автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров и разработка высоконагруженных, адаптивных, радиально-вихревых прямоточных вентиляторов местного проветривания

На правах рукописи

Горбунов Сергей Андреевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ, АДАПТИВНЫХ, РАДИАЛЬНО-ВИХРЕВЫХ ПРЯМОТОЧНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ

05.05.06 - «Горные машины»

8 АПР 2015

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005567064

Екатеринбург - 2015

005567064

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» на кафедре горной механики.

Научный руководитель - доктор технических наук

Макаров Владимир Николаевич.

Официальные оппоненты: Носков Александр Семёнович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой гидравлики ФГАОУ ВПО «УрФУ»;

Попов Николай Андреевич, доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией рудничной аэродинамики ФГБУН Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН.

Ведущая организация — ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горного и обогатительного оборудования» (ОАО «НИПИГОРМАШ», г. Екатеринбург).

Защита диссертации состоится в зале Учёного совета «_15_» мая 2015 г. в 1030 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Ьйр//\у\отлигзти.ги ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан « 3,Ъ » 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

М.Л. Хазин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение конкурентоспособности шахт на глобальном экономическом пространстве невозможно без ускорения темпов реструктуризации действующих и разработки новых шахт с учетом передовых достижений горной науки, внедрения современной горной техники.

Затраты на вентиляцию газообильных шахт в структуре себестоимости угля достигают 28 % в зависимости от горно-технологических условий.. При этом ежегодно непроизводительные затраты электроэнергии вентиляторами местного проветривания (ВМП) на вентиляцию тупиковых выработок соизмеримы с их стоимостью.

Научно-технические задачи обоснования и обеспечения эффективной вентиляции, создания высоконапорных, адаптивных ВМП постоянно находятся в центре внимания ученых и специалистов в области горной механики, научно-исследовательских, проектных институтов и заводов горного машиностроения.

Однако за последние годы в шахтном вентиляторостроении сформировались существенные проблемы, обусловленные недостаточной эффективностью проветривания очистных забоев угольных шахт.

Технические параметры ВМП не в полной мере соответствуют современным требованиям, предъявляемым к вентиляции тупиковых выработок. Увеличение нагрузки на очистной забой, ускоренный прирост длины тупиковых выработок требуют применения вентиляторов, обладающих большей аэродинамической нагруженностью и адаптивностью.

Из вышеизложенного следует, что повышение эффективности вентиляции тупиковых выработок, конкурентоспособности и безопасности угольных шахт на основе разработки высоконапорных, адаптивных ВМП является актуальной задачей, решаемой в диссертационной работе.

Диссертационная работа соответствует критической технологии «Энергосберегающие технологии межотраслевого применения», выполнена согласно тематическим планам научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «УГГУ» (Г. 5, Г. 24) и Государственных контрактов: № 7850р/11402, № 11359р/20551, № 7825р/11395.

Цель работы. Повышение эффективности вентиляции тупиковых выработок угольных шахт за счет увеличения аэродинамической нагруженности и адаптивности ВМП.

Идея работы. Разработка ВМП на базе круговых решеток кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками, целенаправленно воздействующими на их эффективные критические точки.

Объект исследований. ВМП, используемые для проветривания тупиковых выработок угольных шахт.

Предмет исследований. Параметры адаптивных вихреисточников и их влияние на положение эффективных критических точек кусочно-гладких

профилей круговых решёток и, как результат, на аэродинамическую нагруженность и адаптивность создаваемых на их основе ВМП.

Методы исследований:

- анализ, обобщение и систематизация исследований КБ «Аэровент», НИПИгормаша, ВостНИИ и результатов экспериментов, проведенных автором на шахтах, с использованием методов математической статистики и системного анализа;

- построение математической модели вращающейся круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками в их угловых точках выполнено с использованием теории радиальной решетки профилей, теории аэрогазодинамики тел со струями, теории турбулентных струй и пограничного слоя, метода конформного преобразования, теории функций комплексного переменного;

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

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Параметры адаптивных вихреисточников, расположенных в угловых точках круговых решеток кусочно-гладких профилей, влияют на положение их эффективных критических точек.

2. Аэродинамическая нагруженность ВМП, создаваемых на базе круговых решеток кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками в их угловых точках, зависит от положения эффективных критических точек.

