Исследование и разработка шахтных газоотсасывающих вентиляторов повышенной аэродинамической нагруженности
На правах рукописи
Волков Сергей Александрович
ИсследованиЕ и РАЗРАБОТКА
Шахтных газоотсасывающих вентиляторов повышенной аэродинамической нагруженности
Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Екатеринбург – 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный
горный университет»
Научный руководитель -
Официальные оппоненты:
Ведущая организация – Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск).
Защита диссертации состоится 20 мая 2010 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу:
620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».
Автореферат разослан «19» апреля 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета М.Л. Хазин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Обеспечение технической и экономической конкурентоспособности шахт на внутреннем и зарубежном рынках требует ускорения темпов реструктуризации действующих и разработки новых шахт с учетом передовых достижений горной науки, внедрения современной техники.
В себестоимости угля доля затрат на вентиляцию может превышать 25 %, вследствие чего задачи научно-технического обоснования рациональных режимов вентиляции и создания экономичных высоконапорных газоотсасывающих вентиляторов постоянно были в центре внимания ученых и специалистов в области горной механики, научно-исследовательских, проектных институтов и заводов горного машиностроения.
Среди них ведущее место занимают: ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, «НИПИГормаш», ИГД СО РАН, ВостНИИ, ИГД им. А.А. Скочинского, НИИГМ им. М.М. Федорова, Донгипроуглемаш, Артемовский машиностроительный завод.
Наиболее существенный вклад в решение указанных задач внесли ученые Г.А. Бабак, И.В. Брусиловский, А.И. Веселов, Б.Л. Герик, Г.И. Грицко, В.И. Ковалевская, Н.П. Косарев, Е.М. Левин, Б.А. Носырев, В.С. Пак, В.В. Пак, Н.Н. Петров, Т.С. Соломахова, Г.Г. Стекольщиков, В.А. Стешенко, С.А. Тимухин, К.А. Ушаков.
Тем не менее за последние годы в области шахтного вентиляторостроения накопились серьезные проблемы, связанные с низкой функциональной и экономической эффективностью вентиляции при использовании существующих вентиляторов для снижения газообильности угольных шахт. Это обусловлено тем, что шахтные вентиляторы не в полной мере обеспечивают аэрогазодинамическую изоляцию очистного забоя от выработанного пространства.
Поскольку газоотводящие сети многосвязной комбинированной вентиляционной системы проходят через выработанное пространство, они обладают малым эквивалентным отверстием. Поэтому для повышения безопасности и конкурентоспособности угольных шахт необходимы высоконапорные экономичные газоотсасывающие центробежные вентиляторы (ВЦГ).
Указанные факторы лежат в основе актуальности задачи, 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.
Цель работы состоит в повышения аэродинамической нагруженности, экономичности газоотсасывающих вентиляторов, за счет разработки метода расчета радиальных аэродинамических схем с вихреисточниками и обоснования технических решений для создания их рабочих колес с лопатками, снабженными вихревыми камерами.
Идея работы основана на использовании эффекта повышения аэродинамической нагруженности и экономичности газоотсасывающих вентиляторов при целенаправленном воздействии управляющего вихреисточника на лопатки их рабочих колес.
Задачи исследований. В диссертации поставлен и решен ряд взаимосвязанных задач, основными из которых являются:
- анализ вентиляционных режимов угольных шахт и составление их прогнозных параметров;
- уточнение критериев оценки функциональной и экономической эффективности газоотсасывающих вентиляторов;
- исследование механизма вихреобразования и потерь энергии в газоотсасывающем вентиляторе;
- разработка метода аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей с вихреисточником и построение ее идеальной аэродинамической характеристики;
- разработка метода расчета энергетических параметров вихревой камеры управления пограничным слоем, обеспечивающей восстановление циркуляции в круговой решетке профилей до уровня квазипотенциального течения во вращающейся круговой решетке профилей;
- разработка аэродинамической схемы газоотсасывающего вентилятора повышенной аэродинамической нагруженности по результатам теоретических и экспериментальных исследований.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Аэродинамическая нагруженность газоотсасывающих вентиляторов определяется кинематическими параметрами потока на выходе из рабочего колеса, взаимосвязанными с показателями их функциональной и экономической эффективности.
