ДонНТУ   Портал магистров

Скориков Вячеслав Олегович

Факультет инженерной механики и машиностроения

Кафедра энергомеханических систем

Специальность Компьютеризированные энергомеханические системы

Обоснование и определение основных параметров системы регулирования производительности шахтных вентиляторных установок

Научный руководитель: к. т. н., доцент Мельников Вячеслав Александрович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Конструкции и параметры вентиляторов
• 2. Конструкции шахтных вентиляторов
• 2.1 Осевые вентиляторы
• 2.2 Центробежные вентиляторы
• 3. Регулирование режима работы вентилятора
• 4. Методика регулирования работы вентилятора
• Список источников

Введение

Атмосфера подземных горных выработок шахт в силу ограниченного их объема легко насыщается различными вредностями техногенного и (или) природного характера. Превышение допустимых концентраций вредностей опасно для здоровья и жизни работающих в выработках и ограничивает возможности проведения производственных процессов. Основное направление борьбы с вредностями в подземных горных выработках – их разжижение подаваемым в выработки свежим воздухом до допустимых концентраций.

Современное горное предприятие немыслимо без принудительной вентиляции. Прекращение проветривания влечет за собой остановку всего технологического комплекса шахты или рудника, к выводу людей на поверхность, прекращению работы всех машин и механизмов. От надежной, безотказной работы системы проветривания полностью зависит безопасность, а зачастую и жизнь людей, работающих в шахте.

Возникновение движения воздуха в некотором объеме связано с наличием в этом объеме зон, обладающих более высоким уровнем энергии по сравнению с уровнем, необходимым для состояния покоя. Воздух движется от зоны с большим энергетическим уровнем к зоне с меньшим уровнем. Для формирования зон с различными энергетическими уровнями необходимы силы. По существу интенсивность движения зависит от наличия и уровня этих сил.

Из большого перечня таких сил, имеющих место быть в шахтных условиях, имеет смысл выделить и рассматривать основные – силы, появляющиеся при работе вентиляторов, и силы, связанные с законом гравитации. К последним относят естественную тягу и силы, появляющиеся при движении достаточно больших масс воды и полезного ископаемого в наклонных выработках.

В связи с необходимостью наличия в шахтных условиях надежного, необходимой мощности и управляемого источника сил движения воздуха, в качестве основного источника этих сил используется вентилятор. Схема одного из многочисленных способов вентилирования шахты приведена на рис. 1.

Вентиляторы широко применяются во всех отраслях промышленности. На их привод расходуется огромное количество электроэнергии, вырабатываемой в стране. В частности, в горной отрасли на привод вентиляторов, обслуживающих шахту, уходит до 8-10 % электроэнергии расходуемой всей шахтой [1]. В связи с этим, создание высокоэкономичных вентиляторов и правильное их использование имеет большое экономическое значение.

1. Конструкции и параметры вентиляторов

Вентиляционные сети шахт представляют собой совокупность большого количества подземных выработок, отличающихся разнообразием параметров, влияющих на аэродинамику этих сетей. Эти параметры постоянно меняются, следовательно, меняется и аэродинамика сетей.

Выработки могут иметь различную форму поперечного сечения, величина этого сечения колеблется в пределах от 3,0-4,0 до 30,0-40,0 м². В больших пределах колеблется и длина выработок, доходя иногда до нескольких тысяч метров. Степень шероховатости стенок выработок, влияющая на величину аэродинамического сопротивления, зависит от типа и размеров крепи выработок и тоже меняется в широких пределах.

Потребители воздуха в шахте отличаются большим разнообразием как по количеству необходимого воздуха, так и по времени его подачи. В качестве потребителя может фигурировать отдельная выработка, так и вся шахта или значительная ее часть.

Эти обстоятельства привели к необходимости создания группы специализированных шахтных вентиляторов, отвечающих по своим параметрам запросам горной отрасли.

Основное отличие шахтных вентиляторов от вентиляторов, применяющихся в других отраслях промышленности – большая производительность при довольно высоких параметрах по давлению. Производительность этих вентиляторов может доходить до 500-600 м³/с, величина разности давления, создаваемая шахтными вентиляторами, ограничивается значением 0,5-10,0 кПа. Степень сжатия воздуха вентилятором – 1,1. Это позволяет считать воздух несжимаемым в расчетах, связанных с работой вентилятора [2].

По своему назначению шахтные вентиляторы условно подразделяются на три группы:

1. Главные вентиляторы, обслуживающие вентиляционную сеть всей шахты или большей ее части.
2. Вспомогательные вентиляторы, обслуживающие значительную часть вентиляционной сети шахты или работающие совместно с главным.
3. Вентиляторы местного проветривания (ВМП), обеспечивающие воздухом отдельный забой, выработку или рабочее место.

