Аэродинамические исследования и разработка шахтного осевого вентилятора с перфорированными лопатками рабочего колеса и противосрывным устройством

В материалах ХХУ1 съезда КПСС, касающихся основных направлений экономического и социального развития СССР на 19 811 985 годы и на период до 1990 года, в разделе «Развитие промышленности», ставится задача к 1985 году добыть до 770−800 млн. тонн угля. Для решения поставленной задачи наряду с другими мероприятиями предлагается увеличить производственные мощности угольного машиностроения с целью полного удовлетворения потребности народного хозяйства в надежном и высокопроизводительном горношахтном оборудовании с одновременным улучшением условий труда и техники безопасности.

Важнейшим направлением технического прогресса в горнорудной промышленности является дальнейшее повышение надежности, срока службы и экономической эффективности шахтных вентиляторов главного проветривания. Проблема существенного улучшения аэродинамических характеристик осевых вентиляторов в настоящее время становится актуальной в связи с тем, что повышается глубина разработки полезных ископаемых, увеличивается суточная добыча из забоев и др. Кроме того, на рудниках и шахтах нередко применяется последовательное и параллельное включение вентиляторов.

Вентиляторы осевые и центробежные широко применяются во многих областях народного хозяйства, нередко являются необходимой частью технологического процесса. Укажем, что до 10 $ вырабатываемой в СССР электроэнергии затрачивается на их привод /I/.

Ввиду особенностей, которыми характеризуется работа горнорудных предприятий, рабочие режимы установленных на шахтах и рудниках вентиляторов являются переменными. В связи с этим редко удается обеспечить работу вентиляторов в области максимума кривой к.п.д. и, следовательно, их высокие аэродинамические показатели используются далеко не полностью.

В настоящее время аэродинамические показатели новейших вентиляторов близки к практически достижимому максимуму. Кроме того, в связи с разработкой систем автоматического управления проветриванием шахт и рудников, особую важность приобретают вопросы устойчивости работы вентиляторов главного проветривания.

В XI пятилетке предусмотрен дальнейший прогресс по усовершенствованию шахтных вентиляторов. Это очень важно для повышения безопасности ведения добычных работ и снижения энергетических затрат на проветривание шахт.

Действительно, для различных типоразмеров вентиляторов, потребляющих в год 5−40 млн. квт. час на одну установку /2/, главным показателем эффективности является средневзвешенный к.п.д. Он определяется по ГОСТ 11 004–75 и характеризует экономичность работы вентиляторов в наиболее вероятной области их эксплуатации. Для вентиляторов, запущенных в серию в годы X пятилетки, средневзвешенный к.п.д. на 6−8 $ выше, чем у вентиляторов, выпущенных в 1960;70 гг.

Известно, что в некоторых случаях неправильный выбор вентиляторов становится причиной их эксплуатации на предельных или малоэффективных режимах.

В случае же неожиданного (непроизвольного) изменения условий проветривания создаются предпосылки для перехода рабочего режима в неустойчивую область и, следовательно, работы вентилятора в помпажном, либо срывном режиме. В подобных случаях должна срабатывать система регулирования проветриванием шахт. Кроме того, душ исключения перехода режимной точки в область неустойчивых режимов, становится необходимой применение цротивосрывных устройств в осевых вентиляторах /2/.

Вопросами уменьшения или полного устранения неустойчивого участка на кривых давлений осевых турбомашин и, соответственно, расширения их рабочей зоны в течении ряда лет занимались и занимаются такие ведущие институты в области аэродинамики турбомашин, как ЦАГИ, ЦИАМ, ВНИИГМ им. М. М. Федорова, ДОНГИ-ПРОУГЛЕШШ, ИГМ АН Грузинской ССР, Новочеркасский политехнический институт им. С. Орджоникидзе и др. Большие исследования проведены в этом направлении и за рубежом — в США, ФРГ, Франции, Японии, Польше, ЧССР и др.

В связи с вышеизложенным, обеспечение устойчивости работы осевых вентиляторов является актуальной задачей современного вентиляторостроения.

Цель диссертационной работы. Исследование и разработка аэродинамической схемы шахтного осевого вентилятора с перфорированными лопатками РК и противосрывными кольцами с целью повышения эффективности их работы.

Идея работы. Расширение рабочей зоны осевых вентиляторов, оснащенных перфорированными лопатками рабочего колеса (РК) и противосрывными кольцами, за счет выбора оптимальных параметров перфорации и колец.

Методы исследований. Использовались метод электрогидродана-мической аналогии (ЭГДА) для установления характера обтекания одиночных и решеток профилей, а также экспериментальные аэродинамические исследования противосрывных устройств на моделях и промышленных установках осевых вентиляторов.