2. Целенаправленное воздействие управляющего потока вихреисточника на лопатки рабочего колеса газоотсасывающего вентилятора обеспечивает повышение его аэродинамической нагруженности.
3. Энергетические характеристики управляющего потока вихреисточника и критерии подобия течения потока в газоотсасывающем вентиляторе с вихревыми камерами взаимосвязаны с параметрами аэродинамической схемы вентилятора.
4. Аэрогазодинамическая связь проточной части газоотсасывающего вентилятора и вихревой камеры обеспечивает эффективное увеличение энергии вихреисточника тем самым, позволяя существенно влиять на форму теоретической характеристики вращающейся круговой решетки профилей с интегрированным вихреисточником.
Методы исследований:
- анализ фактических и прогнозируемых полей вентиляционных режимов, уточнение критериев эффективности газоотсасывающих вентиляторов выполнены по материалам исследований НИИГМ им. М.М. Фёдорова, «НИПИгормаша», ВостНИИ и результатов экспериментов, проведенных автором на шахтах, с использованием методов математической статистики и системного анализа;
- теоретическое обоснование и аэродинамический расчет вращающейся круговой решетки профилей с вихреисточником и энергетических параметров вихревой камеры управления пограничным слоем выполнены 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, 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 вихревыми камерами рабочих колес, предложенных в диссертации;
- точностью измерений и порогом чувствительности испытательных стендов, при которых с вероятностью 0,95 погрешность исследуемых параметров потока в центробежном вентиляторе 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 вихревыми камерами рабочих колес.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
- получена физическая модель течения в проточной части рабочего колеса газоотсасывающего вентилятора, лопатки которого снабжены вихревыми камерами. Показана эффективность управления циркуляцией за счет энергии вихреисточника для повышения аэродинамической нагруженности вентиляторов;
- разработана математическая модель аэродинамики газоотсасывающего вентилятора с радиальной решеткой профилей произвольной формы с вихреисточниками;
- предложен алгоритм аэродинамического расчета радиальной решетки профилей в форме логарифмической спирали с вихреисточниками;
- построена идеальная характеристика вращающейся круговой решетки профилей с интегрированными вихреисточниками.
Личный вклад состоит:
- в уточнении факторов, обусловливающих низкую эксплуатационную эффективность газоотсасывающих вентиляторов угольных шахт;
- в экспериментальном и теоретическом обосновании модели управления циркуляцией с помощью вихреисточников лопаток рабочего колеса газоотсасывающего вентилятора;
- в разработке метода аэродинамического расчета радиальной решетки профилей произвольной формы с вихреисточниками, а также в рассмотрении математической модели для профилей в форме логарифмической спирали;
- в построении идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки профилей с интегрированными вихреисточниками.
Практическая ценность работы заключается в том, что сформулированные в ней научные и технические основы разработки высоконапорных, экономичных газоотсасывающих вентиляторов позволяют:
- рассчитывать показатели эффективности газоотсасывающих вентиляторов с вихревыми камерами лопаток рабочих колес на стадии их проектирования;
- разрабатывать алгоритмы синтеза и проектировать радиальные аэродинамические схемы высоконапорных, экономичных газоотсасывающих вентиляторов в соответствии с конкретными техническими заданиями;
- разрабатывать технические условия эксплуатации высоконапорных газоотсасывающих вентиляторов.
Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы использованы для:
- обеспечения эффективного комбинированного проветривания газообильных угольных шахт с помощью высоконагруженных экономичных газоотсасывающих вентиляторов;
- разработки технических условий, формуляров, руководства по эксплуатации, конструкторской документации на газоотсасывающие вентиляторы ВЦГ-7А, ВЦГ-9М.
