книги / Рудничные вентиляторные и водоотливные установки

нии своего вращения со скоростью сиу Абсолютная скорость на

выходе из первого колеса с2 одновременно является скоростью входа во второе колесо. В результате закручивания потока вторым колесом в противоположном направлении со скоростью сип воздух выходит

из вентилятора в осевом направлении, при этом мощности, затрачи­ ваемые на вращение каждого колеса, примерно одинаковы.

Рассмотренная кинематика рабочего процесса имеет место на расчетном рабочем режиме вентилятора. При увеличении или уменьшении подачи вентилятора по сравнению с расчетной ввиду

Рис. 150. Элементы лопастей и треугольники скоростей вен тилятора встречного вращения

изменения осевой скорости са треугольники скоростей и углы притекания потока к колесам меняются, в связи с чем происходит измене­ ние и перераспределение мощностей, затрачиваемых на вращение каждого из колес. При увеличении подачи по сравнению с расчетной первое колесо потребляет большую мощность, чем второе.

В вентиляторах встречного вращения отсутствуют спрямля­ ющие и направляющие аппараты, что упрощает проточную часть их и обеспечивает более высокий к. п. д. Реверсирование воздушной струи производится изменением направления вращения колес; при этом, как показали исследования, обеспечиваются подачи в пре­ делах 60—75% нормальной, чего не удается получить при обычных двухступенчатых осевых вентиляторах без специальных, довольно сложных устройств для реверсирования.

Привод обоих колес может быть осуществлен от одного двига­ теля обычной конструкции через коническую передачу. Предста­ вляет интерес применение двигателя специальной конструкции, у которого ротор и статор должны быть вращающимися.

Г л а в а VI

РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ВЕНТИЛЯТОРОВ

§ 1. Основные положения

Особенностью условий эксплуатации шахтных вентиляторов является их работа на шахтную сеть с изменяющимися параме­ трами. Эквивалентное отверстие сети непрерывно изменяется вслед­ ствие изменения конфигурации, длины, сечения и состояния выра­ боток. Характер и величина изменения параметров вентиляционной сети зависят от схемы вскрытия месторождения, системы разработки, схемы вентиляции, скорости и направления подвигания очистных работ, изменения газовыделения и др.

Изменение эквивалентного отверстия сети вызывает изменение рабочего режима вентиляторной установки, а следовательно, и по­ дачи вентилятора. Уменьшение расхода воздуха против необходимого для нормального проветривания шахты недопустимо по ПБ, а уве­ личение расхода вызывает перерасход энергии, а также увеличение скорости воздуха в выработках, что в ряде случаев также может быть недопустимо по ПБ.

Регулированием рабочего режима вентиляторной установки обе­ спечивается подача в шахту необходимого количества воздуха.

Регулирование можно осуществить:

1) изменением характеристики вентиляторной установки путем: а) изменения аэродинамических параметров рабочего колеса или ротора в целом (поворот лопастей колеса, изменение числа лопа­

стей или колес); б) изменения момента количества движения потока перед входом

в рабочее колесо; в) изменения скорости вращения колеса или ротора в целом;

2) изменением характеристики вентиляционной сети.

Под глубиной регулирования вентиляторных установок пони­

где hy и hY шах — минимальное и максимальное давления, раз­ виваемые вентиляторной установкой при по­ стоянной подаче.

Для оценки экономичности различных способов регулирования вводится понятие коэффициента полезного действия регулирования, который учитывает дополнительный расход энергии, связанный с применяемым способом регулирования. К. п. д. регулирования называется отношение мощности N m, которая потреблялась бы двигателем из сети при осуществлении вентилятором режима, необ­

К. п. д. регулирования зависит не только от принятого способа регулирования, но и от глубины регулирования.

§ 2. Регулирование изменением угла установки лопастей рабочего колеса

Этот способ регулирования применяется в вентиляторных уста­ новках с осевыми вентиляторами, имеющими поворотные лопасти. Регулирование основано на изменении характеристики давления

рабочего колеса

вентиляторной установки при изменении угла установки лопастей колеса. При увеличении угла установки лопастей 0 увеличивается угол притекания потока р и в соответствии с формулой (29) увеличи­ вается осевая скорость са и скорость закручивания потока си. На рис. 151 показаны треугольники скоростей для двух углов уста­ новки лопастей 0 и 0Г

Увеличение са вызывает возрастание подачи, а увеличение сиГ как это видно из уравнения (191), приводит к увеличению давления, развиваемого вентиляторной установкой.

