CC BY
8
УДК 622.4
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-6-100-106
К ВОПРОСУ ПРОЧНОСТИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК С ЯЧЕИСТОЙ СТРУКТУРОЙ СЕРДЕЧНИКА ДЛЯ ОСЕВЫХ ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ
Александр Михайлович Красюк
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории рудничной аэродинамики; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор кафедры прочности летательных аппаратов, тел. (383)205-30-30, доп. 182, e-mail: [email protected]
Евгений Юрьевич Русский
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доцент кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)205-30-30, доп. 339, e-mail: [email protected]
Предложен способ снижения центробежных сил от лопаток рабочего колеса осевого вентилятора путем выполнения ее сердечника в виде древовидной структуры. Приведены результаты исследования напряжений на примере лопатки рабочего колеса вентилятора с диаметром рабочего колеса 4 м. Исследования показали, что можно существенно снизить массу лопатки, до 1,8 раза, без потери ее прочности. Это позволяет увеличить скорость вращения рабочего колеса и повысить производительность вентилятора в 1,4 раза не увеличивая габариты машины. Показано, что максимальные напряжения в сердечнике древовидной структуры и пластинах, образующих поверхность лопатки, примерно одинаковы при углах установки лопаток в диапазоне 25-35°. Но на углах 120—135о напряжения на поверхности значительно возрастают. Поэтому лопатки с предложенной структурой сердечника следует применять в вентиляторах, в которых режим работы регулируется изменением частоты вращения. И не следует использовать такие лопатки в вентиляторах, регулируемых и реверсируемых путем поворота лопаток рабочего колеса.
Ключевые слова: осевой вентилятор, рабочая лопатка, напряжения, прочность, ячеистая структура, сердечник лопатки.
ON STRENGTH OF ROTATING BLADES WITH CELL STRUCTURE CORE FOR AXIAL MINE FANS
Aleksander M. Krasyuk
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Professor, Chief Researcher, Mine Aerodynamics Laboratory; Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Professor, Aircrafts and Aircraft Engines Technical Maintenance Chair, phone: (383)205-30-30, extension 182, e-mail: [email protected]
Evgeny Yu. Russky
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Senior Researcher; Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Associate Professor, Information Control Systems & Technologies Chair, phone: (383)205-30-30, extension 339, e-mail: [email protected]
A method for reducing centrifugal forces from the rotating blades of an axial fan is proposed. It includes designing the blade core in the form of a tree-like structure. The results of stress analysis performed on the blade of the fan impeller which diameter is equal to 4m are presented. The analysis has shown that the blade's weight can be significantly reduced to 1,8 times without its strength loss. Therefore, it is possible to increase the rotation velocity of the impeller and increase the fan's capacity by 1,4 times without the increase of its dimensions. It is shown that the maximum stresses in the tree-structure core and the plates forming the blade surface are approximately the same for the angles of the blades installation of the blades varying 25-35°. But at the angles 120-135°, the stresses on the surface increase significantly. Therefore, the blades with the proposed core structure should be used in fans in which the operating mode is controlled by changes of the rotational velocity. One shouldn't use such blades in fans that are adjustable and reversible by rotation of the fan blades.
Key words: axial fan, rotating blade, stresses, durability, cell structure, blade core.
Введение
За последние 30 лет в шахтном вентиляторостроении произошёл ряд существенных изменений. Были разработаны новые аэродинамические схемы, обеспечивающие создание высоконагруженных осевых вентиляторов главного проветривания (ВГП), на основе которых созданы одноступенчатые машины с аэродинамическими параметрами, доступными ранее только в двухступенчатом исполнении. Это обусловлено значительным прогрессом в области вычислительной техники [1, 2] и программных алгоритмов, дающих возможность математического моделирования, расчета и исследования влияния различных параметров проточной части вентилятора на аэродинамические и прочностные характеристики вентиляторной установки [3].
В основном это достигнуто за счет увеличения скорости вращения рабочих колес (РК). Например, если у вентиляторов серии ВОД окружная скорость по концам лопаток была 78 м/с, то у современных машин она достигает 150-160 м/с [4, 5]. Значительное повышение скоростей увеличивает нагрузки на узлы машин и предъявляет повышенные требования к их прочности и в первую очередь к лопаткам рабочего колеса (РК).
На лопатку колеса, кроме аэродинамической нагрузки, действует нормальная составляющая силы инерции. Она является основной нагрузкой, и определяет напряжения в узлах РК. Нормальная сила инерции лопаток (центробежная сила), определяемая как
^=Е m •ri 2,
где mi - масса i- го элемента лопатки, ri - расстояние от оси вращения до центра масс i- го элемента лопатки, ю - угловая скорость вращения рабочего колеса.
