УДК 622.44 Макаров Николай Владимирович асс., к.т.н.
advertisement
УДК 622.44 Макаров Николай Владимирович асс., к.т.н. Макаров Владимир Николаевич проф., д.т.н. Кафедра «Горной механики» Уральский государственный горный университет г. Екатеринбург ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШАХТНЫХ РАДИАЛЬНО-ВИХРЕВЫХ ПРЯМОТОЧНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ AIRING THEORETICAL BASES OF MINE RADIALLY-VORTICAL DIRECT-FLOW FANS Требования, предъявляемые к режимам проветривания газообильных угольных шахт, существенно большая их вентиляционная энергоемкость, делают актуальной проблему надежного и экономичного проветривания и, как следствие, разработку высокоэффективных вентиляторных комплексов проветривания газообильных угольных шахт. Вентиляторы местного проветривания (ВМП), входящие в состав этих комплексов, предназначенные для активного аэродинамического взаимодействия через общешахтную вентиляционную сеть с вентиляторами главного проветривания (ВГП) с целью формирования поля депрессии и расходов, обеспечивающего аэродинамическую изоляцию очистной выработки от выработанного пространства в условиях интенсификации угледобычи. Реализация способа комбинированного проветривания газообильных угольных шахт в условиях многосвязной комбинированной вентиляционной системы обуславливает принципиально новый подход к проектированию и созданию шахтных вентиляторов. Таким образом совокупность шахтных вентиляторов, работающих на комбинированную вентиляционную систему угольной шахты должна обеспечивать необходимые поля депрессий в зоне очистной выработки и искусственного газового коллектора, а также возможность их целенаправленного изменения для обеспечения реализации эффекта аэрогазодинамической изоляции атмосферы очистной выработки от аэрогазодинамически активной зоны выработанного пространства. То есть осуществлять раздельное удаление метана допустимой концентрации из разрабатываемого пласта по вентиляционной сети за счет общешахтной депрессии, создаваемой ВГП и ВМП, а также высококонцентрированной метановоздушной смеси из под-надрабатываемых пластов по газоотводящей сети за счет депрессии, создаваемой газоотсасывающими установками. При этом следует иметь в виду, что общешахтные и 59 газоотводящие вентиляционные сети аэрогазодинамически соединены между собой, а газодинамические процессы зависят от многообразия горногеологических и технологических условиях в шахтах. Таким образом, совокупность шахтных вентиляторов обеспечивающих проветривание газообильных угольных шахт представляет собой единый взаимосвязанный комплекс - вентиляторный комплекс комбинированного проветривания (ВККП), в котором ВМП в условиях высокомеханизированной добычи угля со значительной динамикой изменения геометрических и аэродинамических параметров очистной выработки, выполняет основную роль в оптимизации коэффициента распределения воздуха К р , интегрально характеризующего степень обеспечения аэродинамической изоляции очистной выработки от выработанного пространства. Коэффициент распределения воздуха К р зависит от величины возвращаемых утечек из выработанного пространства. При этом расход отводимого метана нарастающий с увеличением длины выработанного пространства, и концентрация метана на исходящей струе выемочного участка зависят от величины Кp [1]. Динамика технологического процесса, происходящего в очистной выработке приводит к необходимости увеличения диапазона развиваемого давления и глубины экономичного давления ВМП [1] для обеспечения аэродинамической изоляции очистной выработки от выработанного пространства с максимальной энергоэффективностью. Это требует разработки ВМП повышенной аэродинамической нагруженности и адаптивности. Поскольку в настоящее время отсутствуют ВМП на требуемые вентиляционные режимы задача заключается в разработке теоретических основ расчета и научного обоснования технических решений создания данного типа вентиляторов. Применительно к ВМП наиболее перспективным способом повышения аэродинамической нагруженности, адаптивности и экономичности является вихревое управление обтеканием лопаток рабочего колеса. В зависимости от параметров управляющего потока достижимо такое воздействие на пограничный слой, при котором наблюдается практически только снижение потерь давления на трение и, как результат, повышение к.п.