CC BY
12
3. Мнннев IO.II., Мних Н.Г. Охлаждающе-утилизационная установка для стационарных поршневых компрессоров // Цветная металлургия. - 1988. - № 3. - С.59-61.
4. Минна» Ю.Н., Холодимков Ю.В. Перевод поршневых компрессоров на режим работы без смазки // Информационный листок № 410-91 / Свердловский центр НТИ. - Свердловск, 1991. - 3 с.
5. Фролов П.П. Справочное руководство по компрессорному хозяйству. - М.: Госгортехиздат, 1963.
- 196 с.
6. Фролов П.П., Дмитриев В.Т. Прямоточные клапаны на поршневых компрессорах // Информационный листок № 89-49 / Свердловский центр НТИ. - Свердловск, 1989. - 5 с.
7. Цейтлнн Ю.А., Мурзин В.А. Пневматические установки шахт. - М.: Недра, 1985. - 350 с.
8. Литовский Е.И. Потоки энергии и экссргии. - М.: Наука. 1988. - 142 с.
УДК 622.44
С.А.Тимухин, В.Ф.Копачев, С.С.Шантарин
ПРОБЛЕМЫ ОПТИМ'^АПИИ ПАРАМЕТРОВ ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ СМЕШАННОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПО КРИТЕРИЮ ЭНЕРГОЗАТРАТ
Одним из направлений развития современного вентиляторостроения является ориентация на вентиляторы смешанного принципа действия (ВСПД), сочетающие в себе свойства каких-либо двух традиционных типов машин. Об этом свидетельствует как патентная активность, так и постоянное расширение объемов промышленного производства вентиляторов данного типа, обычно использующих сочетание известных принципов действия (осевого и центробежного, центробежного и диаметрального и др.). Таким образом достигается более эффективное использование проточной части машин. Следствием этого является повышение аэродинамических параметров, улучшение энергетических и шумовых характеристик без увеличения массогабаритных показателей и частот врашения рабочих колес, что представляет существенный интерес с точки зрения снижения энергетических затрат как на местное, так и на общешахтнос проветривание. На установках главного проветривания экономический эффект при использовании вентиляторов смешанного принципа действия помимо снижения энергетических затрат может быть получен также за счет снижения материалоемкости машин, занимаемой ими площади, капитальных затрат на строительство установок и реализации реверсирования радиальных машин наиболее простым способом - обратным вращением привода вентиляторного агрегата, на установках местного проветривания - за счет меньшего количества последовательно установленных вентиляторов, меньшего объема сооружаемых вентиляционных камер и др.
Следовательно, проблема разработки и оптимизации параметров шахтных вентиляторов ого принципа действия и создаваемых на их основе вентиляторных установок является из актуальных на современнбм этапе развития шахтного вентиляторостросния Ее успешное обеспечит более эффективную модернизацию и коренное обновление морально и ки устаревшего вентиляционного оборудования, работающего в настоящее время на л и рудниках страны.
При этом необходимым первоначальным этапом решения данной проблемы является нний анализ предложенных конструктивных решений вентиляторов рассматриваемого их научная классификация, разработка методов аэродинамического расчета, обобщение создания, производства и эксплуатации с целью установления приоритетности и
Ргктивности использования применительно к условиям и требованиям современного горного зодства.
Анализ результатов патентно-информационного поиска (М.Кл.3 Р04), выполненного в СССР ). Англии, Франции, Германии, США и Японии за последние 30 лет, и обзор литературных иков по конструкциям вентиляторов позволил предложить следующую классификацию
■спд
1. В зависимости оттого, какой принцип действия является в машине преобладающим, все ЭСПД могут подразделяться на радиапьно-оссвыс, осе-радиальныс и радиатьно-диаметральные. Гг« этом в вентиляторе могут быть выделены основной (0«*) и дополнительный (()<&,) потоки,
люанные между собой отношением = Котп, где Котп - введенный нами коэффициент
Уосн
•шення потоков.
2. Радиально-осевые вентиляторы подразделяются на машины с последовательным или ллельным, совместным или раздельным протеканием основного и дополнительного потоков; с
совместным или раздельным отводом потоков от вентилятора, одноступенчатые или многоступенчатые с первым рабочим колесом центробежного типа.
