Автореферат Магістр ДонНТУ Гриценко М.І. Автореферат "Новiтнi методі проектування вiсьовіх вентиляторiв.Оптимизацiя ротору шахтного вентiлятора головного провiтрювання ВО-21/14"

Тенденції розвитку вуглевидобувної галузі нашого регіону спричиняють не тільки вдосконалення очисного й прохідницького устаткування, але й вимагають сучасного погляду на стаціонарні установки вуглевидобувних підприємств, тому що умови залягання корисної копалини змушують розробляти обрії на глибині більше тисячі метрів. Вентиляторні установки головного провітрювання на базі центробіжних вентиляторів морально застаріли й не здатні забезпечувати потребу сучасних шахт. Вимоги до вентиляторних установок головного провітрювання для шахт небезпечних по раптовому викиду газу й пилу регламентують вибір вентиляторів з 20% аварійним запасом продуктивності й тиску з незмінним КПД. Ці значення, як правило, лежать у самої верхньої границі області застосування. Це говорить про недосконалість аеродинамічних схем вентиляторів.
Існуючий ряд шахтних вентиляторів, що перебувають у виробництві, не цілком відповідає сучасним вимогам вугільної галузі, як по густоті (кількості) типорозмірів, так і по економічності. Насамперед це ставиться до центробіжних, реальний статичний КПД яким у найкращому разі не перевищить 77-78%, тоді як максимальне його значення, що досягає 85%, розташовується поза зоною вибору вентилятора.
Із цього погляду осьові вентилятори є більше прийнятним варіантом, оскільки верхня границя їхнього вибору проходить через крапку максимального статичного КПД (82%), а сама зона вибору має істотно більшу площу завдяки кращим регулювальним якостям осьових машин. Однак, через низький тиск (за винятком вентилятора високого тиску - ВОД30М2 і вентилятори середнього тиску - В021П) область застосування існуючих осьових вентиляторів обмежена. Проте,порівняння аеродинамічних характеристик центробіжних вентиляторів, що складаються у виробництві, з характеристиками сучасних осьових вентиляторів закордонного виробництва показує, що параметри однобічного відцентрового вентилятора ОЦ-31.5М2 і двостороннього ВЦД-31.5М2 повністю реалізуються застосуванням одноступінчастих вентиляторів із частотою обертання ротора 1500про/хв і діаметр 2-2.1 і 2.25-2.4м відповідно, а вентилятору ВЦД-47У по аеродинамічних параметрах відповідає осьовий одноступінчастий вентилятор із синхронною частотою обертання 1000про/хв і діаметр робочого колеса 2.9-3.0 метрів.
Слід зазначити, що раніше проводилися роботи з підвищення технічного рівня осьових вентиляторів шляхом переходу до одноступінчастого виконання з підвищенням окружної швидкості й застосуванням спеціальних высоконагруженных аеродинамічних схем. Так, НИИГМ ім. М.М. Федорова було розроблено "Технічне завдання" на ряд таких вентиляторів (серії ВОА) з 4-х типорозмірів (1.5, 2.1, 3.0 і 4.0м), а інститутом Донгипроуглемаш розроблена технічна документація на представницький зразок ряду - вентилятор ВОАЗОАК. Конструкцією вентилятора передбачалася наявність рейкового механізму, що забезпечує одночасний поворот робочих лопаток на кут до 140° для ефективного реверсування повітряного струменя. Однак, проект не був реалізований з ряду причин і, насамперед , через відносну складність конструкції механізму регулювання й сумнівної надійності.
Для рішення сформованої проблеми необхідно виконати комплекс науково - дослідницьких і дослідно-конструкторських робіт, основними завданнями якого є:
-    створення спеціальної высоконапорной аеродинамічної схеми;
-    побудова базової конструктивної схеми вентиляторів;
-    оптимізація конструкції роторної групи й лопаткової системи вентиляторів методами кінцево^-елементного прочностного й резонансного аналізу;
-   проектування раціональної технологічної схеми й конструктивного виконання компактних реверсивних установок для серії нових вентиляторів головного провітрювання.
Силами КБ "Аэровент" була створена високоефективна універсальна схема "AV40-60" Складність науково-технічного завдання, що вирішувалася цією розробкою, була зв'язана, головним чином, з необхідністю одержання аеродинамічних характеристик одноступінчастого вентилятора (з підвищеною окружною швидкістю), близьких до характеристик двоступінчастої машини, що зажадало прийняття сполучення безрозмірних розрахункових параметрів лопаткової системи за межами дослідженої для осьових щаблів області.Максимальна окружна швидкість обертання роторів відцентрових машин - близько 125 м/с, що пов'язане з їх прочностными характеристиками. Збільшення окружних швидкостей роторів осьових вентиляторів до 170 м/с можливо через їхню меншу масу, однак, потрібно провести роботу з оптимізації конструкції роторної групи й лопаткової системи вентиляторів методами кінцево-елементного прочностного й резонансного аналізу.

Отже, виникає необхідність у створенні машин, які б повністю відповідали поставленим завданням, а саме нові вентилятори повинні:

- задовольняти прогнозованому полю вентиляційних режимів;

- бути компактним, легким, міцним, транспортабельним, надійним у роботі й простим в обслуговуванні.