д., либо управление им с влиянием на ядро потока для целенаправленного увеличения угла выхода потока, изменения циркуляционного течения с целью повышения аэродинамической нагруженности вентилятора. Конструктивные особенности ВМП позволяют реализовывать в них прямоточную радиально-вихревую аэродинамическую схему с энергетическим управлением течением в межлопаточных каналах рабочих колес с применением интегрированных вихреисточников с использованием высокоэнергетического закрученного управляющего потока без применения дополнительных устройств подвода энергии, что существенно 60 повышает эффективность их взаимодействия с основным потоком, при этом обеспечивая достаточную простоту и надежность конструктивного исполнения вихревых камер колеса. Полости профильных лопаток вращающегося колеса ВМП вентилятора, выполненных в хвостовой части в форме вихревых камер, можно рассматривать как устройство передачи энергии управляющему потоку, являющемуся в исходном состоянии частью основного потока, поскольку их совокупность представляет собой интегрированную внутрь рабочего колеса ступень компрессора, геометрические параметры которого обеспечивают требуемые энергетические характеристики управляющего потока вихреисточника. В отечественной и зарубежной литературе отсутствуют данные по исследованиям метода вихревого управления обтеканием лопаток рабочих колес центробежных вентиляторов, выбору оптимальных энергетических характеристик управляющего потока вихреисточника, геометрических параметров вихревой камеры и конструктивной их реализации. В данной статье предложен расчет математической модели аэродинамики вращающейся круговой решетки профилей произвольной формы с вихревым управлением обтеканием, позволяющий сформировать методику оптимального проектирования шахтных радиально-вихревых прямоточных вентиляторов местного проветривания на заданные параметры. Коэффициент теоретического давления вентилятора ψ та определяет безразмерное закручивание потока на выходе из рабочего колеса и на входе в него. Прямоточный вентилятор с аэрогазодинамическими профилями рабочего колеса, имеющий вихревые камеры как на профилях, так и на входе в рабочее колесо позволяет изменять закрутку потока за счет геометрических параметров вихревых камер и энергетических характеристик управляющего потока. Указанное делает возможным не только существенно расширить диапазон изменения коэффициента теоретического давления ψ та , но и обеспечить оптимальные значения коэффициента реактивности рабочего колеса, что позволяет достичь высокой аэродинамической нагруженности и экономичности вентилятора не только на номинальном режиме, но и при существенных отклонениях от него. Указанное принципиально важно для ВМП, работающего в составе ВККП угольных шахт ψ та . Учитывая связь коэффициентов циркуляции ρ в и теоретического давления ψ та [2] очевидно, что идеальная аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки профилей с вихревым управлением циркуляцией может иметь в общем случае произвольную форму, поскольку зависит не только от ее геометрических параметров, но и от энергетических характеристик и геометрических параметров вихревых камер. 61 С практической точки зрения наибольший интерес представляют круговые решетки профилей, в которых в качестве вихревых камер используются конструктивные элементы самой круговой решетки, а управляющий поток, поступающий в них представляет собой часть основного потока. Такие устройства отличаются простотой конструктивного исполнения, обеспечивают надежность и ремонтопригодность ВМП, повышение их аэродинамической нагруженности, экономичности и, как результат, потенциально широкую область их применения. Полагаем, что в данном случае геометрические параметры вихревых устройств остаются неизменными. В соответствии с общими принципами аэрогазодинамики [3], коэффициенты расхода и циркуляции управляющего потока вихреисточника q с , в пропорциональны квадратному корню из коэффициента теоретического давления δψ т , создаваемого в камере интегрированного вихреисточника: q с nл qс ск δψ т ; (1) ρ в с р d к ск δψ т , где ср ск , (2) - приведенные коэффициенты расхода и циркуляции вихреисточников; ск 2 к hк n л ; dк - относительный диаметр камеры вихреисточника; ζ р – коэффициент сопротивления расходу вихревой камеры, – относительная толщина входа в вихревую hк к камеру δψт ( К q К q )qт ; К qк , К q - коэффициенты влияния расхода вихреисточника и вентилятора на теоретическое