Если необходимые вентиляционные режимы располагаются на отрезке прямой 1—7 (рис. 152) и в процессе эксплуатации в связи с уменьшением эквивалентного отверстия они должны изменяться

в направлении от точки 1 до точки 7, то в начале работы лопасти колеса вентилятора устанавливают под углом 01в В этом случае при эквивалентном отверстии сети А тйх вместо необходимого вен­ тиляционного режима 1 будет осуществляться режим 2 с несколько большей подачей. С течением времени, в связи с уменьшением экви­ валентного отверстия сети от А тлх до А г, рабочий режим будет перемещаться по характеристике давления из точки 2 в точку 3 с по­ степенным уменьшением подачи до ÇH. При дальнейшем уменьшении

устанавливать лопасти под любым углом, а у крупных венти­ ляторов лопасти устанавливаются и фиксируются при углах, крат­ ных 5°.

Достоинством рассматриваемого способа является большая глу­ бина регулирования по давлению, достаточная экономичность и про­ стота. Недостатком является необходимость остановки вентиля­ тора для поворота лопастей.

§ 3. Регулирование изменением угла установки лопаток направляющего аппарата

При изменении угла установки лопаток направляющего аппарата (Н. А) меняется угол выхода потока из него, что приводит к изменению скорости закручивания сНх на входе потока в колесо и давления вентилятора. На рис. 153 показано три положения лопаток напра­ вляющего аппарата осевого вентилятора и соответствующие тре­

угольники скоростей в рабочем колесе. Если лопат ки Н. А поставлены в нейтральное положение (0Н А = 90°), поток входит в решетку

лопастей колеса незакрученным, т. е. cUt = 0 (рис. 153, а). При уста­ новке лопаток Н. А под углом 6Н А > 90° (рис. 153, 6) появится

скорость закручивания потока на входе в решетку лопастей колеса сПх < 0. В этом случае осевая скорость сохраняется прежней, а отно­ сительная w, угол атаки а и скорость закручивания потока на выходе из колеса сПг возрастают, что приводит к увеличению давления, развиваемого колесом. В случае установки лопаток Н. А под углом 0Н а < 90° поток закручивается в сторону вращения колеса

(рис. 153, в)у Wy а и сиг убывают, что приводит к уменьшении* давления [41].

Направляющим аппаратом можно также регулировать и центро­ бежные вентиляторы, однако глубина регулирования их при прочих равных условиях будет меньше, чем осевых, что видно из уравне­ ния (188). У центробежных вентиляторов D x всегда меньше D 2. поэтому глубина регулирования их будет меньше глубины регули­ рования осевых вентиляторов, для которых В г = Z?2.

Лопатки направляющего аппарата могут быть цельными или раз­ резными с поворотными закрылками, которые могут занимать раз­ личную часть лопатки по ее хорде. Перспективным является приме­ нение лопаток направляющего аппарата из резины или с резиновой вставкой, что позволит значительно изменять конфигурацию лопатки, получать хорошие результаты как при регулировании, так и при реверсировании осевых вентиляторов. В двухступенчатых осевых вентиляторах регулирование производится спрямляющим аппара­ том первой ступени, который используется как направляющий

•аппарат второй ступени с поворотными лопатками или их закрыл­ ками.

При большой глубине регулирования вследствие дросселирова­ ния потока лопатками и значительных потерь от трения к. п. д. вентилятора снижается, что может привести к недостаточной эко­ номичности регулирования.

Характеристики осевого вентилятора при регулировании напра­ вляющим аппаратом изменяются аналогично изменению их поворо­ том лопастей колеса (см. рис. 134).

Недостатком рассматриваемого способа является некоторое усложнение конструкции вентилятора, однако возможность регули­ рования без остановки их, что бывает особенно важно при дистан­ ционном или автоматическом управлении, способствовала широкому распространению этого способа.

§ 4. Регулирование изменением скорости вращения вентилятора

В теории турбомашин было показано, что изменение скорости вращения колеса вызывает изменение ее характеристики. Прак­ тически это может быть осуществлено переменой скорости враще­ ния двигателя или передаточного числа между валом двигателя

ивалом вентилятора.