Внедрение разработанных в рамках диссертации высоконагруженных газоотсасывающих вентиляторов позволит повысить эффективность проветривания при отработке выемочных столбов высокопроизводительными механизированными очистными забоями на шахтах Кузбасса. Экономический эффект от эксплуатации газоотсасывающего вентилятора ВЦГ-7А совместно с вентиляторами главного проветривания на газообильных угольных шахтах составляет 0,56 млн. руб./год.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертации докладывались на научно-практических конференциях УГГУ в период с 2007 по 2009 гг.; на научных симпозиумах «Неделя горняка МГГУ»
(г. Москва, 2008, 2009 гг.); на научно-техническом совете Артемовского машиностроительного завода «Вентпром» (г. Артемовский, 2008 г.); на научно-техническом совете «НИПИгормаш» (г. Екатеринбург, 2009 г.); на производственно-техническом совете компании «Южкузбассуголь»
(г. Кемерово, 2008 г.); на производственно-техническом совете компании «СГМК» (г. Новокузнецк, 2008, 2009 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 научных работах, из них две статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, и три положительных решения на изобретения.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 127 наименований, содержит 159 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 4 таблицы и приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы работы, определены цели исследования, научная новизна, практическая значимость результатов работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ эксплуатации шахтных вентиляторных установок, показавший, что более 42 % потребляемой установками энергии расходуется непроизводительно. Низкая их экономичность обусловлена спецификой эксплуатации в условиях непрерывно изменяющихся параметров вентиляции, а также существенным несоответствием между проектными и фактическими вентиляционными режимами.
Наиболее низкая эксплуатационная экономичность вентиляторов наблюдается на шахтах, опасных по газу и пыли. Это объясняется значительным ростом сложности системы вентиляции и увеличением предъявляемых к ней функциональных требований.
Проблема разработки вентиляционного оборудования для борьбы с метаном впервые была сформулирована акад. А.А. Скочинским.
Применение передвижных дегазационных установок и перераспределение отводимой метановоздушной смеси между действующими выработками за счет общешахтной депрессии позволило обеспечить нагрузку на забой до 1500 т/сутки. Однако при росте нагрузки на забой указанный способ функционально и экономически становится неэффективным.
Наиболее совершенный способ комбинированного проветривания, обеспечивающий решение задачи снижения газообильности, предотвращения образования газоопасных зон в действующих выработках и снятие газового барьера, основан на раздельном удалении метана, поступающего из разрабатываемого пласта и выделяющегося в выработанное пространство. Этот способ требует рассмотрения шахтных вентиляторов как единой, адаптивной системы, обеспечивающей необходимое поле распределения депрессий и расходов для обеспечения изолированного отвода концентрированной метановоздушной смеси.
При этом малые эквивалентные отверстия газоотводящих вентиляционных систем требуют существенного роста аэродинамической нагруженности ВЦГ по сравнению с вентиляторами главного проветривания (ВГП).
На базе дифференцированного анализа параметров газоотводящих и общешахтных вентиляционных сетей, обеспечения аэрогазодинамической изоляции очистной выработки от выработанного пространства уточнены критерии функциональной и экономической эффективности ВЦГ комбинированного проветривания газообильных угольных шахт.
Газоотсасывающий вентилятор должен обеспечивать аэрогазодинамическую изоляцию действующих выработок от выработанного пространства и устранение газового барьера для заданной производственной мощности и многосвязной комбинированной вентиляционной системы угольной шахты с минимальным энергопотреблением.
Для выполнения указанных функций ВЦГ совместно с ВГП обеспечивают в действующих выработках необходимое поле депрессий и расходов, при котором достигается сепарация метановоздушных потоков.
В соответствии с этим функциональную и экономическую эффективности ВЦГ комбинированного проветривания определяют следующие показатели:
- коэффициент функциональной эффективности
, (1)
где 
, 
– эквивалентные отверстия газоотводящей и общешахтной вентиляционных сетей многосвязной комбинированной вентиляционной системы; 
- диаметр рабочего колеса и угловая скорость его вращения соответственно ВГП и ВЦГ.
Коэффициент функциональной эффективности определяет согласованность аэродинамических характеристик ВГП и ВЦГ с параметрами общешахтной и газоотводящей вентиляционных сетей, при которой достигается требуемое значение коэффициента распределения воздуха, обеспечивающее сепарацию метановоздушного потока.
