CC BY
25
- © Н.П. Косарев, В.Ф. Копачев, 2015
УДК 622.44
Н.П. Косарев, В.Ф. Копачев
ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ СВОЙСТВ ДИАГОНАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ
Рассмотрены основные адаптивные свойства диагональных шахтных вентиляторов. Приведены результаты их экспериментальных исследований. А также дан сравнительный анализ конструктивного решения диагонального вентилятора по сравнению с осевыми вентиляторами. Приведены аэродинамические характеристики рассматриваемых воздуходувных машин.
Ключевые слова: диагональный вентилятор, вентиляторная установка, повышение адаптивности, аэродинамические характеристики.
В условиях рыночной экономики при постоянном росте цен на энергетические ресурсы вопросы сокращения непроизводительных расходов принимают все большую актуальность. Вентиляторы главного проветривания, которые обеспечивают необходимые санитарно-гигиенические условия ведения горных работ в шахтах, выполняя вспомогательную функцию, потребляют значительную часть электроэнергии от общей энергоемкости предприятия. Необходимым условием минимизации эксплуатационных расходов для вентиляторных установок становятся вопросы обеспечения технической адаптации вентиляторов и главных вентиляторных установок к меняющимся характеристикам вентиляционных сетей и условиям проветривания горных выработок.
Для решения этой проблемы требуется новых подход к повышению адаптивных свойств поверхностных комплексов главных вентиляторных установок, включающий в себя передовые достижения горной науки и внедрение современной техники.
Разработанные в последние годы аэродинамические схемы шахтных вентиляторов обладают высокими значениями эксплуатационных показателей. Отечественные серийные вентилято-
ры главного проветривания типа ВЦ, ВЦД, ВЦГ, ВОД, ВО и Аэровент-ВО имеют статический КПД, достигающий 0,87, глубину экономичного регулирования по давлению свыше 0,5. Однако эксплуатационная эффективность отечественных главных вентиляторных установок (ГВУ) остается на низком уровне [1]. Связано это с тем, что высокоэкономичные вентиляторы находятся в работе на неоптимальных режимах (режимах с низким КПД). Основные причины данного явления заложены в особенностях работы установок: переменный характер вентиляционных сетей и режимов вентиляции и обеспечение ГВУ, представляющее собой ограниченный параметрический ряд перекрытия поля шахтных вентиляционных режимов. Таким образом обеспечение экономически выгодной эксплуатации ГВУ требует технической адаптации ее составляющих элементов в комплексе системного подхода к главной вентиляторной установке и шахтной вентиляционной системе.
Адаптивные свойства вентиляторов горных предприятий входят в характеризующие параметры методов оценки качества шахтных вентиляторов. В условиях поставленной задачи рассмотрим следующие системные критерии и параметры, характеризующие
адаптивность главных вентиляторных установок. Техническая адаптивность, определяемая средствами долговременного и оперативного регулирования, к которым относятся технические регуляторы. Аэродинамическая адаптивность, определяемая показателями, показывающими возможность с минимальными энергетическими затратами менять аэродинамические параметры машины. К ним относятся: глубина экономичного регулирования
^шт
по давлению Еш = 1 -
и производительности Е = 1 -
ф
Я„
^max
где w . , w - минимальный и мак-
т min т max
симальный коэффициенты давления при заданной производительности, q q - минимальная и максимальная
max
производительность при заданном давлении.
Полнота покрытия вентиляционных полей оценивается коэффициентом аэродинамической нагруженности, показывающим интегральную гидравлическую напорность машины во всем диапазоне подач
j Aydq
K = —
Г dq
диционные методы повышения аэродинамических параметров шахтных вентиляторов путем совершенствования формы профилей лопаток рабочих колес практически исчерпали свои возможности, поэтому улучшение технических параметров ГВУ, увеличение эффективности шахтных вентиляторов может быть достигнуто за счет повышения их адаптивных свойств путем увеличения их аэродинамической нагруженности.
Для осевых машин более целесообразным является способ повышения аэродинамической нагруженности путем радиального смещения потока. Методом конструктивной реализации этого способа является ориентация на создание вентиляторов смешанного принципа действия, обладающих более эффективным использованием проточной части машины. Следствием этого является повышение аэродинамических параметров, увеличивающих адаптивные свойства, улучшение энергетических и шумовых характеристик без увеличения массогабаритных показателей и частот вращения рабочих колес, что представляет существенный интерес с точки зрения снижения энергетических затрат как на местное, так и на общешахтное проветривание.
Данный параметр, дает косвенную оценку адаптивным свойствам воздуходувных машин и его величина свидетельствует об аэродинамическом совершенстве машины.
