55

Лекция №1

Тема: «Введение»

Содержание предмета “Горная механика ”. Значение шахтных стационарных установок (ШСУ) в общем техническом процессе работы шахты

В предмете ”Горная механика” изучаются назначение, устройство, принцип действия, эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт, правила безопасности и охрана окружающей среды при эксплуатации шахтных стационарных установок (ШСУ), к которым относятся вентиляторные, водоотливные, пневматические, подъёмные и др. стационарные установки. По значению ШСУ занимают главнейшую роль в общем комплексе электромеханического оборудования угольной промышленности, как по мощности, так и по сложности оборудования. Эти установки характеризуются сложностью конструкций и большой энергоёмкостью 90% всей потребляемой на шахтах электроэнергии.

Вентиляторная установка служит для подачи в шахту атмосферного воздуха. От степени проветривания подземных выработок зависят возможность ведения горных работ в шахте, безопасность и производительность труда горнорабочих. Для создания нормальных атмосферных условий в угольных шахтах вентиляторы должны на 1т добытого угля подавать 5…15т воздуха.

Современные вентиляторы характеризуются надёжностью и экономичностью в работе, обеспечивают потребность шахт в воздухе до 700 м³/с при давлении до 700 даПа.

Водоотливная установка необходима для откачки воды из подземных выработок на поверхность.

Различают главную водоотливную установку для транспортирования воды с уровня околоствольного двора шахты на поверхность и участковую – для откачки воды из горного участка или группы участков до уровня ОД.

Пневматические установки предназначены для получения сжатого воздуха, используемого при работе горных комбайнов, отбойных и бурильных молотков, лебёдок, ВМП, участковых насосов.

Сжатый воздух в шахтных условиях имеет существенное преимущество – взрывобезопасность, но по сравнению с электроэнергией он дороже и его труднее передавать на значительные расстояния.

Подъёмная установка предназначена для транспортирования по стволу полезного ископаемого, людей и различных грузов.

Домашнее задание: - задачи дальнейшего усовершенствования стационарных установок [1], стр. 7.

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр.3-7).

Лекция №2

Раздел №1. “Основы теории турбомашин”

Тема: «Понятие о турбомашине, её устройство и принцип действия»

Понятие о турбомашине, разновидность шахтных турбомашин.

Турбомашиной называется такая машина, рабочим органом которой является колесо с лопатками (лопастями), а рабочим телом текучее (жидкость).

К шахтным турбомашинам относятся осевые и центробежные вентиляторы, центробежные насосы, турбокомпрессоры.

Турбомашины бывают генераторами и двигателями.

В зависимости от конструкции рабочего колеса и направления движения текучего в нём различают следующие типы турбомашин:

1. Центробежные (радиальные).

2. Осевые.

3. Диагональные.

Общее устройство и принцип действия центробежной турбомашины (Ц.Т.М.).

Центробежная турбомашина состоит из рабочего колеса 1 (РК) с лопастями 2, обтекателя 3, вала 4, подшипников 5, спирального отвода 6, входного патрубка 7, напорного патрубка 8 и пирамидального диффузора 9, который применяется только для вентиляторов.

Рисунок 1 – Центробежная

турбомашина с входом жидкости:

а - односторонним;

б – двухсторонним.

Передний обтекатель и коллектор предназначены для плавного входа текучего в рабочее колесо.

Направляющий аппарат (НА) предназначен для безударного подвода воздуха ко второму в рабочему колесу.

Спрямляющий аппарат (СА) предназначен для спрямления воздуха выходящего закрученным из последнего рабочего колеса.

Диффузор служит для преобразования скоростного напора в статический.

Для увеличения подачи (производительности) применяются рабочие колёса с двусторонним входом жидкости.

Для увеличения напора (давления) служат многоступенчатые турбомашины с последовательным соединением нескольких колёс на одном валу.

Общее устройство и принцип действия осевой турбомашины (О.Т.М.).

Осевая турбомашина состоит из рабочего колеса в виде втулки 1 с лопастями 2, вала 3, корпуса 4 с коллектором 5, переднего обтекателя (кока) 6, спрямляющего аппарата 7, диффузора 8 и подшипников. Лопасти относительно втулки закреплены под некоторым углом. У входа в колесо возникает разряжение, а за колесом – давление.

За рабочим колесом устанавливается спрямляющий аппарат для выравнивания в осевом направлении потока, выходящего из колеса закрученным. Назначение диффузора в осевой турбомашине то же, что и в центробежной.

Осевая турбомашина также может быть многоступенчатой, с последовательным соединением колёс. Между рабочими колёсами устанавливается неподвижный лопаточный направляющий аппарат, а за последним колесом – такой же конструкции спрямляющий аппарат.

Рисунок 2 - Осевая турбомашина.

Величины (параметры) характеризующие работу турбомашин:

1. Подача (производительность) Q – количество транспортируемой турбомашиной жидкости в единицу времени. Измеряется в объёмных единицах (м³/с, м³/мин, м³/ч). Применительно к насосам принят термин подача, к вентиляторам – производительность.

2. Напор (давление) Н, создаваемый турбомашиной и представляющий собой приращение полной удельной (на 1кг) энергии, полученной жидкостью в турбомашине. Напор измеряется в метрах столба жидкости (м.в.ст., мм в.ст., мм рт ст.), давление – в паскалях (Па, даПа).

1атм = 1кгс/см² = 10 м.в.ст. = 100000 Па = 100 кПа = 736 мм рт.ст. = 10000мм в.ст.

1даПа = 10 Па.

Различают избыточное давление, т.е. избыток измеряемого манометром давления над барометрическим давлением внешней среды, и абсолютное давление, равное сумме барометрического и измеренного манометром избыточного давления.

3. Мощность- энергия, полученная турбомашиной от двигателя в единицу времени.

Q  H

   ; кВт – для вентиляторов.

1000  

Q  H    g

 =  ; кВт – для насосов.

1000  3600  

где  - плотность воды, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

4. К.п.д.  турбомашины – отношение полезной мощности, сообщаемой потоку жидкости, к мощности турбомашины.

