СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ВЛИЯНИЯ ПОРШНЕВОГО ЭФФЕКТА В СИСТЕМЕ ВЕНТИЛЯЦИИ МЕТРОПОЛИТЕНА И УСТРОЙСТВО ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF COMPENSATION THE INFLUENCE OF THE PISTON EFFECT IN THE VENTILATION SYSTEM OF SUBWAY AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

1. Область техники
Изобретение относится к способу и устройству для усовершенствования воздухораспределения в системе вентиляции транспортных тоннелей и станций, преимущественно метрополитенов. для обеспечения параметров микроклимата на станции, в вестибюле.
2. Предшествующий уровень техники
Известен СПОСОБ ТОННЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ [1], включающий подачу свежего и отвод отработанного воздуха через вентиляционные тракты, соединяющие тоннель с атмосферой, при этом меняется аэродинамическое сопротивление поезда в тоннеле путем перекрытия сечения между поездом и стенкой тоннеля управляемыми заслонками, установленными на поезде.
Библиографические данные [1]: СПОСОБ ТОННЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ [Текст]: пат. 2312222 Рос. Федерация: E21F 1/00 (2006.01) F24F 7/00 (2006.01)/ Зедгенизов Дмитрий Владиленович (RU), Красюк Александр Михайлович (RU), Лугин Иван Владимирович (RU); заявитель и патентообладатель: Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук (RU); №2006123179; заявл. 29.06.2006; опубл. 10.12.2007. Бюл. №34.
Устройство на поезде навесного оборудования в виде управляемых заслонок в условиях работы метрополитена может приводить к аварийным ситуациям при отказе привода заслонок, за счет увеличения вибрации и стесненного пространства перегонного тоннеля. Также возникает сложность в реализации процесса автоматического открывания и закрывания управляемых заслонок по мере движения поезда по тоннелю.
Известен СПОСОБ ТОННЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ [2], включающий подачу свежего и отвод отработанного воздуха и перекрывание проходного сечения тоннеля перед или после входа поезда во входной портал тоннеля. При этом вентиляционную шахту соединяют с тоннелем и до или после входа поезда во входной портал, перекрывают проходное сечение тоннеля на участке между выходным порталом и вентиляционной шахтой. Отработанный воздух отводят по вентиляционной шахте, а при подходе поезда к ней открывают проходное сечение тоннеля на этом участке и перекрывают его на участке между вентиляционной шахтой и входным порталом. По вентиляционной шахте подают свежий воздух, после чего вновь открывают проходное сечение тоннеля на этом участке.
В части устройства в известном решении [2] всасывание и удаление воздуха осуществляют через соответствующие вентиляционные шахты. Наличие в [2] вентиляционных шахт для всасывания и удаления воздуха позволяет принять решение [2] в качестве аналога технического решения в части устройства.
5
Библиографические данные [2]: СПОСОБ ТОННЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ [Текст]: а.с. 1588874 СССР: МПК E21F 1/00 / Антонов Владимир Михайлович, Красюк Александр Михайлович, Петров Нестер Никитович, Сарычев Сергей Петрович (СССР); заявитель и патентообладатель: ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА СО АН СССР; №4484648; заявл. 01.08.1988; опубл. 30.08.1990, Бюл. №32.
Наличие большого количества подвижных частей заслонок (шиберов) снижает надежность данного способа при интенсивном движении поездов. Также возникает сложность в реализации процесса автоматического открывания и закрывания заслонок по мере движения поезда по тоннелю.
Наиболее близким решением по технической сущности и совокупности технических признаков является СПОСОБ ТОННЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ [3], включающий перемещение воздуха движущимися поездами через циркуляционную вентиляционную сбойку, соединяющую тоннели вблизи станции метрополитена, и через станцию. Для создания требуемого расхода воздуха через станцию метрополитена меняют аэродинамическое сопротивление циркуляционной вентиляционной сбойки путем перекрытия заслонкой.
