Лекция 8. Работа вентиляторов в шахтной вентиляционной сети

1 Аэродинамическая характеристика вентиляторов

2 Работа вентиляторов в шахтной вентиляционной сети

3 Влияние параметров работы на производительность и депрессию вентиляторов

1.Аэродинамическая работа вентиляторов.

Аэродинамическая характеристика вентилятора представляет собой диаграмму, на которой графически изображена зависимость создаваемого вентилятором давления Н, потребляемой мощности N и коэффициента полезного действия от производительности вентилятора Q при заданной скорости вращения п и при определенных углах установки лопаток рабочих колес и направляющих аппаратов.

Характеристика строится по результатам модельных или натурных испытаний вентиляторов, проведенных в лаборатории, на стенде или непосредственно на шахте.

На характеристике в координатах Q-H, Q-N и Q-ήнаносятся следующие величины.

1. Производительность Q— количество воздуха, подаваемое вентилятором в единицу времени, м³/сек, м³/мин, м³/ч.

2. Полное давление Н, равное сумме статического и динамического давлений и характеризующее приращение энергии в одном кубометре воздуха при прохождении его через вентилятор, кг/м².2

3. Статическое давление Нст—давление воздуха на

стенки выработок или трубопроводов, расходуемое на преодоление сопротивления движению воздуха в вентиляционной сети, кг/м.

4. Мощность на валу вентилятора , определяемая по фомулам:

или (1)

5.Коэффициент полезного действия полный ή, определяемый о полному давлению, (2)

5. Коэффициент полезного действия статический ή _ст., определяемый по статическому давлению.

(3)

На характеристиках вентиляторов главного проветривания обычно ограничиваются кривыми Q—H_CT,Q—N и Q—ή_ст .

На характеристиках вентиляторов местного проветривания и общего назначения строят только кривые Q—Н, Q—N и Q— ή

Характеристики приводятся к номинальному числу оборотов вентилятора, к температуре воздуха 20°, к барометрическому давлению 760 мм рт. ст. и к нормальной плотности воздуха р= 0,122 кг/сек.

Зависимость плотности сухого атмосферного воздуха от температуры приведена в табл. 1.

Таблица 1

1

Влиянием влажности на плотность шахтного воздуха при температуре порядка 20—30° пренебрегают ввиду его незначительности.

Безразмерные характеристики

В ряде случаев удобно пользоваться безразмерными характеристиками, которые отражают свойства всей серии вентиляторов данного типа, вне зависимости от диаметра рабочего колеса и ско­рости вращения.

Для построения безразмерных характеристик определяются следующие коэффициенты:

1.Коэффициент производительности

(4)

2.Коэффициент полного давления

(5)

3.Коэффициентстатического давления

( (6)

4. Коэффициент мощности N= N/R_n (7)

5. Коэффициенты полезного действия полный и статический

(8)

В этих формулах принято:

Q — производительность вентилятора, м³/сек; F — площадь рабочего колеса,

(9)

[) — диаметр рабочего колеса, измеряемый по внешним кромкам лопаток, м; u— окружная скорость

(10)

п — скорость вращения рабочего колеса, об/мин;

H—полное давление,развиваемое вентилятором, кг/ж²;

H_ст—статическое давление, развиваемое вентилятором, кг/м²;

р — плотность воздуха, кг/сек²/м; R_Q -коэффициенты пересчета.

Пересчет безразмерной характеристики на размерную при заданном типе вентилятора, диаметре рабочего колеса и скорости вращения производится по формулам:

(11)

где k_n, k_h, k_Q—коэффициенты пересчета

Пересчет характеристик по размерам и скорости вращения вентиляторов

С изменением скорости вращения меняются производительность, давление и мощность, потребляемая вентиляторами.

Если известны величины Q₁, Н₁ иA'i при скорости вращения п₁, то пересчет характеристик на другую скорость вращения п-₂ для геометрически подобных вентиляторов (т. е. вентиляторов одной серии], производится по формулам:

(12)

Если наряду с изменением скорости вращения меняется диаметр рабочего колеса вентилятора (при неизменной аэродинамической схеме), то пересчет характеристик производится по формулам:

(13)

Регулировочные графики и зоны промышленного использования вентиляторов

Вентиляторы главного проветривания регулируются путем изменения углов установки лопаток рабочих колес или лопаток направляющих аппаратов. Каждому углу установки лопаток соответствуют определенные кривые Q—Н_СТ, Q—N и Q— ή_ст. Совокупность этихкривых представляет регулировочный график вентилятора (рис. 1), на котором наносятся кривые для всех рекомендованных углов установки лопаток данного вентилятора.

