Лекция 7. Способы измерения депрессии естесственной тяги. Рудничные вентиляторы

1 Типы рудничных вентиляторов

2 Центробежные вентиляторы

3 Осевые вентиляторы

4 Вентиляторы главного проветривания

5 Вентиляторы местного проветривания

6 Технические характеристики вентиляторов

1 Общие сведения

Вентиляторная установка служит для подачи в шахту атмосферного воздуха. От степени проветривания подземных выработок зависят возможность ведения работ в шахте, безопасность и производительность труда горнорабочих. Для создания нормальных атмосферных условий в угольных шахтах вентиляторы должны на 1 т добытого угля подать 5…15 т воздуха. Различают вентиляторные установки главного проветривания, предназначенные для проветривания всех выработок шахты, и местного – для вентиляции тупиковых забоев. При строительстве шахт применяются временные вспомогательные вентиляторные установки. Вентиляторная установка главного проветривания располагается на поверхности и соединяется вентиляционным каналом с вентиляционным стволом шахты, закрытым сверху затвором. На входе работающего вентилятора создается разрежение, благодаря чему воздух под атмосферным давлением поступает в ствол шахты, омывает выработки и выбрасывается вентилятором в атмосферу. В данным случае вентилятор всасывает воздух из шахты, однако вентиляцию можно осуществить и нагнетанием воздуха в шахту.

Вентиляторная установка местного проветривания находится в шахте и состоит из вентилятора, нагнетающего по трубопроводу воздух в тупиковый забой.

Развитие вентиляторных установок шло от поршневых вентиляторов к центробежным с паровым и асинхронным двигателями и далее – к современным осевым и центробежным вентиляторам с синхронными двигателями и с приводом от асинхронных двигателей с вентильно-машинными каскадами.

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

2 ОСЕВЫЕ ВЕНТИЛЯТОРЫ

Основными элементами одноступенчатого осевого вентилятора являются: рабочее колесо, корпус, коллектор, передний обтекатель-кок сферической формы, спрямляющий аппарат и диффузор. Диффузор состоит из двух обечаек, помещенных одна в другую: наружной конусной – собственно диффузора и внутренней (на большинстве вентиляторов цилиндрической формы) – заднего обтекателя.

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

Рабочие колеса вместе с валом, на котором они закреплены, образуют ротор вентилятора, который приводится во вращение непосредственно от электродвигателя.

Опорами вала являются шариковые или роликовые подшипники.

Коллектор и обтекатель предназначены для обеспечения правильного подвода воздуха к лопастям колеса, чтобы поток воздуха был направлен по оси вентилятора с возможно более равномерным полем скоростей. Обтекатель неподвижен и при его отсутствии давление снижается примерно на 20%.

Направляющие и спрямляющие аппараты, представляющие собой неподвижные колеса с радиальными лопатками, необходимы для раскручивания потока и, следовательно, повышения к. п. д. вентилятора. Поворотные лопатки промежуточных направляющего и спрямляющего аппаратов обеспечивает возможность регулирования рабочего режима вентилятора, а также реверсирования вентиляционной струи. Для регулирования иногда применяют входной направляющий аппарат с поворотными лопатками.

Одним из основных узлов вентилятора является диффузор, благодаря которому значительная часть динамического давления должна превращаться в статическое давление.

Лопасти укреплены на втулке рабочего колеса через равные промежутки под углом к плоскости его вращения. Наиболее рациональна лопасть более широкая у втулки, чем у периферии. Лучшей конструкцией является крученая лопасть с формой, подобной форме лопасти авиационного винта.

Лопасти изготавливают полыми со стержнем для закрепления ее на втулке и литыми из алюминиевых или магниевых сплавов.

Полая лопасть состоит из: стержня с прикрепленной к нему крученой обшивкой из стали толщиной 2-3 мм; приваренного к обшивке ребра, выполняющего роль армировки против истирания угольной пылью, приваренных к ребру верхнего и нижнего донышек.

Изготовление лопастей возможно из пластмасс. Такие лопасти изготавливаются с большой степени точностью, исключают опасность искрообразования при возможном касании лопасти о корпус вентилятора, стойки в химически агрессивной среде.

Из условия надежности работы и уменьшения шума работающего вентилятора максимальная окружная скорость на концах лопастей должна быть не более 95 м/с.

