Сборник статей (часть 4) естественно-технические науки алматы 2011 +62 (075) ббк 20+30 я7

39

почти на треть, на 28..29 %, при повышении температуры от –20 до +10 

о

С (температура, при 

которой включаются тоннельные вентиляторы) расход снижается на 55%, т.е. более, чем на по-

ловину.

Влияние изменения сопротивления участков вентиляционной сети: при увеличении со-

4. 

противления перегонов в два раза, снижение расхода воздуха на станциях составляет 3..5%; уве-

личение сопротивления выходов в атмосферу (станций) в два раза снижает расход на 14..26%, 

т.о. влияние сопротивления станционных вентиляционных путей на воздухообмен на станциях 

от действия ЕТ значительней 

список литературы:

1. Лугин И. В. Разработка систем вентиляции метрополитенов мелкого заложения: дис. к.т.н: 30.05.03/И.В. 

Лугин; ИГД СО РАН.– Новосибирск, 2003.– 138 с.

2. Медведев Б.И., Гущин А.М., Лобов В.Л. Естественная тяга глубоких шахт.– Москва, 1985.– 77 с.

3. Алехичев С.П., Калабин Г.В. Естественная тяга и тепловой режим рудников.– Ленинград, 1974.– 111 с.

4. Полушкин В.И., Анисимов С.М., Васильев В.Ф., Дерюгин В.В. Вентиляция.– Москва, 2008.– 416 с.

5. Лугин И.В. Алферова Е.Л. Моделирование действия естественной тяги в вентиляционных сетях метрополитена мел-

кого заложения / Горняцкая смена. Сборник трудов молодых ученых. Том 2. – ИГД СО РАН, Новосибирск, 2010. – С. 64-69.

6. СНиП 23-01-99*: Строительная климатология.– Москва, 2003.– 114 с.

А.С. Белоусова

Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск, Россия

обоснование геометрических параметров и форм

элементов главных вентилЯционных установок

метрополитенов с осевыми вентилЯторами

  Необходимость развития метростроения и  непрерывный рост рыночных цен на элек-

троэнергию для всех категорий потребителей затрагивает проблему обеспечения технической и 

экономической конкурентоспособности метрополитенов на внутреннем и зарубежном рынках. 

Комплексное освоение подземного пространства позволяет связать в единую систему различ-

ные сооружения с многофункциональными подземными и наземными объектами, поэтому ме-

трополитены представляют собой сложные инженерные сооружения и являются капиталоемким 

видом транспорта, требующим значительных затрат сырьевых, материальных и финансовых ре-

сурсов. Одним из главных элементов жизнеобеспечения метрополитенов является система про-

ветривания, состоящая из вентиляционных каналов и вентиляционных установок, находящих-

ся  в  вентиляционных  сооружениях.  Количество  расходуемой  электроэнергии  на  тоннельную 

вентиляцию уступает только расходу на эксплуатацию подвижного состава и составляет от 800 

до 1200 киловатт-часов на 1 километр линии. Эксплуатационные показатели метрополитенов в 

значительной степени зависят от эффективности и конструктивно-технического совершенства 

систем проветривания. Следует отметить, что из-за несовершенства действующего вентиляци-

онного оборудования значительная часть потребляемой электроэнергии теряется на преодоле-

ние потоком воздуха сопротивления, а городские бюджеты несут огромные потери. В этой связи 

особую актуальность приобретает усовершенствование геометрических форм элементов венти-

ляционных сетей, направленных на улучшение их аэродинамических качеств.

В  данной  работе  проведено  обоснование  геометрических  параметров  вентиляционных 

установок, необходимое для их оптимального  проектирования по критерию минимума потерь 

полного давления вентилятора на примере станций Новосибирского метрополитена «Березовая 

роща»,  «Сибирская»  и  «Красный  проспект».  Проектом  системы  вентиляции  Новосибирского 

метрополитена предусмотрено, что станционные вентиляционные установки работают на при-

ток, перегонные – на вытяжку. Из четырех реально существующих компоновок вентиляторов в 

40

сети  в  новосибирском  метрополитене  вентиляторы  работают  во  всасывающе-нагнетательной 

сети (рис.1), когда вентиляционный тракт примыкает непосредственно к входному и выходно-

му сечениям вентилятора. Перегонные вентиляционные установки, обеспечивающие аварийные 

режимы вентиляции с вентиляторами местного проветривания, и  станционные вентиляцион-

ные установки с вентиляторами главного проветривания, обеспечивающие режим главного про-

ветривания, включают входные и выходные элементы вентилятора, шумоглушители, затворы 

гражданской обороны (рис.2).

