Центробежные и осевые вентиляторы конспект

Обновлено: 05.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Лекция

Тема : Вентиляторы. Индивидуальные аэродинамические характеристики вентиляторных установок. Регулирование рабочего режима.

Общие сведения и конструкции вентиляторов.

Аэродинамические характеристики шахтных вентиляторов.

Режим работы вентиляторных установок

Совместная работа вентиляторов на общую вентиляционную сеть

Общие сведения и конструкции вентиляторов

Вентиляторы — это машины для транспортирования воздуха (газа) под относительно небольшим давлением , максимальное значение которого не превышает 15000 Па . Вентилятор состоит из корпуса, ротора, направляющих и спрямляющих аппаратов с присоединенными к нему коллектором и входной коробкой . По принципу действия шахтные вентиляторы делятся на осевые и центробежные .

Вентиляторная установка — состоит из вентилятора с электродвигателем и присоединенными к нему входными и выходными элементами, подводящим каналом, диффузором, выходной частью и вспомогательными устройствами для переключения и реверсирования воздушной струи, а также пускорегулирующей и контролирующей аппаратуры и звукопоглощающего устройства .

Вентиляторные установки по назначению делятся на главные, вспомогательные и местного проветривания.

Центробежные вентиляторы главного проветривания изготовляются одноступенчатыми с односторонним ВЦ (вентилятор центробежный) и двусторонним ВЦД (вентилятор центробежный двухсторонний) подводом воздуха.

Осевые вентиляторы главного проветривания типа ВОД (вентилятор осевой двухступенчатый) и предназначены для проветривания горных предприятий с относительно небольшим сопротивлением вентиляционной сети.

Аэродинамические характеристики шахтных вентиляторов

Аэродинамическое качество вентиляторов характеризуется основными параметрами, которыми являются: подача Q, статическое давление Н _ст (при работе вентилятора на всасывание) или полное давление Н (при работе вентилятора на нагнетание), мощность вентилятора N и его статический η _ст или полный η КПД .

Зависимость между указанными выше параметрами данного вентилятора при постоянной частоте вращения его ротора (п = const) и определенных углах установки θ лопаток рабочего колеса , направляющего и спрямляющего аппаратов называется индивидуальной аэродинамической характеристикой вентилятора .

Обычно эти характеристики получают опытным путем в результате испытания вентилятора на стенде или непосредственно на шахте и выражают в виде графических зависимостей Н=f(Q), N=f(Q), η=f(Q).

Вентиляторы могут работать на нагнетание или на всасывание , и должны обеспечивать необходимую подачу и обладать экономичностью и устойчивостью работы . Исходя из последних двух условий, на напорной характеристике вентиляторных установок выделяют рабочую зону.

Центробежные вентиляторные установки имеют напорную характеристику Н _у. _ст (рис. 1 а), для которой все режимы работы устойчивы. В этой связи рабочая зона 1—2 напорной характеристики вентилятора определяется только из уровня экономичности .

Напорная характеристика осевых вентиляторов обычно седлообразная (рис. 1, б) и может в некоторых случаях иметь разрыв. Поэтому осевые вентиляторы в некотором диапазоне подач Q могут иметь неустойчивый режим работы.

При малых подачах Q, где напорная характеристика Н _у _ст имеет впадины и разрывы, рабочая зона ограничивается условием устойчивости (точка 1), а при больших Q — условием экономичности (точка 2).

Рис. 1. Индивидуальные характеристики вентиляторных установок с центробежным (а) и осевым (б) вентиляторами

Режим работы осевых вентиляторов регулируется изменением углов установки лопаток рабочих колес и направляющих аппаратов, у вентиляторов главного проветривания допускается снятием лопаток через одну на рабочем колесе второй ступени.

Центробежные вентиляторы регулируются изменением углов установки лопастей направляющих аппаратов и частоты вращения рабочего колеса , а также комбинацией этих способов.

