CC BY
9
УДК 622.4
DOI: 10.33764/2618-981X-2020-2-98-102
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ШАХТНЫХ ОСЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ
Александр Михайлович Красюк
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, главный научный сотрудник, тел. (913)753-62-14, e-mail: am.krasuk@gmail.com
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, тел. (913)753-62-14, e-mail: geomining@mail.ru
Настоящая работа посвящена вопросу оптимального проектирования рабочих лопаток осевых вентиляторов, удовлетворяющих условиям прочности при окружной скорости по концам лопаток более 140 м/с. Вследствие высоких скоростей вращения литые лопатки не обладают требуемой прочностью, поэтому необходимо разработать облегченную конструкцию, позволяющую поднять скорости вращения ротора вентилятора. проектирование лопаток для шахтных осевых вентиляторов. В работе использованы математические методы поиска оптимальных параметров конструкции с использованием критериев оптимальности. Получаемая при этом конструкция будет наиболее приближена к оптимальной, обеспечивающий заданные параметры проектирования при выбранном критерии. Задача поиска оптимальной конструкции выполнялась в программном комплексе ANSYS на основе использования топологической оптимизации. На основе решения оптимизационной задачи получено оптимальное распределение массы пера лопатки рабочего колеса шахтного осевого вентилятора. Оптимальная форма лопатки рабочего колеса осевого вентилятора позволяет увеличить скорость вращения ротора в 1,8 раза, и, следовательно, во столько же раз увеличить производительность вентилятора.
Ключевые слова: метод конечных элементов, ANSYS, рабочие лопатки, оптимальное проектирование, шахтные вентиляторы, напряжения.
OPTIMIZING DESIGN PARAMETERS OF ROTATING BLADES OF MINE AXIAL FANS
Aleksandr M. Krasyk
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sci., Chief Researcher, phone: (913)753-62-14, e-mail: am.krasuk@gmail.com
Evgeny Yu. Russky
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (913)753-62-14, e-mail: geomining@mail.ru
This paper considers optimum designing of rotating blades of axial fans, which satisfy strength conditions at a tip speed of more than 140 m/s. Due to the high rotation velocities, cast blades lack the required strength; therefore, it is necessary to develop a lightweight design which allows increasing fan rotor speed. Mathematical methods for searching optimum design parameters by optimality criteria are used in this paper. The design obtained in this case will be closest to the optimum design, providing the given design parameters with the selected criterion. The optimum
design was searched using the ANSYS software package based on topological optimization. Based on the solution of the optimization problem, the optimum mass distribution of airfoil blade of mine axial fan impeller is obtained. The optimum shape of impeller blade of the axial fan allows increasing the rotor speed and fan capacity by 1,8 times.
Key words: finite element method, ANSYS, rotating blades, optimum designing, mine fans, stresses.
Введение
Наиболее эффективным путем повышения производительности является увеличение окружной скорости вращения рабочих лопаток колеса. Широко эксплуатируемые отечественной горнодобывающей промышленностью вентиляторы серии ВОД имеют скорость по концам лопаток 78,5 м/с. Предельная скорость по концам лопаток рабочего колеса, большинства изготавливаемых в РФ шахтных ВГП, не превышает 105-120 м/с [1]. Это обусловлено большим значением нормальной силы инерции лопаток и параметрами прочности применяемых материалов. При повышении скорости возникают задачи, связанные как с прочностью самих рабочих лопаток, так и с прочностью корпуса рабочего колеса. По этим причинам, достижение окружных скоростей по концам лопаток более 150-160 м/с требует снижения массы рабочих лопаток.
Методы и материалы
Для снижения массы лопаток при заданных нагрузках можно подобрать их материал, имеющий более низкую плотность и более высокие параметры прочности, или менять структуру лопатки с целью выбора ее рациональных параметров [2, 3]. Ранее в работах ИГД СО РАН таким методом были решены задачи по снижению массы рабочих лопаток путем разработки их конструкции с ячеистой структурой сердечника [1, 2]. Это позволило увеличить окружную скорость по концам лопаток до 130 м/с, тем самым повысить производительность шахтные ВГП в 1,5-1,7 раза, при этом рабочие лопатки выполнены из рядовых алюминиевых сплавов типа АК7 [3].
В таблице представлены характеристики алюминиевых сплавов, из которых возможно изготовление лопаток [4]. Предел прочности значительно зависит от технологических режимов литья и термообработки.
