Введение к работе
Актуальность темы. Непрерывный рост цен на энергоносители в условиях формирования рыночной экономики и сложности горногеологических условий отработки шахтных полей поднимают проблему обеспечения технической и экономической конкурентоспособности шахт на внутреннем и зарубежном рынках на уровень наиболее актуальной задачи для угольной промышленности России. Для решения этой проблемы ускоренными темпами ведется реструктуризация действующих и проектирование новых шахт с учетом передовых достижений горной науки, создание и внедрение современной техники.
Вентиляция как основной элемент обеспечения безопасных санитарно-гигиенических условий в шахтах, будучи вспомогательным технологическим процессом, потребляет, однако, значительную часть электроэнергии от общей энергоемкости горного предприятия.
На каждую тонну добытого угля в шахту подается до 30 тонн воздуха в зависимости от горнотехнических условий и способа вентиляции. Это приводит к тому, что в себестоимости угля доля затрат на вентиляцию может превышать 25 %. Именно поэтому задачи создания высокоадаптивных шахтных вентиляторов и научно-технического обоснования рациональных вентиляционных режимов постоянно были в центре внимания ученых и специалистов в области горной механики, научно-исследовательских, проектных институтов и заводов горного машиностроения.
Известные в настоящее время средства регулирования, по принципу действия относящиеся к механическим регуляторам, не обеспечивают требуемой адаптивности шахтных центробежных вентиляторов либо отличаются сложностью конструктивного исполнения, недостаточной надежностью в условиях эксплуатации на горных предприятиях.
В результате работа высокоэкономичных шахтных центробежных вентиляторов приводит к функциональной и экономической неэффективности системы вентиляции. Для повышения адаптивности и эффективности энергопотребления шахтными центробежными вентиляторами в условиях их работы на сложную многосвязную вентиляционную систему необходимы принципиально новые, в частности, энергетические средства регулирования, подходы к обоснованию их аэродинамических параметров и конструкции. Указанные факторы лежат в основе актуальности проблемы, решаемой в диссертационной работе.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с план-заказом головной темы 0701 компании «Росуголь» в рамках целевой комплексной программы Ц070110, а также тематических планов научно-исследовательских работ ГОУ ВПО «УГГУ» (Г. 5, Г. 24), проводимых по заданию Федерального агентства по образованию РФ.
Цель работы состоит в разработке метода расчета регуляторов с энергетическим управлением обтеканием для решения научной задачи повышения адаптивности высокоэкономичных шахтных центробежных вентиляторов и научного обоснования технических решений для создания энергетических устройств регулирования центробежных вентиляторов.
Идея работы основана на использовании эффекта повышения регулируемости адаптивности и экономичности центробежных вентиляторов при целенаправленном воздействии управляющего аэрогазодинамического потока на элементы проточной части устройств регулирования режима их работы.
Задачи исследований. В диссертации поставлен и решен ряд взаимосвязанных задач, основными из которых являются:
анализ фактических параметров вентиляции угольных шахт и составление прогноза полей вентиляционных режимов;
обоснование необходимости системного подхода к определению аэродинамических параметров энергетических регуляторов режима работы шахтных центробежных вентиляторов;
разработка критериев эффективности энергетических регуляторов;
изучение механизма образования потерь в энергетическом регуляторе центробежного вентилятора;
- теоретический расчет идеальной аэродинамической характеристики
вращающейся круговой решетки с энергетическим регулятором;
разработка энергетических регуляторов центробежных вентиляторов по результатам теоретических и экспериментальных исследований;
обоснование и разработка технических условий эксплуатации шахтных центробежных вентиляторов с энергетическим регулятором.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Взаимодействие центробежного вентилятора и шахтной
вентиляционной сети определяется степенью изменения кинематических
параметров потока в рабочем колесе вентилятора и радиальном
энергетическом регуляторе, которые находятся во взаимосвязи с
показателями его функциональной и энергетической эффективности.
Целенаправленное воздействие управляющего аэрогазодинамического потока на элементы проточной части регулирующих устройств обеспечивает повышение адаптивности высокоэкономичных шахтных центробежных вентиляторов.
Зависимость характеристик радиального энергетического регулятора и критериев подобия управляющего потока от параметров аэродинамической схемы центробежного вентилятора.
4. Аэрогазодинамическая связь проточной части центробежного
вентилятора и радиального энергетического регулятора обеспечивает
эффективное преобразование энергии потока, тем самым позволяя
существенно влиять на форму теоретической характеристики вращающейся
круговой решетки с регулятором.