Основные положения, защищаемые в работе включают: разработку противосрывных средств, обеспечивающих расширение рабочей зоны осевых вентиляторов всех типов, а в ряде случаев — полное устранение впадины и обратного склона на их напорных характеристикахопределение методом ЭГДА и лабораторных аэродинамических экспериментов оптимальных параметров противосрывного устройстваамплитудно-частотный анализ характера течения воздушного потока в межлопаточном канале осевых вентиляторов различных типов при использовании противосрывного устройстварекомендации по практическому применению противосрывных устройств в шахтных осевых вентиляторах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— показано, что применение метода ЭГДА. является эффективным средством для изучения характера обтекания перфорированных профилей лопаток РК бесциркуляционным потоком при закритичес-ких углах атаки;

— выявлены особенности вращающегося срыва вентилятора встречного вращения (ВВВ), заключающиеся в качественном отличии физических процессов, происходящих в ВВВ и обычных осевых вентиляторах при обтекании лопаток РК на закритических углаха атаки;

— установлены закономерности влияния геометрических параметров перфорации лопаток РК и цилиндрических колец на характер их обтекания воздушным потоком при закритических углах атаки;

— получены напорные характеристики ВВВ без обратного склона и впадины и расширены рабочие зоны однои двухступенчатых осевых вентиляторов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, обоснована применением для исследований апробированных положений теории ЭГДА, проведением специальных аэродинамических испытаний осевых вентиляторов на стендах и в промышленных условиях с использованием современной измерительно-регистрирующей аппаратуры, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность. Разработаны осевые вентиляторы с противосрывным устройством (а.с, GCCP & 568 748, а.с. СССР В 802 623). Определены рациональные параметры перфорации лопаток PK и цилиндрических колец. Полученные напорные характеристики ВВВ исключают все ограничения по устойчивости, вводимые ГОСТ 11 004–75, вследствие чего верхняя граница их рабочей зоны будет ограничиваться только величиной минимально допустимого к.п.д.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены на вентиляторной установке ВОД-II шахты № I СУ Жинвали ГЭС с экономическим эффектом 28 794 рублей.

Результаты диссертационной работы будут использованы ВНИИГМ им. М. М. Федорова при выполнении поисковой темы 740 206 000 по созданию новых шахтных вентиляторных установок главного проветривания в части разработки способов и средств повышения устойчивой работы шахтных осевых вентиляторов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы были доложены и одобрены на научном семинаре ХХУП научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Новочеркасского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института им. Серго Орджоникидзе (г. Новочеркасск, 1979 г.), П Республиканской научно-технической конференции молодежи «Проблемы наук о земле» (г.Тбилиси, 1980 г.), Ш Республиканской научно-технической конференции молодежи «Совершенствование технологии и механизации добычи полезных ископаемых» (г. Тбилиси, 1982 г.), объединенном семинаре лабораторий рудничной гидроаэромеханики и динамики бурильных машин и установок, горной теплофизики, канатных дорог, горных машин, гидротранспорта и гидромеханизации, рудничной газодинамики ИГМ АН ГССР (г.Тбилиси, 1984 г.), объединенном научно-техническом семинаре секции «Турбомашины» ВНИИГМ им. М. М. Федорова (г.Донецк, 1984 г.), техническом совещании отдела шахтных вентиляторов института ДОНГИПРОУГЛЕМАШ (г. Донецк, 1984 г.).

Публикация. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, получены 2 авторских свидетельства на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 179 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы и 79 рисунков, список использованной литературы из 80 наименований и приложения на 6 страницах.

Выводы по главе.

1. Как и в случае модели. двухступенчатого вентилятора, применение противосрывного устройства на промышленной вентиляторной установке ВОД-П позволяет достигнуть устранения разрыва на кривых давлений и неоднозначности его работы.

2. Глубина впадины на кривых давления: в результате применения противосрывных устройств уменьшается более чем на 30%.

3. Противосрывное устройство уменьшает частоту вращающегося срыва в среднем на 10%, а амплитуды в выходном сечении вентилятора — в среднем на 50%.

4. Испытание противосрывного устройства на промышленной вентиляторной установке позволяет утверждать, что полученные на моделях вентиляторов результаты можно распространить и на аналогичные типы вентиляторов больших размеров.

5. Экономический эффект от внедрения разработанного противосрывного устройства составляет 29 тыс. руб. на одну установку.

