Анализ прочности узлов системы вентиляции метрополитенов в аварийной ситуации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ прочности узлов системы вентиляции метрополитенов в аварийной ситуации

Русский Евгений Юрьевич

Алферова Елена Леонидовна

В России действуют шесть метрополитенов, и еще 2 строятся. Метрополитен, как сложный технический объект подвержен авариям, в том числе пожарам. От устойчивой работы вентиляционного оборудования зависит безопасность работы всего метрополитена, и, особенно, при возникновении аварийных режимов, связанных с задымлением и пожарами, что способствует оперативному спасению пассажиров и работе спасателей.

В метрополитенах России, в том числе и в Новосибирском, эксплуатируются в основном вентиляторы ВОМД-24, которые уже выработали проектный ресурс. В московском метрополитене производится реконструкция 8-10 вентиляционных шахт в год с заменой оборудования. В СНГ более 1000 тоннельных вентиляторов отработали более 3-х нормативных сроков эксплуатации. На уже существующих станциях в большинстве случаев используются устаревшие морально и технически осевые вентиляторы серии ВОМД-24 (рис. 1), ресурс которых многократно выработан, что не позволяет обеспечить безопасность и надежность эксплуатации станций метрополитена.

Рис. 1. Компоновочные схемы: а -- ВОМД-24 (до модернизации); б -- ВОМ-24 (после модернизации): 1 -- приводной электродвигатель; 2, 3 -- шкивы ременной передачи; 4, 5 -- рабочее колесо 1-й и 2-й ступени соответственно; 6 -- спрямляюще-направляющий аппарат; 7 -- спрямляющий аппарат; 8 -- редуктор с муфтой

Институтом горного дела им. Н.А. Чинакала предложена схема модернизации вентиляторов ВОМД-24, позволяющая убрать наиболее чувствительные к пожарам элементы - ременную передачу, и уменьшить скорость вращения ротора вентилятора с 750 об/мин до 375 об/мин.

Основным узлом осевого вентилятора является ротор, надежность которого, в основном, определяет работоспособность вентилятора. Ротор, в свою очередь, состоит из коренного вала, рабочего колеса (РК), которое включает в себя корпус и листовые лопатки.

Анализ пожара в тоннеле на температурный режим системы вентиляции

Рассмотрим ситуацию горения головного вагона, ближнего к перегонной вентиляционной камере (рис. 2), т.к. в этом случае температуры газо-воздушной смеси, удаляемой из тоннеля, будут иметь наибольшие значения. В вентиляционной камере параллельно установлены два вентилятора.

Рис. 2. Дымоудаление при возгорании крайнего вагона поезда

Динамика температур удаляемой из тоннеля газо-воздушной смеси в сечении шахты венткамеры перед вентиляторами представлена на рис. 3.

Рис. 3. Динамика температур удаляемой из тоннеля газо-воздушной смеси

Анализ напряженно-деформированного состояния элементов вентилятора ВОМД-24 при пожаре в тоннеле

Рассмотрим влияние пожара в тоннеле на НДС (напряженно-деформированное состояние) узлов вентилятора ВОМД-24 на примере лопаточного узла. В соответствие с ГОСТ 11004-84 «Вентиляторы шахтные главного проветривания. Технические условия», среднеарифметический радиальный зазор между лопатками и корпусом осевых вентиляторов должен быть в пределах 0.001 - 0.003 номинального диаметра рабочего колеса.

На лопатку действуют инерционные и аэродинамические нагрузки, соответствующие частоте вращения ротора 375 об/мин (39.3 с-¹) и углу установки лопаток и = 40^о в сторону увеличения углов атаки. Аэродинамические нагрузки составляют 5 % от инерционных сил, поэтому в расчете их можно не учитывать.

На рис. 4 представлена картина абсолютных перемещений узлов конечно-элементной модели лопатки.

Перемещение крайнего узла на передней кромке лопасти составляет 2.4 мм. С практической точки зрения, наибольший интерес представляют величины радиальных удлинений концов лопастей, т.к. от этого зависит величина зазора между лопатками и корпусом. Расчет показывает, что радиальное удлинение конца лопасти составляет 2.1 мм.

