Давыдкова Н.С. Стационарные установки шахт (водоотливные,вентиляторные и пневматические установки)
Подождите немного. Документ загружается.
46
ЛЕКЦИЯ № 5
5. РЕГУЛИРОВАНИЕ ЛОПАСТНЫХ МАШИН
Под регулированием понимают изменение параметров рабочих режимов.
Качество способов регулирования наиболее полно оценивается приведенными
годовыми затратами на эксплуатацию конкретной установки с данным устройством.
Все способы регулирования сводятся к изменению напорных характеристик машин и
сети.
Регулирование изменением характеристики сети. Этот способ регулирования
наиболее простой и доступный. Сущность его состоит в следующем (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Схема регулирования насосной установки дросселированием
нагнетательного трубопровода
Если индивидуальные характеристики насоса представлены зависимости Н = = f(Q) –
кривая 5, N = f(Q) – 1, η =f(Q) — 6, а характеристика сети имеет вид кривой 4, то параметры
рабочего режима будут Q
1
, N
1
, Н
1
, η
1
. Предположим, что по условиям эксплуатации подача
47
насоса в сеть должна быть уменьшена до Q
2
. Этого можно добиться, изменив характеристику
сети до положения кривой 3. Наиболее просто последнее достигается прикрытием задвижки
на нагнетании. При прикрытии задвижки увеличивается ее коэффициент местного
сопротивления и, следовательно, общее сопротивление сети.
После изменения характеристики сети параметры нового режима будут Q
2
, N
2
, Н
2
, η
2
.
В рассмотренном случае η
2
> η
1
, а N
2
< N
1
. Но из этого нельзя делать вывод об
экономичности рассмотренного способа регулирования. Дело в том, что снижение
потребляемой насосом мощности сопровождается снижением подачи.
Энергия же, затрачиваемая на транспортирование 1 м
3
жидкости,
2
2
22
22
2
2
y
gH
Q
QgH
Q
N
E
η
ρ
=
η
ρ
==
увеличивается. На рис. 5.1 зависимость Е
у
= f(Q) изображена кривой 2. Параметр Е
у
с
уменьшением Q возрастает. При неизменной характеристике сети (кривая 4) для
транспортирования расхода Q
2
необходим напор Н
2
'. Разность между напорами Н
2
и Н
2
' есть
потери напора в задвижке ∆H
з
. Им соответствуют потери мощности
2
2з
з
3600
QHg
N
η
∆
ρ
=∆ .
Увеличение удельной энергии в общем случае не может быть основанием для отказа от
данного способа регулирования. Во-первых, в определенных условиях может оказаться, что
уменьшить расход в сети необходимо обязательно, например в случае работы насоса на
резервуар, который может переполниться, что приведет к затоплению помещения или
работы вентилятора на сеть, скорость воздуха в которой превышает допустимую правилами
безопасности, а эксплуатационник не располагает никакими другими средствами, кроме
заслонки. Во-вторых, при достаточно пологой напорной характеристике насоса и
относительно большой геодезической высоте для получения необходимого регулировочного
эффекта потери напора ∆Н
з
могут составить (0,03—0,05) Н
2
’ и, следовательно, потери
мощности в задвижке будут 3—5%. Для экономии (0,03—0,05) N
2
потребуются достаточно
сложные и дорогие регуляторы, затраты энергии в которых могут превысить потери в
задвижке.
Если кривая N = f(Q) с ростом подачи снижается, то уменьшение расхода в сети
целесообразней осуществлять сбросом части жидкости, а для вентиляторов, работающих на
всасывание, подсосом воздуха.
Регулирование изменением напорной характеристики лопастных машин. Такие
способы регулирования на практике широко используются.
48
Из формул, выведенных ранее, видно, что подача и напор зависят от конструктивных
параметров машины, а давление, кроме того, является является функцией плотности
жидкости.
