Введение к работе
Актуальность темы. В шахтах с ростом глубины ведения работ и выделений вредных примесей, а так же эволюцией вентиляционных параметров за период эксплуатации возрастает необходимость увеличения поля покрытия требуемых режимов проветривания.
Развитие вентиляторостроения с 30-х годов XX века выполнялось в ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, ВНИИГМ им. М.М. Фёдорова, в институте «ДОНГИПРО-УГЛЕМАШ», а также ИГД СО РАН. Большой вклад в развитие вентиляторостроения внесли И.А. Раскин, Е.М. Левин, О.В. Брусиловский, Л.Я. Гимелынейн, И.В. Клепаков, В.А. Руденко, Н.П. Косарев, Б.А. Носырев, Е.Я. Юдин, С.А. Тимухин, Н.Н. Петров и др.
В ИГД СО РАН были разработаны методы проектирования аэродинамических схем со сдвоенными листовыми лопатками рабочего колеса (РК) по безразмерным характеристикам путем задания расчетных режимов на поле требуемых параметров проветривания. На этой базе разработан ряд вентиляторов ВО, с повышенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с вентиляторами ВОД. Для данного ряда вентиляторов со значениями диаметра рабочего колеса 3000 мм (750 об/мин); 3600 мм (600 об/мин); 4300 (500 об/мин) и 5000 мм (375 об/мин) окружная скорость вращения по концам лопаток не превышает 120 м/с. За рубежом аналогичные машины проектируют на окружные скорости вращения до 172 м/с и более, что необходимо для достижения требуемых вентиляционных параметров. Ряд осевых вентиляторов ВО может обеспечить показатели по давлению и производительности на уровне и выше зарубежных аналогов при повышении частот вращения ротора на одну ступень по стандартным частотам двигателя, что не выйдет за пределы окружных скоростей вращения по концам лопаток в 160 м/с.
При увеличении окружных скоростей вращения наблюдается рост нагрузок, действующих на лопатки, корпус РК и ротор вентилятора в целом. Поэтому одной из главных задач при проектировании является исследование напряженно-деформированного состояния и собственных частот колебаний основных узлов высоконагруженных роторов шахтных осевых вентиляторов. Поэтому исследования направленные на обоснование параметров высоконагруженных роторов шахтных осевых вентиляторов при высоких окружных скоростях вращения являются актуальными.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.0333 «Разработка и создание энергоэффективных вентиляционных систем на новых технологических принципах для шахт, рудников, плавильных цехов заводов и метрополитенов».
Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованных рекомендаций по определению параметров высоконагруженных роторов шахтных осевых вентиляторов при окружных скоростях вращения до 160 м/с.
Идея работы заключается в использовании конечно-элементного анализа для оценки динамики и прочности основных узлов высоконагруженных роторов шахтных осевых вентиляторов.
4 Задачи исследования:
- Выполнить анализ влияния конструктивных параметров адаптивного ло
паточного узла и корпуса рабочего колеса на их прочность и собственные частоты
колебаний при окружных скоростях вращения до 160 м/с. Разработать параметри
ческие модели адаптивного лопаточного узла и корпуса рабочего колеса для ряда
высоконагруженных машин с диаметром рабочего колеса от 3000 до 5000 мм.
-Обосновать рациональную компоновку высоконагруженных роторов ряда вентиляторов ВО исходя из условий прочности и отстройки от резонанса коренных валов.
- Выполнить анализ нагрузок, действующих на подшипниковые узлы вы
соконагруженных роторов в момент реверсирования и регулирования вентиля
тора, и определить их влияние на долговечность подшипников.
Методы исследования включают: анализ литературных источников, проведение теоретических исследований и численных экспериментов с использованием конечно-элементного анализа и компьютерного моделирования.
