Комплексный анализ совместного влияния аэродинамических и массовых сил на напряженно-деформированное состояние профильных и листовых лопаток рабочего колеса осевого вентилятора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.4

КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ И МАССОВЫХ СИЛ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОФИЛЬНЫХ И ЛИСТОВЫХ ЛОПАТОК РАБОЧЕГО КОЛЕСА ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА

Иван Владимирович Лугин

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, тел. (383)217-03-51, e-mail: ivlugin@misd.nsc.ru

Надежда Владимировна Панова

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, тел. (383)217-03-51, е-mail: nadejda_panova@bk.ru

В статье приведены результаты исследования аэродинамических характеристик и напряженно-деформированного состояния элементов осевого вентилятора большого диаметра при использовании листовой и профильной лопатки с одинаковой средней линией.

Ключевые слова: осевой вентилятор, листовая лопатка, профильная лопатка, напряженно-деформированное состояние лопатки.

INTEGRATED ANALYSIS OF COUPLED EFFECT EXERTED BY AERODYNAMIC AND MASS FORCES ON STRESS-STRAIN STATE OF SHAPED AND SHEET BLADES OF AXIAL FAN IMPELLER

Ivan V. Lugin

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Senior Researcher, tel. (383)217-03-51, e-mail: ivlugin@misd.nsc.ru

Nadezhda V. Panova

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Junior Researcher, tel. (383)217-03-51, е-mail: nadejda_panova@bk.ru

The paper reports tests of aerodynamic characteristics and stress-strain state of elements in the structure of a large-diameter fan with shaped and sheet blades with the equal center line of the blade profile.

Key words: axialfan, sheet blade, shaped blade, stress-strain state.

Главные вентиляторные установки шахт (ГВУ) являются основным средством борьбы с вредностями, выделяющимися в шахтную атмосферу, и поддержания требуемых параметров микроклимата. Также задачей ГВУ является обеспечение безопасности своевременным выносом из выработок

метана и поддержании его концентрации в требуемых пределах. В связи с постоянным увеличением глубины работ в шахтах и ростом выделений вредных примесей на ГВУ накладываются все большие требования по вентиляционным параметрам.

Аэродинамические схемы вентиляторов фирм «TLT», «HOWDEN», «AMЗ» и др. с профильными лопатками имеют одну принципиальную общность, они представляют собой ту или другую модификацию «аналитического профиля Чебышева», разработанного в начале двадцатого века. При этом они отличаются только втулочным размером рабочего колеса, закрученностью хорд привту-лочных и периферийных профилей, числом лопаток на рабочем колесе. В этой связи их безразмерные аэродинамические характеристики в координатах «давление-производительность» ступеней вентилятора практически одинаковые, и далеко не всегда достаточные для обеспечения требований меняющихся в широких диапазонах шахтных вентиляционных режимов [1].

Развитие математических методов проектирования аэродинамики осевых вентиляторов позволяет оперативнее находить нужные варианты аэродинамических схем и новые пути решения поставленных задач.

В качестве примера рассмотрена аэродинамическая схема ОВ-84[2] с диаметром рабочего колеса 4 м (соответствует одноступенчатому ВОД-40 без спрямляющих и направляющих аппаратов) и числом лопаток 10, на ее основе построена геометрическая модель лопаток и проточной части вентилятора с частотой вращения 375 об/мин. Толщина листовой лопатки принята по рекомендациям [2] не более 2 % от длины хорды лопатки [3].

Современный уровень развития вычислительной техники и методов расчета аэродинамических процессов в проточной части вентилятора позволяет определить аэродинамические параметры вентилятора с высокой долей достоверности. В данной работе в качестве инструмента исследования применен модуль расчета аэродинамики CFX программно-вычислительного комплекса ANSYS, основанный на численном решении системы уравнений Навье - Стокса, описывающей течение газа (жидкости) на основе фундаментальных законов сохранения (т.е. с минимальными допущениями).

Построение расчетной сетки проведено в модуле Turbogrid - специализированном сеточном процессоре, позволяющим с высокой степенью автоматизации создать высококачественную гексаэдрическую сетку, пригодную для расчетов аэродинамики. Количество ячеек на расчетный сектор проточной части для одной лопатки составляет около 200 тыс. На рис. 1а приведен пример построения сетки для проточной части вентилятора с профильной лопаткой.

При расчете на входе в вентилятор задается расход воздуха, на выходе задается постоянное статическое давление, равное атмосферному. В результате расчета определяется одна точка аэродинамической характеристики вентилятора, соответствующая данному расходу. Далее расход воздуха на входе меняется для построения аэродинамической характеристики. На рис. 1б приведена расчетная модель сектора проточной части для одной лопатки на примере профильной с обозначенными граничными условиями.

Рис. 1. Сеточная (а) и расчетная модель с обозначенными граничными условиями (б) проточной части вентилятора с профильной лопаткой

Для построения рабочих характеристик вентилятора при различных углах установки был принят диапазон производительности с переменным шагом. Диапазон корректировался в результате расчета для получения характеристики в области зоны устойчивой работы. Полученыаэродинамические характеристики полного давления и полного КПД вентилятора для углов установки лопаток (УУЛ), равных 25,35 и 45°. На графике (рис. 2) приведены аэродинамические характеристики вентилятора при различных УУЛ рабочего колеса для листовой и профильной лопатки. Видно, что на характеристиках имеются как участки совпадения, так и существенного различия. Основное различие заключается в увеличении области устойчивой работы у профильной лопатки в области низкой производительности. Причем это различие увеличивается с увеличением УУЛ.

