Наука и технологии |
РЕВЕРСИВНЫЕ ВЕНТИЛЯТОРЫ: 40 ЛЕТ В ПИЛОТНОМ ПРОЕКТЕ07.11.06 Посвящается 15-летию института «АЭРОТУРБОМАШ»
Устройство российских шахтных и туннельных промышленных вентиляторов больших мощностей практически не менялось с послевоенных времен. На крупных предприятиях горно-металлургических отраслей используются осевые двухступенчатые вентиляторы типа ВОКД и ВОД. 80% парка шахтных вентиляторов представлено этими моделями, которые многократно выработали свой проектных ресурс. Вентиляторы этого типа разрабатывались на основе аэродинамических схем К–06 и К–84, разработанных ЦАГИ еще в 50-х–60-х годах. Тогда же, в 1965г в Институте горного дела СО РАН были начаты работы по созданию реверсивных вентиляторов с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса, разработки которых впервые появились еще в Кузбассе (монтажно-наладочном управлении треста «Киселевскуголь»). Именно оттуда в Новосибирск, проработав начальником указанного подразделения, приехал молодой ученый Нестер Петров и привез разработку, которая стала темой его кандидатской, а затем и докторской диссертации. Уже в 60-х и 70-х годах этот тип вентиляторов стал фактически основным для всей горно-добывающей промышленности дальнего зарубежья, составив более 80% шахтных вентиляторов Германии и США, а в России эта разработка, несмотря на раннее появление, так и не получила фактической реализации в виде отработанной технологии производства. Только в 90-х годах институтом «Аэротурбомаш» был создан лишь первый опытный, а затем и опытно-промышленный образец с диаметром колеса 2,1м. Эти вентиляторы работают сегодня на 2-х станциях Новосибирского метрополитена, а в середине 90-х гг. была выпущена опытная партия этих вентиляторов, каждый из которых комплектуется микропроцессорной системой автоматического контроля, управления и защиты. В развитие этого направления работ Институтом «Аэротурбомаш» выполнено научное обоснование создания нового ряда шахтных и тоннельных вентиляторов, разработана конструкторская документация на головные машины указанного ряда, которая передана на машиностроительные заводы Урала и Новосибирска, где освоено их производство, в том числе – для станций «Березовая роща» и шахт Кузбасса. АЭРОТУРБОМАШ: ВОЗРОЖДЕНИЕ РАЗРАБОТКИ Институт «Аэротурбомаш» организован 15 лет назад. Сегодня в нем ведутся опытно-конструкторские работы по совершенствованию систем тоннельной вентиляции метрополитенов для условий Сибири, в том числе – по созданию новых вентиляторных агрегатов и микропроцессорных средств для автоматизации управления вентиляцией строящихся метрополитенов (Новосибирского, Омского, Красноярского). Методами математико-экономического моделирования в работах Института было показано, что для снижения затрат и повышения эффективности систем вентиляции строящихся метрополитенов необходимо разработать и освоить производство регулируемых и реверсивных на ходу осевых вентиляторов, причем указанные машины должны выпускаться на разные уровни давлений (низконапорные, средненапорные и высоконапорные). Вторым направлением деятельности Института является шахтное вентиляторостроение, где требуется оборудование большой мощности. Актуальность направления сегодня обусловлена тем, что большая часть горного машиностроения осталась на Украине, а существующие горные предприятия оснащены импортной вентиляционной техникой старых образцов – в частности, вентиляторы встречного вращения ВДК (Китай) и нереверсивные, но регулируемые на ходу поворотом лопаток рабочего колеса в пределах ±16º вентиляторы GAT (TLT – Голландия). Научные исследования и разработки, выполняемые Институтом по созданию крупных реверсивных и регулируемых на ходу осевых вентиляторов для главного проветривания шахт и рудников, уже заказываются угледобывающими предприятиями России. В Кузбассе на двух шахтах – Костромовская и Романовская – строятся такие установки. А производство этих вентиляторов организовано в Екатеринбурге на заводе Института горного машиностроения. Все научные работы проводятся в тесном сотрудничестве с академическими (ИГД, КТИ ВТ и ИГиЛ СО РАН) и проектными институтами (ОАО «Новосибирскметропроект», ОАО «Кузбассгипрошахт», ОАО «Гипроуголь», КТИ ГИТ СО РАН и др.). О состоянии разработок реверсивных на ходу регулируемых вентиляторов и текущих проектах их внедрения рассказывает директор института «Аэротурбомаш», главный научный сотрудник Института горного дела, профессор Нестер Никитович Петров. «Сложившаяся в России ситуация ставит под угрозу развитие всей отечественной промышленности, а не только вентиляторостроения. Сегодня китайские компании производят совместно с нашими заводами не только вентиляторы аэродинамических схем моделей образца середины прошлого века – ВОКД и ВОД – и торгуют ими у нас же. Между тем, Китай закупает современное немецкие поворотнолопастные осевые вентиляторы и, по возможности, старательно копируя геометрию аэродинамики, активно пытается налаживать производство, не имея на руках никакой научной документации. И дело тут не решить одной лишь защитой авторских прав – дело в назревающей отсталости нашего вентиляторостроения. Эта проблема может решится в первую очередь собственным развитием. Мы же, во многих научных аспектах не уступая странам Европы и обладая целым рядом собственных передовых разработок, детальными описаниями и экспериментальными данными, теряем многие годы и, наконец, с большим трудом находим производителя, который согласится изготавливать единичные пилотные экземпляры не с самой ближайшей перспективой поточного производства. Сегодня многие винят во всем развал СССР и с грустью вспоминают масштабные цифры производства, но я могу заверить, что именно тогда сложилась ситуация, провоцирующая стагнацию научного развития. Слишком много тогда было карманных отраслей, несоответствующих в своем развитии реальной экономической ситуации в мире. Так произошло и с вентиляторостроением. Для наглядности приведу цифру: энергозатраты угледобычи составляли от 1 до 4% себестоимости угля, а позже достигли около 9%. В угольной промышленности Германии и Англии эти показатели составляют около 35-37% – первая статья расходов после заработной платы. Когда Министерство тяжелого машиностроение приняло решение все-таки выпускать такие экономичные вентиляторы, по сути, экономить было нечего – комсомольцы строили электростанции, энергия почти бесплатная. А вентиляторы, которые помогают сэкономить до 30% энергопотребления, никому не были нужны. Сейчас ситуация меняется. Тарифы на энергию за последние 6 лет выросли в 4,5–7,0 раз и компании начинают аккуратно считать деньги. ШАХТНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ НЕ СООТВЕТСВУЕТ ПБ Одной из основных причин загазований очистных и подготовительных угольных забоев является неравномерность метановыделения и низкая оперативность управления вентиляцией. Рост нагрузок на забои повышает неравномерность метановыделения и вероятность загазований горных выработок, число которых на угольных шахтах Кузбасса в год составляет около 800–850. Это может приводить к трагическим последствиям, таким, как гибель шахтеров в 1968г. на шахте «Сокурская», а также крупных аварий на шахтах «Зыряновская» 1997 г., «Воркутинская» 1995 г., «Распадская» 1982 г. и 2001г. Регулирование и возможность форсирования режима проветривания при задымлениях, а также возможности эффективного реверсирования главных вентиляторов после освоения новых или модернизации осевых машин старого типа позволяет существенно повысить безопасность ведения подземных горных работ, в том числе при авариях. В течение суток требуемый расход воздуха на добычном участке колеблется в 1,2–1,5 раза относительно минимального, причем значения отклонений подаваемого воздуха за сутки могут достигать ±30% от среднего значения. По этой причине, с учетом случайных колебаний метановыделения, содержание метана на исходящей струе лавы имеет случайный характер. Отдельной проблемой являются режимы параллельно действующих центробежных вентиляторов малой мощности, устанавливаемые в зависимости от очередности пуска и ряда других причин, поэтому воздушный удар, кроме опрокидывания вентиляционной струи, приводит к рассогласованию режимов совместной работы вентиляторов. Например, при аварии на шахте «Зыряновская» Установки прекращают подавать воздух в шахту, что продолжалось до остывания всего объема продуктов взрыва, т. е. исчезновения тепловой тяги. В этой связи реверсирование вентиляторов как необходимый и единственный способ обеспечения какого-либо воздухообмена был необходим, но выполнен только через 15 мин, т. к. прямой режим был невозможен из-за противодействия тепловой депрессии. Реверсирование позволили начать выдачу газообразных продуктов взрыва, но уже не спасает людей. Множество работающих вентиляторов в качестве главной вентиляторной установки не имеют жесткой аэродинамической характеристики, резерва гидравлической мощности и требуют выполнения множества последовательных операций (в частности, при реверсировании), что неизменно будет приводить к серьезным последствиям. Анализ устойчивости проветривания должен выполняться с учетом особенностей аэродинамических характеристик главного вентилятора и статических характеристик участков вентиляционных сетей анализируемого направления движения воздуха. РЕВЕРСИРОВАНИЕ ОСЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ В соответствии с действующими правилами безопасности (ПБ) при реверсировании вентиляционной струи в каждой из подземных выработок должно обеспечиваться не менее 60 % от производительности при нормальном режиме. Следовательно, с учетом специфики воздухораспределения в шахтах вентиляторы, для выполнения указанных требований в реверсивном режиме, должны давать 100 и более % от прямого режима, что могут обеспечить только осевые вентиляторы, реверсируемые поворотом лопаток рабочего колеса на 120º от минимального угла. Реверсирование осевых вентиляторов возможно двумя основными способами: без изменения направления вращения и с изменением. При реверсировании с изменением направления вращения (без поворота лопаток рабочего колеса) «диффузорная решетка» вентилятора становится «конфузорной», лопатка рабочего колеса (РК) «работает» задней кромкой вперед. Кривизна профиля лопатки становится обратной («противоестественной»), поэтому КПД решетки РК резко падает, и вентилятор в реверсивном режиме может обеспечить не более 75% прямого режима. При реверсировании осевых вентиляторов без изменения направления вращения путем поворота лопаток РК до угла 135º (т. е. на 120º от минимального), вентилятор может обеспечить 100 % и более от производительности прямого режима. Этот метод обоснован ЦАГИ и реализован в разработках «Аэротурбомаш» по вентиляторам серии ВО. При реверсировании одного из опытно-промышленных вентиляторов ВО-21К (первая из работающих машин нового ряда серии ВО) получена производительность реверсивного режима в пределах 94-96 % от прямого режима за 40с без остановки вентилятора. Но учитывать следует не только глубину, но скорость и надежность реверсирования производительности. Для этого нужно обеспечить возможность включения устройств реверсирования струи на ходу вентилятора а, следовательно, сокращение числа последовательно соединенных элементов в устройстве реверсирования. Это реализовано в установках с вентиляторами серии ВО, которые дополнительно содержат ручной привод, позволяющий оператору при отказе электрооборудования 0,4 кВ выполнить реверсирование вентилятора вручную за 60-90 с. Коэффициент оперативной готовности установки с вентиляторами серии ВОД (реверсируемых изменением направления вращения), имеющими один высоковольтный электропривод, реверсируемый вместе с вентилятором (720)=0,326. Тот же показатель для установки с вентиляторами ВО-24К серии ВО – (720)=0,763, т. е. в 2,3 раза выше, т. к. он реверсируется без главного электропривода. Более низкие показатели надежности реверсирования в сравнении с машинами ВОД имеют установки с вентиляторами ВДК, т. к. каждый из них имеет по два электропривода и по четыре высоковольтных распределительных устройства (всего на вентиляторной установке 12–14 таких устройств), которые переключаются при реверсировании вентилятора. МОДЕРНИЗАЦИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ Как известно, установки с вентиляторами ВОКД реверсируются посредством обводных каналов, а в вентиляторах типа ВОД – выключением с последующим реверсированием его направления вращения и разворота лопаток направляюще-спрямляющего (14 шт.) и спрямляющего (14 шт.) аппаратов вентилятора. Надежность таких установок особенно для работы в режиме реверсирования явно недостаточна. Новые аэродинамические схемы позволяют создавать одноступенчатые осевые вентиляторы, обеспечивающие те же параметры по давлению и производительности, которые развивают машины ВОКД и ВОД в двухступенчатом исполнении. Фактически модернизация указанных вентиляторов в основном сводится к замене двухступенчатого ротора на одноступенчатый, а также замены поворотно-лопастных НА и СА на неповоротные, жестко вваренные между корпусом (кожухом) и втулкой вентилятора. При модернизации, например, вентиляторов ВОКД на промежуточном кожухе демонтируется спрямляюще-направляющий аппарат, содержащий 23 лопатки с поворотными закрылками и электроприводом, вместо которого ввариваются 23 листовые, специальной геометрии, лопатки в проем между втулкой и корпусом вентилятора. Проем во втулке, образовавшийся после удаления второй ступени вентилятора закрывается. В нижней внутренней части втулки кожуха распологается кривошипно-шатунная колонка с подшипниковым ползуном механизма поворота лопаток. Поворот лопаток РК для регулирования и реверсирования производительности на ходу вентилятора осуществляется поворотом вала однооборотным серийным механизмом МЭО в пределах 120º за 1,5-2 минуты. Двухступенчатый ротор заменяется на одноступенчатый с 8-ю лопатками специальной геометрии на заданные вентиляционные параметры. Модернизация вентилятора ВОД-40 проводится по аналогичной схеме. При этом лопатки неподвижного спрямляющего аппарата вваривают вместо демонтированного поворотно-лопастного спрямляющего аппарата второй ступени, для усиления опоры под радиально-упорным подшипником ввариваются дополнительные ребра. За счет предельного упрощения конструкции вентилятора, ротор которого до модернизации содержит два рабочих колеса по 12 лопаток, и устранения поворотно-лопастных СНА и СА, по 14 поворотных лопаток, удается получить предельно простую конструкцию машины, надежность и экономичность которой существенно выше. Для вентиляторов ВО-36К номинальный КПД вырастает от 0,73-0,74 до 0,82, а эксплуатационный - от 0,55 до 0,75-0,8. По предварительным расчетам окупаемость оборудования происходит за один год, поскольку экономия электроэнергии за этот срок составляет более миллиона рублей. Мария Роговая Технологии: Реверсивные вентиляторы для метрополитенов и шахт |
