяся в применении частотно-ре-гулируемого привода с одновременным снятием рабочих лопаток первой ступени (рис. 4).
При модернизации вентилятора ВОМД-24 в соответствии с аэродинамической схемой (рис. 3, б) лопатки ВНА= следует установить под углом 0=ВНА~100°, а лопатки СА= - под углом 0=СА~76° [4]. В связи с подкруткой потока при реверсировании против направления вращения колеса увеличива-
ется потребляемая мощность, давление и производительность вентилятора.
В электроприводе вентиляторов ВОМД-24 применяются асинхронные двигатели с синхронной частотой вращения По = 750 об/мин, которые через клиноременную передачу вращают ротор вентилятора с частотой 375 об/мин. При модернизации вентилятора ВОМД-24 следует отказаться от клиноременной передачи, которая выходит из строя при температуре 60 °С, а электродвигатель 7 (рис. 4) соединить с ротором вентилятора с помощью муфты 6. Тогда требуемую частоту вращения вентилятора можно обеспечить только с помощью частотнорегулируемого привода. Конструктивное исполнение вентиляторов ВОМД-24 допускает увеличение частоты вращения ротора до 500 об/мин.
Таким образом, при снятых лопатках с первой ступени вентилятора частотнорегулируемый электропривод может обеспечить как регулирование произво-
Рис. 4. Модернизация вентилятора ВОМД-24: 1 - привод спрямляющего аппарата; 2 - рабочее колесо; 3 - привод направляющего аппарата; 4 - рабочее колесо первой ступени без лопаток; 5 -ротор вентилятора; 6 - муфта; 7 - электродвигатель; 8 - преобразователь частоты
дительности в штатных режимах работы, так и форсирование режима при реверсировании потока в аварийных ситуациях, что экспериментально под-
тверждено при испытаниях эксплуатируемых вентиляторов ВОМД-24 в Новосибирском метрополитене.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП 32-02-2003. Метрополитены. -М.: Госстрой России, 2004.
2. Зедгенизов Д.В., Красюк А.М, Попов Н.А., Чигишев А.Н. Анализ способов регулирования режима работы тоннельных осевых вентиляторов // Метро. - 2000. - №5-6. - с.23-27.
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. Брусиловский И. В. Аэродинамический
расчет осевых вентиляторов. - М.: Машиностроение. - 1986. -288 с.
— Коротко об авторах ------------------------------
ПоповН.А., Лаврова О.В., Белоусова А.С. - ИГД СО РАН.
-'Ь