Характеристика материала лопатки
Параметр Значение параметра
Модуль упругости Е, Па 69109
Коэффициент Пуассона ц 0,27
Предел прочности об, МПа 185-485 (в зависимости от поставки)
Предел текучести от, МПа 95-415 (в зависимости от поставки)
Для поиска оптимальной конструкции сердечника воспользуемся математическим методом оптимизации параметров с соответствующими ограничениями. Цель оптимизации конструктивных параметров лопаток заключается в увеличении окружных скоростей вращения до 230 м/с при сохранении напряженно-деформированного состояния (НДС) в допустимых пределах (действующие напряжения не превышают предельных). аэродинамические параметры можно достичь путем модернизации вентиляторов ВОД-40 [5].
Для поиска параметров оптимальной конструкции лопатки использован метод конечных элементов [6-8], реализованный в программном комплексе АКБУБ, с применением топологической оптимизации на основе закономерностей развития напряженно-деформированного состояния [9]. Цель топологической оптимизации - получение оптимального распределения материала в заданном объеме при заданных нагрузках и граничных условиях. Область проектирования - внутренний объем лопатки, при этом внешние аэродинамические (рабочие и вспомогательные) поверхности зафиксированы (рис. 1).
В качестве ограничений (параметров) при оптимизации используются следующие: минимум максимальных напряжений по Мизесу 180 МПа (с учетом коэффициента запаса 1,8) и ограничение по массе - не менее 30 % от исходной массы. По этим критериям обоснован выбор сердечника (внутренняя геометрия лопасти рабочей лопатки) с оптимальной структурой при заданных нагрузках и условиях закрепления. Полученную оптимальную структуру следует рассматривать как предварительную концептуальную модель, на основе которой необходимо провести интерпретацию конечно-элементной модели к твердотельной.
вспомогательная поверхность
Рис. 1. Общий вид лопатки
Результаты
Результаты оптимизации формы лопатки представлены на рис. 2. Общая закономерность в распределении материала в структуре лопасти рабочей лопатки от действия центробежных сил следующая: массивное основание и две расходящихся ветви материала.
Рис. 2. Распределение материала в лопасти рабочей лопатки после оптимизации: 1 000 об/мин, V = 0,6
На структуру сердечника оптимизированной лопатки влияет как общая масса лопатки, так и характер ее распределения по длине пера лопатки: если лопатка более длинная (втулочное отношение 0,5 и менее) и узкая, то основание менее массивное по сравнению с широкой лопаткой такой же длины. Для лопаток с втулочным 0,6 основание массивное, с короткими и толстыми ветвями.
Исследования НДС показали, что новая лопатка обеспечивает необходимый запас прочности при скоростях вращения до п = 1200 об/мин (скорость по концам лопаток 251 м/с). Таким образом, допускаемая окружная скорость по концам рабочих лопаток в 1,8 раза выше, чем у серийных машин [3].
Заключение
Выполнение сердечника лопатки рабочего колеса осевого вентилятора серии ВОД в виде оптимальной сотовой структуры из алюминиевого сплава позволяет увеличить скорость вращения ротора в 1,8 раза, следовательно, во столько же раз увеличится производительность вентилятора. Это обусловлено значительным снижением массы лопатки и, соответственно, нормальной силы инерции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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.
2. Красюк А.М., Русский Е.Ю. Исследования напряженно-деформированного состояния и частотных свойств рабочих колес осевых вентиляторов главного проветривания // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2013. - № 8. -С. 152-156.
3. Красюк А.М. Исследования напряженно-деформированного и вибрационного состояния сдвоенных рабочих лопаток осевых вентиляторов главного проветривания / Кра-сюк А. М., Русский Е. Ю. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. -№ 6. - С. 192-200.
4. Болтон У. Конструкционные материалы. Металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты - Москва: Додэка XXI, 2007. - 320 с.
5. E Yu Russky. Analysis of dynamic parameters of mine fans. -2018 - IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Volume 134. Conference 1. Art. 012051
6. Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: Справ. пособие / А.В. Чигарев, А. С. Кравчук, А.Ф. Смалюк // М.: Машиностроение-1, 2004. - 512 с.
7. Paul A. Durbin, Gorazd Medic. Fluid Dynamics with a Computational Perspective / Cambridge University Press. ISBN: 052185017, 2007.
8. Баженов В. А. Численные методы в механике. М.: Высшая школа, 2005. - 564 с.
9. Russky, E. Yu. Research and engineering of aerodynamics and design parameters for axial fans with the various hub/tip diameter ratios / E.Yu. Russky, I.V. Lugin, P.V. Kosyh, E.L. Alferova, L.A. Kiyanitsa // 16th international multidisciplinary scientific geoconference SGEM 2016 (30 June - 6 July, Albena, Bulgaria): abstracts. - Albena, 2016. - Volume II. - С. 727-734.
© А. М. Красюк, Е. Ю. Русский, 2020
