CC BY
119
УДК 631.354.024/028
АНАЛИЗ РАБОТЫ ТУРБИННОГО ВЕНТИЛЯТОРА ОЧИСТКИ ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА И ОПТИМИЗАЦИЯ КАЧЕСТВЕННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА
В. В. МИРЕНКОВ, В. Ф. ХИЖЕНОК
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,
Республика Беларусь
Введение
В настоящее время предъявляются высокие требования к очистке комбайнами зерна, поступающего после обмолота: чистота бункерного зерна не менее 98 %, а дробленого не более 1 %.
Получение чистого зерна от комбайна, которое не нуждается в дополнительной очистке, - одно из требований к современным высокопроизводительным комбайнам. Поэтому оптимизации систем очистки новых комбайнов уделяется особое внимание.
В конструкции систем очистки зерна современных комбайнов классической роторной и комбинированной схем используют стрясную доску или блок шнеков для транспортировки мелкого вороха и ветрорешетчатую очистку с регулируемыми жа-люзийными решетами. Воздушный поток, создаваемый вентиляторами в новых конструкциях очисток, разделяется на два отдельных потока: один обдувает зону предыдущей очистки, другой - верхнее и нижнее решета.
Вентилятор системы очистки зерноуборочного комбайна предназначен для обработки воздушным потоком вороха, поступившего на решета очистки. При этом воздушный поток выполняет две задачи: разрыхляет (вспушивает) обрабатываемый на решетах ворох (чем облегчает проход зерна сквозь пространственную решетку, образованную соломистыми частицами) и уносит в копнитель легкие примеси, имеющие большую парусность [5].
Вентилятор очистки отечественных комбайнов представляет собой многолопастный крылач, частота вращения которого регулируется с помощью специального клиноременного вариатора в пределах 450-1200 об./мин.
Целью работы является моделирование основных параметров предлагаемого турбинного вентилятора очистки зерноуборочного комбайна и составления рекомендаций по усовершенствованию конструкции.
Основная часть
Недостатком базового двухсекционного центробежного вентилятора с осевым забором воздуха являются: решета, имеющие суммарную длину более трех метров и расположенные под углом к плоскости выходного отверстия вентилятора. Они должны обдуваться воздушными потоками, имеющими одинаковую скорость по всей ширине решет. Очевидно, что данная конструкция вентилятора очистки комбайна не в полной мере соответствует требованиям скорости воздушного потока около решет. Кроме того, вызывает интерес распределение скоростных потоков не только по ширине решет, но и по длине, так как несоблюдение скоростных режимов воздушного потока будет приводить к некачественной работе системы очистки [4].
Указанные недостатки базового варианта вентилятора предлагается решить использованием более производительного турбинного вентилятора с комплектом дефлекторов.
Анализ параметров турбинного вентилятора производили с использованием современных расчетных компьютерных программ. Одним из таких представителей расчетных программ является SolidWorks/FlowSimulation. Данный пакет предлагает широкий спектр возможностей конечно-элементного анализа, начиная от простого линейного стационарного анализа и заканчивая комплексным нелинейным анализом переходных процессов.
При расчете для облегчения задания граничных условий и учета различных динамических факторов используются исследования движения моделей сборки Motion. Исследования движения не изменяют модель сборки или ее свойства. Они моделируют и анимируют движение модели.
Целесообразность выбора типа конечного элемента определяется степенью сложности геометрии узла и требуемой точности решения. Наличие в программе FlowSimulation конечных элементов для моделирования гидро- и аэродинамики дает возможность применения численных методов для определения параметров потока, давления и температуры жидкости или газа в изучаемой области, например, в зоне-выхода воздушных потоков из вентилятора очистки. Решение указанных задач выполняется при помощи модуля FlowSimulation, что позволяет анализировать движение непрерывной среды, а именно определять градиент давления, распределения скоростей и температур, направление движения потока воздуха и т. д. Для моделирования турбулентного движения используются уравнения неразрывности. При этом вычисляются следующие параметры: число Маха, коэффициент давления, общее давление и функции потока для движущейся среды.
Используется решатель, реализующий раздельный последовательный алгоритм, который заключается в раздельном решении для каждой степени свободы (температуры, давления, скорости и т. д.) системы матриц, полученных при конечноэлементной дискретизации основного уравнения. Задача течения воздуха нелинейная и основные уравнения связаны между собой. Последовательное решение уравнений с обновлением зависящих от давления параметров составляет глобальную итерацию. Количество глобальных итераций для достижения сходящегося решения может значительно варьироваться в зависимости от решаемой задачи [1].