Рис. 1. Схема расположения вентилятора во всасывающе-нагнетательной сети:  

D – диаметр вентилятора (стрелкой показано направление потока воздуха)

Подробный расчет аэродинамических сопротивлений всех составляющих элементов венти-

ляционной сети Новосибирского метрополитена показал, что сопротивление вентиляционных 

камер  при  требуемом  расходе  воздуха  существенно  больше,  чем  сопротивление  перегонов  и 

станций. В основу расчетного определения положена методика и расчетные коэффициенты со-

противления, изложенные в [1]. В таблице сведены результаты расчета коэффициентов сопро-

тивлений некоторых элементов вентиляционных установок, из которой следует, что сопротивле-

ния отдельных участков достигают (0,865 - 2,572)∙10

-3 

 kμ (киломюрг).

Рис.2. Схема вентиляционной камеры метрополитена 1 - путевой тоннель; 2 - вентиля-

ционная камера; 3 - вентиляторы осевые; 4 - проем в путевом тоннеле; 5 - шумоглушитель; 

6 - вентиляционный киоск

41

Таблица. Коэффициенты сопротивлений некоторых элементов вентиляционного

тракта Новосибирского метрополитена

Станция ме-

трополитена

Элемент вент. уста-

новки

Коэффициент сопротив-

ления элемента 

z

Коэффициент сопро-

тивления элемента с 

усовершенствованной 

геометрией 

z

«Сибирская»

Вент. киоск с пово-

ротом

3.9

1.2

Затвор ГО

5.43

1.7

Сужение у входа в 

вентилятор

0.43

0.25

Выход из вентилятора

0.6

0.15

«Красный про-

спект»

Вент. киоск       (4 

шт.)

3.24 (наибольшее значе-

ние из 4-х киосков)

1.2

Расширение  перед 

входом в вентилятор 

и сужение

0.67

0.35

Выход из вентилятора

0.53

0.15

Шумоглушитель

3.45

2.15

«Березовая 

роща»

Вход в вентилятор

0.425

0.25

Выход из вентилятора

0.6

0.15

Выход на пути

2.8

1.05

Влияние коэффициента сопротивления ζ на экономичность вентиляционной установки η

у

 

можно рассчитать, если известны к.п.д. самого вентилятора η и сумма коэффициентов сопро-

тивлений в различных элементах установки Σζ [2].

Входные  и  выходные  элементы  вентиляционных  установок  представляют  собой  каналы 

минимальных габаритов со сложной конфигурацией. Неравномерность параметров потока, ко-

торую создает входной элемент перед вентилятором, может значительно повлиять на аэродина-

мическую характеристику установки. Неравномерность потока, которая всегда имеет место за 

вентилятором, сильно влияет на характеристику расположенного выходного элемента установ-

ки и на аэродинамическую характеристику вентиляционной установки.

Для рационального проектирования характерны следующие основные геометрические па-

раметры входных элементов: отношение i площадей прямоугольного начального сечения вход-

ного элемента I-I и минимального сечения II-II входного элемента (рис.3); отношение m/n сто-

рон прямоугольного сечения I-I; форма меридионального сечения входного элемента.

