Обоснование параметров и разработка энергетических регуляторов шахтных центробежных вентиляторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

обоснование параметров и разработка энергетических регуляторов шахтных центробежных вентиляторов

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Макаров Николай Владимирович

Екатеринбург - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Косарев Николай Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Попов Николай Андреевич

кандидат технических наук

Волков Александр Геннадьевич

Ведущая организация - Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горного и обогатительного машиностроения «НИПИгормаш» (г. Екатеринбург).

Защита состоится «18» декабря 2008 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ГСП-126, ул. Куйбышева, 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан « » ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета М.Л. Хазин

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Непрерывный рост цен на энергоносители в условиях формирования рыночной экономики и сложности горно-геологических условий отработки шахтных полей поднимают проблему обеспечения технической и экономической конкурентоспособности шахт на внутреннем и зарубежном рынках на уровень наиболее актуальной задачи для угольной промышленности России. Для решения этой проблемы ускоренными темпами ведется реструктуризация действующих и проектирование новых шахт с учетом передовых достижений горной науки, создание и внедрение современной техники.

Вентиляция как основной элемент обеспечения безопасных санитарно-гигиенических условий в шахтах, будучи вспомогательным технологическим процессом, потребляет, однако, значительную часть электроэнергии от общей энергоемкости горного предприятия.

На каждую тонну добытого угля в шахту подается до 30 тонн воздуха в зависимости от горнотехнических условий и способа вентиляции. Это приводит к тому, что в себестоимости угля доля затрат на вентиляцию может превышать 25 %. Именно поэтому задачи создания высокоадаптивных шахтных вентиляторов и научно-технического обоснования рациональных вентиляционных режимов постоянно были в центре внимания ученых и специалистов в области горной механики, научно-исследовательских, проектных институтов и заводов горного машиностроения.

Известные в настоящее время средства регулирования, по принципу действия относящиеся к механическим регуляторам, не обеспечивают требуемой адаптивности шахтных центробежных вентиляторов либо отличаются сложностью конструктивного исполнения, недостаточной надежностью в условиях эксплуатации на горных предприятиях.

В результате работа высокоэкономичных шахтных центробежных вентиляторов приводит к функциональной и экономической неэффективности системы вентиляции. Для повышения адаптивности и эффективности энергопотребления шахтными центробежными вентиляторами в условиях их работы на сложную многосвязную вентиляционную систему необходимы принципиально новые, в частности, энергетические средства регулирования, подходы к обоснованию их аэродинамических параметров и конструкции. Указанные факторы лежат в основе актуальности проблемы, решаемой в диссертационной работе.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с план-заказом головной темы 0701 компании «Росуголь» в рамках целевой комплексной программы Ц070110, а также тематических планов научно-исследовательских работ ГОУ ВПО «УГГУ» (Г. 5, Г. 24), проводимых по заданию Федерального агентства по образованию РФ.

Цель работы состоит в разработке метода расчета регуляторов с энергетическим управлением обтеканием для решения научной задачи повышения адаптивности высокоэкономичных шахтных центробежных вентиляторов и научного обоснования технических решений для создания энергетических устройств регулирования центробежных вентиляторов.

Идея работы основана на использовании эффекта повышения регулируемости адаптивности и экономичности центробежных вентиляторов при целенаправленном воздействии управляющего аэрогазодинамического потока на элементы проточной части устройств регулирования режима их работы.

Задачи исследований

вентиляция угольный шахта энергетический

В диссертации поставлен и решен ряд взаимосвязанных задач, основными из которых являются:

- анализ фактических параметров вентиляции угольных шахт и составление прогноза полей вентиляционных режимов;

- обоснование необходимости системного подхода к определению аэродинамических параметров энергетических регуляторов режима работы шахтных центробежных вентиляторов;

- разработка критериев эффективности энергетических регуляторов;

- изучение механизма образования потерь в энергетическом регуляторе центробежного вентилятора;

- теоретический расчет идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки с энергетическим регулятором;

- разработка энергетических регуляторов центробежных вентиляторов по результатам теоретических и экспериментальных исследований;

- обоснование и разработка технических условий эксплуатации шахтных центробежных вентиляторов с энергетическим регулятором.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Взаимодействие центробежного вентилятора и шахтной вентиляционной сети определяется степенью изменения кинематических параметров потока в рабочем колесе вентилятора и радиальном энергетическом регуляторе, которые находятся во взаимосвязи с показателями его функциональной и энергетической эффективности.

