CC BY
35
УДК 622.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ РОТОРОВ ОСЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ ШАХТ
Евгений Юрьевич Русский
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)205-30-30, доп. 339, e-mail: geomining@mail.ru
Рассмотрена конструкция ротора шахтного осевого вентилятора главного проветривания, определены основные параметры возмущенного воздушного потока, влияющие на возникновение вынужденных колебаний лопаток, найдены зависимости вибрационных напряжений в элементах ротора от параметров возмущенного воздушного потока; построены частотные диаграммы, связывающие зависимость собственных частот колебаний и частот возмущающих сил.
Ключевые слова: ротор осевого вентилятора, напряженно-деформированное состояние, возмущенный воздушный поток, вибрационная надежность.
RESEARCH OF VIBRATION RELIABILITY OF AXIAL FANS ROTORS OF THE MINE MAIN AIRING
Evgeny Yu. Russky
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Senior Researcher, tel. (383)205-30-30, extension 339, e-mail: geomining@mail.ru
Construction of a rotor mine axial fan of the principal airing is considered, the key parameters of the perturbed air flow influencing origin of forced oscillations of blades are determined, dependences of vibrational tension are found in rotor elements from parameters of the perturbed air flow; the frequency charts, the connecting dependences of natural frequencies of oscillations and frequencies of the perturbing forces are constructed.
Key words: rotor of the axial fan, the intense deformed state, the indignant air stream, vibration reliability.
Эксплуатационная надежность является важнейшей характеристикой шахтных вентиляторов главного проветривания. Она в значительной степени зависит от запаса прочности и уровня вибраций основных узлов вентилятора. На узлы вентилятора действуют возмущения от воздушного потока, вызванные действием нестационарных аэродинамических сил, возникающих вследствие неравномерности течения потока при взаимодействии с ребрами корпуса, лопатками направляющего и спрямляющего аппаратов [1], а также от возмущений, обусловленных внезапными выбросами или взрывами.
Основным узлом шахтного осевого вентилятора является ротор. Его надежность, в основном, определяет работоспособность вентилятора. Ротор, в свою очередь, состоит из коренного вала и рабочего колеса (РК), которое включает в себя корпус и рабочие лопатки [2]. Рассмотрим вентилятор главного проветривания серии ВО [2], рабочее колесо которого имеет 8 сдвоенных листовых лопаток сварной конструкции. Коренной вал вентилятора через муфту соединен с трансмиссионным валом, который
через муфту кинематически связан с валом электродвигателя. Схема вентилятора показана на рис. 1.
12 3 4 Ь Ь
Рис. 1. Схема вентиляторного агрегата серии ВО:
1 - синхронный электродвигатель 630кВт, 750 об/мин, 6.0 кВ; 2 - электромагнитный тормоз; 3 - рабочее колесо с поворотными на ходу сдвоенными листовыми лопатками;
4 - неповоротные лопатки спрямляющего аппарата; 5 - механизм одновременного поворота
лопаток рабочего колеса; 6 - диффузор
Рассмотрим взаимодействие возмущенного воздушного потока со сдвоенной лопаткой осевого вентилятора.
На рис. 2 показана схема сдвоенной листовой лопатки осевого вентилятора ВО-36К [2]. Данный вентилятор имеет следующие параметры: диаметр по концам лопаток D = 3.6 м, статическое давление Psv = 2550 Па, мощность электродвигателя N = 2000 кВт.
Рис. 2. Схема сдвоенной листовой лопатки:
1 - большая лопасть; 2 - малая лопасть; 3 - поворотное основание; 4 - перемычка
Анализ проводился методом конечных элементов, с использованием программного пакета Ansys.
Собственные частоты сдвоенной листовой лопатки вентилятора ВО-36К, рассчитанные в пакете Ansys, представлены на рис. 3 (а, б - изгибные формы колебаний, в -крутильная форма колебаний).
Рис. 3. Формы собственных колебаний сдвоенной листовой лопатки РК:
а) первая форма колебаний (частота 66.5 Гц); б) вторая форма колебаний (частота 101.5 Гц); в) третья форма колебаний (частота 165.1 Гц)
Собственные частоты колебаний (рис. 4) составляют: по первой форме 66.5 Гц, по второй форме 101.5 Гц, по третьей форме 165.1 Гц. Основная возбуждающая частота - частота вращения ротора, равная 10 Гц. Наблюдается значительная отстройка собственных частот от основной возбуждающей частоты.
Лопатки, помимо постоянных нагрузок (таких, как центробежные силы, силы сопротивления воздушного потока, тяги и инерции при вращении ротора), испытывают действие циклически изменяющихся во времени возмущающих нагрузок, которые вызывают дополнительные динамические напряжения в лопастях [3]. При совпадении частоты возмущающей силы с одной из собственных частот лопатки наступает явление резонанса, характеризуемое значительным увеличением амплитуд колебаний. Резонансные явления наблюдаются также, когда собственная частота не равна, но кратна частоте возмущающей силы.