С достаточной степенью точности эту силу можно записать как F = тю2Я, где т - масса лопатки, R - расстояние от оси вращения РК до центра масс лопатки РК. Один из путей снижения силы инерции - уменьшение ее массы. Снижение массы за счет уменьшения плотности материала, т. е. изготовление лопаток из легких алюминиевых сплавов, себя исчерпал.
Методы
Авторами предложен путь снижения массы лопатки за счет выполнения ее сердечника в виде ячеистой структуры: сотовой или древовидной [6]. Исследования напряжений в лопатках, проведенных для шахтных вентиляторов главного проветривания с диаметром РК 2,4-4,0 м, показали перспективность применения древовидной структуры сердечника. При варианте, когда «ветви» сердечника направлены вдоль линий действия центробежной силы, дают наилучший результат: масса лопатки стремится к минимальным значениям. Но следует учитывать технологические особенности литейного производства лопаток. Они накладывают свои ограничения. С учетом этих ограничений были рассмотрены несколько вариантов конструкций лопаток с древовидным сердечником. В настоящей статье приведены результаты исследований одного из вариантов, рекомендованных к использованию в шахтных вентиляторах (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Лопатка рабочего колеса:
а) общий вид; б) сердечник
Лопатка состоит из сердечника, на котором закрепляются пластины, образующие рабочую и вспомогательную поверхность лопатки. Крепление может быть выполнено, например, посредством сварки. Масса такой лопатки для вентилятора с диаметром рабочего колеса 4,0 м составляет 45 кг, что на 38,9 кг меньше, чем у цельно литой лопатки, т. е. в 1,86 раза. При этом ее прочность не снижается. Определим при какой угловой скорости вращения ротора нормальная сила инерции лопатки с древовидным сердечником будет одинакова с цельнолитой лопаткой:
^ = тш2Я = (т/1,86) ш12Я, где ш1 - скорость ротора с лопатками, имеющими древовидный сердечник. Или
0 5 2
1,86 = (^/ш), . Отсюда получаем, что ш1 = 1,36 ш . Следовательно, у вентиля-
тора с такими лопатками можно повысить скорость вращения в 1,36 раза. Это позволит во столько же раз повысить производительность вентилятора без увеличения его типоразмера.
На рис. 2 показана область максимальных напряжений при номинальной скорости вращения ротора вентилятора и приведены их значения.
Па
с^ 1асть
максимальных |5 напряжений
Рис. 2. Область максимальных напряжений в сердечнике лопатки
с древовидной структурой
Исследования проводились методом конечных элементов в программном пакете ANSYS. Использовались объемные конечные элементы, имеющие форму тетраэдра, с десятью узлами по три степени свободы в узле [7, 8].
На рис. 3 и 4 приведены некоторые результаты исследования напряжений в сердечнике и пластинах в зависимости от скорости вращения РК и угла установки лопаток.
110
со С
о; s
СП
X в; о.
5 27.5
з. 2Л
4\
1
230
со
с 172.5
к
¡115.0
£ ос Q.
то 57.5
5 /4 3
/2 1
100 200 300400 500 600 700 800 9001000 частота вращения, об/мин а)
100 200 300400 500 600 700 800 9001000 частота вращения, об/мин
б)
Рис. 3. Зависимость максимальных напряжений от частоты вращения
и угла установки лопатки: а) в сердечнике древовидной структурой; б) в цельнолитой лопатке
120
£ 90
к s
i60 к
с
л
Х 30
* - . -----
...... ......
0 15 3 0 4 5 6 0 7 5 9 0 1С 5 12 !0 13
1000 об/мин
900 об/мин 800 об/мин
700 об/мин 600 об/мин
500 об/мин
400 об/мин 300 об/мин 200 об/мин ■ 100 об/мин
угол установки лопатки, градусы
Рис. 4. Зависимость напряжений от частоты вращения и угла установки лопатки:
1-5 - углы установки лопатки 0, 15, 30, 45, 135°
Результаты
Анализ графиков показывает, что максимальные напряжения в цельнолитой лопатке примерно в 1,8 раза выше, чем в лопатке с древовидным сердечником. Напряжения в пластинах рабочей и вспомогательной поверхностях существенно зависят от угла установки лопаток РК. Если режим работы вентилятора регулируется изменением частоты вращения ротора, лопатки РК устанавливаются на расчетный угол, при котором КПД принимает максимальные значения.