В части устройства в известном решении [3] осуществляется перемещение воздуха движущимися поездами через циркуляционную вентиляционную сбойку, соединяющую тоннели вблизи станции метрополитена, и через станцию. Наличие в [3] области, изменяющей проходное сечение тоннеля, позволяет принять решение [3] в качестве наиболее близкого аналога технического решения в части устройства.
Библиографические данные [3]: СПОСОБ ТОННЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ [Текст]: пат. 2463452 Рос. Федерация: E21F 1/00 (2006.01), E21D 9/14 (2006.01) / Красюк Александр Михайлович (RU), Лугин Иван Владимирович (RU), Павлов Станислав Александрович (RU), Чигишев Александр Николаевич (RU); заявитель и патентообладатель: Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН (RU); №2011113600; заявл. 07.04.2011; опубл. 10.10.2012, Бюл. №28.
Затруднено регулирование величины воздушного потока и воздухораспределения в тоннелях и на станции метрополитена путем изменения аэродинамического сопротивления циркуляционной вентиляционной сбойки, так как увеличение частоты движения поездов способствует перекрыванию циркуляционной вентиляционной сбойки встречными поездами, вследствие чего циркуляционная сбойка перестает работать. Это приводит к неполному использованию воздушных потоков, увеличению требуемой производительности тоннельных вентиляторов и, как следствие, увеличению энергопотребления, а также увеличению скорости потока воздуха, врывающегося на платформу, при движении поездов возле станции.
3. Раскрытие сущности изобретения
3.1. Технический результат
Одним из источников давления в вентиляционной системе метрополитена является поршневой эффект движущихся поездов. Параметры поршневого эффекта зависят от интенсивности движения, размеров и параметров тоннелей, глубины заложения тоннеля, времени года. Помимо положительного воздействия - передвижения масс воздуха, поршневой эффект создает избыточное давление воздуха перед поездом, что может приводить к резким выбросам воздуха на платформу станции.
Задачей группы технических решений является снижение влияния поршневого эффекта на вентиляционный режим, улучшение проветривания станции и обеспечение нормативных параметров микроклимата без увеличения производительности тоннельных вентиляторов или использования сложной системы заслонок.
Обобщенный технический результат заключается в снижении количества циркуляционных потоков, снижении скорости движения воздуха, поступающего из тоннеля на платформу, при приближении поезда к станции, обеспечение на станции и в вестибюле метрополитена нормативных параметров микроклимата.
x1
x2
x1
x2
Технический результат обеспечивается тем, что изменяют аэродинамическое сопротивление воздушного тракта вблизи станции за счет устройства расширительных камер расчетного размера, примыкающих к станционной платформе с двух сторон, соединяющих первый и второй пути перегонного тоннеля. Осуществляют формирование турбулентного состояния воздушного потока в выделенной области воздушного тракта на длине Lp перегонного тоннеля, что обеспечивает снижение скорости воздушного потока, толкаемого поездом, выходящим из перегонного тоннеля, с V до V, где V (м/с) - скорость турбулентного воздушного потока при принудительном движении поезда по тоннелю, V - скорость турбулентного воздушного потока после истечения воздуха в расширительную камеру.
p
т
р
т
p
p
0
0
т
т
Технический результат обеспечивается также тем, что устройство компенсации влияния поршневого эффекта в системе вентиляции метрополитена содержит две расширительные камеры, созданные в месте примыкания перегонного тоннеля к станционной платформе, с двух сторон от платформы. Размеры расширительных камер определены из условий примыкания камеры к станции и габаритов поезда и имеют высоту H=f(H) и ширину В=В, длина расширительной камеры L рассчитана исходя из зависимости L=f(V, δ, Δ), где V - скорость движения поезда, δ - зазор между стенками тоннеля и поездом, Δ - шероховатость стен тоннеля, Н - высота перегонного тоннеля, В - ширина платформенного зала.
