ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 118
1993 Nr kol. 1221
Ye RU LIN Long SIREN
C ongqinska Filia CINBW W ang XINXIAN
Li JIIABAO Din ZONFEN
Zjednoczenie Panzhihua, Chiny
REKONSTRUKCJA WENTYLATORÓW GŁÓWNYCH CELEM POPRAWY ICH CHARAKTERYSTYK
PRZEPŁYWOWYCH I ZM NIEJSZENIA ENERGOCHŁONNOŚCI
S treszczen ie. Opisano projekt reko nstruk cji w en ty lato ra głównego przew ietrzenia kopalni T aiping (Zjednoczenie P anzhihua). P rz ed sta wiono obliczenia aerodynamiczne, zm iany k onstrukcyjne i technologię elem entów rekonstruow anych w entylatorów . W skazano n a podstaw o
we techniczne i ekonomiczne efekty rekonstrukcji.
RECO NSTRUCTIO N OF MAIN FA N S IN O R D ER TO CORRECT FLOW CHARACTERISTICS AND R EDU CTIO N OF ENERGY -
CONSUM ING
Sum m ary. Reconstruction project of m ain v en tilatio n fan in Taiping coal m ine has been described. Aerodynam ic calculations, constructional changes and technology h a s been presented. Basic technical and economical effects of reconstruction h a s been indicated.
REKONSTRUKTION VON H AUPTG RUBENVENTILATO REN FÜ R D IE VERBESSERUNG D E R STRÖM UNGSCHARAKTERISTIKEN
Z u sam m en fassung. H eutiger S tan d der H au p tg ru b en v en tilato ren in C hina w urde d a rg e ste llt. Es w u rde ein K onzept der R ek o n stru k tion d er A x ialv en tilato ren b eschrieben, d e re n Ziel C harakteristikv erb esseru n g u n d E n ergieverbrauchsverm inderung ist.
Die B erechnungsm ethoden d e r S trö m ungsv orgän ge w u rd en
p re se n tie rt. F ü r die m o d ern isierte V e n tila to re n w u rden die U ntersuchungsergebnisse dargestellt.
1. W STĘP
W związku z koniecznością eksploatacji głębszych pokładów węgla kopalni Taiping należało zwiększyć wydajność w entylatora głównego z 8400 do 9600 m3/min. F ak t ten z założeniem podniesienia sprawności do 0,8 (z 0,65) i pozostawieniem napędu elektrycznego stanow ił podstaw ę rekonstrukcji wen
tylatora.
2. PRO JEK T REKONSTRUKCJI TECHN ICZNEJ
2.1. W skaźniki te c h n ic z n e r e k o n str u k cji
W kopalni Taiping stosowana jest wentylacja tłocząca. Charakterystyczne dane dotyczące wentylatorów głównych przez rekonstrukcję ilustruje tablica 1.
T ab lica 1 S ta n p ra cy w e n ty la to r a p rzed r e k o n str u k c ją
Param etr Wentylator
No. 1
Wentylator No. 2
prędkość obrotowa, obr/min 737 744
wydajność znamionowa, m3/min 8324 8320
spiętrzenie całkowite, Pa 160 x 9,8 152 x 9,8
moc na wale silnika, KW 343,2 323,4
sprawność, % 63,7 65,0
kąt ustawienia łopatek 45° 45°
gęstość powietrza, kg/m3 1,05 1,01
Opór sieci wentylatorowej mieścił się w granicy do 0,079 N • S2/m 8. dla nowych w arunków eksploatacyjnych p rzesunął się do przedziału 0,079 - 0,082 N • S2/m 8 (przy wydajności 9600 m 3/min). Podstawowe dane wentylato
rów po rekonstrukcji przedstaw iono w tablicy 2.