Резонансные колебания лопаток возникают в случаях, когда частоты их собственных колебаний / становятся равными или кратными числу оборотов ротора п, т.е. / = k•n [4]. Число кратности к определяется исходя из особенностей конструкции машины. Кроме того, для осевых вентиляторов опасные режимы могут возникать в результате появления колебаний лопаток под действием нестационарных аэродинамических сил, возникающих вследствие неравномерности течения воздушного потока при взаимодействии с ребрами, расположенными в проточной части корпуса, с направляющим аппаратом и лопатками спрямляющего аппарата. В этом случае числа кратности пропорциональны числу ребер направляющего аппарата Ыр, а при реверсировании режима работы вентилятора и числу лопаток спрямляющего аппарата Ыса. Колебания также могут быть вызваны явлением срывного флаттера, заключающегося в возникновении самовозбуждающихся колебаний лопаток вследствие взаимодействия аэродинамических сил с упругими силами в лопатках. В случае если энергия потока достаточна для поддержания этого процесса, то колебания будут незатухающими. Возникновению флаттера способствует срыв потока при обтекании лопатки с большими углами атаки. Обнаружено [1], что срыв потока может наблюдаться не на всех лопатках решетки, а только на их группе, и что зона срыва может перемещаться по окружности. Такое явление получило название вращающегося срыва. Значения резонансных частот для колебаний воздушного потока от ребер направляющего аппарата, лопаток спрямляющего аппарата и от вращающегося срыва можно записать в следующем виде [5]:
Ю^ = П N Ю, = п ^СА ю, ®ПВО) = п ^во (1~а) О,
где п = 1, 2, 3, ... - номер гармоники возбуждающих сил; а - угол между набегающим потоком воздуха и хордой профиля лопатки, 0 < а < 1, рад; ю^ , о^пАА , ®ПВО)- резонансные частоты колебаний воздушного потока от ребер направляющего аппарата, лопаток спрямляющего аппарата и от вращающегося отрыва соответственно, рад/с; ю - угловая частота вращения ротора, рад/с.
Для вентилятора ВО-36К при угловой скорости вращения рабочего колеса вентилятора ю = 62.82 рад/с (600 об/мин), числе неподвижных лопаток - ребер направляющего аппарата N = 12 и лопаток спрямляющего аппарата Мса = 15, зон отрыва во вращающемся потоке Ыво = 2 - 4, частоты возбуждающих сил, создаваемых ребрами направляющего аппарата, лопатками спрямляющего аппарата и вращающимся отрывом, записываются так [5]:
ю^ = 12пю рад/с; оЮпАА = 15пю рад/с; ®ПВО) = 4пю рад/с.
Для определения влияния возмущающих частот на колебания лопатки, построим вибрационную диаграмму (рис. 4).
1 1 / ' / * II'1 * зоны
9 5 х- Ы ... резонанса 6у-'
Х- Ьё
0ь--
О 50 100 150
п, об/мин
Рис. 4. Зависимость собственных частот колебаний сдвоенной листовой лопатки и возмущающих частот от числа оборотов двигателя:
1 - первая собственная частота; 2 - вторая собственная частота; 3 - третья собственная частота; 4 - возмущающая частота от лопаток направляющего аппарата; 5 - возмущающая частота от лопаток спрямляющего аппарата; 6 - возмущающая частота от отрыва во
вращающемся потоке
Лучи, выходящие из начала координат (графики 4, 5, 6, рис. 5), представляют собой зависимости частот возмущающих сил от частоты вращения для первых гармоник. Абсциссы точек пересечения с кривыми собственных частот (графики 1, 2, 3, рис. 5) определяют границу зон резонансных частот вращения ротора.
Из анализа графиков следует, что при пуске вентилятора, лопатки проходят через несколько зон резонансов (рис. 5). Из-за кратковременности нахождения в этих зонах, а также вследствие незначительной энергии возмущенного воздушного потока от ребер направляющего аппарата, лопаток спрямляющего аппарата и возмущений от отрыва во вращающемся потоке, это не приведет к возникновению опасных напряже-
ний и деформаций в конструкции лопаточного узла. При выбеге вентилятора, для уменьшения времени нахождения в резонансных областях, необходим тормоз для электродвигателя вентилятора.
Основываясь на результатах проведенных исследований, можно сделать следующие выводы:
- для снижения вероятности возникновения вращающегося срыва, желательно эксплуатировать вентилятор с углами установки лопаток рабочего колеса не превышающими номинальных значений;
- при пуске ротор вентилятора проходит через несколько зон резонансов. Однако из-за кратковременности нахождения в этих зонах, опасности развития вибрационных напряжений нет.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Попов Н.А. Разработка реверсивных осевых вентиляторов главного проветривания шахт // Диссертация на соискание уч. степени д.т.н. - Институт горного дела СО РАН - Но-восибирск-2001. - 282 с.
2. Клепаков И.В. Разработка нового ряда шахтных осевых вентиляторов главного проветривания / И.В. Клепаков, В.А. Руденко // Теоретические и эксплуатационные проблемы шахтных стационарных установок. - Донецк: ВНИИГМ им. М.М. Федорова, 1986. -С. 110-121.
3. Манушин Э.А. Конструирование и расчет на прочность турбомашин газотурбинных и комбинированных установок / Э.А. Манушин, И.Г. Суровцев // М.: Машиностроение, 1990. - 400 с.
4. Козюрин С.В. Анализ частот и форм колебаний сдвоенных листовых лопаток рабочих колес осевых вентиляторов / С.В. Козюрин, Н.А. Попов // «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности». Тезисы докладов Международной научно-практической конференции. - Кемерово. - 2002. - С. 31-32.
5. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода: Учебник для вузов. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2000. - 496 с.
© Е. Ю. Русский, 2017
