CC BY
20
УДК 622.44
Макаров Николай Владимирович
кандидат технических наук, Уральский государственный горный университет,
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30
Кабелев Денис Владимирович
студент Горно-механического факультета, Уральский государственный горный университет e-mail: denkabelev@,mail.ru
ВЕНТИЛЯТОРЫ МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ КАМЕР В АЭРОДИНАМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПРОФИЛЯХ ТУРБОМАШИН*
Makarov Nikolai V.
Associate Professor, Department of Mining Mechanics, head of the intellectual property commercialization, Ph.D the Ural State Mining University, 620144, Yekaterinburg, Kuibyshev st., 30
Kabelev Denis V.
student of the Mining and Mechanical Faculty, the Ural State Mining University e-mail: denkabelev@mail. ru
INCREASED PRODUCTIVITY FANS FOR LOCAL VENTILATION FEATURES OF APPLICATION VORTEX CHAMBERS IN TURBOMACHINES AERODYNAMIC ACTIVE PROFILES
Аннотация:
Приведен конструктивный и обоснованный способ повышения эффективности шахтных тур-бомашин (вентиляторов местного проветривания) в части повышения их аэродинамической нагруженности и адаптивности при использовании вихревых камер, представлены данные аэродинамических испытаний опытного образца вентилятора местного проветривания ВРВП в сравнении с существующими аналогами.
Abstract:
The structural and well-grounded way to improve mines' turbo-machines efficiency (fansfor local ventilation) in terms of increasing their aerodynamic loading and adaptability usingvortex chambers is cited. The aerodynamic test findings of the fan prototype for local ventilation VRVP compared with existing analogues are presented.
Ключевые слова: турбомашина, вентилятор, циркуляция, вихревая камера, аэродинамическая схема, аэродинамическая нагруженность, местное проветривание
Keywords: turbo-machine, fan, circulation, vortex chamber, aerodynamic design, aerodynamic loading, local ventilation.
Постоянно повышающийся уровень интенсивности извлечения полезных ископаемых современными добычными комплексами в очистной выработке приводит к необходимости увеличения диапазона развиваемого давления и глубины экономичного давления вентиляторами местного проветривания (ВМП) [1]. Кроме этого, важным моментом является обеспечение максимальной энергоэффективности аэродинамической изоляции очистной выработки от выработанного пространства при комбинированном способе проветривания с одновременным использованием в технологической связке вентиляторов главного проветривания, газоотсасывающих и ВМП. Исходя из вопросов компактности, экономичности и безопасности для современных конкурентных горных предприятий требуется разработка ВМП повышенной аэродинамической нагруженности, адаптивности и, соответственно, с низкими массо-габаритными характеристиками.
Поскольку отсутствуют ВМП на требуемые в настоящее время вентиляционные
ф
2 s х
re
* Исследования выполнены в рамках программы «старт» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (фонд Бортника)
режимы, задача ученых заключается в разработке теоретических основ расчета и научного обоснования технических решений создания данного типа вентиляторов.
Применительно к ВМП наиболее перспективным способом повышения аэродинамической нагруженности, адаптивности и экономичности является вихревое управление обтеканием лопаток рабочего колеса. В зависимости от параметров управляющего потока достигается такое воздействие на пограничный слой в лопатках рабочих колес тур-бомашин, при котором наблюдается практически только снижение потерь давления на трение и, как результат, повышение КПД либо управление потоком с влиянием на его ядро для целенаправленного увеличения угла выхода потока, изменения циркуляционного течения с целью повышения аэродинамической нагруженности вентилятора.
Конструктивные особенности ВМП позволяют реализовывать прямоточную ра-диально-вихревую аэродинамическую схему с энергетическим управлением течением в межлопаточных каналах [1] рабочих колес с применением интегрированных вихреисто-чников (рис. 1, а, б) с использованием высокоэнергетического закрученного управляющего потока без применения дополнительных устройств подвода энергии, что существенно повышает эффективность их взаимодействия с основным потоком, при этом обеспечивая достаточную простоту и надежность конструктивного исполнения вихревых камер на лопатках рабочего колеса ВМП.
