CC BY
19
- © В.Н. Макаров, С.А. Горбунов,
Т.Д. Корнилова, 2013
УДК 622.44
В.Н. Макаров, С.А. Горбунов, Т.А. Корнилова
МЕТОДИКА РАСЧЕТА УГЛА РАСКРЫТИЯ МЕЖЛОПАТОЧНОГО КАНАЛА РАБОЧЕГО КОЛЕСА ШАХТНОГО ВЕНТИЛЯТОРА
Изложен способ использования вихреисточников для повышения аэродинамической нагруженности и экономичности шахтных вентиляторов, а также механизм их влияния на характер течения в межлопаточном канале рабочих колес турбомашин. На базе принципа гидродинамической аналогии установлена зависимость угла раскрытия эквивалентного диффузора от энергетических характеристик вихреисточника, параметров вентилятора и режима его работы. На основе расчета оптимального угла раскрытия эквивалентного диффузора предложена методика проектирования радиально-вихревых аэродинамических схем вентиляторов повышенной нагруженности и экономичности. Ключевые слова: газоотсасывающий вентилятор, вихреисточник, вихревая камера, эквивалентный диффузор, пограничный слой, угол раскрытия межлопаточного канала, отрывное вихреобразование, аэродинамическая нагруженность, круговая решетка профилей, циркуляция, межлопаточный канал, энергетические методы, критерии эффективности, аэродинамическая схема, радиально-вихревой вентилятор.
Интенсификация угледобычи, существенная энергоемкость вентиляции газообильных угольных шахт делают актуальной проблему надежного и экономичного их проветривания, обеспечения аэродинамической изоляции очистной выработки от выработанного пространства. Это требует разработки вентиляторов местного проветривания (ВМП) повышенной аэродинамической нагруженности и адаптивности [1].
Применительно к ВМП эффективным способом повышения аэродинамической нагруженности, адаптивности и экономичности является вихревое управление обтеканием лопаток рабочего колеса. В зависимости от параметров управляющего потока достижимо такое воздействие на пограничный слой, при котором наблюдается практически только снижение потерь давления на трение и, как результат, повышение к.п.д., либо управление им с влиянием на ядро потока для целенаправленного увеличения угла выхода потока, изменения циркуляционного течения с целью повышения аэродинамической нагруженности вентилятора.
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 вихреисточника.
Образование вихревой дорожки Кармана на выходе из рабочего колеса га-зоотсасывающего вентилятора характеризует одновременно степень энергети-
ческого взаимодействия круговой решетки профилей с потоком и уровень потерь энергии в процессе этого взаимодействия. С точки зрения теории Гельм-гольца [2] вихревой след обусловлен не только вязкостью потока, но его формирование присуще и потенциальному течению идеального газа. Таким образом, результат воздействия высокоэнергетических вихреисточников на течение в межлопаточном канале центробежного вентилятора имеет два принципиальных аспекта.
Управление циркуляционным обтеканием круговой решетки профилей, которое способствует повышению ее аэродинамической нагруженности и устойчивости, и управление пограничным слоем на поверхностях лопаток рабочего колеса и стенках межлопаточного канала, что способствует снижению потерь энергии и, как результат, повышению экономичности ВМП. Необходимо подчеркнуть, что эти два процесса взаимосвязаны, поскольку газовоздушная шахтная смесь обладает вязкостью, и одной из основных задач при разработке вихревых методов управления течением в круговых решетках профилей является установление энергетических параметров управляющих устройств, при которых достигается устранение отрывного вихреобразования в межлопаточных каналах рабочего колеса. Это позволяет достигнуть циркуляции, то есть уровня энергетического взаимодействия реальной газовоздушной смеси, соответствующего потенциальному течению идеального газа.
По характеру воздействия на пограничный слой, с точки зрения гидродинамической аналогии, высокоэнергетический вихреисточник управляющего потока идентичен системе распределенных стоков. Указанные гидродинамические особенности, взаимодействуя с основным потоком в межлопаточном канале рабочего колеса, способствуют энергетическому насыщению его профиля скоростей, деформируя его в направлении к виду профиля скоростей потенциального течения идеального газа, тем самым, повышая эффективность энергетического взаимодействия основного потока и вращающейся круговой решетки профилей.
Таким образом, проблема повышения аэродинамической нагруженности и эффективности энергопотребления ВПМ применением вихревого управления обтеканием лопаток рабочих колес должна решаться путем разработки и использования новых рабочих колес с вихревыми устройствами [4]. Применение предложенных технических решений, имеющих патентную защиту и учитывающих специфику конструкции и условий эксплуатации ВМП, позволяет поднять на качественно новый уровень их аэродинамическую нагруженность и экономичность, являющиеся основными критериями, характеризующими их эффективность.
В отечественной и зарубежной литературе отсутствуют данные по исследованиям механизма взаимодействия вихреисточника с потоком во вращающемся межлопаточном канале рабочего колеса, определения его геометрических параметров и оптимальной диффузорности.
В межлопаточном канале рабочего колеса вентилятора, представляющем собой вращающийся диффузор происходит процесс преобразования механической энергии в энергию потока воздуха потенциальную и кинетическую.
При исследовании энергетических характеристик потока во вращающемся диффузоре по отношению к неподвижному, необходимо учитывать особенности кинематики течения, обусловленные наличием поперечной циркуляции и дополнительного сжатия, вызванных окружной скоростью вращения.
5 — — * <м
Поток во вращающемся межлопаточном канале, имеющем на выходных участках лопаток вихревые камеры, кроме сил трения, давления и инерции, вызванной изменением центробежной силой величины и направления относительной скорости, находится под действием кориолисо-вой силы, а также обусловлен переносным движением и вихреисточником. Указанное силовое поле, влияя на характер течения потока, его кинематические параметры изменяет как процесс энергетического взаимодействия рабочего колеса с потоком, так и процесс формирования потерь энергии в его межлопаточных каналах.
Таким образом, зависимость угла раскрытия эквивалентного диффузора от параметров и подачи вентилятора должна учитывать не только геометрию межлопаточного канала и кинематическую диффузор-ность потока (см. рис. 1), его диффузорность, обусловленную рассогласованием углов входа лопаток р1л и потока в, вращение рабочего колеса, но и энергетическое взаимодействие вихреисточника с потоком в межлопаточном канале
Известные методы расчета угла раскрытия эквивалентного диффузора для уточнения геометрических параметров межлопаточного канала рабочего колеса при проектировании аэродинамических схем не учитывают влияние на величину угла раскрытия вращающегося эквивалентного диффузора вихревых камер.
С учетом результатов [3] по расчету энергетических характеристик вихреи-сточника, установленного на выходном участке профиля и оказывающего влияние на кинематические параметры потока на выходе из межлопаточного канала рабочего колеса, формулу для расчета коэффициента влияния циркуляции вихреисточника на эффективную площадь выходного сечения межлопаточного канала рабочего колеса, диффузорности и кинематического угла раскрытия эквивалентного диффузора можно представить в виде:
ТМг'бг (| рЛ
Бгн-
) ХтЦ,,
Схема перехода от межлопаточного канала рабочего колеса центробежного вентилятора с вихревой камерой (а) к эквивалентному диффузору с вихреисточником (д)
к, = , (1)
С„ йЯ
где р = —— - коэффициент циркуляции вихреисточника; С , С - приве-лБц
денные коэффициенты расхода и циркуляции вихреисточника; Б - диаметр рабочего колеса вентилятора; Я - коэффициент расхода вентилятора; и - окружная скорость вращения рабочего колеса вентилятора.
Тогда формула для расчета диффузорности и кинематического угла раскрытия эквивалентного диффузора можно получим в виде:
1 - к „Л Ь 2 БЩ 2л
Дэи =--— (2)
й 1Ь1 Бшв1
= 2 . (1 - куь2&ир2Г - У(3)
Уки = 2агстё —_ , (3)
ЫПл К
где Пл - количество лопаток рабочего колеса.
С учетом [3] угол раскрытия эквивалентного диффузора межлопаточного канала
рабочего колеса с вихревой камерой можно представить в виде:
Уэви = 2аГС*Я
5 2
(1 - КУ У Ь2 2л й1
+ 2аг^-—_____+
1
КVпй1^ - 2кд Ь2 5щ 2л
(4)
%Пл
+ 2аг^
1л
ю
где к г == - отношение угловой скорости вращения колеса к относительной VI
скорости потока на входе в межлопаточный канал; кк - относительная кривизна лопатки рабочего колеса вентилятора.
Согласно результатам исследований неподвижных диффузорных каналов [2], угол их раскрытия, при котором достигаются наименьшие потери энергии потока у = 6°.
Учитывая сказанное, можно считать, что (4) при подстановке в него
у эви = 6 ° представляет собой уравнение существования радиально-вихревой
аэродинамической схемы с высоким к.п.д.
С учетом предложенного метода расчета оптимального угла раскрытия эквивалентного диффузора спроектирована радиально-вихревая аэродинамическая схема ЦВ146-22.
Проведенные исследования на базе вентилятора ВРВП-6 показали, что применение вихревой камеры позволяет повысить коэффициент статического давления вентилятора до величины уст = 1,26, то есть на 35 %, а к.п.д. на
номинальном режиме на 5 %.
Таким образом, применение вихреисточников на лопатках рабочих колес вентиляторов местного проветривания позволяет устранить отрывное вихре-образование в межлопаточных каналах, повысить их аэродинамическую на-груженность и адаптивность, тем самым, способствуя росту экономической эффективности вентиляции угольных шахт.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Косарев Н.П., Макаров В.Н. Генезис эффективности проветривания газообильных угольных шахт // Изв. вузов. Горный журнал. - 2012. - №1. - С. 22 - 26.
2. Локшин И.Л. Применение результатов испытаний вращающихся круговых решеток к аэродинамическому расчету колес центробежных вентиляторов// Промышленная аэродинамика. М.: Машиностроение, 1963, вып. 25. С. 121-183.
3. Макаров В.Н., Копачев В.Ф. Угол раскрытия межлопаточного канала рабочего колеса центробежного вентилятора// Известия вузов. Горный журнал. Екатеринбург, 2007. № 1.
4. Рабочее колесо центробежного вентилятора: Патент №2390658 / Н.В. Макаров, С.В. Белов, В.И. Фомин, В.Н. Макаров, С.А. Волков. №2008112791/06. Заявл. 02.04.2008. Опубл. 27.05.2010 Бюл. №15. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Макаров Владимир Николаевич - профессор, доктор технических наук, начальник Управления инноватики и развития, У1аШт1г.такагоу@т.игБти.ги,
Горбунов Сергей Андреевич - аспирант, начальник отдела трансфера и технологий, [email protected]
Корнилова Татьяна Александровна - аспирант, помощник начальника Управления инноватики и развития, [email protected] Уральский государственный горный университет.
А
- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ КОНСОЛИДИРОВАННОЙ ФИНАНСОВОЙ ОТЧЕТНОСТИ
(№ 970/08-13 от 27.05.13, 19 с.)
Сафонова Эмилия Геннадьевна, кандидат экономических наук, доцент, [email protected]
Российский экономический университет им. Г.В.Плеханова
THEORETICAL AND METHODOLOGICAL PRINCPLES OF CREATION AND DISCLOSURE OF ACCOUNTING POLICY
Safonova E.G.