Известно, что при изменении частоты вращения, КПД вентилятора не изменяется. На практике расчетный угол находится в диапазоне 25о - 35о. Сравнивая графики на рис. 3, а и рис. 4, видно, что напряжения, например при частоте вращения 700 об/мин, в сердечнике и пластинах близки. Если режим вентилятора регулируется и реверсируется путем поворота лопаток РК, диапазон углов установки изменяется в широких пределах. Но рис. 4 видно, что при углах 120о - 135о напряжения в пластинах почти в 2 раза выше, чем в сердечнике. Следовательно, лопатки с древовидной структурой сердечника не следует применять в вентиляторах, у которых режим работы регулируется путем изменения угла установки лопаток РК.
Заключение
Сравнительный анализ параметров НДС лопаток с рассмотренными сердечниками ячеистой структуры показал, что меньшую массу имеют лопатки с древовидной структурой сердечника. Выполнение сердечника лопатки рабочего
колеса осевого вентилятора главного проветривания в виде древовидной ячеистой структуры дает возможность увеличить скорость вращения ротора в 1,8 раза по сравнению с цельно литой лопаткой, не нарушая условий прочности лопатки. Это позволяет повысить производительность вентилятора в 1,36 раза без увеличения его типоразмера.
Работа выполнена в рамках проекта ФНИ № гос. регистрации АААА-А17-117091320027-5.
The work was carried out within the FNI project, state registration number is AAAA-A17-117091320027-5.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Петров Н. Н., Попов Н. А., Русский Е. Ю. Разработка научных основ и освоение производства нового ряда осевых вентиляторов // ФТПРПИ. - 2007. - № 5.
2. Kutler P. A perspective of theoretical and applied computational fluid dynamics // AIAA Paper. 1983. N0037.
3. Батурин О. В., Матвеев В. Н., Шаблий Л. С., Попов Г. М., Колмакова Д. А. Исследование рабочего процесса в ступени осевого компрессора с помощью универсального программного комплекса ANSYS CFX. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011.
4. Krasyuk A. M., Lugin I. V. Research of dynamics of air streams in the subway from the revolting action of trains // FTPRPI. - 2007. - № 6.
5. Paul A. Durbin, Gorazd Medic. Fluid Dynamics with a Computational Perspective / Cambridge University Press. ISBN: 052185017, 2007.
6. Красюк А. М., Русский Е. Ю., Кутаев В. И., Горшков И. В. Разработка и исследование прочности рабочих лопаток с сотовой структурой сердечника для осевых шахтных вентиляторов // Горное оборудование и электромеханика. - 2017. - № 1. - С. 3-6.
7. Krasyuk A.M., Russky E.Y., Popov N.A. Estimating strength of high-loaded impellers of large-size mine axial fans // Journal of Mining Science, 2012, Volume 48, Issue 2, pp 314-321. DOI 10.1134/S1062739148020128.
8. Russky E. Y., Lugin I. V., Krasyuk A. M., Popov N. A. Engineering and analysis of aerodynamics and design parameters for metro tunnel fans with the same blade for different hub/tip diamater ratios // Proceedings - 2016 11th International Forum on Strategic Technology, IFOST 2016. - Р. 594-598.
REFERENCES
1. Petrov N.N., Popov N.A., Russky E.Y. Development of scientific foundations and mastering the production of a new range of axial fans // FTPRPI. - 2007. - № 5.
2. Kutler P. A perspective of theoretical and applied computational fluid dynamics//AIAA Paper. 1983. N0037.
3. Baturin O. V., Matveev V. N., Shablij L. S., Popov G. M.,. Kolmakova D. A. Study of the working process in the stage of the axial compressor using the universal software complex ANSYS CFX. - Samara. - 2011.
4. Krasyuk A. M., Lugin I. V. Research of dynamics of air streams in the subway from the revolting action of trains // FTPRPI. - 2007. - № 6.
5. Paul A. Durbin, Gorazd Medic. Fluid Dynamics with a Computational Perspective / Cambridge University Press. ISBN: 052185017, 2007.
6. A.M. Krasyuk, E.Y. Russky, Kutaev V. I., Gorshkov I. V. Development and investigation of the blades strength with honeycomb core structure for axial shaft fans // Mining equipment and electromechanics. - 2017. - № 1. - Р. 3-6.
7. A.M. Krasyuk, E.Y. Russky, N.A. Popov. Estimating strength of high-loaded impellers of large-size mine axial fans // Journal of Mining Science, 2012, Volume 48, Issue 2, pp 314-321. DOI 10.1134/S1062739148020128.
8. Russky, E.Y., Lugin, I.V., Krasyuk, A.M., Popov, N.A. Engineering and analysis of aerodynamics and design parameters for metro tunnel fans with the same blade for different hub/tip diamater ratios // Proceedings - 2016 11th International Forum on Strategic Technology, IFOST 2016. - Р. 594-598.
© А. М. Красюк, Е. Ю. Русский, 2018