Тому дослідження й удосконалення вентиляторів по засобах комп'ютерного моделювання, є актуальним завданням.

Ціль даної роботи - розробка нового, удосконаленого осьового вентилятора загальпромислового призначення.

Для досягнення поставленої мети передбачається рішення наступних завдань:

- провести аналіз вітчизняних і закордонних аналогів;

- здійснити аеродинамічний розрахунок вентилятора;

- за результатами розрахунку побудувати твердотельную модель машини за допомогою програмного продукту SolіdWorks;

- зробити моделювання робочого процесу вентилятора в пакеті програм FlowVіsіon;

- на основі отриманих результатів розробити інженерний метод розрахунку осьових вентиляторів за допомогою ЕОМ.

Сьогоднішня промисловість у багатьох випадку дотепер використає старі підходи при проектуванні вентиляторів. У більшості випадків процес розробки нової або вдосконалення вже наявної машини виробляється вручну, а перевірка отриманих результатів здійснюється шляхом випробувань на натурних моделях, що значно збільшує собівартість виробу. Новий же підхід до проблеми, заснований на використанні комп'ютерних систем моделювання дозволяє частково, а в деяких випадках і повністю відмовитися від виготовлення натурних моделей.

- розроблений новий, удосконалений осьовий вентилятор загальпромислового призначення;

- застосований метод автоматизованого проектування осьового вентилятора, що дозволив знизити витрати часу на проектування;

- результати роботи можуть бути використані надалі при проектуванні вентиляторів, а також у навчальному процесі.

У цей час, осьові вентилятори одержали широке поширення, вони застосовуються в системах повітряного опалення, приточной і витяжної вентиляції різних технологічних установок, промислових підприємств, будинків і споруджень, також для комплектації виробі машинобудування. Це обумовлено тим, що осьові вентилятори володіють рядом достоїнств перед іншими вентиляторами. Одним з таких, є їхня нескладна конструкція.Осьові вентилятори являють собою розташовані в циліндричному кожусі колесо з лопат, закріплених на втулці під кутом до площини обертання. Серповидная форма лопаток, якими постачені осьові вентилятори, дозволяє значно знизити рівень шуму при роботі. Коли осьове колесо починає обертатися, то повітря захоплюється лопатами й переміщаються по напрямку обертання. При цьому існує одна особливість роботи, який володіють осьові вентилятори. Вона полягає в тім, що повітря поширюється лише в осьовому напрямку й практично не переміщаються в радіальному. Таким чином, осьові вентилятори утворять потужний спрямований струмінь повітря.

У розпорядженні нинішніх виробників перебувають вентилятори виконані по аеродинамічних схемах, які можуть складатися з одного колеса (мал. 1.1а), колеса й спрямляющего апарата (мал.1.1б), вхідного напрямного апарата й колеса (мал.1.1в), вхідного напрямного апарата, колеса й спрямляющего апарата (мал.1.1г). Електродвигун може бути розташований як перед колесом (мал.1.1а), так і за колесом (мал.1.1б), причому аеродинамічні характеристики вентиляторів, що мають однакові колеса, будуть при цьому приблизно однаковими.

а) До-колесо; б) ДО+СА -колесо й спрямляющий апарат; в) ВНА+ДО -вхідний напрямний апарат і колесо, г) ВНА+ДО+СА -вхідний напрямний апарат, колесо й спрямляющий апарат; 1-вхідний колектор, 2-лопатки колеса, 3-втулка колеса, 4-електродвигун, 5-корпус, 6,8-спрямляющий апарат, 7-вхідний напрямний апарат.

За схемою До звичайно виконуються вентилятори з дуже малими значеннями коефіцієнта тиску (y < 0,15), у яких відносна величина швидкості закручування З2u і пов'язана з нею величина динамічного тиску незначні. Для спрощення конструкції, зменшення осьових розмірів і зниження металоємності вентилятори часто виконують саме за схемою К. Вентилятори, виконані по многим із представлених тут схем зі спрямляющим апаратом, на виході з апарата мають потік не осьового напрямку, тобто потік виходить під деяким кутом, приблизно рівним 80°, з невеликою залишковою швидкістю закручування (круткой). При цьому, число лопаток і осьовий розмір апарата будуть менше, ніж в апарата, розрахованого на осьовий вихід потоку, а к. п. буд. навіть трохи більше. Отже, схему ДО+ СА доцільно застосовувати при y > 0,15 і мабуть, необхідно при y > 0,25. У спрямляющем апарату динамічний тиск, зв'язаний зі швидкістю закручування потоку за робочим колесом, перетвориться в статичний тиск із деякими втратами, обумовленими плином у його диффузорном лопатковому вінці. При цьому збільшуються як повний тиск і к. п. буд., так і статичний тиск і к. п. буд. вентилятора без зміни його мощностной характеристики. Схема ВНА-К може використатися до тих же випадках, що й схема ДО + СА. У вхідному напрямному апарату потік закручується проти напрямку обертання колеса на величину, або рівну швидкості закручування в колесі, або трохи меншу. У першому випадку потік виходить із колеса в осьовому напрямку (і абсолютному русі), у другому - з деякої залишкової круткой.

