CC BY
126
УДК 622.44
О РАСЧЕТЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ СМЕШАННОГО ПРИНЦИПА
ДЕЙСТВИЯ
Копачев В. Ф., Долгих Д. С.
В статье рассмотрены особенности расчета аэродинамических характеристик шахтных вентиляторов смешанного принципа действия. За основу расчета принят экспериментально-теоретический метод, предложенный кафедрой горной механики Уральского государственного горного университета. Данный подход к расчету аэродинамических (рабочих) характеристик шахтных вентиляторов при их разработке и проектировании позволяет получать более адекватные результаты.
Ключевые слова: аэродинамические характеристики; шахтные вентиляторы смешанного принципа действия; косвенное определение потерь давления.
Расчет аэродинамических характеристик шахтных вентиляторов обычно производится на заключительном этапе их разработки и проектирования по уже известным кинематическим и геометрическим параметрам. В основе этих расчетов лежит определение суммарных потерь давления в проточной части и теоретической характеристики вентилятора по статическому давлению.
В настоящее время методология такого подхода достаточно хорошо известна в части как центробежных, так и осевых вентиляторов при раздельном рассмотрении отдельных видов потерь давления [1, 2].
Однако при расчете аэродинамических характеристик вентиляторов смешанного принципа действия, имеющих в своём составе центробежные и осевые рабочие колёса, подобный подход требует соответствующих дополнений и уточнений, так как он не учитывает взаимное влияние различных видов потерь, потерь давления на вихреобразование в проточной части рабочих колёс и др. При этом следует иметь в виду, что разделение потерь в турбомашинах является весьма грубым и условным, так как фактически их разделить нельзя [2, 3]. Поэтому целесообразнее использовать методы, дающие косвенную оценку суммарных потерь давления в проточной части машин.
С учётом этого, а также того, что задачей настоящей работы является расчёт характеристик вентиляторов смешанного принципа
действия (имеющих в своём составе центробежные и осевые колёса), примем за основу экспериментально-теоретический метод, предложенный кафедрой горной механики УГГУ. Данный метод позволяет косвенным образом учитывать все виды потерь в проточной части машин на основе опытной (экспериментальной) аэродинамической характеристики аналога проектируемого вентилятора и расчёта теоретических характеристик аналога и проектируемой машины по статическому давлению.
При этом относительное значение суммарных потерь давления рсум по аналогу может определиться как отношение psv / psvt, где psv, psvt - рабочее и теоретическое статические давления вентилятора для расчётных точек (10-12 точек на характеристике). Согласно экспериментально-теоретическому методу, рассчитанное для аналога значение рсум принимается таким же и для проектируемой машины. Поэтому следует особо остановиться на вопросе выбора аналога проектируемого вентилятора. Кроме геометрического должно быть соблюдено также и аэродинамическое подобие, критерием которого является число Рейнольдса
Re =
U2 D2 V
(1)
где v - кинематическая вязкость воздуха; u2, D2 - окружная скорость и диаметр рабочего колеса.
Для нормальных атмосферных условий
№ 1(37), 2015
53
(t = 20 °С, ра= 760 мм рт. ст.) кинематическая вязкость воздуха равна 0Д49-10-4 м2/с.
В любом случае необходимо подбирать аналог с одинаковой или схожей с проектируемой машиной аэродинамической схемой, имея в виду, что различие в числах Рейнольдса для аналога и проектируемого вентилятора (у модели и натурального образца) не должно быть более чем в 2-3 раза.
Однако главным при этом является не геометрическое или аэродинамическое подобие (хотя они важны и должны приниматься во внимание), а одинаковость углов наклона касательных к характеристикам аналога и про-
ектируемого вентилятора. Последнее хорошо подтверждается опытом разработки и проектирования лопастных насосов [3].