— 168 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Анализ теоретических и экспериментальных исследований явления отрыва потока от неподвижных или вращающихся профилей показывает, что перфорация лопаток РК при соответствующем расположении отверстий, оказывает существенное воздействие на характер течения воздуха в межлопаточном пространстве осевого вентилятора путем смещения точки отрыва потока к задней кромке профиля.

2. Методом ЭГДА установлено, а аэродинамическими экспериментами на моделях однои двухступенчатых осевых вентиляторов и EBB подтверждено, что значительное улучшение формы напорных характеристик моделей вентиляторов достигается при перфорировании профиля лопатки РК в двух вертикальных сечениях одновременно. В этом случае для первых двух типов моделей исключается возможность возникновения статической неустойчивости в результате устранения разрыва их напорных характеристик.

3. Определены методом ЭГДА рациональные параметры перфорации лопаток: d = d $ =0,03 — 0,04, места расположения отверстий от передней кромки (0,1 — 0,2)-|> и (0,55 — 0,6)-^, угол наклона отверстий относительно хорды профиля составляет 15° - 20°.

4. Показано, что наличие перфорированных лопаток РК во всех трех аэродинамических схемах позволяет уменьшить глубину впадины на кривой давления и крутизну ее обратного склона. При наличии перфорированных лопаток РК для тех же вентиляторов в режимах левее максимума кривой давления к.п.д. повышается на 2−3 $.

5. На основе амплитудно-частотного анализа установлено, что в модели BEB при переходе режимной точки в неустойчивую область не наблюдается появление вращаицегося срыва и имеет место только срыв потока с поверхностей лопаток PK. Перфорирование лопаток значительно уменьшает флуктуации статического давления во входном и выходном сечениях по сравнению со схемой со сплошными лопатками, не изменяя при этом частоту срыва.

6. Предложено применение двух концентрических колец с относительными диаметрами Shoji= 0,95 и Дол =0,85 для частичной локализации вращающегося срыва. Установлено, что их использование при работе всех трех типов вентиляторов в устойчивом режиме практически не изменяет характер и величину колебаний статического давления, за исключением нагнетательной стороны модели двухступенчатого вентилятора, где амплитуда низкочастотной составляющей давления уменьшается на 35 $.

7. Применение двух цилиндрических колец улучшает форму кривой давления в ее нерабочей зоне для всех исследуемых аэродинамических схем.

Амплитуда вращающегося срыва на стороне всасывания и нагнетания в однои двухступенчатых вентиляторах уменьшается на 60 и 50 $, 50 и 40 $, соответственно. На их характеристиках исключаются зоны разрыва, сглаживаются гистерезисные явления. Уменьшение максимального к.п.д. во всех случаях не превышает 1,5−2 $. Наилучший результат установка колец дает для BEB.

8. Разработан осевой вентилятор, оснащенный противосрыв-ным устройством, включающим перфорированные лопатки и два концентрических кольца (а.с. № 568 748, СССР). На основе амплитудно-частотного анализа установлено, что при применении разработанного противосрывного устройства в однои двухступенчатых вентиляторах наряду с существенным уменьшением амплитуды колебания статического давления в зоне срыва снижается и амплитуда самого вращающегося срыва на 40 и 45 $ во входном сечении и 44 и 30 $ - в выходном. Уменьшение частоты составляет 40 и 15 $ соответственно. Величина максимального к.п.д. в обеих случаях снижается на 1,5−2 $.

9. Установлено, что характеристики модели ВВВ при применении разработанного противосрывного устройства не имеют обратного склона. Это обеспечивает снятие всех ограничении по условиям устойчивости. Значение максимального к.п.д. уменьшается всего на 1,2−1,5 $. Средневзвешенные к. п^д. практически одинаковы.

Шумовые характеристики ВВВ при установлении противосрывного устройства не ухудшаются. При реверсивной работе ВВВ удовлетворяются требования ПБ по производительности.

10. Показано, что применение противосрывного устройства на промышленной вентиляторной установке ВОД-П полностью устраняет разрыв и неоднозначность на кривых давления, уменьшает глубину впадины более чем на 30 $, частоту вращающегося срыва на 12 $, а его амплитуду в выходном сечении при 0к = 40°, 35° - в среднем на 50 $. Экономический эффект полученный от внедрения разработанного противосрывного устройства составил 28 794 руб.

11. Испытание противосрывного устройства на промышленной вентиляторной установке позволяет утверждать, что полученные на моделях вентиляторов результаты можно распространить и на аналогичные типы вентиляторов больших размеров.

12. Основные положения и результаты настоящей работы используются и могут быть использованы в дальнейшем для расширения рабочей зоны шахтных осевых вентиляторов, в особенности ВВВ.