CC BY
28
СЕМИНАР 13 ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА
МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
I
^М.М. Конорев. Г.Ф. Нестеренко, 2000
УДК 622.4
М.М. Конорев, Г.Ф. Нестеренко
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДУЛЬНОГО КАРЬЕРНОГО
П
осле списания самолетов ТУ-114 все авиадвигатели НК-12МВ были переданы из МГА нефтегазодобывающему комплексу и нашли широкое применение в качестве привода газодувок газоперекачивающих станций.
Для предприятий, связанных с военно-промышленным комплексом, имеется возможность создания опытно-промышлен-ных образцов установок НК-12КВ. Однако из-за низких темпов конверсии и высокой стоимости перспективы приобретения авиадвигателей НК-12МВ и комплектующих у Министерства обороны предприятиями народного хозяйства практически нет.
В связи с этим возникла необходимость в разработке нового типа вентиляторов-оросителей с параметрами струй, близкими НК-12КВ-1М. Массовое списание в ближайшее время самолетов Ан-12, а также положительный опыт эксплуатации карьерных вентиляторов-оросителей АИ-20КВ [1] позволяют реализовать идею создания мощных модульных вентиляторов на базе винтомоторной группы (ВМГ) этого самолета. Причем в зависимости от параметров карьеров
Рис. 1. Общий вид вентилятор ВОКМ-4-2500: 1 - входной коллектор;
2 - воздушный винт; 3 - авиадвигатель;
4 - лопатки спрямляющего аппарата; 5 -кожух; 6 - сопло; 7 - ходовая часть; 8 -кабина машиниста; 9 - топливный бак
можно создавать установки из 2-4 модулей. Для уменьшения габаритов и металлоемкости установок, а также с целью предотвращения ухудшения аэродинамических параметров струй и акустических характеристик, целесообразно размещать ВМГ в насадках (кожухах) на небольшом расстоянии.
На основании расчетов установлено, что близкие к вентилятору НК-12КВ-1М параметры струй можно обеспечить установкой, состоящих из 4-х модулей с двигателями АИ-20. Исходя из целесообразности использования в установке большего количества серийно выпускаемых изделий и агрегатов, 4 модуля можно разместить на поворотной платформе и
ходовой тележке экскаватора ЭКГ-8И (рис. 1).
На величину тяги, создаваемой системой «винт-насадок», оказывают влияние следующие конструктивные элементы и параметры: входной коллектор-
насадка, глубина расположения винта в насадке, относительный зазор между концом лопасти и внутренней поверхностью насадка, относительное расширение выходного канала насадка, относительная длина насадка, ширина конца лопасти, спрямляющий аппарат за винтом (рис. 2). Рассмотрим на основании анализа экспериментальных исследований влияние каждого из элементов и параметров [2,3,4,5,6].
а) Входной коллектор насадка.
Экспериментальными исследованиями ЦАГИ установлено, что коллектор с наибольшим диаметром Дктах=(1,2^1,4) Дв и длиной 1к=(0,2^0,4)Дв обеспечивает удовлетворительные условия входа воздуха в вентилятор, а его отсутствие значительно ухудшает работу установки: давление, создаваемое вентилятором на рабочих режимах и к.п.д. уменьшаются на 10-15 %.
Из имеющихся гипотез, подтвержденных экспериментальными данными, следует, что целесообразно выбирать коллектора с меньшей кривизной поверхности,
Рис. 2. Общий вид и параметры модуля карьерного вентилятора ВОКМ-4-2500
т.к. они имеют большие площади и, в конечном счете, создают большие центробежные силы частиц воздуха.
Суммарная тяга системы «винт-насадок» Т е увеличивается при увеличении радиуса коллектора (Гк) и достигает 1,262 тяги изолированного винта (рис. 3). При г к= r]c/Rв ^ ж тяга насадка
может быть равной 0,5 Т е. Однако увеличение г к площадь нерабочей части кольца возрастает. При г к =0,5 рабочая зона кольца находится в интервале фк=0^120°, в диапазоне фк=120^180° кольцо практически не создает тяги.