2. Целенаправленное воздействие управляющего аэрогазодинамического потока на элементы проточной части регулирующих устройств обеспечивает повышение адаптивности высокоэкономичных шахтных центробежных вентиляторов.

3. Зависимость характеристик радиального энергетического регулятора и критериев подобия управляющего потока от параметров аэродинамической схемы центробежного вентилятора.

4. Аэрогазодинамическая связь проточной части центробежного вентилятора и радиального энергетического регулятора обеспечивает эффективное преобразование энергии потока, тем самым позволяя существенно влиять на форму теоретической характеристики вращающейся круговой решетки с регулятором.

Методы исследований

- анализ фактических и прогнозируемых полей вентиляционных режимов, разработка критериев эффективности энергетических регуляторов выполнены по материалам исследований НИИГМ им. М.М. Фёдорова;

- теоретическое обоснование и разработка методов аэродинамического расчета энергетических регуляторов со струйным управлением циркуляцией выполнены с использованием теории радиальной решетки профилей, теории аэрогазодинамики тел со струями, теории турбулентных струй, метода конформного преобразования, теории функций комплексного переменного и вычетов;

- основные результаты экспериментальных исследований получены с использованием методов корреляционного и регрессионного анализов и методов минимизации функций Бокса-Уилсона и покоординатного спуска.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- многосторонними теоретическими исследованиями аэродинамики энергетических регуляторов со струйным управлением обтеканием на основе современных математических методов расчета в области аэрогазодинамики и статистической обработки экспериментальных данных;

- достаточной сходимостью результатов испытаний вентиляторов, выполненных по известным аэродинамическим схемам и с энергетическими регуляторами, предложенными в диссертации;

- точностью измерений и порогом чувствительности испытательных стендов, при которых с вероятностью 0,95 погрешность исследуемых параметров потока в радиальном энергетическом регуляторе центробежного вентилятора не превышает 0,5 %, а их изменений - 10 % и сходимостью полученных аналитических уравнений с результатами физических экспериментов в пределах 5 - 7%;

- положительными результатами приемочных испытаний опытных образцов вентиляторов с энергетическими регуляторами.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые

- получена картина течения в проточной части радиального энергетического регулятора центробежного вентилятора. Показана эффективность управления циркуляцией за счет энергии аэрогазодинамического потока для повышения регулируемости вентиляторов;

- разработана математическая модель аэродинамики радиального энергетического регулятора с профилями произвольной формы;

- предложен алгоритм аэродинамического расчета радиального энергетического регулятора для частных случаев формы профилей проточной части;

- получено уравнение теоретической характеристики вращающейся круговой решетки с энергетическим регулятором.

Личный вклад состоит

- в установлении первопричин низкой функциональной и экономической эффективности вентиляторных установок угольных шахт в условиях обеспечения ими безопасных санитарно-гигиенических условий;

- в экспериментальном и теоретическом обосновании модели процесса управления циркуляцией энергетическим регулятором центробежного вентилятора;

- в разработке теории аэродинамического расчета радиального энергетического регулятора с профилями произвольной формы, а также в рассмотрении теории для частных случаев формы профилей проточной части;

- в теоретическом расчете идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки с энергетическим регулятором;

- в обосновании и разработке технических условий эксплуатации шахтных центробежных вентиляторов с энергетическими регуляторами.

Практическая ценность работы заключается в том, что сформулированные в ней научные и технические основы разработки энергетических регуляторов шахтных центробежных вентиляторов позволяют:

- рассчитывать показатели эффективности шахтных центробежных вентиляторов с энергетическими регуляторами на стадии их проектирования;

- разрабатывать алгоритмы синтеза и проектировать радиальные аэродинамические схемы энергетических регуляторов центробежных вентиляторов в соответствии с конкретными техническими заданиями;

- разрабатывать технические условия эксплуатации шахтных центробежных вентиляторов с энергетическими регуляторами.

Реализация результатов работы

Основные положения диссертационной работы использованы для:

- обеспечения эффективного проветривания угольных шахт при комбинированном проветривании с помощью газоотсасывающих вентиляторных установок и вентиляторных установок главного проветривания;

- разработки технических условий, формуляров, руководства по эксплуатации, конструкторской документации на энергетические регуляторы газоотсасывающих вентиляторных установок УВЦГ-7М, УВЦГ-9М.

Внедрение разработанных в рамках диссертации энергетических регуляторов шахтных вентиляторов позволило повысить эффективность проветривания при отработке выемочных столбов высокопроизводительными механизированными очистными забоями на шахтах Кузбасса и Воркуты.

