CC BY
15
УДК 622.4
АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ОСЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ ПРИ ПОЖАРЕ В ТОННЕЛЕ МЕТРОПОЛИТЕНА
Евгений Юрьевич Русский
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)205-30-30, доп. 339, e-mail: geomining@mail.ru
Елена Леонидовна Алферова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник, тел. (383)205-30-30 доп. 179, e-mail: alferova@mosk.ru
Представлен расчет температур удаляемого через вентиляторы воздуха при пожаре в тоннеле метрополитена вблизи вентиляционной камеры. Исследован вопрос прочности узлов вентиляторов при воздействии высоких температур от пожара.
Ключевые слова: метрополитен, аварийный режим, пожар, осевой вентилятор, прочность, надежность.
ANALYSIS OF AXIAL FAN DURABILITY IN SUBWAY TUNNEL FIRE
Evgeny Yu. Russky
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Senior Researcher, tel. (383)205-30-30, extension 339, e-mail: geomining@mail.ru
Elena L. Alferova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, tel. (383)205-30-30, extension 179, e-mail: alferova@mosk.ru
The authors calculated temperature range of air circulated through fans under conditions of subway tunnel fire nearby the fan chamber. The durability of fan sections under high fire temperature effects is investigated.
Key words: subway, emergency mode, fire, axial fan, durability, reliability.
В России действуют шесть метрополитенов, и еще 2 строятся. Метрополитен, как сложный технический объект подвержен авариям, в том числе пожарам. От устойчивой работы вентиляционного оборудования зависит безопасность работы всего метрополитена, и, особенно, при возникновении аварийных режимов, связанных с задымлением и пожарами, что способствует оперативному спасению пассажиров и работе спасателей.
На уже существующих станциях в большинстве случаев используются устаревшие морально и технически осевые вентиляторы серии ВОМД-24 [1, 2] (рис. 1).
Рис. 1. Компоновочная схема вентилятора ВОМД-24:
1 - приводной электродвигатель; 2, 3 - шкивы ременной передачи; 4, 5 - рабочее колесо 1-й и 2-й ступени соответственно; 6 - направляющий аппарат; 7 - спрямляющий аппарат; 8 - редуктор с муфтой
Для анализа аварийных режимов работы вентиляции, обеспечивающие безопасность путей эвакуации людей с аварийного участка, необходимо решить следующие задачи:
1. провести расчет температуры пожарных газов при движении их по тоннелю от горящего поезда до места дымоудаления;
2. рассмотреть режим работы вентиляторов при обтекании их потоком удаляемых нагретых пожарных газов.
Рассмотрим ситуацию горения головного вагона, ближнего к перегонной вентиляционной камере (рис. 2), т.к. в этом случае температуры газо-воздушной смеси, удаляемой из тоннеля, будут иметь наибольшие значения. В вентиляционной камере параллельно установлены два вентилятора.
Рис. 2. Дымоудаление при возгорании крайнего вагона поезда
Моделирование процесса горения для получения динамики температур газовоздушной смеси, проходящей через вентиляторы, производится методом конечных элементов [3-5]. Геометрическая модель тоннеля и примыкающей к нему перегонной вентиляционной камеры создавалась на основе работы [6], скорость выгорания горючих материалов рассчитывалась по экспериментальным данным работы [7].
Скорость выгорания вагона составляет 1 м/мин [8], следовательно, один вагон полностью выгорит за 20 мин, считая, что очаг возгорания находится с торца вагона.
Динамика температур удаляемой из тоннеля газо-воздушной смеси в сечении шахты венткамеры перед вентиляторами представлена на рис. 3.
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
0 200 400 600 800 1000 1200
Время горения, с
Рис. 3. Динамика температур удаляемой из тоннеля газо-воздушной смеси
Рассмотрим влияние пожара в тоннеле на НДС (напряженно-деформированное состояние) узлов вентилятора ВОМД-24 на примере лопаточного узла. В соответствие с ГОСТ 11004-84 «Вентиляторы шахтные главного проветривания. Технические условия», среднеарифметический радиальный зазор между лопатками и корпусом осевых вентиляторов должен быть в пределах 0.001 - 0.003 номинального диаметра рабочего колеса.
Конструктивно листовая лопатка представляет собой неразборную сварную конструкцию, содержащую одну листовую лопасть (рис. 4), размещенную на поворотном
основании, выполненные из магниевого сплава (предел текучести ~320 МПа, предел прочности^ = 450 МПа).