Основные научные положения, защищаемые автором:
-
Снижение максимальных напряжений в лопаточном узле до допустимого уровня и отстройка от резонанса для высоконагруженных роторов осевых вентиляторов достигается применением лопаток переменной толщины с утончением к верхней кромке на 0,5, а также установкой одной перемычки (без кривизны) расположенной на расстоянии от основания лопаточного узла в диапазоне от 0,112 до 0,147 диаметра рабочего колеса, шириной от 0,6 до 0,8 длины хорды в рассматриваемом сечении.
-
В корпусе рабочего колеса осевых вентиляторов с диаметром от 3000 до 5000 мм при окружной скорости вращения по концам лопаток до 160 м/с снижение максимальных напряжений в два раза достигается установкой плоских сегментных стяжек в дополнение к гильзам.
-
При учете гироскопического момента высоконагруженных роторов осевых вентиляторов с расположением рабочего колеса на расстоянии не более 900 мм от радиально-упорной подшипниковой опоры и компоновке ротора без трансмиссионного вала собственные частоты колебаний ротора повышаются на 35%, а при компоновке ротора с трансмиссионным валом в два раза.
4. Для обеспечения нормативного ресурса работы подшипниковых опор
осевых вентиляторов с диаметром рабочего колеса от 3000 до 5000 мм при окруж
ных скоростях вращения по концам лопаток до 160 м/с регулирование и реверси
рование необходимо производить на выбеге вентилятора, когда частота вращения
ротора уменьшится не менее чем в два раза.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием метода конечных элементов, сравнением результатов расчета вентиляторов диаметром от 3000 до 5000 мм с опытом эксплуатации вентиляторов меньшего диаметра, сходимостью результатов, полученных с использованием теоретических исследований и конечно-элементного анализа.
5 Научная новизна работы заключается в следующем:
установлены зависимости максимальных напряжений и собственных частот колебаний адаптивных лопаточных узлов и корпусов рабочих колес вы-соконагруженных роторов от их конструктивных и геометрических параметров. Разработаны параметрические модели позволяющие проектировать лопаточные узлы и корпуса рабочих колес ряда высоконагруженных вентиляторов ВО, удовлетворяющие условиям прочности и необходимой отстройки от резонанса;
определен принцип компоновки высоконагруженных роторов, при котором значения собственных частот колебаний повышаются в два раза;
установлены границы частоты вращения ротора при регулировании и реверсировании воздушного потока ряда высоконагруженных вентиляторов ВО.
Практическая ценность работы. Разработаны компоновочные и конструктивные решения для высоконагруженных роторов шахтных осевых вентиляторов. С учетом введения поправочных коэффициентов зависящих от диаметра рабочего колеса и частоты вращения ротора проектируемой машины созданы параметрические модели адаптивного лопаточного узла и корпуса рабочего колеса для ряда вентиляторов ВО, удовлетворяющие условиям прочности и необходимой отстройки от резонанса при высоких окружных скоростях вращения.
Личный вклад автора состоит в проведении теоретических исследований и численных экспериментов, а также в обработке и анализе результатов, разработке параметрических моделей адаптивного лопаточного узла и корпуса рабочего колеса при окружных скоростях вращения до 160 м/с. В разработке методики проектирования высоконагруженных роторов шахтных осевых вентиляторов с диаметром рабочего колеса от 3000 до 5000 мм.
Реализация работы. Методика проектирования высоконагруженных роторов шахтных осевых вентиляторов применяется ООО Новосибирским энергомашиностроительным заводом «ТАЙРА» при разработке и производстве высоконагруженных осевых вентиляторов главного проветривания.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2009, 2011, 2012, 2013); всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2012); международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2013» (Москва, 2013); XVII международном научном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2013); всероссийской научно-практической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2013); всероссийской научной конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Горняцкая смена - 2013» (Новосибирск, 2013).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 научных работах, из них 4 - в изданиях рекомендуемых ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и двух приложений, изложенных на 127 страницах машинописного текста, включая 30 таблиц, содержит 60 рисунков и список литературы из 119 наименований.