42

Рис.3. Схема течения, описывающего трубку тока на входе и выходе  из вентилятора: С – 

контур, замыкающий линии тока (стрелками показаны зоны отрыва от стенок с образованием 

вихревых застойных областей)

В результате исследований установлено [1, 3], что при входе потока воздуха в вентилятор 

должно  осуществляться  конфузорное  течение  и  оптимальные  значения  отношения  площадей 

должны находиться в диапазоне i = 2–3. Уменьшение сечения I-I (i < 2) приводит к значительно-

му ухудшению аэродинамической характеристики вентилятора. При этом не только снижается 

создаваемое вентилятором давление из-за увеличения потерь давления в коробке и вентиляторе, 

но и уменьшается потребляемая мощность, что свидетельствует о снижении теоретического дав-

ления, создаваемого колесом. Увеличение отношения i > 2 существенно не улучшает характери-

стики, а часто и несколько ухудшает их, т. к. в очень просторных входных элементах возникает 

интенсивное вихревое течение, способствующее увеличению потерь давления. Такое вихревое 

течение приводит к закручиванию потока перед входом в рабочее колесо в направлении его вра-

щения. 

Потери давления во входном элементе зависят также от отношения сторон сечения I-I (рис. 

3). При очень вытянутом входном сечении (m/n > 5) происходит большая перестройка потока 

в  коробке  перед  входом  в  вентилятор,  что  увеличивает  эти  потери.  По  данным  систематиче-

ских экспериментальных исследований установлены [3] оптимальные значения отношения m/n 

= 2–3. Уменьшению потерь во входном элементе способствует также наличие скоса внешней 

(противоположной входному сечению вентилятора) стенки (рис.2). Применение такого входного 

элемента со скосом, по сравнению с входом с плоской внешней стенкой, позволяет увеличить 

КПД вентилятора на 2–3 % и исключить пульсацию потока в вентиляторе, обусловленную на-

личием вихревой зоны во входном элементе без скоса. 

Выбор основных размеров элементов вентиляционной установки должен сводиться к про-

филированию ее меридионального сечения, которое вследствие симметрии является поверхно-

стью тока (рис.3) [3]. В основе теоретических методов для разработки рациональных форм вход-

ных элементов вентиляционной установки лежит модель течения идеальной жидкости.

Если основные усилия по совершенствованию аэродинамических форм вентиляционных 

камер сосредоточить на устранении вихревых зон воздушного потока путем сглаживания под-

водящих вентиляционных каналов, можно добиться значительного уменьшении аэродинамиче-

ских сопротивлений их элементов (см. таблицу), и, как следствие, повышения КПД вентиляци-

онной установки.

список литературы:

Идельчик И.В. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 672 с.

Красюк А.М. Тоннельная вентиляция метрополитенов. Новосибирск: Наука, 2006. 164 с.;

Бабак Г.А., Левин Е.М., Пак В.В. Элементы шахтных вентиляционных установок главного проветривания. М.: 

Недра, 1972. 265 с.

43

А.С. Белоусова, Н.А.Попов

Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, Россия

обоснование геометрических параметров входных

элементов Шахтных главных вентилЯторных установок 

  Главные вентиляторные установки (ГВУ) шахт являются важнейшей частью технологи-

ческого оборудования подземной добычи полезного ископаемого. При проектировании шахт-

ных ГВУ одной из основных задач является определение заданных величин давления и произ-

водительности для выбора вентилятора или расчета его аэродинамических и геометрических 

параметров.  Заданными  величинами,  как  правило,  являются  полное  давление  вентиляторной 

установки, производительность вентилятора и коэффициент потерь давления в установке.

  Потери давления в установке 

0

P

∆

 представляют сумму потерь во входном участке 

 

, потерь от присутствия опор (ребер жесткости) в самом вентиляторе 

 и потерь в выходной 

части, которые состоят из потерь в диффузоре 

, в выходном канале 

 и при выходе в ат-

мосферу (входе в шахту) 

. Отсюда общие потери давления в установке

 

                                         

    (1)

 

Полное давление установки   меньше полного давления вентилятора  на величину 

потерь 

0

P

∆

, которое принято оценивать [1] коэффициентом потерь давления  , определяе-

мого отношением величины 

0

P

∆

  к динамическому давлению вентилятора 

 

 

                                                                                                 

          

                                                                                     (2)

Таким образом, полный коэффициент потерь давления определяется как сумма коэффици-

ентов потерь в элементах установки

   

 

                         

 

   (3)

Для вентилятора, работающего в шахтной установке, его полное давление 

v

Р определяется 

по формуле

                                                                  

                           (4)

 

где 

v

P′  - полное давление вентиляторной установки, Па.