Методы исследований:
- анализ фактических и прогнозируемых полей вентиляционных режимов,
разработка критериев эффективности энергетических регуляторов выполнены
по материалам исследований НИИГМ им. М.М. Фёдорова;
теоретическое обоснование и разработка методов аэродинамического расчета энергетических регуляторов со струйным управлением циркуляцией выполнены с использованием теории радиальной решетки профилей, теории аэрогазодинамики тел со струями, теории турбулентных струй, метода конформного преобразования, теории функций комплексного переменного и вычетов;
основные результаты экспериментальных исследований получены с использованием методов корреляционного и регрессионного анализов и методов минимизации функций Бокса-Уилсона и покоординатного спуска.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
многосторонними теоретическими исследованиями аэродинамики энергетических регуляторов со струйным управлением обтеканием на основе современных математических методов расчета в области аэрогазодинамики и статистической обработки экспериментальных данных;
достаточной сходимостью результатов испытаний вентиляторов, выполненных по известным аэродинамическим схемам и с энергегическими регуляторами, предложенными в диссертации;
точностью измерений и порогом чувствительности испытательных стендов, при которых с вероятностью 0,95 погрешность исследуемых параметров потока в радиальном энергетическом регуляторе центробежного вентилятора не превышает 0,5 %, а их изменений - 10 % и сходимостью полученных аналитических уравнений с результатами физических экспериментов в пределах 5 - 7%;
положительными результатами приемочных испытаний опытных образцов вентиляторов с энергетическими регуляторами.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
получена картина течения в проточной части радиального энергетического регулятора центробежного вентилятора. Показана эффективность управления циркуляцией за счет энергии аэрогазодинамического потока для повышения регулируемости вентиляторов;
разработана математическая модель аэродинамики радиального энергетического регулятора с профилями произвольной формы;
предложен алгоритм аэродинамического расчета радиального энергетического регулятора для частных случаев формы профилей проточной части;
- получено уравнение теоретической характеристики вращающейся
круговой решетки с энергетическим регулятором.
Личный вклад состоит:
в установлении первопричин низкой функциональной и экономической эффективности вентиляторных установок угольных шахт в условиях обеспечения ими безопасных санитарно-гигиенических условий;
в экспериментальном и теоретическом обосновании модели процесса управления циркуляцией энергетическим регулятором центробежного вентилятора;
- в разработке теории аэродинамического расчета радиального
энергетического регулятора с профилями произвольной формы, а также в
рассмотрении теории для частных случаев формы профилей проточной части;
- в теоретическом расчете идеальной аэродинамической характеристики
вращающейся круговой решетки с энергетическим регулятором;
- в обосновании и разработке технических условий эксплуатации
шахтных центробежных вентиляторов с энергетическими регуляторами.
Практическая ценность работы заключается в том, что сформулированные в ней научные и технические основы разработки энергетических регуляторов шахтных центробежных вентиляторов позволяют:
рассчитывать показатели эффективности шахтных центробежных вентиляторов с энергетическими регуляторами на стадии их проектирования;
разрабатывать алгоритмы синтеза и проектировать радиальные аэродинамические схемы энергетических регуляторов центробежных вентиляторов в соответствии с конкретными техническими заданиями;
разрабатывать технические условия эксплуатации шахтных центробежных вентиляторов с энергетическими регуляторами.
Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы использованы для:
обеспечения эффективного проветривания угольных шахт при комбинированном проветривании с помощью газоотсасывающих вентиляторных установок и вентиляторных установок главного проветривания;
разработки технических условий, формуляров, руководства по эксплуатации, конструкторской документации на энергетические регуляторы газоотсасывающих вентиляторных установок УВЦГ-7М, УВЦГ-9М.
Внедрение разработанных в рамках диссертации энергетических регуляторов шахтных вентиляторов позволило повысить эффективность проветривания при отработке выемочных столбов высокопроизводительными механизированными очистными забоями на шахтах Кузбасса и Воркуты.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертации докладывались на научно-практических конференциях УГГУ в период с 2006 по 2008 гг.; на научных симпозиумах «Неделя горняка МГТУ» (г. Москва, 2007, 2008 гг.); на Всероссийских конкурсах «Моя законотворческая инициатива» (г. Москва, 2007, 2008 гг.)); на научно-техническом совете Артемовского машиностроительного завода «Вентпром» (г. Артемовский, 2006, 2007 гг.); на научно-техническом совете НИПИгормаш (г. Екатеринбург, 2008 г.); на производственно-техническом совете компании
«Южкузбассуголь» (г. Кемерово, 2006 г.); на Всероссийских конкурсах Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «СТАРТ-07» (г. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2007 г.), «СТАРТ-08» (г. Челябинск, ЮрГУ, 2008 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в восьми научных работах, из них три в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 124 наименования, и приложения. Работа содержит 105 страниц машинописного текста, 31 рисунок и 4 таблицы.