Апробация работы

Основные положения и отдельные результаты диссертации докладывались на научно-практических конференциях УГГУ в период с 2006 по 2008 гг.; на научных симпозиумах «Неделя горняка МГГУ» (г. Москва, 2007, 2008 гг.); на Всероссийских конкурсах «Моя законотворческая инициатива» (г. Москва, 2007, 2008 гг.)); на научно-техническом совете Артемовского машиностроительного завода «Вентпром» (г. Артемовский, 2006, 2007 гг.); на научно-техническом совете НИПИгормаш (г. Екатеринбург, 2008 г.); на производственно-техническом совете компании «Южкузбассуголь» (г. Кемерово, 2006 г.); на Всероссийских конкурсах Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «СТАРТ-07» (г. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2007 г.), «СТАРТ-08» (г. Челябинск, ЮрГУ, 2008 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в восьми научных работах, из них три в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 124 наименования, и приложения. Работа содержит 105 страниц машинописного текста, 31 рисунок и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ состояния и пути повышения адаптивности шахтных центробежных вентиляторов

Анализ эффективности эксплуатации вентиляторных установок главного проветривания (ВУГП) и газоотсасывающих вентиляторных установок (ГВУ), выполненный на базе обширных экспериментальных данных депрессионных съемок и обзора информационных материалов, показал, что до 45 % потребляемой установками энергии расходуется непроизводительно. Низкая экономичность ВУГП обусловлена спецификой их эксплуатации в условиях непрерывно изменяющихся параметров шахтных вентиляционных сетей, а также существенным рассогласованием аэродинамических характеристик вентиляторов проектным и фактическим полям вентиляционных режимов.

Широкий диапазон вентиляционных режимов по расходу и давлению требует увеличения адаптивных свойств шахтных вентиляторов, увеличения глубины регулирования режимов их работы, причем взаимовлияние вентиляторов через вентиляционную систему накладывает ограничения на параметры регулируемости вентиляторов.

Комплекс шахтных вентиляторов, осуществляющих проветривание угольных шахт, должен обеспечивать такое поле распределений депрессий и расходов потоков в области, ограниченной выемочными участками и прилегающими к ним зонами выработанного пространства, при котором устраняются проявления метаноопасности и газового барьера.

Именно поэтому актуальна задача создания принципиально новых средств глубокого оперативного регулирования шахтных ВУГП и ГВУ, что позволит решить проблему безопасного и надежного проветривания при минимуме энергозатрат в условиях роста производительности угледобычи.

Установлена корреляционная связь между параметрами, характеризующими экономическую эффективность шахтных центробежных вентиляторов: коэффициентом нормированного удельного энергопотреблении и глубиной экономичного регулирования по давлению , определяющими адаптивность вентилятора и их фактическую эксплуатационную экономичностью .

В работе показана высокая эффективность управления режимом работы центробежных вентиляторов энергетическими методами, обеспечивающими широкий диапазон изменения аэродинамических параметров потока регулированием режима силового взаимодействия потока и рабочего колеса, то есть целесообразность разработки энергетических регуляторов центробежных вентиляторов.

Использование приведенных далее показателей, характеризующих адаптивность вентиляторов, позволяет с достаточной точностью оценивать функциональную и эксплуатационную эффективность действующих шахтных вентиляторов и определять исходные требования по созданию регулирующих устройств для обеспечения надежного проветривания угольных шахт с минимальным энергопотреблением.

Системные критерии эффективности регуляторов шахтных центробежных вентиляторов

На основе глубокого анализа фактического состояния шахтного вентиляторостроения показано, что традиционные методы повышения регулируемости и адаптивности шахтных вентиляторов в значительной степени исчерпали свои возможности. Их дальнейшее совершенствование ограничено технологическими возможностями изготовителей и спецификой условий эксплуатации.

С целью определения направлений создания принципиально новых устройств регулирования центробежных вентиляторов исследован механизм образования потерь давления в межлопаточных каналах регулирующего устройства шахтного центробежного вентилятора в виде радиальной решетки профилей. Установлена зависимость указанных потерь от специфики эксплуатации вентиляторов в условиях существенных изменений параметров вентиляционных режимов, являющихся основной причиной их низкой фактической эксплуатационной эффективности. Получена картина течения в проточной части радиального энергетического регулятора центробежного вентилятора. Предложена модель процесса управления циркуляцией, позволившая обосновать эффективность использования энергии аэрогазодинамического потока для повышения адаптивности и экономичности центробежных вентиляторов.

