Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Сибирский государственный индустриальный университет

Кафедра горных машин

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по проведению практических занятий

«Расчёт и выбор вентилятора главного

проветривания угольных шахт»

по учебной дисциплине «Стационарные

машины» для специальности 150402

«Горные машины и оборудование»

Новокузнецк

2008

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Главные шахтные вентиляторные установки являются важнейшими объек­тами энергомеханического хозяйства шахт, от надежности работы которых зависят здоровье, производительность и безопасность труда шахтеров. Эти установки должны работать с высоким к. п. д., так как они являются одним из основных потребителей электроэнергии.

Высокая надежность и экономичность работы главных вентиляторных установок могут быть обеспечены их правильным обслуживанием при экс­плуатации, а также проведением периодических ревизий, ремонтов, наладок и испытаний.

Шахтные вентиляторные установки служат для проветривания горных выработок и создания в них нормальных атмосферных условий. По назначению шахтные вентиляторные установки подразделяются на установки главного провет­ривания, местного проветривания и вспомога­тельные.

Вентиляторные установки главного проветри­вания предназначены для проветривания всех выработок шахты, за исключением отдельных глухих (тупиковых) выработок. В соответ­ствии с Правилами безопасности эти уста­новки располагаются на поверхности земли у устьев герметически закрытых стволов или штолен (при центральной схеме проветрива­ния — в центре шахтного поля, а при диаго­нальной — на флангах) и перемещают весь воздух, проходящий по шахте или ее крылу. Вентиляторная установка главного проветри­вания состоит из вентиляторов, электропри­вода, пускорегулирующей аппаратуры, аппа­ратуры дистанционного управления и контроля, устройств и приспособлений для реверсирова­ния воздушной струи и переключения вентиля­торов, строительных сооружений (здания, фун­даментов, выходных частей диффузоров, вен­тиляционных каналов, всасывающей будки, глушителей шума).

В зави­симости от конструкции рабочего колеса и характера движения через него воздуха шахт­ные вентиляторы подразделяются на центро­бежные и осевые.

Шахтные вентиляторы главного проветривания изготов­ляют согласно ГОСТу 11004-75. Стандарт распространяется на центробежные и осевые вентиляторы с номинальной пода­чей 10, 18, 32, 63, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500 и 630 м³/с и с номинальным статическим давлением установки 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200, 4000, 5000, 6300 и 7100 Па при работе на воздухе нормальной плотности (1,2 кг/м³). Диа­метр ротора вентиляторов может составлять 1100, 1600, 1800, 2100, 2500, 2800, 3000, 3150, 4000, 4500 и 5000 мм.

Серийный выпуск вентиляторов осуще­ствляется Артемовским машиностроительным заводом (ВОД-11, ВОД-16, ВОД-21, ВОД-30, ВЦ-11, ВШЦ-16, ВЦ-25, ВЦ-7, ВЦПД-8, ВЦП-16, ВМ-12М), Донецким машиностроительным заводом на Украине (ВЦ-32, ВЦЗ-32, ВЦД-32М, ВЦД-47).

В соответствии с ГОСТ 11004—84 и ГОСТ 6625—85 буквы перед цифрами в шифрах вентиляторов означают у центробеж­ных: В — вентилятор, Ц — центробежный, Д — двустороннего всасывания, М — местного проветривания; у осевых: В — вентилятор, О — осевой, Д — двухступенчатый, М — ме­стного проветривания, П — с пневматическим приводом. Цифры в шифрах вентиляторов означают: у вентиляторов главного про­ветривания и вспомогательных — диаметр рабочего колеса (дм), Наконец, буквы в шифрах вен­тиляторов главного проветривания после цифр означают: М — модернизированный, У — узкое колесо, А — в северном испол­нении, П — с полимерными лопатками рабочих колес. После этих букв указывается способ регулирования: К — изменением угла установки лопаток рабочего колеса, Н — изменением угла уста­новки лопаток направляющего аппарата, В — изменением ча­стоты вращения ротора, Ф — изменением формы лопаток рабо­чего колеса.

После этих букв также буквами указывается клима­тическое исполнение вентилятора в соответствии с ГОСТ 15150—69: У — для эксплуатации в районах с умеренным климатом (от —45° ДО +40 °С), ХД — для эксплуатации в районах с холодным кли­матом (менее —45 °С), Т — для эксплуатации в районах с тропическим климатом (более +40 °С) и др., а также категория разме­щения: 1 — для работы на открытом воздухе; 2 — для работы в помещениях со свободным доступом наружного воздуха (палат­ках, металлических сараях и др.); 3—для работы в закрытых помещениях без искусственного регулирования климатических условий (каменные, бетонные, деревянные и аналогичные поме­щения); 4 — для работы в помещениях с искусственно регулируе­мыми климатическими условиями и др.

