CC BY
16
УДК 622 44 Н.В. Макаров, И.Ю. Патракеева, К.К. Сверидов
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ ДЛЯ ДВУХСТОРОННИХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ
На базе анализа известных средств регулирования шахтных двухсторонних центробежных вентиляторов предложен принципиально новый способ активного управления аэродинамическими процессами на входе в их рабочее колесо. Описана разработанная авторами и защищенная патентом на изобретение принципиальная конструктивная схема двухстороннего центробежного вентилятора с энергетическим регулятором (ЭР). Предлагаемое решение позволяет увеличить глубину экономичного регулирования вентилятора за счет раздельного регулирования проходного сечения рабочего колеса и расхода управляющего потока, а также повышение эффективности взаимодействия управляющего и основного потоков. С использованием закона сохранения кинетического момента, применительно к ЭР двухстороннего центробежного вентилятора, получено уравнение аэродинамической характеристики двухстороннего центробежного вентилятора. Применение ЭР для повышения адаптивности центробежных вентиляторов главного проветривания способствует снижению их удельного энергопотребления на 8% и увеличению глубины регулирования по давлению на 15%, что эквивалентно годовому экономическому эффекту, соизмеримому со стоимостью вентилятора.
Ключевые слова: вентилятор, энергетический регулятор, двухсторонний центробежный вентилятор, аэродинамика, управляющий поток, регулирование режима работы турбомашины, адаптивость турбомашин, экономичность турбомашин.
Шахтные вентиляторные установки главного проветривания должны иметь устройства, позволяющие значительно изменять их аэродинамическую характеристику без существенного уменьшения к.п.д., т.е. они должны экономично и глубоко регулироваться, поскольку фактические вентиляционные режимы, как правило, отличаются от проектных и, кроме того, подвержены существенным изменениям во времени [1].
Широкое применение вентиляторных установок двухстороннего всасывания, отличающихся большой быстроходностью, то
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 5. С. 88-96. © 2017. Н.В. Макаров, И.Ю. Патракеева, К.К. Сверидов.
есть обеспечивающих повышенную подачу воздуха в шахту требует разработки для них эффективных регулирующих устройств, позволяющих снизить непроизводительные расходы воздуха.
Существенные потенциальные возможности заложенные в активных (энергетических) методах управления аэродинамическими процессами в проточной части центробежных турбо-машин — перспективное направление повышения экономичности работы шахтных центробежных вентиляторов. Принцип работы энергетических методов управления течением в вентиляторах одностороннего всасывания и их конструктивное исполнение изложены в ряде источников [2, 3, 4, 5, 6].
Актуальность предлагаемой статьи обусловлено отсутствием в литературе системных исследования и анализа применения энергетических методов управления в радиальных вентиляторах двухстороннего всасывания. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать и испытать принципиально новую конструкцию энергического регулятора применительно к входной коробке радиального вентилятора. Предлагаемая конструкция отличается оригинальностью и патентной чистотой [2].
Энергетический регулятор (ЭР) обеспечивает настройку тур-бомашины на режим ее работы, соответствующий аэродинамическим параметрам шахтной вентиляционной сети, определяемой фактической точкой пересечения с соответствующей сетью.
Регулирование вентилятора обусловлено необходимостью настройки на требующийся режим работы [7, 8, 9]. Последний, как известно, определяется точкой пересечения характеристик сети.
Аэродинамическая характеристика шахтной вентиляционной сети определяется уравнением:
2
Ус = Ус Я2 , (1)
где ус — коэффициент депрессии шахтной вентиляционной сети; ус — коэффициент сопротивления шахтной вентиляционной сети; qc — коэффициент расхода воздуха вентиляционной сети шахты.
В соответствии с уравнением Эйлера, давление, развиваемое вентилятором определяется по формуле:
Уе = ПгУш (С2Ш ± ) , (2)
где — коэффициент давления, вентилятора; пг — гидравлический к.п.д. вентилятора; у — коэффициент теоретического
давления вентилятора; С2и — коэффициент закрутки потока на выходе из рабочего колеса вентилятора; d1 = D1/D2 — относительный диаметр входа в рабочее колесо вентилятора; Сш — коэффициент закрутки потока на входе в рабочее колесо вентилятора, управляемый ЭР.