3. Вихревые камеры, обладая аэрогазодинамической связью с проточной частью ВМП, создаваемых на базе круговых решеток кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками, способствуют существенному увеличению их адаптивности.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- разработана математическая модель влияния параметров адаптивного вихреисточника на положение эффективных критических точек кусочно-гладких профилей круговой решетки;

- разработана математическая модель зависимости циркуляции, то есть аэродинамической нагруженности круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками от их параметров;

- разработана математическая модель радиальной решетки кусочно-гладких профилей произвольной формы с адаптивными вихреисточниками;

- разработана математическая модель идеальной аэродинамической характеристики радиальной решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками и исследована ее регулируемость.

Практическая ценность работы заключается в том, что сформулированные в ней научные и технические основы разработки высоконапорных, адаптивных и экономичных ВМП позволяют:

- производить расчет и анализ показателей эффективности ВМП тупиковых выработок шахт и разрабатывать рекомендации по повышению их эксплуатационной экономичности;

- использовать предложенную систему показателей эффективности ВМП на стадии их проектирования;

- разрабатывать алгоритмы синтеза и проектировать радиально-вихревые аэродинамические схемы высоконапорных и адаптивных ВМП в соответствии с конкретными техническими заданиями;

- разрабатывать технические условия эксплуатации высоконапорных адаптивных ВМП.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- теоретическими исследованиями аэродинамики вентиляторов местного проветривания с адаптивными вихреисточниками;

- достаточной сходимостью результатов испытаний вентиляторов, выполненных по известным аэродинамическим схемам и с вихревыми камерами рабочих колес, предложенных в диссертации;

- точностью измерений и порогом чувствительности испытательных стендов, при которых с вероятностью 0,95 погрешность исследуемых параметров не превышает 0,5 %, а их изменений —10%.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы использованы для:

- разработки и внедрения методики проектирования высоконагруженных адаптивных радиальных аэродинамических схем ВМП;

- составления технического задания на разработку конструкторской документации вентиляторов ВРВП-8, ВРВП-12;

производства экспериментального образца ВРВП-6, опытно-промышленных образцов ВРВП-8.

Внедрение вентиляторов ВРВП-8, ВРВП-12 позволит повысить эффективность проветривания тупиковых выработок в условиях работы высокопроизводительных механизированных добычных комплексов на угольных шахтах России. Экономический эффект от эксплуатации вентиляторов ВРВП-8 на газообильных угольных шахтах составляет 0,32 млн. руб./год.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-практических конференциях, проводимых в рамках Уральской горнопромышленной декады (г. Екатеринбург, 2011 — 2013 гг.); на научных симпозиумах «Неделя горняка МГТУ» (г. Москва, 2012, 2013 гг.); на производственно-техническом совете компании «Южкузбассуголь» (г. Кемерово, 2009 г.); на производственно-практической конференции «Стратегические задачи модернизации и основные направления развития машиностроения Среднего Урала как важного звена машиностроительного комплекса РФ на период до 2020» (г. Екатеринбург, 2008 г.).

Личный вклад состоит:

- в анализе причин низкой эксплуатационной эффективности ВМП угольных шахт;

- обосновании идеи использования адаптивных вихреисточников как аэрогазодинамических аналогов параметров круговых решеток кусочно-гладких профилей, целенаправленно воздействующих на их эффективные критические точки;

- разработке математической модели аэродинамики радиальной решетки кусочно-гладких профилей произвольной формы и профилей в форме отрезков логарифмической спирали с адаптивными вихреисточниками;

исследовании регулируемости идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 научных работах, из них четыре - в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России, и получен патент на полезную модель.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 142 наименования, содержит 188 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 4 таблицы и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цель и идея, лежащие в основе научных положений диссертации, и их научная новизна, а также практическая значимость результатов работы.

В первой главе рассмотрены особенности эксплуатации ВМП в составе вентиляционных комплексов угольных шахт. Установлено, что недостаточная экономичность ВМП обусловлена спецификой их эксплуатации в условиях непрерывно изменяющихся параметров вентиляции, длин воздуховодов тупиковых выработок, а также существенным несоответствием проектным и фактическим вентиляционным режимам.

Показано, что в силу специфики проветривания тупиковых выработок, интенсификации угледобычи, по мере увеличения диаметра рабочих колес параметрического ряда ВМП, необходимо увеличение номинальных параметров не только подачи, но и давления.