3. Осе-радиальныс вентиляторы подразделяются на машины с раздельным или совместным протеканием потоков; с использованием внутренних полостей лопаток или втулочного пространства (или того и другого); реверсивные или нереверсивные; одноступенчатые или многоступенчатые с первым рабочим колесом осевого типа.
4. Радиально-диамстральные вентиляторы подразделяются на машины одностороннего или двухстороннего всасывания; реверсивные или нереверсивные.
Дадим краткую характеристику классифицированных таким образом ВСПД.
Осе-радгмльные вентиляторы. В машинах этого типа использован эффект радиального смещения потока по поверхности рабочих лопаток осевых вентиляторов при несоблюдении постоянства циркуляции потока по высоте лопаток. При этом за счет центробежного эффекта радиальное перемещение потока осуществляется от втулки к корпусу машины, и, таким образом.
создастся дополнительный к осевому радиальный поток, приводящий к повышению аэродинамических параметров машины в целом. Конструктивно последнее достигается обычно за счет конической втулки. Для создания дополнительного радиального потока используется также втулочное пространство осевой машины и полые внутренние полости лопаток рабочих колес, что обеспечивает повышение аэродинамических параметров и энергетических показателе» вентиляторов без увеличения их габаритов и частоты вращения.
Другим направлением конструктивного совершенствования рассматриваемых вентиляторо! является увеличение их ступенчатости за счет установки дополнительных колес радиального типа, что при сравнительно небольшом увеличении габаритов в осевом направлении существенно повышает аэродинамические параметры и снижает удельные энергетические показатели машин.
Радиалыю-осевые вентиляторы. Наиболее часто встречаемые конструктивные решения этих машин предполагают использование рабочих колес специальной конструкции, обеспечивающей наряду с основным (радиальным) также и дополнительный (осевой) эффект. Зачастую при этом также используется коническая втулка, за счет которой происходит не только ускорение потока в осевом направлении, но и его плавный переход в радиальное направление под действием центробежных сил.
Другим направлением конструктивного совершенствования рассматриваемых машин является использование в них дополнительных колес осевого типа, что при сравнительно небольших увеличениях габаритов в осевом направлении может существенно повысить аэродинамические параметры и снизить удельные энергетические показатели.
Радиалыю-диаметральные вентиляторы. I Вентиляторы этого типа только начинают разрабатываться. В известных конструкциях вентилятор в основном режиме своей работы представляет собой центробежную машину, а при изменении направления вращения рабочего колеса преобразуется в диаметральную машину. Отсюда и возникло название этого типа ВСПД - радиально-диамстральныс.
В качестве конкретных примеров на рис. 1, 2, 3, 4 приведены наиболее характерные конструктивные решения ВСПД.
В конструкции вентилятора (рис. 1) (ас. № 1252550) лопатки рабочего колеса выполнены полыми (внутренняя полость 1 лопатки 2). При этом в корпусе 3 предусмотрены специальные окна 4. При вращении рабочего колеса такого вентилятора кроме основного осевого потока ((Эос*) под действием центробежных сил создается дополнительный радиальный поток (<2*,,,), проходящий через отверстия в обтекателе 5, внутренние полости 1 лопаток 2 и окна 4. Общая
4а»
Оас*
Рис. 1. Осе-радиальный вентилятор с раздельным протеканием потоков
вентилятора будет равна сумме (?и (У,*,» Следовательно, без увеличения габаритов и вращения ротора вентилятора достигается повышение его аэродинамических параметров, предложенной здесь классификации данный вентилятор относится к осе-радиальным с раздельным протеканием потоков и их раздельным отводом от вентилятора. Другой вариант конструктивного решения вентилятора приведен на рис 2 (а с. № 892027). В / вращается рабочее колесо с втулкой 4 и полыми лопатками 5. Воздух со стороны ия 2 перетекает на сторону нагнетания 3 кроме осевого, также в paдиaльнovl на-ии по внутренним полостям лопаток б (показано стрелками). Скосы 7 по концам лопаток усмотрены для снижения потерь на участке слияния радиального и осевого потоков воздуха, но предложенной классификации, данный вентилятор относится к осе-радиальным м с раздельным протеканием потоков, но с их совместным отводом от вентилятора.
В конструкции вентилятора, приведенного ш рис 3 (патент США № 4207025), рабочее колесо шкет коническую втулку I с посаженными на нес К лопатками специальной формы 2. Рабочее коле-х располагается в спиральном корпусе 3 специ-формы.