_{полезн.}

 = , %.

_полн.

5. Частота вращения n рабочего колеса турбомашины – число оборотов в минуту (мин^-1).

  D  n

U = ; м/с – окружная скорость.

60

Домашнее задание:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 8-11), перерисовать рисунки 2 и 4, (стр. 8-9).

2. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. Описать принцип работы осевой и центробежной турбомашин, (стр. 8-9).

Лекция №3

Тема: «Основное уравнение колеса турбомашины»

Основное уравнение колеса турбомашины и его анализ

Основное уравнение колеса турбомашины выражает зависимость между теоретическим давлением и скоростями текучего.

Н_т = f(U, W, C);

где U – переносная (окружная) скорость, м/с;

W – относительная скорость, м/с;

C – абсолютная скорость, м/с.

C = U + W, м/с. C_U = C cosα.

Это уравнение можно вывести при соблюдении следующих условий

1. Потери давления в колесе равны нулю;

2. Число лопаток бесконечно, а толщина их исчезающе мала.

Ν_{вала =} Ν_{потока.}

W  М = Q  Н_т  .

После преобразования этого уравнения, получим следующее

Н_т = U₂С_2U – теоретический напор турбомашины.

Основное уравнение центробежной турбомашины (уравнение Эйлера)

Н_т = (U₂С₂cosα₂ – U₁С₁cosα₁).

Основное уравнение осевой турбомашины

Н_т = U(С_2U – С_1U).

где С_2U – скорость закручивания потока на выходе из колеса;

С_1U – скорость закручивания потока на входе в колесо.

Из этого вытекает, что при наличии закручивания потока на входе в колесо появляется С_1U, при помощи направляющего аппарата изменяется Н_т теоретический напор, то есть можно регулировать режим работы турбомашины.

Уравнения теоретической характеристики турбомашин

Уравнение теоретической характеристики турбомашины выражает зависимость между теоретическим давлением и теоретической производительностью.

Н_т = f(Q_т).

Н_т = U₂С_2U.

Уравнение теоретической индивидуальной характеристики центробежной турбомашины

Н_т = + U₂ Q_т.

Уравнение теоретической индивидуальной характеристики осевой турбомашины

Н_т = + U Q_т.

где - угол выхода лопатки (потока), град;

D₂ – диаметр колеса;

d₂ - диаметр выходного отверстия турбомашины.

Рисунок 1 – Скорости на входе и выходе рабочего колеса центробежной турбомашины.

Теоретические характеристики турбомашин

Теоретические характеристики турбомашины строятся по уравнению и для центробежных турбомашин имеют три вида в зависимости от типа колёс.

Типы рабочих колёс центробежных турбомашин:

а) колёса с лопатками, загнутыми вперёд _  90⁰.

б) колёса с радиальными лопатками, _  90⁰.

в) колёса с лопатками, загнутыми назад, _  90⁰.

Рисунок 2 – Рабочие колеса турбомашин и соответствующие им теоретические индивидуальные характеристики.

Анализируя теоретические характеристики, очевидно, что наилучшей теоретической характеристикой является характеристика первого типа колёс, так как с увеличением производительности растёт и давление, однако в действительности при работе турбомашин имеются потери давления в колесе пропорциональные скорости в квадрате, поэтому на практике применяют колёса с загнутыми лопатками назад, так как у них более высокий к.п.д.

Теоретическая характеристика может быть только одна для колёс с лопатками загнутыми назад.

Литература:

1. Таджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 11-17), рис. 5 и 7.

Лекция №4

Тема: «Действительные индивидуальные характеристики турбомашин»

Действительные индивидуальные характеристики центробежных и осевых турбомашин

Анализ их к.п.д.

Действительная индивидуальная характеристика турбомашины представляет собой зависимость между напором Н и подачей Q

Н = f(Q)

Действительный напор меньше теоретического из-за потерь в турбомашине, причинами которых являются: 1) конечное число лопастей колеса; 2) трение частиц жидкости между собой и о поверхности проточной части турбомашины; 3) затраты энергии на удары при вихревом движении жидкости внутри турбомашины; 4) затраты энергии на преобразование скоростного напора в статический.

Кривую действительной индивидуальной характеристики турбомашины можно получить, если из ординат теоретического напора Н_т вычесть ординаты потерь напора Н_п при соответствующих подачах (рисунок 1).

Н = Н_т - Н_п.  = _г _о _м;

где _г – гидравлический к.п.д.; _о – объёмный к.п.д.; _м – механический к.п.д.

Рисунок 1 - Формы действительных индивидуальных характеристик турбомашины:

а и б – центробежных; в – осевой.

Сравнение форм действительных индивидуальных характеристик турбомашин, имеющих рабочие колёса с лопастями, загнутыми вперёд (рисунок 1, а) и назад (1, б), показывает, что первая характеристика имеет вид выпуклой кривой или слабо выраженный горб. Форма характеристики при определённых условиях оказывает влияние на устойчивость режима работы турбомашины.

Действительная индивидуальная характеристика осевой турбомашины (рисунок 1, в) имеет форму седлообразной кривой.

Действительную индивидуальную характеристику турбомашины получают опытным путём: измерением напора, создаваемых конкретной турбомашиной при различных подачах и постоянной частоте вращения рабочего колеса.

Н = f(Q); Ν = f(Q);  = f(Q)

Эксплуатационная индивидуальная характеристика турбомашины даётся заводом изготовителем для одного рабочего колеса, причём кроме кривой Q – H приводится ещё кривая к.п.д. Q -  и кривая мощности Q – N, а для насосов - кривая допустимой вакуумной высоты всасывания Q - H_в^доп.

Для центробежных турбомашин

Ν, кВт

Ν

Q, м³/ч

Н, м.вод.ст.

Зона промышленного использования

Н

0,85_max

Номинальный режим (оптимальный)

_max 

Q, м³/ч

Как видно из характеристики мощностей, центробежную турбомашину нужно запускать при закрытой задвижке (Q = 0), так как при этом мощность минимальная.