Учитывая, что назначение регулирующего устройства заключается в изменении режима работы вентилятора при минимальных потерях энергии в процессе силового взаимодействия потока с проточной частью регулятора и рабочего колеса на базе анализа взаимодействия регулятора, вентилятора и вентиляционной сети, получены критерии оценки эффективности регулирующих устройств шахтных вентиляторов:

- Комплексный критерий оценки эффективности регулирующего устройства шахтного центробежного вентилятора, характеризующий удельную экономию затрат на эксплуатацию вентилятора в год в сравнении с вентилятором без регулирующего устройства:

(1)

где , руб./год - полные эксплуатационные затраты, в том числе и на электроэнергию вентилятора с регулирующим устройством и без него соответственно.

Этот показатель учитывает трудоемкость изготовления регулирующего устройства, его техническую сложность, эксплуатационную надежность, определяющие прямые затраты на изготовление и обслуживание в процессе эксплуатации и экономию электроэнергии на создание требуемой гидравлической мощности, обусловленную эффективностью регулирующих свойств, то есть адаптивностью вентилятора.

- Коэффициент полезного действия (к.п.д.) регулирующего устройства

, (2)

где Еу - энергия циркуляции управляющего потока, Е? - полная энергия управляющего потока, Ку - коэффициент циркуляции управляющего потока, - коэффициент теоретического давления вентилятора, - гидравлический к.п.д. вентилятора.

- Коэффициент качества регулирующего устройства

, (3)

где - потери энергии в регулирующем устройстве.

- Коэффициент эффективности регулирующего устройства в расчете на смешанный и управляющий поток соответственно

,,

где - коэффициент циркуляции смешенного потока; - коэффициент мощности управляющего потока.

- Глубина экономичного регулирования по подаче и по давлению в области рабочих режимов при .

- Коэффициент удельного энергопотребления центробежного вентилятора

, (4)

где q - подача вентилятора, - коэффициент статического давления вентилятора, - статический к.п.д. вентилятора, qmax/qmin=3,3.

Коэффициент множественной корреляции энергопотребления ГВУ и ВУГП с критериями адаптивности R(Ээ, Кэ, Кн) = 0,87 при = 6,98, что подтверждает достоверность оценки экономической эффективности.

Таким образом, полученные оценки эффективности регулирующих устройств шахтных вентиляторов позволяют системно и целенаправленно определять проектные параметры предложенных в работе энергетических регуляторов, существенно повышающих адаптивность центробежных вентиляторов для обеспечения безопасного проветривания угольных шахт.

Наиболее перспективно для повышения адаптивности и экономичности центробежных вентиляторов применение энергетических методов управления режимом их работы. Энергетические методы нашли широкое применение для повышения эффективности изолированных профилей. Энергетические методы управления обтеканием подразделяют на пассивные и активные. Первые характеризуются воздействием на течение путем перераспределения энергии в потоке без внесения дополнительной энергии. Активные связаны с подводом на поверхности лопаток рабочего колеса дополнительной массы газа, то есть подведением дополнительной энергии к потоку посредствам высокоэнергетических управляющих струй.

По результатам исследований предложены на уровне патентов технические решения по использованию энергетических методов, для повышения регулируемости шахтных центробежных вентиляторов и создания на их базе радиальных энергетических регуляторов.

Исследование закономерностей энергетического управления режимами работы шахтных центробежных вентиляторов

Известные методы расчета аэродинамических характеристик турбомашин с энергетическим управлением циркуляцией можно разделить на три группы.

Методы первой группы основаны на использовании интегральных уравнений несущей поверхности и различаются способами расчета граничных условий на поверхностях струи управляющего потока и профилей лопаток турбомашины.

В методах второй группы использовано непосредственное применение представления профиля лопаток турбомашины и управляющей струи в виде распределения элементарных вихрей с различными гипотезами взаимодействия вихревой поверхности и струи, с учетом соответствующих граничных условий. Однако применение этих методов для аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей с энергетическим управлением циркуляцией практически не целесообразно ввиду сложности построения математической модели.

Для аэродинамического расчета энергетического регулятора наиболее эффективен метод конформных преобразований, основанный на использовании конформного отображения области вне радиальной решетки профилей регулятора на вспомогательную каноническую область, течение в которой может быть достаточно легко определено.

На базе метода конформных преобразований с использованием теории турбулентных струй, аэродинамики тел со струями, теории функции комплексного переменного и вычетов в диссертации разработана теоретическая аэродинамика малоканального энергетического регулятора и регулятора в виде радиальной решетки аналитических профилей произвольной формы.

