ВСТУПЛЕНИЕ
В настоящее время техническое обслуживание в том числе и балансировка шахтных вентиляторов занимает продолжительное время. Это связано с большой запасённой энергией вращения массивным ротором вентилятора и как следствие со значительным временем выбега самого ротора до полной его остановки.
В этом случае простой шахтного вентилятора непосредственно связан с остановкой работ всей шахты и оказывает непосредственное влияние на экономическую эффективность.
Для сокращения времени выбега до полной остановки, как правило, применяют искусственные методы преобразования кинетической энергии, запасенной в роторе.
К сожалению, все известные механические и электрические способы торможения массивных роторов вентиляторов с мощностями уровня 500 кВт и выше мало эффективны и потенциально опасны. (см. ВЫВОД)
ПРЕДЛОЖЕНИЕ
Предлагается принципиально новый по сравнению с существующими противоточный способ скоростного торможения ротора центробежного вентилятора.
Основой способа является взаимодействие высокоэнергетического фронта высокоскоростного воздушного потока с воздушным противотоком, который формируется непосредственно радиальными лопатками решетки рабочего колеса центробежного вентилятора и с последующим воздействием непосредственно на сами радиальные лопатки решетки рабочего колеса центробежного вентилятора. Высокоэнергетический фронт высокоскоростного воздушного потока в этом случае должен формироваться за счёт классической импульсно-детонационной горелки, о чём будет сказано ниже.
Сейчас рассмотрим свободную воздушную струю, которая развивается линейно во встречном потоке.
Известно, что воздушная струя под действием встречного потока разворачивается и изгибается, образуя осесимметричный купол, см. рис. № 8.12.1.
Рис. № 8.12.1. Газодинамический осесимметричный противоточный купол
Где:
- — область течения газа, выходящего из сопла;
- область встречного потока;
- область застойного течения;
- «критическая» точка – ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ КУПОЛ;
В- область вязкого перемешивания.
Обладая определенной упругостью, газодинамический купол в передней его части является препятствием по отношению ко встречному потоку.
В нашем случае за счёт использования в качестве воздушного тормоза детонационной горелки будет всегда присутствовать условие, когда скорость и энергия тормозящего воздушного потока будет на порядок больше скорости воздушного потока и энергии формируемого одной лопатки решетки рабочего колеса центробежного вентилятора. Сформированный таким образом высокоэнергетический газодинамический купол как раз и будет тем препятствием, который одновременно воздействует на воздушный поток вентилятора и непосредственно на сами радиальные лопатки решетки рабочего колеса центробежного вентилятора.
НЕМНОГО О ДЕТОНАЦИОННОМ ГОРЕНИИ.
Известно, что при детонации химическая реакция окисления горючего протекает при более высоких значениях температуры и давления за сильной ударной волной, бегущей с высокой сверхзвуковой скоростью. Мощность тепловыделения в детонационном фронте на несколько порядка выше дефлаграционного фронта. Кроме того, в отличие от продуктов медленного горения, продукты детонации обладают огромной кинетической энергией.
При этом детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-3500 °С.
Принцип работы любого детонационного устройства достаточно прост и известен давно. Топливо закачивается в камеру сгорания при небольшом давлении. В процессе сгорания топлива образуется фронт, который уплотняет смесь и происходит по сути взрыв. Здесь мы получаем локальное увеличение давление не доступное классическими способами сгорания топлива.
Наиболее подробно о принципе работы, технологиях и конструктивному исполнению различных видов и типов детонационных источников энергии можно ознакомиться здесь: Детонационные источники энергии и технологии
ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕНИЯ
В конструктивном плане предлагается доработать улитку вентилятора. Необходимо приварить дополнительный тангенциально размещённый к улитке патрубок с фланцем и установленной заглушкой. Доработка улитки вентилятора, таким образом, не будет влиять на энергетические характеристики, пока патрубок закрыт заглушкой, см. рис. № 8.12.2.
Рис. № 8.12.2. Центробежный вентилятор с фланцем противоточного ввода волн детонационного горения.
Где:
- Тангенциальный фланец ударно волнового торможении ротора.
К работающему вентилятору перед его отключением болтовым контр фланцевым способом монтируется ударно волновой тормоз – классическая детонационная горелка формирования высокоэнергетического воздушного волнового фронта, см. рис. № 8.12.3.
