автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Принципы проектирования рабочих колес автоматически регулируемых шахтных осевых вентиляторов

Научно-исследовательский институт горной механики ». им. M, М. Федорова

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАБОЧИХ КОЛЕС АВТОМАТИЧЕСКИ РЕГУЛИРУЕМЫХ ШАХТНЫХ ОСЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

БЕЗЗУБКО Игорь Анатольевич

Донецк - 1995

Диссертация является рукописно

Работа выполнена в Научно-исследокзтельском институте горной механики им.М.М.Федорсм.

Hay (иый руководитель: лауреат Государственной престал СССР,

доктор технических наук, профессор IIAK В.В.

Офшимльньге оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЛЕВИН ЕМ.

Ведущее нредпрМ1й«

Кандидат технических науг, КЛЕПЛКОВ 11.13.

Донеиигй государственный прехктнэ-КойсТрукторс&ий и экспериментальный институт комплексной механизации шахт СДоНгапроугдемаШ).

Зашита состоит ей «23 » ^cafíYP*. jgg5 r р часов на заседании специализированного совета К 135.09.01 при НИИГМ им.М.М.Федороса по адресу: 3-40055 Донецк-55, tifi. Театральный, 7, ШШГМ им.М.М.ФедороЕ), актовый ял.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-техМичеслой библиотеке института.

Автореферат разослан

;«2з

1995 г.

v

Ученый секретарь . специализированного соЕета, кандидат технических наук

Богатов И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Л5туз.з1>ность работы. Ритмичная и безопасная работа горнорудных предприятий в значительной с тепени зависит от надежности вентиляторных установок главного проветривания и ич способности и обеспечении непрерывно и интенсивно изменяющихся потребных режимов пронетриизння. Эти устанотял являются крупнейшими потребителями энергии на горных предприятиях. Поэтому обеспечение надежное™ и аффжтивности их работы является первостепенной задачей.

Мироше тенденции и гналнз отечественного опыга дает осногатшя сделтгь вывод, что наиболее эффективный путь удовлетворения указанны:: требований состоит в применении шсскошпорных одноступенчатых

/

осевых вентиляторов с поворотными на ходу лопатками рабочих колес и с ПОЕЫ1 ценной частотой крашения.

Текие- вентиляторы наилучшим образам обеспечивают требуемые диапазоны подач, давлений и скорости их изменений. За счет быстрого и точного регулирования режимов работы вентиляторных установок достигается значительная экономия энергоресурсов, повышается безопасность горных работ. Одноступенчатое исполнение позволяет повысить надежность машины в целом, снизить материалоемкость, габариты и расходы на капитальное строительство.

Поскольку традиционно применяемые лопаточные системы, составленные нз стандартных эмпирически отрабо танных профилей, практически исчерпали резервы повышения параметров и экономичности, для реализации указанных сьойств вентиляторов на высоком техническом уровне требуется создание новых рабочих колес, обладающих высокой аэродинамической эффективностью, надежностно, простотой изтотоале-нил и обеспечивающих возможность реализации рациональной конструкции механизма одновременного поворо т лопаток.

В этих условиях актуально!) задачей является обобщение и дальней шее развитие сушес гиуюших и создание новых методов проектирования и расчета рациональных лопаточных систем.

Объектом нсследобания является лопаточная система шахтных осевых вентиляторов.

Предметом исследование являются особенности обтекания и силового нагружения лопаточных систем шахтных осевых вентиляторов и методы проектирования их рациональных конфигураций.

Цель работы: разработка принципов проектирования рабочих колес Шахтных осевых вентиляторов с поворотными на ходу лопатками, обеспечивающих высокую аэродинамическую эффективность, простоту конструкции и повышение надежности работы при регулировании.

Иде® работм заключается в совместном анализе аэродинамического обтекания идеальной жидкостью, ржи гия пограничного слоя и силового нагружения лопаточной системы рабочего колеса при поиске ее рациональной конфигурации.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы: аналитический метод исследования течения в многорядных лопаточных системах на базе гидродинамической теории решеток и методов пограничного слоя; метод расчета характеристик пространственного распределения масс совокупности тел; экспериментальные исследования зэродишмши вентиляторов на Моделях.

