О способах регулирования воздухораспределения, вызванного поршневым действием поездов в системе тоннельной вентиляции метрополитенов мелкого заложения

- © С.А. Павлов, 2014

УДК 624.191.94

С.А. Павлов

о способах регулирования воздухораспредепения, вызванного поршневым действием поездов в системе тоннельной вентиляции метрополитенов мелкого заложения

Рассмотрены результаты математического моделирования воздухораспределения от поршневого действия поездов на линии метрополитена. Проведено сравнение способов регулирования расходов воздуха через платформенные залы станций и перегонные венткамеры, инициированных поршневым действием поездов. Ключевые слова: метрополитен, воздухораспределение, «поршневой эффект», циркуляционные потоки, циркуляционные сбойки, обводной канал, шибер, жалюзий-ный затвор.

Метрополитен является скоростным общественным пассажирским транспортом, выполняющим свои функции независимо от застройки земной поверхности и загруженных транспортных магистралей, что делает его одной из важнейших транспортных систем мегаполисов мира. Поэтому дальнейшее развитие метрополитенов способствует решению проблемы пас-сажироперевозок в крупных городах.

Постоянно возрастающий пассажиропоток ведет к увеличению частоты движения поездов и как следствие - к выделению и накоплению на станциях и в тоннелях значительного количества вредностей в виде избыточного тепла, газовых выделений, пыли и т.п. [1]. Своевременное удаление вредностей и подача требуемого количества свежего воздуха зависит от эффективности и конструктивного совершенства систем вентиляции. Поэтому, тоннельной вентиляции метрополитена отводится важная роль по поддержанию требуемого состояния микроклимата.

Как известно [1-3], движение поездов по тоннелям метрополитена вызывает в подземных станциях значитель-

ные возмущения давления и расходы воздуха. Скорость 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 наблюдается падение статического давления воздуха на ней.

В настоящей статье показаны результаты численного моделирования воздухораспределения вентиляционной сети на обобщенной линии метрополитена мелкого заложения [4, 5]. Исследуемая линия со стороны станции № 1 ограничена тупиком, а станция № 10 имеет выход на дневную поверхность в виде портала ме-тромоста, особенности который приведены в работах [4, 5].

В качестве регулирования воз-духораспределения от поршневого действия поездов рассмотрены 4 способа и их совместное влияние на расходы воздуха в путевых тоннелях и на станциях, такие как: изменение аэродинамического сопротивления пристанционных циркуляционных сбоек, установка обводных каналов, закры-

Рис. 1. Схема системы вентиляции тоннелей с устройством вентиляционной сбойки у торца станции: 1 - платформа станции метрополитена; 2 - перегонные тоннели; 3 - циркуляционные сбойки; 4 - поезд метрополитена; заштрихованными стрелками показано направление движения поездов; стрелками показано направление движения воздуха

тие жалюзийных затворов в сбойках перегонных венткамерах, установка шиберных устройств в путевых тоннелях. Перечисленные способы направлены на увеличение количества воздуха, поступающего в платформенный зал станции, от поршневого действия поездов. Кроме того необходимо улучшать его качество, путем увеличения доли свежего атмосферного воздуха в подземном воздухообмене.

Пристанционные сбойки (поз. 3 рис. 1) были предложены в работе [1] для снижения эффекта «дутья» в платформенном зале станции и на пешеходных выходах на поверхность. Однако, проведенные исследования [4-6] показали, что изменяя размеры поперечного сечения этих сбоек мож-

{5'10\ Л

но эффективно регулировать расходы воздуха через платформенные залы станций, инициированные поршневым действием поездов (рис. 2).

Регулирование воздухораспреде-ления путем изменения аэродинамического сопротивления пристанционных циркуляционных сбоек позволяет существенно снизить потребление электроэнергии на тоннельную вентиляцию. При этом тоннельные вентиляторы выключены и находятся в готовности к выполнению аварийного режима.

