Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы и способы
предотвращения проявлений метаноопасности и газового барьера в угольных шахтах 17
1.1. Состояние проветривания угольных шахт и закономерности вентиляционных режимов шахтных установок главного проветривания
1.2 Особенности вентиляционных режимов газообильных угольных шахт 22
1.3. Механизм эффективного устранения проявления метанообильности и газового барьера 25
1.4. Выводы 29
2. Системные критерии эффективности газоотсасывающих вентиляторных установок комбинированного проветривания 31
2.1. Методы оценки эффективности вентиляторных установок главного проветривания 31
2.2. Особенности режимов работы вентиляторных комплексов комбинированного проветривания 33
2.3. Обоснование необходимости системного подхода к анализу и расчету параметров газоотсасывающих вентиляторных установок комбинированного проветривания 40
2.4. Выводы 49
3. Энергетические способы повышения эффективности центробежных вентиляторов 51
3.1. Механизм преобразования энергии и ее потерь в рабочем колесе центробежного вентилятора 51
3.2. Анализ известных энергетических методов управления течением в турбомашинах
3.3. Обоснование эффективности струйного управления течением в проточной части центробежного вентилятора для повышения аэродинамической нагруженности, адаптивности шахтных вентиляторов
3.4. Выводы
4. Аэродинамика вращающейся круговой решетки профилей произвольной формы со струйным управлением циркуляцией 84
4.1. Общая характеристика состояния проблемы аэродинамического расчета турбомашин с управляемой циркуляцией 84
4.2. Аэродинамика вращающейся круговой решетки аналитических гладких профилей произвольной формы со струйными устройствами 88
4.3. Аэродинамика вращающейся круговой решетки аналитических кусочно-гладких профилей произвольной формы со струйным управлением циркуляцией. 104
4.4. Идеальная аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей 108
4.5. Выводы 115
5. Прикладная теория аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки для частных случаев геометрии профилей и устройств струйного управления циркуляцией
5.1. Разработка метода аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей в форме логарифмической спирали со струйными устройствами в виде локальных источников и стоков 116
5.2. Аэродинамический расчет вращающейся круговой решетки тандемных профилей в виде логарифмической спирали 126
5.3. Аэродинамический расчет вращающейся круговой решетки профилей в виде логарифмической спирали с аэрогазодииамическимзакрылком
5.4. Разработка метода аэродинамического расчета вращающейся круговой тандемной решетки кусочно-гладких профилей в виде логарифмических спиралей с переменным углом их раскрытия 138
5.5. Разработка метода аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей с предкрылком в виде логарифмической спирали 144
5.6. Аэродинамический расчет энергетического направляющего аппарата 151
5.7. Аэродинамический расчет поля скоростей потока во вращающейся круговой решетке аэрогазодинамических профилей в виде логарифмической спирали ^5
5.8. Выводы 160
6. Исследование закономерностей управления пограничным слоем в рабочих колесах высоконагруженных, адаптивных шахтных вентиляторов 162
6.1. Угол раскрытия вращающегося эквивалентного диффузора 162
6.2. Аэродинамическая нагруженность и адаптивность круговых решеток профилей со струйным управлением обтеканием
6.3. Разработка метода аэродинамического расчета устройств струйного управления пограничным слоем в межлопаточных каналах рабочих колес шахтных вентиляторов 171
6.4. Выводы 189
7. Моделирование и экспериментальные исследования высоконагруженных, адаптивных, экономичных аэродинамических схем центробежных вентиляторов 190
7.1. Критерии подобия системы вентилятор со струйным управляющим устройством - газовоздушная среда 190
7.2. Экспериментальное оборудование и методика исследований і по
7.3. Методика определения показателей достоверности и погрешности экспериментальных измерений
7.4. Результаты исследований струйного управляющего 203
устройства
7.5. Экспериментальные исследования эффективности энергетического направляющего аппарата 210
7.6. Экспериментальные исследования радиальных аэродинамических схем со струйным управлением обтеканием 222
7.7. Выводы 243
8. Концепция развития шахтного вентиляторостроения на 2001е-2010 годы 245
8.1. Динамика вентиляционных режимов угольных шахт 245
8.2. Обоснование, создание и внедрение типоразмерного параметрического ряда газоотсасывающих вентиляторов 248
8.3. Разработка типоразмерного ряда вентиляторов главного проветривания и газоотсасывающих вентиляторов унифицированных комплексов комбинированного проветривания 259
8.4. Выводы 260
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 261
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 264
ПРИЛОЖЕНИЕ 285
Анализ состояния проблемы и способы предотвращения проявлений метаноопасности и газового барьера в угольных шахтах
- Состояние проветривания угольных шахт и закономерности вентиляционных режимов шахтных установок главного проветривания
- Методы оценки эффективности вентиляторных установок главного проветривания
- Механизм преобразования энергии и ее потерь в рабочем колесе центробежного вентилятора
- Общая характеристика состояния проблемы аэродинамического расчета турбомашин с управляемой циркуляцией
- Разработка метода аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей в форме логарифмической спирали со струйными устройствами в виде локальных источников и стоков
- Анализ состояния проблемы и способы предотвращения проявлений метаноопасности и газового барьера в угольных шахтах
Введение к работе
Актуальность проблемы. . Непрерывный рост цен на энергоносители в условиях формирования рыночной экономики и сложности горно-геологических условий отработки шахтных полей поднимают проблему обеспечения технической и экономической конкурентоспособности шахт на внутреннем и зарубежном рынках на уровень наиболее актуальной задачи для угольной промышленности госсии. Для решения этой проблемы ускоренными темпами ведется реструктуризация действующих и проектирование новых шахт с учетом передовых достижений торной 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 электроэнергий 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 научно-
технического обоснования рациональных вентиляционных режимов и
создания высокоэффективных шахтных 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; АА. 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. Веселое, БЛ. Герик, Г.И. Грицко, В.И. Ковалевская, Н.П. Косарев, Е.М. Левин, Б.А. Носырев, B.C. 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, к началу 90-х годов в области шахтного вентиляторостроения накопились серьезные проблемы, связанные с совершенствованием технологии угледобычи и изменением горно-геологических условий; В' шахтах. Более 70% угольных шахт России имеют повышенную газоносность угольных пластов.