Дифференцированный анализ вентиляционных режимов и длин тупиковых выработок угольных шахт позволил установить закономерности изменения аэродинамических параметров ВМП, сделать прогноз динамики потребных вентиляционных режимов, а также установить, что распределение длин тупиковых выработок соответствует экспоненциальному закону распределения. На рис. 1 приведены гистограммы и графики плотности распределения длин тупиковых выработок, оснащенных трубопроводами 600 мм, 800 мм и 1000 мм, в соответствии с полученным прогнозом до 2015 года.

Из анализа приведенных гистограмм следует вывод о том, что большим диаметрам воздуховодов соответствуют большие математические ожидания диапазонов длин используемых трубопроводов. Это означает, что с увеличением диаметра вентилятора для достижения эффективной его работы необходимо существенное увеличение развиваемого им давления для преодоления сопротивления более длинного воздуховода.

% р(и) 40 ^

Рис. 1. Гистограмма и плотность распределения длин тупиковых выработок, оснащенных трубопроводами 600 мм (а), 800 мм (б), 1000 мм (в) в расчете

на 2015 год

По этой причине наблюдается несоответствие методики определения проектных аэродинамических параметров ВМП динамике изменения фактических вентиляционных режимов тупиковых выработок.

Используемые в настоящее время параметрические ряды вентиляторов ВМЭ, ВМЭВО, ВМЦ построены по принципу единой аэродинамической схемы, то есть фиксированной удельной быстроходности в пределах

типоразмерного ряда. Указанное явно противоречит статистическим данным распределения воздуховодов и потребным аэродинамическим параметрам ВМП, необходимым для обеспечения эффективного проветривания тупиковых выработок. Это в первую очередь относится к протяженным тупиковым выработкам с длиной /в >1300 м.

Кроме того, интенсификация угледобычи, увеличение за 20 лет нагрузки на очистной забой с 5000 до 25000 т/сут в 5 - 10 раз ускорило прирост длины очистного забоя.

Приведенные гистограммы подтверждают тот факт, что применяемые в настоящее время аэродинамические схемы не в полной мере обеспечивают требуемую аэродинамическую нагруженность и адаптивность ВМП, используемых при проветривании протяженных тупиковых выработок угольных шахт, что приводит к снижению их функциональной и экономической эффективности.

С учетом специфики эксплуатации ВМП рассчитаны критерии их эффективности, имеющие высокий уровень корреляции с их эксплуатационной экономичностью и параметрами их назначения, обеспечивающими надежные и безопасные условия проветривания тупиковых выработок угольных шахт.

Во второй главе обобщены основные направления развития шахтного вентиляторостроения. На рис. 2 приведены основные этапы развития и совершенствования ВМП, результаты анализа которых подтверждают, что без применения активных методов управления течением в рабочих колесах вентиляторов невозможно дальнейшее увеличение их аэродинамической нагруженности при сохранении высокой экономичности.

4'

1.6

1.4

1.2

1.0

0.(5 о.-1 0.2

0.5 о.<> 0.7 О-в О. О

Рис. 2. Основные этапы совершенствования шахтных ВМП

Исследован и уточнен механизм образования потерь давления в межлопаточных каналах рабочего колеса ВМП и установлено, что специфика их эксплуатации в условиях существенных изменений параметров вентиляционных режимов тупиковых выработок является основной причиной их низкой фактической эксплуатационной эффективности.

Обобщены известные активные методы управления обтеканием изолированных профилей и рабочих колес турбомашин. Доказана высокая эффективность вихревого управления течением в проточной части

1950 г.

1960 г.

1970 г. 2010 г.

1-Й э-хзп этмэ З-П атпп N. 4-й этап

, '^Л ВРВП

вцо ВЦ вмц

вмэво

ВМ СВМ вмэ —-- вмэвв

11

радиальных вентиляторов с целью повышения их аэродинамической нагруженности и адаптивности (см. рис. 2).

Предложены запатентованные технические решения, реализующие вихревое управление течением в межлопаточных каналах рабочих колес ВМП с использованием адаптивных вихреисточников для повышения аэродинамической нагруженности, адаптивности (рис. 3).