Научные пояошенця, защищаемые » диссертационной работе, и новизна:

- аналитический метод исследования' аэродинамики рабочих колес, образующих решетки общего вида, позволяющий расчетным' путем получить данные об обтекании и аэродинамической нагруженносги лопаточной системы;

- впервые решена r обшей поспшогае обратная аэ|х>динаммческая задача метода дискретных вихрен на базе меч одой Иыот она и наименьших квадратен в гиде, нпзполятощгм пнзлизнрокпь корыстность расчетной модели;

- задача расчета ценгрооеж.нмх сил и моментов, лейсп^чоших на

- лопатку осевого ьштилтто! ö во крашении, сгедена к расчету ее геометрических характеристик, для чего впервые получен метод расчета всех компонентов reinopa коэффициентов пространственного распределения масс произвольного порядка и размерности для любых тел; алгоритм вычисления этих величин може г быть использо-пли для численного интегрирования функций по многомерным объемам сложной конфигурации;

- прямой и обратный метод i юграничного слоя>; постановке Ле Фолля модифицирован и применен для поиска оптимальных эгйор скоростей как исходных данных для получения соответст вующей конфигурации лопатки с помощью решения обратной аэродинамической задачи;

- разработан метод проектирования высокоэффективных рабочих колес автоматически регулируемых осевых вентиляторов с требуемым MOMejtTOM относительно оси Поворота лопатки, основанный на итерационном процессе совместного решения обрат ..ий задачи потенциального обтекания, прямого и обратного метода noqxmira-ного слоя и задачи расчета оптимальной конфигурации лопатаи в смысле центробежной нйгрузки;

- для нужд проектирования и изготовления разработага аналитическая модель задания конфигурации лопатки осевого вентилятора и, п том числе, найдено оригинальное описание телесного профиля, включающее стандартную форму как частный случай. Достотерпосл. научных полодетш обосновала:

- использованием фундаментальных положении метода пограничного слоя и гидродинамической теории решеток;

- применением теоретически и эмпирически обоснованных метола дискретных вихрей и вычисли-тельных схем развития пограничного слоя;

- сведением задачи расчета цен тробежных сил и моментои, действующих на рабочие логшзси, к расчету коэффициентов npocrpai;crE2H-ного распределения масс лопатки, а также построением общего метода расчета этих коэффициентов и соответствием их расчетных гчзличин известным аналитическим и экспериментальным данным;

- хорошим сооткпхггвием результатов теоретических нсследоьаний аэродинамики новых лопаточных систем данным физических экспериментов, проведенных на моделях;

- сравнительными аэродинамическими испытаниями моделей вентиляторов с существующими рабочими колесами и созданными в соответствии с разработавдыми методами.

Пзучпос т upa&Tirtcczoc значение работы. Предложенные принципы проектирования на-базе разработанного комплекса взаимоувязанных методов аэродинамики и механики позволяют исследовать И создавать рабочие колеса шахтных осевых автоматически регулируемых вентиляторов с учетом разных сторон свойства их оптимальности.

Метод дискретных вихрей естественным образом расп}ккл ранен на обратную аэродшгамйческую задачу общего вида.

Разработан общий метод расчета центробежных нагрузок на лопатки на основе расчета величии коэффициентов пространственного распределения масс произвольных тел.

Для всех рассматриваемых методов разработаны алгоритмы и их программные реализации для персональных компьютеров типа PC XT/AT, что создало реальную базу для проектирования рабочих колес шахтных осевых автоматически регулируемых вентиляторов путем численного эксперимента на ЭВМ и тем самым ускорить этот процесс и

сократить до минимума объем дорогостоящих и продолжителен! ¡х по рремени физических экснериментоп.

Резллзшш результатоп рзботл. Ра:.рзботаннал лопатка для рэ-бочего колеса, получившего обозначение РК-23, заложена в проекты шахтных осевых автоматически регулируемых вентиляторов ВОЛ-ЗО, ВО-30 (Доншпроуглемаш) и ВО-21 (НИПКТИгормгш). Два опытных образца ВО-21 изготовлены на экспериментальном заводе НИПКТИгормаш и переданы заказчику ПО «Северокузбассуголь» для эксплуатации. Рабочее колесо РК-24 воплощено в проекте Донгип|:юуглемаш для одноступенчатого автоматически регулируемого вентилятора ВДО-2В.5, который изготавливается Барнаульским котельным заводом ПС) «Сибэнергомаш»' для блоков 500 МВт.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на заседаниях научно-технического семинар «Шахтные турбомашины» и ученого совета НИИГМ им.М.М.Федорова (г. Донеш, 1988-1993 гг-)> на научно-технической конференции «Вопросы развития стационарных установок угольных шахт» (г. Доненк, ДПИ, 1988 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Повышение эффективности тягодутьевого оборудования для энергетики и машиностроения» (г. Красноярск, 1991. г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура м ооъем работы. Диссертационная |ибота состоит из введения, пяти ■ ¡хилслов, заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, в том числе 17 рисунков, 3 таблицы, содержит список 73 использованных источников и 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Переход к одноступенчатому исполнению вентиляторов и повышенным оборотам ротона щшлически исключает возможность применения

стандартных рабочих лопаток, детально исследованных и обработанных, но исчерпавших резервы повышения параметров и эффективности. Кроме того, такие лопатки затрудняют реализацию автоматического регулирования невозможностью реверса [изворотом их на большой угол, большими центробежными нагрузками, передаваемыми механизму поворота, относительно большим их количеством на рабочем колесе, что затрудняет размещение механизма поворота в стесненных условиях втужи и понижает его надежность.