Схематическое представление радиальной решетки профилей энергетического регулятора в виде однолистного контура позволяет свести задачу аэродинамического расчета радиальной решетки регулятора с аналитическими профилями произвольной формы на базе использования теоремы Римана для односвязных многолистных областей к построению двух аналитических функций - функции z(г) отображения nл-листной римановой области Dг внешности круга единичного радиуса на область течения, ограниченную однолистным контуром римановой области Dz, и комплексного потенциала F[z(г)] в nл-листной римановой области круга единичного радиуса. Поскольку рассматривается общий случай аэродинамики радиальной решетки аналитических профилей произвольной формы, функция конформного отображения z(г) определяется двойным преобразованием: на первом этапе происходит отображение на область «деформированного круга», что определяет функциональное соответствие профиля произвольной формы профилю в виде отрезка логарифмической спирали Zв(гв), на втором этапе производится отображение вышеуказанной области Dвг на область вне круга единичного радиуса Dг (рис. 1).

Рис.1. Принципиальная схема последовательности конформных преобразований: а - преобразование nл-листной области Dг в nл-листную область Dвг; б - преобразование nл-листной области Dвг в одно-листную область Dz

В диссертации доказано, что полученное соотношение в соответствии с теоремой единственности решения задачи Дирихле - Неймана однозначно, с точностью до константы.

Функция конформного отображения однолистной римановой поверхности Dz круговой решетки аналитических профилей произвольной формы на nл-листную область Dг вне круга единичного радиуса:

, (5)

где - комплексные координаты точек в областях Dz и Dг соответственно; r, н - радиус и полярный угол на плоскости Ж соответственно; с, и - радиус и полярный угол на плоскости г соответственно; Ц - форм-параметр эквивалентной радиальной решетки профилей в виде отрезков логарифмических спиралей; вл - угол логарифмической спирали эквивалентной решетки профилей; , - комплексные параметры, определяющие форму профиля исходной круговой решетки аналитических профилей.

С учетом ограничений, накладываемых на понятие аналитический профиль, точки г1, г2 могут быть расположены только внутри единичного круга области Dг, при этом должно сохраняться направление обхода контура профиля в области Dz .

Формпараметры Ф, Ф1, Ф2 в случае аналитических профилей произвольной формы определяются в соответствии с уравнениями, полученными Г.И. Майкопаром для круговых решеток профилей и теории аналитических профилей Н.Е. Жуковского.

С учетом (5), на базе метода особых точек С.А. Чаплыгина, канонического уравнения течения вне круга и принципа суперпозиции, получен приведенный комплексный потенциал в nл-листной римановой области Dг круга единичного радиуса в виде:

, (6)

где qу - коэффициент расхода стока радиальной решетки профилей энергетического регулятора в области Dz; Ку - интенсивность вихря (коэффициент циркуляции), с центром в радиальной решетке профилей регулятора в области Dz, определяемая вращением потоков в полости высокого давления корпуса вентилятора; Кл - интенсивность вихря (коэффициент циркуляции) вокруг профиля круговой решетки в плоскости Dz; - функция потенциала течения в области Dг; - функция тока течения в области Dг; - число профилей энергетического регулятора.

Полученное решение при заданных qу, Кн, Кл является, с точностью до константы, единственным. Действительно, если положить, что решений два: F1 [Z(г)], F2 [Z(г)] - и рассмотреть функцию ?(г) = F1[Z(г)]-F2[Z(г)], легко видеть, что эта функция - однозначная вне круга и что на круге и на бесконечности Im?(г) =0. Отсюда, по теореме единственности решения задачи Дирихле - Неймана, должно быть Im?(о) ? 0, а значит F1[Z(г)]-F2[Z(г)]?const.

Учитывая единственность, с точностью до константы, решения для функции F[Z(г)]=W(г) и условия единственности конформного отображения при заданном nл-листном контуре, получаем в результате, с точностью до константы, единственное решение задачи обтекания указанного однолистного контура круговой решетки аналитических профилей регулятора:

F(Z) = W[г(Z)] . (7)

В соответствии с (6), с учетом теории вычетов функции комплексного переменного, получена формула для комплексной скорости течения вне круга единичного радиуса nл-листной римановой области Dг в виде:

(8)

Полагая, что соответствует задней критической точке профиля, где нарушено условие конформности отображения , с учетом (8) формула для расчета коэффициента циркуляции Кл примет вид:

(9)

Приведенные результаты теоретических исследований позволяют разработать алгоритм расчета аэродинамики энергетического регулятора с радиальной решеткой аналитических профилей произвольной формы, получить характеристики потенциального обтекания широкого класса энергетических регуляторов.