Режим работы вентиляторной установки на сеть определяется наложением характеристики сети на характеристику вентиляторной установки . Обе характеристики вычерчиваются на диаграмме в одинаковом масштабе. Точка пересечения характеристики сети с характеристикой статического давления вентиляторной установки определяет режим ее работы, т. е. величины Q , Н _ст , N и , η _ст.у . Статическое давление вентиляторной установки при работе на данную сеть всегда равно сопротивлению сети. С увеличением сопротивления сети подача вентиляторной установки уменьшается , а при уменьшении сопротивления сети , наоборот, увеличивается . Любое изменение сопротивления шахтной сети, вызванное изменением схемы вентиляции, сечения и длины выработок, установкой перемычек с отверстием, закорачиванием струй и т. д., приводит к изменению режима работы вентиляторной установки, т. е. к изменению Q , Н _ст , N и , η _ст.у , следовательно, к изменению подачи воздуха в шахту.

Совместная работа вентиляторов на общую вентиляционную сеть

Параллельное соединение вентиляторов применяется при их установке:

1) на одном стволе (один рабочий, другой резервный);

2) на крыльях шахтного поля (фланговые вентиляторы).

При первом способе соединения сопротивление участков ВС и BD незначительно по сравнению с сопротивлением участка АВ, при втором — наоборот.

Параллельное соединение вентиляторов, установленных на одном стволе , способствует получению экстренной, больше обычной производительности . При таком соединении сопротивление вентиляционных каналов приравнивают к нулю, вентиляторы как бы установлены в точке В и рабочий режим их на общую сеть определяется построением суммарной характеристики вентиляторов.

Последовательная работа вентиляторов применяется в том случае, когда давление одного вентилятора недостаточно для преодоления сопротивления движению воздуха при проходке стволов или подготовительных выработок в шахте (установки местного проветривания). Последовательное соединение главных вентиляторов в настоящее время практически исключено.

Главным отличием центробежных вентиляторов от более привычных для многих осевых моделей заключаются в особенности их конструкции, за счет которой рециркуляцию воздуха осуществляется под действием центробежной силы, которая в свою очередь возникает в процессе вращения колеса данного вентилятора. Также заметим, что иногда центробежные вентиляторы называются еще радиальными.

Для преобразования одного вида энергии в другую (в данном случае кинетической в потенциальную) в центробежных вентиляторах предусмотрен специальный корпус, форма которого создана таким образом, что в случае снижения скорости воздушных масс повышается уровень давления воздуха.

Зацепление рабочего колеса центробежного вентилятора с электродвигателем, также как и в осевых вентиляторах, может осуществляться либо жестко (непосредственным способом), либо с помощью передачи (ременной или же механической).

Устройство и предназначение центробежного вентилятора

Конструктивно центробежные вентиляторы состоят из двух основных частей:

корпуса, выполненного в форме спирали;
рабочего колеса;
"лопаток" колеса, которые могут быть загнуты либо вперед, либо назад, в зависимости от того, в какую сторону вращается колесо.

На данный момент центробежные вентиляторы имеют широкую классификацию с учетом самых различных критериев:

с учетом особенностей забора воздушных масс: с односторонним всасыванием или же с двусторонним всасыванием;
с учетом вращения рабочего колеса: правые или же левые;
с учетом разницы в создании давления воздуха: вентиляторы низкого, среднего иле же высокого давления;
с учетом особенностей применения: специального применения и общего назначения.

Последний критерий необходимо немного уточнить. Центробежные вентиляторы общего назначения используются в тех случаях, когда существует необходимость в обеспечении циркуляции воздушных масс или же неагрессивных газов, в которых допустимая концентрация твердых частиц пыли не превышает 100 миллиграмм на метр кубический, и при этом температура не поднимается выше отметки в 80 градусов Цельсия. Основным материалом в их производстве является углеродистая сталь. В зависимости от размера рабочего колеса центробежный вентилятор может иметь номер от 2 ½ и до 20.

Если же условия использования центробежного вентилятора не соответствуют стандартным, то в данном случае возникает необходимость перехода на центробежные вентиляторы специального применения, которые в зависимости от условий использования также имеют свою классификацию:

пылевые специальные вентиляторы – рекомендованы к использованию при циркуляции пылегазовоздушных масс;
специальные вентиляторы из материала с высокими антикоррозионными свойствами рекомендованы к использованию при воздействии на них агрессивных сред;
специальные вентиляторы с защитой от искро- и взрывообразования, выполнены с применением алюминиевых или же разнородных сплавов;
дутьевые специальные вентиляторы;
специальные вентиляторы для использования в шахтах;
специальные вентиляторы для удаления дыма, способны работать в критических условиях (при температуре перемещаемых воздушных масс до 400 градусов Цельсия) несколько часов.