  Совершенство всей установки в целом характеризуется ее КПД

                                                                     

,                               (5)

где Q  - производительность вентилятора, м

3

/с;

      

N

 - мощность, потребляемая вентилятором, Вт.

  В случае всасывающих ГВУ 

v

P′  представляет статическое давление установки  , а   

- ее статический КПД  . Для нагнетательных ГВУ потери давления 

 и 

 относятся к 

сопротивлению сети, 

v

P′  - полное давление установки, а   - соответствующий ему ее полный 

КПД.

Критерием экономичности работы вентилятора в установке может быть КПД установки, 

рассчитанный с учетом потерь давления 

  в переходной части от вентилятора к расположен-

ной за ним части сети [1]

 

                                                        

 ,   

 

    (6)

где   - коэффициент потерь давления в переходной части от вентилятора к нагнетательной 

части сети или – для вентиляторов, работающих на всасывание – потерь в выходной части уста-

новки (в диффузоре, в канале и выходной части).

44

Нагнетательная вентиляторная установка шахты Костромовская (рис.1) с горизонтальными 

вентиляторами включает входные и выходные элементы, формы которых приближены к опти-

мальным, но потери давления в них можно уменьшить за счет изменения их геометрии. Основ-

ные размеры представленной габаритной компоновки вентиляторной установки с вентилятора-

ми ВО-24К: L

1

 = 1920 мм, L

2

 = 2160 мм, L

3

 = 5400 мм, L

4

 = 1920 мм, L

5

 = 3000 мм, L

6

 = 5040 мм, 

L

7

 = 4000 мм, L

8

 = 2700 мм.

Рис. 1.Схема габаритной компоновки вентиляторных агрегатов серии ВО

Стороны прямоугольного входного сечения I-I входного элемента (коробки): m = 4800 мм, 

n = 2500 мм; площадь этого сечения F

1

 = 12м

2

. Минимальное сечение II-II коробка имеет перед 

входом в вентилятор: F

0

 = 1700 х 2700 = 4590000 мм

2

 = 4,59 м

2

. Таким образом, отношение пло-

щадей этих сечений i = 2,61 – что находится в диапазоне минимальных потерь давления [2]. От-

ношение же сторон входного сечения коробки рассматриваемой вентиляторной установки равно 

1,92, что ведет к увеличению потерь давления и, как следствие, к ухудшению аэродинамической 

характеристики вентилятора.

Ранее была получена система уравнений для определения формы элементов вентиляторной 

установки [3, 4]. При допущении, что поток воздуха заменен идеальной жидкостью, а всасываю-

щее отверстие вентилятора, плоским кольцевым стоком [5], входной коробка является поверхно-

стью тока (рис.2. – заштрихованная область). Если сток заменить источником, то получим форму 

выходного элемента [3].

Рис.2.Схема входного элемента в вентилятор: m, n – стороны прямоугольного начального 

сечения коробки, h-высота коробки, D – диаметр колеса 

45

Если в рассмотренной компоновке вентиляторной установки спроектировать входной эле-

мент (коробку) так, чтобы в сечении I-I отношение сторон m/n стало равным от 2 до 3 при этом от-

ношение площадей сечений I-I и II-II (см. рис.1) останется в диапазоне 2-3, а форма поверхности 

между сечениями будет максимально приближена к линиям тока, то при таком профилировании 

течение потока воздуха способствует локализации возможных отрывов и большей равномер-

ности поля скоростей и давлений в сечении перед вентилятором, что важно для его нормальной 

работы, а коэффициент потерь давления всей установки составит всего 

.

список литературы:

1. Попов Н.А., Белоусова А.С., Лаврова О.В. Анализ потерь давления в элементах шахтных вентиляторных установок 

с осевыми вентиляторами // Горный информационно - аналитический бюллетень – М.: МГГУ - 2006 - № 5 – с. 232 – 235.

2. Бабак Г.А., Левин Е.М., Пак В.В. Элементы шахтных вентиляционных установок главного проветривания.– 

М.: Недра, 1972. – 265 с.

