Насосики турбоашины и компрессора

и H – соответственно напор, необходимый для перемещения жидкости в сети и создаваемый турбомашиной; Qc

иQ – расход жидкости в сети и подача машины.

Вслучае, если характеристика турбомашины имеет две и более точек пересечения с характеристикой сети (рис.27), то ее режим работы может быть неустойчивым, ибо под влиянием каких-либо мгновенных колебаний параметров установки режим работы может переходить из точки а в точку в или в точку б.

Таким образом, в системе «машина – сеть» при наличии

неустойчивой ветви а-б-в (рис.27, а) и с-с1 (рис.27, б) возникают автоколебания – помпаж (неустойчивая работа, сопровождающаяся резкими, толчкообразными периодическими изменениями давления и расхода, приводящими к гидравлическим ударам в сети). Помпаж вызывает повышенные напряжения в элементах насоса, вибрации рабочих лопастей и ротора и ускоряет выход оборудования из строя.

41

осевые вентиляторы могут иметь неустойчивые режимы работы при наличии впадин и разрывов в их напорных характеристиках

(рис.27, а).

Кроме устойчивости, к рабочим режимам лопастных машин предъявляется требование экономичности, которая оценивается КПД. С изменением подачи турбомашины ее КПД может прини-

42

мать значения от нуля до max. Экономичными считаются режимы,

при которых min.

В теории лопастных машин используются два метода определения min. В первом методе min = (0,84 0,85) max, во втором задаются конкретным его значением с учетом уровня развития турбомашиностроения. В настоящее время для вентиляторов главного проветривания принято min = 0,6 [4].

Участок характеристики лопастной машины, режимы которого удовлетворяют условиям экономичности и устойчивости, называется рабочей частью. Для центробежных насосов и вентиляторов рабочая часть характеристики определяется только условиями экономичности.

Для осевых вентиляторов часть экономичных режимов оказывается неустойчивой. На аэродинамической характеристике осевого вентилятора (кривая 1, рис.27, а) экономичные режимы расположены между точками в и с, что обусловлено кривой КПД – 2. Однако устойчивыми являются режимы правее точки а на кривой 1, поэтому рабочей частью аэродинамической характеристики вентилятора будет участок а-с.

3.2. Регулирование турбомашин

При эксплуатации турбомашин возникает необходимость изменения режима работы для изменения производительности или поддержания ее постоянной величиной.

Все способы регулирования сводятся к изменению напорных характеристик машин и сети, во-первых, изменением характеристики внешней сети, т.е. искусственным увеличением сопротивления трубопроводов или изменением числа и характеристик потребителей текучего, во-вторых, изменением характеристики машины, что достигается регулированием скорости вращения вала, поворотом и числом лопастей рабочего колеса, поворотом лопаток на направляющем аппарате перед колесом, уменьшением внешнего диаметра рабочего колеса машины (с помощью объемных закрылков небольшой длины, закрепленных на выходных кромках лопаток, путем подрезки концов ло-

43

паток рабочих колес у насосов, путем замены рабочего колеса вентилятора геометрически подобным другого диаметра), изменением площади активной части живого сечения рабочего колеса (изменением ширины рабочего колеса, перемещением входного патрубка, заглушкой межлопаточных каналов колеса) и подсосом воздуха во всасывающей линии насоса.

Качество способов регулирования наиболее полно оценивается приведенными годовыми затратами на эксплуатацию конкретной установки с данным устройством.

3.3. Совместная работа турбомашин на внешнюю сеть

Когда давление или подача, создаваемые одной турбоустановкой, недостаточны, переходят к совместной работе нескольких турбомашин на одну сеть. При этом существуют два варианта – параллельная и последовательная работа машин. При параллельной работе текучее от нескольких машин поступает в общую сеть. При последовательной – подача одной машины проходит через другую и получает дополнительную энергию.

Последовательная работа применяется для увеличения давления (напора) во внешней сети. При этом подача машин одинакова, а давление (напор) равен сумме напоров отдельных машин.