В соответствии с законом сохранения кинетического момента, применительно к ЭР двухстороннего центробежного вентилятора, выражение для коэффициента закрутки потока на входе в рабочее колесо получено в виде:
сш = Я = , (3)
Яе '
где qв — коэффициент подачи вентилятора; qу — коэффициент расхода ЭР.
С учетом уравнения Бернулли и геометрических параметров ЭР двухстороннего центробежного вентилятора, выражение для коэффициента расхода управляющего потока ЭР получим в виде:
= Кгп($ - ^)^ , (4)
где dв, dн — относительные диаметры расходных окон внутренний и наружный соответственно; уЭр — коэффициент сопротивления ЭР; КГ — коэффициент густоты расходных окон ЭР, определяемый по формуле:
КГ = 0,55, (5)
где 5 — относительная текущая ширина расходного окна ЭР, определяемая по формуле:
5 = А/А , (6)
' тах' 4 '
где А, Атах — текущая и максимальная ширина расходного окна ЭР.
После соответствующих преобразований аэродинамическая характеристика двухстороннего центробежного вентилятора с ЭР может быть представлена в следующем виде:
уГ = П [(1 - ЯеЬ2%адв2) - ¿1 (1 - ЯуоЬдв2)] , (7) где Р2 — угол выхода лопатки из рабочего колеса, вентилятора; Ь1, Ь2 — относительная_ширина рабочего колеса на входе и выходе соответственно, Ь1 = Ьп; Ьп — относительная ширина рабочего колеса на входе по подвижному патрубку 6.
Ввиду сложности процесса взаимодействия процесса взаимодействия управляющего и основного потоков исследование
внешней аэродинамики ЭР было проведено экспериментальным путем. Исследование проводилось на установке для аэродинамических испытаний вентиляторов на всасывание, выполненной в соответствии с ГОСТ 10921-90 [10, 11]. Для определения последовательности эксперимента был применен статистический метод линейного планирования. В качестве плана использована дробная реплика с генерирующим соотношением, обеспечивающим максимальную ее разрешающую способность [12].
Конструктивно предлагаемые нами ЭР на базе двухстороннего центробежного вентилятора может состоять из (рисунок): корпуса вентилятора 1, установленного в его полости 2 рабочего колеса 3 с телескопическим входным патрубками 4, состоящим из неподвижно закрепленного кольцевого направляющего элемента 5 и подвижного патрубка 6, которые образуют кольцевой канал 7 с обечайкой 8, установленной снаружи от патрубка 6 и жестко связанной с ним с помощью спиц 9, причем подвижный патрубок 6 выполнен телескопическим и имеет прямолинейную образующую 10, подвижную обечайку 11 и тороидальный выходной участок 12. Обечайка 8, установленная в кольцевом канале 7, имеет входной тороидальный коллектор 13, состоящий из внутреннего элемента 14, жестко связанного с обечайкой 8, и внешнего 15, перемещающегося по спицам 16 в осевом направлении во входной коробке 17 с обра-
Двухсторонний центробежный вентилятор с энергетическим регулятором
зованием кольцевого зазора 18 между составными элементами коллектора 13. Во внешнем, подвижном элементе 15 входного коллектора 13 выполнены расходные окна 19 с заслонками 20 и механизмом их одновременного перемещения по окружности. На стенке 21 корпуса 1 вентилятора, сопряженной со входной коробкой 17, выполнен кольцевой канал 22 с секторными заслонками 23 и механизмом их одновременного перемещения в радиальном направлении.
При работе центробежного вентилятора поток воздуха из атмосферы через входной патрубок поступает в рабочее колесо. Прямолинейная образующая подвижного патрубка и установленные в положение «закрыто» внешняя подвижная часть входного тороидального коллектора, расходные окна на входном коллекторе и стенке корпуса не нарушают номинального режима работы вентилятора. Для регулирования режима работы вентилятора обечайку 8, жестко связанную с подвижным патрубком, смещают в осевом направлении так, что патрубок своим тороидальным входным участком входит в проточную часть рабочего колеса, уменьшая его проходное сечение в меридиональном направлении.