3. Пак В.В. О движении потока во входных коробках шахтных вентиляторных установок // ФТПРПИ. - 1969. –  

№ 5. - с. 128-130.

4.  Пак  В.В.  Расчет  некоторых  элементов  шахтных  вентиляторных  установок  главного  проветривания  // 

ФТПРПИ. – 1968. – № 6. – с. 79-86.

5. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М., Физматгиз, 1959. – 840 с.

Павлов Станислав Александрович

Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, Россия

анализ эффективности способов регулированиЯ расхода

воздуха через платформенный зал станции метрополитена

мелкого залоЖениЯ

Известно [1-3], что движение поездов по тоннелям метрополитена вызывает в подземных 

станциях значительные воздухообмены, сопровождающиеся периодическим нарастанием и сни-

жением скоростей циркуляционных потоков воздуха и колебаниями его давления. Скорость цир-

куляционных потоков и давление воздуха на станциях возрастают по мере приближения к ним 

поездов, достигая максимальной величины в момент входа поезда в помещение платформенного 

зала станции. При уходе поезда со станции и аналогичном характере изменения скоростей цир-

куляционных потоков наблюдается падение давления.

В работе [1] говорится, что в результате поршневого действия поездов, большое количество 

воздуха попадает в платформенный зал станций, что вызывает так называемое «дутье». Чтобы 

снизить возникающие излишние расходы воздуха на станциях, сооружаются циркуляционные 

сбойки с торцов станций (поз. 3 рис. 1) [1,3]. Часть воздуха, перемещаемого поршневым эффек-

том, попадает на станции, а другая часть через циркуляционные сбойки перетекает в параллель-

ный тоннель встречного пути, минуя платформенный зал, тем самым уменьшается воздухооб-

мен на станциях.

1

2

3

4

3

4

Рис. 1. Схема системы вентиляции тоннелей с устройством вентиляционной сбойки у тор-

ца станции: 1 – платформа станции метрополитена; 2 – перегонные тоннели; 3 – циркуляци-

онные сбойки; 4 – поезд метрополитена; заштрихованными стрелками показано направление 

движения поездов; стрелками показано направление движения воздуха

46

Процесс перемещения воздушных масс от поршневого действия поездов через циркуляци-

онные сбойки и возникновение главных циркуляционных контуров на перегонах рассмотрен в 

работах [4,5]. Выявлено, что изменение площади сечения вентсбоек может существенно влиять 

на расход воздуха через платформенные залы станций. 

В этой статье показаны результаты численного моделирования воздухораспределения вен-

тиляционной сети на обобщенной линии метрополитена мелкого заложения. Со стороны стан-

ции №1 линия ограничена тупиком, а станция №10 имеет выход на дневную поверхность в виде 

портала метромоста [4,5]. 

На рис. 2 показано воздухораспределение через платформенные залы станций от «порш-

невого эффекта» для разной частоты движения поездов. Как показали проведенные численные 

исследования, при сокращении площади циркуляционных сбоек до 46 м

2

, воздухораспределение 

через станции при интенсивности до 10 пар в час изменится не более чем на 1%, при интенсив-

ности от 10 до 20 пар в час – увеличится не более чем на 27%. Но при дальнейшем уменьшении 

протяженности циркуляционных сбоек и увеличении интенсивности движения поездов на ли-

нии, расходы воздуха через платформенные залы станций начинают существенно возрастать. 

При этом «дутье» через пешеходные пути увеличивается не более чем на 7-10 %. К похожим 

результатам пришли и украинские ученые при проведении натурных экспериментов в Харьков-

ском метрополитене [6].

0

5

10

15

20

25

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Q ×10

4

, м

3

/ч 

0

0.75

1

а б в

станции

 

Рис. 2. Расходы воздуха Q, перемещаемые 

через платформенные залы станций за 

час, в зависимости от степени пере-

крытии поперечного сечения пристан-

ционных циркуляционных сбоек и от 

частоты движения поездов по линии: а 

– 1 пара поездов в час; б – 10 пар 

поездов в час; в – 20 пар поездов в час;

жүктеу/скачать 8,61 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: