Аэрология

Центробежные вентиляторы. Центробежный вентилятор состоит из рабочего колеса 1 (рис. 9.2) с лопатками 2, вращающегося вокруг оси 3 в спиральном кожухе 4. Воздух поступает в вен­тилятор через всасывающее боковое отверстие 5, в котором рас­полагается направляющий аппарат. Последний изменяет направ­ление движения воздуха на радиальное. В рабочем колесе воздух проходит между лопатками, закручиваясь в направлении их дви­жения, и выбрасывается в пространство между верхней кромкой лопаток и кожухом, продолжая в пределах последнего двигаться по спирали и расширяясь по мере расширения кожуха. Из венти­лятора воздух выходит через нагнетательное отверстие 6. Дви­жение воздуха от нижней кромки лопаток к верхней вызывается действием центробежной силы, возникающей при вращении воз­духа. Так как центробежная сила пропорциональна квадрату ок­ружной скорости, а окружная скорость пропорциональна радиусу вращения, то по мере перемещения воздуха от нижней кромки лопаток к верхней действующая на него центробежная сила уве­личивается, вызывая сжатие воздуха. Центробежная сила вызы­вает также увеличение скорости движения воздуха между лопат­ками, т. е. увеличение его кинетической энергии. При дальнейшем расширении воздушного потока в кожухе скорость движения воз­духа уменьшается, а его кинетическая энергия согласно уравне­нию Бернулли переходит в потенциальную, вызывая дальнейшее повышение давления.
Движение воздуха в шахте встречает сопротивление, которое преодолевается действием сил статического напора (статического давления). Поэтому основным назначением шахтного вентилятора является создание статического напора. Для этого необходимо, чтобы энергия, передаваемая воздушному потоку от рабочего ко­леса вентилятора, передавалась бы преимущественно в виде ста­тического напора. Реально же она передается как в виде стати­ческого напора (потенциальная энергия), так и в виде кинетиче­ской энергии ускоренного движения воздуха. Согласно уравнению Бернулли, кинетическую энергию можно превратить в потенци­альную путем уменьшения скорости движения воздуха. Чтобы это превращение происходило с минимальными потерями, необходимо обеспечить плавное расширение воздушного потока, при котором местные сопротивления были бы минимальными. В центробежном вентиляторе это достигается путем заключения рабочего колеса в плавно расширяющийся спиральных кожух. Лопатки рабочего колеса центробежного вентилятора могут быть загнуты вперед (по направлению вращения колеса) или назад (против направле­ния вращения). Создаваемое центробежной силой статическое давление пропорционально разности центробежных сил на верх-
135

ней и нижней кромках лопаток или разности квадратов скоростей их вращения, т. е.
Лц-(р/2)(и1_в—«!„), (9.1)
где и_л. п, ил. к — соответственно скорость вращения нижней и верх­ней кромок лопаток, м/с; р — плотность воздуха, кг/м³.
Скоростное давление воздуха на выходе из рабочего колеса пропорционально квадрату тангенциальной составляющей и_в. _т результирующей скорости движения воздуха и_в (рис. 9.3), т. е.
Л_Ск-(р/2)«в._т. (9.2)
Тогда общее давление воздуха на выходе из рабочего колеса выразится в виде
h - (р/2) (а! в—ил. н) + (р/2) ui _T. (ШЩ
Представим теперь, что при постоянной скорости вращения ко­леса вентилятора расход воздуха через вентилятор увеличился (например, вследствие уменьшения сопротивления шахты). Это означает, что скорость движения воздуха между лопатками ра­бочего колеса вентилятора возросла с и_в. _л до и'в.л, а результи­рующая скорость движения воздуха возросла с и_в до и_в. Из рис. 9.3 видно, что тангенциальная составляющая результирующей скорости воздуха на выходе из рабочего колеса у вентилятора с загнутыми вперед лопатками при этом увеличилась с и_в. _т до а'в. _т (рис. 9.3, а), а у вентилятора с загнутыми назад лопатками уменьшилась с и_{Вш т} до и'_в. _т (см. рис. 9.3). Из этого в соответствии с (9.3) следует, что при неизменных скоростях «_л. _в и и_л. и с увели­чением расхода воздуха в вентиляторе с загнутыми вперед лопат­ками его теоретическое давление увеличивается, а в вентиляторе с загнутыми назад лопатками оно уменьшается (рис. 9.4). Факти­ческое давление, развиваемое вентилятором, будет меньше теоре­тического на величину потерь в вентиляторе (см. рис. 9.4), вызы­ваемых трением, местными сопротивлениями и потерями энергии при преобразовании скоростного давления в статическое. Потери энергии на трение и местные сопротивления в вентиляторе имеют ту же природу, что и аналогичные потери в выработках, с той лишь разницей, что основным видом местных сопротивлений здесь является сопротивление внезапного расширения. Потери энергии при преобразовании скоростного давления в статическое объясня­ются тем, что в вентиляторе воздушный поток никогда не может расшириться настолько, чтобы скорость движения воздуха равня­лась нулю и вся кинетическая энергия преобразовалась в потенци­альную (статическое давление). Второй причиной потерь является неравномерность скоростного поля на выходе из вентилятора вследствие тенденции воздуха двигаться преимущественно в одной части выходного отверстия. Все виды потерь пропорциональны квадрату дебита вентилятора. К ним относятся также потери на рециркуляцию воздуха (вихреобразование) в вентиляторе. По­этому с увеличением дебита вентилятора потери в нем прогрес-
136

Рис. 9.3. Кинематическая схема движения воздуха в рабочем колесе центро­бежного вентилятора:
а — для рабочего колеса с лопатками, загнутыми вперед; б — то же, с лопатками, за­гнутыми назад
а б