Для увеличения количества свежего воздуха, подаваемого через вентка-меры, так же с целью снижении энергозатрат на вентиляцию и одновременно повышения ее эффективности

Рис. 2. Расходы воздуха С}, перемещаемые через платформенные залы станций за час, в зависимости от степени перекрытии поперечного сечения пристанционных 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; 0 - 0% перекрытия циркуляционных сбоек; 0,75 - 75% перекрытия циркуляционных сбоек; 1 - 100% перекрытия циркуляционных сбоек

рассмотрен способ управления воздушными потоками от поршневого действия поездов с помощью шиберных установок, перекрывающих проходное сечение перегонных тоннелей метрополитена [7].

Когда поезд входит в тоннель (рис. 3, а), ближний к нему шибер 6 находится в открытом положении, а дальний 7 полностью перекрывает сечение тоннеля. Двигаясь по тоннелю, поезд, подобно поршню в цилиндре, выталкивает отработанный тоннельный воздух через вентиляционную шахту 4 и киоск 5 на поверхность. В последствии, шибер 7 открывается при приближении к нему поезда (рис. 3, б), а шибер 6 находящийся позади состава перемещается в закрытое положение. В результате через вентиляционную шахту вслед за поездом в тоннель затягивается свежий атмосферный воздух. Тем самым эффективно проветривая перегонный тоннель. Когда поезд покидает тоннель, оба шибера возвращаются в исходное открытое положение.

Путем проведения численных экспериментов на математической модели вентиляционной сети метрополитена мелкого заложения было исследовано влияние шибера в перегонных тоннелях на воздухораспределение на подземных станциях. Полученные результаты сравнивались с базовым вариантом, когда шиберные установки отсутствовали в перегонных тоннелях, а режим работы тоннельной вентиляции соответствовал весенне-осеннему.

Как показало исследование, применение шиберных установок в перегонных тоннелях двухпутной линии метрополитена, имеющей по не-

рис. 3. Схема движения воздушных потоков и поезда в тоннеле: 1 - перегонный тоннель; 2 - входной портал; 3 - выходной портал; 4 - вентиляционная шахта; 5 - вентиляционный киоск; 6 и 7 - шибер; 8 - поезд; 9 - направление движения воздушного потока

сколько вентиляционных сбоек на каждом перегоне, приводит к значительному изменению воздухообмена через платформенные залы станций (рис. 4, а). Это объясняется возникновением главных циркуляционных контуров на перегоне, описанных в работах [4, 5]. При малой интенсивности движения поездов на линии, использование шиберных установок в тоннелях, способствует увеличению количества воздуха, вовлекаемого в циркуляционные потоки.

При увеличении частоты движения поездов по линии до 10 пар в час, наблюдается резкое увеличение количества воздуха, проходящего через промежуточные станции от поршневого эффекта, в сравнении с базовым вариантом (рис. 4, б). В то время, как на атмосферных и тупиковых станциях количество воздуха осталось практически неизменным, на промежуточных станциях количество воздуха увеличилось на 35-67%.

Максимальный «пик» на станциях 5 и 6 образовался в результате одновременного движения двух поездов на одном перегоне в противоположных направлениях. Шиберные уста-

$ ~ $ 7 й 9

станции

Рис. 4. Количество воздуха, перемещаемое через станции одной парой поездов, при их интенсивности движения на линии 1, 10 и 20 пар/час: I - в базовом варианте; II - с использованием шибера в перегонных тоннелях

новки, перекрывающие сечения тоннелей, разорвали циркуляционные контуры, возникающие на полуперегонах, и большая часть воздуха была направлена через станции.

При использовании шиберных установок и увеличении интенсивности движения поездов до 20 пар в час (рис. 4, в), происходит резкое увеличение количества воздуха, проходящего через платформенные залы всех станций на 70-80%.

Столь высокая эффективность объясняется тем, что при частоте движения 20 пар в час, на каждом перегоне исследуемой линии одновременно находится два поезда, движущихся в противоположных направлениях. Работающие шиберные установки, размыкают возникающие циркуляционные кольца, тем самым увеличивая количество воздуха, поступающего на станции.

Еще одним вариантом для увеличения количества свежего воздуха, подаваемого в тоннели, является способ регулирования воз-духораспределения с помощью добавления обводных каналов в перегонные венткамеры (рис. 5), по которым воздух движется в обход вентилятора [8].