На одной втулке устанавливают до 14 лопастей, узлы крепления которых должны обеспечивать возможность их установки под различными углами относительно плоскости вращения колеса, что необходимо для регулирования производительности и давления вентилятора.

В работающим вентиляторе под действием разности давления часть воздуха протекает через зазор между концом лопасти и корпусом со стороны выхода воздуха из рабочего колеса в сторону входа в него, при этом уменьшается давление и снижается к. п. д. вентилятора. Однако чрезмерное уменьшение зазора может привести к касанию лопасти о корпус вентилятора. Величина зазора зависит от типа вентилятора и обычно не должна превышать 1,5 % длины лопасти. При работе вентилятора вследствие разности давлений потока до и после рабочего колеса возникает осевая сила, действующая на ротор и направленная в сторону входа потока в вентилятор. Осевая сила воспринимается упорным подшипником.

2.1 Двухступенчатые реверсивные вентиляторы.

Двухступенчатые реверсивные вентиляторы ВОД-21, ВОД-30, ВОД-40, ВОД-50 (В – вентилятор, О – осевой, Д – двухступенчатый, цифры – диаметр рабочего колеса в дм) предназначены для главного проветривания шахт при требуемом статическом давлении вентилятора не более 300 даПа и расходе воздуха от 50 до 600 м³/с. Эти вентиляторы разработаны по аэродинамической схеме К-84 ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского (К – крученные лопасти, 84 – коэффициент быстроходности).

Рис. 1. Вентиляторная установка с вентиляторами типа ВОД

Главная вентиляторная установка с вентиляторами типа ВОД (рис. 1) состоит из рабочего и резервного вентиляторов 1 и 2 с синхронными электродвигателями 3 и 4, системы смазки 5, электроаппаратуры и аппаратуры автоматизации 6 и устройств 7 и 8 (ляды или двери, управляемые лебедками или моторедукторами) для переключения на работу любого из вентиляторов и отключения другого, подводящего 9 и выходного 10 каналов, глушителя шума 11. Глушитель шума выложен из звукопоглощающих шлакоблоков и имеет 5…7 параллельных стенок, разделяющих общую исходящую струю на отдельные струи; глушитель шума для работающего и резервного вентиляторов общий, что исключает проникновение зимой наружного холодного воздуха к резервному вентилятору и, следовательно, его обмерзание.

Вентиляторы ВОД-21, ВОД-30, ВОД-40, ВОД-50 (рис. 2) имеют корпус 1, раму 2, ротор 3, передний 4 и задний 5 опорные блоки, направляющий 6 и спрямляющий 7 аппараты, коллектор 8, кок 9, диффузор 10, трансмиссионный вал 11 с муфтой 12 для соединения с синхронным электродвигателем 13.

На валу с подшипниками, воспринимающими как радиальную, так и осевую нагрузку, закреплены рабочие колеса и полумуфта. Колесо закреплено на валу шпонкой и от осевого смещения гайкой. Втулки рабочих колес (диаметр втулки составляет 0,6 диаметра рабочего колеса) выполнены сварными и во избежание появления дисбаланса от попадания в них влаги и пыли герметизированы. На втулке расположены 12 лопастей. Лопасти пустотелые сварноклепаные, состоят из двух листов обшивки, армирующего ребра, донышек и хвостовика. В целях регулирования рабочего режима вентилятора число лопастей колеса второй ступени может быть уменьшено в 2 раза.

Трансмиссионный вал выполнен подвесным с зубчатыми (в вентиляторе ВОД-21 с пальцевыми) муфтами.

Промежуточный направляющий аппарат имеет 14 поворотных лопаток, которые могут поворачиваться сервомотором на угол до 180°. Спрямляющий аппарат имеет 14 лопаток, из которых 11 по­воротные, а 3 — несущие неповоротные.

Вентиляторы снабжены колодочным тормозом с электромагнит­ным приводом, который за 2 ... 2,5 мин останавливает ротор.

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

Вентилятор ВОД-16 — двухступенчатый реверсивный со встречным вращением рабочих колес, предназначен для главного проветривания шахт с потребным расходом воздуха 12 ... 67 м³/с и статическим давлением 90—430 даПа.