Рис. 3. Кусочно-гладкий профиль круговой решетки с адаптивными вихреисточниками

Кусочно-гладкий профиль, составленный из к отрезков круговой решетки (см. рис. 3), снабжен встроенными в него ] = к цилиндрическими вихревыми камерами 1, тангенциальными входными каналами 2 со стороны его рабочей поверхности 3 и тангенциальными выходными каналами 4 с выходом на рабочую 3 и тыльную 8 поверхности, 5 - передняя критическая точка профиля (ПКТ), 6 - задняя критическая геометрическая точка (ЗКТГ), 7 - эффективная критическая точка (ЭКТ).

Характерной особенностью адаптивного вихреисточника 1 является наличие обратной аэрогазодинамической связи его энергетических характеристик с аэродинамическими параметрами вентиляционной сети, на которую работает вентилятор.

Энергия циркуляции адаптивного вихреисточника формируется в вихревой камере 1 за счет тангенциального входа потока 2, а ее взаимодействие с лопаткой, обеспечивающее рост циркуляции вокруг нее, осуществляется через тангенциальные выходы потока 4. При этом выходной канал 4 на рабочей поверхности 3 лопатки расположен вниз по потоку, то есть ближе к ЗКТГ профиля лопатки по отношению к входу 2 в вихревую камеру 1. Это обеспечивает эффективное формирование замкнутого вихря вокруг рабочего колеса ВМП.

Из анализа рис. 4 видно, что при увеличении сопротивления вентиляционной сети, способствующего росту давления на рабочей поверхности 3 лопатки, происходит увеличение циркуляции замкнутого вихря и, как результат, рост давления, развиваемого вентилятором за счет

роста ЛС^ , при сохранении расходной скорости Сл , то есть без дросселирования.

Рис. 4. Кинематические параметры потока на выходе из круговой решетки классических, аэрогазодинамических профилей

Следовательно, адаптивные вихреисточники способствуют не только увеличению циркуляции, то есть аэродинамической нагруженности круговой решетки кусочно-гладких профилей, но и адаптивности, то есть изменению аэродинамических параметров создаваемых на их основе ВМП без отрывного вихреобразования в соответствии с изменениями характеристик внешней сети, в то время как для классической круговой решетки характерно увеличение давления, развиваемого вентилятором в связи с ростом сопротивления сети за счет дросселирования, то есть уменьшения расходной скорости Сг,, что приводит к снижению адаптивности вентилятора.

В третьей главе проведены анализ и классификация методов расчета аэродинамических характеристик турбомашин с вихревым управлением циркуляцией.

Для аэродинамического расчета вращающейся радиальной решетки профилей с вихревым управлением циркуляцией наиболее эффективен метод, основанный на использовании конформного отображения области вне радиальной решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками на вспомогательную каноническую область. В указанном случае задача сводится к отысканию двух аналитических функций - функции конформного отображения многолистной области, ограниченной радиальной решеткой профилей с вихреисточниками на внешность многолистной римановой канонической области, и комплексного потенциала течения на поверхности данной канонической области.

На базе аэродинамической особенности в виде адаптивного вихреисточника, включающего сток, формирующий вихрь за счет тангенциального поступления управляющего потока в вихревую камеру, и два источника равной интенсивности, расположенных в сопряженных относительно ЗКТГ, построена математическая модель влияния его параметров на положение ЭКТ профиля и на аэродинамическую нагруженность круговой решетки кусочно-гладких профилей.

Предложенная модель, разработанная на основе конформного отображения области вне радиальной решетки кусочно-гладких профилей с

адаптивными вихреисточниками на систему j=k концентрических окружностей, идентифицирует входной канал стока адаптивного вихреисточника, определяемого координатами e¿,,e¿, и характеризующегося интенсивностью q{, выходной канал источника адаптивного вихреисточника, определяемого координатами 8¡¡,, 8¿ и характеризующегося интенсивностью q,{, а также вихрь с интенсивностью циркуляции pJ, расположенного в ЗКТГ кусочно-гладкого профиля

Таким образом, на j-й окружности в области конформного отображения S, формируются четьфе критические точки, то есть точки на j-ы отрезке кусочно-гладкого профиля круговой решетки, в которых скорость основного потока равна 0: передняя критическая точка 9/ , задняя критическая точка критическая точка, обусловленная наличием стока адаптивного вихреисточника критическая точка, обусловленная наличием источника адаптивного вихреисточника .