На лопатку действуют инерционные и аэродинамические нагрузки, соответствующие частоте вращения ротора 375 об/мин (39.3 рад/с) и углу установки лопаток в = 40о в сторону увеличения углов атаки. Аэродинамические нагрузки составляют 5 % от инерционных сил [9], поэтому в расчете их можно не учитывать.
Рис. 4. Лопатка вентилятора ВОМД-24
Анализ НДС лопатки проводился методом конечных элементов с использованием программного комплекса А№У8. Полученные картины НДС элементов лопатки для нормальных условий (температура среды 20 °С) представлены на рис. 5-6, для случая пожара в тоннеле на рис. 7-8. В качестве расчетных напряжений представлены эквивалентные напряжения по Мизесу [10].
Рис. 5. Распределение напряжений в лопаточном узле, МПа
Из рис. 5 видно, что максимальные напряжения возникают в месте соединения лопасти с поворотным основанием. Максимальные напряжения достигают 51 МПа. Коэффициент запаса прочности:
п = -
320 51
■ = 6.3
где Т = 320 МПа - предел текучести материала лопатки.
Допускаемый запас - 2 [9]. Таким образом, НДС лопатки находиться в безопасном состоянии.
Расчет показывает, что радиальное удлинение верхней кромки лопасти составляет 1.4 мм.
Таким образом, для рабочего колеса диаметром 2400 мм, максимально возможный допустимый зазор составляет 0.003 2400 = 7.2 мм, при этом расчетное радиальное удлинение составляет не более (1.4/7.2)100% = 19.4 % от допустимого зазора.
На рис.7-8 представлены картины распределения НДС для случая пожара в тоннеле в соответствии с графиком изменения температур по рис. 3 (для максимального значения температуры).
10 42.5 75 107.5 140
Рис. 7. Распределение напряжений в лопаточном узле, МПа
Максимальные напряжения достигают 140 МПа. Коэффициент запаса прочности:
„=320 = 2.3
140 ,
Допускаемый запас - 2. Таким образом, НДС лопатки находиться в безопасном состоянии, но практически по нижнему пределу. При наличии каких-либо дефектов лопатки может произойти разрушение.
Радиальное удлинение конца лопасти составляет 2.1 мм, или не более 29.2 % от допустимого зазора.
Выводы
Моделирование процесса горения поезда для получения динамики температур газо-воздушной смеси, проходящей через вентиляторы, показало значительное увеличение температуры проходящего через вентилятор воздуха. Вследствие высокой температуры возникающие напряжения в узлах вентилятора превышают напряжения в стандартных условиях в три раза, что приводит к неработоспособности лопаточных узлов вентилятора.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Красюк А.М. Влияние возмущений воздушного потока от поршневого дей-ствия поездов на тоннельные вентиляторы метрополитенов / Красюк А.М., Русский Е.Ю., Попов Н.А // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2014. - №2. - С. 144153.
2. Красюк А.М. Динамика и прочность сдвоенных листовых лопаток осевых вентиляторов / Красюк А.М., Русский Е.Ю. - Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - № 7.
3. Лугин И.В. Тепломассообменные процессы при горении поезда в однопутном тоннеле метрополитена / И.В. Лугин, Е.Л. Алферова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2015. - № 7. - С. 324-332.
4. Адеев А.А. Динамика температуры пожарно-дымовых газов в тоннеле метрополитена при горении поезда / А.А. Адеев, И.В. Лугин // Известия ВУЗов. Строительство. - 2012. -№10 (646). - С. 59-66.
5. Алферова Е.Л. Тепломассообменные процессы при горении поезда в однопутном тоннеле метрополитена / Е.Л. Алферова, И.В. Лугин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2015. - № 2 (108). - С. 16-20.
6. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов / В.Я. Цодиков. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1975. - 568 с.
7. Ильин В.В. Необходимое время эвакуации / В.В. Ильин // Борьба с пожарами в метрополитенах: сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, 1992. - С. 13-31.
8. НПБ 109-96. Вагоны метрополитена. Требования пожарной безопасности. - Введ. 1997-01-01.
9. Левин А.В. Прочность и вибрация лопаток и дисков паровых турбин / А.В. Левин, К.Н. Боришанский, Е.Д. Консон. - Л.: Машиностроение, 1981.
© Е. Ю. Русский, Е. Л. Алферова, 2017