При расчете были использованы следующие материалы:
1) вал - сталь 40х: модуль упругости - 214 ГПа, коэффициент Пуассона - 0,26;
2) лопасти вентилятора - сталь 45: модуль упругости - 204 ГПа, коэффициент Пуассона - 0,3;
3) втулки - сталь 18 ХГТ: модуль упругости - 203 ГПа, коэффициент Пуассона -
0,29;
4) корпус - листовая сталь: модуль упругости - 89 ГПа, коэффициент Пуассона -
0,27.
Физические свойства воздуха: плотность - 1,204 кг/м3, вязкость - 1,51 (м2/с)10-5.
В связи с тем, что вентилятор состоит из двух симметрично расположенных секций, возможен анализ только одной секции (рис. 1), дискретизация которой представлена на рис. 2.
Рис. 1. 3Б-модель турбинного вентилятора очистки комбайна
Рис. 2. Конечно-элементная дискретизация твердотельной модели секции вентилятора
очистки зерноуборочного комбайна
Количество конечных элементов составило 142911 шт., из которых твердых элементов - 62067 шт.
В результате проведенного конечно-элементного анализа в FlowSimulation были получены результаты распределения потоков скоростей и давлений в вентиляторе очистки зерноуборочного комбайна. На рис. 3 представлена качественная характеристика потоков скоростей вентилятора очистки зерноуборочного комбайна на разных режимах работы при частоте вращения 70 и 120 рад/с. Характеристика определялась на выходе из кожухов вентилятора. Как видно из представленных результатов моделирования, скорость потока на выходе вентилятора распределена не равномерно по поперечному сечению выходного отверстия и изменяется от 1,8 до 12 м/с (рис. 3, а) и от 8 до 20 м/с (рис. 3, б).
а) б)
Рис. 3. Качественная характеристика вентилятора очистки комбайна, полученная в FlowSimulation по ширине и высоте потока при частоте вращения вала вентилятора 70 рад/с (а) и при частоте вращения вала вентилятора 120 рад/с (б)
Данный расчет показал адекватность расчетной ЗБ-модели, в связи с чем можно провести дальнейшую оптимизацию параметров вентилятора очистки зерноуборочного комбайна с целью более равномерного распределения потоков скоростей и давлений воздуха. Причем оптимальные скорости (7-12 м/с) воздушного потока наблюдаются по центру выходного отверстия (рис. 3, а) при частоте вращения вала вентилятора 70 рад/с, но имеют неравномерное распределение по высоте и ширине выходных каналов вентилятора. При частоте вращения 120 рад/с расчетные показатели скорости имеют значения 6-18 м/с и более равномерное распределение по ширине и высоте выходных каналов. Однако данные скорости недопустимы при работе системы очистки, так как будет происходить выдувание неочищенного зерна.
Для снижения скорости и более равномерного распределения воздушных потоков предлагается использовать дефлектор (рис. 4), установленный в кожухе вентилятора.
Рис. 4. Дефлектор воздушного потока
Положение дефлектора в кожухе вентилятора определялось путем изменения расстояний к1 и к2 (рис. 5).
Рис. 5. Положение дефлектора в зависимости от параметров И1 и И2
В результате изменений расстояний были получены расчетные величины максимальных скоростей на выходе из верхнего и нижнего канала турбинного вентилятора и сведены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние параметров кг и к2 на величину скоростного потока
Номер положения Одновременно изменяемые параметры к1 и к2, мм Максимальная расчетная скорость воздушного потока V, м/с
Й1 кг
Верхний канал Нижний канал
1 22 22 10,0 6,5
2 26 26 11,5 6,7
3 28 28 12,7 7,3
4 30 30 12,1 7,1
5 31 31 12,0 7,0
6 32 32 12,2 7,0
7 34 34 11,9 7,1
8 36 36 12,4 6,0
9 38 38 12,6 6,7
10 40 40 12,6 6,5
11 42,5 42,5 12,0 13,5
Как видно из табл. 1, наиболее рациональным является положение № 3.
Расчет турбинного вентилятора с установленным дефлектором (рис. 6), использующим найденное оптимальное положение, показал, что было достигнуто рациональное распределение потоков скоростей по ширине и высоте выходных каналов (7,3-12,7 м/с).