В качестве главных и вспомогательных могут применяться одни и те же вентиляторы значительных размеров. ВМП составляют отдельную группу вентиляторов, отличающихся небольшими размерами, малой мощностью привода и, как правило, небольшой производительностью [3].

2. Конструкции шахтных вентиляторов

Все выпускающиеся для горной отрасли вентиляторы относятся по конструкции к так называемым лопастным нагнетателям. В вентиляторах этого типа энергия вращающегося ротора преобразовывается в потенциальную и кинетическую, в свою очередь сообщаемые перемещаемому воздуху. Лопастные вентиляторы в соответствии с характером движения воздуха в них и формы ротора (рабочего колеса) подразделяются на осевые и радиальные, последние более известны как центробежные.

     2.1. Осевые вентиляторы

Осевой вентилятор (рис. 2) [1] состоит из рабочего колеса (РК) 1, на втулке которого закреплены профильные (в форме крыла самолета) лопатки 2; рабочее колесо вращается в цилиндрическом корпусе или, как его часто называют, кожухе 3. За рабочим колесом располагается спрямляющий аппарат (СА) с неподвижными лопатками 4. Вращающееся рабочее колесо с помощью лопаток передает энергию привода перемещаемому воздуху. Лопатки рабочих колес изготавливаются из стали или пластмасс (для вентиляторов малых размеров).

Лопатки рабочего колеса могут иметь несимметричный или симметричный профиль. Осевые вентиляторы с лопатками рабочих колес симметричного типа являются реверсивными, поскольку их производительность не меняется при изменении направления вращения рабочего колеса на обратное.

Вентиляторы с рабочими лопатками несимметричного типа этим качеством не обладают, их производительность при изменении направления вращения рабочего колеса резко снижается, но эти вентиляторы имеют хорошие аэродинамические характеристики и повышенный коэффициент полезного действия. Спрямляющий аппарат обеспечивает плавный переход воздуха от лопаток рабочего колеса к выходу в диффузор или сеть и частично преобразует динамическое давление в движущемся потоке воздуха в статическое давление.

В конструкцию шахтных вентиляторов вводятся два обтекателя, назначение которых заключается в снижении аэродинамических потерь, связанных с резким изменением скоростей движения воздуха. Передний обтекатель устанавливается во входном коллекторе, перед рабочим колесом или направляющим аппаратом, задний – после спрямляющего аппарата, перед диффузором или входом в вентиляционную сеть.

В осевых вентиляторах направление движения воздушного потока совпадает с осью вращения рабочего колеса. Воздух засасывается в коллектор 5, проходит между лопатками вращающегося рабочего колеса, затем поступает в спрямляющий аппарат, оттуда в диффузор 6 и выбрасывается в атмосферу (при работе вентилятора на всасывание).

Осевые вентиляторы могут быть одноступенчатыми (с одним рабочим колесом) и двухступенчатыми. В последнем случае в кожухе вентилятора находятся две ступени, работающие последовательно и имеющие каждая свое рабочее колесо. Между рабочими колесами находится промежуточный направляющий аппарат (НА). Конструктивно направляющий аппарат состоит из неподвижных профильных лопаток или профильных лопаток с регулируемым углом установки. Назначение на-правляющего аппарата – подача воздуха к рабочему колесу, установленному за ним в определенном, более эффективном направлении, и преобразование значительной части кинетической энергии потока (динамического давления) в потенциальную (статическое давление). Спрямляющий аппарат устанавливается за вторым рабочим колесом по ходу струи. Обе ступени могут находиться на одном валу или на отдельных валах (вентилятор ВОД-16). Наличие двух ступеней позволяет вентилятору развивать более высокое давление.

     2.2. Центробежные вентиляторы

Основу вентилятора (рис. 3) [4] составляет рабочее колесо 1, между передним и задним дисками которого закреплены профильные крыловидные лопатки таким образом, что их входная кромка располагается на окружности меньшего радиуса, чем выходная хвостовая часть. Рабочее колесо может быть с лопатками, загнутыми вперед по ходу колеса, радиальными и загнутыми назад, назначение рабочего колеса – передавать энергию привода вентилятора перемещаемому воздуху. Рабочее колесо вращается в спиральном кожухе 2, выполненном из листовой стали. Улиткообразный кожух предназначен для подачи воздуха в определенном направлении и частичного преобразования динамического давления в потоке воздуха в статическое давление. Воздух засасывается в вентилятор через входной коллектор 3, в котором установлены не вращающиеся, а только поворачивающиеся каждая относительно своей оси лопатки 4 направляющего аппарата. Направляющий аппарат предназначен для подачи воздуха к рабочему колесу с определенной скоростью и под определенным углом, это позволяет регулировать рабочие режимы вентилятора.

В рабочее колесо воздух входит параллельно оси вала вентилятора, затем под действием тяги, развиваемой лопатками, и центробежной силы поворачивает на 90°, проходит между лопатками, выбрасывается в периферийную часть кожуха и выходит через диффузор 5 в атмосферу (при работе вентилятора на всасывание). Диффузор является дополнительным преобразователем динамического давления в потоке на выходе из кожуха в давление статическое. Центробежные вентиляторы могут выполняться с односторонним или двусторонним всасом. В последнем случае на валу вентилятора устанавливается спаренное рабочее колесо, соединенное втулками большего диаметра. Воздух поступает на рабочее колесо с двух сторон, из двух направляющих аппаратов. Двустороннее всасывание позволяет разгрузить подшипники вала от осевого давления и уменьшить сопротивление движущемуся воздуху во всасывающей части. Последнее обстоятельство позволяет увеличить производительность центробежного вентилятора.

Вентиляторы с лопатками, загнутыми вперед, обеспечивают большую (по сравнению с другими типами) производительность и давление.

Общепринято разделение вентиляторов по нескольким показателям:

1. По величине создаваемого при перемещении воздуха полного давления:
   • вентиляторы низкого давления (до 1 кПа);
   • вентиляторы среднего давления (до 3 кПа);
   • вентиляторы высокого давления (до 12 кПа).
2. В зависимости от состава перемещаемой среды и условий:
   • обычные – для воздуха (газов) с температурой до 80°С;
   • коррозионностойкие – для агрессивных сред;
   • термостойкие – для воздуха с температурой 80-200°С;
   • взрывобезопасные и искрозащищенные – для взрывоопасных сред;
   • пылевые – для запыленного воздуха (твердые примеси в количестве более 100 мг/м³).
3. По месту установки:
   • обычные, устанавливаемые на специальной опоре (раме, фундаменте и т. д.);
   • канальные, устанавливаемые непосредственно в воздуховоде;
   • крышные, размещаемые на кровле.

Такое разделение весьма условно. Скажем, вентилятор низкого давления ВЦ 4-75 может создавать полное давление более 2 кПа, а ВЦ 14-46 (среднего давления) не всегда дотягивает до тех же 2 кПа. И на кровле можно устанавливать не только крышные вентиляторы, но и любые другие, лишь бы кровля была достаточно прочной. А пылевые вентиляторы замечательно работают и с чистым воздухом [5].

Достоинства осевых вентиляторов:

• относительная простота конструкции;

• простота монтажа, меньшая площадь под установку;

• простота реверса воздушной струи (большинство современных осевых вентиляторов вообще не нуждаются в устройстве реверсивных каналов);

• относительно высокая производительность;

• более высокий коэффициент полезного действия;

• удобство применения вентиляторов этого типа в качестве передвижных ВМП.

Достоинства центробежных вентиляторов:

• высокая механическая надежность и больший срок службы, связанные с применением более низких скоростей вращения рабочего колеса;

• высокая устойчивость и надежность рабочих режимов, связанные с видом характеристик этих вентиляторов;

• меньшая шумность при работе;

• относительно высокая депрессия;

• большая глубина регулирования;

• меньшая чувствительность к загрязненному воздуху.

Выпускаемые для горной отрасли вентиляторы могут одинаково эффективно работать как на всасывание, так и на нагнетание.

     3. Регулирование режима работы вентилятора

Специфика горного предприятия предполагает постоянное изменение его параметров аэрологического характера. На нормально работающей шахте постоянно меняется число очистных и проходческих забоев, отрабатываются вскрытые и вскрываются новые пласты и рудные тела, изменяется глубина разработок, изменяется газообильность выработок (чаще всего в сторону увеличения), изменяется технология и другие параметры.

Все это приводит к необходимости изменения количества воздуха, поступающего в шахту. Последнее, несомненно, вызывает необходимость изменения производительности вентилятора, т. е. к регулировке его режима. Необходимость в регулировании вентилятора может возникнуть при кардинальном изменении исходных параметров, связанном с появлением на шахте новых горизонтов, новых участков или воздействии других важных факторов – такие изменения происходят на предприятии не часто и, как правило, успешно прогнозируются. Сезонные изменения режимов вентилятора чаще всего возникают в связи с необходимостью компенсации изменений естественной тяги.

Возможность регулирования режимов работы вентилятора обычно предусматривается при его выборе. Уже на этом этапе рассматриваются возможности вентилятора работать в режимах с повышенными и пониженными параметрами [3].

При рассмотрении вопросов регулирования величина изменения параметров вентилятора в количественном выражении обычно определяется возможной глубиной регулирования.

При этом имеют в виду регулирование изменением угла установки лопаток рабочего колеса у осевых вентиляторов или осевого направляющего аппарата у осевых и центробежных вентиляторов. Не следует также забывать о регулировании скоростью вращения, если, конечно, привод вентилятора позволяет осуществлять этот вид регулирования.

При установившейся работе на какой-то режим, возможная глубина регулирования может быть выражена в процентном отношении к принятой производительности вентилятора (± n %).

Значительные изменения в параметрах вентилятора при его регулировке называют регулировкой большой глубины, или грубой, небольшие изменения называют мелкой, или тонкой, регулировкой. Чаще всего методика и техника проводимой регулировки определяется ее глубиной.

     4. Методика регулирования работы вентилятора

В горной аэромеханике различают три возможных варианта регулировки режимов вентилятора:

• регулирование по производительности при постоянной депрессии;

• регулирование по депрессии при постоянной производительности;

• регулирование при одновременном изменении производительности и депрессии.

В практике в основном применяется оперативное регулирование [2], осуществляемое с изменением как производительности, так и депрессии. Учитывая то обстоятельство, что основным параметром, ради которого производится регулировка, является количество поступающего в шахту воздуха, депрессия приобретает подчиненное значение, ее изменение воспринимается как неизбежность.

Тем не менее, величина этой неизбежности должна гарантировать наименьшие затраты при работе вентилятора во вновь принятом режиме.

В качестве примера вывода вентилятора на другой режим рассмотрена схема работы вентилятора ВОД-40 с 375-ю оборотами в минуту (рис. 4) [1]. Варианты, возникающие при выборе нового режима, представлены на рисунке, обоснование для их принятия или отклонения приведены в дальнейших пояснениях.

Исходный режим А работы ВОД-40 на сеть Rо имеет параметры Qо, но и обеспечивается установкой лопаток рабочего колеса на угол 35°.

Рассмотрим два варианта предстоящей после регулировки работы вентилятора:

• с увеличением производительности до величины Q1;

• с уменьшением производительности до величины Q2.

Снижение производительности до величины Q2 может быть достигнуто переходом в режим В2 или С2. Первый из них (В2) является точкой пересечения прежней характеристики вентилятора, соответствующей углу поворота лопаток рабочего колеса 35° и новой характеристики сети, с увеличенным сопротивлением R2>Rо, т. е. получается увеличением сопротивления сети. Режим С2 является точкой пересечения прежней характеристики сети с сопротивлением Rо и новой характеристики вентилятора, соответствующей uc2 углу поворота лопаток рабочего колеса 32°. Переход в новый режим достигается уменьшением угла установки лопаток.

Увеличение производительности до величины Q1 может быть достигнуто переводом вентилятора в режимы В1 или С1. Первый из них (В1) является точкой пересечения прежней характеристики вентилятора и новой характеристики сети с уменьшенным сопротивлением R1<Rо. Переход в режим В1 достигается уменьшением сопротивления сети. Режим С1 – точка пересечения прежней характеристики сети с сопротивлением Rо и новой характеристики вентилятора, соответствующей углу поворота лопаток рабочего колеса 38°. Переход в точку С1 достигается разворотом лопаток на больший угол.

Для окончательного выбора способа регулирования (С1 или В1, С2 или В2) надо рассмотреть возможности технического исполнения каждого из вариантов и сравнить эффективность работы вентилятора в вариантах новых режимов.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2015 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Гейер В. Г., Тимошенко Г. М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987. – 270 с.
2. Проблемы эксплуатации оборудования шахтных стационарных установок: Сборник научных трудов. – Донецк: НДИГМ им. М. М. Федорова, 2006. – 250 с.
3. Демочко С. И., Кузнецов А. В., Паршинцев В. П. Неисправности шахтных вентиляторных установок главного проветривания. Справочное пособие. – М., 1990. – 188 с.
4. Дулин В. С. Конструкции, технические и аэродинамические характеристики шахтных вентиляторов. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания и их оборудование. – В кн: Горное дело: Энциклопедический справочник, т. 8. – М.: Госгортесхиздат, 1960. – C. 240–287.
5. Дулин В. С. Основы проектирования шахтных вентиляторных установок главного проветривания – Донецк: ДПИ, 1975. – 68 с.
6. Ковалевская В. И., Спивак В. А., Фальков Б. С. Эксплуатация шахтных вентиляторов. – М.: Недра, 1983. – 333 с.
7. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. – М.: Недра, 1973. – 512 с.
8. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. – М.: Недра, 1975. – 238 с .
9. Руководство по ревизии и наладке главных вентиляторных установок шахт / А. С. Гофман и др. – М.: 1981. – 336 с.
10. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту шахтных вентиляторных установок главного проветривания. – М.: Недра, 1982. – 296 с.
11. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания: Справочник / Г. А. Бабак и др. – М.: Недра, 1982. – 296 с.