Из этого следует, что при данной подаче давление
р = f(n, D
2
, β
2
, kз, b
2
, D
2
/D
1
, cu
1
/u
2
, η
г
, η
о
, ρ). (5.1)
Все существующие и возможные способы регулирования связаны с изменением
одного или одновременно нескольких параметров, входящих в правую часть выражения
(5.1). Так как число независимых параметров, на которые можно воздействовать, достаточно
большое —10, а число их комбинаций по два, по три и т. д. будет весьма значительным, то
рассмотреть все в принципе возможные способы изменения напорных характеристик
лопастных машин нельзя. Остановимся только на способах, нашедших применение на
практике.
Регулирование изменением частоты вращения ротора лопастной машины. При
изменении частоты вращения ротора в ограниченных пределах КПД лопастной машины на
сходственных режимах почти не изменяется. Поэтому потери, связанные с таким
регулированием, практически отсутствуют. Последнее дало основание считать
регулирование изменением частоты вращения идеальным способом.
Однако на практике регулирование плавным изменением частоты вращения имеет
ограниченное применение. В настоящее время оно используется только для весьма крупных
вентиляторов ВЦД-31,5М, ВЦД-40 и ВЦД-47,5А Регулируемый привод первого и второго
выполнены по схеме машинно-вентильного асинхронного каскада, а последнего—по схеме
комбинированного вентильно-машинного каскада, состоящего из асинхронного двигателя и
двигателя постоянного тока.
Объясняется ограниченное распространение плавного регулирования изменением
частоты вращения тем, что регулируемый привод значительно сложнее и дороже
нерегулируемого, а применение ременных и зубчатых передач не только удорожает
установку, но и снижает ее надежность; использование же гидромуфт, в дополнение к
отмеченному, связано со значительным рассеянием энергии.
Широко используется ступенчатое регулирование изменением частоты вращения
путем однократной замены двигателя, а также регулирование вентиляторов местного
проветривания с пневмоприводом.
Если известны характеристика сети и напорная характеристика машины при данной
частоте вращения, то соответствующие рабочему режиму параметры Q, Н(р), N и η
определить нетрудно.
49
Но при регулировании часто приходится решать обратную задачу определения
частоты вращения, при которой данная машина на заданную сеть обеспечивает необходимую
подачу (рис. 5.2).
Рис. 5.2. График для определения необходимой частоты вращения
Искомая частота вращения n
2
=n
1
Q
2
/Q
2
/
, где Q
2
' — подача, соответствующая точке В
напорной характеристики при частоте вращения n
1
.
Регулирование изменением диаметра рабочего колеса. Оно может быть реализовано
в трех вариантах:
1) в вентиляторах с помощью съемных закрылков небольшой длины, которые
крепятся к выходным кромкам лопаток. Этот способ достаточно широко используется;
2) путем подрезки концов лопаток рабочих колес. Такую операцию выполняют
практически только для насосов;
3) путем замены рабочего колеса вентилятора геометрически подобным другого
диаметра.
В двух первых вариантах при изменении в ограниченных пределах диаметра D
2
ширина рабочего колеса b
2
изменяется незначительно. При постоянной частоте вращения
можно считать постоянными в рассматриваемом случае также параметры η
о
, kз, cu
1
и α
2
.
Поэтому при повороте закрылков и подрезке лопаток подача машины изменяется
практически пропорционально квадрату диаметра рабочего колеса.
При постоянной частоте напор лопастной машины изменяется также
пропорционально квадрату диаметра. КПД машины в рассматриваемом случае на
сходственных режимах остается практически постоянным, поэтому мощность изменяется
пропорционально четвертой степени диаметра. Последнее свидетельствует, что даже при
относительно небольшом (до 10%) увеличении диаметра рабочего колеса вентилятора с
помощью закрылков в большинстве случаев необходима замена двигателя.
50
Подрезку лопаток рабочих колес насосов можно проводить в шахтных мастерских, но
чаще эта операция выполняется заводом-изготовителем. Консольные насосы и насосы
двустороннего всасывания могут по требованию заказчика поставляться с рабочими
колесами разных диаметров.
