Тема 6.9 Осевые и центробежные вентиляторы.

Тема 6.9 Осевые и центробежные вентиляторы.
1.
2.
3.
4.
План.
Назначение и устройство осевого вентилятора.
Регулирование напора и производительности осевого вентилятора.
Реверсирование вентиляционной струи.
Центробежные вентиляторы.
Регулирование напора и производительности центробежного
вентилятора. Реверсирование вентиляционной струи.
1. 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 1т добытого угля подать 5…15т воздуха.
Различают
вентиляторные
установки
главного
проветривания,
предназначенные для проветривания всех выработок шахты, и местного – для
проветривания тупиковых забоев.
Основными элементами одноступенчатого осевого вентилятора являются:
рабочее колесо, корпус, коллектор, передний обтекатель (кок) сферической
формы, спрямляющий аппарат и диффузор (см. рис. 1). Диффузор состоит из
двух обечаек, помещенных одна в другую: наружной конусной – собственно
диффузора и внутренней (на большинстве вентиляторов цилиндрической формы) – заднего обтекателя.
Рисунок 1. Осевой вентилятор.
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. Иногда перед первым рабочим
колесом устанавливают входной направляющий аппарат.
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. Действие
коллектора наиболее эффективно, когда между ним и колесом имеется
1
цилиндрический участок корпуса длиной не менее 0,5 диаметра колеса. При
отсутствии коллектора давление вентилятора уменьшается на 10...20%, а
к.п.д. – 10...15%. Обтекатель неподвижен и при его отсутствии давление
снижается примерно на 20%.
Направляющий и спрямляющий 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
обеспечивают 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 (не менее 70 %) 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 на периферии. Лучшей конструкцией является крученая
лопасть с формой, подобной форме лопасти авиационного винта.
Лопасти изготовляют полыми (рис. 2, а) со стержнем для закрепления ее на
втулке и литыми (рис. 2, б) из алюминиевых или магниевых сплавов.
Полая лопасть состоит из: стержня 1 с приклепанной к нему крученой
обшивкой 2 из стали толщиной 2÷3 мм; приваренного к обшивке ребра 3,
выполняющего роль армировки против истирания угольной пылью,
приваренных к ребру верхнего и нижнего донышек 4.
Изготовление лопастей возможно из пластмасс. Такие лопасти
изготавливаются с большей степенью точности, 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 работающем 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
Рисунок 2. Лопасти рабочих колес осевых вентиляторов.
2. 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.
В е н т и л я т о р 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.
3
Рисунок 3. Вентилятор ВОД-16 со встречным вращением рабочих колес.
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.
Вентилятор ВОД-16 (рис. 3) состоит из: корпуса 1 с коллектором и обтекателем;
консольно насаженных на валу рабочих колес 2 и 3 соответственно первой и
второй ступени; трансмиссионных валов 4 и 5 с упругими пальцевыми муфтами
6 и 7; диффузора 5, электродвигателей 9 и 10, системы смазки 11; электромагнитных тормозов 12 и 13; глушителя шума 14.
Рабочее колесо 2 имеет 12, а колесо 3 – 10 стальных сварных лопастей. С
помощью фланца у основания лопасти она крепится к втулке посредством
пружинного стопорного кольца и подпорной пружины.
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.
3. Центробежные вентиляторы
Центробежные вентиляторы по сравнению с осевыми могут развивать
значительно большее давление, что особенно важно для глубоких шахт. На базе
4
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...500даПа.
Для глубоких шахт с расходом воздуха до 700 м3/с при давлении до 900 даПа
применяется вентилятор ВЦД-47 «Север».
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.
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° (рис. 9, а),
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 (рис. 10, а) коренной диск приварен непосредственно
к обтекателю, отлитому заодно со ступицей. В вентиляторе ВЦ-32 (рис. 10, б)
соединение коренного диска со ступицей и обтекателем выполнено болтами.
Рисунок 10. Односторонние центробежные вентиляторы:
а – ВЦ-25; б – ВЦ-32;
1 – вал; 2 – рабочее колесо; 3 – корпус; 4 – направляющий аппарат.
5
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 (см. рис. 10, а) 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.
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° (рис. 10, б).
В установке с вентиляторами ВЦ-32 для уменьшения длины ее диффузор
повернут вверх (рис. 11). 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.
Электродвигатель, расположенный снаружи корпуса вентилятора, вращает
трансмиссионный вал 1, передающий вращение через зубчатую полумуфту 2 с
внутренним зацеплением приводному валику 3, На втором конце приводного
валика закреплена шестерня 4, находящаяся в зацеплении с зубчатым венцом
поворотного кольца 5, вращающегося на шариках, утопленных в радиальных
сверлениях. На кольце 5 закреплены зубчатые сегменты 6, входящие в
зацепление с зубчатыми секторами 7, на которых закреплены внутренние цапфы
лопаток направляющего аппарата.
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.
Направляющий и спрямляющий 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 обеспечивают
возможность регулирования рабочего режима вентилятора, а также реверсирования вентиляционной струи. Для регулирования иногда применяют входной
направляющий аппарат с поворотными лопатками.
6
Рисунок 11. Вентиляторная установка с вентиляторами ВЦ-32.
Одним из основных узлов вентилятора является диффузор, благодаря
которому значительная часть динамического давления (не менее 70 %) 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 на периферии. Лучшей конструкцией является крученая лопасть с
формой, подобной форме лопасти авиационного винта.
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 работающем 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
7
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.
4. 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.
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.
Литература:
1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. М.: Недра, 1982 с. 39-49.
2. Цетнарский И.А., Кораблёв А.А., Борисенко Л.Д. Горная механика. М.:
Недра, 1975 с.
8