Осевые турбомашины

Ν, кВт

Ν

Q, м³/с

Осевую турбомашину можно пускать при открытой или закрытой задвижке.

Зоной промышленного использования турбомашины называется часть характеристики, которая соответствует к.п.д. не менее 0,85 к.п.д. максимального.

Н, Па

Н



Q, м³/с

Номинальный режим турбомашины

Номинальным режимом турбомашины называется такой режим, который соответствует максимальному к.п.д.

Рабочий режим почти никогда не совпадает с номинальным, но он должен лежать на той же части, где к.п.д. высокий.

Рабочий режим считается экономичным:

1. Вентиляторы главного проветривания  ≥ 0,6.

2. Вентиляторы местного проветривания  ≥ 0,5.

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 17-22), рис. 10- 13.

Лекция №5

Тема: «Характеристики внешней сети. Режимы работы турбомашин»

Внешняя сеть турбомашин

Характеристика внешней сети представляет собой зависимость между подачей и напором и строится по уравнению.

Н = f(Q).

Для того чтобы написать уравнение внешней сети, вычертим упрощённую схему водоотливной установки.

Поверхность

Q

Н_н

Н_г = Н_в + Н_н, м.

Н _г

Н_В

Насосная камера

где Н_г – геометрическая (геодезическая) высота, м;

Н_в – высота всасывания, м;

Н_н – высота нагнетания, м.

Высота нагнетания – расстояние по вертикали от напорного фланца насоса до места вылива воды из нагнетательного трубопровода.

Высота всасывания – расстояние по вертикали от уровня воды в колодце до оси входного отверстия насоса.

Геометрическая высота - расстояние по вертикали от уровня воды в колодце до места слива воды из нагнетательного трубопровода.

Уравнения для внешней сети для вентиляторных и водоотливных установок.

Напор турбомашины Н расходуется на подъем жидкости на геометрическую высоту , создание скоростного напора в сливном отверстии напорного трубопровода и преодоление гидравлических сопротивлений во внешней сети – потери напора Н_п.

Н = Н_г + Н_ск + ∆Н_п.

Скоростной напор

Потери напора по длине трубопровода и в местных сопротивлениях:

Н_п = ( + ) = _с ,

где  - коэффициент, зависящий от шероховатости внутренней поверхности трубопровода; - длина трубопровода; d – диаметр трубопровода; - коэффициент местных сопротивлений; υ- скорость движения жидкости в трубопроводе; - суммарный коэффициент сопротивлений.

Уравнение внешней сети для водоотливных установок

примем

где R- постоянная сети (трубопровода)

Зависимость между H и Q – характеристика внешней сети, изобразится параболой.

Для шахтных вентиляторов

характеристика сети изображается параболой, которая выходит из начала координатных осей.

Н Характеристика водоотливного тр-да

характеристика вентиляционной сети

Н_г

Q

Для определения рабочего режима турбомашины необходимо на одном графике, в одинаковом масштабе вычертить характеристику турбомашины и построить по уравнению характеристику внешней сети. Точка пересечения будет рабочим режимом, а параметры можно вынести линиями.

Н

А Характеристика внешней сети

Рабочий режим

Характеристика турбомашины

Н_р

 _р

Q_р Q

Рисунок 1 – Построение рабочего режима турбомашины (устойчивый для центробежной турбомашины).

Для упрощенных расчетов вентиляционной сети шахты используется понятие «эквивалентное отверстие».

«Эквивалентное отверстие» – абстрактное отверстие в идеально тонкой стенке, через которое проходит заданное количество воздуха, испытывающее при этом такое же сопротивление, как в фактической внешней сети турбомашины.

Для шахтной вентиляционной сети .

Для водоотливного трубопровода

Устойчивые и неустойчивые режимы работы.

Режимы работы турбомашины бывают: устойчивые и неустойчивые.

Устойчивый режим – это такой режим, когда получается только одна точка пересечения характеристик.

Неустойчивым называется такой режим, когда получается 2-е и более точек пересечения.

Неустойчивый режим и отсутствие режима свидетельствует о неправильном выборе турбомашины при заданной геометрической высоте.

Рисунок 2 – Рабочие режимы турбомашин (неустойчивый):

а) для осевой турбомашины; б) для центробежной турбомашины.

Допускать работу в неустойчивых режимах нельзя. Поэтому перед выбором турбомашину проверяют на устойчивость работы.

Для обеспечения устойчивой работы при выборе шахтного центробежного насоса необходимо соблюсти условие:

Н_г

  0,90,95,

Н₀

где Н₀ – напор центробежного насоса при подаче, равной нулю.

Законы пропорциональности и коэффициент быстроходности турбомашин

При изменении частоты вращения рабочего колеса изменяются и основные параметры в соответствии со следующими тремя законами.

1. Подача турбомашины прямо пропорциональна частоте вращения рабочего колеса

Q₁ n₁

 =  .

Q₂ n₂

2. Напор, создаваемый турбомашиной, прямо пропорционален частоте вращения во второй степени ₂

= .

3. Мощность турбомашины прямо пропорциональна частоте вращения в третьей степени

₃

= .

Законы пропорциональности не распространяются на турбомашины, работающие с геометрической высотой подачи.

В шахтной практике частота вращения изменяется в сравнительно небольших пределах, поэтому расхождение между результатами вычислений по этим законам и действительными значениями невелико и им можно пренебречь.

Для более совершенной классификации введено понятие «коэффициент быстроходности» - n_s.

Для вентиляторов n_s = 12,9n .

Для насосов n_s = 3,65n .

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 22-30), рис. 14-17.

Лекция №6

Раздел №2. Стационарные установки шахт

Тема: «Осевые вентиляторы»

Назначение и разновидности вентиляторных установок главного проветривания с осевыми вентиляторами

Шахтные вентиляторные установки главного проветривания с осевыми вентиляторами предназначены для проветривания горных выработок шахт.

По назначению бывают:

1. Главного проветривания.

2. Вспомогательные.

3. Местного проветривания.

Двухступенчатые реверсивные вентиляторы ВОД-16, ВО-21А, АВМ-21, ВОД-21М, ВОД-30М, ВОД-30М2, ВОД40М и ВОД-50 предназначены для главного проветривания шахт при требуемом статическом давлении вентилятора до 300 даПа и расходе воздуха от 50 до 600 м³/с.

В - вентилятор, О – осевой, Д – двухступенчатый, М – модернизированный, цифры – диаметр рабочего колеса в дм.

Например, ВОД-30М – вентилятор осевой двухступенчатый, диаметр рабочего колеса – 30 дм.

ВОД-16 – со встречным вращением рабочих колёс, электродвигатели - 2х160 кВт.

Рисунок 1 - Вентиляторная установка с вентиляторами типа ВОД.

Главная вентиляторная установка с вентиляторами типа ВОД (рис. 1) состоит из:

1) рабочего и резервного вентиляторов - (1 и 2);

2) 2-х синхронных электродвигателей - (3 и 4);

3) системы смазки - 5;

4) электроаппаратуры и аппаратуры автоматизации - 6;

5) реверсивных устройств (ляды или двери – 7);

6) реверсивных лебедок - 8; 7) подводящего канала – 9;

8) выходного канала – 10; 9) глушителя шума - 11.

Глушитель шума выложен из звукопоглощающих блоков и имеет 5…7 параллельных стенок, разделяющих общую исходящую струю на отдельные струи.

Устройство осевого вентилятора главного проветривания

1. Рама. 2. Корпус. 3. Ротор (2 рабочих колеса и вал).

4. Подшипники.

5. Промежуточный вал.

6. Тормоз.

7. Передний обтекатель.

8. Коллектор.

9. Направляющий аппарат с сервомотором.

10. Спрямляющий аппарат с сервомотором.

11. Диффузор.

Для повышения давления осевой вентилятор изготавливают обычно двухступенчатым с двумя последовательно соединёнными рабочими колёсами, промежуточным направляющим аппаратом между ними и спрямляющим аппаратом за последним рабочим колесом.

Поворотные лопатки промежуточных направляющего и спрямляющего аппаратов обеспечивают возможность регулирования рабочего режима вентилятора, а также реверсирования вентиляционной струи. Рабочее колесо на валу осевых вентиляторов типа ВОД крепится при помощи шпонок и гаек. Втулка рабочего колеса состоит из ступицы и обода.

Промежуточный направляющий аппарат имеет 14 поворотных лопаток, которые могут поворачиваться сервомотором на угол до 180⁰.

Спрямляющий аппарат имеет 14 лопаток, из которых 11 поворотные, а 3 – несущие неповоротные.

Основной способ регулирования давления и подачи вентиляторов типа ВОД поворотом лопаток рабочего колеса на угол от +15^о до +45^о. Тонкое регулирование осуществляется поворотом лопаток направляющего аппарата.

Вал двигателя с валом вентилятора у осевых вентиляторов главного проветривания соединяется при помощи промежуточного вала и зубчатой муфты.

Реверсирование вентиляционной струи и требования ПБ.

Для реверсирования воздушной струи необходимо отключить двигатель вентилятора и затормозить ротор, повернуть на 180⁰ лопатки направляющего и спрямляющего аппаратов, растормозить ротор и пустить двигатель в противоположном направлении.

Главные вентиляционные установки должны обеспечивать реверсирование вентиляционной струи в том случае, когда это предусмотрено планом ликвидации аварий.

Перевод вентиляционных установок на реверсивный режим работы должен выполняться не более чем за 10 минут.

Расход воздуха, проходящего по выработкам в реверсивном режиме проветривания, должен составлять не менее 60% от расхода воздуха, проходящего по ним в нормальном режиме.

Осевые вентиляторы должны быть оборудованы тормозными или стопорными устройствами, препятствующими самопроизвольному вращению ротора вентилятора.

Вентиляционные каналы не должны загромождаться посторонними предметами и должны очищаться от пыли. Вентиляционные каналы должны иметь оборудованный шлюзом выход на поверхность.

На всех шахтах не реже двух раз в год (летом и зимой), а также при изменении схемы проветривания и замене вентиляторов должно производиться реверсирование вентиляционной струи в выработках. При этом в течение периода работы в режиме реверсирования, содержание метана в выработках, не должно превышать 2%. Производить в шахте работы, не связанные с реверсированием, кроме жизнеобеспечения шахты, запрещается.

На газовых шахтах вентиляторы главного проветривания должны работать на всасывание, чтобы не возрастало давление в шахте выше атмосферного.

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 39-46) рис. 25, 28.

2. Бабак Г.А. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания. Справочник. – М.: Недра, 1988.

3. ДНАОП 10.0-1.01-05. Правила безопасности в угольных шахтах. – К.: Основа, 2005.

Лекция №7

Тема: «Осевые вентиляторы местного проветривания»

Вентиляторы местного проветривания предназначены для подачи воздуха в тупиковые выработки шахт. На газовых шахтах вентиляторы местного проветривания должны работать на нагнетание. Изготовляют как с электрическим, так и с пневматическим двигателем. В этих вентиляторах для повышения экономичности применена коническая втулка рабочего колеса.

Типы вентиляторов местного проветривания

ВМЭУ-5, ВМЭ-6, ВМЭУ6-01, ВМЭВО-6А-01, ВМЭВО-6,7А, ВМЭВО-7,1А, ВМП-6М

(В – вентилятор, М – местного проветривания, В – взрывобезопасный, О – осевой, Э – электрический, П – пневматический, цифры – диаметр рабочего колеса в дм).

Вентиляторы ВМ-5М и ВМ-6М одноступенчатые, регулируемые с электроприводом предназначены для проветривания забоев тупиковых выработок.

Вентиляторы ВМЭ2-8 и ВМЭ2-10 одноступенчатые, регулируемые с электродвигателем, предназначены для проветривания тупиков выработок большого сечения и стволов d до 6м.

Вентиляторы ВМП-5М и ВМП-6М одноступенчатые с приводом от встроенной пневматической турбины служат для проветривания глухих выработок, в которых применение электрических вентиляторов запрещено ПБ.

Особенность конструкции вентиляторов ВМП - наличие пневматического двигателя.

Регулирование давления и подачи вентиляторов типа ВМП производится поворотом крана на подводящим воздухопроводе сжатого воздуха.

Конструкция вентилятора ВМЭУ-6 (рис. 1)

1. корпус - 1; 2) защитная сетка;

3. входной направляющий аппарат - 4;

4. воздушный сепаратор - 7;

5. рабочее колесо- 3;

6. спрямляющий аппарат - 2;

7. вал;

8. подшипники;

9. взрывобезопасный асинхронный двигатель – 5;

10. барно; 11) рым-скобы; 12) кольца жесткости; 13) салазки – 6; 14) стрелки.

Рисунок 1 - Вентилятор ВМЭУ-6.

На литой конической втулке рабочего колеса установлено семь кручёных лопастей. Лопасть представляет собой залитую капроновой смолой стальную арматуру с хвостиком и гайкой.

Направляющий аппарат имеет девять профильных резиновых лопаток со стальной армировкой входных и выходных кромок

«Воздушный сепаратор» - кольцевой канал предназначен для устранения впадины на аэродинамической характеристике вентилятора.

У вентилятора на всасывающей и нагнетательной сторонах могут быть установлены глушители шума.

Рабочий режим вентиляторной установки местного проветривания регулируется при работающем вентиляторе поворотом закрылков лопаток направляющего аппарата на угол от +45 до –50 ⁰.

Производительность и давления возрастают при повороте лопаток против направления вращения рабочего колеса (положительный угол), при отрицательном – уменьшаются.

Регулирование давления и подачи вентиляторов типа ВМЭ производится поворотом закрылков лопаток направляющего аппарата.

Вентиляционные трубы, прорезиненные, диаметром 500, 600, 800, 1000мм и длиной по 20м.

Вентиляционная труба в тупиковой выработке подвешивается при помощи крючков на тросе или проволоке.

ВМЭУ6-01 - наиболее совершенный тип вентилятора местного проветривания.

Особенность конструкции вентилятора СВМ (секционный, местного проветривания) – наличие сепаратора.

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 46-49) рис. 29.

2. Бабак Г.А. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания. Справочник. – М.: Недра, 1988.

3. ДНАОП 10.0-1.01-05. Правила безопасности в угольных шахтах. – К.: Основа, 2005.

Лекция №8

Тема: «Центробежные вентиляторы»

Назначение, устройство, особенности конструкции, преимущества и недостатки.

Центробежные вентиляторы главного проветривания предназначены для проветривания горных выработок шахт с депрессией превышающей 2500÷3000Па (900даПа) и производительности до 700 м³/с.

Вентиляционная установка главного проветривания с центробежными вентиляторами состоит

1) рабочего и резервного вентиляторов;

2) 2-х электродвигателей;

3) системы смазки;

4) электроаппаратуры и аппаратуры автоматизации;

5) переключающих устройств;

6) реверсивных устройств (ляды или двери);

7) подводящих каналов;

8) воздухозаборной будки;

9) диффузора, повёрнутого вертикально вверх.

Конструкция центробежного вентилятора

1. рама;

2. корпус;

3. вал;

4. подшипники;

5. рабочее колесо;

6. направляющий аппарат;

7. коллектор;

8. спиральный диффузор;

9. пирамидальный диффузор;

10. входной патрубок (входная коробка);

11. механизм поворота лопаток направляющего аппарата с приводом.

Основными конструктивными особенностями вентиляторов типа ВЦД являются наличие двух осевых направляющих аппаратов, рабочего колеса двухстороннего всасывания и выходного конца вала для подсоединения посредством зубчатой муфты второго приводного электродвигателя.

Типоразмеры центробежных вентиляторов главного проветривания: ВЦП-16, ВЦ-25, ВЦД-31,5М, ВЦД-31,5М2, ВЦД-42,5, ВЦД-47,5УМ.

Буквенные и цифровые обозначения вентиляторов: В – вентилятор, Ц – центробежный, Д – двухстороннего всасывания, П – проходческий, М – модернизированный, У - с узким выходом рабочего колеса. Цифра - диаметр рабочего колеса в дециметрах.

Реверсирование воздушного потока на всех центробежных вентиляторах производится с помощью ляд и обводного канала без изменения направления вращения рабочего колеса.

Регулирование давления и подачи у центробежных вентиляторов главного проветривания производится поворотом лопаток направляющего аппарата.

Двусторонний вентилятор ВЦД-47 «Север» (рисунок 1) пред­назначен для труднопроветриваемых шахт, а также для шахт, расположенных в районах с низкими температурами. Рабочее колесо вентилятора состоит из двух односторонних колес сварной конструкции. Каждое колесо имеет шесть крыловидных лопастей, приваренных к коренному и покрывному дискам. Коренные диски прикреплены болтами к ступице, насаженной на главный вал, вращающийся в роликовых подшипниках, смазка которых осуществляется от маслостанции. Вал имеет два приводных конца. Вентилятор не имеет направляющих аппаратов. Рабочий режим регулируется изменением частоты вращения рабочего колеса. Электропривод вентилятора выполнен по схеме комбинированного вентильно-машинного каскада, в котором один из приводных дви­гателей - асинхронный, а другой - постоянного тока. Схема реверсивных устройств этого вентилятора обеспечивает реверси­рование вентиляционной струи без обводных каналов, что повы­шает надежность работы вентилятора в условиях низких темпе­ратур воздуха.

Рисунок 1 – Вентилятор ВЦД-47 «Север»:

1 – рабочее колесо; 2 – корпус, 3 – всасывающие коробки; 4 – главный вал; 5 – подшипники; 6 – соединительные муфты; 7 и 8 – электродвигатели.

Проходческие односторонние ВЦП-16 и двусторонние ВЦПД-8УМ вентиляторы предназначены для проветривания про­ходок стволов d до 8 м и глубиной соответственно до 1400 и 850 м. Эти вентиляторы по конструкции своих основных элементов аналогичны вентиляторам главного проветривания.

Для регулирования режимов работы применяется осевой направляющий аппарат. Он состоит из системы лопаток, механизма их одновременного поворота на одинаковый угол, обтекателя и растяжек для крепления последнего к корпусу.

Вентиляторы ВМЦ-8, ВЦГ-7М, УЦВ2225, УЦВ1322 предназначены для проветривания тупиковых горных выработок в угольных шахтах, опасных по газу и пыли.

В ентилятор ВМЦ-8 состоит из: кожуха, рабочего колеса, кольцевого корпуса, коллектора, переходного патрубка, решётки, приводного электродвигателя с вводной коробкой (рисунок 2).

Рисунок 2 - Центробежный вентилятор местного проветривания ВМЦ – 8.

Кожух состоит из корпуса и вваренного в него спрямляющего аппарата. Корпус представляет собой сварную конструкцию и имеет три основных несущих кольцевых фланца, связанных между собою системой продольных рёбер.

Спрямляющий аппарат состоит из конической сварной втулки и приваренных к ней 29 лопаток, установленных радиально.

Рабочее колесо имеет шесть крыловидных лопаток, расположенных между коренным и покрывным дисками. Каждая лопатка имеет поворотный закрылок. В целях повышения жёсткости на закрылках имеются поперечные гофры. Крепление закрылков на оси вращения осуществляется с помощью специальных болтов и гаек со шплинтами. Конструкцией колеса предусмотрено два положения установки закрылков на углы -25⁰; 0⁰. Возможна работа вентилятора при снятых закрылках.

Рабочее колесо крепится на свободном конце вала электродвигателя, кольцевой корпус обеспечивает поворот воздуха в осевом направлении после выхода из рабочего колеса. Номинальная мощность электродвигателя составляет 75 кВт . [1, 2]

Регулирования подачи и давления у вентиляторов типа ВМЦ-8 производится поворотом закрылков лопаток рабочего колеса.

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 49-56) рис. 25, 28, 29.

2. Бабак Г.А. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания. Справочник. – М.: Недра, 1988.

3. ДНАОП 10.0-1.01-05. Правила безопасности в угольных шахтах. – К.: Основа, 2005.

Лекция №9

Тема: «Регулирование режимов работы вентиляторов»

Причины регулирования режимов работы вентиляторов

1. непрерывное изменение характеристики вентиляционной сети;

2. повышение выделения метана;

3. влияние естественной тяги.

Способы регулирования режимов работы вентиляторов

1. Поворотом лопаток направляющего аппарата (НА).

У центробежных вентиляторов главного проветривания на угол от 90^о до -30^о. У вентиляторов типа ВМЭ на угол + 45^о до -50^о.

2. Поворотом лопаток рабочего колёса вентиляторов типа ВОД на угол 1545^о (через 5^о).

3. Снятием части лопаток на рабочем колесе (ВОД-11П, ВОД-16).

4. Изменением частоты вращения рабочего колеса при помощи КВМК (комбинированного вентильно-машинного каскада) с глубиной регулирования до 50%. Вентилятор ВЦД-47А.

5. Комбинированное - поворотом лопаток рабочего колёса и направляющего аппарата вентиляторов типа ВОД.

6. Поворотом закрылков лопаток рабочего колеса в ВМЦ-8 на угол -25⁰; 0⁰.

7. Поворотом крана подключающего к трубопроводу одно, два или три сопла вентилятора ВМП-6М.

Совместная работа вентиляторов на общую сеть

Причины совместной работы вентиляторов на общую сеть

В шахтной практике могут возникнуть условия для совместной работы вентиляторов, вызванные:

1) сложная конфигурация горных выработок;

2) внезапное обильное выделение газа метана;

3) необходимостью при местной вентиляции, преодолевать большее сопротивление трубопровода.

В-первых двух случаях применяется параллельное соединение вентиляторов, установленных на одном стволе или параллельное соединение вентиляторов, расположенных на крыльях шахтного поля. В третьем – последовательная работа вентиляторов.

Параллельная работа вентиляторов, установленных на одном стволе

Q_общ. = Q₁ + Q₂

Н_общ. = Н₁ + Н₂

Для анализа параллельной работы вентиляторов построим график.

Н, Па

Н_1,2 = R Q²

Н_общ = R Q²

Рабочий режим

Н_1,2

Н_общ М_общ

М_1,2

Q_1,2 Q_, м³/с

Q_общ

Рисунок 1 – Диаграмма параллельной работы вентиляторов

Анализируя параллельную работу вентиляторов на различные вентиляционные сети, очевидно, что целесообразно включать на параллельную работу вентиляторы при малом сопротивлении вентиляционной сети. На шахтах на параллельную работу вентиляторы, установленные на одном стволе, почти никогда не включают. Довольно часто включают на параллельную работу вентиляторы, установленные на разных стволах.

Последовательная работа вентиляторов

Н, Па

М_общ

М_1,2

3

М_{, }

Н_общ Н_1,2 Н_, 1 и 2

Q, м³/с

Q_1,2

Q_общ Q_общ = Q_ + Q_

Q_I,II Н_общ = Н_ + Н_

Q_ Q_ Q_общ

Рисунок 2 - Диаграмма последовательной работы вентиляторов.

Последовательная работа вентиляторов применяется в том случае, когда давление одного вентилятора недостаточно для преодоления сопротивления движению воздуха при проходке выработок в шахте (установки местного проветривания). Последовательное соединение главных вентиляторов в настоящее время практически исключено.

Совместная работа вентиляторов способствует увеличению, как давления, так и производительности по сравнению с большим вентилятором, работающим самостоятельно.

Природная тяга и влияние её на общую сеть

Естественной тягой называется депрессия, возникающая за счет естественных факторов (различной температуры, различными уровнями расположения стволов шахты, влажностью и химическим составом воздуха на поверхности и в выработках).

Основным фактором является разность температур. В результате действия этого фактора летом проветривание шахты ухудшается, а зимой улучшается.

Различают положительную естественную тягу, когда направление воздушных потоков от действия естественной тяги и вентилятора совпадают, и отрицательную, когда направление потоков противоположно.

Рисунок 3 - Диаграмма работы вентилятора при естественной тяге:

а – положительной; б – отрицательной.

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 56-62) рис. 36-39.

2. Бабак Г.А. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания. Справочник. – М.: Недра, 1988.

3. ДНАОП 10.0-1.01-05. Правила безопасности в угольных шахтах. – К.: Основа, 2005.

Лекция №10

Тема: «Измерительные приборы для контроля работы вентиляторов»

Измерительные приборы для измерения давления и подачи вентиляторов. Схемы их включения

Для измерения давления, создаваемого вентиляторами, применяются депрессиометры и микроманометры.

Депрессиометр может включаться по 3-м схемам:

1. Измерение статического давления;

2. Измерение полного давления;

3. Измерение динамического давления.

Статическое давление Н_ст – давление, которое затрачивается на преодоление сопротивлений вентиляционной сети.

Динамическое давление Н_д – давление, необходимое для перемещения воздуха со скоростью _п

_п²

_д = p , Па;

2

где р – плотность воздуха, кг/ м³; р = 1,293 кг/м³.

Схема измерения полного Н, статического Н_ст и динамического Н_д давлений на всасывающей и нагнетательной сторонах вентилятора показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема измерений давлений.

Производительность вентилятора может быть определена по скорости _п воздушного потока, устанавливаемой по измеренному динамическому давлению на основании формулы, или замера анемометром.

Умножением скорости _п на площадь F сечения, где произведен замер, получают расход воздуха Q в этом сечении.

Постоянный контроль производительности и давления вентиляторов осуществляют дифференциальными манометрами (дифманометрами). Наибольшее применение получили кольцевые, поплавковые и мембранные дифманометры. Применяются также колокольные, сильфонные, тензометрические и другие дифманометры. Эти приборы являются первичными – они непосредственно воспринимают импульс от измеряемой величины. Для дистанционного контроля производительности и давления вентиляторов применяют вторичные приборы со шкалами, электрически связанные с первичными.

Рисунок 2 – Дифманометры: а – кольцевой; б – поплавковый; в – мембранный.

Кондиционирование воздуха. Калориферные установки

Источники выделения тепла в шахте

По Правилам безопасности в рабочих местах горных выработок температура не должна превышать 26 ⁰С при влажности до 90%, при большей влажности 25 ⁰С.

Основными причинами повышения температуры в горных выработках являются:

1. Сжатие воздуха в стволе под действием силы тяжести, т.е. в связи с разностью давления воздуха на поверхности шахты и в околоствольном дворе.

2. Возрастание температуры горных пород по мере увеличения глубины разработок.

Ожидаемая температура горных пород на глубине Н

t_п = t_н.з. + (Н – Н_н.з.),

где t_н.з. – температура нейтральной зоны, зависит от географического расположения шахт и для Донбасса составляет 25-30 м. В условиях Донбасса t_н.з. = 8^оС.

 - геотермический градиент, изменение температуры породы, приходящиеся на 1 м глубины (^оС/м). Для угольных месторождений составляет 0,03.

Н_н.з. – глубина нейтральной зоны, м.

3. Окислительные процессы угля, пород и крепежного материала.

4. Сопротивление воздуха с разрыхленным углем в очистных забоях.

5. Теплообмен между воздухом и породой, а также влагообмен в связи с влажными стенками выработок и соприкосновением воздуха с поверхностью воды в водосточных канавках.

6. Тепловыделение от людей, выполняющих физическую работу.

7. Тепловыделение от работающих машин, трансформаторов и других электрических аппаратов.

Основными источниками выделения тепла в горных выработках являются горные породы и окислительные процессы угля, породы и деревянной крепи.

Схемы охлаждения бывают следующие:

1. Холодильные машины и воздухоохладители расположены на поверхности.

2. Холодильная машина расположена на поверхности, воздухоохладитель – под землёй.

3. Холодильная машина и воздухоохладитель располагаются в шахте.

4. Местное охлаждение воздуха.

Для охлаждения воздуха поступающего в тупиковые горные выработки получили применение передвижные кондиционеры КПШ-90П. Кондиционеры КПШ состоит из компрессора, двигателя, конденсатора, регулирующего вентиля и воздухоохладителя, смонтированных на двух тележках. Хладагентом является фреон-12.

Их эффективность определяется для каждой шахты индивидуально, с учётом её климатических параметров и технико-экономического сравнения.

Общее устройство шахтных установок для кондиционирования воздуха.

Компрессорные холодильные установки состоят из следующих основных элементов: компрессора, конденсатора, детандера (расширительной машины) и испарителя.

Рисунок 3 – Схемы холодильных установок:

а – парокомпрессорной с детандером; б - парокомпрессорной с дроссельным вентилем;

в – абсорбционной.

Х олодильные установки

ХТМ-2-1-4000 турбокомпрессор

ШХТМ-1300

АБХМ-2500 – абсорбционная машина

МФ-700 – поршневой компрессор

ХТМ – холодильная турбокомпрессорная машина, фреоновые. Первая цифра – число ступеней компрессора; вторая – диаметр колеса; последнее число – холодильная мощность, ккал/час.

Назначение, устройство, принцип действия, разновидности калориферных установок

Калориферные установки предназначены для регулирования температуры воздуха, поступающего зимой в ствол шахты.

Калориферная установка соединяется со стволом шахты каналом с углом 510⁰.

Калориферные установки бывают вентиляционные и безвентиляционные.

Рисунок 3. Калориферные установки:

а – вентиляторная;

б – безвентиляторная.

Калориферы выпускаются чугунные пластинчатые и стальные оребрённые. На шахтах

наибольшее применение имеют пластинчатые калориферы, собранные из калориферных элементов.

Все калориферные установки работают в автоматическом режиме, для автоматизации применяют аппаратуру АКУ-63, АКУ-3.

По Правилам безопасности температура воздуха поступающего в ствол шахты должна быть не ниже + 2⁰С.

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 62-75) рис. 41-46.

2. ДНАОП 10.0-1.01-05. Правила безопасности в угольных шахтах. – К.: Основа, 2005.

Лекция №11

Тема: «Электрооборудование вентиляторных установок»

Характер нагрузки на двигатели вентиляторов. Типы и выбор двигателей для вентиляторов главного проветривания

Характер нагрузки на двигатели вентиляторных установок обычно благоприятный (длительный и равномерный).

При мощности вентиляторов до 200 кВт обычно применяют низковольтные трёхфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором типа: АО; ВАО; ВР; ВРМ.

Для мощных вентиляторов применяют высоковольтные синхронные электродвигатели типа СД; СДВ, а также асинхронные в каскаде АВМК.

Для включения низковольтных двигателей вентиляторов применяют магнитные пускатели серии ПВИ, станции управления КУУВ, которые включают электродвигатели прямым включением в сеть.

Высоковольтные двигатели включаются высоковольтными распределительными устройствами КРУВ-6. Двигатели мощных вентиляторов запускают через реакторы.

Вентиляторные установки имеют дистанционно-автоматическое управление. Для вентиляторов главного проветривания выпускается аппаратура УКАВ-2М, а для вентиляторов местного проветривания аппаратура АПТВ.

Питание электроэнергией главных вентиляторных установок шахты осуществляется непосредственно от ГПП шахты по двум линиям: рабочей и резервной.

Определение затрат электроэнергии вентиляторным электродвигателем за год

Расход электроэнергии вентиляторным электродвигателем за год

W_г =  n_дн  n_ч , ;

_ср = ,

где _п – к.п.д. передачи; _п = 1;

_рег – к.п.д. регулирования; _рег = 0,8;

_эл.с. - к.п.д. электрической сети; _эл.с. = 0,97;

_дв - к.п.д. двигателя, берется из справочника;

n_дн – число дней работы вентиляторной установки в году; n_дн = 365 дней;

n_ч – число часов работы вентиляторной установки в сутки; n_ч = 24 часа.

Охрана окружающей среды при эксплуатации вентиляторных установок

Вентиляторные установки шахт являются источниками повышенного шума и пылеобразо-вания.

Для снижения шумообразования предусматриваются следующие меры:

1. Снижение скорости колёс осевых вентиляторов. Окружная скорость колеса осевых вентиляторов рекомендуется не более 80 м/с (максимально допустимая 95 м/с).

2. На выходе вентиляторных установок сооружаются глушители шума пластинчатого типа. Это сооружение, состоящее из 5-7 параллельных вертикальных стен из пористого шлакоблочного кирпича.

3. Применение вертикального диффузора с футеровкой внутренней поверхности стен шумоподавляющими стекловолокнистыми материалами.

4. Вентиляторные установки должны устанавливаться в специальных зданиях.

5. Для снижения шума при работе вентиляторов местного проветривания применяются кольцевые глушители шума, в состав которых входит две секции: одна устанавливается перед вентилятором, вторая после.

Для уменьшения выброса пыли вентиляторами главного проветривания, устанавливаемыми на скиповых подъёмах, применяются специальные пылеулавливающие установки, кроме этого предусматриваются водяные завесы в каналах.

Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт вентиляторных установок. Требования ПБ и ПТЭ

Вентиляторная установка находится в ведении главного механика шахты. При местном управлении установку обслуживают машинисты, прошедшие специальный курс обучения. Машинист в своей работе руководствуется инструкцией, в которой указаны его обязанности (приём – сдача смены, пуск и остановка вентиляторов, наблюдение за работой установки и т.д.).

Машинист (или оператор при дистанционном управлении) должен вести «Книгу учёта работы вентиляторной установки» и записывать в неё часы работы вентиляционных агрегатов, показания измерительных приборов, причины и продолжительность остановок вентиляторов, замечания надзора.

При эксплуатации вентиляционных установок их осмотр, ревизию, ремонт и наладку производят в установленные нормативами сроки.

Осмотр вентиляторной установки производится машинистом ежесменно, а электрослесарем не реже одного раза в сутки.

Текущий ремонт заключается в промывке подшипников, замене в них смазки, подтяжке соединений, осмотре и подтяжке контактов двигателей и электроаппаратуры, очистке аппаратуры управления от пыли и т.д.

Капитальный ремонт включает все операции текущего ремонта и (при необходимости) замену износившихся деталей и элементов вентиляторной установки. Капитальный ремонт производится в центральных электромеханических мастерских или на рудоремонтных заводах.

Вентиляционные установки должны осматриваться не реже одного раза в сутки работниками, назначенными приказом руководителя предприятия, и не менее одного раза в месяц – главным механиком шахты. Результаты осмотров заносятся в Книгу осмотра вентиляционных установок и проверки реверсирования.

Не реже одного раза в год должна производиться ревизия и наладка вентиляторных установок специализированной организацией.

Исправность действия реверсивных, переключающих и герметизирующих устройств должна проверяться главным механиком шахты и начальником участка ВТБ не реже одного раза в месяц. Результаты проверок заносятся в Книгу осмотра вентиляционных установок и проверки реверсирования.

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 75-83) рис. 47.

2. Бабак Г.А. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания. Справочник. – М.: Недра, 1988.

3. ДНАОП 10.0-1.01-05. Правила безопасности в угольных шахтах. – К.: Основа, 2005.

Лекция №12

Тема: «Проектирование вентиляторных установок»

Общая характеристика расчёта вентиляторной установки

1. Выбор наивыгоднейшей установки производится с использованием сводных графиков

областей промышленного использования вентиляторных установок.

2. Выбирается способ регулирования рабочих режимов.

3. Выполняется расчёт характеристик вентиляционной сети.

4. Определяются рабочие режимы.

5. Определяется резерв производительности вентилятора.

6. Выбирается способ реверсирования вентиляционной струи.

7. Определяется мощность электродвигателя.

8. Выбирается тип электродвигателя.

9. Выполняется расчёт среднегодового расхода электроэнергии.

10. Выбирается аппаратура дистанционного управления и контроля.