--4.--.-
До недавнего времени при их разработке для снижения газообильности выемочных участков и полей, а также предупреждения образования взрывоопасных скоплений метана в горных выработках применялись способы управления газовыделением из выработанных пространств, основанные на совместном применении вентиляции и дегазации. Однако при нагрузке на очистной забой: более 1500 т/сут. применение указанных способов управления .газовыделением из выработанного пространства и использование существующих вентиляторов для снижения газообильности выемочных . участков приводит к функциональной и экономической неэффективности системы вентиляции. Это обусловлено тем, что шахтные вентиляторы не обеспечивают аэрогазодинамическую изоляцию очистного забоя, от выработанного пространства, в то время как до 80% газового баланса очистной выработки обусловлено газовыделением именно из .этого пространства. Вследствие указанного не исключается проявление метаноопасности, что приводит к росту энергозатрат на дегазационные мероприятия и существенно увеличивает расход воздуха на вентиляцию. Причем с возрастанием нагрузки на очистной забой происходит увеличение метановыделения, что сдерживает рост интенсификации очистных работ. Без снятия проблемы ограничения нагрузки на очистной забой по газовому фактору невозможно применение высокопроизводительной угледобывающей техники.
Целенаправленное управление аэрогазодинамическими
процессами в многосвязной комбинированной вентиляционной системе газообильных угольных шахт позволяет обеспечить предотвращение проявлений метаноопасности в горных выработках и газового барьера при добыче угля с нагрузкой на забой до 10000-25000 т/сут.
Для обеспечения аэрогазодинамической изоляции очистной
выработки от выработанного пространства при комбинированном
способе проветривания в условиях работы шахтных вентиляторов на
сложную многосвязную вентиляционную систему необходимы
принципиально новые технические средства вентиляции,'подходы к
обоснованию их' аэродинамических параметров и конструкции.
Указанные факторы лежат в основе актуальности проблемы, решаемой
в диссертационной работе; ;.;- : :;
'' Во-первых, на момент" постановки задачи отсутствовали
взрывозащищенные шахтные т вентиляторы с требуемыми аэродинамическими параметрами, позволяющие отсасывать метановоздушную смесь с концентрацией метана от 0 до 100%. *
- Во-вторых, изменяющиеся., параметры аэрогазодинамически
соединенных общешахтной ,и > газоотводящей. вентиляционных сетей
многосвязной комбинированной?. ;>,^вентиляционной . системы
обусловливают взаимовлияние вентиляторных установок главного
проветривания (ВУГП) и газоотсасывающих вентиляторных установок (ГВУ), входящих в комплекс комбинированного проветривания угольной шахты.
Таким образом, сложность структуры, включающей в себя многосвязную комбинированную вентиляционную систему и вентиляторный комплекс комбинированного проветривания (ВККП), обусловливает необходимость системного подхода с учетом специфики газоотводящих и общешахтных вентиляционных сетей к проектированию параметров ГВУ комбинированного проветривания.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с план -заказом головной темы 0701 Минуглепрома СССР и компании «Росуголь» в рамках целевой комплексной программы Ц070110, а также тематических планов Донгипроуглемаша (№Г.Р. У593011000-088) и ВостНИИ (№ Г.Р. 76071118, 01890032355, 01900033060).
Цель работы состоит в развитии теории аэродинамики радиальных решеток профилей со струйным управлением обтеканием для решения научной проблемы повышения аэродинамической нагруженности и адаптивности высокоэкономичных шахтных центробежных вентиляторов и научного обоснования технических решений для создания газоотсасывающих вентиляторных установок комбинированного проветривания угольных шахт в условиях высокопроизводительной технологии угледобычи.
Идея работы основана на использовании эффекта повышения аэродинамической нагруженности, адаптивности и экономичности радиальных вентиляторов при целенаправленном воздействии управляющих аэрогазодинамических струй на элементы их проточной части для разработки газоотсасывающих вентиляторных установок, обеспечивающих комбинированное проветривание угольных шахт в составе ВККП при интенсивной механизированной добыче угля.
Задачи исследований. В диссертации поставлен и решен ряд взаимосвязанных задач, основными из которых являются:
- анализ фактических параметров вентиляции газообильных
угольных шахт и составление прогноза полей вентиляционных режимов;
- обоснование необходимости системного подхода к
определению аэродинамических параметров ГВУ комбинированного
проветривания, входящих в состав ВККП;
- разработка критериев эффективности ГВУ, входящих в состав
ВККП;
- изучение механизма образования потерь в рабочем колесе
центробежного вентилятора;
-научное обоснование эффективности использования энергии
аэрогазодинамических струй для повышения аэродинамической
нагруженности, адаптивности и экономичности центробежных
вентиляторов;
теоретическое . обоснование и разработка методов аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей со струйным управлением циркуляцией;
- разработка метода аэродинамического расчета энергетического
направляющего аппарата;
- теоретическое обобщение и разработка методов расчета
энергетических параметров устройства струйного управления
пограничным слоем, обеспечивающего восстановление циркуляции до
уровня потенциального течения во вращающейся круговой решетке
профилей;
теоретический расчет идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки профилей;
разработка высоконагруженных адаптивных, экономичных аэродинамических схем центробежных вентиляторов по результатам теоретических и экспериментальных исследований;
обоснование и разработка типоразмерного параметрического ряда газоотсасывающих вентиляторов комбинированного проветривания газообильных угольных шахт;
обоснование и разработка технических условий эксплуатации ГВУ газообильных угольных шахт. .
Методы исследований: .
. - анализ фактических и-прогнозируемых полей вентиляционных
режимов, разработка критериев эффективности вентиляторов,
входящих в комплекс комбинированного проветривания, выполнены по
материалам . . исследований '- НИИГМ им, М.М. Л Фёдорова,
Донгипруглемаша, НИПИгормаша, ВостНИИ, Артемовского
машзавода и результатов экспериментов, проведенных автором на
шахтах, с использованием .методов; математической статистики и
системного анализа; :->
- теоретическое обоснование и разработка методов
аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей
со струйным управлением циркуляцией и энергетических параметров
устройства струйного 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 И ВЫЧеТОВ; .-.,,.-;...,-;-:::..;
основные результаты экспериментальных исследований получены с использованием методов корреляционного и регрессионного анализов и методов минимизации функций: Бокса-Уилсона, покоординатного спуска.
Научные положения, выносимые на защиту:
качественно новый уровень теории аэродинамики круговых решеток профилей со струйными устройствами, адекватно учитывающей влияние управляющих аэрогазодинамических струй на повышение аэродинамических параметров центробежных вентиляторов;
дифференцированный анализ общешахтной и газоотводящей вентиляционных сетей многосвязной комбинированной вентиляционной системы угольных шахт, позволяющий устанавливать функциональную зависимость аэродинамических параметров ГВУ комбинированного проветривания и ВУГП для обеспечения их эксплуатационной эффективности;
; - математическая модель для расчета аэродинамических
параметров вращающейся круговой решетки аналитических профилей
произвольной формы со струйным управлением циркуляцией,
позволяющая при проектировании высоконагруженных, адаптивных
центробежных вентиляторов устанавливать функциональную
зависимость между их аэродинамическими и геометрическими
параметрами с учетом конструктивных особенностей струйных
устройств; .
- , схема силового взаимодействия управляющих
аэрогазодинамических струй и основного потока в межлопаточных
каналах рабочего колеса, позволяющая доказать эффективность их
использования для повышения аэродинамической нагруженности,
адаптивности и экономичности центробежных вентиляторов;
математическая модель для расчета энергетических характеристик устройства струйного управления пограничным слоем в рабочем колесе центробежного вентилятора, позволяющая при их проектировании определять рациональные значения геометрических параметров струйного устройства,, обеспечивающего устранение отрывного вихреобразования, с учетом требуемых значений аэродинамической нагруженности и адаптивности;
- функциональная зависимость параметров эквивалентного
диффузора от скорости вращения рабочего колеса центробежного
вентилятора и кривизны его межлопаточных каналов, позволяющая
устанавливать их гидродинамическую аналогию с неподвижным
прямолинейным диффузором;
математическая модель круговой решетки
«аэрогазодинамических профилей», позволяющая ... получить
аналитическое выражение её идеальной аэродинамической характеристики;
- защищенные патентами на изобретения конструктивные схемы
центробежных вентиляторов с управляемым обтеканием элементов их
проточной части, позволяющие при сохранении достигнутого уровня
надежности существенно повысить аэродинамическую нагруженность,
адаптивность и экономичность шахтных центробежных вентиляторов;
- типоразмерный параметрический ряд газоотсасывающих
вентиляторов и ГВУ комбинированного проветривания, позволяющий
при минимальном количестве структурных единиц обеспечить
перекрытие зонами их экономичной работы поле проектных
газоотводящих вентиляционных режимов угольных шахт.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
многосторонними теоретическими исследованиями аэродинамики круговых решеток профилей со струйным управлением обтеканием на основе современных научных представлений в области аэрогазодинамики, наиболее эффективных математических методов расчета и обработки экспериментальных данных;
достаточной сходимостью полученных аналитических уравнений с результатами физических экспериментов;
сравнительными испытаниями моделей вентиляторов, выполненных по известным аэродинамическим схемам и спроектированных на базе новых высоконагруженных, адаптивных, экономичных аэродинамических схем;
-достаточной точностью и порогом чувствительности стендов для аэродинамических испытаний, при которых с вероятностью 0.9.5 погрешность исследуемых параметров не превышает 0.5%, а их изменений— 10%;
- положительными результатами государственных приемочных
испытаний опытных образцов вентиляторов комбинированного
проветривания;
- эффективной эксплуатацией на угольных шахтах России и СНГ
газоотсасывающих вентиляторов и вентиляторов главного
