Введение к работе
Актуальность темы. Проблемы развития горного дела относится к числу приоритетных государственных задач. На сегодняшний день в России действует более десяти крупнейших угольных компаний, добыча угля ведется более чем на 90 угольных шахтах и увеличивается с каждым годом.
За счет углубления горных работ вентиляционные системы шахт становятся сложными объектами с разветвленной сетью с использованием большого количества вентиляторов местного и главного проветривания. Также следует отметить, что из-за увеличения глубины шахт и рудников, интенсификации и усложнения очистных и горнопроходческих работ, повышается количество выделяющихся вредных газов и пыли, возрастает степень угрозы отравления горнорабочих и взрывов метана в шахтах. Вследствие этого в настоящий момент к шахтной вентиляции предъявляются повышенные требования, обусловленные такими важными показателями как: безопасность, здоровье и производительность труда шахтеров. Основным звеном, обеспечивающим атмосферные условия, необходимые для безопасного ведения работ в подземных горных выработках являются вентиляторные установки. Поэтому одним из важных факторов обеспечения безопасности подземной добычи полезного ископаемого является совершенствование вентиляции горных работ, что диктует необходимость разработки новых образцов вентиляционного оборудования.
Вентиляторные установки также являются важнейшим объектом жизнеобеспечения подземных сооружений метрополитенов. От их надежности, возможности оперативного управления в штатном и аварийном режимах зависит безопасность работы метрополитенов.
Проведенный анализ эффективности способов регулирования осевых вентиляторов мощностью до 1000 кВт и диаметром до 2400 мм показал, что применять машины с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса нецелесообразно из-за их высокой стоимости, низкой надежности и т.п. Поэтому для создания рабочих колес реверсивных вентиляторов малой мощности необходимо рассматривать способ их регулирования и реверсирования изменением частоты и направления вращения. Для чего требуется разработка новых аэродинамических схем. Под аэродинамической схемой понимаем определенную геометрию лопаточной системы, рассчитанную на требуемые аэродинамические, акустические, весовые и габаритные параметры при высоком КПД.
Группой исследователей под руководством И. В. Бру сило веко го установлено, что достаточные реверсивные характеристики неповоротно-лопастных рабочих колес с однорядными телесными лопатками обеспечиваются при использовании лопаток S-образной формы.
Однако геометрия сдвоенных листовых S-образных лопаток не разрабатывалась и отсутствует методика расчета таких лопаток.
Таким образом, задача разработки новых реверсивных аэродинамических схем для неповоротно-лопастных осевых вентиляторов малой мощности и методики их расчета является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методики и основ проектирования аэродинамических схем с тонкими сдвоенными S-образными лопатками для реверсивных рабочих колес осевых вентиляторов, регулируемых на ходу изменением частоты и направления вращения.
Идея работы. Улучшение аэродинамических качеств и эксплуатационных свойств осевых вентиляторов малой мощности достигается использованием сдвоенных S-образных листовых лопаток рабочего колеса.
Объект исследования - рабочее колесо реверсивного неповоротно-лопастного осевого вентилятора с тонкими сдвоенными S-образными лопатками.
Предмет исследования - математические модели, геометрические параметры и аэродинамические характеристики решетки тонких сдвоенных S-образных лопаток рабочих колес осевых вентиляторов, реверсируемых и регулируемых изменением частоты и направления вращения.
Задачи исследования:
Обобщить и доработать математические модели решения прямой и обратной задач аэродинамического проектирования решеток рабочих колес осевых вентиляторов с тонкими сдвоенными S-образными лопастями.
Разработать математические модели описания срединной линии тонких S-образных лопастей, обеспечивающих наибольший коэффициент подъемной силы и наименьшие профильные потери.
Исследовать влияние попарного расположения лопастей в решетке на аэродинамические характеристики рабочего колеса осевого вентилятора.
Определить наилучшее взаимное расположение лопастей по условию «безударности» входа потока в решетку тонких сдвоенных S-образных лопаток.
Методы исследования включают: анализ источников научно-технической информации, постановку и проведение теоретических исследований, проведение численных экспериментов методами математического анализа и численного моделирования на базе данных эксперимента по испытаниям модельных и натурных вентиляторов.
Основные научные положения, защищаемые автором:
-
Повышенные аэродинамические характеристики в прямом и реверсивном режимах обтекания решетки обеспечивают лопасти рабочего колеса, срединная линия которых описывается функцией, состоящей на Ул соответственно из полинома 4-й степени, косинусоиды, синусоиды и полинома 2-й степени.
-
Коэффициент подъемной силы лопатки со сдвоенными S-образными лопастями в 2,0-2,5 раза больше указанных параметров решетки с одинарным расположением лопастей.
-
«Безударный» режим обтекания решетки тонких слабоизогнутых сдвоенных S-образных лопастей обеспечивается при их расположении по окружности и осевом смещении друг относительно друга, соответственно, на 0,16 и 0,15 шага решетки.
Достоверность научных результатов, выводов, рекомендаций обеспечивается:
а) корректным использованием численного метода дискретных вихрей, а
также методическими и теоретическими фундаментальными исследования
ми, выполненными представителями научной школы СМ. Белоцерковского;
б) сопоставлением и корректировкой результатов, выполненных численных
экспериментов с данными по результатам продувки в ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жу
ковского и ООО «ИННОВЕНТ» модельных и натурных вентиляторов диамет
ром 700 и 2000 мм.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработано математическое описание срединной линии тонких слабоизогнутых S-образных лопастей рабочего колеса реверсивного осевого вентилятора;
установлено влияние попарного расположения тонких S-образных лопастей на основные аэродинамические характеристики решеток рабочего колеса.
численным моделированием установлено, что «безударный» режим обтекания тонких сдвоенных S-образных лопастей обеспечивается обоснованным рациональным взаимным расположением лопастей в решетке.
Личный вклад автора состоит в разработке математических моделей, методов и расчете аэродинамических характеристик и геометрии лопаток рабочих колес реверсивных осевых вентиляторов различного назначения.
Практическая ценность диссертационного исследования состоит в том, что оно создает методическую базу для проектирования рабочих колес реверсивных осевых вентиляторов, регулируемых изменением частоты и направления вращения, для вентиляции шахт, рудников и метрополитенов.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на V Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2009); «Пятой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле» (Новосибирск, 2010); Научном симпозиуме «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2010» (Москва, 2010); «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2010); Международной конференции «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика», посвященной 90-летию со дня рождения академика Н.Н. Яненко (Новосибирск, 2011); Международной научно-практической конференции «Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование. Синтез знаний в естественных науках» (Пермь, 2011).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 научных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 63 рисунка и список литературы из 86 наименований.