Рис. 4. Распределение абсолютных перемещений в лопаточном узле, мм

Таким образом, для рабочего колеса диаметром 2400 мм, удлинение составляет не более 29.2 % от допустимого зазора.

Кроме того, рассчитаны собственные частоты колебаний лопатки для анализа влияния возмущающих частот на вибрационные свойства лопатки.

Резонансные колебания лопаток возникают в случаях, когда частоты их собственных колебаний становятся равными или кратными числу оборотов ротора, т.е. f_д = kn. Кроме того, для осевых вентиляторов опасные режимы могут возникать в результате появления колебаний лопаток под действием нестационарных аэродинамических сил, возникающих вследствие неравномерности течения потока при взаимодействии с ребрами, направляющим аппаратом и лопатками спрямляющего аппарата. В этом случае числа кратности пропорциональны соответственно числу ребер и лопаток направляющего аппарата N_Р, а при реверсе и числу лопаток спрямляющего аппарата N_СА.

Для вентилятора ВОМД-24, при угловой скорости вращения рабочего колеса вентилятора = 39.2 с -¹ (375 об/мин), числе ребер направляющего аппарата N_P = 12 и лопаток спрямляющего аппарата N_CA = 15, зон отрыва во вращающемся потоке N_BO = 2-4, частоты возбуждающих сил, создаваемых ребрами направляющего аппарата, лопатками спрямляющего аппарата и вращающимся отрывом, записываются так:

= 12n с - ¹; = 15n с - ¹; = 4n с - ¹, или

= 470.4n с - ¹; = 588n с - ¹; = 156.8n с - ¹.

Для определения влияния возмущающих частот на колебания лопатки, построим вибрационную диаграмму для лопатки (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость собственных частот колебаний лопатки и возмущающих частот от числа оборотов ротора: 1 - возмущающая частота от лопаток направляющего аппарата; 2 - возмущающая частота от лопаток спрямляющего аппарата; 3 - возмущающая частота от отрыва во вращающемся потоке; 4, 5, 6, 7, 8 -собственные частоты лопатки, первая, вторая, третья, четвертая, пятая соответственно

Из анализа графиков следует, что при пуске вентилятора, лопатки проходят через несколько зон резонансов (рис. 5). Из-за кратковременности нахождения в этих зонах, а также вследствие незначительной энергии возмущенного воздушного потока от ребер направляющего аппарата, лопаток спрямляющего аппарата и возмущений от отрыва во вращающемся потоке, это не приведет к возникновению опасных напряжений и деформаций в конструкции лопаточного узла.

Моделирование процесса горения поезда для получения динамики температур газо-воздушной смеси, проходящей через вентиляторы, показало значительное увеличение температуры проходящего через вентилятор воздуха.

Установлено, что при пуске вентилятора, лопатки проходят через несколько зон резонансов. Из-за кратковременности нахождения в этих зонах, это не приведет к возникновению опасных напряжений и деформаций в конструкции лопаточного узла. При выбеге вентилятора, для уменьшения времени нахождения в резонансных областях, необходим тормоз для электродвигателя вентилятора.

Литература

вентиляционный сеть метрополитен возгорание

1. Алферова Е.Л. Тепломассообменные процессы при горении поезда в однопутном тоннеле метрополитена / Е.Л. Алферова, И.В. Лугин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2015. - № 2 (108). - С. 16-20.

2. Красюк А.М. Динамика и прочность сдвоенных листовых лопаток осевых ветиляторов / Красюк А.М., Русский Е.Ю. - Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - № 7.

3. Левин А.В. Прочность и вибрация лопаток и дисков паровых турбин / А.В. Левин, К.Н. Боришанский, Е.Д. Консон. - Л.: Машиностроение, 1981.

4. Лугин И.В. Тепломассообменные процессы при горении поезда в однопутном тоннеле метрополитена / И.В. Лугин, Е.Л. Алферова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2015. - № 7. - С. 324-332.

5. Попов Н.А. Теория проектирования реверсивных осевых вентиляторов с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса / Попов Н.А., Петров Н.Н., Батяев Е.А., Новиков В.А. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1999. - № 5.

6. Русский Е.Ю. Вибрационная надежность роторов осевых вентиляторов главного проветривания шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. - № 7. С. 168-174.

Размещено на Allbest.ru