Наиболее важными характеристиками центробежного вентилятора, которые необходимо учитывать при их выборе, являются:

создаваемое давление;
объем пропускаемого воздуха (количество кубометров в час);
эффективность;
частота вращения рабочего колеса;
шумовые характеристики.

Те модели центробежных вентиляторов, которые оснащены рабочим колесом с лопатками, загнутыми вперед, способны создавать высокое давление воздушных масса, и при этом его уровень будет расти при увеличении подачи. Среди недостатков таких моделей – низкая эффективность, что может привести к их перегреву и повышенному шуму при работе.

Модели центробежных вентиляторов с рабочим колесом и лопатками, загнутыми назад, имеют высокую эффективность, низкий уровень шума, однако при увеличении подачи воздуха снижается давление, в то же время мощность устройства остается постоянной.

Что касается области применения центробежных вентиляторов, то они широко востребованы в составе вентиляционных систем большой протяженности, а также в составе тех систем, где присутствует повышенное аэродинамическое сопротивление сети.

В настоящее время в общественных и производственных зданиях устраивают преимущественно механическую вентиляцию, в которой воздух перемещается по сети воздуховодов и другим элементам системы с помощью радиальных и осевых вентиляторов, приводимых в действие электродвигателями.

По принципу действия н назначению вентиляторы подразделяются на радиальные (центробежные), осевые, крышные и потолочные.

Радиальные (центробежные) вентиляторы. Обычный радиальный (центробежный) вентилятор (рис. 15.3) состоит из трех основных частей: рабочего колеса с лопатками (иногда называемого ротором), улиткообразного кожуха и станины с валом, шкивом и подшипниками.

Работа радиального вентилятора заключается в следующем: при вращении рабочего колеса воздух поступает через входное отверстие в каналы между лопатками колеса, под действием центробежной силы перемещается по этим каналам, собирается спиральным кожухом и направляется в его выходное отверстие. Таким образом, воздух в центробежный вентилятор поступает в осевом направлении и выходит из него в направлении, перпендикулярном оси.

По назначению вентиляторы изготовляют общего назначения (гз обычном исполнении) — для перемещения чистого и малозапыленного воздуха с температурой до 80 °С; коррозионно-стойкие (из винипласта и других материалов) — для транспортирования газообразных коррозионных сред; искрозащищенные — для перемещения горючих и взрывоопасных сред; пылевые —для перемещения воздуха или газовоздушной смеси, содержащей пыль и другие твердые примеси в количестве более 100 мг/м 3 .

По создаваемому давлению радиальные вентиляторы принято разделять на вентиляторы низкого (до 1000 Па), среднего (до 3000 Па) и высокого давления (более 3000 Па).

Осевые вентиляторы. Простейший осевой вентилятор B-06-30G (рис. 15.5) состоит из рабочего колеса, закрепленного на втулке и насаженного на вал электродвигателя, и кожуха (обечайки), назначение которого — создавать направленный поток воздуха. При вращении колеса возникает движение воздуха вдоль оси вентилятора, что и определяет его название.

Осевой вентилятор по сравнению с радиальным создает при работе больший шум и не способен преодолевать при перемещении воздуха большие сопротивления. В жилых и общественных зданиях осевые вентиляторы следует применять для подачи больших объемов воздуха, но если не требуется давление выше 150—200 Па. Вентиляторы В-06-300-8А, В-06-300-10Л и В-06-300-12.5А широко используют в вытяжных системах вентиляции общественных и производственных зданий.

Подбор вентилятора. Вентилятор подбирают по подаче L, м 3 /ч, и требуемому полному давлению вентилятора р, Па, пользуясь рабочими характеристиками. В них для определенной частоты вращения колеса даются зависимости между подачей вентилятора по воздуху, с одной стороны, и создаваемым давлением, потребляемой мощностью и коэффициентом полезного действия — с другой.

Полное давление р, по которому подбирается вентилятор, представляет собой сумму статического давления, расходуемого на преодоление сопротивлений по всасывающей и нагнетательной сети, и динамического, создающего скорость движения воздуха.

Величина р, Па, определяется по формуле

Подбирая вентилятор , следует стремиться к тому, чтобы требуемым величинам давления и подачи соответствовало максимальное значение КПД. Это диктуется не только экономическими соображениями, но и стремлением снизить шум вентилятора при работе его в области высоких КПД.