Закрученный поток воздуха из полости корпуса через зазор между патрубком и стенкой корпуса поступает в телескопический входной патрубок. Под действием центробежной силы от закрутки управляющий поток полости формирует течение основного потока в полость подвижного патрубка, а сам поступает на вход в рабочее колесо через кольцевой канал, образованный кольцевым направляющим элементом и подвижным патрубком.
Определенное количество закрученного управляющего потока, плавно огибая тороидальный выходной участок, прижимается к покрывному диску рабочего колеса, заполняя в радиальном направлении его проточную часть до выходного сечения подвижного патрубка. Основной поток через внутреннюю полость подвижного патрубка поступает в рабочее колесо с уменьшенным эффективным проходным сечением — в меньшем количестве, т.е. циркуляция управляющего потока снижает расход основного потока. Устранение вихревых зон у покрывного диска за счет подачи закрученного управляющего потока при малом энергетическом взаимодействии его с рабочим колесом позволяет в широком диапазоне изменять эффективную ширину проходного сечения рабочего колеса без резкого роста потерь энергии, что обеспечивает увеличение глубины экономичного регулирования.
При увеличении длины подвижного патрубка в пределах обечайки, происходит рост доли основного потока, поступающего под действием эжекции в кольцевой канал вместе с управляющим потоком. Закрутка части основного потока, поступающего через кольцевой канал, приводит к снижению давления, развиваемого вентилятором, и увеличению его подачи при фиксированном положении обечайки.
Перемещением внешней части коллектора в осевом направлении обеспечивают подачу управляющего потока из полости корпуса вентилятора через кольцевой канал во входную коробку. Эффективное взаимодействие управляющего и основного потоков полости входной коробки по внешней и внутренней поверхностям входа и выхода в кольцевой канал способствует существенной закрутке основного потока, поступающего через внутреннюю полость патрубка в рабочее колесо без существенных потерь энергии на вихреобразование. Указанное позволяет осуществлять глубокое экономичное регулирование давления, развиваемого вентилятором при каждом фиксированном положении коллектора, соответствующего конкретному значению подачи вентилятора. Таким образом, изменяя в широком диапазоне положение коллектора и подвижной части коллектора, можно в широком диапазоне изменять величину расхода и давления, развиваемого вентилятором. Причем, что очень важно, эти указанные параметры можно изменять независимо друг от друга. Открытие расходных окон на подвижной части коллектора перемещением заслонок позволяет существенно увеличить эффективную площадь взаимодействия управляющего и основного потока в области тороидальной поверхности входного коллектора в полости входной коробки, что также способствует большему изменению глубины экономичного регулирования вентилятора по давлению.
Кольцевой канал на стенке корпуса вентилятора также способствует эффективному закручиванию основного потока управляющим потоком в полости входной коробки. При этом в данном случае достигается максимальная эффективность взаимодействия потоков в силу отсутствия в кольцевом зазоре конструктивных элементов, способствующих возникновению местного сопротивления движению управляющего потока. Таким образом, предложенная конструкция регулирующего устройства обеспечивая эффективное, т.е. с минимальными потерями энергии на вихреобразование взаимодействие основного и управляющего потоков в полости входной коробки и раздельное регулирование
ширины проходного сечения рабочего колеса, кольцевого зазора, расходных окон и кольцевого канала, позволяет существенно увеличить глубину экономичного регулирования центробежного вентилятора как по подаче, так и по давлению. При этом возможно раздельное изменение подачи и давления, развиваемых вентилятором, в широком диапазоне их значений.
Оптимальные значения геометрических параметров энергетических регуляторов напрямую зависят от геометрических партеров рабочего колеса центробежного вентилятора. Применение ЭР для повышения адаптивности центробежных вентиляторов главного проветривания способствует снижению их удельного энергопотребления на 8% и увеличению глубины регулирования по давлению на 15%, что эквивалентно годовому экономическому эффекту, соизмеримому со стоимостью вентилятора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Макаров Н. В. Обоснование параметров и разработка энергетических регуляторов шахтных центробежных вентиляторов. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. — Екатеринбург: УГГУ, 2008. - 155 с.
2. Абрамович Н. Г. Прикладная газовая динамика. — М.: Наука, 1976. — 888 с.
3. Лойцанский Л. Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 2003. — 846 с.
4. Макаров В. Н., Агушев В. А., Ковыров Е. И. Повышение эффективности шахтных центробежных вентиляторов главного проветривания / Горные машины. — Свердловск: НИПИгормаш, 1982. — С. 121—127.
5. Ляпцев С. А., Потапов В.Я. Математическое описание поведения рудных частиц в воздушном потоке разделения частиц в воздушном потоке разделительных аппаратов // Современные проблемы науки и образования. — 2012. — № 1. — С. 178.
6. Макаров В. Н., Фомин В. И., Волков С. А. Аэродинамическая устойчивость активных решеток профилей центробежных вентиляторов // Известия Уральского государственного горного университета. — 2008. — № 23. — С. 85—87.
7. Макаров Н. В., Белов С. В., Фомин В. И., Макаров В. Н., Волков С. А. Патент РФ № 2390657, 02.04.2008. Центробежный вентилятор. 2009 г. Бюл. № 28.
8. Макаров Н. В., Солдатенко А. А., Лаврёнов Н. Е, Макаров В. Н. Центробежные вентиляторы местного проветривания с энергетическими регуляторами // Известия Уральского государственного горного университета. — 2015. — № 4 (40). — С. 79—83.
9. Макаров В. Н., Фомин В. И., Волков С. А. Оптимизация параметров энергетических регуляторов // Известия Уральского государственного горного университета. — 2008. — № 23. — С. 99—102.
10. Веников В. А. Теория подобия и моделирование применительно к задачам электроэнергетики. — М.: Высшая школа, 1966. — 487 с.
11. ГОСТ 10921-74 Вентиляторы радиальные (центробежные) и осевые. Методы аэродинамических испытаний, 1974. — 15 с.
12. Тиме В. А. Оптимизация технико-экономических параметров гидротурбин. — Л.: Машиностроение, 1976. — 271 с. li^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Макаров Николай Владимирович1 — кандидат технических наук,
доцент, зав. кафедрой, e-mail: [email protected],
Патракеева Ирина Юрьевна1 — аспирант,
e-mail: [email protected],
Сверидов Кирилл Константинович1 — студент,
1 Уральский государственный горный университет.
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 5, pp. 88-96.
udc 622.44 N.V. Makarov, I.Yu. Patrakeeva, K.K. Sveridov
ENERGY CONTROL DEVICES FOR TWO-WAY CENTRIFUGE FANS
On the basis of analysis of the known means of regulating mine bilateral centrifugal fans offered a fundamentally new way of active aerodynamic control processes at the entrance to their impeller. Mine fans are the main link in the process chain to ensure safe hygienic conditions in mines. Airing deep mines especially for parallel operation of fans, most effectively provides two-way centrifugal fans have a higher wind loading, in combination with high performance lower sound power level of ease of maintenance and reliability in operation.
A large variety of modes of ventilation of mines, as well as their changes over time related to organizational and process a mining show to hard fan of high adaptability requirements, that is, the ability to cost-effectively provide the required ventilation mode. However this indicator centrifugal fans, provided with axial guide vanes or swirl are less economical depth control ^ф = 0.55) compared to the axial fan provided with rotary vanes of impellers ^ф = 0.7).
The paper describes the authors developed and patented an invention schematic structural diagram of a centrifugal fan with double-sided energy regulator (ER). The proposed solution allows to increase the cost of the fan control the depth by a separate regulation the flow cross section of the impeller flow and control flow, as well as improving the efficiency of interaction between the manager and the main flow.
Using the law of conservation of angular momentum, in relation to ER double centrifugal fan, an equation of aerodynamic characteristics of double centrifugal fan.
Application of ER to improve the adaptability of the centrifugal fan of the main airing helps to reduce their energy intensity by 8% and an increase in the depth control pressure at 15%, which is equivalent to the annual economic effect, commensurate with the value of the fan.
Key words: fan, power regulator, double-sided centrifugal fan, aerodynamics, control flow, control of engine operation mode, adaptive turbomachinery, turbomachinery efficiency.
AUTHORS
Makarov N.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Head of Chair, e-mail: [email protected],
Patrakeeva I.Yu.1, Graduate Student, e-mail: [email protected], Sveridov K.K.1 - Student,
1 Ural State Mining University, 620144, Ekaterinburg, Russia.
REFERENCES
1. Makarov N. V Obosnovanieparametrov i razrabotka energeticheskikh regulyatorov shakht-nykh tsentrobezhnykh ventilyatorov (Justification of parameters and development of energy regulators mine centrifugal fans), Candidate's thesis, Ekaterinburg, UGGU, 2008, 155 p.
2. Abramovich N. G. Prikladnaya gazovaya dinamika (Applied gas dynamics), Moscow, Nauka, 1976, 888 p.
3. Loytsanskiy L. G. Mekhanika zhidkosti igaza (Fluid and gas mechanics), Moscow, Nauka, 2003, 846 p.
4. Makarov V. N., Agushev V. A., Kovyrov E. I. Gornye mashiny (Mining machines), Sverdlovsk, NIPIgormash, 1982, pp. 121-127.
5. Lyaptsev S. A., Potapov V. Ya. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2012, no 1, pp. 178.
6. Makarov V. N., Fomin V. I., Volkov S. A. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gor-nogo universiteta. 2008, no 23, pp. 85-87.
7. Makarov N. V., Belov S. V., Fomin V. I., Makarov V. N., Volkov S. A. Patent RU2390657, 02.04.2008.
8. Makarov N. V., Soldatenko A. A., Lavrenov N. E, Makarov V. N. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogogornogo universiteta. 2015, no 4 (40), pp. 79-83.
9. Makarov V. N., Fomin V. I., Volkov S. A. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta. 2008, no 23, pp. 99-102.
10. Venikov V. A. Teoriya podobiya i modelirovanie primenitel'no k zadacham elektro-energetiki (Theory of similarity and modeling in problems of electrical energy industry), Moscow, Vysshaya shkola, 1966, 487 p.
11. Ventilyatory radial'nye (tsentrobezhnye) i osevye. Metody aerodinamicheskikh ispy-taniy. GOST10921-74(Radial (centrifuge) and axial fans. Methods of aerodynamic testing. State Standart 10921-74), 1974, 15 p.
12. Time V. A. Optimizatsiya tekhniko-ekonomicheskikh parametrov gidroturbin (Optimization of performance characteristics of hydraulic turbines), Leningrad, Mashino-stroenie, 1976, 271 p.
РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
ПРЕДПОСЫЛКИ И КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА (№ 1094/05-17 от 15.03.17, 13 с.)
Боярских Геннадий Алексеевич1 - дтн, профессор, зав. кафедрой,
Боярских Илья Геннадьевич1 - инженер, Дмитриев Владимир Трофимович1 - профессор, 1 Уральский государственный горный университет, e-mail: [email protected].
Приведена методика статистического моделирования показателей надежности бурового инструмента ударного действия. Рассмотрены наиболее информативные и адекватные законы распределения наработки на отказ буровых коронок ударного действия. Приведены алгоритмы расчета показателей надежности для различных законов распределения.
Ключевые слова: показатель надежности, буровой инструмент, сравнительные испытания, закон распределения, плотности вероятности.
PREREQUISITES AND CRITERIA FOR ASSESSMENT OF RELIABILITY DRILLING TOOL
Boyarskikh G.A.1, Boyarskikh I.G.1, Dmitriev V.T.1,
1 Ural State Mining University, 620144, Ekaterinburg, Russia, e-mail: [email protected].
The technique of statistical modelling of the reliability of drilling tools percussion. Considered the most informative and adequate distribution laws of time between failures of drill bits percussion. Algorithms of calculation of parameters of reliability for different distribution laws.
Key words: reliability index, the drilling tool comparative tests, the distribution of the probability density.