Поэтому существует необходимость разработки новых лопаточных систем специально для рабочих колес шахтных осевых автоматически регулируемых вентиляторов, отвечающих указанным требованиям.

Для разработки таких схем необходим комплекс методов, охватывающих разнообразные стороны оптимальности рабочих колес осевых вентиляторов и реализующих принципы их рационального проектирования.

Таким образом, цель работы заключается в разработке принципов проектирования рабочих колес шахтных осевых вентиляторов с поворотными на ходу лопатками, обеспечивающих высокую аэродинамическую эффективность, простоту конструкции и повышение надежности риботы при регулировании.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие основные задачи исследований: - разработать надежный и эффективный метод анализа обтекания лопаточных систем, расчета их аэродинамических параметров и профилирования прд требуемое расчетное задание (обратная аэродинамическая задача) на основе методов расчета течения невязкой несжимаемой жидкости;

- учесть вязкость рабочей среды на базе методов пограничного слоя с возможностью анализа качества эпюр скоростей на поверхности до-патхи с точки зрения отсутствия отрыва и получения оптимальных распределений скорости в смысле минимума потерь для последующего применения обратной аэродинамической задачи для поиска соответствующей конфигурации лопатки;

- разработать общие методы расчета центробежных нагрузок на лопаточную систему рабочего колеса и достижения требуемых их значений за счет специального проектирования конфигурации лопаток с учетом аэродинамического качества;

- создать полые рабочие колеса на оснспе разработанных принципов проектирования и испытать их.

Для исследования обтекания лопаточных систем шахтных осевых вентиляторов в работе обоснована рациональность применения хвазитрех-мерпых методов потенциального обтекания профилей невязкой несжимаемой жидкостью, исходная постановка которых основана на интегральных уравнениях, а 5 качестве численной реализации исходных интегральных уравнении Целесообразность использования метода дискретных ШХреЙ.

Применение метода дискретных пихрей обобщено : -.1 случай решеток общего шдя, составленных из произвольного количества и сочетания тонких и телесных профилей. Основные соотноц]ения для нормальных и касательных скоростей на контур" профилей имеют следующий вид:

" х- 3 • 9 0)

V gí-Fi;<¡ = п9х Sin С/- COS О,

" Г 9 Р - (2)

Индекс pi,2,...л определяет совокупность контрольных точек профилей периода решетки, в которых должны выполняться эти соотношения, т.е. систему уравнений. Суммирование по тшексу i должно

вы! юлнятъся для всех вихрей периода решетки, ибо все они без исключения вносят вклад в величину скорости в любой точхе области обтекания, численно выражаемый левыми частями этих соотношений. Воздействие' компонент w*° и wy° набегающего потока учитывают правые части уравнений. Ко>ффш шя i гы F„ji и Ft,i, зависящие от взаимного положения вихрей и концюльных точек, в работе формулируются таким образом, что автоматически учитывают фактическое обтекания решетки отклоненным ею же входным потоком. Такой подход позволяет применять единую схему расчета обтекания прямых и Круговых решеток, уединенных групп профилей й кольцевых каналов.

При решении прямой аэродинамической задачи и перед каждой итерацией обрат ной входной поток и геометрия профилей решетки известны и, следовательно, коэффициенты Рн и углы наклона ej касательных к контуру в контрольных точках определены. Искомыми являются циркуляции дискретных вихрей gj.

Рекомендовано применение уравнений метода дискретных вихрей в размерном виде с учетом особенностей общепринятого представления расчетных параметров при проектировании аз[юдннагиичсских схем осе-гых вентиляторов. Для установления связи безразмерных параметров вентиля.! ора и ци[жуляшш, получаемых в результате решения системы уравнений, предложен вариант уравнения Эйлера:

OJ (3)

- - -Гйг •

Тонкие профили, как правило, представляются уравнениями вида (1). В работе подробно рассмотрены особенности формирования уравнений метода дискретных вихрей для двух вариантов моделирования телесных профилей: в виде условий непроницаемости профиля (уравнения (1)) и по равенству нулю касательных скоростей внутри его замкнутого коигура

V-

(уравнения (2)). При этом предложен простой и надежный способ вычие

лення диагональных элементов матрицы второго варианта для ра<крг ( гии неопределенности вила 0/0. Наличие телесных профилен а сопли решетки придает формальную переопределенность системе урвнешш метола дискретных [«{>:|кп1, для устранения которой предложено исполыопание метода наименьших квадратов в сочетании с различными формулировками гипотезы Чаплыгина-Жуковского, обеснечивлюпи-е единообразие подхода к расчету обтекания всех возможных видов |«теток в отличие от применявшихся до сих пор более громоздких и менее обоснованных методов.