Практический интерес представляет проблема исследования аэродинамики малоканального энергетического регулятора.

При условии односвязности области Dz функция конформного отображения внешности круга единичного радиуса на nл-листной римановой поверхности в области Dг на внешность однолистного полигонального контура схематизированной круговой решетки в области Dz получена на базе формулы Кристоффеля-Шварца:

, (10)

где фyn(n=1,…, ny) - точки на круге единичного радиуса, соответствующие угловым точкам полигонального контура ; - внешние углы однолистного полигонального контура круговой решетки профилей, соответственно, в угловых точках yn.

Каноническое уравнение комплексной скорости на однолистной римановой поверхности полигонального контура радиальной решетки малоканального энергетического регулятора с учетом теории вычетов представлено в виде:

. (11)

Уравнение идеальной аэродинамической характеристики энергетического регулятора центробежного вентилятора получено виде:

, (12)

где - коэффициент, характеризующий изменение теоретической циркуляции, от расхода потока и равный тангенсу угла наклона характеристики при Ку=0; КК - коэффициент влияния циркуляции потока в полости высокого давления вентилятора на теоретическую циркуляцию; - коэффициент влияния тандемности решетки профилей энергетического регулятора на его теоретическую циркуляцию; - коэффициент тандемности управляющего потока.

Таким образом, задача сводится к построению алгоритма расчета Кq и КК в зависимости от геометрических параметров проточной части регулятора.

В диссертации рассмотрены методы прикладного аэродинамического расчета регуляторов для частных случаев формы их проточной части: лопаточного, малоканального, безлопаточного, кусочно-гладких с переменным углом раскрытия.

В частности, для гладких профилей логарифмической спирали:

(13)

. (14)

.

Из выражений для Kq и КК видно, что эффективность преобразования энергии потока в полости высокого давления корпуса вентилятора зависит от геометрических параметров регулятора.

Найденные соотношения позволили глубоко и всесторонне проанализировать влияние геометрических параметров на аэродинамические характеристики и адаптивность энергетических регуляторов.

Следует подчеркнуть, что для безлопаточного регулятора коэффициент Кq=0, КК=1 то есть имеет место течение потока в регуляторе в форме безвихревой циркуляции, когда .

С практической точки зрения принципиальное значение имеет исследование режимов безударного обтекания решетки профилей энергетического регулятора.

Соответствующие этому режиму коэффициенты радиальной составляющей скорости и теоретической циркуляции получены виде:

 (15)

. (16)

Уравнение идеальной аэродинамической характеристики центробежного вентилятора с энергетическим регулятором в диссертации получено в виде:

, (17)

где ; - коэффициент, характеризующий пропускную способность регулятора; - коэффициенты, определенные по результатам исследований Т.С. Соломаховой.

Математический анализ функции (17) показывает, что идеальная аэродинамическая характеристика центробежного вентилятора с энергетическим регулятором представляет собой степенную функцию коэффициента расхода, причем соответствует qmax центробежного вентилятора без регулятора, так как достигается при =0 (рис. 2). Ее отличает большой диапазон изменения по величине и форме в сравнении с аэродинамической характеристикой центробежного вентилятора без регулятора. Целенаправленный выбор геометрических параметров центробежного вентилятора и его энергетического регулятора позволяет в широком диапазоне изменять максимальный коэффициент теоретического давления вентилятора и, что принципиально важно, функциональную зависимость прироста коэффициента теоретического давления от коэффициента расхода .



Рис. 2. Удельная идеальная аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки профилей с энергетическим регулятором: 1 - без энергетического регулятора; 2 - лопаточный энергетический регулятор; 3 - малоканальный энергетический регулятор; 4 - безлопаточный энергетический регулятор

В диссертации получены уравнения, связывающие геометрические параметры энергетического регулятора с его энергетическими характеристиками, являющимися критериями подобия течения в нем и позволяющие производить теоретический расчет критериев эффективности энергетического регулятора.

Выражения для оптимальных значений диаметра и осевого смещения регулирующего устройства , z определены из условия минимума потерь энергии:

(18)

где b0 - ширина регулятора, соответствующая расчетной глубине регулирования вентилятора; - коэффициент потерь на трение;

(19)

где - число лопаток рабочего колеса центробежного вентилятора.