Основной поток (радиальный) в таком вен-"эшгторс создастся за счет центробежного эффекта, «кающего при вращении колеса, а допо-мьный (осевой) - за счет специальной формы лопаток и конической втулки, обеспечивающей меридиональное ускорение потока в осевом направлении. Согласно предложенной классификации, рассматриваемая машина относится к ¡гадиально-осевым ВСПД с параллельным совместным протеканием потоков и их совместным отводом от вентилятора. Преимуществом такого конструктивного решения вентилятора является снижение потерь в рабочем колесе, позышснис его КПД и аэродинамических параметров, а также снижение удельных массо-габаритных показателей машины в целом.
Радиально-диамстральный вентилятор в качестве средства главного проветривания шахт .приведен на рис.4*. В нормальном режиме работы воздух из шахты поступает по каналу I, проходит через рабочее колесо 2 и спиральный корпус 3 и выбрасывается в атмосферу через диффузор 4 (с.м.рис.4,а). При реверсировании воздушной струи изменяется направление вращения рабочего колеса 2, входные направляющие аппараты (на рис. не показаны) полностью закрыва-
Рис.2. Осе-радиальный вентилятор с совместным отводом потоков
* Тимухин С.А., Копачсв В.Ф. О создании поверхностных комплексов цевгтробежных главных вентиляторных установок без обводных каналов и переключающих ляд // Известия вузов. Горный журнал. -1997. 7-8. -С. 143-146.
ются, а поворотная створка 5 устанавливается в нижнее положение (см.рис.4,б), и, таким образом, вентилятор переводится в диаметральный режим работы. Описанный вентилятор в установке главного проветривания обеспечивает минимальное число переключающих элементов, небольшие габариты установки в плане, сокращение длины подводящих каналов и др., т.е. снижение капитальных затрат на сооружение установки и потерь энергии в ней.
факторов при конструктивной оптимизации ВСПД. Целевой функцией может быть принято удельное энергопотребление (удельная входная мощность) или статический КПД вентилятора
Рассмотрим некоторые аспекты реализации этого на примере осс-радиального вентилятора с раздельными и параллельно протекающими потоками и с раздельным отводом их от машины (см.рис.1). Такие вентиляторы предназначены в первую очередь для вытяжных (всасывающих) вентиляционных систем, в которых характер отвода воздуха от машин не играет существенной роли.
Очевидно, что для любого режима работы и для любого соотношения конструктивных параметров общая подача вентилятора Qv = ос* + £?*». Взяв за основу осевую проточную часть машины и создаваемый сю основной (осевой) поток делаем вывод, что приращение общей подачи вентилятора возможно только за счет увеличения т.е. за счет увеличения Кот. Однако рост (¿ом (Котп) неразрывно связан с соответствующим увеличением входной мощности вентилятора Иу. При этом оптимальным соотношением дополнительного и основного потоков, очевидно, будет такое, при котором отношение темпов прироста подачи и мощности Иу будет иметь свое максимальное значение, т.е.
Рис.3. Радиально-оссвой вентилятор
Разработка и конструктивная оптимизация машин принципиально нового класса, к каким относятся ВСПД, не может быть эффективной без соответствующей теоретической базы. Под этим в нашем случае подразумевается формулирование принципов оптимизации, установление основных зависимостей и оптимальных соотношений параметров. К числу таких параметров относится, в первую очередь, соотношение основного и дополнительного потоков, создаваемых в машине. При этом отношение дополнительного и основного потоков, т.е. коэффициент отношения потоков (Котп), может служить одним из определяющих
^лнное выражение очевидно и может быть положено в основу конструктивной оптимизации по критерию энергозатрат. При этом оптимизация других параметров машин жих и геометрических) должна быть подчинена этому основному принципу.
Рис. Радиально-диаметральный вентилятор главного проветривания
С учетом основных положений теории турбомашин логично предположить, что зависимости ^ . \Котп^ "осят экстремальный характер. Следовательно, оптимальное значение
шэффициента отношения потоков (/Смм) может быть определено посредством решения уравнения
гдК
= 0
отп
(2)
Возможно, что реализация задачи оптимизации параметров ВСПД по (1) и (2) может привести к существенно различным результатам. В таких случаях необходим поиск либо каких-то компромиссных решений, либо соответствующих корректировок и уточнений самих подходов к оптимизации.