Наличие в ЗКТГ 0'3 вихря адаптивного вихреисточника с интенсивностью циркуляции р{ индуцирует вокруг круга единичного радиуса

PÍ

в области концентрических окружностей скорость, равную — ,

способствующую смещению ЗКТГ в ЭКТ .

Уравнение скорости обтекания j-го круга радиуса /, > 1 в области Sr, с учетом метода особенностей Чаплыгина С. А., интеграла Коши и теории вычетов, получено в диссертационной работе в виде:

где Д0зр = 03p - 03 ; Pj - комплексный потенциал в плоскости у'-го круга радиуса /у >1; г, =1/в' - комплексные координаты точек в области S/, г, = t¡ на окружностях радиусов lj.

С учетом свойств функций комплексного переменного уравнение для положения ЭКТ профиля получено в виде:

ву=е;+д9у -е; -о7 + еу + в7 = э7 + agí +де7 m

4 3 Зр ни кс с и 3 Зр 3<7

где ес = 0,59íi + = !0и1 = |е?| - угол, определяющий положение

середины входного и выходного каналов адаптивного вихреисточника;

Д9з, = 2(0с "е*,) - угол смещения ЗКТГ в ЭКТ от действия стока и

источника; = = 1ек»1.

Поскольку именно положение ЭКТ, то есть точки схода потока с профиля, определяет величину циркуляции вокруг него, а следовательно, и

аэродинамическую нагруженность круговой решетки профилей, величина

угла смещения (Л0зР + л9з,) эквивалентна величине прироста циркуляции, то есть аэродинамической нагруженности круговой решетки профилей.

Таким образом, в диссертации построена математическая модель, позволяющая объяснить физический процесс изменения циркуляции вокруг кусочно-гладкого профиля и аэродинамической нагруженности круговой решетки при воздействии на основной поток адаптивного вихреисточника. Согласно интегралу Коши и теории вычетов:

| =РУ + Р^+ ч1), (3)

где - интенсивность циркуляция вокруг окружности радиуса V = 1 в области ^ при отсутствии вихреисточника; - интенсивность стока; д^ -интенсивность источника; р^ - интенсивность циркуляции адаптивного вихреисточника.

С учетом уравнений (2), (3) аналитической модели, получим формулы для расчета интенсивности стока д'с и источника адаптивного вихреисточника и дополнительной циркуляции , возникающей вокруг

окружности единичного радиуса в области ^ от воздействия стока, источника и вихря адаптивного вихреисточника на основной поток:

(4)

PÍ, = 2яфш( - 9+ sin( 9зр - 0¿2) - sin в{, -- sin(9jp - в^) - sin(0jp - 9;^)] + р{.

Математическая модель, устанавливающая зависимость параметров адаптивных вихреисточников с циркуляцией, то есть аэродинамической нагруженностью круговой решетки кусочно-гладких профилей, позволила получить формулы для расчета критических точек на концентрических окружностях:

а>

—cose^ +C0S(QJ4 -OÓcosAO^

К =0« =К| = 0,59^ +0,59'-arcsir^--, (5)

где Д9^= 0,59^,-0,50^.

я' ,

— - eos 9^ + cos(QJq - 9^)eos Д9^ t

84 = О,50з + + aresin —- . -+ arcsin:b-; (6)

' 2 sin 0,50' 2 nq

Таким образом, уравнения (5), (6) для расчета положения эффективных критических точек круговой решетки кусочно-гладких профилей с

адаптивными вихреисточниками подтверждают достоверность первого научного положения, а уравнение (4) для расчета циркуляции, определяющей аэродинамическую нагруженность вышеуказанной круговой решетки профилей — достоверность второго научного положения.

В четвертой главе на базе метода конформных преобразований с использованием теории присоединенных вихрей, турбулентных струй, аэродинамики тел со струями, теории функции комплексного переменного и вычетов в диссертации построена математическая модель аэродинамики вращающейся круговой решетки аналитических кусочно-гладких профилей произвольной формы с адаптивными вихреисточниками в их угловых точках.