Моделирование. Экспериментальные исследования энергетических регуляторов шахтных центробежных вентиляторов

Для обеспечения научной обоснованности и достоверности результатов экспериментальных исследований аэродинамики турбомашин на базе принципов В.А. Веникова о подобии сложных систем получены критерии подобия течения в вентиляторе с энергетическим регулятором: qу - коэффициент подачи управляющего потока; Ну - коэффициент давления управляющего потока; q - коэффициент подачи вентилятора; Re - число Рейнольдса; М - число Маха.

На базе статистического метода линейного планирования эксперимента получены уравнения регрессии для расчета характеристик регулирующего устройства, обеспечивающего максимальную эффективность использования энергии управляющего потока, приращение к.п.д., а также наибольший рост области экономичных режимов работы.

Исследования проводились для всех типов радиальных энергетических регуляторов - лопаточного, малоканального и безлопаточного; при этом были получены принципиально важные для проектирования выводы: при оценке внешней аэродинамики регулятора максимальной эффективностью обладает лопаточный аппарат, в то время как при системном учете взаимовлияния внешней и внутренней аэродинамики наиболее эффективен безлопаточный энергетический регулятор. Обобщение исследований по определению коэффициентов регулируемости различных конструктивных исполнений регуляторов показало наибольшую эффективность управления изменения ширины энергетического регулятора. Такой способ регулирования позволяет обеспечить в широком диапазоне постоянное соотношение скоростей управляющего потока и подачи вентилятора.

С учетом полученных результатов были проведены испытания модели центробежных вентиляторов с энергетическими и комбинированными регуляторами.

Полученные результаты, с достаточной достоверностью совпадающие с теоретическими данными, подтвердили существенную значимость для повышения адаптивности и экономичности центробежных вентиляторов, расчета оптимальных значений геометрических параметров энергетического регулятора, его положения по отношению к рабочему колесу центробежного вентилятора.

Экспериментальные данные, равно как и теоретические исследования, указывают на высокую эффективность применения энергетических устройств для существенного повышения адаптивности и экономичности центробежных вентиляторов.

На базе полученных теоретических и экспериментальных данных разработана методика синтеза радиальных аэродинамических схем энергетических регуляторов, обеспечивающих повышение адаптивности и экономичности центробежных вентиляторов. В частности, с помощью указанной методики спроектированы аэродинамические схемы радиальных энергетических регуляторов: РЭР 97-85, РЭР 98-73. На рис. 3 приведены аэродинамические характеристики центробежного вентилятора Ц120-18 с энергетическим, комбинированным и осевым направляющими аппаратами по аэродинамической схеме РЭР 97-85. Указанные графики показывают, что рост глубины экономичного регулирования по давлению Кн по сравнению с наиболее совершенным осевым направляющим аппаратом (ОНА) составляет более 15 %, в случае применения комбинированного регулятора - более 33 %.



Рис. 3. Аэродинамическая характеристика и области экономичных режимов работы вентилятора Ц 120-18: 1 - с ОНА; 2 - с КЭР 97-85; 3 - с РЭР 97-85

Испытания вентилятора подтвердили высокую эффективность применения энергетических регуляторов для повышения адаптивности и экономичности центробежных вентиляторов, а также достоверность проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

5. Промышленная реализация и эффективность результатов исследований.

По результатам анализа вентиляционных режимов действующих шахт, их динамики за период с 1965 по 1995 гг. и соответствия полям проектных режимов спрогнозирована тенденция изменения режимов вентиляции для общешахтных и газоотводящих сетей многосвязных комбинированных вентиляционных систем угольных шахт и предложено поле проектных вентиляционных режимов.

На базе полученных данных с учетом наиболее совершенных радиальных аэродинамических схем спроектирован параметрический ряд энергетических регуляторов шахтных центробежных вентиляторов, обеспечивающих областями экономичной работы перекрытие поля проектных вентиляционных режимов угольных шахт. Разработаны конструкторская и эксплуатационная документация на энергетические и комбинированные регуляторы вентиляторов ВЦГ-7М, ВЦГ-9М.

Годовой экономический эффект от эксплуатации ГВУ в составе ВККП угольных шахт составляет: для УВЦГ-7М Ї 0,48 млн. руб.; для УВЦГ-9М - 0,67 млн. руб.

Заключение

В диссертации, на базе реализации эффекта повышения адаптивности центробежных вентиляторов за счет целенаправленного воздействия управляющего аэрогазодинамического потока струй на элементы проточной части регулирующих устройств, решена научная проблема повышения адаптивности высокоэкономичных шахтных центробежных вентиляторов. Научно обоснованы технические решения для создания шахтных центробежных вентиляторов главного и местного проветривания и газоотсасывающих вентиляторов.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлено, что причиной низкой функциональной и экономической эффективностей шахтных центробежных вентиляторов угольных шахт является несоответствие фактических вентиляционных режимов проектным. Действующие критерии оценки эффективности и адаптивности вентиляторов и их регулирующих устройств не в полной мере отражают их фактическую функциональную и экономическую эффективность.