Рис. 6. Качественная характеристика вентилятора очистки комбайна, полученная в FlowSimulation по ширине и высоте потока с установленным дефлектором
Также представляет интерес расчет всей конструкции системы очистки с установленными верхним, нижним и удлинительным решетами (рис. 7). Адекватность расчетной модели во многом определяется точностью задания механических характеристик материала и граничных условий. Для проведения данного анализа использовались тетраэдральные и жидкостные элементы. В качестве граничных условий использовались частота вращения вала вентиляторов (120 рад/с для зерновых культур), атмосферное противодавление на выходе (101325 Па) и скорость воздушного потока на входе в вентиляторы (7 м/с).
Рис. 7. Граничные условия, задаваемые при анализе системы очистки зерноуборочного
комбайна во FlowSimulation
Анализ линий тока скоростей в поперечном и продольном сечениях системы очистки при оптимальной частоте вращения (120 рад/с) и примененных дефлекторах воздушного потока показал следующее:
1) скорость воздушного потока распределена равномерно по поперечному сечению решет (рис. 8);
2) скорость воздушного потока в конце решетных станов находится в интервале 3-6 м/с и его величины достаточно для выполнения технологического процесса (рис. 8, 9);
3) скорость воздушного потока на нижнем, верхнем и дополнительном решетах находится в интервале 6-12 м/с и его значения достаточно для выполнения бесперебойного технологического процесса (рис. 9).
Рис. 8. Визуализация линий тока скоростей, полученных во FlowSimulation в поперечном сечении системы очистки на выходе из кожухов вентиляторов
Рис. 9. Визуализация линий тока скоростей, полученных во FlowSimulation в продольном сечении системы очистки
Также была смоделирована визуализация линий тока скоростей и давлений, в результате которой можно утверждать об отсутствии турбулентных потоков, завихрений и практически отсутствии перепадов давления в зоне расположения решетных станов.
а)
б)
Рис. 10. Визуализация линий тока давлений (а) и скоростей (б), полученных во FlowSimulation
Как видно из представленных результатов (рис. 10, а), скорость потока на выходе вентилятора согласуется с данными, полученными теоретическим путем [4].
Заключение
В результате проведенных расчетов установлено:
1. Воздушный поток турбинного вентилятора по ширине и высоте выходного канала более равномерный по сравнению с классическим центробежным вентилятором.
2. Относительная скорость турбинного вентиляторов в 3-4 раза выше, чем центробежных. Данная характеристика приводит к увеличению коэффициента производительности.
3. Турбинный вентилятор позволяет создавать воздушный поток, проходящий дважды через решетку (в центростремительном и центробежном направлениях), что приводит к увеличению коэффициента давления и совместно с повышенным коэффициентом производительности обеспечивает более пологое снижение КПД.
4. Асимметричное расположение лопастей рабочего колеса позволяет равномерными порциями подавать воздух к выходному каналу.
5. Применение дефлектора позволяет получить скорость воздушного потока на нижнем, верхнем и дополнительном решетах в интервале 6-12 м/с и его значения достаточно для выполнения бесперебойного технологического процесса.
6. Установлена адекватность расчетной 3Б-модели, позволяющей провести дальнейшую оптимизацию вентилятора очистки зерноуборочного комбайна.
Литература
1. Алямовский, А. А. SolidWorks 2007/2008 компьютерное моделирование в инженерной практике / А. А. Алямовский. - СПб. : БХВ-Петербург, 2008.
2. Босой, Е. С. Теория, конструкция и расчет / Е. С. Босой. - М. : Машиностроение, 1978.
3. Брусиловский, И. В. Аэродинамика осевых вентиляторов / И. В. Брусиловский. -М. : Машиностроение, 1984.
4. Миренков, В. В. Анализ работы вентилятора системы очистки зерноуборочного комбайна / В. В. Миренков, В. Ф. Хиженок, П. Е. Родзевич // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2012. - № 2. - С. 18-25.
5. Долгов, И. А. Уборочные сельскохозяйственные машины / И. А. Долгов. - Ростов н/Д : ДГТУ, 2003.
6. Карпенко, А. Н. Сельскохозяйственные машины / А. Н. Карпенко, В. М. Халан-ский. - М. : Колос, 1983.
7. Комбайн зерноуборочный самоходный КЗС-10К «Палессе GS10». Инструкция по эксплуатации. - Гомель : Гомсельмаш, 2008.
8. Клочков, А. В. Комбайны зерноуборочные зарубежные / А. В. Клочков, В. А. Попов, А. В. Адась. - Минск : Новик, 2000.
9. Сельскохозяйственные машины. Теория и технологический расчет / Б. Г. Турбин [и др.]. - Л. : Машиностроение, 1967.
10. Черкасский, В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры / В. М. Черкасский. - М. : Энергоатомиздат, 1984.
Получено 11.09.2012 г.