Как отмечалось выше, при движении по перегону поезд перемещает большие объемы воздуха [1]. Приближаясь к перегонной венткамере, поезд вытесняет тоннельный воздух через нее на поверхность, при условии, что открыты затворы ГО и шиберные аппараты вентиляторов. Уходя от перегонной венткаме-ры, поезд затягивает в тоннель свежий атмосферный воздух. Но большое аэродинамическое сопротивление на

жыюэчйные затъсдо жвдгсаийнкс : т

Рис. 5. Вентиляционная камера с обводным каналом и регулируемым клапаном (затвором-регулятором); стрелками показано направление движения воздуха

пути воздуха от вентиляционного киоска до путевых тоннелей, включающее [8]: сопротивление самого венткиоска, сопротивление решеток, резких сужений и расширений вентиляционного тракта и его протяженности, сопротивление шероховатости поверхностей, сопротивление венткамеры, сопротивление шумоглушителей с обоих сторон от перегонной венткамеры, сопротивление затворов ГО, позволяет перемещаться лишь небольшому его количеству.

Для оценки эффективности перегонных венткамер с обводными каналами и регулируемым клапаном (рис. 5) были проведены численные эксперименты при прохождении одного поезда от станции № 1 до станции № 10 и в обратном направлении. Полученные результаты сравнивались с базовым вариантом. В качестве базового было принято воздухораспре-деление от прохода поездов по линии при весенне-осеннем режиме работы тоннельной вентиляции, когда все вентиляторы на линии выключены, а их шиберные аппараты открыты.

Результаты моделирования в зависимости от расположения обводных каналов и интенсивности движения поездов представлены на рис. 6. На основании результатов проведенных

исследований [4, 5] можно сделать вывод, что применение в вентиляционных камерах обводных каналов, не ведет к существенному увеличению расходов воздуха через платформенные залы станций от поршневого действия поездов. Это объясняется тем, что аэродинамическое сопротивление тоннеля, в котором движутся поезда, в сравнении с «вентиляционным трактом» через обводной канал остается существенно меньше. В результате, основная воздушная масса устремляется в область наименьшего сопротивления, то есть в путевые тоннели.

Тем не менее, обводные каналы, установленные в перегонных вентка-мерах, находят свое применение при комбинированных способах регулирования воздухораспределения от поршневого действия поездов.

Большинство перегонных вентка-мер оснащены жалюзийными затворами, отсекающими поступления воздуха в путевые тоннели, для регулирования воздухораспределения в аварийном режиме или в режиме ГО. Подобные жалюзийные затворы можно использовать для регулирования воздухора-спределения в штатных режимах, тем самым размыкая главное циркуляционное кольцо в вентиляционной сбойке перегонной венткамеры.

Рис. 6. Количество воздуха, перемещаемое через станции одной парой поездов, при их интенсивности движения на линии 1, 10 и 20 пар/час: I - в базовом варианте; II - при установке обводных каналов в перегонных венткамерах; III - при установке обводных каналов в станционных венткамерах; IV - при установке обводных каналов в перегонных и станционных венткамерах

Если не применять совместно с указанным других способов регулирования воздухораспределения, то подобное размыкание главного

циркуляционного кольца в середине перегона сомкнет его между пристанционными вентсбойками, что не увеличит расход воздуха через станции

или перегонные венткаме-ры (рис. 7). Чтобы обеспечить эффективный воздухообмен путевых тоннелей с земной поверхностью, за счет поршневого действия поездов, необходимо, совместно с использованием жалюзийных затворов, установить в перегонные венткамеры обводные каналы (рис. 5).

Чтобы оценить влияние предлагаемых способов регулирования воздухораспре-деления, был рассмотрен базовый вариант. Анализ полученных данных показал, что если не осуществляется регулирование воз-духораспределения, то расход воздуха от поршневого эффекта через перегонную венткамеру при выключенных вентиляторах, в среднем составляет 4,9 м3/с.