давление вентилятора; q т Уравнение идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей с вихреисточником c учетом результатов, приведенных в [2,3] можно представить в виде: к ψ та ψ т0 К q q т К q с к ( К q К q )q т К с р d к с к ( К qк К q )q т , (3) где ψ т 0 - максимальный коэффициент теоретического давления круговой с решетки классических профилей; К q в ψ т0 , K qс – коэффициент влияния q max расхода вихреисточника на теоретическое давление, определяемое в соответствии с [4]. Кρ - коэффициент влияния циркуляции вихреисточника на теоретическое давление, формулы для расчета которого с учетом [2, 5] получим в виде: в К ρв 2 Sin arccos А 2PSin(θ 3 arccos A) , 1 А P2 1 (4) 62 2 где А с 2 d к 1 2 с 2 d к 1 - приведенный угол смещения задней критической точки под воздействием управляющего потока вихреисточника; P формпараметр круговой решетки классических профилей; θ з - угол положения задней критической точки профиля классической решетки. Математический анализ функции (3) показывает, что идеальная аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей представляет собой степенную функцию коэффициентов расхода и циркуляции вихреисточника причем при qт = 0 коэффициент теоретического давления круговой решетки профилей с вихреисточником по отношению к классической решетки профилей равен ψ т0 . Найдем максимальное значение коэффициента теоретического давления вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей, то есть его значение ψ т при q = 0. В соответствии с (3) и с учетом того, что в данном случае К 0 , то есть геометрические параметры вихревого устройства таковы, что способствуют увеличению давления, развиваемого круговой решеткой: max в ( К qс К в с d к ) К qк К q с к ψ та кq 0. q т 2 qт (5) После соответствующих преобразований выражение для qт , при котором достигается та max получим в виде: qт ( К qс К в с d к ) 2 ( К qк К q )ск2 4 К q2 . (6) Откуда формула для расчета максимального значения коэффициента теоретического давления вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей с вихреисточником может быть записана в виде: ψ та max ψ т0 ( К qc К в с d к ) К qк К q с к 4К q К qк Кq . (7) На рис. 1 приведена удельная идеальная аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей с вихревыми камерами. Из рис. 1 видно, что идеальная аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей имеет существенно большую наполненность по давлению в сравнении с аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки классических профилей. Целенаправленный выбор геометрических параметров круговой решетки профилей и вихревых устройств позволяет в широком диапазоне изменять ее максимальный коэффициент теоретического давления и, что 63 принципиально важно, функциональную зависимость прироста коэффициента теоретического давления ψ та от коэффициента расхода q т . При рассмотрении идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей геометрические параметры круговой решетки остаются неизменными в то время как вид теоретической характеристики существенно изменяется. Рассматривая заднюю критическую точку бесконечно тонкого профиля теоретической круговой решетки, как его угловую точку, в которой расположен вихреисточник, представляющий собой сингулярную особенность, характерную для особой точки возврата, получим в соответствии с [5], что при потенциальном обтекании неограниченным потоком круговой решетки бесконечно тонких профилей их задняя критическая точка перестает быть точкой ветвления потока и угловой точкой, то есть при указанных условиях, имеет место плавное обтекание потенциальным потоком концевой кромки бесконечно тонкого аэрогазодинамического профиля. Таким образом, в теоретической круговой решетке аэрогазодинамических профилей при изменении энергетических характеристик управляющего потока, в частности интенсивности вихреисточников в концевых точках профилей, происходит изменение угла выхода потока из круговой решетки при фиксированном значении коэффициента ее расхода. Рис. 1. Аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки профилей с вихреисточником: 1 – классический теоретический профиль; 2 – профиль с положительным вихреисточником; 3 – профиль с отрицательным вихреисточником; 4 – профиль со знакопеременным вихреисточником По мере увеличения интенсивности вихреисточника происходит поворот потока на выходе из круговой решетки аэрогазодинамических