Вкачестве привода вентиляторов в настоящее время применяют главным образом синхронные и асинхронные двигатели. Из них только асинхронный двигатель с фазным ротором позволяет плавно регулировать скорость вращения путем изменения сопротивлешш реостата. При частом и глубоком регулировании мощных двигателей (более 1500 кет) целесообразно применять регулируемые приводы постоянного тока системы Г — Д или многоскоростные двигатели переменного тока.

Плавное регулирование скорости вращения вала вентилятора можно осуществить при постоянной скорости вращения вала двига­ теля с помощью гидромуфты. Гидромуфта состоит из двух лопастных колес, заключенных в кожух: насосного на валу двигателя и тур­ бинного на валу вентилятора. Рабочая жидкость, проходя по кана­ лам насосного колеса и получая от него энергию, поступает в каналы турбинного колеса, отдавая ему энергию и вращая его. Изменение скорости вращения ведомого вала (вала вентилятора) достигается изменением количества жидкости в рабочей полости муфты. Гидро­ муфта передает вращающий момент от вала двигателя к валу венти­ лятора без перемены его величины.

Вследствие плавного изменения скорости вращения колеса вентилятора рабочий режим перемещается по вертикальной линии (рис. 154) из точки 1 в точку 9.

К.п. д. регулирования плавным изменением скорости вращения вентилятора зависит от потерь энергии в регулирующих устрой­

Рис. 154. Характеристики к регулированию венти­ лятора изменением скорости вращения колеса

Ступенчатое изменение скорости вращения вентилятора можно осуществить путем замены двигателя с иной скоростью вращения, тем более что такую замену приходится делать вследствие истечения срока амортизации последнего. Недостатком такого способа является грубое регулирование, так как при синхронных скоростях враще­ ния двигателей переменного тока 1500, 1000, 750, 600, 500, 375, 300 и 250 об/мин отношения между смежными скоростями вращения соответственно равны: 1,5; 1,33; 1,25; 1,2; 1,33; 1,25 и 1,2. Этот способ регулирования применяется в установках как с центробеж­ ными, так и с осевыми вентиляторами, обычно в сочетании с другими способами, позволяющими осуществить плавное регулирование. '

для обеспечения необходимой подачи воздуха Qn рабочее колесо должно вращаться с минимальной скоростью rcmin, при которой режим работы вентиляторной установки будет находиться в точке 1.

Решая уравнение относительно z, получим необходимое число ступеней регулирования

Обычно величину у принимают в пределах 1,15—1,25 в зависи­ мости от принятого дополнительного способа регулирования.

Определив необходимые скорости вращения на отдельных сту­ пенях, пользуясь законами подобия, строят характеристики давле­ ния вентиляторной установки для всех ступеней регулирования.

По координатам точек пересечения 5, 5, 7 линии необходимых режимов 1—9 с характеристиками давления вентиляторной уста­ новки строят характеристику вентиляционной сети при А х, Л 2, А 3. С помощью кривой А = / (t) по А 2, А 3 определяют продол­ жительность работы вентилятора на каждой ступени регулирования.

§ 5. Регулирование изменением сопротивления вентиляционной сети

При этом способе регулирования (рис. 155) вентилятору сооб­

ным отверстиям соответствуют более пологие характеристики сети, то точки пересечения их с характеристикой вентилятора располо­ жатся правее точки 2, а подача воздуха в шахту будет больше необ­ ходимой Ç1Din. Поэтому для сохранения рабочего режима в [точке 2 и поддержания подачи воздуха Qmiü постоянными необходимо за время работы вентилятора при данной скорости вращения колеса иметь характеристику сети, соответствующую A min, что достигается увеличением сопротивления сети, введением задвижки. По мере увеличения сопротивления выработок задвижку необходимо выво­ дить, сохраняя рабочий режим в точке 2, в противном случае подача воздуха в шахту будет меньше необходимой. Дросселированием воздуха задвижкой обеспечивается простое и плавное регулирование, однако оно недостаточно экономично, так как при этом имеют место большие потери давления на преодоление сопротивления задвижки.

При регулировании задвижкой минимальное значение к. п. д. регулирования определяется отношением мощностей, соответству­ ющих режимам работы установки в точках 3 и 2:

^ m a x ' l l

Несмотря на малую экономичность, рассматриваемый способ находит применение в шахтной практике для регулирования старых систем центробежных вентиляторов, не имеющих направляющих аппаратов с поворотными лопатками. Вентиляторные установки