Marmaray – projekt, który zmienił standardy wentylacji tunelowej

Nowoczesne tunele kolejowe, w tym metra, różnią się znacznie od wszystkich innych tuneli komunikacyjnych. Pojazdy szynowe osiągają coraz większe prędkości i są najdłuższymi przemieszczającymi się w tunelach.

Ich przejazd pomiędzy stacjami powoduje powstawanie efektu tłoka (impulsu), który wywołuje wzrost ciśnienia na czole składu i jego gwałtowny spadek za składem. Jest to zmiana ciśnienia rzędu 300–400 Pa. Ponieważ nowoczesne stacje w trosce o komfort pasażerów chronione są przed wpływem warunków atmosferycznych za pomocą przeszkleń i automatycznych drzwi, różnica ta w zależności od długości tunelu pomiędzy stacjami może rosnąć o kolejne 200 do 400 Pa.

Wentylatory oddymiające w tunelu tego typu muszą skompensować zmiany ciśnienia sięgające prawie 1000 Pa, czyli blisko dwukrotnie wyższe niż wynikające z obliczeń dla samego oddymiania tunelu.

Kolejnym problemem jest hałas urządzeń, które pracują w przestrzeniach pozbawionych elementów tłumiących (wykończenie z wykorzystaniem betonu, stali i kamienia naturalnego, bez roślinności, przeszkód, np. przegród lub pawilonów, itp.).

W takich warunkach hałas pochodzący od wentylatorów często wręcz ulega wzmocnieniu. To z kolei powoduje wzrost zapotrzebowania na ciśnienie robocze wentylatora niezbędne do pokonania oporów tłumików i przepustnic. Rośnie zatem konieczność zwiększenia sprawności układu, żeby efekt redukcji hałasu na tłumikach nie został skonsumowany przez zwiększenie ciśnienia akustycznego spowodowane wzrostem sprężu.

Dodając do tego wymagane wysokie wydajności, otrzymujemy parametry, których nie można osiągnąć przy użyciu standardowego wentylatora osiowego z pojedynczym wirnikiem. Wymagania dotyczące wentylatorów oddymiających w tunelu Marmaray wymagały zastosowania całkowicie nowych konstrukcji.

Najgorszy scenariusz przewidywał pożar pociągu, którego długość może przekraczać kilometr, w środku tunelu. Z tego względu zespół wentylatorowy, składający się z wentylatora, tłumików, ramy i elementów tłumiących drgania, musiał mieć następujące parametry:

• Ciśnienie: 3400 Pa
• Impulsowa zmiana ciśnienia: ± 500 Pa
• Wydajność: 144 m3/s
• Moc wentylatora: 710 kW
• Sprawność minimalna: 70%
• Ciśnienie akustyczne (od strony tunelu): 85 dBA w odl. 10 m od wentylatora
• Ciśnienie akustyczne (od strony atmosferycznej): 85 dBA w odl. 10 m od wentylatora
• Certyfikacja wg EN 12101-3 250°C/1 h
• Rewersyjność: 100%
• Gęstość powietrza: 1,38 kg/m3

Wymagania dotyczące wydajności możliwe są do osiągnięcia w przypadku osiowego wirnika o średnicy przekraczającej 2 m. Właściwe ciśnienie mogą zapewnić wirniki o średnicy co najmniej 2240 mm. Pojedynczy wirnik o wielkości 2500 mm jest w stanie osiągnąć wymagane parametry pracy przy odpowiedniej sprawności (rys. 1).

W przypadku takiej konstrukcji występują jednak dwa podstawowe problemy. Pierwszym jest wytrzymałość materiałowa łopatek. Łopatki aluminiowe mogą osiągać maksymalną prędkość na szczytowej krawędzi 175 m/s. Dla średnicy wirnika 2500 mm przy prędkości obrotowej 1500 rpm prędkość szczytu łopatki jest większa od dopuszczalnej i wynosi 196 m/s.