Принцип работы этого вентилятора заключается в том, что при противоположном вращении рабочих колес воздушный поток, получив

энергию в первом рабочем колесе, выходит закрученным в сторону вращения и поступает во второе рабочее колесо, где раскручивается и получает дополнительную энергию. При опре­деленном сочетании углов установки лопастей на рабочих колесах на выходе из второй ступени закручивание потока равно нулю. Необходимость в промежуточном направляющем и спрямляющем аппаратах отпадает. Благодаря этому уменьшаются размеры и масса вентилятора, упрощаются регулирование режима и ревер­сирование потока.

Для безударного приема потока от первого рабочего колеса и для равномерного распределения давления между ступенями угол установки лопастей второго рабочего колеса меньше, чем на первом колесе. При максимальном к. п. д. поток из вентиля­тора выходит в осевом направлении, а суммарное давление вентилятора распределено по ступеням поровну.

Установка снабжена пуско-регулирующей и контрольно-измерительной аппаратурой.

Для уменьшения пиковой нагрузки в электросети при пуске вентилятора сначала включается электродвигатель второй сту­пени, а при достижении им номинальной частоты вращения — двигатель первой ступени.

Регулирование рабочего режима вентилятора производится:

а) поворотом лопастей рабочих колес вручную при остановленном вентиляторе (наибольшая экономичность работы, обеспечиваемая при определенном сочетании углов, указана в характеристике вентилятора);

б) поворотом лопастей только на первом колесе при постоянном угле установки 27° на втором колесе (при этом рабочая область по давлению изменяется незначительно, а по производительности сокращается в 1,4 раза);

в) отключением второго колеса (производительность вентилятора в этом случае составляет 40 ... 50 % номинальной).

Реверсирование вентиляционной струи производится изменением направления вращения рабочих колес.

Вентилятор ВОД-11 используется для вспомогательных установок при проветривании стволов и околоствольных вырабо­ток во время их сооружения, для калориферных установок, не­обходимых для обогревания главного ствола зимой, а также в ка­честве главных установок шахт малой производительности при потребном расходе воздуха 7 ... 33 м³/с и давлении 115... 390 даПа. Вентилятор нереверсивный, поэтому на главных уста­новках он снабжается входной и выходной реверсивными короб­ками, благодаря которым производится изменение направления воздушной струи (аналогично обводным каналам). Регулирование рабочего режима вентилятора осуществляется поворотом лопа­стей на рабочем колесе в диапазоне 15 ... 45°.

2.2 Вентиляторы местного проветривания

Вентиляторы местного проветривания, предназначенные для подачи воздуха в тупиковые выработки, изготавливают как с электрическим, так и с пневматическим дви­гателем. В этих вентиляторах для повышения экономичности при­менена коническая втулка рабочего колеса, в связи с чем имеет место меридиональное ускорение потока (в направлении от ма­лого к большему основанию конуса втулки).

Вентилятор ВМ-4М одноступенчатый нерегулируемый с элек­троприводом применяется для проветривания забоев штреков, уклонов, сбоек сечением до 5 м² при расходе воздуха до 100 ... 150 м³/мин и длине труб до 300 м. Диаметр труб 400 мм, причем при работе на нагнетание применяются трубы гибкие, а на всасывание — жесткие металлические.

Вентиляторы ВМ-5М и ВМ-6М одноступенчатые регулируемые с электроприводом предназначены для проветривания забоев квершлагов, коренных и вентиляционных штреков, бремсбергов сечением соответственно не более 10 и 16 м² и длине труб не более 400 и 600 м при диаметрах их 500 и 600 мм.

Вентиляторы ВМ-5М и ВМ-6М (рис. 3) имеют одинаковую конструкцию и состоят из корпуса 1 со спрямляющим аппаратом 2, рабочего колеса 3, входного направляющего аппарата 4 и встроенного взрывобезопасного асинхронного двигателя 5. Вентилятор смонтирован на салазках 6.

Рис. 3. Вентилятор ВМ-6М

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

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

«Воздушный сепаратор» — кольцевой канал 7 предназначен для устранения впадины на аэродинамической характеристике вентилятора.

У вентилятора на всасывающей и нагнетательной сторонах могут быть установлены глушители шума. Конструктивно глушитель шума представляет собой два цилиндра (один вставлен в другой). Внешний цилиндр выполнен из тонколистовой стали, внутренний — из перфорированных оцинкованных листов. Про­странство между цилиндрами заполнено звукопоглощающим ма­териалом.

