С Днем шахтера!


Эффективность работы вентилятора

Проектирование вентиляторов главного проветривания под конкретную шахтную вентиляционную сеть


Артемовскому машиностроительному заводу исполняется 75 лет. Примерно столько же мы занимаемся производством вентиляторов. Первый­­ вентилятор типа «Сирокко» был выпущен еще в 1942 году. После этого разрабатывались и производились агрегаты серии ВОКД, ВЦ, ВОД, газоотсасывающие механизмы, и сегодня завод выпускает вентиляторы главного проветривания типа ВО-А.

Лет 5-10 тому назад в России производилось и находилось в эксплуатации не более 10 типов вентиляторов для проветривания шахт, рудников, метрополитенов и транспортных тоннелей­­. Для угольных шахт — серии ВОД с диаметрами рабочих колес 1,8; 2,1; 3,0; 4,0 и 5,0 метров, а также серии ВОКД с диаметрами рабочих колес от 1,1 до 3,6 метра. Имея неплохую аэродинамику с КПД 0,85-0,87, разработанную ведущими проектными и исследовательскими институтами бывшего СССР, они перекрывали поле параметров требуемых вентиляционных сетей­­. Однако ограниченное количество типоразмеров не способствовало достижению максимальной­­ экономичности в эксплуатации. Поэтому нормативно для шахт и рудников устанавливалась работа вентиляторов с КПД не менее 60%. А фактически некоторые предприятия вынуждены были эксплуатировать их с КПД 50% и менее. Расширению типоразмерных рядов вентиляторов не способствовала ни тогдашняя экономика, ни технический­­ уровень машиностроения, ни технология, применяющаяся на машиностроительных предприятиях угольного машиностроения, в частности на предприятиях вентиляторостроения.

Ведущими институтами в области аэродинамики вентиляторов, такими как ЦАГИ, ДОНГИПРОУГЛЕМАШ, ВНИИГМ им. М.М. Федорова, создано более 30 основных аэродинамических схем. Уровень технического оснащения предприятий вентиляторостроения 20-го века позволял использовать не более 20% от них. Каждая аэро­динамическая схема предполагает индивидуальный­­ профиль лопаток рабочих колес, спрямляющих и направляющих аппаратов, входных и выходных элементов. А это в свою очередь требовало разработки индивидуальных технологий­­ их изготовления, большого количества технологической­­ оснастки и, соответственно, значительных затрат на технологическую подготовку серий­­ного производства. Поэтому предприятия вентиляторостроения могли себе позволить использование в производстве не более 20% имеющихся аэродинамических схем. При сегодняшней технологии вентиляторостроения возможно использовать практически все эти аэродинамические схемы. Кроме того, уровень компьютерного проектирования, наличие программ аэродинамического и гидравлического проектирования и анализа, а также программ инженерных расчетов позволяют создавать высокоэкономичные приборы практически под любую систему вентиляции. Все это дает возможность Артемовскому машзаводу выпускать ряд вентиляторов, покрывающих поле шахтных вентиляторов с производительностью от 10 до 1000 м3/с, давлением от
200 до 10000 Па и диаметрами рабочих колес от 1,2 до 5 метров с шагом изменения диаметра 200 мм.

Имеющиеся методы и механизмы разработки, накопленный десятилетиями опыт и проводимое техническое перевооружение предприятия разрешают сегодня создавать типоразмерные ряды вентиляторов главного проветривания с максимальными возможностями и адаптировать их под конкретные вентиляционные сети.

Вопросы экономичности работы вентиляторов на конкретную вентиляционную сеть решаются как на стадии проектирования, так и на всех последующих этапах их жизненного цикла.

Методы регулирования режимов работы вентилятора

Сегодня производство вентиляторов главного проветривания шахт и рудников относится к категории индивидуального производства. Нет в горной промышленности шахт с одинаковыми параметрами проветривания. Поэтому устройства для их проветривания должны иметь индивидуальные характеристики. Задача производителя — эти характеристики как можно ближе подогнать под параметры шахты с достижением максимального КПД.

Методы, используемые конструкторами при разработке вентиляторов для достижения высокой экономичности эксплуатации, можно условно разделить на два направления.

Достижение максимальной­­ эффективности при проектировании вентилятора

Для этого используются различные конструктивные схемы вентиляторов.

За счет модульности построения сегодня возможно создание вентиляторов любой­­ конструктивной­­ схемы

(К, ВНА+К, К+СА, ВНА+К+СА, К+ПНА+К+СА, ВНА+К+ПНА+К+СА):

Где К — рабочее колесо; ВНА — входной­­ направляющий­­ аппарат; СА — спрямляющий­­ аппарат; ПНА — промежуточный­­ направляющий­­ аппарат.

По схеме К обычно выполняются вентиляторы с очень малыми значениями коэффициента давления (ѱ≤ 0,15). Данная конструктивная схема позволяет упростить конструкцию, уменьшить осевые размеры и металлоемкость вентилятора. По данной­­ схеме выполнены вентиляторы для проветривания метрополитенов.

В случае если сеть, на которую работает вентилятор, изменяется во времени, целесообразно применять схему с ВНА. Это применимо, например, для проветривания транспортных тоннелей­­, где необходимо менять параметры работы вентилятора в зависимости от напряженности движения автотранспорта. При этом можно на ходу регулировать параметры работы вентилятора в пределах ±20% без остановки вентилятора.

Использование в конструкции вентилятора СА позволяет увеличить коэффициент давления (ѱ≥0,15-0,25). Универсальной­­ схемой­­ можно назвать схему ВНА+К+СА. По такой­­ схеме изготавливаются вентиляторы главного проветривания типа ВО-А. Теоретически можно из таких модулей­­ строить вентиляторы двух и более ступеней­­ (ѱ≥0,25).

