Введение к работе
Актуальность работы. Успехи в народном хозяйстве во многом зависят от повышения эффективности добывающей промышленности, в связи с чем развитие горно-шахтного машиностроения в настоящее время направлено по пути ускоренного создания и выпуска более производительных машин, позволяющих обеспечить максимальное сбережение энергетических ресурсов, в том числе для энергоемких вспомогательных технологических процессов, включая и вентиляцию, как основной элемент обеспечения безопасных санитарно-гигиенических условий труда в шахтах.
В настоящее время только по рудникам цветной металлургии России суммарная энергоемкость главных вентиляторных установок (ГВУ) составляет порядка 110340 тыс. кВт при единичной мощности отдельных агрегатов до 3,0-3,5 тыс. кВт.
Выпускаемые отечественной промышленностью шахтные вентиляторы главного проветривания имеют достаточно высокие технико-экономические характеристики. Совершенствование аэродинамических и эксплуатационных показателей отечественных вентиляторов стало возможным благодаря работам ряда научно-исследовательских и проектных институтов. Значительный вклад в эту работу внесли Г.А.Бабак, И.В.Брусиловский, Г.М.Водяник, А.А.Дзидзигури, В.И.Ковалевская, Н.П.Косарев, Е.М.Левин, Б.А.Носырев, В.В.Пак, В.С.Пак, Н.Н.Петров, И.А.Раскин, К.А.Ушаков и другие. На протяжении многих лет совершенствовались сами вентиляторы: увеличивалась их производительность, росло давление, повышался коэффициент полезного действия (КПД), однако многие создаваемые на их основе ГВУ обладают низкой экономичностью в условиях эксплуатации. Одной из причин этого является несовершенство компоновочных схем поверхностных комплексов вентиляторных установок, вызывающее в них сверхнормативные потери давления и воздуха.
По данным Г.А.Бабака, только из-за поверхностных потерь воздуха на ГВУ угольных шахт СНГ годовые энергопотери составляют около 700,0 млн кВт-ч. По рудникам цветной металлургии Урала 46 % подаваемого в шахты воздуха используется непроизводительно, из-за чего затраты на перерасход электроэнергии составляют примерно половину
стоимости проветривания рудников по статье «Энергозатраты». Около половины этих потерь воздуха приходится на поверхностный комплекс ГВУ, что обусловлено главным образом несовершенством его компоновочных схем, значительной длиной вентиляционных каналов, наличием в схемах реверсивного канала и большого числа ляд, надканального участка вентиляционного ствола и др.
Роль поверхностных комплексов ГВУ в обеспечении безопасности ведения подземных горных работ является ключевой, так как согласно планам ликвидации аварий предупреждение и ликвидация аварийных ситуаций непосредственно связаны с их использованием (при загораниях практически в 100 % случаях). По данным Гимельшейна Л.Я. и Фрейдлиха И.С., коэффициент готовности реверсивных устройств составил всего 0.858, а вероятность отсутствия отказа равна 0.717, что не соответствует требованиям правил безопасности. В условиях рыночны> отношений фактор безопасности все в большей степени становится также экономическим, так как материальные затраты, связанные с ликвидацией аварий, все ощутимее сказываются на экономическом состояние предприятий.
Все эти негативные факторы приводят не только к снижении экономичности проветривания, но и к ухудшению санитарно гигиенических условий труда и усложнению управления вентиляцией особенно в аварийных ситуациях, т.е. к снижению уровня надежности і безопасности ведения горных работ.
Целью работы является создание и исследование новых бол» эффективных компоновочных схем поверхностных комплекса центробежных главных вентиляторных установок.
Идея работы заключается в снижении потерь воздуха и давления поверхностном комплексе центробежных ГВУ, а также стоимости ег сооружения посредством преобразования аэродинамических схеї центробежных вентиляторов в диаметральные в реверсивном режиме и работы.
Методы исследования. Изучение эффективности эксплуатаци действующих поверхностных комплексов ГВУ выполнено на основ анализа технико-экономических показателей вентиляторных установок п
литературным источникам, данных лаборатории депрессионных съемок военизированных горно-спасательных частей Урала и личных исследований автора с применением методов математической статистики.
Расчет оптимальных параметров основных элементов поверхностного комплекса реверсивной центробежной ПЗУ проведен с применением теории аэродинамики местных сопротивлений, экспериментальных и статистических данных.
Исследование реверсивных центробежных вентиляторов выполнено на основе аналитических методов с использованием теории рудничных турбомашин, основных положений аэродинамики, физического моделирования и экспериментальных данных.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика оценки технико-экономического совершенства поверхностных комплексов ПЗУ;
метод определения действительных аэродинамических характеристик реверсивного режима центробежно-диаметральных ПЗУ;
— методика инженерного расчета оптимальных параметров основных элементов реверсивных центробежных ПЗУ;
— компоновочные схемы поверхностных комплексов ПЗУ с
центробежными реверсивными вентиляторами являются наиболее
эффективными как с точки зрения экономичности, так и безопасности
эксплуатации вентиляторных установок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительностью выборки экспериментальных данных при доверительной вероятности 0,85...0,95; сходимостью экспериментальных результатов, полученных на испытательном стенде ОАО НИИПП «Турмаш», и расчетных данных; адекватностью математических моделей и физических явлений, подтвержденной расчетами на ЭВМ и результатами экспериментов на испытательном стенде. Стенд для аэродинамических испытаний выполнен с соблюдением требований ГОСТа на испытания шахтных вентиляторных установок и имеет порог чувствительности, при котором погрешности приращений исследуемых показателей вентилятора с вероятностью 0,95 не превышают 10 %.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней на основе теории взаимодействия вентиляторов главного проветривания и вентиляционной сети выполнен системный анализ потерь энергии в поверхностных комплексах главных вентиляторных установок и показано, что традиционными методами достигнуть существенного снижения энергопотерь в поверхностном комплексе не представляется возможным. В связи с этим предложены новые компоновочные решения на основе применения реверсивных центробежных вентиляторов.
В результате дополнения теории работы реверсивных центробежных вентиляторов установлены зависимости их оптимальных конструктивных н кинематических, а также созданных на их основе схем поверхностных комплексов главных вентиляторных установок.
Разработан теоретический метод определения суммарных потерь давления в проточных частях вентилятора реверсивного режима работы, позволяющий прогнозировать реверсивность установки на стадиях проектирования и эксплуатации.
Предложена, разработана и экспериментально подтверждена принципиально новая аэродинамическая схема центробежно-диаметрального вентилятора.
Разработан метод расчета конструктивных параметров центробежно-диаметральной установки, учитывающий условия работы вентилятора в составе главной вентиляторной установки.
Личный вклад автора заключается в получении зависимостей, положенных в основу методики расчета реверсивной характеристики вентиляторной установки; в обосновании рационального сочетания геометрических и кинематических параметров установки; в разработке экспериментальной модели реверсивной центробежной вентиляторной установки и проведении ее аэродинамических испытаний; в разработке компоновочных схем реверсивных центробежных ГВУ.
Значение работы. На примере шахт и рудников цветной и черной металлургии Урала исследованы причины низкой эксплуатационной эффективности ГВУ. Показано, что существенное повышение технико-экономических показателей центробежных ГВУ возможно на основе создания поверхностных комплексов установок с реверсивными
вентиляторами, обеспечивающими реверсирование вентиляционной струи наиболее простым способом - обратным вращением привода.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили создать методику проектного расчета поверхностного комплекса центробежной реверсивной ПЗУ, в которой учтены условия работы вентилятора и предъявляемые к нему требования. По предложенной методике определены наиболее рациональные параметры компоновочных схем реверсивных центробежных ПЗУ, получивших условное обозначение ВЦР-15 и ВЦЦР-31,5.
В процессе теоретических исследований создана методика расчета реверсивной характеристики центробежной вентиляторной установки и решена задача оптимизации его конструктивных параметров по обеспечению необходимой производительности в реверсивном режиме при обеспечении максимально возможного КПД в прямом режиме.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты экспериментальных и теоретических исследований автора могут служить практическим руководством для проектных и эксплуатационных предприятий при решении вопросов проектирования компоновочных схем вентиляторных установок. Предложенный метод оценки технико-экономического совершенства ПЗУ удобен для установления наиболее рациональных компоновочных схем их поверхностных комплексов на стадии проектирования. Основные результаты работы апробированы на ОАО «Артемовский машиностроительный завод» «Венкон» и приняты для дальнейшего использования при разработке и изготовлении шахтного вентиляционного оборудования.
Апробация работы. Результаты работы, ее основные положения были доложены, обсуждены и одобрены на заседаниях кафедры горной механики УПТА, научно-технических конференциях «Механика в горном производстве» в Екатеринбурге в 1997, 2000 гг., «Неделя горняка» в Москве в 1997 и 1999 гг., на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и перспективы развития горной механики» в Днепропетровске в 1999 г.
Публикации. По диссертационной работе автором опубликовано 7 работ.
Структура и объем диссертации. Работа содержит введение, четыре главы, заключение, библиографический список использованию источников из 113 наименований и 4 приложения. Объем работы 162 страницы, включая 55 рисунков, 10 таблиц и приложения на 34 страницах.