На рис. 7 видно, что когда жалю-зийные затворы отсекли аэродинамическую связь перегонной венткамеры с верхним тоннелем, в котором нет поезда, главное циркуляционное кольцо сомкнулось между пристанционными вентсбойками. Приближающийся к перегонной венткамере поезд, по нижнему тоннелю, жалюзийные затворы с которым открыты, вытесняет часть воздуха через обводной канал на поверхность, а другая часть продолжает циркуляцию. Когда поезд проходит мимо перегонной венткамеры и начинает удалятся от нее, то вслед за собой затягивает в тоннель свежий атмосферный воздух через обводной канал. Анализ результатов показал, что за счет увеличения протяженности главного циркуляционного кольца при таком способе регулирования, расход воздуха через перегонную венткамеру увеличился в 3,5-6,1 раза в зависи-

рис. 7. Схема расположения поезда на перегоне. Пунктиром отмечено главное циркуляционное кольцо

рис. 8. Схема расположения поезда на перегоне. Пунктиром отмечено главное циркуляционное кольцо

мости от топологии, что в среднем на 16,9 м3/с больше в сравнении с базовым вариантом.

Известно, что при штатном режиме работы тоннельной вентиляции в метрополитенах мелкого заложения вентиляторы перегонных венткамер включают на приток только в самые жаркие дни, когда температура атмосферного воздуха превышает 25 °С. Попеременное закрытие жалюзий-ными затворами одного из тоннелей и открытие аэродинамической связи с другим, на время движения поезда по перегону, будет эффективно способствовать воздухообмену путевых тоннелей с земной поверхностью от поршневого действия поездов, без включения тоннельных вентиляторов.

Подобную схему регулирования воздухораспределения можно использовать для проветривания станций, если дополнительно управлять

рис. 9. Схема расположения поезда на перегоне

аэродинамическим сопротивлением пристанционных сбоек. Это позволит замкнуть циркуляционное кольцо между примыкающими к рассматриваемому перегону станциями.

Совместное использование жа-люзийных затворов вентиляционных сбоек перегонных венткамер, установленных в них обводных каналов и изменения аэродинамических сопротивлений пристанционных циркуляционных сбоек (рис. 8), позволит увеличить в 3,9-7 раз расходы воздуха через перегонную венткамеру, по сравнению с базовым вариантом.

Как показали исследования, использование жалюзийных затворов и обводных каналов не влияет на изменение расхода воздуха через платформенные залы станций. Их действие перекрывает регулирование аэродинамического сопротивления в пристанционных вентсбойках.

Так же исследования показали, что если в данной комбинации способов регулирования воздухораспределения не использовать ободных каналов в перегонных венткамерах, то расходы воздуха через нее будут в среднем только на 10% больше, чем в базовом варианте.

Как отмечалось выше, применение шиберных установок показало свою эффективность только при высокой интенсивности движения поездов по линии. Используя данный способ регулирования воздухораспределения, совместно с жалюзийными затвора-

ми, можно полностью размыкать циркуляционные кольца на перегоне. В результате, практически весь воздух, выталкиваемый или затягиваемых поездом, будет проходить через перегонную венткамеру (рис. 9). Установив в перегонной венткамере обводной канал, количество воздуха, проходящего через нее увеличится в разы.

Как показали проведенные исследования, при совместном использовании жалюзийных затворов вентиляционных сбоек перегонных венткамер, установленных в них обводных каналов и шиберных установок в путевых тоннелях, расход воздуха через перегонную венткамеру увеличивается в 6,5-16,6 раз по сравнению с базовым вариантом.

Выводы:

1. Регулирование воздухораспре-деления жалюзийными затворами в перегонных вентсбойках совместно с установкой обводных каналов позволит повысить приток свежего атмосферного воздуха через перегонную венткамеру в 3,5-6,1 раза.

2. Совместное использование жа-люзийных затворов в вентиляционных сбойках перегонных венткамер, установленных в них обводных каналов и изменение аэродинамических сопротивлений пристанционных циркуляционных сбоек, повысить приток свежего атмосферного воздуха через перегонную венткамеру в 3,9-7 раз.