Регулирование изменением площади активной части живого сечения рабочего
колеса. Известен ряд вариантов данного способа регулирования: изменением ширины
рабочего колеса; перемещением входного патрубка; заглушкой межлопаточных каналов
рабочего колеса.
Наилучшие результаты бесступенчатого изменения ширины рабочего колеса
получены для схемы, когда специальный диск, проходящий через лопатки и вращающийся
вместе с рабочим колесом, может плавно перемещаться в осевом направлении во время
работы машины. При этом меняется ширина активного потока на выходе из рабочего колеса,
что при одинаковом давлении приводит к уменьшению подачи вентилятора практически
пропорционально размеру b
2
.
Недостаток регулирования передвижным диском — значительное усложнение
конструкции. Нежестко закрепленные массы внутри вращающегося колеса ухудшают
прочностные характеристики последнего.
Близким к рассмотренному по существу протекающих процессов является
регулирование перемещением входного патрубка внутрь колеса. Этот способ конструктивно
значительно проще предыдущего. При перемещении патрубка у покрывного диска рабочего
колеса появляется зона отрыва потока, а живое сечение активной струи уменьшается.
Необходимо также обратить внимание на то, что возникающие у покрывного диска вихри на
определенных режимах приводят к разрывам характеристик, ухудшающим
эксплуатационные качества машин.
В отечественной практике регулирование передвижными дисками и входными
патрубками не применяется.
Регулирование направляющими аппаратами. Большинство отечественных
вентиляторов для регулирования рабочих режимов снабжено осевыми направляющими
аппаратами (ОНА). Направляющий аппарат состоит из системы лопаток и механизма их од-
новременного поворота. Размещается аппарат 2 непосредственно перед рабочим колесом 1
лопастной машины (рис. 5.3, а). Применяется для регулирования центробежных и осевых
вентиляторов. ОНА в насосах не используются, поскольку они ухудшают всасывающую
способность последних. Если цилиндрической поверхностью произвольного радиуса r
провести сечение и развернуть его, то получим наклонную решетку, показанную на рис. 5.3,
б. При угле θ = 0° направляющий аппарат только дросселирует поток. При углах θ ≠ 0° поток
51
поворачивается, возникает скорость закручивания на входе в межлопаточный канал рабочего
колеса.
Рис.5.3. Осевой направляющий аппарат:
а — схема расположения; б — схема потока; в — лопатки ОНА — плоская 1,
плосковыпуклым профилем 2, с дуговым профилем 3
При закручивании потока в сторону вращения существенного приращения давления
не наблюдается, так как резко возрастают потери в рабочем колесе машины.
Регулирование лопастных машин закручиванием потока перед рабочим колесом
может быть реализовано различными устройствами. В отечественных и зарубежных
вентиляторах почти исключительно для этой цели применяются ОНА. Ими оборудованы
практически все отечественные современные шахтные вентиляторы главного проветривания.
Потери давления в ОНА зависят от вида лопаток. В настоящее время изготовляются
аппараты с лопатками трех типов: плоские 1, крыловые плоско-выпуклые 2 и дуговые 3 (рис.
5.3, в).
В ряде крупных насосов зарубежных фирм режим регулируется выходным
направляющим аппаратом. Закрылки лопаток направляющего аппарата могут одновременно
поворачиваться на некоторый угол, что позволяет менять подачу насоса, при которои вход в
направляющий аппарат будет безударным. В этом случае изменяются потери напора в насосе
на соответствующих режимах, а следовательно, и вид кривой Н = f(Q). Этот способ ре-
гулирования основан на изменении гидравлического КПД машины.
Правда, большинство рассмотренных выше способов также в большей или меньшей
степени связано с перераспределением гидравлических потерь.
Регулирование изменением угла установки и числа лопаток рабочего колеса. Во
всех отечественных шахтных осевых вентиляторах главного проветривания используется
регулирование изменением угла установки лопаток рабочих колес.