Требуемая мощность , кВт, электродвигателя для вентилятора определяют по формуле

где L- подача вентилятора, м 3 /ч; р -давление, создаваемое вентилятором, кПа; г],— КПД вентилятора, принимаемый по его характеристике; т_1рп_КПД ременной передачи, при клиноременноп передаче равный 0,95, при плоском ремне —0,9.

Установочная мощность электродвигателя определяется по формуле

где а — коэффициент запаса мощности

Тип электродвигателя к вентилятору следует выбирать, учитывая условия эксплуатации последнего — наличие пыли, газа и паров, а также категорию пожаро- и взрывоопасности помещения.

Величина р, Па, определяется по формуле

Требуемая мощность , кВт, электродвигателя для вентилятора определяют по формуле

Установочная мощность электродвигателя определяется по формуле

где а — коэффициент запаса мощности

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Центробежный вентилятор, как и всякая турбомашина, состоит из рабочего колеса, подводящих и отводящих устройств. В качестве подводящего устройства используют конфузор, а в качестве отводящего устройства – спиральный отвод.

Центробежные вентиляторы обычно строят одноступенчатыми.

Схемы вентиляторов. Современные осевые шахтные вентиляторы строят одноступенчатыми и компонуются по схемам: местного проветривания НА + РК и НА + РК + CA и главного проветривания НА + РК и НА + РК + CA.

Обозначено: РК – рабочее колесо, НА – направляющий аппарат, СА – спрямляющий аппарат. НА предназначены для придания потоку воздуха необходимого направления при входе в рабочее колесо, а НА между двумя рабочими колесами многоступенчатого вентилятора также и для раскручивания потока; СА – для раскручивания потока при выходе из колеса в сторону, обратную его вращению. Выходные углы лопаток НА между рабочими колесами и лопаток СА можно задать такими, что поток изменит свое направление даже па противоположное. Направление потоков можно проследить на планах скоростей, на которых обозначены абсолютные скорости на входе и выходе: с׳1 и с׳2 – направляющего аппарата и с״1 и с״2 – спрямляющих СА аппаратов, с1 и с2 – рабочего колеса. Схема двухступенчатого вентилятора РК + НА + РК + СА будет обеспечивать примерно в 2 раза большее давление, чем схема
РК + СА, при одинаковой производительности. Полное давление, создаваемое осевым вентилятором [1],

где рвых и рв – давление соответственно за выходным диффузором и на входе вентилятора, Па; свых – абсолютная скорость на выходе вентилятора.

Очевидно, что статическая и динамическая составляющие давления будут

и . (5.1)

Элементы вентиляторов. Коллектор, обтекатель и первый лопаточный аппарат устанавливаются на входе и предназначаются для плавного, без больших потерь, увеличения осевой скорости с1, потока и обеспечения равномерного поля скоростей. Коллектор может быть очерчен по дуге окружности радиусом r > 0,2D2 > r, где D2 – диаметр рабочего колеса. Обтекатель имеет форму полусферы или полуэллипсоида.

Рабочие колеса осевых вентиляторов оснащаются профилированными лопатками (обычными и кручеными). Форма лопаток выбирается такой, чтобы обеспечивалась вокруг них необходимая циркуляция для создания достаточного напора и одновременно исключалось бы перетекание частиц воздуха в радиальном направлении к периферии в связи с действием центробежных сил от закручивания потока. В самом деле, из уравнения Л. Эйлера видно, что передача энергии потоку лопатками неизбежно связана с закручиванием потока. В закрученном потоке возникают центробежные силы, которые могут стать причиной перетекания воздуха из одного кольцевого слоя в другой к периферии вентилятора. Такое перетекание нежелательно, так как вызывает значительные потери энергии. Очевидно, что перетекания частиц потока не будет, если давления вдоль радиусов будут постоянными (р = const) или по уравнению Л. Эйлера

Г = const или rc. (5.2)

Из этого условия следует, что для обеспечения постоянства давления скорость закручивания должна изменяться по гиперболическому закону

. (5.3)

Такое изменение скорости вдоль радиуса рабочего колеса достигается конструкцией лопаток с переменными шириной b и углами β1 и β2. В связи с этим, у современных осевых вентиляторов применяют крученые лопатки с переменным сечением по длине. Поле скоростей за рабочим колесом с некручеными лопатками имеет значительную неравномерность [1].