Особенности экспериментально-теоретического метода применительно к рассматриваемому центробежно-осевому вентилятору (рис. 1) заключались в следующем. Для каждого из колес подбирались соответствующие аналоги, для которых рассчитывались теоретические характеристики psvt = f (Qv) и использовались заводские рабочие характеристики psv = f (Qv) с последующей оценкой относительных суммарных потерь рсум по каждому колесу.
1 2 3 4 5 6
Рис. 1. Центробежно-осевой вентилятор:
1 - входной патрубок вентилятора; 2 - передний диск центробежного колеса; 3 - общий диск обоих колес; 4 - лопатки осевого колеса; 5 - задний диск втулки осевого колеса; 6 - корпус; 7 - лопатки центробежного колеса; 8 - втулка осевого колеса; 9 - электродвигатель
Расчет характеристик psvt = f (Qv) осуществлялся по предложенным в работе [4] формулам, скорректированным с учетом рассматриваемых условий: для центробежного колеса
Psvtt
0,5р£ц
Ctg2 Р2 Q2"
п 2D22b22Qv,
(2)
где р - плотность воздуха; кц - коэффициент циркуляции; и2 - окружная скорость по концам лопаток колеса; Р2 - угол наклона лопаток колеса на его выходе; D2, b2 - диаметр и ширина лопаток рабочего колеса на выходе;
Qt - подача вентилятора; для осевого колеса
(
Psvt = 0,5Р К
и2 --
16ctg2 р2
Л
(3)
п2( D2 - d 2 )2
где Р2 - угол выхода потока из рабочего колеса (по выходному плану скоростей); D, d - диаметры рабочего колеса и его втулки.
Расчет характеристик psvt = f (Qv) для колес проектируемого вентилятора высокого давления (с диаметром D2 = 5,6 дм и D = 8,2 дм, частотой вращения рабочих колес 3000 мин-1) производился по зависимостям (2) и (3)
54
Известия Уральского государственного горного университета
с последующим расчетом рабочих характери- Графическая иллюстрация изложенного
стик колес по формулам psv = рсумр^, соответ- приведена на рис. 2, на котором характеристи-ствующим их типам. ка 5 получена путем графического сложения
Рис. 2. Пример построения рабочей характеристики центробежно-осевого вентилятора при его проектировании:
1, 2 и 3, 4 - теоретические и построенные по выражениям для расчетных точек аэродинамические характеристики рабочих колес вентилятора (1, 3 - центробежного;
2, 4 - осевого); 5 - общая характеристика вентилятора; 6 - то же с учетом приращения статического давления в
диффузоре
ординат характеристик отдельных колес (центробежного 3 и осевого 4), построенных по выражениям psv = рСумР!Л,0 где значения рСум получены на основе аналогов соответствующих рабочих колес. Характеристика 6 представляет то же самое с учетом приращения статического давления в диффузоре.
Таким образом, рассмотренный подход к расчету аэродинамических (рабочих) характеристик шахтных вентиляторов при их разработке и проектировании позволяет получать расчетные рабочие характеристики, более адекватные реальным условиям работы машин смешанного принципа действия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Центробежные вентиляторы / под ред. Т. С. Соломаховой. М.: Машиностроение. 1975. 416 с.
2. Брусиловский И. В. Аэродинамический расчет осевых вентиляторов. М.: Машиностроение. 1986. 288 с.
3. Тимухин С. А., Копачев В. Ф. Осе-радиальные вентиляторы. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011. 252 с.
4. Тимухин С. А. Потери давления на главных вентиляторных установках // Изв. вузов. Горный журнал. 1987. № 10. С. 115-117.
Поступила в редакцию 26 февраля 2015 г.
Копачев Валерий Феликсович - кандидат технических наук, доцент кафедры горной механики. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, Уральский государственный горный университет. E-mail: u1331@yandex.ru
Долгих Денис Сергеевич - соискатель, инженер кафедры горной механики. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, Уральский государственный горный университет. E-mail: gmf.gm@ursmu.ru
№ 1(37), 2015
55