52
Преимуществами этого способа являются высокая экономичность и достаточно
большая глубина регулирования. Недостатками — усложнение конструкции и
необходимость остановки на время перестановки лопаток.
На практике часто регулируют осевые вентиляторы снятием через одну лопатки
рабочего колеса.
Регулирование поворотными закрылками. Регулирование центробежных
вентиляторов поворотными закрылками реализовано в отечественных вентиляторах главного
проветривания ВЦЗ-32 местного проветривания ВМЦ-8 и в ряде конструкций зарубежных
фирм. При повороте закрылков регулировочный эффект достигается одновременным
действием двух факторов—изменением диаметра D
2
и угла выхода лопаток β
2
. В
совокупности это позволяет получить весьма значительную глубину экономичного
регулирования. Но как и в ряде других способов регулирования, в данном случае на
характеристику р = f(Q), особенно при значительных углах поворота закрылков, значительно
влияют потери давления.
Регулирование насосов подсосом воздуха. Можно создать условия, при которых во
всасывающую линию центробежного насоса будет поступать некоторое количество воздуха.
При работе на водовоздушной смеси меняется плотность перекачиваемой жидкости, а
следовательно, изменяется давление, создаваемое насосом. Уменьшается также подача,
поскольку при перекрытии некоторой части межлопаточных каналов воздухом изменяется
степень заполнения входного сечения рабочего колеса активным потоком воды — k
з
'. Работа
на водовоздушной смеси связана с резким изменением гидродинамики потока в проточной
части турбомашины, что ведет к значительному росту потерь напора. Таким образом,
рассматриваемый способ регулирования связан с изменением параметров ρ, k
з
' и η
г
.
Исследование регулирования насосов воздухом показало, что с энергетической точки
зрения данный способ близок к регулированию задвижкой на нагнетании. Однако при впуске
воздуха во всасывающую линию насоса возможен срыв подачи, поэтому применение этого
способа не рекомендовалось.
Близким к рассмотренному по характеристикам является способ регулирования
насосов задвижкой во всасывающем трубопроводе. Однако при его применении резко
возрастает вероятность возникновения кавитации, об опасных последствиях которой по-
дробно будет сказано ниже.
53
ЛЕКЦИЯ № 7
7. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА НЕСКОЛЬКИХ ТУРБОМАШИН
НА ОБЩУЮ СЕТЬ
К совместной работе нескольких турбомашин на одну общую сеть прибегают на
горных предприятиях в тех случаях, когда давление или расход, создаваемый одной
турбомашиной на предельных параметрах (частота вращения, угол установки лопаток и т.
п.), недостаточен. Все случаи совместной работы можно свести к двум вариантам —
параллельной и последовательной работе машин. Например, если один насос не обес-
печивает откачки суточного притока воды, то включают два насоса в параллельную работу.
Если напор, создаваемый одним насосом, недостаточен, то предусматривают
последовательную работу насосов. При параллельной работе жидкость от обеих турбомашин
поступает в общую сеть. При последовательной работе жидкость, подаваемая одной
машиной, проходит через другую и получает дополнительную в ней энергию. Многоступен-
чатые турбомашины также представляют собой конструктивно объединенные
одноступенчатые машины, работающие последовательно или параллельно.
При совместной работе турбомашины могут располагаться рядом или находиться на
расстоянии друг от друга и могут использоваться одинаковые машины и с разными
параметрами. При совместной работе турбомашин рабочие режимы определяются
аналогично, как и при работе одной турбомашины на внешнюю сеть, с той лишь разницей,
что вместо индивидуальной характеристики машины используется суммарная
характеристика совместно работающих машин. Суммарные характеристики определяются
графическими методами.
Последовательная работа. Последовательная работа турбомашин применяется для
увеличения напора (давления) во внешней сети.
При этом подача (производительность) машин одинакова (Q
1
= Q
2
= Q), а напор
(давление) равен сумме напоров (давлений) обеих машин (Н = Н
1
+ Н
2
).