4. Краткое описание чертежей
Способ компенсации влияния поршневого эффекта в системе вентиляции метрополитена и устройство его осуществления поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - схема перегонных тоннелей и платформенного участка метрополитена с устройством расширительной камеры с торцов платформы;
фиг. 2 - схема устройства расширительной камеры,
где 1 - перегонный тоннель;
2 - ось первого пути тоннеля;
3 - ось второго пути тоннеля;
4 - расширительная камера, образующая выделенную область воздушного тракта;
5 - платформа станции;
6 - торцевая стена платформы;
7 - направление движения поезда;
8 - ось платформы станции;
9 - граница развития турбулентного потока;
Lp - длина расширительной камеры;
Bp - ширина расширительной камеры.
5. Осуществление изобретения
0
0
x1
х2
x1
х2
В отличие от известного технического решения в способе компенсации влияния поршневого эффекта в системе вентиляции метрополитена изменяют аэродинамическое сопротивление воздушного тракта вблизи станции за счет устройства расширительных камер расчетного размера, примыкающих к станционной платформе с двух сторон, соединяющих первый и второй пути перегонного тоннеля. Осуществляют формирование турбулентного состояния воздушного потока в выделенной области воздушного тракта на длине Lp перегонного тоннеля, определяемой из соотношения Lp=f(V, δ, Δ), где V - скорость движения поезда, δ - зазор между стенками тоннеля и поездом, Δ - шероховатость стен тоннеля, что обеспечивает снижение скорости воздушного потока, толкаемого поездом, выходящим из перегонного тоннеля, с V до V, где V (м/с) - скорость турбулентного воздушного потока при принудительном движении поезда по тоннелю, V - скорость турбулентного воздушного потока после истечения воздуха в расширительную камеру.
p
т
р
т
p
p
0
0
т
т
Устройство для компенсации влияния поршневого эффекта в системе вентиляции метрополитена содержит две расширительные камеры, созданные в месте примыкания перегонного тоннеля к станционной платформе, с двух сторон от платформы. Расширительные камеры образуют свободное дополнительное пространство, изменяющее аэродинамическое сопротивление воздушного тракта вблизи станционной платформы. Размеры расширительных камер определены из условий примыкания камеры к станции и габаритов поезда и имеют высоту H=f(H) и ширину В=В, длина расширительной камеры L рассчитана исходя из зависимости L=f(V, δ, Δ), где V - скорость движения поезда, δ - зазор между стенками тоннеля и поездом, Δ - шероховатость стен тоннеля, Н - высота перегонного тоннеля, В - ширина платформенного зала.
6. НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ компенсации поршневого эффекта реализуется следующим образом. Турбулентный поток воздуха 9 образуется при принудительном движении поезда 7 по тоннелю по мере его приближении к станции и представляет собой стесненную изотермическую струю. За счет устройства расширительной камеры осуществляют формирование турбулентного состояния воздушного потока в выделенной области воздушного тракта, что приводит к изменению аэродинамического сопротивления воздушного тракта вблизи станции. Попадая в расширительную камеру 4, турбулентный поток распространяется в направлении истечения как свободная коническая струя. Поток, образованный при принудительном истечении воздуха в расширительную камеру, относительно широкий с расширяющимися волнообразными границами (Фиг. 2).
x
Максимальные скорости движения воздуха V в струях располагаются на условных поверхностях максимальных параметров (ПМП). Скорости воздуха уменьшаются к границам струи и по мере удаления от места истечения.
Пример расчета длины расширительной камеры двухпутного тоннеля для снижения скорости движения воздуха на платформе станции при подходе поезда. Максимальные параметры скорости движения воздуха на основном участке находят по формулам для компактных, веерных и конических струй [4]. Теплоснабжение и вентиляция. Курсовое и дипломное проектирование. /Под ред. проф. Б.М. Хрусталева - М.: Изд-во АСВ, 2005]:
m - скоростной коэффициент воздухораспределителя;
с
К - коэффициент стеснения;
в
К - коэффициент взаимодействия;
н
К - коэффициент неизотермичности;
0
2
F - площадь отверстия однопутного тоннеля, м;
0
V - скорость поезда при выходе из тоннеля в расширительную камеру, м/с;
p
х - расстояние по оси от отверстия истечения струи до области достижения струей требуемого параметра по скорости, м (принимается L=х).