Rekonstrukcja wentylatorów głównych. 193
T ab lica 2 D a n e ch a rak terystyk i w e n ty la to r ó w g łó w n y c h p o r e k o n str u k c ji
wydajność znamionowa, m3/min 9600
spiętrzenie całkowite, Pa 215x9,8
sprawność, % 80
prędkość obrotowa, r/min 740
moc znamionowa silnika, KW 475
współczynnik zapasu 1,1
hałas i drganie nie przekracza stanu przed
rekonstrukcją
2.2. P r o jek t rek on stru k cji tec h n ic z n e j
Zapew nienie wysokiej sprawności i zwiększonej wydajności (otwór równo
znaczny - 4,3 m 3) wymagało zm iany u k ład u przepływowego (zm iany geome
trii łopatek w irnika i kierownicy, rek o nstru k cji dyfuzora, zm iany u kład u dwustopniowego n a jednostopniowy). Przyjęto nowy sto su n ek średnic 0,58 (przed rekon stru kcją wynosił ok. 0,7). Ogólny schem at nowego rozw iązania ilu stru je rys. 1 .
w / m i k
Fig. 1. F an stru c tu re a fte r reconstruction
3. ZMIANY KONSTRUKCYJNE POSZCZEGÓLNYCH ELEMENTÓW UKŁADU PRZEPŁYWOWEGO
3.1. Ł o p a tk a w ir n ik o w a
W obliczeniach aerodynamicznych wykorzystano algorytm oparty na ąuasi- trójwym iarowym schemacie WU aproksym acji przepływ u n a powierzchniach
Program składał się z dwóch zasadnicznych części. W pierwszej kolejności wyznaczono pole przepływu n a powierzchni m erydionalnej. R ezultaty stano
wiły podstaw ę do zastosow ania program u rozw iązania zad an ia konstrukcyj
nego (określenia: grubości łopatek, kątów geometrycznych, s tr a t energii me
chanicznej, rzutów kraw ędzi wlotowych i wylotowych n a powierzchnie mery- dionalne). Obliczenia pow tarzano w określonym cyklu interacyjnym do mo
m entu uzyskania żądanej dokładności.
Oddziaływ anie lepkości oraz sił przyspieszania odśrodkowego i Coriollisa powoduje pow stanie istotnych efektów trójwym iarowych u podstaw y i wierz
chołka k a n a łu łopatkowego, które nie były uwzględnione w zastosowanym algorytm ie obliczeniowym. Odpowiednie korekcje przeprowadzono, korzysta
jąc z bad ań literaturow ych i w łasnych doświadczeń. Sprow adzały się one do S i i S2.
hQ S
1 Rys. 2. Łopatka wirnikowa wentylatora po rekonstrukcji
Fig. 2. F a n blade afte r reconstruction
Rekonstrukcja wentylatorów głównych. 195
odpowiedniej zm iany gęstości układów łopatkowych wzdłuż wysokości k a n a łów oraz doboru kątów ataku.
D la uzyskania wysokiego spiętrzenia, płaskiej ch arak tery sty k i w strefie m aksym alnej wydajności w ybrano w iększy k ą t atak u . O ptym alną podziałkę n a średnim promieniu i k ą t u staw ienia określono, biorąc pod uw agę rezu ltaty dla przepływu przez p łask ą palisadę profilów.
N a podstawie obliczeń i zabiegów konstrukcyjnych łopatki wirnikowe ukształtow ano jako trapezow e z kątem sk rętu 28°, projektow any k ą t ustaw ie
n ia łopatek wynosił 70°. Schem at łopatki po rekonstrukcji przedstaw iono n a ry s 2. Liczbę łopatek w irn ik a przyjęto z = 13.
3.2. Ł opatka k ie r o w n ic z a
K ształtow anie łopatek kierowniczych oparto n a tych sam ych zasadach, k tó re wykorzystano przy konstrukcji kanałów w irnika. G enerow ane przez w irn ik niejednorodne pole prędkości n a wlocie do kierow nicy charakteryzow a
ło się zmniejszeniem składowej prędkości osiowej wzdłuż prom ienia i odpo
w iednim narastaniem prędkości obwodowej. Pow stająca w efekcie zm iana k ą ta strum ienia decydowała o wysokich gęstościach łopatek. Z drugiej strony oddziaływanie lepkie prowadziło do tendencji odwrotnych. Z tego powodu obciążenie łopatki określono, posługując się w ynikam i obowiązującymi dla p a lisa d płaskich; przyjęto przy tym stałość cięciw łopatek kierownicy wzdłuż ich wysokości. W wyniku analizy przyjęto proste łopatki kierownicy w licz
bie 17.