Каноническое представление круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками в их угловых точках в виде 4к-листного контура позволяет свести задачу аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки кусочно-гладких профилей произвольной формы с вихревым управлением циркуляцией, на базе использования теоремы Римана для односвязных многолистных областей, к построению двух аналитических функций: функции Я(г) отображения «Ышстной римановой области внешности окружностей радиусов > 1 на область течения, ограниченную 4£-листным контуром римановой области круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками и комплексного потенциала Р[Я{г)] в пк-листной римановой области кругов с радиусами > 1.

Рассмотрение общего случая аэродинамики круговой решетки аналитических кусочно-гладких профилей произвольной формы приводит к необходимости построения функции конформного отображения К(г) в четыре этапа.

Первый этап построения функции конформного отображения Я {г) для произвольного 4£-листного полигонального контура с угловыми точками осуществим на базе теоремы Кристоффеля-Шварца. Конформное преобразование позволяет установить зависимость между углами отрезков кусочно-гладкого профиля в области круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками и их конформным отображением в области круговой решетки кусочно-гладких профилей в виде отрезков логарифмических спиралей.

На втором этапе с использованием принципа гидродинамической аналогии и метода расчета обтекания произвольного профиля, представляющего собой отрезок кусочно-гладкого профиля между близлежащими угловыми точками, определяем функцию конформного отображения «¿-листной римановой поверхности внешности круга единичного радиуса, содержащую информацию об эквивалентной исходной решетке кусочно-гладких профилей в виде трансформированной в круговую решетку, составленную из отрезков логарифмических спиралей, на внешность «¿-листной римановой поверхности деформированных кругов,

идентифицирующих геометрию исходной круговой решетки кусочно-гладких профилей (б).

На третьем этапе проводим конформное отображение внешности пк-листной римановой поверхности деформированных кругов на 4&-листную римановую поверхность 5вЯ схематизированного контура круговой решетки аналитических кусочно-гладких профилей произвольной формы, составленных из отрезков логарифмических спиралей.

На четвертом этапе осуществляем конформное отображение на область течения вокруг кругов концентрических окружностей радиусами /, > 1. Для корректности задачи считаем, что область течения на 4£-листной римановой поверхности односвязная, соответствующий схематизированному профилю с вихревой камерой 4&-листный контур круговой решетки гладкий и набегающий поток не ограничен.

С учетом теоремы Гельмгольца, коэффициент циркуляции р вокруг кусочно-гладкого профиля с адаптивными вихреисточниками в к угловых точках на 4/с-листном контуре круговой решетки при фиксированном режиме обтекания в соответствии с математической моделью определяется по формуле:

J=] т=1 л=1 *0 л У=1 К=1

где т,п- подвижные и фиксированные особые точки на 4&-листном контуре круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками соответственно; = Д9К' - угол между ЗКТГ и ЭКТу-

го отрезка кусочно-гладкого профиля.

Наличие адаптивного вихреисточника в угловых точках кусочно-гладкого профиля позволяет обеспечить плавное их обтекание, устраняя тем самым отрывное вихреобразование, позволяя создавать аэродинамически устойчивые профиля большой кривизны, отличающиеся высокой аэродинамической нагруженностью. Весьма важным выводом для данного класса течений является возможность увеличения аэродинамической нагруженности и повышения адаптивности круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками в угловых точках без изменения положения передней критической точки профиля за счет изменения Д8*.

Приведенные теоретические исследования позволяют решить задачу аэродинамики круговой решетки кусочно-гадких профилей с адаптивными вихревыми источниками в их угловых точках.

Кроме того, полученные математические модели дают возможность исследовать частные случаи форм профилей, расположения вихреисточников и разрабатывать инженерные методики расчета радиальных аэродинамических схем повышенной аэродинамической нагруженности и адаптивности с управляемой циркуляцией.

чК

N __ X ______ - - __3 _

. _ -

4 ^ - ^ ____

5_ — . -- — .Г — ---

О 0,05 0.1 0,15 02 0.25 0.3 0.35

Рис. 5. Аэродинамическая характеристика решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками: 1 - классический профиль; 2 -вихреисточники с положительной циркуляцией; 3 - вихреисточники с отрицательной циркуляцией; 4 - вихреисточники с унимодальной

циркуляцией; 5 - вихреисточники с равнонаправленной циркуляцией

Уравнение идеальной аэродинамической характеристики вращающейся радиальной решетки кусочно-гладких профилей в виде отрезков логарифмических спиралей с адаптивными вихреисточниками в угловых точках получено в виде:

< = ЧЧ - +<>7-2>о' +*>0 + >1 м

к~\ к-1 (8)

>1 м

где УТо - коэффициент теоретического давления вращающейся круговой решетки кусочно-гладких профилей при нулевом расходе.