На регулировочных графиках осевых вентиляторов кривые строятся для углов установки лопаток рабочих колес, отличающихся на 5°, в пределах 15—40 или 15—45°, т. е. 15, 20, 25, 30, 35, 40 и 45°.

На регулировочных графиках центробежных вентиляторов кривые строятся для углов установки лопаток направляющих аппаратов, отличающихся на 10°, начиная с угла 0° или — 10° и кончая углом 60—70°.

Из регулировочного графика выделяется зона промышленного использования вентилятора ABCD (рис. 2), называемая также зоной экономичной работы.

Нижняя граница зоны — линия CD — строится из условия экономичной работы вентилятора и соответствует статическому к. п. д. ή_ст= 0,6. Она проводится через точки напорных кривых для различных углов установки лопаток, соответствующие. ή _ст = 0,6.

Все режимы работы вентилятора, лежащие ниже этой линии, не рекомендуются к эксплуатации как неэкономичные.

Боковые границы зоны—линии АС и BD соответствуют предельным углам установки лопаток рабочих колес, рекомендованным для данного вентилятора (минимальный угол 10—15°, максимальный 40—45° в зависимости от конструктивного исполнения вентилятора).

Верхняя граница зоны — линия АБ — строится из условия обеспечения устойчивой работы вентилятора при возможных изменениях шахтной вентиляционной сети. Для осевых вентиляторов верхняя граница строится по точкам характеристик, соответствующим давлению Нст= 0,9Н , где Н—давление на горбе. характеристики.

ЦАГИ рекомендует верхнюю границу строить по запасу давления 50%, т. е. так, чтобы была гарантирована устойчивая работа вентиляторов при увеличении сопротивления шахтной вентиляцион­ной сети до 50% от расчетной величины.

Рис. 1. Регулировочный график центробежного вентилятора

В центробежных вентиляторах, где срывы характеристик, как правило, не наблюдаются, зона промышленного использования ограничивается двумя линиями — линией статического к. п. д. 0,6 (нижняя граница) и кривой давления при предельном угле откры­тия лопаток направляющего аппарата (верхняя граница).

В пределах зоны промышленного использования строится несколько линий равных статических к. п. д. (0,62; 0.65; 0,7 и т. д.), что позволяет оценивать экономичность режимов работы вентилятора.

Регулировочными графиками пользуются при выборе вентиляторов и определении режимов их работы

Пример. Центробежный вентилятор, регулировочный график

которого изображен на рис. 1, должен обеспечить производительность

м³/сек при давлении 280 кг/м²

.

Рис. 2. Зона промышленного использования вентилятора

Определить необходимый угол установки лопаток направляющего аппарата, к. п. д. и мощность потребляемую вентилятором. Из рис. 1 следует, что угол установки лопаток направляющего аппарата составит 30°,статический к. п. д. вентилятора _Тст = 0,68, мощность, потребляемая вентилятором, N = 128 кет.

Быстроходность

При выборе вентиляторов, их сравнении и при предварительных расчетах пользуются величиной быстроходности вентилятора п .определяемой по формулам:

для размерных значений Q и Н

(14)

для безразмерных значений Q и И

(15)

где п — скорость сращения вентилятора, об/мин.

Величины быстроходности п_у при оптимальном режиме работы для наиболее распространенных типов шахтных вентиляторов приведены в табл. 3.

Таблица 2

Величины быстроходности при оптимальном режиме работы вентиляторов

Пример. Определить рациональный тип вентилятора на производительность Q = 40 м³/сек, давление Н = 200 кг/м² при электродвигателе с и — 720 об/мин.

Определяем быстроходность вентилятора

(16)

По табл. 3 находим вентилятор ВОКД, имеющий быстроходность п_ч= 83. Предварительно принимаем вентилятор ВОКД.

Окружную скорость определяем по формуле

(17)

Диаметр вентилятора по формуле

(18)

Средневзвешенный к. п. д.