Использование вышеприведенных системных параметров позволяет с достаточной точностью оценивать эксплуатационную и функциональную адаптивность вентиляторов главного проветривания.
Результаты рассмотрения фактического состояния шахтного венти-ляторостроения показывает, что тра-
Рис. 1. Осе-радиальный вентилятор
q
Реализация поставленной задачи было осуществлено в конструкции диагонального вентилятора, разработанного на кафедре горной механики УГГУ совместно с ОАО «Красногвардейский крановый завод» [2]. Данная конструкция диагонального вентилятора (рис. 1), содержит корпус, выполненный в форме конуса 1 на участке рабочего колеса, рабочее колесо с лопатками 2 и конической втулкой 3, обтекатель 4, лопаточный спрямляющий аппарат 5. Воздушный поток 6 движется в осе-радиальном направлении под углом к оси вращения рабочего колеса (у1 - угол наклона втулки, у2 - угол наклона корпуса на участке рабочего колеса).
Более высокие аэродинамические и энергетические показатели достигаются в предложенной конструкции за счет соответствующей формы корпуса и втулки вентилятора в области рабочего колеса и спрямляющего аппарата, что дает возможность использовать радиальное давление, возникающее вследствие радиального смещения потока в процессе его закручивания в рабочем колесе.
Повышение аэродинамических параметров вентилятора достигается за счет снижения потерь, так как в этом случае форма проточной части вен-
тилятора соответствует траектории смещения потока воздуха в рабочем колесе и спрямляющем аппарате. При этом происходит расширение области устойчивой работы и промышленного использования вентилятора путем уменьшения вращающегося срыва в его лопаточных венцах, что достигается отношением углов конусности втулки и корпуса в пределах 1,28-1,33. При данных отношениях углов конусности втулки и корпуса достигается достаточно полное использование центробежных сил, действующих в рабочем колесе в направлении радиуса от втулки к корпусу и создающих статическое давление, препятствующее возникновению вращающегося срыва. Основными определяющими параметрами диагонального вентилятора являются: относительный диаметр втулки рабочего колеса по среднему значению ^ , число лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) 2ВНА, число лопаток рабочего колеса (РК) ZК, число лопаток спрямляющего аппарата (СА) ZСА, угол установки лопаток РК 9к.
Для подтверждения выдвинутой гипотезы, а также ввиду чрезвычайно сложного пространственного течения в диагональном вентиляторе были проведены его экспериментальные исследования на стенде испытательной
Рис. 2. Стендовые испытания диагонального вентилятора 162
станции ОАО «Красногвардейский машиностроительный завод» (рис. 2). Для этих целей был изготовлены опытные образцы диагональных вентиляторов с диаметром рабочего колеса Оср = = 8,0 дм, для которых было принято обозначение ВМЭ-8,2ГК.
В результате испытаний была получена аэродинамическая характеристика вентилятора и подтверждены основные положения теоретических исследований аэродинамики диагональных вентиляторов. На рис. 3 приведена типовая безразмерная аэродинамиче-екая характеристика вентилятора, построенная на основе экспериментальной размерной характеристики и стандартной методики пересчета [3]. Характер кривой давления показал расширение области устойчивой работы (левая часть характеристики) и повышение давления до 15% по сравнению с осевыми вентиляторами при производительностях менее номинальной. В области максимального значения КПД вентилятора параметры имели значения: производительность О = 15 м3/с, полное давление Р =
' ун
= 44050 Па.
Аэродинамические параметры, полученные на модели, превышают параметры аналогичных вентиляторов типа ВМЭ-8-90 производства ОАО «Том-
V
ский электромеханический завод» и ВМЭВО-8А, выпускаемого ЗАО ЗВО «Донвентилятор».
Основные параметры вентилятора предлагаемой конструкции типа ВМЭ-8,2ГК и ВМЭВО-8А, построенного на базе новой высоконапорной аэродинамической схемы «Аэровент-АУ70-102е» и выпускаемого ЗАО ЗВО «Донвентилятор» и ОАО «АМЗ «ВЕНТ-ПРОМ», приведены в таблице.
Результаты сравнения показывают, что диагональные вентиляторы по сравнению с осевыми развивают давление больше чем на 9%, при этом диапазон их подач увеличился на 15%.
Коэффициент полного давления у вентилятора без учета влияния сжимаемости (по среднему сечению рабочего колеса)
2Р 2■4050
ри2т 1,2 ■ 1252
= 0,42
где Ру - полное давление вентилятора, р - плотность воздуха, иср - окружная скорость.
Коэффициент быстроходности п , определенный по размерным параметрам пу = 126.