б) Глубина расположения винта в насадке.
Исследованиями [2,3,7] установлено, что расположение винта в насадке имеет существенное значение. Под глубиной расположения понимается расстояние от передней кромки входного коллектора до плоскости вращения винта. Для исследованных
насадков при расположении винта в передней части насадка (С=0,12 Дв) обеспечивается большая эффективность процессов диффузии воздуха к винту, а при более глубоком (С=0,28 Дв) уменьшается асимметрия поступающего на винт потока воздуха, и высокое состояние напряженности лопастей сводится к минимуму. В.В. Шайдако-в_ым установлено, что при г к=0,15 Т в=0,65 при глубоком расположении винта и Т в=0,77 при неглубоком. При одинаковой тяге системы «винт-насадок» предпочтение следует отдать глубокому расположению винта, поскольку оно обеспечивает большую загрузку входного коллектора (до 35 %) и снижает нагрузку на винт. Таким образом при Стт^0,2Дв можно достичь как достаточной степени диффузии воздуха, так и предотвратить излишнее напряжение лопастей. Для единичного модуля АИ-20 Стт = 0,2Дв = 0,86 м, Сср = =0,33Дв.
в) Относительный зазор между концом лопасти и насадком
Р = $/Дв )
Анализ результатов экспериментов В.В. Шайдакова свидетельствует, что величина зазора не оказывает существенного влияния на величину потребляемой вентилятором мощности [2]. Однако коэффициент влияния зазора на давление вентилятора одновременно является и коэффициентом влияния зазора на КПД
вентилятора (ц). Так при Р =0,02 ц=0,85, а при Р =0,04 КПД вентилятора ц=0,82.
В связи с_тем, что изготовление насадка с Р <001 технологически сложно и вызывает перегрузку концов лопастей по нашему мнению достаточно ограничиться относительными зазорами принятыми в вентиляторостроении Р = =0,15 40,025.
Экспериментальными исследованиями винтов в насадке [5,6] установлено, что Р = 0,012540,025 не приводит к ухудшению аэродинамических параметров струй. Для модуля АИ-20 можно принять Р =0,0115 (50,0 мм).
г) Относительное расширение насадка.
Экспериментальными исследованиями винтов в насадках [5,6] установлено, что увеличение отношения площади выхода насадка к площади, ометаемой воздушным винтом (^вых^в) до 1,3 позволяет увеличить статистическую тягу винта на 10 % по сравнению с изолированным винтом. При £=1,3 диаметр выходного отверстия насадка Двых= 1, 14 Дв, а с учетом величины зазора S=0,023 Дв и длины конического участка ек=0,33Дв угол раскрытия диффузора для единичного модуля АИ-20 должен составлять Т=8°.
д) Длина насадка (L н=и/Дв).
Длина насадка должна быть
достаточной для сведения к минимуму сжатия струи за винтом и обеспечения эффективной диффузии воздуха в струю. Однако чрезмерное увеличение Ь н нежелательно во избежание роста потерь на трение воздуха в насадке. Экспериментальные исследования показали, что в диапазоне Ь =0,5 - 0,67 длина насадка не оказывает влияния на тягу системы «винт-насадок» при работе винта на различных режимах [6].
В связи с тем, что при работе ТВД источниками шума являются воздушный винт, внутренние агрегаты двигателя - компрессор, камера сгорания, турбина и
Рис. 3. Влияние параметров входного коллектора насадка на тягу системы «Винт-насадок»
др., а также струя выхлопных газов, целесообразно использовать насадок в качестве шумопоглощающего кожуха. Исследованиями акустических характеристик вентилятора НК-12КВ-1М показали, что для эффективного снижения уровня громкости шума L н > _1,6. Для модуля_АИ-20 примем L нтіп= 1,6, а L нср =-1,8. При этом все агрегаты ВМГ, создающие шум, оказываются внутри кожуха. Обработанного звукопоглощающим материалом.
е) Спрямляющий аппарат (СА).