Рассмотрены различные способы формирования обратной аэ[юдина-мической задачи общего вида с возможностью поиска рзниональной конфигурации лопаточной системы, обтекание профилей которой удовлетворяет: требованиям безударного входа или определенным углам атаки; заданным суммарным циркулшшям; требуемым эпюрам касательных скоростей на копту]*'. .Учитывая ко з| юстаюшее таким образом число уравнений системы, удовлетворить им юлько за счет циркуляиий нельзя. ¡Необходимо варьировать геометрические параметры решетки, чтобы добиться выполнения всех уравнений системы (т очного или в смысле наименьших квадратов). Состав этих параметров определяется характером проектирования лопатки. Наряду с линейно входящими в систему компонент ами к,, они образуют обший век тор неизвестных задачи, ставшей по существу нелинейной ввиду исключительно такого вхождения геометрических параметров в коэффициенты матрицы и правые части сист емы уравнений.

Учитывая характер нелинейности системы уравнений обратной задачи, для ее решения подложен метод Ньютона, обеспечивающий высокую схорость сходимости (3...5 итераций). Предложенный способ формирования системы уравнений обратной задачи учитывает линейное вхождение искомых циркуляции дискретных вихрей так, что п гзультате шага ме-

т ода Ньют она эти величины вычисляются а явном виде, тогда кед для шрьируемых нелинейных параметров, определявших конфигурацию рг-шатки, н:;:<од!П ел п.ч приращения. Способ варьирования отдельных геометрических ггарамецюв обобщен на случай согласованного изменения произвольной их совокупности (поит но выбранному направлению в подпространств параметров). Для обеспечения единообразия подхода, компактности и простоты при достаточной точности метода предлагает« измена производных мзтрииы >1коби конечными разностями.

Для решения переопределенной обратной задачи предложено со-ьшшй применение методов Ньютона в различных модификациях и наименьших квад^ гов. При анализе и решении возможных типов прямой и обратной задач метода дискретных вихрей наряду с так называемой нормально:": системой предложено использовать развитые методы наименьших квадратов, основанные на QR-алгоритме и сингулярном разложении матрицы системы уравнений.

Для нух;д проектироюши: и изготовления лопата; осспого иеитнля тора разработана аналитическая модель задания их конфигурации Тет;е найдено оригинальное описание телесного профиля, включающее стандартную форму как частный случай.

При проектировании ¡ибочих колес традиционного типа с однорядными решетками стандартных профилей, для которых накоплен большой объем эмпирических данных о действит ельных аэродинамических характеристиках в условиях вяакого потока, в теоретическом анализе пограничного Слоя нет необходимости, тогда как для специальных решеток, к числу которых от носятся решетки рабочих колес со сдвоенными лопатками. и полипланами, рекомендуемых в силу своих качеств для вентиляторов, регулируемых на ходу, это необходимо. Методы теории пограничного слоя дополняют расчеты об текания тел идеальной жидао-стыо для получения информации о наличии отрыва потока с обтекаемой

погерхностп, ггдмчинах гпутреннгго ¡1 пссерхиостнсго трения, толщинах штсснения и потерях энергии. В спсяо очередь эта нкфорл-тацяя помогает уточнить модель невязгого сбтслпнт и обеспечить ее коррехтность

Предлагается ппюльзсг.зть интегральные методы ногряиичного слоя, причем тагеие, которые применимы для кыссхонагруяенных ранеток компрессорного типа, хзрЕГгеризугаишхся большими положительными градиент» дгэяемия: ТруКхенбродта, Уайта, Ле Фолля.