Рабочий режим вентиляторной установки местного проветри­вания регулируется при работающем вентиляторе поворотом за­крылков лопаток направляющего аппарата на угол от +45 до —50°. При положительном значении углов (отклонение лопаток против направления вращения рабочего колеса) производитель­ность и давление возрастают, при отрицательном — уменьшаются.

Вентиляторы ВМ-8М и ВМ-12М одноступенчатые регулируе­мые, с электродвигателем, наиболее мощные по сравнению с дру­гими вентиляторами типа ВМ, предназначены для проветривания тупиковых выработок большого сечения и стволов диаметром до 6 м.

Вентиляторы ВМП-ЗМ, ВМП-4, ВМП-5М и ВМП-6М односту­пенчатые с приводом от встроенной пневматической турбины служат для проветривания глухих выработок, в которых приме­нение электрических вентиляторов запрещено ПБ. Вентиля­торы типа ВМП состоят из корпуса, вала, рабочего колесаспневматической турбинойи коробки с сопламидля регулирования рабочего режима вентилятора. С помощью трех­ходового крана, связанного с рукояткой, производится подвод сжатого воздуха к одному, двум пли трем соплам, благодаря чему достигается работа вентилятора соответственно на пони­женном, нормальном и усиленном режиме.

При необходимости увеличения давления два вентилятора местного проветривания соединяются последовательно.

3 Центробежные вентиляторы

Центробежные вентиляторы по сравнению с осевыми могут раз­вивать значительно большее давление, что особенно важно для глубоких шахт. На базе аэродинамических схем, разработанных ВНИИГМ им. М. М. Федорова, созданы экономичные односторон­ние (ВЦ) и двусторонние (ВЦД) вентиляторы.

Для установок главного проветривания применяются венти­ляторы ВЦД-16, ВЦ-25, ВЦ-32, ВЦД-32М (цифры — диаметр рабочего колеса, дм), характеристики которых покрывают поле вентиляционных режимов шахт с расходом воздуха от 20 до 300 м³/с при статическом давлении 140 ... 500 даПа. Для глубо­ких шахт с расходом воздуха до 700 м³/с при давлении до 900 даПа применяется вентилятор ВЦД-47 «Север».

Для вспомогательных установок применяются вентиляторы ВЦПД-8УМ и ВЦП-16 (П — проходческий), предназначенные для проветривания стволов при их проходке. Их производитель­ность достигает соответственно 22 и 46 м³/с при давлении до 900 даПа.

Вентиляторы ВЦ-11 и ВЦ-16, обеспечивающие производитель­ность до 20 ... 40 м³/с при давлении до 350 даПа, могут быть применены как для главных, так и для вспомогательных венти­ляторных установок.

Для установок местного проветривания при проходке подготовительных выработок сечением 6 ... 14м³ и длиной 1500 ... 2500 м применяется вентилятор ВЦ-7, имеющий производитель­ность в области промышленного использования 90 ... 640 м³/мин при давлении 140 ... 900 даПа. Этот вентилятор может быть ис­пользован и для проветривания стволов диаметром до 5 м и глу­биной до 800 м.

Для регулирования рабочего режима большинства центро­бежных вентиляторов используются осевые направляющие аппа­раты. Кроме того, в вентиляторе ВЦЗ-32 (З — закрылки) исполь­зуются поворотные закрылки лопастей рабочего колеса, а в вен­тиляторах ВЦД-32М и ВЦД-47 применяется регулируемый при­вод с вентильно-машинным каскадом.

Реверсирование воздушного потока на всех центробежных вентиляторах производится с помощью обводных каналов или аналогичных устройств без изменения направления вращения рабочего колеса.

Статический к. п. д. вентиляторов доведен до 0,86 при средневзвешенном к. п. д. в нормальной области работы не менее 0,73.

Рабочие колеса вентиляторов имеют крыловидные, загнутые назад лопасти с углом выхода не менее 135°.