Рис. № 7.12.3. Центробежный вентилятор детонационной горелкой (газодинамическим тормозом)
Где:
1-Тангенциальный фланец ударно волнового торможении ротора.
2-Классический источник ударной волны – детонационная труба.
3-Газовая форсунка.
4-Свеча зажигания.
УДАРНОВОЛНОВОЙ ИСТОЧНИК
Особенности конструктивного исполнения, принцип работы, характеристики высокоэнергетических ударно волновых источников энергии наиболее подробно изложены здесь: (Детонационные источники энергии и технологии)
Один из возможных внешних видов ударноволногого источника представлен на рис. № 8.12.4.
На основании практических работ основным требованием к такому источнику является расположение газовой форсунки строго по центу детонационной трубы.
Рис. № 8.12.4. Трубчатый источник волн детонационного горения.
Детонационный источник высокоэнергетического волнового фронта (детонационная труба)
Где:
- Соединительный фланец.
- Детонационная труба.
- Газовая форсунка.
- Свеча зажигания.
С учётом выше сказанного, конструктивное исполнение детонационной трубы в этом случае на много проще, чем все рассматриваемые виды источников детонационной энергии согласно исследованиям (Детонационные источники энергии и технологии)
Это связано с тем, что так называемая принудительная вентиляция трубы детонационного горения после каждого детонационного импульса не нужна. Вентиляция трубы происходит за счёт существующего воздушного напора, который формируется самим центробежным вентилятором.
При этом формирование топливовоздушной смеси для детонационного горения происходит в пределах самой детонационной трубы. Это обеспечивается газовой форсункой, которая размещена строго по центру детонационной трубы. Как только сформируется так называемая готовая топливовоздушная смесь внутри трубы за счёт подачи природного газа – свечи зажигания инициирует детонационное горение.
ВЫВОД
Приблизительно оценить эффективность заявленного способа можно следующим образом.
Например шахтный вентилятор обеспечивает ежесекундный расход воздуха 100 м3/сек. Мощность привода 450 кВт. Диаметр ротора 1,8 м. Вес ротора 400 кг. Скорость вращения – 20 об/сек. (1200 Об/мин). Привод вентилятора отключается.
Количество запасаемой энергии ротора — более 1 Мдж. !!! Время свободного пробега до полной остановки ротора – 40 минут. Все известные механические и электрические способы скоростного торможения таких массивных роторов с такими энергетическими характеристиками мало эффективны и к тому же — потенциально опасны.
Предлагаемый способ позволит в разы уменьшить скорость свободного пробега ротора вентилятора до полной его остановки.
Рассмотрим один источник детонационной волны в виде детонационной трубы диаметром 100 мм и длинной 1 м. Такой источник детонационной волны обеспечивает ежесекундный противоток с расходом 1 м3/сек. Работает в импульсном режиме с частотой 1 Гц (для простоты расчёта). Время остановки ротора в таком случае без учёта запасённой кинетической энергии массивного ротора будет составлять 100 секунд.
С учётом запасённой кинетической энергии вращения массивного ротора время его полной остановки увеличится и будет зависеть от энергетических характеристик источника (-ков) детонационной волны и частоты работы.
Можно предположить, что непосредственное противоточное взаимодействие фронта детонационной волны с воздушным потоком вентилятора и одновременно с радиальными лопатками решетки рабочего колеса центробежного вентилятора увеличит время свободного пробега ротора до полней его остановки не более 3-х минут.
Здесь уместно привести аналогию с процессами, происходящими в турбинах, турбореактивных двигателях. Принципиальное отличие здесь только одно. Детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-3500 °С. Такие температуры во фронте детонационной волны в классических турбинах, турбореактивных двигателях приведут к быстрому перегреву лопаток и выходу из строя.
В заявляемом противоточном способе скоростной остановки ротора ситуация другая. Так называемый газодинамический купол, сформированный двумя противотоками (о чём было сказано выше) является одновременно и термо-изолирующим буфером. Газодинамический купол предотвращает непосредственный контакт фронта детонационной волны с температурами порядка 3000-3500 °С с радиальными лопатками решетки рабочего колеса центробежного вентилятора.
В упрощённом расчёте рассмотрен только один источник детонационной волны. При этом в конструктивном плане нет ограничений в количестве тангенциальных источников детонационных волн, смонтированный на улитке вентилятора.
Таки образом заявленный способ позволит в десятки раз сократить время свободного пробега ротора вентилятора до полной его остановки.