Большое влияние на работу вентилятора оказывает зазор δ между концами лопаток и кожухом вентилятора.

Относительный зазор (зазор, отнесенный к длине лопатки lл) для качественно изготовленных отечественных вентиляторов составляет 0,8 – 1,0 %. При величине относительного зазора всего 1,5 % давление снижается на 15 – 20 % по сравнению с расчетной величиной при нулевом зазоре. Уменьшение давления объясняется обратным перетеканием воздуха через кольцевой зазор из области повышенного в область пониженного давления.

Направляющий и спрямляющий аппараты представляют собой венцы из неподвижных или поворотных лопаток. Основные параметры: густота решетки b/t, угол установки и аэродинамическая характеристика профиля лопаток. Для радиального равновесия потока распределение скоростей закручивания потока в аппаратах должно быть таким же, как и в рабочих колесах.

Для работы в криволинейном потоке профили лопаток СА и НА должны быть деформированы соответственно кривизне потока. Во избежание потерь энергии лопатки должны быть установлены так, чтобы поток входил на их входные кромки по касательной или под небольшим углом. Чтобы это соблюдалось при разных режимах работы вентиляторов, лопатки НА и СА следует выполнять поворотными.

Диффузор и выходная часть предназначаются для преобразования динамического рдин в статическое рст давление. Между спрямляющим аппаратом и диффузором для выравнивания поля скоростей потока целесообразно предусматривать небольшой цилиндрический участок. Переход от цилиндрического к коническому участку должен быть плавным. Важнейшими параметрами диффузоров являются: степень расширения диффузора

χ , (5.4)

где F1 и F2 – площади сечений, а са1 и cа2 – скорости потока на входе и выходе диффузора; углы раскрытия конусов φ1 и φ2 и относительная длина диффузора , где D – начальный диаметр диффузора.

У шахтных вентиляторов принимается коническая часть длиной и углы раскрытия конусов φ1 = 3° и φ2 = 6°.

Номенклатура и назначение. В горной промышленности России эксплуатируются современные осевые одноступенчатые, реверсивные со сменными и поворотными на ходу лопатками рабочего колеса вентиляторы типов: ВО, ВОК, (В – вентилятор, О – осевой, К – с кручеными лопатками).

Также наряду с современными типами осевых вентиляторов на действующих шахтах и подземных рудниках могут эксплуатироваться устаревшие модели ВОД, ВОМ, ВОМД, ВОКР, ВУПД (Д – многоступенчатые), являющиеся менее эффективными.

В настоящее время выпускаются разработанные в последнее время вентиляторы типа ВО (ВО-12,5, ВОМ-18, ВО-21К, ВО-24К и ВО-30К) (цифра в маркировке вентиляторов – диаметр рабочего колеса по концам лопаток в дециметрах) [14].

Рис. 5.1. Схема современного осевого вентилятора типа ВО

Осевые вентиляторы типа ВО предназначаются для проветривания неглубоких шахт и рудников, общешахтная депрессия которых не превышает 4 кПа (рис. 5.1).

Вентилятор ВО-12,5 предназначен для вентиляции метрополитенов, тоннелей, объектов общепромышленного назначения, систем воздушного отопления, проточной и вытяжной вентиляции технологических установок, а также в качестве вспомогательного вентилятора для проветривания стволов и околоствольных выработок при их сооружении, в калориферных установках и т. п.

Вентиляторы типа ВО, за исключением ВО-12,5 предназначены для главного проветривания шахт и подземных рудников, а также для работы в вентиляционных системах предприятий других отраслей промышленности, рассчитанных на перемещение воздуха и неагрессивных газов, выполняются реверсивными и обеспечивают требуемую правилами безопасности производительность при реверсе более 60 % от нормальной производительности; по специальному заказу они могут выполняться и нереверсивными. Эти вентиляторы применимы как для всасывающей, так и для нагнетательной вентиляции.

Вентиляторы типа ВО – одноступенчатые. Для уменьшения шума они не имеют входных направляющих аппаратов и собраны по условной схеме РК + СА.

Рабочие колеса вентиляторов снабжены 8 сдвоенными лопатками. Установка лопаток РК вентиляторов, за исключением ВО-12,5, производится в пределах 15 – 45°. При реверсировании струи воздуха лопатки НА и СА поворачиваются на углы 153 и 158° и направление их выпуклости изменяется на противоположное.

Читайте также: