Введение к работе
Актуальность темы. Основным средством, обеспечивающим соответствующие атмосферные условия в подземных горных выработках, являются вентиляторные установки главного и местного проветривания.
Немаловажную роль для проветривания очистных и проходческих забоев играют вентиляторы местного проветривания. На некоторых шахтах их число доходит до 80, а суммарная мощность превышает мощность вентиляторов главного проветривания.
При проходке тупиковых выработок значительной длины большое значение имеет давление вентилятора. В практике проветривания горных выработок известны случаи использования до 12 / 14 осевых вентиляторов местного проветривания, соединенных последовательно.
Попьпкой повышения давления осевых вентиляторов местного проветривания было создание двухступенчатых осевых вентиляторов "Проходка - 500 - 2М", а позднее - создание центробежных вентиляторов местного проветривания со спиральным корпусом "ВЦО — 0,6". С целью уменьшения габаритных размеров были разработаны прямоточные центробежные вентиляторы, например ВЦ — 6, 7, 8.
Несмотря на то, что прямоточные центробежные вентиляторы существенно превосходят осевые машины по аэродинамическим параметрам, развивают существенно большее давление (в 2/3 раза больше, по сравнению с осевыми вентиляторами) при том же диаметре рабочего колеса, имеют более высокий КПД, меньший шум, прямоточные центробежные вентиляторы местного проветривания имеют существенный недостаток — значительные поперечные размеры, обусловленные прямоточной конструкцией корпуса.
В процессе модернизации проточной части и конструкции вентилятора в целом современные осевые вентиляторы местного проветривания выполнены по аэродинамической схеме с меридиональным ускорением потока и представляют собой одноступенчатую машину (вентиляторы типоряда ВМ).
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ
j БИБЛИОТЕКА
Следует отметить, что конструктивное совершенствование традиционных типов воздуходувных машин - центробежных (радиальных) и осевых практически исчерпало свои потенциальные возможности, и наиболее перспективным направлением в настоящее время является ориентация на создание вентиляторов смешанного принципа действия. Таким образом достигается более эффективное использование проточной части машин. Следствием этого является повышение аэродинамических параметров, улучшение энергетических и шумовых характеристик без увеличения массогабаритных показателей и частот вращения рабочих колес, что представляет существенный интерес с точки зрения снижения энергетических затрат на проветривание.
Первоначальным этапом решения данной проблемы является разработка методов оптимизации геометрических и кинематических параметров вентиляторов смешанного принципа действия (ВСЦД), требующих соответствующих теоретических обоснований. Отсюда обоснование оптимальных параметров ВСЦД представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Целю работы является моделирование аэродинамических процессов и оптимизации параметров проточной части вентиляторов смешанного принципа действия (ВСЦД).
Идея работы заключается в моделировании аэродинамических процессов в проточной части вентиляторов посредством пошагового рассмотрения преобразований аэродинамических и геометрических параметров в лопаточных венцах рабочего колеса и спрямляющего аппарата.
Задачи исследований. В диссертации поставлен и решен ряд взаимосвязанных задач, основными из которых являются:
анализ и классификация различных конструкций вентиляторов смешанного принципа действия на основе литературных данных и патентных источников технически развитых стран США, России, Франции, Англии, Германии, Японии за последние 30 лет;
разработка методики оптимизации геометрических и кинематических параметров вентиляторов смешанного принципа действия (ВСЦД) на основе
метода конечных элементов, применительно к расчету аэродинамических систем;
создание компьютерной модели вентилятора смешанного принципа действия и ее апробация для различных существующих аэродинамических схем вентиляторов;
оптимизация геометрических параметров проточной части вентиляторов смешанного принципа действия методом компьютерного моделирования и эксперимента.
Методы исследований включают анализ источников научно-технической информации, включая патентные источники, по тематике работы, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований методами математического, компьютерного и физического моделирования с применением теории подобия. При этом рассматривается частица воздуха элементарного объема, движущаяся в потоке воздуха, и поэтапное (пошаговое) изменение параметров потока при взаимодействии с лопаточными венцами рабочего колеса и спрямляющего аппарата.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Классификация конструкций вентиляторов смешанного принципа
действия. Обоснование наиболее рациональной схемы ВСЦД для целей мест
ного проветривания.