профилей в направлении ее вращения, что в соответствии с уравнением Эйлера для теоретической турбомашины [2] приводит к росту 64 коэффициента теоретического давления ψ та по сравнению с ψ т , соответствующего углу выхода телесного теоретического профиля круговой решетки, то есть ведет к возникновению режима суперциркуляции. Физически формирование режима суперциркуляции можно объяснить изменением кривизны теоретического аэрогазодинамического профиля в его хвостовой части по отношению к классическому профилю по мере изменения энергетических параметров вихреисточника. Таким образом, происходит изменении угла выхода аэрогазодинамического профиля, как следствие изменения его кривизны. Этим объясняется формирование аэрогазодинамического профиля двойной кривизны – выпуклой в его основной части и вогнутой в хвостовой части, или как принято в известной терминологии «S»-образного теоретического аэрогазодинамического профиля переменной кривизны, что и приводит к росту коэффициента теоретического давления круговой решетки аэрогазодинамических профилей по сравнению с теоретической круговой решеткой классических профилей и изменению вида функциональной зависимости, а, следовательно, формы идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей. Таким образом, применение аэрогазодинамических профилей позволяет существенно увеличить коэффициент теоретического давления ψ та вращающейся круговой решетки, что, как было показано ранее, очень важно для ВМП. Проведенные расчеты позволили спроектировать прямоточную радиально-вихревую аэродинамическую схему, разработать чертежи и изготовить модель вентилятора ВРВП-6. Результаты его аэродинамических испытаний в сравнении с вентиляторами ВМЭ-6 приведены в табл. 1. Таблица 1. Сравнительная техническая характеристика вентиляторов местного проветривания Параметр Вентилятор ВМЭ-6 ВРВП-6 Диаметр рабочего колеса, мм 630 630 Номинальная подача, м3/с 7,2 7,9 Полное давление, Па 2650 6100 к.п.д. 0,76 0,81 Глубина экономичного регулирования 0,33 0,78 65 Разработка и применения параметрического ряда вентиляторов типа ВРВП на базе предложенной аэродинамической схемы с использованием энергии частотных регуляторов позволит существенно повысить как энергоэффективность, так и безопасность вентиляции, а также конкурентоспособность газообильных угольных шахт. Литература 1. Золотых С.С., Стекольщиков, Денисенко С.И. Руководство по проектированию комбинированного проветривания выемочных участков и полей с применением газоотсасывающих вентиляторных установок для шахт ОАО «Компания «Кузбассуголь». – Кемерово, 2000. – 124 с. 2. Косарев Н.П., Макаров В.Н. Аэродинамика квазипотенциального течения в межлопаточных каналах рабочих колес высоконагруженных центробежных вентиляторов: Научное издание – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. – 108 с. 3. Макаров В.Н., Копачев В.Ф. Особенности аэродинамического расчета круговой тандемной решетки кусочно-гладких профилей в виде логарифмических спиралей // Изв. вузов. Горный журнал. – 2005. – №6. – С. 78 – 83. 4. Макаров В.Н., Белов С.В., Фомин В.И., Волков С.А.Перспективное направление улучшения качества шахтных центробежных вентиляторов // Материалы Уральской горнопромышленной декады. – Екатеринбург. – 2008 – С. 169 – 174. 5. Макаров Н.В. Особенности течения в круговой решетки профилей с вихреисточником в критических точках. // Известия УГГУ. Вып. 24 – Екатеринбург – 2010. – С. 99 – 101. Аннотация В статье описывается наиболее перспективный способ повышения аэродинамической нагруженности и адаптивности вентиляторов местного проветривания, разработана методика расчета прямоточной радиальновихревой аэродинамической схемы с применением интегрированных вихреисточников, использующих высокоэнергетичный закрученный управляющий поток без применения дополнительных устройств подвода энергии. In article the most perspective way of increase aerodynamic pressure is described and adaptabilities of local airing fans, the design procedure of the direct-flow radially-vortical aerodynamic scheme with application integrated whirlwind-source, using high-power the twirled operating stream without application of additional devices of energy supply developed. 66 Ключевые слова вентилятор, циркуляция, вихревая камера, аэродинамическая схема, аэродинамическая нагруженность, fan, circulation, vortical chamber, aerodynamic scheme, aerodynamic pressure 67