В рабочем колесе вентилятора ВЦЗ-32 (рис. 4) крыло­видные лопасти состоят из неподвижной части 1, приваренной к плоскому коренному 2 и покрывному 3 дискам, и подвижного закрылка 4. Ось 5 закрылка вращается в подшипниках 6 и 7. Подшипник 7 сидит в стакане 8, прикрепленном болтами к ко­ренному диску. Внутренний зубчатый венец 9 стакана входит в зацепление с фиксирующей шестерней 10, свободно сидящей на консольной части оси закрылка. Корпус подшипника закрыт крышкой 11. Болты 12, упирающиеся в крышку, препятствуют свободному перемещению шестерни 10.

Рис. 4. Рабочие колеса вентилятора

В вентиляторах ВЦ-11, ВЦ-16 (ВШЦ-16), ВЦ-25, ВЦ-32 рабочее колесо имеет восемь крыловидных лопастей, приваренных к плоскому коренному и коническому покрывному дискам. Же­сткость колеса в осевом направлении увеличивается обтекателем, укрепленным на коренном диске, который соединяется со ступи­цей, насаженной с помощью шпонок на консоль главного вала. В вентиляторе ВЦ-25 коренной диск приварен непо­средственно к обтекателю, отлитому заодно со ступицей. В венти­ляторе ВЦ-32 соединение коренного диска со ступицей и обтекателем выполнено болтами.

Режим работы вентиляторов ВЦ регулируется осевыми направляющими аппаратами с двухопорными лопатками. Наружные цапфы лопаток выходят в отверстие обечайки направляющего аппарата, а внутренние вращаются в гнездах обтекателя, подвешенного на стойках или охватывающего главный вал (ВЦ-32).

Угол установки лопаток изменяется от 90° (полное закрытие) до (—10°) ... (—30°). Максимальная производительность обеспечи­вается при отрицательных углах, когда поток подкручивается против вращения колеса. Механизм одновременного поворота лопаток направляющего аппарата состоит из червячно-винтового привода, поворотного кольца и системы рычагов.

Так как в вентиляторе ВЦ-32 рабочее колесо рас­положено между двумя опорами, поток воздуха подводится перпендику­лярно оси вращения вала через всасывающую короб­ку с последующим пово­ротом потока на 90°. В установке с венти­ляторами ВЦ-32 для умень­шения длины ее диффузор повернут вверх (рис. 5). При нормальной работе воздух из шахты по вен­тиляционному каналу 1 и подводящим каналам 2 поступает через всасывающие коробки 3 в рабочее колесо вен­тилятора 4 и затем выбрасывается через диффузор 5 в атмос­феру. Ляда переключения 6 работающего вентилятора поднята, а резервного — опущена. Ляды 7 диффузоров и ляда 8 всасываю­щей будки 9 опущены, а отсекающая ляда 10 поднята. При реверсировании струи ляды 7 и 8 подняты, а ляда 10 опущена.
Воздух из всасывающей будки 9 по каналам 2 поступает в рабочее
колесо вентилятора 3, откуда по коротким обводным каналам 11
и вентиляционному каналу 1 подается в шахту.

Рис. 5. Вентиляторная установка с вентиляторами ВЦ-32

Двусторонние вентиляторы ВЦД-16 и ВЦД-32М имеют свар­ные рабочие, колеса, состоящие из коренного и двух конических покрывных дисков, между которыми вварены 16 крыловидных лопастей — по 8 е каждой стороны.

Основным способом регулирования режима работы вентилято­ров ВЦД-16 является изменение угла установки лопаток направ­ляющего аппарата, а вентиляторов ВЦД-32М — изменение ча­стоты вращения рабочего колеса с помощью асинхронного вентильно-машинного каскада с использованием направляющего аппарата для тонкого регулирования.

Двусторонний вентилятор ВЦД-47 «Север» (рис. 6) пред­назначен для труднопроветриваемых шахт, а также для шахт, расположенных в районах с низкими температурами. Рабочее колесо вентилятора состоит

Рис. 6. Вентилятор ВЦД-47 «Север»:

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

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.

Проходческие односторонние ВЦП-16 и двусторонние ВЦПД-8УМ вентиляторы предназначены для проветривания про­ходок стволов диаметром до 8 м и глубиной соответственно до 1400 и 850 м. Эти вентиляторы по конструкции своих основных элементов аналогичны вентиляторам главного проветривания. С вентилятором ВЦП-16 поставляется реверсивное устройство в виде двух ляд, жестко связанных между собой тягой и вмонти­рованных в коробку.