3.3. D yfuzor
Rozkład ciśnienia statycznego w zaprojektow anym dyfuzorze przedstaw ia rys. 3. Wyniki obliczeń i bad ań modelowych pokazują, że s tra ty energii m e
chanicznej w zmodernizowanym dyfuzorze zm niejszyły się o 25% w stosunku do s ta n u sprzed rekonstrukcji.
4. CHARAKTERYSTYKI WYTRZYMAŁOŚCIOWE
Obliczenia wytrzymałościowe nowej konstrukcji w irn ik a w entylatora wy
k a z ały dostatecznie wysokie zapasy w ytrzym ałości dla poszczególnych rodza
jów obciążenia. I ta k współczynnik bezpieczeństw a w wypadku:
Rys. 3. Rozkład ciśnienia statycznego w dyfuzorze Fig. 3. Static pressure in diffuseur - naprężenia normalnego (promieniowego) wynosił 4,96
- naprężenia obwodowego 27,74
- naprężenia rozciągającego dla stopy łopatki 9,46 - naprężenia ścinającego dla nitów 3,81
D rgania w łasne określane m etodą elem entów skończonych były równe:
- częstotliwość pierwszego rzędu 90 Hz,
- częstotliwość drugiego rzędu 330 Hz.
Częstotliwość drgań w łasnych pierwszego rzędu była spraw dzona ekspery
m entalnie; uzyskane wyniki m ieszczą się w granicach 84 - 90 Hz. M aksym al
n a prędkość obrotowa w entylatora 750 obr/m in odpowiada 12,5 Hz. K onstru
kcja je s t więc dostatecznie bezpieczna pod względem dynamicznym .
5. TECHNOLOGIA WYKONAWSTWA
G eom etria m odernizowanych łopatek je s t złożona. W n astęp stw ie ważnym elem entem je s t opracowanie właściwej technologii. Przyjęto, że łopatka jest
Rekonstrukcja wentylatorów głównych.. 197
k o n stru k cją ramowo-płytową, skład ającą się z powłoki grzbietu, części w klę
słej, kraw ędzi wlotowej i trzonu łopatki. Powłoki części wypukłej i wklęsłej kształtow an e są m etodą prasow ania n a gorąco, do ich połączenia z trzonem ło p atk i wykorzystano spaw anie i nitow anie. D użą uw agę poświęca się k ontro
li przebiegu procesu technologicznego, głównie kontroli k s z ta łtu profilu ło pat
k i i jakości nitów oraz złącz spawalniczych.
W irnik wentylatora je s t k o n stru k cją spaw aną. W ażnym wymogiem procesu technologicznego w tym w ypadku było zapew nienie odpowiedniej współosio- wości w irnika i u k ładu łożyskowego.
5. MONTAŻ I WYWAŻENIE DYNAMICZNE
Ze względu na isto tn ą zm ianę sto su n k u średnic pow stały trudności z przy
gotow aniem technologii m ontażu i dem ontażu, a tak że z zapew nieniem współ- osiowości wirnika i w ału silnika (która ostatecznie w ynosiła 0,15 - 0,2% o).
W yważenie dynamiczne w entylatora przeprow adzono w stacji w entylatoro
wej. Uzyskane wartości am plitud m ieszczą się w norm ach obowiązujących w C hinach. W entylator po rekonstrukcji pracuje bezaw aryjnie do chwili obecnej (1 rok). Podsumowanie rezultatów rekonstrukcji zaw iera następny punkt.
7. WYNIK REKONSTRUKCJI
P a ram e try w entylatora przed i po rekonstrukcji zaw iera tablica 3 i rys. 4.