Обозначение разработанной аэродинамической схемы следующее: ОРВ 42-126 (осерадиальный вентилятор
0.8
0,6
0.4
0.2
* ¿Г г<5 ' N *
- ■■ — - Г / > / у / ✓ Л
7 > Ч1 \ ч
\
0,7-,
-0.6
-0.5
- 0,4-
0,12
0.10
0,08
0.06
0 0,04 0,08 0.12 0,16 0,20 0.24 Ф
Рис. 3. Безразмерная аэродинамическая характеристика вентилятора ВМЭ-8,2ГК, схема ВНА+К+СА: < = 0,5; = 13; ^ = 10; = 13; 0 = 25°
' ' ВНА ' К ' СА ' к
Сравнительные показатели вентиляторов ВМЭ-8,2ГК и ВМЭВО-8А (при углах установки лопаток входного направляющего аппарата 9вна = 0°)
№ п/п Показатели Тип вентилятора
ВМЭ-8,2ГК ВМЭВО-8А
1 Аэродинамическая схема ОРВ42-126 Аэровент-ЛУ70-102е
2 Номинальный диаметр рабочего колеса, мм 800 800
3 Номинальная подача, м3/с 15 15
4 Номинальное полное давления, Па 4050 3800
5 Подача в рабочей области, м3/с 4-19 6-19
6 Полное давление в рабочей области, Па 1000-5200 800-4600
7 Максимальный полный коэффициент полезного действия, 0,67 0,78
8 Мощность электропривода, кВт 90 90
9 Номинальная частота вращения рабочего колеса, мин-1 2950 2950
10 Габаритные размеры, мм длина ширина высота 1186 1050 1264 1280 1100 1180
11 Масса комплекта с электродвигателем, кг 1400 1050
12 Глубина регулирования по производительности, 0,78 0,68
13 Глубина регулирования по давлению, 0,80 0,71
14 Коэффициент аэродинамической нагруженности 0,33 0,32
с коэффициентом полного давления 0,42 и коэффициентом быстроходности 126).
Для регулирования режима работы вентилятора диагональной конструкции применимы способы, связанный с закручиванием потока на входе в рабочее колесо при помощи осевого направляющего аппарата, а также изменением частоты вращения рабочего колеса. Устранение срывной зоны на характеристике вентилятора приводит к расширению его рабочей зоны и увеличению глубины регулирования по производительности.
Таким образом, повышения эксплуатационной эффективности комплек-
сов главных вентиляторных установок можно достигнуть путем улучшения их адаптивных свойств к значительным колебаниям и диапазонам изменения вентиляционных параметров. Это достигается конструкцией диагональных вентиляторов, обладающих большей аэродинамической нагруженностью в условиях эксплуатации. За счет более полного использования проточной части диагональные вентиляторы имеют более высокие аэродинамические параметры в сравнении с осевыми аналогами и их применение позволит использовать вентиляторы меньших размеров и сократить расходы на проветривание шахт и рудников.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Копачев В.Ф. Сравнительный анализ компоновочных схем поверхностных комплексов главных вентиляторных установок // Известия УГГА. Серия Горная электромеханика. - 2000. - Вып. 9. - С. 177-181.
2. Тимухин С.А., Копачев В.Ф., Кар-гин И.В., Сарасек Б.С. Диагональный венти-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
лятор. Патент на изобретение № 2455528 от 05.05.2010 г.
3. ГОСТ 10921-90. Вентиляторы радиальные и осевые. Методы аэродинамических испытаний. Издание официальное. - М.: Издательство стандартов, 1991. - 32 с. КИП
Косарев Николай Петрович - доктор технических наук, профессор, Копачев Валерий Феликсович - кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected], Уральский государственный горный университет.
UDC 622.44
RESEARCH ADAPTIVE PROPERTIES OF DIAGONAL MINE OF FANS
Kosarev N.P.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,
Kopachev V.F.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor,
e-mail: [email protected],
Ural State Mining University, 620144, Ekaterinburg, Russia.
Describes the main properties of adaptive diagonal mine fans. Shows the results of experimental studies. And also the comparative analysis of the constructive solutions diagonal fan compared with axial fans. Aerodynamic characteristics are considered blowing machine.
Key words: diagonal fan, fan installation, increase agility, aerodynamic characteristics.
REFERENCES
1. Kopachev V.F. Izvestiya UGGA. Seriya Gornaya elektromekhanika. 2000, issue. 9, pp. 177-181.
2. Timukhin S.A., Kopachev V.F., Kargin I.V., Sarasek B.S. Patent RU 2455528, 05.05.2010.
3. Ventilyatory radialnye i osevye. Metody aerodinamicheskikh ispytaniy. GOST 10921-90 (Radial and axial fans. Aerodynamic test methods. State Standart 10921-90), Moscow, Izdatel'stvo standartov, 1991, 32 p.
