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