Автореферат.Магистр ДонНТУ Гриценко Н.И. Автореферат "Оптимизация ротора осевого шахтного вентилятора главного проветривания ВО-21/14.

АВТОРЕФЕРАТ К МАГИСТЕРСКОЙ РАБОТЕ

Гриценко Никита Игоревич

Магистр факультета энергомеханики и автоматизации

Специальность - «Горные машины и комплексы»

Научный руководитель: Шабаев Олег Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент.

Тема: «Методика проектирования современных осевых вентиляторов. Оптимизация ротора

осевого шахтного вентилятора главного проветривания ВО21/14»

Тенденции развития угледобывающей отрасли нашего региона влекут за собой не только усовершенствование добычного и проходческого оборудования, но и требуют современного взгляда на стационарные установки угледобывающих предприятий, т.к. условия залегания полезного ископаемого вынуждают разрабатывать горизонты на глубине более тысячи метров. Вентиляторные установки главного проветривания на базе центробежных вентиляторов морально устарели и не способны обеспечивать потребность постоянно увеличивающейся сети современных шахт. Требования к вентиляторным установкам главного проветривания для шахт опасных по внезапному выбросу газа и пыли регламентируют выбор вентиляторов с 20% аварийным запасом производительности и давления с неизменным КПД. Эти значения, как правило, лежат у самой верхней границы области применения. Это говорит о несовершенстве аэродинамических схем вентиляторов.

Очевидно, что существующий ряд шахтных вентиляторов, находящихся в производстве, не вполне соответствует современным требованиям угольной отрасли, как по густоте (количеству) типоразмеров, так и по экономичности. Прежде всего это относится к центробежным машинам, реальный статический КПД которых в лучшем случае не превысит 77-78%, тогда как максимальное его значение, достигающее 85%, располагается вне зоны выбора вентилятора.

С этой точки зрения осевые вентиляторы являются более приемлемым вариантом, поскольку верхняя граница их выбора проходит через точку максимального статического КПД (82%), а сама зона выбора имеет существенно большую площадь благодаря лучшим регулировочным качествам осевых машин. Однако, по причине низкого давления (за исключением вентилятора высокого давления - ВОД30М2 и вентилятора среднего давления - В021П) область применения существующих осевых вентиляторов ограничена. Тем не менее, сравнение аэродинамических характеристик состоящих в производстве центробежных вентиляторов с характеристиками современных осевых вентиляторов зарубежного производства показывает, что параметры одностороннего центробежного вентилятора ВЦ-31.5М2 и двухстороннего ВЦД-31.5М2 полностью реализуются применением одноступенчатых вентиляторов с частотой вращения ротора 1500об/мин и диаметром 2-2.1 и 2.25-2.4м соответственно, а вентилятору ВЦД-47У по аэродинамическим параметрам соответствует осевой одноступенчатый вентилятор с синхронной частотой вращения 1000об/мин и диаметром рабочего колеса 2.9-3.0 метров.

Следует отметить, что ранее проводились работы по повышению технического уровня осевых вентиляторов путем перехода к одноступенчатому исполнению с повышением окружной скорости и применением специальных высоконагруженных аэродинамических схем. Так, НИИГМ им. М.М. Федорова было разработано "Техническое задание" на ряд таких вентиляторов (серии ВОА) из 4-х типоразмеров (1.5, 2.1, 3.0 и 4.0м), а институтом Донгипроуглемаш разработана техническая документация на представительский образец ряда - вентилятор ВОАЗОАК. Конструкцией вентилятора предусматривалось наличие реечного механизма, обеспечивающего одновременный поворот рабочих лопаток на угол до 140° для эффективного реверсирования воздушной струи. Однако, проект не был реализован по ряду причин и, прежде всего, из-за относительной сложности конструкции механизма регулирования и сомнительной надежности.