В вентиляторостроении считается нецелесообразным использование СА, если коэффициент давления Н < 0,06 /8/. Однако исследованиями С.Е. Бутакова доказано, что применение СА при Н =0,025 в устройствах, создающих свободную турбулентную струю, позволяет существенно улучшить ее аэродина-
мические качества, в частности, дальнобойность [8].
Исследованиями А.И. Павлова на моделях воздушных винтов установлено, что применение спрямляющего аппарата за винтом почти полностью устраняет разряжение на оси струи. Это способствует уменьшению эжекции воздуха из окружающей среды в струю и увеличивает ее дальнобойность. Для четырехлопастных за счет СА осевая скорость может быть увеличена на 45 % по сравнению с изолированным винтом. Оптимальная ширина лопасти должна быть вл= 0,5 Дв, а количество лопаток Zл = 6 [3].
По конструктивным соображениям для модуля АИ - 20 принята трапециидальная форма лопаток СА. Ширина лопатки на 0,7 R в составляет 0,7 Rв, что позволит увеличить осевую скорость на 40 % по сравнению с изолированным
винтом. Шесть лопаток СА используются в качестве силовых элементов крепления ВМГ к кожуху и для прокладки коммуникаций к двигателю.
ж) Относительная ширина конца лопатки винта.
Экспериментально установлено [2], что при работе системы «винт-насадок» можно добиться увеличения тяги на 5 %, если относительная величина хорды конца лопасти
Экспериментально установлено [2], что при работе системы «винт-насадок» можно добиться увеличения тяги на 5 %, если относительная величина хорды конца лопасти в кл= вш / гв = 0,11. Такое значение в кл у единичного модуля АИ-20 обеспечивается путем обрезки концов лопасти на 0,1 м.
1. Филатов С.С., Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. Результаты опытно-промышленной эксплуатации карьерных вентиляторов на базе турбовинтовых двигателей НК-12 и АИ-20.- Труды/ ГосНИИГА - М.: ОНТЭИ, 1975, вып. № 113, с.17-24.
2. Шайдаков В.И. Влияние глубины расположения винта в кольце на аэродинамические характеристики для режима работы на месте. - Изв. вузов: Авиационная техника- М.: 1960, № 2, с.22-28.
3. Павлов А.И. К вопросу определения рациональных конструктивных параметров струйных карьерных вентиляторов на базе авиационных винтов Труды/ГосНИИ ГА, Сб.: Применение авиадвигателей в газоструйных установках. -М.: ОНТЭИ, 1975, вып. № 113, с.25-34.
4. Павлов А.И. Исследование средств местного проветривания и пылегазоподавления на открытых горных работах В сб.: Борьба с пылью на открытых горных работах. Ч.1/ Состояние
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
атмосферы карьеров и их вентиляция./ Материалы совмещения в Москве, 1969/ М.: 1970, с.55-64.
5. Конструктивные особенности и технико-экономические показатели карьерного вентилятора-оросителя НК-12КВ-1М./ Филатов С.С., Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. и др. -М.: Горн. журн., 1981, № 6, с.43-46.
6. Совершенствование параметров карьерных вентиляторов-оросителей НК-12КВ/ Конорев М.М., Филатов С.С., Нестеренко Г.Ф. и др. Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве: Часть 2: Материалы межотраслевых н.-т.конф., совещаний, семинаров и выставок М.: ВИМИ, 1981, с.63-70.
7. Шайдаков В.И. Аэродинамические исследования системы «Винт в кольце» на режиме висения Труды/ МАИ. -М.: 1959, вып. III, с.41-47.
8. Бутаков С.Е., Малых А.А. Дальнодействующий агрегат СИОТ-3. Сб.: Промышленная вентиляция// Труды / ВНИИОТ ВЦСПС, Свердловск, 1951, с.20-28.
1-:-:-:-:-:-:-:-::-::-::-::-::
кО ^ОТКо Конорев М.М. - кандидат технических наук, Институт горного дела Уральского от-
деления РАН.
00 '(Р :!:!!;!; і; і; і; О' Нестеренко Г.Ф.- кандидат технических наук, Институт горного дела Уральского
•• - - - - : отделения РДН
^ І! •••••••••••• •••••