проветривания в составе ВККП.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
выполнен дифференцированный анализ параметров
газоотводящей и общешахтной вентиляционных сетей многосвязной
комбинированной вентиляционной системы угольных шахт на базе
системного подхода к обоснованию параметров ГВУ
комбинированного проветривания. Установлено наличие значимой
корреляции между параметрами аэрогазодинамически соединенных газоотводящих и общешахтных вентиляционных сетей многосвязных комбинированных вентиляционных систем угольных шахт. Определены ограничения, накладываемые на аэродинамические параметры ГВУ и ВУГП, обусловленные обеспечением их функциональной эффективности;
- получена уточненная формула для расчета параметров
эквивалентного диффузора с учетом его вращения и криволинейности;
- получена картина течения в межлопаточных каналах рабочего
колеса центробежного вентилятора при струйном управлении
обтеканием. Предложена модель процесса снижения потерь давления в
рабочем колесе, позволившая обосновать эффективность использования
энергии аэрогазодинамических струй для повышения
аэродинамической нагруженности, адаптивности и экономичности
центробежных вентиляторов;
- разработана общая теория аэродинамики вращающейся
круговой решетки профилей произвольной формы, в том числе
профилей, образованных кусочно-гладкой линией, со струйным
управлением циркуляцией;
- предложена теория аэродинамического расчета вращающейся
круговой решетки для частных случаев формы профиля и струйных
устройств;
получены уравнения. для расчета энергетических характеристик устройства струйного управления пограничным слоем, обеспечивающего восстановление циркуляции до значений, соответствующих потенциальному течению во вращающейся круговой решетке профилей. Математические модели расчета сформулированы на базе гидродинамической аналогии гидравлического диаметра эквивалентного вращающегося диффузора и толщины пограничного слоя на его стенках;
получено уравнение теоретической характеристики вращающейся круговой решетки «аэрогазодинамических профилей». Показано, что она работает в режиме суперциркуляции;
- разработан метод синтеза высоконагруженных, адаптивных,
экономичных аэродинамических схем центробежных вентиляторов со
струйным управлением обтеканием элементов их проточной части;
- разработан типоразмерный параметрический ряд
газоотсасывакэщих. вентиляторов и ГВУ комбинированного
проветривания угольных шахт.
Личный вклад состоит в комплексном решении важной научной и технической, проблемы: теоретическом обосновании, разработке и освоении ГВУ, обеспечивающих в составе ВККП
комбинированное проветривание угольных шахт в условиях высокопроизводительной технологии угледобычи и способствующих этим самым росту технико-экономических показателей шахт, и заключается:
в установлении первопричин низкой функциональной и экономической эффективности вентиляторных установок угольных шахт в условиях * обеспечения ими безопасных санитарно-гигиенических условий и снятия ограничения по газовому фактору;
в определении наличия значимой корреляции параметров газоотводящей и общешахтной вентиляционных сетей многосвязной комбинированной вентиляционной системы и необходимости дифференцированного их анализа при использовании системного подхода к обоснованию аэродинамических параметров ГВУ в составе ВККП;
- в установлении . зависимости угла эквивалентного
вращающегося диффузора от геометрических параметров и режима
работы центробежного вентилятора, учитывающей скорость
вращения рабочего колеса, кривизну межлопаточного канала и угол
отставания потока на выходе из рабочего колеса;
.; - в экспериментальном и теоретическом обосновании модели
процесса устранения отрывного вихреобразования в межлопаточном канале рабочего колеса центробежного вентилятора при струйном управлении обтеканием;
в разработке теории аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей произвольной формы со струйным управлением циркуляцией, а также в рассмотрении ее приложений для частных случаев формы профилей и параметров струйного управляющего устройства;
в теоретической разработке математических моделей расчета энергетических характеристик устройства струйного управления пограничным слоем, обеспечивающего безотрывное обтекание вращающейся круговой решетки профилей;
-,.. в теоретическом расчете идеальной аэродинамической
характеристики вращающейся круговой решетки
«аэрогазодинамических профилей»;
в разработке алгоритма расчета высоко нагруженных, адаптивных и экономичных аэродинамических схем центробежных вентиляторов;
- в разработке типоразмерного параметрического ряда ГВУ
угольных шахт;
- в обосновании и разработке технических условий эксплуатации
ГВУ газообильных угольных шахт, входящих в состав ВККП.
Практическая ценность работы заключается в том, что сформулированные в ней научные и технические основы разработки ГВУ угольных шахт позволяют:
- обоснованно подходить к расчету параметров вентиляции и
режимов работы ГВУ газообильных угольных шахт;
- выбирать оптимальную структуру вентиляторов главного
проветривания и газоотсасывающих в составе ВККП;
- обоснованно подходить к расчету показателей эффективности
ГВУ газообильиых угольных шахт, входящих в состав ВККП;
разрабатывать алгоритмы синтеза высоконагруженных, адаптивных, экономичных радиальных аэродинамических схем в соответствии с конкретными техническими заданиями;
обоснованно подходить к формированию технических условий эксплуатации ГВУ газообильных угольных шахт, работающих в составе ВККП;
обеспечить с помощью ГВУ, работающих в составе ВККП, снижение суммарного потребного расхода воздуха в 5 раз и газообильности выемочных участков в 10 раз по сравнению с традиционными вентиляторными установками главного и местного проветривания;
обеспечить повышение нагрузки на очистной забой до 15000-25000 т/сут, за счет устранения проявления газового барьера при использовании ГВУ в составе ВККП для проветривания газообильных угольных шахт;
обеспечить безопасное реверсирование вентиляторов главного проветривания в комплексе с ГВУ при проветривании газообильных угольных шахт;
- устранять загазовывание действующих выработок при
аварийной остановке вентиляторов главного проветривания,
работающих в комплексе с ГВУ;
снизить в 3 раза энергоемкость вентиляции газообильных угольных шахт при использовании для их проветривания ГВУ в составе ВККП;
обеспечить экономический эффект при работе одной ГВУ в составе ВККП с установленной мощностью 1000 кВт более 3 млн. рублей в год.