Наиболее полно постазленным' в данной работе задачам сооттетсг* гует М'гтол Ле '1юлля. О!! модифицирован для !;спсфопсп;е1 ¡1 юго решения прямой и обратной задач пограничного слоя, то ест» для получения либо пгргметроа пограничного слоя з плоскости 1.,-Х по известным сгссрам схорссгей, либо, наоборот, для нахождения распределения скоростей, соотсетствуюшего ептпктыюму развитию пограничного сдоя и минимуму по терь давления. Прямую задачу пограничного слоя следует применять после прямой или обратной аэродинамической задачи, п обратную задачу пограничного сдоя - перед обратной аэродинамической. Осисгиые соотношения в работе предспгалены я гиде, использующем непосредственно эпюру скоростей без дополнительные г;ч>ме;куточнт »»личин:.

¿Г-Г« П'тЕСа(\ + 2ЛГ) Й£ = 0, (4)

^-тгтз^(5)

Данная система обсушена ш случай расчета пограничного слоя ,-п тонкой отрыва, для чего йрттпется со вникшие зкж трзметра Ц а тале рассмотрено ее псЕеленне я окрестности Ь 0.

Вопрос об оценке потерь давления в-сдвоенных лопзткз:; и иолилла-нзх, зэ исхяопением схемы "тандем", з литература не ссвеикм Предлагается суммировать эти потери по рядгм решетки, что дает дсстатоппо

i очные, но несколько заниженные, величины для решетки с большим сближением рядов но отношению к ее шагу.

Оценки пагруженностн peine гки rio критерию .Либлейнз, основанному на его классической корреляции для стандартных профилей, дает надежные результаты но огрызу и для многорядных решеток.

В работе рассмотрен юмрос расчет а пз|юдишмических сил и моментов, действующих на лопатки осевого теш илягора. К}>оме toro, имеют место значительные по величине центробежные нагрузки. Важно уметь их [«ссчитыватц а для проектируемых рабочих колес сколько это возможно уменьшать (в пределах разумного компромисса с аэроднна-мичеаспм со^ршенством лопате,;;).

Задача определения центробежных сил и моментоз, действующих i» лопатку осевого вентилятора ко крашении, сводится к ргсчету определенных ее геометрических пт.рзметрок, называемых коэффициентами прост рянеттенно! о распределения массы. Для этого телесные и листовые лопатки »¡юдстапдяотся кгж совокупности симплексов, то есть соотЕет-сз пенно тет]да.цроз или п)Хст|:йнстБенных т^гсугольиихон заданной толщины.

Предложен общий метод расчета э nix коэффициентов произвольного порядка и размерности. Вся совокупность коэффициентов пространственного распределения масс определенного порядха составляет тензор того же ¡»uní, поэтому при расчетах этих характеристик для другого пространственного положения лопатки можно воспользоваться известными правилами преобразования тензоров.

Рассмотрю влияние различных геометрических параметров лопатки га компоненты ucin робезишх сил и моментов и пути их уменьшения. В качестве наиболее эффективного решения этой проблемы предложен метод проектирования самоуравионешенных лопаточных систем, позво-

л.'зоший исключить использование контргрузов. Наиболее естественно п удобно этот метол применим к сдвоенным лопаткам.

Исходными данными в этом случае являются объемы лопастей V] и У?, а тэк;хе их центральные моменты ипершш и Ур}. Искомыми являются тткие подозрения центроп

объемов этих тел Х[, у 1 и X;, ут, чтобы обший центр масс двух лотстеп делал на оси поворота лопатки и момент центробежных сил относительно этой оси был нулевым для любых углов установка В итоге получаем систему уравнений:

•»1 = ' у

Л', (?)

гд: I

-ЧА = -т

; ( ♦ )» У'х - Ухи I- Ужл Угу Уп' » Ут Ууу ~ Ууу + Ууу

Отсюда непосредственно находим Х| и уь а кг и уг - из условна нулевого положения общего центра масс в плоскости >:Оу. В работе рассмотрен также более обший метод сзмоураи?овеш!''';1;ия лопятсх гарьнротанием радиальных линий совмещения сечений лопаете!!.

Проектирование высгаоэффекттных лопаточных систем рабочих колес шахтных осевых автоматически регулируемых вентиляторов предлагается осуществлять в виде итерационного процесса последовательного решения обратной аэродинамической задачи, прямого и обратного метода пограничного слоя и оптимизации конфигурации лопатки в смысле цент рсбоаных нагрузок.

Предложенный алгоритм расчета коэффициентов может самостоятельно быть использован для расчетов геометрических харгктеристш проиэю-шэлх тел в различных технических приложениях, а таихс для

численного интегрирования функций по многомерным объемам сложной конфигурации.

Описанные методы расчета п полном объеме реллизоганы в еще щюграмм для персонального компьютера типа PC XT/AT, что позюллет процесс п[хкг, гирования вентиля тор на определенное задание свести г. численному эксперименту ни ЭВМ.