По фактическим и проектным вентиляционным режимам 
при среднестатистическом его значении, равном 6,5. Корреляционное отношение параметров газоотводящих и общешахтных вентиляционных сетей составляет 0,39, превышая более чем в четыре раза значение средней квадратической ошибки.
- коэффициент аэродинамической нагруженности
(2)
где 
, q - коэффициенты статического давления и подачи газоотсасывающего вентилятора. По данным экспериментальных исследований и проектным режимам, 
.
Данный коэффициент характеризует стабильность режима аэрогазодинамической изоляции очистной выработки от выработанного пространства в условиях колебаний параметров комбинированной многосвязной вентиляционной системы, вызванных геотехническими факторами;
- коэффициент аэродинамической устойчивости:
, (3)
где 
, 
, qг, qн – коэффициенты давления и расхода ВЦГ на границе устойчивости и в номинальном режиме соответственно.
Коэффициент аэродинамической устойчивости характеризует способность ВЦГ сохранять режим аэрогазодинамической изоляции очистной выработки от выработанного пространства при существенном колебании величины эквивалентного отверстия газоотводящей вентиляционной сети;
- коэффициент экономической эффективности
, (4)
где ст – статический к.п.д. ВЦГ на его номинальной аэродинамической характеристике.
Коэффициент экономической эффективности характеризует способность газоотсасывающего вентилятора с минимальными энергозатратами обеспечивать переменные вентиляционные режимы.
С учетом наличия корреляционной связи между эквивалентными отверстиями общешахтных и газоотводящих вентиляционных сетей, а также вышесказанного, получено ограничение, накладываемое на соотношение аэродинамических параметров ВЦГ по отношению к ВГП для обеспечения аэродинамической нагруженности, характеризующей стабильность аэрогазодинамической изоляции при изменении параметров вентиляционной сети:
.
Данные экспериментальных исследований и проведенные расчеты показывают, что вышеуказанные критерии достаточно полно характеризуют фактическую функциональную и экономическую эффективность ВЦГ комбинированного проветривания. Корреляционное отношение эксплуатационного к.п.д. ВЦГ с критериями адаптивности R(Эф, Кэ, Г) = 0,87 при 
, что подтверждает достоверность оценки экономической эффективности.
Таким образом, полученные по результатам исследований показатели позволяют с достаточной точностью оценивать эксплуатационную и функциональную эффективность ВЦГ комбинированного проветривания и определять их проектные параметры, обеспечивающие проветривание газообильных угольных шахт с минимальным энергопотреблением.
Во второй главе обоснована перспективность применения энергетических способов повышения эффективности газоотсасывающих вентиляторов, изложена методика аэродинамического расчета турбомашин с вихревым управлением циркуляцией.
Наиболее перспективно для повышения аэродинамической нагруженности и экономичности газоотсасывающих вентиляторов применение энергетических, в частности вихревых методов управления обтеканием. Широкое применение эти методы нашли в изолированных профилях, турбинах и компрессорах.
С учетом конструктивных особенностей газоотсасывающих вентиляторов, наличия в них, как правило, объемных лопаток, имеющих значительную относительную толщину профиля, в диссертационной работе показано, что для них наиболее эффективно применение энергетического управления течением в рабочих колесах с помощью вихреисточников.
Известные методы расчета аэродинамических характеристик турбомашин с вихревым 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 вихревым управлением циркуляцией нецелесообразно ввиду сложности построения математической модели.
Для аэродинамического расчета вращающейся радиальной решетки профилей с вихревым управлением циркуляцией наиболее эффективен метод конформных преобразований, основанный на использовании конформного отображения области вне радиальной решетки профилей с управляющих потоков вихреисточника на вспомогательную каноническую область, течение в которой может быть достаточно легко определено. В указанном случае задача сводится к отысканию двух аналитических функций - функции конформного отображения многолистной области течения, ограниченной радиальной решеткой профилей со струями вихреисточника на внешность многолистной римановой канонической области, и комплексного потенциала течения на поверхности данной канонической области.
На базе метода конформных преобразований с использованием теории присоединенных вихрей, турбулентных струй, аэродинамики тел со струями, теории функции комплексного переменного и вычетов в диссертации разработан метод аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки аналитических профилей произвольной формы с вихревым управлением циркуляцией.