. Реализация результатов работы. Новый параметрический ряд газоотсасывающих вентиляторных установок, типа УВЦГ в составе ВККП эксплуатируется на газообильных угольных шахтах России и ближнего зарубежья.
Основные положения диссертационной работы использованы:
- при разработке технических условий, формуляров, руководства
по эксплуатации, конструкторской и технологической документации на
газоотсасывающие вентиляторные установки УВЦГ-7, УВЦГ-9,
УВЦГ-15, в НИИПП «ТУРМАШ» и на 'Артемовском
машиностроительном заводе;
при освоении серийного производства газоотсасывающих вентиляторов и установок на Артемовском машиностроительном заводе;
при разработке технического задания, технических условий и проектов на газоотсасывающий вентилятор ВЦГ-20 и вентиляторы главного проветривания ВВЦД-11, ВВЦ-15, ВВЦД-15, ВВЦД-25, ВВЦД-32, которые в совокупности с уже серийно освоенными газоотсасывающими вентиляторами составляют новый типоразмерный параметрический ряд ВКП; ,
- при составлении отраслевых и бассейновых нормативно-
технических документов: «Руководство по снижению газообильности
выемочных участков угольных шахт поверхностными и подземными
газоотсасывающими вентиляторами», «Правила безопасности в
угольных шахтах» (раздел «Проветривание подземных выработок и
лылегазовыи режим»), «Временное руководство по проектированию
проветривания выемочных участков с применением газоотсасывающих
вентиляторов при отработке угольных пластов в условиях шахты
„Распадская"», «Руководство по проектированию комбинированного
проветривания выемочных - участков и полей с применением
газоотсасывающих вентиляторных установок для шахт ОАО Компания
„Кузбассуголь"». .''
Внедрение разработанных в рамках диссертации ГВУ позволило преодолеть газовый барьер при отработке выемочных столбов высокопроизводительными механизированными очистными забоями практически на всех шахтах Кузбасса, Воркуты и Караганды, где эти установки используются.
Основные научные положения"и практические рекомендации
использованы в учебном процессе студентов направления
551800 - «Технологические машины и оборудование», в курсовом и
дипломном проектировании по специальности 170100 - «Горные
машины и оборудование». :.
Апробация работы. Основные положения и отдельные
результаты диссертации докладывались на,-научно-практических конференциях УГТУ в период - с 1984 по 2004 гг.; на НТС Мпнуглепрома СССР (г. Москва, 1984, 1991); на НТСТосгортехнадзора' СССР (г. Москва, 1990); на Отраслевом совещании по вопросам совершенствования вентиляции и дегазации шахт компании «Росуголь» (г. Кемерово, 1996); на НТС компании «Росуголь» (г. Москва, 1995); на
специализированном научном семинаре «ТУРБОмашины» и Ученом совете НИИГМ им. М.М. Федорова (г. Донецк, 1984, 1988); на НТС компании «Кузнецкуголь» (г. Новокузнецк, 1997); на Всесоюзном совещании «Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах» (г. Новосибирск 1979-1987); на научно-практической конференции в НИПИгормаше «Перспективы развития горно-шахтного и обогатительного машиностроения» (г. Свердловск, 1989)»; на научно-практической конференции в ДПИ, посвященной 100-летию академика B.C. Пака, «Перспективы развития шахтного вентиляторостроения», (г. Донецк, 1988).
Газоотсасывающие вентиляторы ВЦГ-7м, ВЦГ-9 и ВЦГ-15 экспонировались на международных специализированных выставках «Уголь России и Майнинг» (г. Новокузнецк, 2000-2003) и «ЭКСПО-Уголь» (г. Кемерово, 2000 — 2003). Параметрическому ряду ГВУ комбинированного проветривания типа УВЦГ в 2000 — 2001 гг. присуждены дипломы первой степени и золотые медали указанных выставок. Вентилятор ВЦГ-7м в 2001 г. удостоен Диплома «100 лучших товаров России».
Публикации. Основные положения" диссертации
опубликованы в 51 научном труде, включая 3 монографии, 18 патентов и 12 авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и приложения, изложенных на 328 страницах, содержит 78 рисунков, 4 таблицы, список использованной литературы из 213 наименований.
Состояние проветривания угольных шахт и закономерности вентиляционных режимов шахтных установок главного проветривания
Вентиляция является основным технологическим звеном обеспечения безопасных санитарно-гигиенических условий труда в угольных шахтах.