Полости профильных лопаток вращающегося колеса ВМП вентилятора, выполненных в хвостовой части в форме вихревых камер, можно рассматривать как устройство передачи энергии управляющему потоку, являющемуся в исходном состоянии частью основного потока, поскольку их совокупность представляет собой интегрированную внутрь рабочего колеса ступень компрессора, геометрические параметры которого обеспечивают требуемые энергетические характеристики управляющего потока вихреисточ-ника.
а
б
Рис. 1 - Хвостовик лопатки рабочего колеса радиально-вихревого прямоточного вентилятора местного проветривания: а - общий вид (чертеж); б - опытный образец
2 X
ге *
а
ф
ЕС
о и
Удельная идеальная аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей с вихревыми камерами приведена на рис. 2. Из данного рисунка видно, что идеальная аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей имеет существенно большую наполненность по давлению в сравнении с аэродинамической характеристикой вращающейся круговой решетки классических профилей. Целенаправленный выбор геометрических параметров круговой решетки профилей и вихревых устройств позволяет в широком диапазоне изменять максимальный коэффициент теоретического давления и, что
принципиально важно, функциональную зависимость прироста коэффициента теоретического давления ута от коэффициента расхода qт [2, 3].
Фта
1.5
1.0
0.5
0
1 2 ъ
■ 1 и - * * 1 * * ^^ 4
— 1 1. ч 1
ч X
0.05 0.1
0.15 0.2
0.25 0.3
0.35
Рис. 2 - Аэродинамическая характеристика вращающейся круговой решетки профилей с вихреисточником:
1 - классический теоретический профиль;
2 - профиль с положительным вихреисточником;
3 - профиль с отрицательным вихреисточником;
4 - профиль со знакопеременным вихреисточником
Проведенные расчеты позволили спроектировать прямоточную радиально-вихре-вую аэродинамическую схему, разработать чертежи и изготовить модель вентилятора ВРВП-6 (рис. 3). Результаты его аэродинамических испытаний в сравнении с вентиляторами ВМЭ-6 приведены в таблице.
а б
^ Рис. 3 - Общий вид радиально-вихревого
■С прямоточного вентилятора местного проветривания ВРВП-6:
а - 3Б модель; б - опытный образец
О.
ф
^ Предположительно годовой эффект от применения на предприятиях горно-метал-
^ лургического комплекса вентиляторов местного проветривания составляет 120 млн кВт.
Сравнительная технико-экономическая характеристика вентилятора местного проветривания ВРВП-6 с выпускаемыми аналогами
Характеристики ВРВП-6 ВМЭ-6 ВР-6
Гидравлическая мощность, кВт 47,1 19,0 22,0
Удельная энергоэффективность 1,15 1,35 1,29
КПД 0,87 0,74 0,77
Глубина экономичного регулирования 0,98 0,56 0,61
Удельная материалоемкость, кг/кВт 4,2 6,6 6,1
Удельные затраты, руб/кВт 9,4 18,9 15,8
Производственная себестоимость, руб. 165 000 135 000 125 000
Разработка и применение параметрического ряда вентиляторов типа ВРВП на базе предложенной аэродинамической схемы с использованием энергии частотных регуляторов позволит существенно повысить как энергоэффективность, так и безопасность вентиляции, а также конкурентоспособность газообильных угольных шахт.
Литература
1. Косарев Н.П. Аэродинамика квазипотенциального течения в межлопаточных каналах рабочих колес высоконагруженных центробежных вентиляторов: науч. изд. / Н.П. Косарев, В.Н. Макаров. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. - 108 с.
2. Макаров Н.В. Особенности течения в круговой решетке профилей с вихреисто-чником в критических точках / Н.В. Макаров // Известия УГГУ. - 2010. - Вып. 24. -С. 99 - 101.
3. Макаров Н.В. Радиально-вихревые прямоточные вентиляторы местного проветривания. Особенности идеальной аэродинамической характеристики / Н.В. Макаров, С.А. Горбунов // Уральская горная школа - регионам: междунар. науч.-практ. конф., г. Екатеринбург, 8 - 9 апреля 2013 г. - Екатеринбург, 2013. - С. 386 - 387.