При проекчировании [¡еальных рабочих колес был задспстгх.:,:гн аппарат всех кышеигложенных методов

Pa.?¡ ибо гана ээролинамнчеаш схема одноступенчатого штшгто-[я для рабочао колеса PiC-23. По сравнению с достаточно совершенным з ап|х>д!и;.!'»!!;ч1?ском отношении рабочим колесом РК-15 с обычным« i е лесными лопатками, рассчич энными по методу ЦАП1, рабочее колесо РК-23 не уступает ему по достигнутым аэродинамическим показателям, но имеет на 40% меньшую густоту лопаточных решеток и более

1Ц ЮСГуЮ KO¡ ¡Пру* ШйО.

Достаточно высока значение максимального статического КИД этой схемы, разное 0.82, получено на режиме, соотсетствуюшем коэф-фициенч ям подачи 0.225 и статического давления 0.494, что обеспечигэет следующие номинальные величины гатурной установи с Ееягияятором диаметром 2.1 м при п ш 10Ш о&мш: Р, = 3600 Па, Q ■ 86 м5с~ Безразмерные регулировочные ха|кктеристихм схемы по результатам эксперимента приведены на рис. 1.

На основе рабочего колеса со сдвоенными листовыми лопатками со здана таше высокоэффективная аэродинамическая схема лля рабочего колеса РК-24. Вентилятор диаметром 285 м, выполненный по этой схеме, с лредотрыгным диффузором при частоте вращения ротора 980 oo'ívüüi на режиме максимума полного КПД, достигающего, 0.9, обеспечивает подачу 248 nJc при полном давлении 6СОО Па. Аэродинамические

хграхтсриспки данной схемы для угла ус-пики«» 37' (угол максимума КПД) пркгялеиы на рис. 2

Рабочее холесо РК-23 заложено з проекты шахтных осешх автоматически регулируемых сеншляторюв BOA-30, ВО-30 (Донгипроупи-маш) и ВО-21 (ШШКТПгормаш). Два опытных образна ВО-.11 изготовлены нл экспериментальном заводе ШШКТИгормаш и тредами ззкззчжу ПО «Осерокузбзссуголь» для эксплуатации. Рабочее ,солш) РК-24 воплошеио и проекте Донгиг^юуглемаш для одноступенчатого астоматнчесхи регулируемою вентилятор ВДО-28.5, который из! отапливается Блрнзулшснм котельным заводом ПО Члшэнергомаш» для блсжсз 500 МВт.

Экспериментальные исследования проводились на моделях вентипя-торов диаме тром 700 мм. В ссо шетсгкии с ГОСТ 1СГО21-74 ишользсм-лась устшюка с каме|юй для испытания вентилнто|»он на ксасыв.шне. При акустически:; измерениях нспользовалгсь аппаратур« фирмы «Роботрон» (ГДР); компенсаторный микрофон МК-221, точный импульсный шумо-мер Ш 023 со встроенными сктавнымм и TpfcHOKTaaiuMii фильтрами. Лопатки моделей рабочих колес FK-23 и РК-24 были изготоалены из стеклопластика на основе нескольких слоев стеклоткани и эпоксидного связующего методом контактной выя лейки. Толщина лопастей составила 2 мм. Координаты сечений для изготовления шаблонов бы ли получены с помощью графических возможностей компьютерной программы прю-ектнрюнзния лопаток вентиляторе, разработанной азторюм.

Получено практически полнее совпадении рассчитанных по меюду дискретных вихрей и экспериментально полученных записимост ей коЦ>-фипиента теоретического давления от коэффициента подачи.

Аэродинамические испытания новых разработанных лопаточных систем показали их преимущества по аэродинамическим параметрам и эффективности по сравнению с лучшими существующими схемами.

û 6 О. 5 С. А О. 3

о г о. i

Рис. 1. Регулировочные характеристики модели РК-23.

■0.6 '■

0.4

Ia'3.

Рис 2 Аэродинамические характеристики модели PK-24.

Акустические испытания новых разработанных лопаточных систем показали несушестпенные отличия их шумовых характеристик от соответствующих лля сушссгпуюших аэродинамических схем.

Вследствие сокращения количества узлов поворота и компенсации центробежного момента за счет спепшлыгого проектирования системы сдвоенных лопаток обеспечена возможность предельною упрощения конструкции рабочего колеса с механизмом поворота лопате« на ходу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научная задача, состоящая в создании комплекса взаимоувязанных методов аэродинамики и мехглнкп для реализации принципов рационального проектирования и нсследованиг рабочих колес Шахтных осевых вентиляторов с поворотными на ходу лопатками, что обеспечивает Их высокую аэродинамическую эффек гив-ность, простоту конструкции и повышение надежности работы при регу-лнровашш.