Подбор втулочного отношения

Область рабочих режимов вентилятора может изменяться с изменением втулочного отношения.

Изменение втулочного отношения рабочего колеса дополнительно расширяет зону работы вентилятора — как общую, так и зону работы с максимальным КПД. Это видно на примере изменения аэродинамических характеристик вентилятора типа ВО-А с диаметром рабочего колеса 2,8 метра и втулок диаметром 1,6 и 1,8 метра (рис. 2). При увеличении диаметра втулки на 200 мм максимальное давления увеличивается на 1 000 Па, а максимальный КПД смещается на 500 Па. В нашей­­ номенклатуре сегодня имеются вентиляторы с втулочным отношением ѵ=0,5-0,7.

Применение входного направляющего аппарата

Для вентиляционных сетей, сопротивление которых может изменяться во времени, эффективным методом регулирования является применение входных направляющих аппаратов, устанавливаемых на входе в рабочее колесо. Изменяя подкрутку потока при входе в рабочее колесо, можно изменять параметры работы вентилятора в пределах ±10-20%. При этом КПД вентилятора не уменьшается. На рисунке 3 видно, что применением ВНА на вентиляторе ВО 36/23 статическое давление можно увеличить с 600 до 720 даПа. Применение ВНА, ПНА и СА дополнительно улучшает реверсивные качества вентиляторов. Производительность наших вентиляторов в реверсивном режиме составляют до 80-88% от производительности при прямой работе при нормируемых 60%. А с применением дополнительных мер этот показатель можно увеличить.

Возможности регулирования параметров работы вентилятора при эксплуатации

Основной способ регулирования вентилятора — изменение углов установки лопаток рабочих колес. При этом обеспечивается глубина регулирования до 0,4-0,5. Оптимальные углы установки лопаток 30º-40º, при которых вентилятор может работать с максимальным КПД. При других углах установки лопаток КПД снижается.

Узел крепления лопатки рабочего колеса позволяет устанавливать угол атаки лопатки в пределах 15-45°. Это разрешает подстраивать режимы работы вентилятора под конкретную шахтную вентиляционную сеть с конкретным аэродинамическим сопротивлением. При изменениях вентиляционной­­ сети всегда есть возможность регулировать под нее параметры вентилятора.

Вентиляторы производства «АМЗ» ВЕНТПРОМ» рассчитаны на нормативный срок службы не менее 25 лет. Фактический срок службы значительно превышает нормативный­­. Естественно, за этот период вентиляционная сеть шахты значительно видоизменяется и меняется ее аэродинамическое сопротивление. Особенно это наблюдается на вновь строящихся шахтах. В этом случае шахтерам требуется вентилятор, который­­ способен варьировать свои характеристики без существенного изменения его конструкции. Это может быть достигнуто изменением густоты решетки колеса.

На рисунке 5 показаны рабочие точки, необходимые для проветривания одной­­ из шахт Кубасса для разных периодов ее развития.

а — начальный­­ период Q = 220 м3/с ; Н = 800 Па;

б — промежуточный­­ период Q = 280 м3/с ; Н = 2200 Па;

в — максимальный­­ период Q = 320 м3/с ; Н = 3700 Па;

Эти рабочие точки перекрываются рабочей­­ зоной­­ вентилятора ВО 32/20 с 16 лопатками рабочего колеса. Однако в этом случае вентилятор будет работать в начальный­­ период с КПД, равным 0,5, в промежуточный­­ период с КПД, равным 0,7, и в конечном периоде с КПД, равным 0,85. При работе вентилятора с уменьшенным количеством лопаток в начальном и промежуточном периодах КПД составит соответственно 0,75; 0,8 и 0,85. Это достигается тем, что в начальный­­ период вентилятор работает с 4, в промежуточный —с 8 и в конечном периоде — с 16 лопатками рабочего колеса.

В конструкциях, предлагаемых нами, применяются рабочие колеса с 6, 8, 10, 12, 14, 16 рабочими лопатками. Свободные посадочные гнезда в рабочем колесе закрываются заглушками, которые могут быть поставлены в комплекте с вентиляторами.

Частотно-регулируемый­­ привод эффективно используется в том случае, когда сопротивление вентиляционной­­ сети в течение срока службы вентилятора не изменяется и в тоже время требуется регулирование его режимов работы по периодам эксплуатации.

На рисунке 6а приведены рабочие точки одного из рудников Белоруссии, требуемые для проветривания в разные периоды его деятельности. Данные режимы должны изменяться по определенному алгоритму. Как мы видим, все рабочие режимы располагаются на одной­­ кривой­­ сопротивления сети, наложенной­­ на аэродинамическую характеристику вентилятора ВО 45/25. Все эти режимы обеспечиваются при одном угле установки лопаток рабочих колес изменением частоты вращения ротора в диапазоне от 300 до 600 об/мин. Изменение частоты тока, а соответственно и частоты вращения ротора вентилятора происходит плавно. При этом производительность вентилятора изменяется пропорционально изменению частоты вращения рабочего колеса, давление изменяется в квадратичной­ зависимости, мощность, потребляемая вентилятором, — в кубе. КПД остается высоким и постоянным.

Возможно также и комбинированное регулирование, когда на одном вентиляторе используются практически все описанные выше способы.

Таким образом, имея широкий­ типоразмерный­ ряд с малой кратностью изменения диаметров и большой­ выбор способов регулирования параметров работы вентилятора, можно практически для любого объекта подобрать вентилятор с максимальным эксплуатационным КПД.

Виталий Кутаев, Денис­ Кутаев


СГИ Тимофеева