3. При использовании шиберных установок в путевых тоннелях совместно с жалюзийными затворами в перегонных вентсбойках и установленными обводными каналами приток свежего атмосферного воздуха через перегонную венткамеру увеличивается в 6,5-16,6 раз.

список литературы

1. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. - М.: Недра, 1975. -237 с.

2. Дьяков В.В., Филиппов В.И., Батани-на А.А. Формирование воздушного напора за счет сил давления, образуемых поездами при движении в тоннелях метрополитена // НТЖ «Пожаробезопасность». - 1996. № 2. -С. 12-15.

3. Павлов С.А. Элементы вентиляционных систем транспортных тоннелей и метрополитенов зарубежных стран / Сборник трудов молодых ученых. Т. 1. - Новосибирск: Изд. ИГД СО РАН, 2008. - С. 159-164.

4. Красюк А.М., Лугин И.В., Павлов С.А. Об эффекте возникновения циркуляционных колец и их влиянии на воздухораспределе-ние в метрополитене мелкого заложения // Физико-технические проблемы разработ-

коротко об авторе_

ки полезных ископаемых. - 2010. - № 4. -С. 75-82.

5. Павлов С.А. Исследование воздухора-спределения от поршневого действия поездов / Сборник трудов молодых ученых. Т. 2. Изд. ИГД СО РАН. - Новосибирск. - 2010. -С. 81-86.

6. Ярхо А., Вставский Л., Крук Ю., Мирошниченко В. Пути уменьшения эффекта «дутья» // Метро. - 1993. - № 1. - С. 45-48.

7. А.с. № 1588874 МКИ F1/00 Способ тоннельной вентиляции / Красюк А.М., Сарычев С.П., Петров Н.Н. и др. (СССР) -№ 44484648; Заявл. 01.08.88; Опубл. 1990, Бюл. № 32.

8. Красюк А.М. Тоннельная вентиляция метрополитенов. - Новосибирск: Наука, 2006. - 164 с. ЕШ

Павлов Станислав Александрович - кандидат технических наук, младший научный сотрудник, e-mail: pavlov_s_a@inbox.ru, Институт горного дела Сибирского отделения РАН.

UDC 624.191.94

about the methods of regulation of air distribution, caused by piston action of trains in the system of tunnel ventilation of the underground

Pavlov S.A., Candidate of Engineering Sciences, Junior Researcher, e-mail: pavlov_s_a@inbox.ru, Institute of Mining of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences.

The results of mathematical simulation and natural experiment on research of air distribution from trains piston action on the underground railway are considered in this article. Comparison of regulation methods of air flows through the stations and ventilation chambers, initiated by the piston effect of trains was made.

Key words: underground, air distribution, piston effect, circulating streams, circulating connections, a bypass channel, schieber, blinds shutter.

references

1. Codikov V.Ja. Ventiljacija i teplosnabzhenie metropolitenov (Ventilation and heating of subways), Moscow, Nedra, 1975, 237 p.

2. D'jakov V.V., Filippov V.I., Batanina A.A. NTZh «Pozharobezopasnost'». 1996, no 2, pp. 12-15.

3. Pavlov S.A. Sbornik trudov molodyh uchenyh (Collected papers of young scientists), vol. 1, Novosibirsk, Izd. IGD SO RAN, 2008, pp. 159-164.

4. Krasjuk A.M., Lugin I.V., Pavlov S.A. Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh, 2010, no 4, pp. 75-82.

5. Pavlov S.A. Sbornik trudov molodyh uchenyh (Collected papers of young scientists), vol. 2, Novosibirsk, Izd. IGD SO RAN, 2010, pp. 81-86.

6. Jarho A., Vstavskij L., Kruk Ju., Miroshnichenko V. Metro, 1993, no 1, pp. 45-48.

7. Krasjuk A.M., Sarychev S.P., Petrov N.N. i dr. Patent № 1588874 MKM F1/00 Sposob tonnel'noj ventiljacii (Tunnel ventilation method) (USSR) № 44484648, 01.08.88.

8. Krasjuk A.M. Tonnel'naja ventiljacija metropolitenov (Tunnel ventilation in subways), Novosibirsk, Nauka, 2006, 164 p.