Для решения сложившейся проблемы необходимо выполнить комплекс научно - исследовательских и опытно-конструкторских работ, основными задачами которого являются:

- создание специальной высоконапорной аэродинамической схемы;

- построение базовой конструктивной схемы вентиляторов;

- оптимизация конструкции роторной группы и лопаточной системы вентиляторов методами конечно-элементного прочностного и резонансного анализа;

Максимальная окружная скорость вращения роторов центробежных машин - около 125 м/с, что связано с их прочностными характеристиками. Увеличение окружных сростей роторов осевых вентиляторов до 170 м/с возможно из-за их меньшей массы, однако, требуется провести работу по оптимизации конструкции роторной группы и лопаточной системы вентиляторов методами конечно-элементного прочностного и резонансного анализа.

Для успешного функционирования угледобывающего предприятия в экономических услових, которые сложились в Украине в настоящее время, необходимо чтобы суточная добыча из очистного забоя составляла 3-5 тыс. тонн. При такой нагрузке на очистной забой возникает необходимость в интенсификации подготовки угольных полей к выемке, что, в свою очередь, требует повышения производительности проходческих работ. На сегодняшний день эта задача частично решена за счет создания нового проходческого оборудования (в частности, комбайнов П110, П220, КСП32). Однако, одним из факторов, препятствующих дальнейшему увеличению производительности проходческих работ, является недостаточная эффективность вентиляции тупиковых выработок длиной свыше 1500 м. Это связано с отсутствием в настоящее время вентиляционного оборудования способного обеспечить эффективную и экономичную вентиляцию выработок длиной свыше 1500 м. Анализ вентиляционных режимов, характерных для применяемых в длинных выработках вентиляционных трубопроводов, а также анализ рабочих режимов, которые обеспечиваются существующими вентиляторами.Следовательно, возникает необходимость в создании машин, которые бы полностью соответствовали поставленным задачам, а именно новые вентиляторы должны:

- удовлетворять прогнозируемому полю вентиляционных режимов;

- быть компактным, легким, прочным, транспортабельным, надежным в работе и простым в обслуживании.

Поэтому исследование и усовершенствование вентиляторов по средствам компьютерного моделирования, является актуальной задачей.

Цель данной работы – разработка нового, усовершенствованного осевого вентилятора .

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

- провести анализ отечественных и зарубежных аналогов;

- осуществить аэродинамический расчет вентилятора;

- по результатам расчета построить твердотельную модель машины при помощи программного продукта SolidWorks;

- произвести моделирования рабочего процесса вентилятора в пакете программ FlowWorks;

- на основе полученных результатов разработать инженерный метод расчета осевых вентиляторов при помощи ЭВМ.

Сегодняшняя промышленность во многих случая до сих пор использует старые подходы при проектировании вентиляторов. В большинстве случаев процесс разработки новой или усовершенствование уже имеющейся машины производится вручную, а проверка полученных результатов осуществляется путем испытаний на натурных моделях, что значительно увеличивает себестоимость изделия.Новый же подход к проблеме, основанный на использовании компьютерных систем моделирования позволяет частично, а в некоторых случаях и полностью отказаться от изготовления натурных моделей.

- разработан новый, усовершенствованный осевой вентилятор общепромышленного назначения;

- применён метод автоматизированного проектирования осевого вентилятора, позволивший снизить затраты времени на проектирование;

- результаты работы могут быть использованы в дальнейшем при проектировании вентиляторов, а также в учебном процессе.

Обзор существующих исследований и разработок

В настоящее время, осевые вентиляторы получили широкое распространение, они применяются в системах воздушного отопления, приточной и вытяжной вентиляции различных технологических установок, промышленных предприятий, зданий и сооружений, также для комплектации изделии машиностроения. Это обусловлено тем, что осевые вентиляторы обладают рядом достоинств перед другими вентиляторами. Одним из таких, является их несложная конструкция.Осевые вентиляторы представляют собой расположенные в цилиндрическом кожухе колесо из лопастей, закрепленных на втулке под углом к плоскости вращения. Серповидная форма лопаток, которыми снабжены осевые вентиляторы, позволяет значительно снизить уровень шума при работе. Когда осевое колесо начинает вращаться, то воздух захватывается лопастями и перемещается по направлению вращения. При этом существует одна особенность работы, которой обладают осевые вентиляторы. Она заключается в том, что воздух распространяется лишь в осевом направлении и практически не перемещается в радиальном. Таким образом, осевые вентиляторы образуют мощную направленную струю воздуха.В распоряжении нынешних производителей находятся вентиляторы выполненные по аэродинамическим схемам, которые могут состоять из одного колеса (рис. 1.1а), колеса и спрямляющего аппарата (рис.1.1б), входного направляющего аппарата и колеса (рис.1.1в), входного направляющего аппарата, колеса и спрямляющего аппарата (рис.1.1г). Электродвигатель может быть расположен как перед колесом (рис.1.1а), так и за колесом (рис.1.1б), причем аэродинамические характеристики вентиляторов, имеющих одинаковые колеса, будут при этом приблизительно одинаковыми.

а) К-колесо; б) К+СА -колесо и спрямляющий аппарат; в) ВНА+К –входной направляющий аппарат и колесо, г) ВНА+К+СА -входной направляющий аппарат, колесо и спрямляющий аппарат; 1-входной коллектор, 2-лопатки колеса, 3-втулка колеса, 4-электродвигатель, 5-корпус, 6,8-спрямляющий аппарат, 7-входной направляющий аппарат.

По схеме К обычно выполняются вентиляторы с очень малыми значениями коэффициента давления (y < 0,15), у которых относительная величина скорости закручивания С2u и связанная с ней величина динамического давления незначительны. Для упрощения конструкции, уменьшения осевых размеров и снижения металлоемкости вентиляторы часто выполняют именно по схеме К.

Вентиляторы, выполненные по многим из представленных здесь схем со спрямляющим аппаратом, на выходе из аппарата имеют поток не осевого направления, т. е. поток выходит под некоторым углом, примерно равным 80°, с небольшой остаточной скоростью закручивания (круткой). При этом, число лопаток и осевой размер аппарата будут меньше, чем у аппарата, рассчитанного на осевой выход потока, а к. п. д. даже несколько больше. Следовательно, схему К+ СА целесообразно применять при y > 0,15 и пожалуй, необходимо при y > 0,25.

В спрямляющем аппарате динамическое давление, связанное со скоростью закручивания потока за рабочим колесом, преобразуется в статическое давление с некоторыми потерями, обусловленными течением в его диффузорном лопаточном венце. При этом увеличиваются как полное давление и к. п. д., так и статическое давление и к. п. д. вентилятора без изменения его мощностной характеристики. Схема ВНА-К может использоваться к тех же случаях, что и схема К + СА. Во входном направляющем аппарате поток закручивается против направления вращения колеса на величину, или равную скорости закручивания в колесе, или несколько меньшую. В первом случае поток выходит из колеса в осевом направлении (и абсолютном движении), во втором — с некоторой остаточной круткой.

В схеме BНA + К относительные скорости течения по сравнению со схемой К + СА возрастают и могут увеличиться даже в полтора раза. Это главным образом и является причиной того, что максимальный к. и. д. вентилятора схемы BНA — К меньше, чем у вентилятора схемы K + CA, несмотря на то, что потери давления в конфузорных межлопаточных каналах ВНА могут быть меньше, чем в диффузорных каналах СА. К. п. д. этих схем в зависимости от сочетания коэффициентов давления и производительности могут отличаться на 3—10%. Однако вентиляторы схемы BHA + K более предпочтительны, когда необходимо, чтобы в сети, на которую работает вентилятор, производительность и давление изменялись. Эффективным регулирующим органом является входной направляющий аппарат с поворотными лопатками.В тех случаях, когда по условиям компоновки вентилятора перед ним может иметь место неравномерный по сечению входа поток, входной направляющий аппарат будет уменьшать эту неравномерность и ее неблагоприятное влияние па работу вентилятора.Схема BHA + K + CA сочетает в себе особенности обеих схем - К + СА и BHA + K. К. п. д. вентиляторов, выполненных по этой схеме, практически такой же (незначительно меньше), как у вентиляторов схемы К + СА. Коэффициенты же давления могут быть высокими. В схемах ВНА + К + СА при исходном, расчетном положении лопаток ВНА поток обычно закручивается во ВНА против направления вращения колеса не больше, чем на половину скорости закручивания в колесе. Расчетная закрутка потока по ВНА схемы ВНА + К + СА по направлению вращения колеса у низкоскоростных вентиляторов при малых числах Маха обычно не применяется, так как максимальный к. п. д. по сравнению со схемой К + СА не повышается, а скорость закручивания потока за колесом значительно увеличивается, что усложняет выполнение эффективного спрямляющего аппарата.Эти аэродинамические схемы являются плодами работы многих ученных. Метод аэродинамического расчета осевых вентиляторов, который начал создаваться еще Н. Б. Жуковским и В. П. Ветчинкиным, получил развитие в ЦАГИ в работах К. А. Ушакова, В. И. Голиковского, К. К. Баулина, Е. Я. Юдина, И. В. Брусиловского и др.Методику экспериментального исследования аэродинамики вентиляторов разрабатывали К. А. Ушаков, М. Я. Гембаржевский, И. О. Керстен и др., а стенды и аппаратуру для таких исследований — А. Р. Бушель, А. Г. Бычков, Н. В. Сурнов и др.К. А. Ушаков один из первых предложил аэродинамический расчет осевых вентиляторов, базирующийся на вихревой теории гребного винта. Отличительной особенностью этого расчета является то, что его основным исходным параметром является заданное давление вентилятора. Кроме того, К. А. Ушаков предложил расчет спрямляющего аппарата, устанавливаемого за рабочим колесом. Это повышало КПД вентилятора, а также позволило рассчитывать многоступенчатые вентиляторы.Исследования по аэродинамики осевых вентиляторов базируются также на работах Э. Л. Блоха, С. А. Довжика, Г. Ю. Степанова.

При исследовании осевых вентиляторов и их расчете используются теоретические характеристики плоских решеток профилей, полученные А. С. Гиневским, известные обобщенные результаты испытаний таких решеток, лопаточных венцов в относительном движении и вентиляторов различных схем, а также концепция об оптимальных и придельных расчетных параметрах.Все проведенные научные разработки приведенных выше учёных привели к возникновению различного рода методик проектирования осевых вентиляторов. В основе большинства из них лежит широко применяемый в прикладных науках метод, в соответствии с которым реальный объект первоначально заменяется теоретической машиной - идеализированной моделью, отражающей только основные стороны оригинала. Под теоретической принято понимать машину, рассеяние энергии в которой отсутствует. Для такой машины можно провести строгое математическое описание процессов. В последующем вносят коррективы, учитывающие влияние факторов, отличающих реальную машину от модели. Для внесения поправки, которая позволит перейти от процессов в теоретической машине к процессам, реально происходящим в ней необходимо точное установление значений факторов влияющих на различие реальной машины и модели. Величину расхождения между теоретическим характеристиками (подача, напор, мощность) и реальными возможно получить при помощи проведения испытаний на натурных образцах вентилятора.

На современном этапе развития производства такой подход не совсем приемлем, так как затраты на изготовление образцов их испытание и доводку до оптимального довольно велики. Поэтому передовые предприятия берут на вооружение новые технологии. Одной из которых является компьютерное моделирование и расчет течения жикости в турбомашинах.

Решение задачи моделирования возможно осуществить при помощи таких программных продуктов как ANSYS, FLOW-3D, STAR-CD, CFX, FlowER, Fluent и FlowVision.Среди таких программных продуктов, позволяющих рассчитывать, визуализировать и оптимизировать широкий спектр технологических процессов, следует прежде всего выделить пакеты “FlowVision” и “Fluent” предназначенные для решения задач механики жидкости и газа. Применение этих пакетов освобождает пользователя от необходимости овладения тонкостями вычислительной математики, а также изнурительной работы по созданию численных алгоритмов и программ для их реализации, позволяя сосредоточить все внимание на поиске наиболее эффективных технических решений.

Процесс расчета течения жидкости включает в себя следующие шаги, выполняемые пользователем:

-Задание математической модели изучаемого процесса;

-Задание критериев адаптации сетки по решению и по граничным условиям;

-Проведение расчета без участия пользователя;

-Просмотр результатов расчета в графической форме (“визуализация” результатов расчетов);

-Определение и сохранение числовых значений характеристик параметров течения и /или силового воздействия на элементы, находящиеся в потоке, в виде файлов;

К особенностям использования пакета “FlowVision” относится:

-использование САПР для создания расчетной области с последующим импортом геометрии через форматы STL, VRML;

-использование прямоугольной, локально измельчаемой расчетной сетки; для преодоление барьера между САПР и системами моделиро-вания движения жидкости используется метод подсеточного разрешения;большой набор моделей горения.

Дополнительные возможности численного моделирования открывает газодинамический пакет “Fluent”:единый интерфейс для создания геометрии и сетки; ведение журнала создания геометрии и сетки позволяет редактировать и “проигрывать” построенную модель при параметрических исследованиях;уникальная гибкость сеток Fluent значительно сокращает время расчетов на сложных геометриях, по сравнению с другими программами для численного моделирования газодинамических процессов; можно использовать четырех-, шестигранные нерегулярные сетки для быстрого моделирования на сложной геометрии;большой набор моделей турбулентности;возможность моделирования движения многофазных дисперсных сред;Код Fluent хорошо зарекомендовал себя на многопроцессорных компьютерах различных платформ; параллельные вычисления позволяют решать сложные задачи заметно быстрее.Оба программных продукта основаны на численном решении уравнений Навье-Стокса, теплопереноса, конвективной диффузии, энергии с использованием методов сеток и конечных элементов.

- при проектировании осевых вентиляторов это возникновение так называемой «впадины» на расходной характеристики, что снижает область рабочего режима вентилятора, а также несколько высокий уровень шума;

- при моделировании это сложность задания расчетной сетки при которой точность расчёта перестаёт от неё зависеть.

- проведен анализ существующих конструктивных решений осевых вентиляторов;

- произведен ориентировочный аэродинамический расчет вентилятора;

- ведётся работа по созданию твёрдотельной компьютерной модели разрабатываемого общепромышленного осевого вентилятора.

- планируется проведение натурных испытаний разработанного вентилятора.

Как видно из многих работ ученых основной проблемой создания новых осевых вентиляторов с необходимыми параметрами является отсутствие единой методики их проектирования. Немаловажной также является проблема сходимости теоретических и экспериментальных данных, обусловленная недостаточными знаниями процессов протекающих в машине.Ускорить же процесс проектирования вентиляторов возможно при помощи современных систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа. Эти системы открывают новые практически безграничные возможности для совершенствования, поэтому представляется целесообразным использование всех возможностей и ресурсов Интернет для изучения и практического овладения современным программным обеспечением, которое безусловно потребуется будущим специалистам в их практической деятельности.

1.Ушаков К.А.
Промышленная аэродинамика. Сборник №12. Вентиляторы и воздухопроводы
1959. Твердый переплет. 252 с

2.Насосы, вентиляторы и компрессоры.
Шерстюк А. Н.
Учеб. пособие для втузов. М., «Высшая школа», 1972.
344 с. с илл.

3.Степанов А.И.
Центробежные и осевые компрессоры, воздуходувки и вентиляторы. Теория, конструкция и применение
1960. Твердый переплет. 348 с.