Машины установлены рядом. Для получения суммарной напорной характеристики
1+2 турбомашин необходимо сложить ординаты характеристик 1 и 2 (рис. 7.1). Точка
пересечения А суммарной характеристики 1 + 2 с характеристикой сети I будет обозначать
рабочий режим совместно работающих машин, а точки А' и А" — рабочие режимы
отдельных турбомашин. Следует отметить, что параметры рабочих режимов (точки А' и А")
при совместной работе машин значительно отличаются от параметров режимов при их
раздельной работе на ту же внешнюю сеть (точки А
1
и А
2
).
54
Рис. 7.1. Последовательная работа турбомашин при их расположении в одном месте
(а) и на расстоянии (б)
Машины находятся на расстоянии друг от друга. Чтобы получить суммарную
напорную характеристику турбомашин, сначала необходимо теоретически заменить
турбомашину 1, находящуюся в точке С, с прилегающим к ней трубопроводом СВ
эквивалентной машиной 1', расположенной в точке В рядом с турбомашиной 2, т. е. привести
турбомашины в общую точку В. Для этого необходимо построить напорную характеристику
1', вычитая из характеристики турбомашины 1 при одних и тех же Q ординаты
характеристики I' участка СВ, т. е. напор, расходуемый на подъем жидкости и преодоление
сопротивления трубопровода. Суммарная характеристика получается сложением ординат
характеристик 1' и 2. Точка А пересечения суммарной характеристики турбомашин с
характеристикой сети I определяет рабочий режим последовательно работающих
турбомашин, а точки А' и А" — рабочие режимы отдельных турбомашин 1 и 2.
Для обеспечения эффективной работы последовательно включенных турбомашин
необходимо, чтобы их оптимальные производительности были примерно одинаковыми.
При установке машин на расстоянии это требование относится к приведенной 1' и
реальной 2 машинам.
КПД последовательно включенных насосов определяется из выражения
2211
21
21
21
/H/H
HH
или
)NN(1000
)HH(gQ
η+η
+
=η
+
+
ρ
=η , (7.1)
где η
1
и η
2
— КПД машин 1 и 2;
N
1
и N
2
— потребляемая машинами 1 и 2 мощность, кВт.
55
Аналогично определяется и к. п. д. вентиляторов:
2211
21
/p/p
pp
η+η
+
=η , (7.2)
где р
1
и р
2
—давление, развиваемое вентиляторами 1 и 2.
Наиболее экономичная работа последовательно включенных машин будет в том
случае, если каждая машина при требуемом суммарном напоре будет работать в режиме
максимального КПД.
Параллельная работа. Параллельная работа (рис. 7.2) применяется для увеличения
подачи (производительности) во внешнюю сеть. При этом развиваемые напоры (давления)
одинаковы (Н
1
= Н
2
= Н), а производительности (подачи) складываются: Q
1
+ Q
2
= Q.
Рис. 7.2. Параллельная работа турбомашин при их расположении в одном месте (а) и
на расстоянии (б)
Машины установлены рядом. Для получения суммарной характеристики параллельно
работающих машин необходимо сложить абсциссы напорных характеристик 1 и 2 при
одинаковых напорах. Точка А пересечения суммарной характеристики с характеристикой I
сети определяет рабочий режим совместно работающих машин, а точки А' и А" —рабочие
режимы отдельных машин.
Суммарная производительность Q
1+2
параллельно включенных турбомашин всегда
меньше суммы производительностей тех же турбомашин, работающих самостоятельно на
такие же трубопроводы. Это объясняется формой характеристик внешних сетей (5.5) и (5.8).
Машины установлены на расстоянии друг от друга. Для построения суммарной
характеристики необходимо машины 1 и 2 с прилегающими к ним трубопроводами II и III
заменить эквивалентными турбомашинами 1' и 2'. Дальнейшее построение суммарной
характеристики и определение рабочих режимов производятся аналогично, как и для рядом