Рис. 2. Аэродинамическая характеристика вентилятора с листовой и профильной лопаткой при УУЛ 25, 35 и 45 градусов; а) полное давление, Па; б) полный КПД

Использование модуля CFX программно-вычислительного комплекса ANSYS позволило получить величину и характер распределения нагрузки от влияния аэродинамических сил на лопатку рабочего колеса, последующая передача этих данных в модуль 81а1:1с81шс1ша1 позволяет определить влияние этих сил на надежность лопаток осевого вентилятора. Надежность обеспечивается запасом статической прочности в пределах заданного ресурса, и предотвращением резонансных явлений.

Одной из задач исследования является обеспечение допустимого уровня напряжений в лопаточном узле с учетом предельных прочностных характеристик используемых материалов и принятых коэффициентов запаса прочности, второй -осуществление безопасной отстройки частот собственных колебаний лопаток от частот возбуждающих сил с целью предотвращения опасных динамических напряжений из-за возможного резонанса. При статическом анализе наибольший интерес вызывают максимальные напряжения и перемещения в конструкции. Реальная конструкция чаще всего находится в условиях сложного напряженного состояния. При проведении исследований использовался критерий текучести фон Мизеса, позволяющий поставить в соответствие сложному напряженному состоянию эквивалентное ему по некоторой величине простое напряженное состояние.

На рабочие лопатки осевых вентиляторов действует преимущественно два вида нагрузок от аэродинамических и центробежных сил. При исследовании профильных лопаток было установлено, что направление этих сил противоположно, а в случае листовых лопаток эти силы направлены в одну сторону. При исследовании надежности лопаточных систем важно учитывать, что основное влияние на напряженно-деформированное состояние оказывают центробежные силы, учет же аэродинамических сил незначительно изменяет картину напряженно-деформированного состояния. На рис. 3 представлены перемещения профильной лопатки от воздействия центробежных и аэродинамических сил.

О: 51а«с $1гисП1га1

То1а1 йе^гтайоп Туре: ТоЫ О^огтайоп 1)пЛ: т "Пте: 1

Я: 5<гис4ига1

ТсЛа! Ое^гтайоп Туре: Т<Ла1 Ое^эгтайоп ипЛ т Т1те: 1

б)

I

1,0322е-5 Мах

9,175е-б 8,0281е-6 б,8812е-б 5,7344е-6 4,5875е-6 3,4406е-б 2,2937е-6 1,1469е-б О М!п

X

к

0,00021333 Мах

0,00018962 0,00016592 0,00014222 0,00011851 9,4811е-5 7,1109е-5 4,7406е-5 2,3703е-5 ОМт

*

Рис. 3. Перемещение профильной лопатки осевого вентилятора от воздействия: (а) аэродинамических сил; (б) центробежных сил

В рамках проведенного исследования была использована сталь с пределом текучести ат= 250 МПа. Для профильной и листовой лопатки обеспечивается необходимый запас прочности. При этом стоит отметить что масса профильной лопатки составила 206 кг, а листовой 58 кг, что меньше в 3,5 раза. Следовательно, к преимуществам использования листовой лопатки можно отнести следующее: меньше момент инерции ротора (уменьшается время разгона и торможения ротора), меньше центробежная сила (возможно увеличение окружных скоростей вращения), снижается трудоемкость изготовления и конечная стоимость.

Выводы

При прочих равных условиях, на большей части нисходящей ветви аэродинамические характеристики осевого вентилятора с профильной и листовой лопаткой для одинаковых УУЛ различаются незначительно. Область устойчивой работы осевого вентилятора с профильной лопаткой больше в сторону малых расходов. На расширение области устойчивой работы влияет УУЛ, на большем угле различие характеристик увеличивается. Профильная лопатка на больших УУЛ работает в области больших давлений, что позволяет рекомендовать их для более высоконапорных вентиляторов. С точки зрения прочности и надежности преимущества имеет листовая лопатка, использование которой позволяет уменьшить время разгона и торможения ротора, повысить вентиляционные параметры по давлению и производительности за счет увеличения окружных скоростей вращения по концам лопаток, снизить трудоемкость изготовления и конечную стоимость.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Панова Н.В. Развитие вентиляторостроения главного проветривания шахт //Сборник трудов XIV научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности». - Кемерово, 2012 - с. 113-115.

2. Брусиловский И.В.Аэродинамические схемы и характеристики осевых вентиляторов ЦАГИ / М: Недра, 1978. - 198 с.

3. Лугин И.В., Панова Н.В. Численное моделирование аэродинамических параметров осевых вентиляторов на примере схемы 0В-103 ЦАГИ / Сборник трудов Всероссийской научной конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых с элементами научной школы «Горняцкая смена - 2015». Том 4, Изд. ИГД СО РАН. - Новосибирск 2015. -С. 251-255.

© И. В. Лугин, Н. В. Панова, 2016