D ane z tablicy 3 w skazują, że przy kącie u staw ien ia łopatek w irnikow ych 65°
jego wydajność zbliża się do w ym aganej, spraw ność w ynosząca 0,818 przewyż
sza o 16,8% jej zwartość sprzed rekonstrukcji. Przy kącie u staw ien ia 67,5°
w en tylato r osiąga w ym aganą wydajność przy spraw ności 0,81. W spółczynniki zap asu mocy silnika w ynoszą 1,23 i 1,17, natężenie h a ła su nie przew yższa poziomu sprzed rekonstrukcji. Przebieg ch a ra k te ry sty k w en ty latora No. 2 zamieszczono na rys. 4. Przy kącie u staw ien ia 67,5° m aksym alna w artość spraw ności wynosi 0,828.
Rekonstrukcja w en tylatora pozwoliła uzyskać bardzo korzystny efekt eko
nomiczny. Energochłonność jednostkow a obniżyła się z 22,8% do 17,2%. W konsekwencji oszczędność energii wynosi 102 x 104 KWh w skali rocznej. Cena zaoszczędzonej energii w skali rocznej pokrywa koszty m odernizacji.
T ablica 3 Z a sa d n icze p a ra m etry te c h n ic z n e p rze d i po r e k o n str u k c ji w e n ty la to r a
Param etr
Rekonstrukcja wentylatora No. 1
Rekonstrukcja wentylatora No. 2
przed po przed PO
wydajność nominalna m3/min 8320 9507 8532 9616
spiętrzenie całkowite, Pa 1570 2030 1650 2040
moc wentylatora, KW 329 386 438 404
sprawność, % 65 81,8 66,3 81,0
prędkość obrotowa, r/min 744 743 742 741
k ąt ustawienia łopatki wirnikowej 45° 65° 45° 67,5°
gęstość powietrza, kg/m3 1,05 1,05 1,05 1,05
moc silnika, KW 367 428 381 440
energochłonność jednost.
KW h/MPa m3
0,487 0,376 0,460 0,381
drganie, mm 0,003 0,001 0,004 0,002
opór kopalni, N • S2/m3 0,080 0,079 0,080 0,078
data pomiarów 20.06.1992 16.08.1992 10.03.1993 11.04.1993
V[m3/s]
Rys. 4. Charakterystyka wentylatora przed i po rekonstrukcji: - • - • - charakterystyka przed rekonstrukcją, - ° - 0 -charakterystyka po rekonstrukcji, — charakterystyka obliczona po
rekonstrukcji
Fig. 4. F an characteristic before and after reconstruction
Rekonstrukcja wentylatorów głównych. 199
9. W NIOSKI KOŃCOWE
P ra k ty k a w kopalni T aiping pokazała, że proces rekonstruk cji m usi być tra k to w a n y systemowo, z uw zględnieniem istniejącej sieci wentylacyjnej, no
w ych technik obliczeniowych, doświadczeń technologicznych znanych z lotnic
tw a, tech nik wentylacji i pom iarów w kopalniach.
T a k pomyślana i przeprow adzona rek o n stru k cja przyniosła istotne efekty techniczne i ekonomiczne. W C hinach n a tego rodzaju rekonstru kcje czeka 5000 wentylatorów. Perspektyw a je s t więc zachęcająca.
A b str a c t
In th is article the p resen t situ atio n and th e conception of th e reconstruction in th e rang e of coal-mine ven tilation fans have been presented. The designing a n d calculation procedures of aerodynam ical flow in axial fans w as also p resen ted .
In aerodynamical calculations th e q uasi-threedim ensional algorithm based on W U’s scheme for flow approxim ation on S I an d S2 surfaces w as used. In th e first p a rt of th e program th e flow a re a on m eridional surface was determ ined. The resu lts were bases for constructional solution (blade th ick n ess, geometrical angles, m echanical energy losses an d projections of in le t and outlet edges on m eridional surfaces). The calculations in iteration cycle w ere repeated to th e query closeness.
In order to reach th e high pressu re of th e fla t ch aracteristics in the m axim al efficiency range, g rea ter inflow angles w ere selected. The optim al scale on th e mean rad iu s and angle settin g were defined basing on th e resu lts of th e flow through flat profile palisade.
T he resu lts of the reconstruction have been used in T aiping coal-m ine.
C onsiderable increase of efficiency h a s been received.