Правильное проектирование ее параметров и поддержание их на необходимом уровне при эксплуатации шахты - основа обеспечения её производственной мощности и безопасности горных работ. Изменения, происшедшие в течение последних десятилетий в горнотехнических условиях разработки угольных пластов, обусловили значительные изменения и в шахтных вентиляционных системах. Увеличились разветвленность сети горных выработок, длина отдельных вентиляционных ветвей и их аэродинамическое сопротивление, общий проветриваемый объем шахты. С увеличением нагрузки на забой и шахту возросло и стало более динамичным выделение метана в выработки, усложнилось регулирование шахтных вентиляционных потоков; увеличился расход воздуха в шахтах, и соответственно участилась совместная работа нескольких вентиляторов главного проветривания (ВГП) в общей вентиляционной сети.
С целью единого методического подхода к оценке состояния проветривания шахт рядом разработчиков было предложено ввести понятие об обобщенных показателях качества шахтных вентиляционных систем [100-103]. Такими показателями являются: депрессия шахтной вентиляционной системы с несколькими вентиляторами Рв; аэродинамическое сопротивление, преодолеваемое ВГП, RB; коэффициент полезного использования воздуха Кв; к.п.д. вентиляторов, работающих на вентиляционную систему, у\в; коэффициент полезного действия шахтной вентиляционной системы Кп; удельный расход энергии на проветривание шахты Ев; относительная подача ВГП, работающих на систему, рв; загруженность вентиляционной системы воздухом Ze и концентрация метана в общей исходящей струе шахты с. Комплекс (совокупность) всех предельных значений показателей следует рассматривать как современные требования к шахтным вентиляционным системам.
Требования к шахтным вентиляционным системам должны соблюдаться при проектировании новых и реконструкции действующих шахт, с этими требованиями должны сравниваться показатели качества вентиляционных систем действующих шахт при оценке их состояния в процессе эксплуатации. Соответствие всего комплекса показателей качества шахтной вентиляционной системы установленным требованиям означает, что возможности вентиляции данной шахты полностью удовлетворяют ее техническим условиям. При этом частные недостатки в проветривании отдельных выработок или участков действующих шахт должны устраняться в ходе оперативного контроля и организации вентиляционного процесса.
Отклонение отдельных фактических значений показателей от требуемых служит основанием для принятия решения о необходимости совершенствования вентиляции шахт или реконструкции шахтной вентиляционной системы и определения вида этой реконструкции.
При отклонении от требуемого значения коэффициента полезного использования воздуха Кв необходимо принять меры, направленные на уменьшение внешних утечек воздуха, внутренних утечек воздуха или тех и других одновременно. Отклонение коэффициента полезного действия шахтной вентиляционной системы К, от требуемого значения свидетельствует о больших внешних утечках воздуха, значительном аэродинамическом сопротивлении каналов вентиляторов и недопустимо низком к.п.д. вентиляторов, особенно наиболее мощных из работающих на данную вентиляционную систему. Перечисляемые выше факторы могут влиять на показатель К„ каждый в отдельности или все в совокупности.
Большое значение показателя загруженности шахты воздухом ZB свидетельствует о предельном состоянии шахтной вентиляционной системы в отношении возможности увеличения подачи воздуха в шахту. В этом случае практически невозможно увеличить подачу воздуха в шахту путем регулирования режима работы или замены ВГП, а необходимо уменьшить аэродинамическое сопротивление шахтной вентиляционной сети.
Методы оценки эффективности вентиляторных установок главного проветривания
При рассмотрении проблемы эффективности шахтных УГП с позиции системного подхода с учетом объективной необходимости общественного разделения труда метод оценки должен отражать, как минимум, три самостоятельных уровня потребностей: потребления, разработки и изготовления, общехозяйственный. Только при правильном учете и балансировании указанных уровней потребностей возможно принимать объективные и экономически обоснованные решения в масштабе общехозяйственного планирования.
Известные методы оценки экономичности и уровня качеств шахтных вентиляторов не охватывают всех показателей и характеристик, представляющих вентиляторные установки, не содержит разделения характеристик качества по уровням интересов, поэтому не позволяют принимать объективные, экономически обоснованные решения на уровне государственного планирования.
На пути решения проблемы главных вентиляторных установок как и при решении любой технической проблемы встают задачи отыскания набора альтернатив и выбора из них наиболее полно отвечающей постановленной цели, то есть полнее всего удовлетворяющей эксплуатационно-техническим, технико-экономическим и социальным требованиям.
Трудности выбора лучшей альтернативы происходят из того, что, как правило, они характеризуются многими не сопоставимыми количественными и качественными параметрами (характеристиками), имеющими различную размерность.
Объективное сравнение альтернатив, как известно, возможно только в случае, если характеристики сравнимых объектов представлены количественными показателями, так как только количественные методы обладают свойством однозначности, точности, сопоставимости и отсутствия противоречий.
Основные трудности в решении проблемы качества ВУГЇЇ как и при оценке любой другой сложной технической системы, заключаются в том, что некоторые характеристики нельзя представить количественными показателями и установить их коэффициенты весомости в общей системе показателей.
Каждая характеристики, представляющая главные вентиляторные установки шахт на всех трех уровнях интересов, необходимо и достаточно может быть определена тремя числовыми показателями: величиной, оценкой и весомостью.