Использование основных положений разработанной методики позволяет с достаточной точностью производить проектные расчеты параметров высоконагруженных, экономичных аэродинамических схем газоотсасывающих вентиляторов по исходным данным.
В третьей главе приведен метод расчета аэродинамики вращающейся круговой решетки аналитических профилей с интегрированным вихреисточником.
Каноническое представление круговой решетки профилей и вихревой камеры в виде 4-листного контура позволяет свести задачу аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей произвольной формы с вихревым управлением циркуляцией, на базе использования теоремы Римана для односвязных многолистных областей, к построению двух аналитических функций – уравнения r() отображения nл-листной римановой области 
внешности круга единичного радиуса на область течения, ограниченную 4-листным контуром римановой области 
и комплексного потенциала R[r()] в nл-листной римановой области круга единичного радиуса. Поскольку рассматривается общий случай аэродинамики круговой решетки аналитических профилей произвольной формы, функция конформного отображения r() определяется двойным преобразованием: на первом этапе происходит отображение на область «деформированного круга», что обуславливает функциональное соответствие профиля произвольной формы профилю в виде отрезка логарифмической спирали rв(в), на втором этапе производится отображение вышеуказанной области 
на область вне круга единичного радиуса 
. Следует заметить, что при указанной схематизации круговой решетки вихревая камера и два струйных устройства, имитирующих источник и сток, расположены на трех листах римановой области 
, а круговая решетка профилей расположена на первом ее листе (см. рис.1). В диссертации показана однозначность, с точностью до константы, полученного соотношения в соответствии с теоремой единственности решения задачи Дирихле – Неймана.
Уравнение конформного отображения 4-листной римановой поверхности 
круговой решетки формы с вихревым управлением циркуляцией на nл-листную область 
вне круга единичного радиуса запишем в виде:
, (5)
где nл – количество профилей круговой решетки; 
, 
– комплексные координаты точки в соответствующих областях 
, 
; 
– угол базовой логарифмической спирали в области 
; Р – базовый формпараметр, определяющий геометрические характеристики исходной круговой решетки профилей в виде отрезков логарифмической спирали; 
; 
; с – формпараметры, определяющие геометрические характеристики круговой решетки аналитических профилей произвольной формы.
Рис. 1. Принципиальная схема последовательности конформных преобразований:
а – преобразование nл-листной области в nл-листную область Fв;
б – преобразование nл-листной области Fв в 4-листную область Fr
Комплексный потенциал в nл-листной римановой области 
круга единичного радиуса:
, (6)
где R0[r()] – комплексный потенциал при нулевых расходах стока и источника вихревой камеры, формула для расчета которого получена Т.С. Соломаховой; Ri=1,2() – комплексный потенциал от источника и стока вихреисточника:
(7)
где 
- коэффициенты расхода стока и источника соответственно; 
- местоположение стока и источника на круге единичного радиуса области 
соответственно;
Ri=3() – комплексный потенциал от локального вихря в задней геометрической критической точке профиля:
, (8)
где 
– коэффициент циркуляции локального вихря.
С точностью до постоянной единственное решение задачи обтекания вращающейся круговой решетки аналитических профилей произвольной формы с вихревым управлением циркуляцией получены в виде:
. (9)
С учетом теории функций комплексного переменного и вычетов, при заданных к, qк, 0, л, вк, Vв(
) получена система уравнений, определяющая единственное положение критических точек 
.
На базе уравнения комплексной скорости получено уравнение связи и сопряженности критических точек в каноническом виде для общего случая их расположения как на окружности единичного радиуса, так и вне неё:
. (10)
В частности, уравнение связи (10) с учетом сопряженности для интегрированного вихреисточника и фиксированного режима течения:
. (11)
Для определения константы в задаче обтекания вращающейся круговой решетки аналитических профилей произвольной формы с интегрированным вихреисточником использована гипотеза Жуковского - Чаплыгина - Кутта о сходе потока с острой задней кромки профиля при нулевой интенсивности вихря 
. При условии: задняя кромка профиля соответствует точке 
на nл-листной римановой области 
круга единичного радиуса, в диссертации получено уравнение для расчета коэффициента циркуляции 
вокруг вращающейся круговой решетки аналитических профилей произвольной формы с интегрированной вихревой камерой:
(12)
Функция 
конформного отображения nл-листной римановой области 
внешности круга единичного радиуса на 4-листную область схематизированной круговой решетки профилей, составленных из кусочно-гладких линий с интегрированным вихреисточником, получена с использованием формулы Кристоффеля – Шварца
(13)
где уn (n=1,…,ny) – точки на окружности единичного радиуса области 
, соответствующие угловым точкам профиля уn; 
; 
- внешние углы 4-листной области 
схематизированной круговой решетки с кусочно-гладкими профилями соответственно в угловых точках уnи особых точках 
.