-
Повышение статического давления и КПД вентиляторов, снижение уровня создаваемого ими шума достигаются посредством корпуса специальной формы и втулки рабочего колеса и спрямляющего аппарата, соответствующей траектории свободного смещения потока воздуха в радиальном направлении под действием центробежных сил, возникающих в результате закручивания потока воздуха рабочим колесом.
-
Расчет и оптимизация геометрических и аэродинамических параметров вентиляторов смешанного принципа действия (ВСЦД) должны осуществляться на основе метода конечных элементов.
4. Аналитическое определение скоростей закручивания потока, скоростей смещения потока в радиальном направлении, величины радиального смещения потока в рабочем колесе и спрямляющем аппарате.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций обеспечивается достаточной сходимостью результатов полученной характеристики статического давления вентилятора, выполненного по аэродинамической схеме ОВ-62, но с условно конической втулкой рабочего колеса (аналогично К-70) и характеристикой статического давления вентилятора, выполненного по аэродинамической схеме ОВ-70.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложена классификация вентиляторов смешанного принципа действия с разделением по принципу действия на три основных класса: осе-радиальные, радиально-осевые, радиально-диаметральные;
сформулированы основные принципы оптимизации вентиляторов смешанного принципа действия на базе аэродинамических схем осевых вентиляторов;
разработана пошаговая методика расчета геометрических и аэродинамических параметров осевых и осе-радиальных вентиляторов;
получены расчетные зависимости между углом конусности корпуса и втулки рабочего колеса и приращением статического давления осе-радиального вентилятора.
Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении известных конструкций вентиляторов смешанного принципа действия технически развитых стран США, России, Франции, Англии, Германии, Японии; в выборе направления дальнейшего совершенствования конструкции вентиляторов; разработке и реализации методики их расчета.
В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад состоит в выводе основных выражений радиального смещения потока при динамическом взаимодействии с лопатками рабочего колеса и спрямляющего аппарата вентилятора. При этом рассматривается взаимодействие частицы элементарного
объема, движущейся в потоке, а сам процесс расчета аэродинамического взаимодействия частицы с лопатками рабочего колеса и спрямляющего аппарата построен на основе метода конечных элементов и сведен в компьютерную программу.
Практическая ценность. Результаты исследований позволяют создать вентиляторы нового поколения осе-радиального типа, обладающие лучшими аэродинамическими параметрами за счет того, что в конструкции вентилятора используется эффект радиального смещения потока вследствие его закручивания рабочим колесом при аэродинамическом взаимодействии. Теоретическая проработка процессов динамического взаимодействия потока воздуха с лопатками рабочего колеса на основе компьютерной модели позволяет оптимизировать конструкцию проточной части и создавать опытные образцы вентиляторов смешанного принципа действия без проведения дополнительных экспериментальных исследований.
Приведены рекомендации, и определены параметры для разработки перспективного типоряда вентиляторов местного проветривания смешанного принципа действия.
Основные положения методики расчета геометрических и аэродинамических параметров вентиляторов смешанного принципа действия представляют практический интерес в разработке и создании шахтных вентиляторов нового поколения, обладающих лучшими аэродинамическими и акустическими характеристиками.
Реализация результатов работы. Научные разработки и основные положения диссертационной работы переданы ОАО "Артемовский машзавод "Венкон" для использования при создании нового типоряда высоконапорных вентиляторов местного проветривания.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Первой молодежной научно-практической конференции «Новые технологии и пути экономии затрат на предприятиях горно-металлургического и машиностроительного комплексов» (г. Верхняя Пышма, 2003 г.), на Молодеж-
ной научно-практической конференции, проводимой в рамках Уральской горнопромышленной декады (г. Екатеринбург, 2003 г.), на Международной научно-технической конференции «Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья» (г. Екатеринбург, 2003 г.), на Научном симпозиуме «Неделя горняка - 2004» (г. Москва, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных статей.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 5 приложений, изложенных на 143 с. машинописного текста, содержит 60 иллюстраций, 5 таблиц и список литературы из 160 наименований.