44

Рассмотрим два случая:

1.Машины расположены непосредственно рядом (рис.28, а). Складывая ординаты характеристик 1 и 2, получим суммарную напорную характеристику 1 + 2, пересечение которой с характеристикой внешней сети I дает совместный рабочий режим в точке А. Точки А' и А" – рабочие режимы отдель-

ных машин при совместной работе, а точки А1 и А2 – рабочие режимы при раздельной работе на ту же сеть.

2.Машины расположены друг от друга на расстоянии (рис.28, б). Для получения суммарной напорной характеристики вначале теоретически заменяют турбомашину 1 (находящуюся в точке С с прилегающим к ней трубопроводом СВ) эквивалентной машиной 1' (расположенной в точке В рядом с машиной 2), т.е. приводят турбомашины в общую точку В. Для этого строится характеристика 1' вычитанием из характеристики турбомашины 1 при одних и тех же Q ординаты характеристики 1' трубопровода СВ , т.е. напор, расходуемый на подъем жидкости и преодоление сопротивления трубопровода. Суммарная характеристика получается сложением ординат характеристик 1' и 2. Точка А пересечения суммарной характеристики машин с характеристикой внешней сети I определяет рабочий режим последовательно работающих турбомашин, а точки А' и A" – рабочие режимы отдельных турбомашин 1 и 2.

Рис.28. Последовательная работа турбомашин при их расположении в одном месте (а) и на расстоянии (б)

45

Рис.29. Параллельная работа турбомашин при их расположении рядом(а) и на расстоянии (б)

Хорошая эффективность работы при последовательном включении достигается при использовании турбомашин с одинаковыми подачами.

КПД последовательно включенных насосов определяется из выражения

где 1 и 2 –КПД машин; N1 и N2 – потребляемая мощность. КПД вентилятора

Параллельная работа турбомашин применяется для увеличения подачи во внешнюю сеть. При этом напоры одинаковы, а производительности складываются.

Рассмотрим два случая:

1. Машины расположены рядом (рис.29, а). Суммарная характеристика машин определяется сложением абсцисс напорных характеристик 1 и 2 при одинаковых напорах. Пересечение полученной характеристики с характеристикой 1 сети (точка А) определяет рабочий режим совместно работающих машин, а точки А' и А" – рабочие режимы отдельных машин.

46

Суммарная подача параллельно включенных машин всегда меньше суммы подач тех же машин, работающих отдельно на такие же трубопроводы.

2. Машины расположены на расстоянии (рис.29, б). Для построения суммарной характеристики машины 1 и 2 с прилегающими к ним трубопроводами II и III заменяют эквивалентными машинами 1 и 2. Дальнейшее построение суммарной характеристики производится аналогично, как и для рядом расположенных машин. При этом А – рабочий режим совместно работающих машин, А' и A" – рабочие режимы отдельных эквивалентных машин 1' и 2", A1 и А2 – рабочие режимы реальных машин 1 и 2.

КПД параллельно работающих турбомашин

Хорошая эффективность работы при параллельном включении достигается с использованием турбомашин с одинаковыми напорами.

Вопросы для самопроверки

1.Как определяются параметры эксплуатационного, рабочего режима турбомашины при работе на внешнюю сеть

[4]?

2.Отчего происходит изменение режимов работы турбомашины? Как обеспечить устойчивость работы турбомашины

[4,6]?

3.Объясните причину возникновения помпажа при работе турбомашины [4].

4.Каково условие экономичной эксплуатации турбомашины [4,6]?

5.Какие существуют способы регулирования турбо-

машин [4,6]?

6.Как определить напор и подачу на данную сеть последовательно или параллельно расположенных в непосредст-

47

венной близости друг от друга или на расстоянии нескольких лопастных машин [3,4]?