На рис. 5 приведена идеальная аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками.

Приведенные в четвертой главе результаты подтверждают достоверность третьего научного положения.

В пятой главе изложены результаты моделирования и экспериментальных исследований ВМП повышенной аэродинамической нагруженности, адаптивности и экономичности.

Для обеспечения научной обоснованности и достоверности результатов экспериментальных исследований аэродинамики ВМП, с учетом правила Фурье и следствия теории В.А. Веникова о подобии сложных систем, получены критерии подобия течения в вентиляторе с адаптивными вихреисточниками: \|/,, р,— коэффициенты расхода давления и циркуляции адаптивного вихреисточника; <у - коэффициент подачи вентилятора; 11е -число Рейнольдса; М - число Маха.

На базе статистического метода линейного планирования эксперимента получены уравнения регрессии для параметров радиально-вихревой аэродинамической схемы с адаптивными вихреисточниками, обеспечивающими максимальное приращение полного давления при к.п.д. вентилятора не менее 0,85 (см, рис. 3):

=2,54Ан -0,08Д(3; Ък = 0,11Д\|/ + 0,03Др; Яз = 0,66А„ -0,03ДР; (9) Ъг =Й+0,б4/г„; И2 = 0,11 Лз; 10 = 11 + 0,82й„; (10)

где Ьг - относительная ширина рабочего колеса на выходе; ¿о -относительный диаметр входа в рабочее колесо.

Произведена интерполяция функций для определения геометрических параметров вихревых камер, обеспечивающих максимальный прирост аэродинамической нагруженности рабочего колеса центробежного вентилятора без снижения к.п.д.

Полученные результаты, с достаточной достоверностью совпадающие с теоретическими данными, подтвердили существенное влияние параметров вихревой камеры на аэродинамическую нагруженность и адаптивность ВМП.

Экспериментальные данные, равно как и теоретические исследования, указывают на высокую эффективность применения вихревых камер в лопатках рабочих колес ВМП для формирования адаптивных вихреисточников с целью повышения их аэродинамической нагруженности и адаптивности.

На базе полученных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика синтеза радиально-вихревых аэродинамических схем повышенной аэродинамической нагруженности и адаптивности.

В шестой главе приведены данные по динамике вентиляционных режимов тупиковых выработок угольных шахт и предложения по разработке вентиляторов ВРВП-8, ВРВП-12.

Рис. 6. Вентилятор местного проветривания ВРВП-8

На базе статистических данных по тупиковым выработкам, характеристикам воздуховодов, нагрузкам на очистной забой, интенсивности метановыделения уточнены проектные поля вентиляционных режимов тупиковых выработок угольных шахт на период до 2020 г.

С использованием предложенной методики разработаны радиально-вихревые аэродинамические схемы: ВР 120 - 20 и ВР 150 - 22. На их основе спроектированы вентиляторы ВРВП-8, ВРВП-12 блочно-модульной конструкции, аэродинамические параметры которых эффективно перекрывают вышеуказанные поля вентиляционных режимов для длин тупиковых выработок: 1, > 1300 м (рис. 6).

Прирост номинального полного давления и подачи вентилятора ВРВП-8 в сравнении с вентилятором ВМЦ-8М составил: ДР = 140 даПа, ДС> = 2 м /с, то есть 25 %.

Годовой экономический эффект, обусловленный существенным снижением неэффективного расходования электроэнергии при комбинированном проветривании тупиковых выработок с применением ВРВП-8, составляет 0,32 млн руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена научная задача повышения аэродинамической нагруженности и адаптивности ВМП за счет использования радиально-прямоточных аэродинамических схем с адаптивными вихреисточниками.

Обоснованы технические решения для создания на базе разработанных радиально-прямоточных аэродинамических схем с адаптивными вихреисточниками ВМП блочно-модульной конструкции с повышенной аэродинамической нагруженностъю и адаптивностью.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Доказано, что низкая эксплуатационная эффективность ВМП газообильных угольных шахт обусловлена их недостаточной аэродинамической нагруженностью и адаптивностью. Используемые в настоящее время критерии оценки эффективности ВМП не в полной мере отражают их фактическую функциональную и экономическую эффективность.