Полнее всего указанным требованиям удовлетворяют метод оценки эффективности шахтных вентиляторных установок, предложенный Н.Н. Петровым и «Методика оценки технического уровня и качества шахтных ВГП», разработанная
Донгипроуглемашем и принятая в качестве нормативного документа системы стандартов показателей качества. В данной методике все уровни потребностей представлены семью группами показателей, для каждого из которых определены базовое значение и коэффициент весомости с использованием стоимостного и экспертного методов. Оценка эффективности (уровня качества) УГП производится комплексным методом. Значение критерия определяется суммированием произведений относительных показателей качества на их коэффициент весомости
Механизм преобразования энергии и ее потерь в рабочем колесе центробежного вентилятора
В межлопаточных каналах рабочего колеса вентилятора происходит не только передача энергии воздушному потоку, но и возникает основная часть ее потерь. Рассмотрение процесса формирования потерь давления с целью разработки мероприятий их снижения необходимо для повышения эффективности энергопотребления УГП [202].
Лопаточный венец рабочего колеса центробежного вентилятора представляет собой радиальную решетку лопаток. В сечении, перпендикулярном оси вращении, рабочее колесо представляет собой радиальную решетку профилей. В первом приближении изучение работы центробежного вентилятора и качественный анализ взаимодействия рабочего колеса и воздушного потока можно свести к рассмотрению радиальной решетки профилей, то есть заменить пространственное течение плоским.
Геометрические параметры решетки определяются формой профилей, их количеством пл и расположением (рис.1.1а.). Профиль характеризуется толщиной б, средней линией, равноотстоящей от рабочей и тыльной линии профиля, внутренней хордой, соединяющей концы средней линии , длиной средней линии . Положение профилей в решетке определяется углами установки профиля на входе в решетку рц, и выходе из нее р2л, равными углами между касательными к окружности диаметров расположения входной и выходной кромок профиля и его средней линей в соответствующих точках, средним шагом решетки t, определяемым длиной дуги среднего радиуса, соединяющей смежные лопатки. Величина шага решетки, отнесенная к длине средней линии профиля, называется относительным шагом решетки, а обратное значение - ее густотой
Для характеристики потока, обтекающего решетку, приняты следующие кинематические параметры:
- абсолютная, относительная и переносная скорости потока на входе в решетку угол входа потока в решетку pi , равный углу между вентиляторов относительной скорости и касательной к окружности на входе;
- абсолютная, относительная и переносная скорости потока на выходе из решетки c2,v2, u2;
- угол выхода потока из решетки р2;
- угол отставания потока А р = (р2л - р2);
- угол атаки потока а = (р]л - pi)
Вследствие наличия вязкости скорость воздуха непосредственно на профилях решетки равна нулю. Возрастание скорости от нуля до ее наибольшего значения происходит в некотором слое, прилегающем к профилю. Таким образом, весь поток воздуха в канале решетки может быть условно представлен двумя областями:
- пограничный слой - область, в которой градиент скорости в направлении, перпендикулярном профилю, очень велик, и вязкость оказывает существенное влияние на характер течения. Профиль пограничного слоя зависит от ряда факторов, прежде всего от характера течения, числа Рейнольдса потока, степени турбулентности. Его толщина есть величина условная, принимаемая, как правило, равной расстоянию до точки потока, в которой скорость отличается от скорости в основной его части на 1%;
- ядро потока - остальное течение вне пограничного слоя. В этой области градиент скорости в направлении, перпендикулярном линиям потока, не достигает больших значений, поэтому действие вязкости не оказывает существенного влияния, и, следовательно, можно считать течение потенциальным.
При обтекании решетки пограничный слой формируется как на рабочей, так и на тыльной поверхности профилей. За выходной кромкой профиля оба эти слоя смыкаются и образуют область заторможенного и завихренного воздуха, называемую кильватерной зоной, где и сосредоточены все потери давления, возникающие в пограничном слое. Таким образом, рассматривая пограничный слой как поверхностный слой Прандтля [107], представляющий собой распределенную вихревую пелену получаем, что интенсивность распределенных вихрей, определяемая влиянием вязкости, геометрическими параметрами решетки и кинематикой потока, характеризует результат их энергетического взаимодействия и потери давления.
Для каждой решетки профилей существует определенный угол входа потока pi, определяемый ее геометрией и углом атаки , при котором кильватерная зона имеет минимальную интенсивность и ширину, что соответствует минимальным потерям давления
Общая характеристика состояния проблемы аэродинамического расчета турбомашин с управляемой циркуляцией
Как указывалось в главах 1,2 , геометрические параметры межлопаточных каналов рабочего колес и кинематические характеристики потока на входе совместно с влиянием его вязкости формируют на поверхностях лопаток вихревую пелену, определяющую соответствующее ей поле скоростей, значение возникшей вокруг лопаток циркуляции, и, как результат, величину развиваемого вентилятором давления. Струя управляющего потока, деформируя поле скоростей в межлопаточных каналах, изменяет интенсивность (системы вихрей и устраняет образование дорожки Кармана, которая уносит часть циркуляции. Таким образом, изменяя энергетические параметры управляющего потока и направление струи, можно управлять циркуляционным обтеканием лопаток рабочего колеса, и, следовательно, регулировать режим работы вентилятора. Следует подчеркнуть, что при таком методе регулирования возможно достижение суперциркуляции, то есть режима, при котором создаваемое давление превышает его теоретическое значение, поскольку может быть достигнут угол опережения потока по отношению к лопаткам рабочего колеса на выходе.