Основные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. В рабо те получил дальнейшее развитие и обобщение метод дискретных ких[)ен применительно к исследованию аэродинамики рабочих колес осевых вентиляторов, лопаточные системы которых моделируют -ся решетками общего вида, составленными из произвольного количест ва н сочетания тонких и телесных профилен. Предложен метод, которь!и обеспечивает единообразие подхода к расчету обтекания таких решетсх и позволяет анализировать коррехтносп расчетной модели. Метод дм ?т.ретпых вихрей формулируется с учетом осазеннсстей общепринятою представления расчетных параметров осеянх шгпштороя на ссногг предложенного вариант уравнения Эйлера.

2 На бате методов Ньютона и наименьших кгалрзтоз июрше решена я обшен постаногхе обратная аэродинамическая задача метода дискрет

пых вихрей с возможностью поиска рациональной конфигурации лопаточной системы и|юизвольною т ипа, об г екание иуюфилей которой удовлетворяет: т]х*Зованиям безударного входа или определенным углам атаки; заданным суммарным циркуляциям; требуемым эпюрам касательных скоростей на контуре. Способ варьирования отдельных геометрических па{)аметров обобщен из случай согласованного изменения произвольной их совокупности. Метол обеспечивает высокую ст.о[юстъ сходимости итераций и единообразие подхода к решению прямой и обратной задач.

3. Уче т вяжости рабочей среды предложено осуществлять на основе интегральных методов пограничного слоя, применимых к лопаточным системам осевых вен тиляторов, которые характеризуются большими положительными градиентами давления. С этой целыо Модифицированы и применены прямой и об}мтный метод пограничного сдоя в постановке Jie <1ч>лля с возможностью анализа качества 3icop скоростей с точхи зрения отсутствия отрыта и получения оптимальных {нспределгний скорости в смысле минимума потерь для последующего поиска соответствующей конфигурации ло! та тки.

4. Задача расчета центробежных сил и моментов, действующих на лопатку осевого вен тилятора во вращении, сведена к расчету ее геометрических характеристик для чего впервые получен метод расчета всех компонентов тензора коэффициентов тцюстранственного распределения масс произвольного порядка и размерности для любых тел. Алгоритм вычисления этих величии может быть использован для численного интег рировання функций rio многомерным объемам сложной конфигурации.

5. Рассмотрено влияние различных геометрических параметров до--патки на компоненты центробежных сил и момент ов и пути их уменьшения. В качестве, наиболее эффективного рлменил этой проблемы предложен метод проектирования самоуравнонешенных лопаточных систем, позволяющий исключить использование котггрфузоз. Наиболее ее-

тестЕенно и удоено этот метод применим к сдвоенным ломикам, получающим все большее применение в шахтных осевых вентиляторах главного п[юветригания, а также их обобщенно - полипланам.

6. Проектирование высокоэффективных лопаточных систем рабочих колес шахтных осевых автома гически регулируемых вент илятс>|х>в ii¡ излагается осуществлять в виде иг ерлшюнного процесса последоват елыюго решения обратной аэродинамической задачи, прямого и образ ною метода пограничного слоя в-постановке Ле 11"оддя и оптимизации конфигурации лопатки в смысле центробежных нагрузок.

7. Для всех рассматриваемых методов раз[ибогапы алгоритмы и их программные ¡юализаиии для персональных компьютеров типа PC XT/AT, что позволяет свести процесс П|х>ектирования вентилятора на определенное задание к численному эксперименту на ЭВМ при минимальных объемах физических эксперимен тов. Для нужд проектирования и изготовления разработана аналитическая модель задания конфигурации лопзтки осевого вентилятора.

8. На' основе предложенных принципов проектирования разработаны лопзтки для рабочих колес, получивших обозначения РК-23 и РК-24, которые были заложены в проекта осевых автоматически ^гулируемых вентиляторов ВОА-ЗО, ВО-ЗО, ВО-21 и ВДО-28.5; экспериментальные образцы которых изготовлены и переданы в экспду d i апию. Аэродинамические и акустические испытания новых разработанных лопаточных систем показали их- преимущества по аэродинамическим параметрам, шумовым ха[яктеристикам и эффективности по сравнению с лучшими существующими схемами. Вследствие сокращения количест ва узлов поворота и компенсации центробежного момента за счет специального проектирования системы сдяоенных лопаток была обеспечена возможность предельного упрощения конструкции рабочего колеса с механизмом поворота лопаток на ходу.