2. Уточнены критерии оценки экономической и функциональной эффективности ВМП.

3. Показано, что адаптивный вихреисточник является аэрогазодинамическим аналогом круговой решетки кусочно-гладких профилей, то есть его параметры взаимосвязаны с положением задней критической точки кусочно-гладких профилей круговой решетки, определяя ее аэродинамическую нагруженность.

4. Разработаны математическая и графическая модели, устанавливающие зависимость аэродинамической нагруженности круговой решетки кусочно-гладких профилей от параметров адаптивных вихреисточников.

5. Разработан метод аэродинамического расчета круговой решетки кусочно-гладких профилей произвольной формы с адаптивными вихреисточниками.

6. Построена математическая модель аэродинамики круговой решетки кусочно-гладких профилей в виде отрезков логарифмических спиралей с адаптивными вихреисточниками.

7. Разработана математическая модель идеальной аэродинамической характеристики радиальной решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками.

8. Получены критерии подобия течения в вентиляторе с адаптивными вихреисточниками.

9. Теоретические выводы служат научной базой разработки конструкторских и технологических решений для создания высоконагруженных, адаптивных вентиляторов местного проветривания типа ВРВП.

10. Годовой экономический эффект от эксплуатации вентилятора ВРВП-8 составляет 0,32 млн руб. в год.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России

1. Горбунов, С. А. Аэродинамический расчет вентиляторов местного проветривания с вихревыми камерами/ С. А. Горбунов, В. Н. Макаров, Н. В. Макаров, Т. А. Корнилова // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2013. - № 8. - С. 162-167.

2. Корнилова, Т. А. Методика расчета параметров вихревой камеры вентиляторов местного проветривания угольных шахт / Т. А. Корнилова, С. А. Горбунов, В. Н. Макаров // Изв. вузов. Горный журнал. - 2013. - №8. - С. 121-125.

3. Макаров, В. Н. Перспективное направление повышения эффективности вентиляторов местного проветривания / В. Н. Макаров, С.А. Горбунов, Т. А. Корнилова // Изв. вузов. Горный журнал. - 2013. - № 6. - С. 124-129.

4. Макаров, В. Н. Методика расчета угла раскрытия межлопаточного канала рабочего колеса шахтного вентилятора / В. Н. Макаров, С. А. Горбунов, Т. А. Корнилова // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2013,-№8.-С. 181-186.

Работы, опубликованные в других изданиях

5. Макаров, В. Н. Перспективный способ повышения эффективности газоотсасывающих шахтных вентиляторов / В. Н. Макаров, С. А. Горбунов, Т. А. Корнилова // Горный вестник Узбекистана. - 2013. - № 3. - С.45-49.

6. Макаров, В. Н. Исследование циркуляционного течения атмосферного воздуха под действием силы Кориолиса / В. Н. Макаров, С. А. Горбунов, К. В. Баутин, С. П. Баутин // Известия УГГУ. Вып. 2 (30). - 2013. -С. 35-39.

7. Макаров, Н. В. Радиально-вихревые прямоточные вентиляторы местного проветривания. Особенности идеальной аэродинамической характеристики / Н. В. Макаров, С. А. Горбунов // Материалы Уральской горнопромышленной декады. - Екатеринбург, 2013. - С. 386-387.

8. Макаров, В. Н. Анализ и предложения по повышению аэродинамической нагруженности шахтных вентиляторов / В. Н. Макаров, С. А. Горбунов, Т. А. Корнилов // Известия УГГУ. Вып. 3. - 2013. - С. 28 -32.

Патенты и авторские свидетельства

9. Патент №2525762 (Россия), М. кл. Р04Б 29/28. Радиально-вихревая турбомашина / Горбунов С.А., Макаров Н.В., Макаров В.Н. и др. Заявлено 20.05.13. - Опубликовано в БИ 2014, № 23.

10. Клапан прямоточный: пат. 2187888 на полезную модель № 116939, М. кл. Р 16 К 15/14; Клапан прямоточный / С. А. Горбунов, приоритет 14.12.2011 г.; опубл. 10.06.2012 г.

Подписано в печать «11 » ласп-тсс. 2015г. Формат 60x84/16 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