Так, например, шифр ВЦ-25МНУХЛЗ означает: центробеж­ный вентилятор одностороннего всасывания с диаметром рабочего колеса 2,5 м, модернизированный, регулируемый поворотом ло­паток направляющего аппарата, предназначенный для эксплуа­тации в районах с умеренным холодным климатом и размещения в закрытых помещениях без искусственного регулирования кли­матических условий.

Осевые вентиляторы применяют для проветривания шахт со статическим давлением 550—3000 Па, а центробежные — соответ­ственно для шахт с давлением 2500—8000 Па. В настоящее время в экс­плуатации находятся следующие типы вентиляторов: осевые В-УПД, ВОК, ВОКД, ВОКР, ВОД; центробежные ВЦО, ВЦ, ВЦД, ВРЦД, ВЦЗ.

Главные вентиляторные установки шахты состоят из двух самостоятель­ных вентиляторных агрегатов, причем один из них является резервным. На действующих негазовых шахтах главные вентиляторные установки могут состоять из одного агрегата с резервным двигателем.

Р ис 1. Осевой вентилятор. 1-приводной эл. двигатель; 2,4-соединительные мыфты; 3-промежуточный вал; 5-коллектор; 6-кожух; 7-радиальный подшипник; 8-спрямляющий аппарат; 9-рабочие колёса; 10- радиально-упорный подшипник; 11- цилиндрическая обечайка; 12-диффузор;

Вентилятор состоит из ротора 9, кожуха 6, коллектора 5, спрямляющего аппарата 8, диффузора и других элементов.

Основным рабочим органом вентилятора является ротор 9. Он состоит из вала с насаженными на него одним или двумя рабочими колесами. Рабо­чие колеса имеют расположенные по окружности лопатки, которые при вра­щении перемещают воздух в осевом направлении. Вал рабочего колеса вен­тилятора вращается в двух подшипниковых узлах (радиальном 7 и радиально-упорном 10).

Вращение ротора осуществляется приводным электродвигателем 1 через систему, состоящую из соединительных муфт 2, 4 и промежуточного вала 3.

Кожух 6 осевого вентилятора выполняется сварным. На нем располага­ются масленки для дистанционной смазки подшипников и ремонтные люки для осмотра рабочих колес. Внутри к кожуху крепятся опоры подшипников, направляющие и спрямляющие аппараты и другие конструкции.

Воздух засасывается в вентилятор через коллектор 5, который служит для плавного входа потока в рабочую полость, затем перемещается лопат­ками рабочих колес и поступает в диффузор, состоящий из внутренней ци­линдрической или конической обечайки 11 и внешнего конуса 12. Диффузор преобразует часть скоростного давления в статическое.

Между колесами первой и второй ступени ротора, устанавливается про­межуточный спрямляющий аппарат 8, который раскручивает поток воздуха после колеса первой ступени и направляет его на колесо второй ступени. За второй ступенью колеса устанавливается спрямляющий аппарат.

В угольной промышленности применяются различные типы центробежных вентиляторов: ВЦО, ВЦ, ВШЦ, ВЦД, ВРЦД (В — вентилятор, Ц — центро­бежный, О — с односторонним подводом воздуха, Ш — шахтный, Д — с двухсторонним подводом воздуха, Р — рудничный). Вентиляторы с рабо­чими колесами малых диаметров используют при проветривании неглубоких шахт или отдельных участков шахтного поля. Вентиляторы с рабочими коле­сами диаметром 2—4,5 м устанавливают в качестве главных при проветрива­нии глубоких шахт и рудников.

Центробежный вентилятор (рис. 2.) состоит из рабочего колеса 5, за­крепленного на валу 6, подшипниковых узлов 1 и 7, на которые опирается вал, спирального кожуха 4, направляющего аппарата 3, входной коробки 2, диффузора, рамы и других узлов. На рабочем колесе закреплены лопатки, которые при вращении колеса создают приращение давления в потоке. Спи­ральный кожух преобразует динамическое давление в статическое. Осевой направляющий аппарат, установленный перед рабочим колесом, имеет ло­патки и механизм для их одновременного поворота. Направляющий аппарат служит для регулирования режима работы вентилятора, а также для умень­шения потребляемой мощности при пуске приводного электродвигателя. Вал вентилятора при помощи муфты 8 соединяется с валом электродвигателя 9. Кожух имеет люк для осмотра и ремонта рабочего колеса.