4. ВЕНТИЛЯТОРНЫЕ УСТАНОВКИ РУДНИКОВ И ШАХТ

4.1. Классификация вентиляторных установок

По назначению: а) главные вентиляторные установки располагаются на поверхности у устья герметически закрытых стволов, шурфов, скважин и обеспечивают проветривание всей шахты или ее части (крыла, блока, панели); б) вспомогательные вентиляторные установки располагаются также на поверхности (как исключение – под землей) и проветривают один-два очистных забоя и периодически переносятся по мере смещения работ, а также служат для проветривания обособленных камер и шахт в период строительства; в) вентиляторные установки местного проветривания для вентиляции глухих забоев и подготовительных выработок.

По способу проветривания: а) всасывающие вентилято-

ры, отсасывая из забоев и горных выработок загазованнный и запыленный воздух, создают разряжение (такой способ должен применяться на шахтах опасных по газу и пыли); б) работающие на нагнетание создают в выработках давление больше атмосферного (такой способ только для негазовых шахт).

По принципу действия: центробежные; осевые.

По числу ступеней: одноступенчатые (центробежные); многоступенчатые (осевые).

В зависимости от расположения вала: горизонтальные;

вертикальные.

По ГОСТу изготавливают вентиляторы осевые (1000-4000 Па) и центробежные (2500-7100 Па)

Преимущества осевых вентиляторов: простой реверс струи (без отводящих каналов), большие возможности для регулирования (лопатки колес и НА), меньшие габариты и масса при

48

больших Q; большой КПД; удобное включение на последовательную работу.

Недостатки осевых вентиляторов: седлообразная форма характеристик (большая зона неустойчивой работы); сильный шум; большой по длине трансмиссионный приводной вал.

Преимущества центробежных вентиляторов: отсутствие недостатков осевых; большие напоры.

Недостатки центробежных вентиляторов: маленькая глубина экономичного регулирования; маленький расход (подача) при больших давлениях.

4.2. Эквивалентное отверстие рудника

Эквивалентное отверстие – это условное круглое отверстие в тонкой стенке, расход воздуха через которое при разности давлений, равной депрессии шахты, такой же, как и в шахтной вентиляционной сети. Иными словами, под эквивалентным отверстием шахты (рудника) подразумевается условное отверстие, сопротивление которого равно сопротивлению всей шахты.

Из гидравлики известно, что расход жидкости через тонкое отверстие

где – коэффициент сужения струи; A – площадь эквивалентного отверстия, м2; H – разность напоров, м.

Принимая депрессию Рст = gH, коэффициент = 0,65 и плотность воздуха = 1,2 кг/м3, получаем для вентиляционной сети следующие выражения [1]:

Уравнение (57) представляет собой аналитическое выражение характеристики вентиляционной шахтной сети через эквивалентное отверстие.

Для каждой конкретной шахты в пределах относительно небольшого отрезка времени эквивалентное отверстие можно считать постоянным, но оно с течением времени в связи с развитием шахты изменяется. Следовательно, для одной шахты, но в разное время существования характеристики вентиляционной сети будут разные.

4.3. Действительные характеристики вентиляционных сетей

Рассмотренные в общей теории уравнения характеристик внешних сетей были получены для герметичных трубопроводов. Однако подземные выработки любого горного предприятия, представляющие собой вентиляционный трубопровод, обязательно имеют неплотности. Основные утечки (при нагнетании) или подсосы (при всасывании) можно разделить на три группы: 1) через обрушения горных выработок, скважины и шурфы; 2) через надшахтное здание вентиляционного ствола и обходные выработки реверсивного устройства; 3) через резервный вентилятор.

Величина утечки при изменении давления у вентилятора определяется характером неплотности. Небольшие неплотности при большой длине каналов могут обусловить изменение утечек прямо пропорционально разности давлений. При больших неплотностях утечки становятся прямо пропорциональны квадрату разности давлений.

Такое разнообразие утечек не позволяет определить их аналитически. Действительную характеристику определяют только опытным путем. Поэтому, с учетом выражения (57) можно написать полуэмпирическую формулу для конкретного трубопровода:

50