Основные положения диссертант! онублпкоганы в следующих работок

1. Руденко В.А., Беззубко И.А Решение обратной задачи аэродинамического расчета рабочих колес осевих вентиляторов с многорядными лопаточными решетками // Стационарное оборудование шахт: Сб.науч.трудов/ВНИИГМ им.М.М. Федорова,- Донецк, 1987.- С151-156.

2 Беззубко И.А., Рудой;-.о В.А. Применение метода дискретных вихрей к расчету многорядных гидродинамических {«щеток телесных профилей II Проблемные задачи совершенствования стационарных шахтных установок: Сб.пауч. трудов /ВНИИГМ им. М.М. Федорова.- Допей:;, 1988.- С.127-136.

3. Руденко В.А., Беззубко И.А. Прямой и обратный аэродинамический расчет круговых вращающихся многорядных решеток профилей произвольной формы методом дискретных вихрей //Прогрессивное ооорудование Шахтных стационарных установок: Сб.науч.трудов /ВНИИГМ им.М.М.Федорова.- Донецк, 1989.- С144-153.

4. Беззубко И.А Расчет центробежных сил и моментов, действующих на рабочие лопатки осевых вентиляторов II Прогрессивное оборудование шахтных стационарных установок: Сб.науч.трудов /ВНИИГМ им.М.М.Федорова.- Донецк, 1989.- С.153-164.

5. Руденко В.А, Беззубко И.А. Разработка базовой аэродинамической схемы шахтного осевого вентилятора ВО-21 II Горная механика: Сб.науч.трудов /НИИГМ им.М.М.Федорова.- Вып.1, часть 1.- Донецк, 1991,-С250-260.

6. Беззубко И.А- Аналитическое описание профилей для лопаток шахтных осевых вентиляторов // Горная механика: Сб.науч.трудов /НИИГМ им.М.М.Федорова.- Вып.1, часть 1.- Донецк, 1991.- С.260-270.

7. Беззубко ИА Проблемы снижения величин центробежных нагрузок, действующих на лопазки осевых вентиляторов и механизм их пово-

рота ¡га ходу II Горная механика: Сб.науч.трудоп ЛЙШГМ нм.М.МФедо-posa.- Выл.2- Донецк, 1992- С112-120.

3. Ееззубко IIA Метод расчета коэффициентом прсстранстт;енного распределения массы лопатки осесого вентилятора II Горная механика: С6лйуч.трудов /Н1ШГМ им. M.M'1'едоро'и.- Еьш.2- Допет, 1992-С121-127.

9. Веззубко И. А, Руда то В. А. Формирование систем урагнений прямой и обратной задач метода дискретных цихрей и способы их решения II Горная механика: Сб.науч.трудсз /НИИГМ нм.М.М. Федорова. Вып.а- Дснега, 199а- G24-41.

АНОТАЩЯ

Веззубко I.A Прннципи прежтуплння робочих код1с автоматично регулшних шзхгр.их осьових BCimuiaTopin.

Дисерташя на здобуття вчепого ступеня кандидата техшчних паук за cneuiajnjiicno 05.05.06 - ripiüini машини, Науково-дослшшй шетитут прничо! мехшн'ки iмМ.МФедоропа, Донецьк, 1995.

В дисертзнн розроблеш прИНцшти проектукаиня, ski б^уються на сум1аюму а над isi аеродинам^чного.обтаання щеалыгою рщннсяо, роз-гитку cyMiy.Horo шару та силового навантаження допаточно1 системи робочого колеса при шуканш и оптимально! конфнурацн.

SUMMARY

LA.Bezzubko. The designing principles of automaticaly adjusted mining, axial flow fan impellers.

Thesis for the Candidate scientific degree of Technical science by speciality 05.05.06 - Mining Machin«, The Scientific-Research Institute of Mining Mechanics named after M.M.Fedorov, Donetsk, 1995.

To find an optimum configuration of impeller vane cascades were elaborated designing principles at the thesis, which are based on joint analysis of potential flow through vane cascades, boundary layer development and forces act therein.

Кязачоя! слоез: осъовий вентилятор, робоче колесо, решпка, проектуваиня, схема, дискретний вихор, циркуляшя, геродинам1чний розрахунок, система pisnsnb, сум!жнмй шар, Б1дрив, ламигарний, турбулентний, сила, момент сили, момент шерцп, тензор, пипробування, вим|'рк>ваиня.

iin. к печати 13.02.95г, Форьят 60x84/10. By№irn типографская сл.печ. л. - 1.5. Тира* 100 экз. Зяк. N° <3.

отвпрянт ии-та "Доченкий Строегтроект", 31 Gl 1 -1, г. Донецк, i. Университетская", 80.