н
Условия принимаем изотермическими, при которых температура струи не отличается от температуры воздуха в помещении (K=1).
Коэффициент стеснения рассчитываем на основании таблицы 2.20 [4].
Кс=0,3
Коэффициент взаимодействия принимаем Кв=1, так как взаимодействие с другими струями не происходит.
в
К - коэффициент взаимодействия, определяемый в зависимости от отношения  по табл. 2.21.
[4] - Теплоснабжение и вентиляция. Курсовое и дипломное проектирование. /Под ред. проф. Б.М. Хрусталева - М.: Изд-во АСВ, 2005]:
0
2
F=22,38 м;
0
V=15,3 м/с;
p
х=30 м (принимается L=х)
m=5;
Согласно СП 120.13330.2012 Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-02-2003 п. 5.17.2.1 «В пассажирских помещениях должны быть обеспечены следующие параметры микроклимата: а) в теплый период года (среднесуточная температура наружного воздуха выше 10°С) - температура воздуха от 18°C до 28°C, средняя скорость движения воздуха от 0,5 до 2,0 м/с; б) в холодный период года (среднесуточная температура наружного воздуха равна или ниже 10°C) - температура воздуха от 5°C до 16°C, средняя скорость движения воздуха от 0,5 до 2 м/с. Превышение средней скорости движения воздуха на платформах станций при подходе и отходе поездов допускается не более чем в два раза.»
Максимально допустимая скорость движения воздуха на платформах станции на основании п. 5.17.2.1 составит 4 м/с.
Максимальная скорость воздуха в конце расширительной камеры длиною 30 м согласно расчету составит 3,6 м/с, что удовлетворяет нормативному значению по скорости 3,6 м/с<4 м/с.
Таким образом, устройство расширительной камеры позволяет компенсировать поршневой эффект, снизить количество циркуляционных потоков, обеспечить нормативные параметры микроклимата в пассажирских помещениях, тем самым улучшая проветривание платформы станции.
Расширительные камеры расчетного размера сооружаются в едином комплексе со станциями метрополитена, что исключает строительство вентиляционных сбоек и значительно удешевляет проект.
р
р
p
0
0
Устройство для реализации заявляемого способа компенсации поршневого эффекта представляет собой расширительные камеры 4, образующие выделенные области воздушного тракта. Камеры располагают с двух сторон от станции на границе станционной платформы (5) и перегонных тоннелей (1). Расширительная камера (4) представляет собой отсек со свободным проходом по всей длине. Высота Н и ширина В расширительной камеры (4) зависит от габаритов перегонных тоннелей (1), габаритов платформы станции (5) и габаритов поезда, а также от условий примыкания перегонных тоннелей (1) к платформе станции (5). Длина (L=f(V, δ, Δ) определяется расчетом и зависит от скорости движения поезда (V), зазора между стенками тоннеля и поездом (δ) и шероховатостью стенок тоннеля (Δ).
x1
x2
p
p
т
р
т
x1
х2
т
т
Расширительная камера, в которой скорость турбулентного воздушного потока, толкаемого поездом из перегонного тоннеля, снижается с V=(11-15) м/с до V=(2-4) м/с при длине расширительной камеры L=(30) м, имеет размеры, определяемые из условия примыкания к станции и габаритами поезда, высоту (H=f(H), м) и ширину (В=В, м), где V (м/с) - скорость турбулентного воздушного потока при принудительном движении поезда по тоннелю; V - скорость турбулентного воздушного потока после истечения воздуха в расширительную камеру; Н - высота перегонного тоннеля; В - ширина платформенного зала.