Экономичность шахтных вентиляторов определяется величиной их к. п. д. Поскольку к. п. д. пределах зоны промышленного использования меняется от Н.'1 до максимума, то для оценкиэкономичности вентилятора не целесообразнопользоваться не максимальным к. п. д., который характерен для одной точки,а средневзвешенным к. п. д. который отражает равную вероятность использованиявентилятора при всех возможных режимах Q—Н, в пределах зоны промышленного ислользовання. Приподсчете г_Ст зона промышленного использовали,i вентилятора разбивается h.i большое число равновеликихквадратов. Для точек, лежащих в центре каждогоквадрата,подсчитываются:гидравлическая мошность:. Nr=QН_ст, т. е. полезная мощность, затрачиваемая на перемещение воздуха;

потребляемая мощность , т. е. фактически затрачиваемая мощность,учитываются потери в вентиляторе.Полученные величины и для всех квадратов суммируются,т.е.. определяются где п — число квадратов.

Средневзвешенный статический к. п. д. вентилятора равен отношению (20)

Величины средневзвешенногок. п. д. для некоторых типов шахтных вентиляторов главного проветривания приведены в табл. 4.

Т а б л и ца 4

.

2.Работа вентилятора в шахтной вентиляционной сети

Режим работы вентилятора в шахтной вентиляционнойсети определяется наложением характеристик сети и вентилятора, построенных в одинаковом масштабе.

Сопротивление вентиляционной сети шахты характеризуется эквивалентнымотверстием — условным круглым отверстием в тонкой стенке, которое при прохождении через него определенного количества воздуха будет оказывать такое же сопротивление,как ишахтная вентиляционная сеть при прохождении через нее того же количества воздуха.

Площадь эквивалентного отверстия А определяется по формуле

(21)

где Л — площадь эквивалентного отверстия, м²;

Q — количество воздуха, проходящего через сеть, м³/сек;

h — потеря давления в шахтной вентиляционной сети, кг/м.

Графически зависимость сопротивления шахтной вентиляционной сети от расхода воздуха изображается в виде квадратичной параболы, проходящей через начало координат. Точка пересечения кривой сопротивления шахтной сети с характеристикой вентилятора определяет режим работы вентилятора на даннуюсеть, т. е. его производительность Q и давление Н.

При действииестественной тяги, присушен шахтным вентиляционным сетям,кривая сопротивлениясмешается относительно начала координат. Положительная естественная тяга, совпадающая по направлению действия с вентиляционной струей, создаваемой вентилятором, уменьшаетсопротивление сети, в результате чего криваясопротивления опускается параллельно оси ординат на определенную величину. Рабочаяточка вентилятора перемещается в С₁, при этом производительность вентилятора возрастает с Q до < Q_2.

Отрицательная естественная тяга, действующая против направления движения воздушной струи, создаваемой вентилятором, увеличивает сопротивление сети, в результате чего кривая ОС поднимается на величину —h_{c T}. Рабочая точка вентилятора перемещается в С₂, при этом производительность вентилятора уменьшается с Q до Q₂.

На работу вентиляторов в шахтной вентиляционной сети оказывают влияние присосы воздуха из атмосферы (при работе на всасывание) или утечкивоздуха в атмосферу (при работе на нагнетание), вызванные неплотностью надшахтных зданий, шлюзов, ляд и. т. п. Присосы и утечки увеличивают мощность, потребляемую вентилятором, и снижают количество воздуха, подаваемого в шахту.

3. Влияние параметров работы на производительность и депрессию вентиляторов.

В связис подвиганием горных работ, проведением новых и ли­квидацией старых выработок, углубкой шахт, действием естественной тяги и т. п. сопротивление шахтной вентиляционной сети меняется.

Для поддержания в сети подачи заданного количества воздух;! при переменном сопротивлении сети производительность вентилято­ров необходимо регулировать. Пример регулирования показан на рис. 3. Вентилятор работает нашахтную сеть с эквивалентным отверстием A₁| и подаст в шахту количество воздуха Q₁(рабочий режим в точке С). Затем вследствие уменьшения эквивалентного отверстия до A₂, количество подаваемого воздуха снизилось до Q2 (рабочий режим в точке D).

Для восстановления подачи первоначального количества воздуха Q1 при новом эквивалентном отверстии А₂ требуется изменить характеристику вентилятора так, как это показано пунктиром. В этом случае рабочая точка Е будет соответствовать требуемой производительности Q₁.