Каноническое уравнение для комплексной скорости на 4-листной римановой поверхности получено в виде
(14)
где 
.
Следует заметить, что при конечной ширине входного и выходного каналов вихреисточника в точках к = 1,2 угол 
= 0.
Из формулы (14) вытекает важный для практики вывод: при 0m=уn и 
, то есть при условии совмещения в угловой точке профиля одновременно точек возврата и ветвления, в ней исчезает сингулярная особенность. В частности, расположение в задней угловой точке профилей вращающейся круговой решетки вихреисточника устраняет в этой точке ветвление потока, то есть позволяет, с одной стороны, обеспечить плавное ее обтекание потенциальным потоком, а с другой - зафиксировать в этой точке локальный вихрь, дающий возможность регулировать давление, развиваемое круговой решеткой профилей за счет смещения задней критической точки профиля по отношению к его угловой точке.
В диссертации получены соответствующие уравнения для частных случаев вращающейся круговой решетки профилей в виде гладких и кусочно-гладких отрезков логарифмических спиралей с интегрированным вихреисточником:
(15)
(16)
(17)
Найденные соотношения позволили глубоко и всесторонне проанализировать влияние геометрических параметров на аэродинамическую нагруженность радиальных решеток профилей с вихревым управлением циркуляцией. Показана возможность двухкругового увеличения коэффициента давления по сравнению с классическими профилями рабочих колес.
Значительно более существенный рост давления, развиваемого центробежным вентилятором с вихревой камерой в хвостовой части лопатки рабочего колеса, обусловлен тем, что его величина определяется разностью давления на рабочей и тыльной поверхностях лопаток, росту которой способствует вихреисточник, в то время как накрылок приводит к увеличению давления только на его рабочей поверхности.
Уравнение идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей с вихреисточником получено в виде
, (17)
где 
- коэффициент влияния расхода вихреисточника на теоретическое давление; 
, 
- приведенные коэффициенты циркуляции и расхода вихреисточника; 
- диаметр вихревой камеры.
Она имеет вид степенной функции, в отличие от характеристики круговой решетки классических профилей (рис. 2).
В идеальной круговой решетке аэрогазодинамических профилей с вихреисточником происходит трансформация формы виртуального профиля по мере изменения ее режима работы от qmax до q=0. При 
аэрогазодинамический профиль приобретает S-образную форму.
Рис. 2. Аэродинамическая характеристика в рабочем колесе круговой решетки профилей с вихреисточником: 1 – классический теоретический профиль; 2 – профиль с положительным вихреисточником; 3 – профиль с отрицательным вихреисточником; 4 – профиль со знакопеременным вихреисточником
В четвертой главе приведены исследования закономерностей управления пограничным слоем в рабочих колесах высоконагруженных, экономичных газоотсасывающих вентиляторов.
Для оценки энергетической эффективности снижения потерь давления от интегрированных вихреисточников в межлопаточных каналах рабочих колес газоотсасывающих вентиляторов предложена уточненная формула расчета эффективности угла раскрытия эквивалентного вращающегося диффузора
, (18)
где 
- коэффициент снижения эффективной площади выходного сечения межлопаточного канала рабочего колеса; 
- относительная толщина входа в канал вихревой камеры.