2. Разработаны критерии оценки функциональной и экономической эффективностей регулирующих устройств шахтных центробежных вентиляторов с учетом взаимозависимости процессов силового взаимодействия потоков проточной части регулятора центробежного вентилятора вентиляционных режимов.

3. Получена модель течения в проточной части радиального энергетического регулятора центробежного вентилятора. Показана эффективность управления циркуляцией за счет энергии аэрогазодинамического потока для повышения регулируемости вентиляторов.

4. Разработана теория аэродинамического расчета энергетического регулятора с профилями произвольной формы.

5. Предложены методы аэродинамического расчета радиального энергетического регулятора для частных случаев формы профилей проточной части, позволяющие осуществлять прикладные инженерные расчеты.

6. Разработана математическая модель и получено аналитическое выражение идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки с энергетическим регулятором.

7. Предложен метод синтеза радиальных аэродинамических схем энергетических регуляторов высокоэкономичных адаптивных центробежных вентиляторов.

8. Разработан типоразмерный параметрический ряд энергетических регуляторов для газоотсасывающих вентиляторов комбинированного проветривания угольных шахт.

9. Сформулированные теоретические положения являются научной базой разработки конструкторских и технологических решений повышения адаптивности безопасности шахтных центробежных вентиляторов, подготовки нормативно-технической и эксплуатационной документации, направленных на обеспечение их фактической эксплуатационной эффективности.

10. Годовой экономический эффект от эксплуатации ГВУ с энергетическим регулятором на угольных шахтах составляет: для УВЦГ-7М Ї 0,48 млн руб.; для УВЦГ-9М - 0,69 млн руб.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК

1. Тимухин С. А. Особенности аэродинамического расчета энергетического направляющего аппарата шахтного радиального вентилятора / С. А. Тимухин, Н. В. Макаров, В. Ф. Копачев // Известия вузов. Горный журнал. - 2006. - №6. - С. 93 - 96.

2. Макаров Н. В. Регулирование центробежных вентиляторов энергетическим направляющим аппаратом / Н. В. Макаров, В. Ф. Копачев // Горное оборудование и электромеханика . - 2007. - №5. - С. 43 - 46.

3. Макаров Н. В. Расчет критериев аэродинамического подобия системы вентилятор - энергетический направляющий аппарат / Н. В. Макаров, С. В. Белов, В. И. Фомин, с. а. Волков // Известия вузов. Горный журнал. - 2008. - №5. - С. 66 - 69.

Статьи, опубликованные в научных сборниках

4. Копачев В. Ф. Обоснование типоразмерного ряда вентиляторов комбинированного проветривания шахт / В. Ф. Копачев, Н. В. Макаров // Горнопромышленная декада: Материалы науч-практ. конф. г. Екатеринбург, 11.04.2006. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. - С. 150 - 151.

5. Макаров Н. В. О регулировании шахтных центробежных вентиляторов энергетическим направляющим аппаратом / Н. В. Макаров // Горнопромышленная декада: Материалы науч-практ. конф. г. Екатеринбург, 11.04.2006. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. - С. 160 - 161.

6. Макаров Н. В. Перспективное направление повышения эффективности шахтных центробежных вентиляторов / Н. В. Макаров // Горнопромышленная декада: Материалы науч-практ. конф. г. Екатеринбург, 16.04.2007. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2007. - С. 112 - 113.

7. Макаров Н. В. Разработка метода аэродинамического расчета энергетического регулятора с профилями в виде логарифмической спирали / Н. В. Макаров // Горнопромышленная декада: Материалы науч-практ. конф. г. Екатеринбург, 21.04.2008. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. - С. 150 - 151.

8. Макаров В. Н. Перспективное направление повышения адаптивности газоотсасывающих вентиляторов / В. Н. Макаров, Н. В. Макаров, Р. В. Закиев // Горнопромышленная декада: Материалы науч-практ. конф. г. Екатеринбург, 21.04.2008. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. - С. 174 - 176.

Подписано в печать 13.11.2008 Формат 60х84/16

Бумага писчая Печать на ризографе

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано в лаборатории множительной техники УГГУ

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

Уральский государственный горный университет

Размещено на Allbest.ru

...