Ze względu na ryzyko zbyt wysokich naprężeń i w konsekwencji pęknięcia łopatki należałoby użyć innego materiału. Sprawdzonym w przemyśle lotniczym rozwiązaniem jest tytan, jednak poza zwiększeniem kosztów występuje tu drugi problem – głośność urządzenia, przekraczająca o 10 dB dopuszczalne wartości.

Można pozostać przy technologii aluminiowej, zmniejszając prędkość obrotową i stosując dwa przeciwbieżne układy silnik – wirnik. Zastosowanie dwóch wirników pozwala na osiągnięcie żądanego sprężu już przy prędkości oborowej ok. 900 rpm. Przeciwbieżne wirniki dzięki wzajemnemu znoszeniu ruchu wirowego powietrza na wyjściu wentylatora pozwalają zwiększyć sprawność układu do 78% (rys. 2).

Jednak dwukrotnie większa liczba źródeł hałasu powoduje, że mimo mniejszej prędkości obrotowej układ taki przekracza o 15 dB przyjętą granicę hałasu w tunelu. 

Trzecim rozważanym rozwiązaniem była konstrukcja znana już od lat 50. zeszłego stulecia – wentylator z dwoma wirnikami zamontowanymi na przedłużonym wale silnika po obu stronach jego obudowy. 

Tego typu rozwiązanie przy zwiększeniu średnicy wirników do 2800 mm pozwala na uzyskanie żądanego punktu pracy ze sprawnością 75% i głośnością zestawu jedynie o 8 dB wyższą niż zakładana (rys. 3). Pozwoliło to na zastosowanie relatywnie krótkich tłumików, a cały zestaw był najkrótszy ze wszystkich trzech rozpatrywanych wariantów.

Zmiana średnicy z 2,5 na 2,8 m umożliwiła zapewnienie pełnej rewersyjności wentylatora oraz zmniejszenie prędkości obrotowej wirników do 890 obr/min. Dzięki temu kompletny zestaw wentylatora z dwoma dwudziestołopatkowymi wirnikami oraz obustronnymi tłumikami generował ciśnienie akustyczne na poziomie 81 dB od strony tunelu i 82,3 dB od strony atmosferycznej.

Ponieważ długość wentylatorów wraz z tłumikami i konstrukcją nośną jest jednym z kluczowych elementów wpływających na koszt budowy tunelu (wentylatory zostały zaplanowane w specjalnych pomieszczeniach), właśnie trzecia koncepcja została wybrana do realizacji.

Problem wielkości wentylatorowni, utrudnionego dostępu do niej i do samych urządzeń oraz bardzo rygorystycznych warunków pracy wymusił zastosowanie modułowej konstrukcji obudowy wentylatora, która pozwalałaby na demontaż jej fragmentów w celu uzyskania dostępu do wnętrza urządzenia w konkretnym miejscu bez konieczności demontażu całego zestawu. 

Wprawdzie Turcja nie należy do Unii Europejskiej i na jej terenie nie obowiązują dyrektywy unijne, jednak ze względu na europejskie aspiracje Stambułu w projekcie Marmaray założono, że wentylatory będą certyfikowane zgodnie z normą EN 12101-3. Wykorzystano zatem dwuwirnikowe wentylatory tunelowe z certyfikatem w klasie F300 (300°C przez 2 godz.).

W zastosowanych wentylatorach przesunięto również granicę dostępnego sprężu roboczego z dotychczasowych 2000 Pa do prawie 4000 Pa, co otwiera zupełnie nowe możliwości dla wentylacji pożarowej i instalacji oddymiających. Jednocześnie rozwiązano problem dostępu ekip serwisowych do wnętrza wentylatora poprzez specjalnie zaprojektowaną modułową obudowę.

Łączny koszt zespołów wentylacyjnych dla tunelu Marmaray wyniósł 7 mln euro, co plasuje ten projekt wśród największych tego typu na świecie i sprawia, że jest to największy projekt wentylacji tuneli realizowany w Europie.

Literatura

Sheard A.G., Daneshkhah K., The Conceptual Design of High Pressure Reversible Axial Tunel Ventilation Fans, w: „Advances in Acoustic and Vibration” Vol. 2012, Hindawi Publishing Corporation.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!