Рис. 2. Центробежный вентилятор ВЦ-32. 1,7-подшипниковый узел; 2- входная коробка; 3 – направляющий аппарат; 4- спиральный кожух; 5- рабочее колесо; 6- вал; 8- муфта; 9- электродвигатель;

1.1 Аэродинамические характеристики шахтных вентиляторов

Основными параметрами, характеризующими аэродинамиче­ские качества вентиляторов, являются: производительность Q, статическое давление Р_ст (при работе вентилятора на всасывание) или полное давление Р (при работе вентилятора на нагнетание), мощность вентилятора N и его статический _ст или полный КПД (соответственно при Р_ст или Р_.). Зависимость между указанными выше параметрами данного вентилятора при постоянной частоте вра­щения его ротора (п = const) и определенных углах установки лопаток рабочего колеса, направляющего и спрямляющего аппа­ратов называется индивидуальной аэродинамической характе­ристикой вентилятора.

Обычно эти характеристики получают опытным путем в ре­зультате испытания вентилятора на стенде или непосредственно в шахте и выражают в виде графических зависимостей для вентиляторов главного проветривания (с учетом примы­кающего к вентилятору участка вентиляционного канала и выход­ных элементов вентиляторной установки)

Р_ст = f(Q), N = f(Q), _ст = f(Q),

На рис. 3 приведены индивидуальные аэродинамические характеристики шахтных центробежного и осевого вентиляторов, а также характеристики вентиляционных сетей (кривые А_ш), на которые работают эти вентиляторы. Точка пересечения кривых давления вентилятора и вентиляционной сети (точка М) позволяет определить рабочий режим вентилятора при работе его на данную сеть, т. е. Q, Р_ст , N и _ст (методика нахождения рабочего режима показана на рис. 3 пунктирными линиями со стрелками).

Работа вентилятора на внешнюю сеть должна быть экономич­ной и устойчивой. Принято считать, что работа шахтного венти­лятора главного проветривания является экономичной, если его _ст 0,6;

Рис.3. Индивидуальные характе­ристики шахтных центробежного (а) и осевого (б) вентиляторов

Если на характеристике центробежного вентилятора главного проветривания (рис.3,а) провести горизонтальную линию, со­ответствующую значению _s = 0,6, и из точек ее пересечения с кривой _s = f (Q) восстановить перпендикуляры до пересече­ния с кривой p_sv = f (Q), то на последней можно выделить рабо­чий участок характеристики (см. рис. 3, а), находящийся в интервале подач Q' — Q", на котором все режимы работы венти­лятора являются экономичными.

В осевых вентиляторах главного проветривания, имеющих при больших углах установки лопаток рабочих колес кривые дав­ления с впадинами и даже разрывами, возможны неоднозначные и неустойчивые режимы работы, которые недопустимы для нор­мальной эксплуатации вентилятора и проветривания шахты. Поэтому рабочий участок характеристики этих вентиляторов (рис. 3, б) определяется несколько иначе: правая граница ра­бочего участка — исходя из условий экономичности, а левая граница — исходя из условия обеспечения устойчивой и однозначной работы вентилятора при нормальном проветривании и при реверсировании воздушной струи.

Как осевые, так и центробежные главные и вспомогательные вентиляторы, а также многие вентиляторы местного проветрива­ния имеют поворотные лопатки рабочих колес или направляющих аппаратов, поэтому у каждого из них при одной и той же частоте вращения имеется семейство индивидуальных характеристик, полученных при различных углах установки лопаток рабочего колеса или направляющего аппарата _на. Если на каждой кривой давления этого семейства выделить рабочий участок, а затем соответственные концы этих участков соединить линиями, то получится область (зона) промышленного использования дан­ного вентилятора. Все режимы работы, находящиеся в пределах этой области, являются устойчивыми и экономичными. На графике области промышленного использования шахтного осевого вентилятора обычно приводятся не только кривые давле­ния при разных углах установки лопаток (от _min до _mах), но также и кривые равных КПД — от _s = 0,6 до _{s max}. Наличие таких областей существенно упрощает выбор и расчет вентилято­ров.

Рис. 4. Сводные графики областей промышленного использования центробежных (а, б) и осевых (в) вентиляторов главного проветривания.

в