На базе отрывной схемы обтекания, с использованием метода распределенных особенностей и распространения гипотезы Прандтля на вращение тел в жидкости, получены уравнения для расчета коэффициентов расхода и циркуляции вихреисточника, обеспечивающего устранение отрыва пограничного слоя:
;
, (19)
где 
– относительная толщина выходного сечения вихревого устройства; 
– относительная ширина рабочего колеса в месте расположения вихревого устройства; 
- относительная длина входного канала вихревого устройства.
С учетом уменьшения угла раскрытия эквивалентного диффузора межлопаточного канала, получено уравнение для коэффициента предельной аэродинамической нагруженности круговой решетки профилей с вихревой камерой. При густоте решетки профилей, близкой к единице, что наиболее характерно для шахтных центробежных вентиляторов, интегрированный вихреисточник позволяет на 28 % увеличить их коэффициент аэродинамической устойчивости.
В пятой главе освещены моделирование и результаты экспериментальных исследований газоотсасывающих вентиляторов повышенной аэродинамической нагруженности и экономичности.
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 интегрированным вихреисточником: q – коэффициент подачи вентилятора; qи, в - коэффициенты расхода и циркуляции вихреисточника; Re - число Рейнольдса; М – число Маха.
На базе статистического метода линейного планирования эксперимента получены уравнения регрессии для энергетических характеристик вихревой камеры, обеспечивающих максимальное приращение номинального к.п.д., а также наибольший рост экономичности в областях рабочих режимов. 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 существенную значимость для повышения аэродинамической нагруженности и экономичности газоотсасывающих вентиляторов расчета оптимальных значений параметров вихревой камеры.
Экспериментальные данные, равно как и теоретические исследования, указывают на высокую эффективность применения вихревых камер для существенного повышения аэродинамической нагруженности и экономичности газоотсасывающих вентиляторов.
На базе полученных теоретических и экспериментальных данных разработана методика синтеза радиальных аэродинамических схем повышенной аэродинамической нагруженности и экономичности.
В частности, с помощью указанной методики спроектирована аэродинамическая схема Ц 145 - 20. Прирост коэффициента давления ст вентилятора с вихревыми камерами лопаток рабочих колес по схеме Ц-145-20 составляет 60 % по сравнению с рабочими колесами, имеющими классический накрылок.
В шестой главе приведены данные от реализации и эффективности результатов исследований.
По результатам анализа вентиляционных режимов угольных шахт, их динамики за период с 1965 по 2008 гг. и соответствия полям проектных режимов спрогнозирована тенденция изменения режимов вентиляции для газоотводящих сетей многосвязных комбинированных вентиляционных систем газообильных шахт и предложено поле проектных вентиляционных режимов.
На основе полученных результатов по разработанным радиальным аэродинамическим схемам спроектирован параметрический ряд рабочих колес газоотсасывающих вентиляторов блочно-модульной конструкции типа ВЦГ, обеспечивающих перекрытие поля проектных газоотводящих вентиляционных режимов угольных шахт. Разработана конструкторская, технологическая и эксплуатационная документация на рабочие колеса газоотсасывающих вентиляторов ВЦГ-7А, ВЦГ-9М и созданы на их основе установки.
Годовой экономический эффект, обусловленный существенным снижением потребного расхода воздуха в условиях комбинированного проветривания с применением газоотсасывающего вентилятора ВЦГ-7А совместно с вентиляторами главного проветривания на газообильных угольных шахт составляет 0,56 млн руб.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации, с использованием эффекта усиления циркуляции центробежных вентиляторов за счет целенаправленного воздействия вихреисточников на элементы их проточной части, решена научная задача повышения аэродинамической нагруженности экономичных газоотсасывающих вентиляторов. Обоснованы технические решения для создания рабочих колес блочно-модульной конструкции газоотсасывающих вентиляторов с интегрированными вихревыми камерами рабочих колес.
Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:
- Показано, что низкая эксплуатационная эффективность газоотсасывающих вентиляторов газообильных угольных шахт обусловлена их недостаточной аэродинамической нагруженностью. Действующие критерии оценки эффективности газоотсасывающих вентиляторов не в полной мере отражают их фактическую функциональную и экономическую эффективность.
- Уточнены критерии оценки функциональной и экономической эффективностей ВЦГ.