Для разработки устройств управления циркуляцией необходимо установить зависимость между энергетическими характеристиками струи управляющего потока, геометрией рабочего колеса и его аэродинамическими параметрами. Работы по изучению струйного управления циркуляцией в диффузорных решетках в большинстве своем выполнены в плане обработки результатов экспериментальных исследований и посвящены осевым турбомашинам [323]. Наиболее полно данный вопрос освящен в литературе применительно к изолированным профилям, поскольку рассмотренный метод управления циркуляцией в настоящее время широко применяется в авиации, главным образом, при разработке самолетов с укороченным и вертикальным взлетом и посадкой.
Вследствие возрастающей стоимости экспериментальных испытательных работ и оборудования, аналитические методы исследований приобретают все более важную значимость для предсказания влияния энергетических параметров управляющего потока на аэродинамические характеристики турбомашин.
Опубликованные материалы, посвященные струйному управлению циркуляцией можно разделить на две группы.
Работы первой группы основываются на использовании интегрального уравнения несущей поверхности [30,31,210] и различаются методами расчета граничных условий на поверхностях струи управляющего потока и профиля. Возможно применение метода согласованных асимптотических разложений, сущность которого заключается в представлении потребной интенсивности вихрей на граничных поверхностях в виде функциональных форм, содержащих неизвестные коэффициенты. При рассмотрении течения во внутренней области завихренность на струйной пелене над внешней областью течения выражается в функциональной форме и с неизвестными коэффициентами. Аналогично выражается завихренность на струйной пелене над внутренней областью течения при рассмотрении течения по внешней области. Неизвестные коэффициенты определяются с помощью принципа согласования Ван-Дейка [198].
Возможно применение метода суперпозиции. Однако в этом случае необходима точная модель струи управляющего потока в виде системы распределенных прямоугольных кольцевых вихрей, параметры которых определяются по результатам экспериментальных исследований [203].
Используется также представление струи управляющего потока в виде двухслойной вихревой полосы. Один из таких слоев моделирует дополнительное возмущение в области внешнего течения, а второй - возмущение потока самой струи, что приводит к расчетной схеме, содержащей только вихревые интегралы [99]. Результирующие интегралы преобразуются в конечные суммы с помощью метода квази-вихревой решетки [200]. Однако применение этих методов для расчета радиальных вращающихся решеток профилей практически не представляется возможным ввиду сложности построения математической модели.
По этой причине неприемлемы методы, используемые в работах второй группы, основанные на непосредственном применении представления профиля и струи в виде распределения элементарных вихрей и гипотезы невязкого взаимодействия вихревой поверхности и струи с учетом соответствующих граничных условий [194, 207].
Для исследования несжимаемого потока на верхней поверхности профиля со сдувом используют асимптотические и вычислительные методы, чтобы иметь основу для более точного моделирования, дается формулировка полного потенциала и предложены различные числительные методы расчета, проблема разбивается на исследование тонкой структуры струи и анализ потока вне струи [26].
Для расчета струи в приближении тонкого слоя используют асимптотическое разложение с приближением к пределу с соответствующим образом измененными переменными. Для согласования с внешним потоком необходимо учитывать завихренность, ее влияния на граничные условия Спенса в предположении потенциального течения равного нулю в областях удаленных от задней кромки.
Условия совместимости давления и направления потока, которое заменяет условие Жуковского-Чаплыгина-Кутта для профиля без сдува, показывает, что разделяющая линия тока расположена тангенциально к поверхности профиля у задней кромки. Результаты вычисления для профиля с вдувом на верхней поверхности указывают на значительное увеличение подъемной силы при наличии сдувания.
В настоящее время интенсивно разрабатываются вопросы, связанные с регулированием и стабилизацией ламинарного потока с помощью тангенциального сдува для создания необходимых градиентов давления.
Разработка метода аэродинамического расчета вращающейся круговой решетки профилей в форме логарифмической спирали со струйными устройствами в виде локальных источников и стоков
В соответствии с общими положениями аэродинамической теории вращающейся круговой решетки профилей со струйным управлением циркуляцией, изложенной в четвертой главе диссертации, разработаем метод прикладного аэродинамического расчета для частного случая профилей в виде логарифмической спирали.
Рассмотрим радиальную решетку профилей в виде логарифмических спиралей, поскольку они являются линиями тока для течения, образуемого вихреисточником. Жидкость считаем идеальной, несжимаемой, невесомой, абсолютное течение - плоским, потенциальным. На поверхности профиля расположена аэродинамическая щель, через которую подается струя управляющего потока той же жидкости. Считаем [34], что до выхода из щели струя располагается на втором листе римановой поверхности. Если принять, что за струей не образуется каверна со свободными границами, то ее выход на поверхность профиля, являясь особой точкой, не приводит к ветвлению потока, и, следовательно, отображающая функция не будет зависеть от управляющего потока, поскольку он не искажает форму линий тока (рис. 5.1).
Согласно общей постановки задачи об обтекании тел со струями [134] рассмотрим радиальную решетку, образованную профилями, состоящими из исходных логарифмических спиралей и истекающих из них струй. Исходя из вышеуказанного, новый профиль также будет представлять собой логарифмическую спираль. Учитывая, что течение в радиальной решетке периодическое, и используя принцип гидродинамической аналогии, найдем функцию, отображающую течение на двулистной римановой поверхности (первый лист соответствует физической плоскости течения в радиальной решетке, а второй - схематизированному источнику струи управляющего потока) на пл - листную римановую поверхность круга единичного радиуса.