- Предложена формула, учитывающая влияние параметров вихреисточника лопаток рабочего колеса центробежного вентилятора на геометрические характеристики его эквивалентного диффузора.
- Предложена модель течения в межлопаточном канале рабочего колеса газоотсасывающего вентилятора с вихреисточником, позволившая обосновать эффективность использования энергии вихреисточников для повышения аэродинамической нагруженности и экономичности газоотсасывающих вентиляторов.
- Разработан метод аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки аналитических профилей произвольной формы с интегрированным вихреисточником.
- Разработан метод аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей в форме логарифмической спирали с вихреисточником.
- Разработан алгоритм расчета энергетических характеристик вихревой камеры управления пограничным слоем, обеспечивающего квазипотенциальное течение в рабочем колесе газоотсасывающего вентилятора.
- Разработана математическая модель идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки профилей с интегрированным вихреисточником.
- Сформулированные теоретические положения являются научной базой разработки конструкторских и технологических решений повышения аэродинамический нагруженности ВЦГ, подготовки их нормативно-технической и эксплуатационной документации.
Основные результаты диссертации опубликованы
в следующих работах:
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК
- Макаров В.Н., Белов С.В., Волков С.А. Аэродинамический расчет струйных устройств высоконагруженных шахтных центробежных вентиляторов // Известия вузов. Горный журнал. – 2008. – № 4. – С. 55 – 59.
- Критерии аэродинамического подобия в вентиляторе с энергетическим направляющим аппаратом / Макаров Н.В., Белов С.В., Фомин В.И., Волков с.а. // Известия вузов. Горный журнал.– 2008. – №5. – С. 66 – 69.
Патенты на изобретения
3. Макаров Н.В., Белов С.В., Фомин В.И., Макаров В.Н., Волков С.А. Центробежный вентилятор // Решение от 18.12.2009 о выдаче патента на изобретение по заявке №2008112790/06(013832) от 02.04.2008.
4. Макаров Н.В., Белов С.В., Фомин В.И., Макаров В.Н., Волков С.А. Рабочее колесо центробежного вентилятора // Решение от 18.12.2009 о выдаче патента на изобретение по заявке №2008112791/06(013833) от 02.04.2008.
5. Макаров Н.В., Белов С.В., Фомин В.И., Макаров В.Н., Волков С.А. Центробежный вентилятор // Решение от 18.12.2009 о выдаче патента на изобретение по заявке №2008112798/06(013840) от 02.04.2008.
Статьи, опубликованные в научных сборниках
6. Макаров Н.В., Фомин В.И., Волков С.А. Оптимизация параметров энергетических регуляторов // Известия УГГУ. Вып. 23 – Екатеринбург, 2008. – С. 99 – 102.
7. Макаров В.Н., Фомин В.И., Волков С.А. Аэродинамическая устойчивость активных решеток профилей центробежных вентиляторов // Известия УГГУ. Вып. 23 – Екатеринбург, 2008. –– С. 85 – 87.
8. Макаров В.Н., Белов С.В., Фомин В.И., Волков С.А. Перспективное направление улучшения качества шахтных центробежных вентиляторов // Материалы Уральской горнопромышленной декады. – Екатеринбург, 2008. – С. 169 – 174.
9. Макаров В.Н., Фомин В. И., Волков С.А. Повышение эффективности шахтных центробежных вентиляторов с S-образными лопатками // Материалы Уральской горнопромышленной декады. – Екатеринбург, 2008. – С. 182 – 185.
10. Макаров В.Н., Волков С.А., Фомин В.И. Аэродинамический расчет безлопаточного энергетического регулятора центробежного вентилятора // Международный научно-промышленный симпозиум «Уральская горная школа – регионам». – Екатеринбург, 2009. – С. 126 – 130.
11. Макаров В.Н., Волков С.А., Макаров Н.В. Анализ газоотводящих практическая конференция молодых ученых и студентов. – Екатеринбург, 2009. – С. 188 – 191.
12. Волков С.А. Оптимизация параметров вихревых камер рабочих колес газоотсасывающих. вентиляторов // Известия УГГУ. Вып. 24 – Екатеринбург, 2009. – С. 107 – 111.
Подписано в печать 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