У схемі BН + До відносні швидкості плину в порівнянні зі схемою ДО + СА зростають і можуть збільшитися навіть у півтора разу. Це головним чином і є причиною того, що максимальний к. і. буд. вентилятора схеми BН - До менше, ніж у вентилятора схеми K + CA, незважаючи на те, що втрати тиску в конфузорных межлопаточных каналах ВНА можуть бути менше, ніж у диффузорных каналах СА. К. п. буд. цих схем залежно від сполучення коефіцієнтів тиску й продуктивності можуть відрізнятися на 3-10%. Однак вентилятори схеми BHA + K більше кращі, коли необхідно, щоб у мережі, на яку працює вентилятор, продуктивність і тиск змінювалися. Ефективним регулювальним органом є вхідний напрямний апарат з поворотними лопатками. У тих випадках, коли за умовами компонування вентилятора перед ним може мати місце нерівномірний по перетині входу потік, вхідний напрямний апарат буде зменшувати цю нерівномірність і її несприятливий вплив па роботу вентилятора.

Схема BHA + K + CA сполучає в собі особливості обох схем - ДО + СА й BHA + K. К. п. буд. вентиляторів, виконаних за цією схемою, практично такої ж (незначно менше), як у вентиляторів схеми ДО + СА. Коефіцієнти ж тиску можуть бути високими. У схемах ВНА + ДО + СА при вихідному, розрахунковому положенні лопаток ВНА потік звичайно закручується у ВНА проти напрямку обертання колеса не більше, ніж на половину швидкості закручування в колесі. Розрахункове закручення потоку по ВНА схеми ВНА + ДО + СА по напрямку обертання колеса в низкоскоростных вентиляторів при малих числах Маху звичайно не застосовуються, тому що максимальний к. п. буд. у порівнянні зі схемою ДО + СА не підвищується, а швидкість закручування потоку за колесом значно збільшується, що ускладнює виконання ефективного спрямляющего апарата.

Ці аеродинамічні схеми є плодами роботи багатьох учених. Метод аеродинамічного розрахунку осьових вентиляторів, що почав створюватися ще Н. Б. Жуковським і В. П. Ветчинкиным, одержав розвиток у ЦАГИ в роботах К. А. Ушакова, В. И. Голиковского, К. К. Баулина, Е. Я. Юдина, И. В. Брусиловского й ін. Методику експериментального дослідження аеродинаміки вентиляторів розробляли К. А. Ушаков, М. Я. Гембаржевский, И. О. Керстен і ін., а стенди й апаратури для таких досліджень - А. Р. Бушель, А. Г. Бичків, Н. В. Сурнов і ін. К. А. Ушаков один з перших запропонував аеродинамічний розрахунок осьових вентиляторів, що базується на вихровій теорії гребного гвинта. Відмінною рисою цього розрахунку є те, що його основним вихідним параметром є заданий тиск вентилятора. Крім того, К. А. Ушаков запропонував розрахунок спрямляющего апарата, установлюваного за робочим колесом. Це підвищувало КПД вентилятора, а також дозволило розраховувати багатоступінчасті вентилятори. Дослідження з аеродинаміки осьових вентиляторів базуються також на роботах Э. Л. Блоха, С. А. Довжика, Г. Ю. Степанова.

При дослідженні осьових вентиляторів і їхньому розрахунку використаються теоретичні характеристики плоских ґрат профілів, отримані А. С. Гиневским, відомі узагальнені результати випробувань таких ґрат, лопаткових вінців у відносному русі й вентиляторів різних схем, а також концепція про оптимальні й придельных розрахункові параметри. Всі проведені наукові розробки наведених вище вчених привели до виникнення різного роду методик проектування осьових вентиляторів. В основі більшості з них лежить широко застосовуваний у прикладних науках метод, відповідно до якого реальний об'єкт спочатку заміняється теоретичною машиною - ідеалізованою моделлю, що відбиває тільки основні сторони оригіналу. Під теоретичною прийнято розуміти машину, розсіювання енергії в якій відсутній. Для такої машини можна провести строгий математичний опис процесів. Надалі вносять корективи, що враховують вплив факторів, що відрізняють реальну машину від моделі. Для внесення виправлення, що дозволить перейти від процесів у теоретичній машині до процесів, що реально відбувають у ній необхідно точне встановлення значень факторів моделі, що впливає на розходження реальної машини й. Величину розбіжності між теоретичним характеристиками (подача, напір, потужність) і реальними можливо одержати за допомогою проведення випробувань на натурних зразках вентилятора.

На сучасному етапі розвитку виробництва такий підхід не зовсім прийнятний, тому що витрати на виготовлення зразків їхнє випробування й доведення до оптимального досить великі. Тому передові підприємства беруть на озброєння нові технології. Однієї з яких є комп'ютерне моделювання й розрахунок плину жикости в турбомашинах.

Рішення завдання моделювання можливо здійснити за допомогою таких програмних продуктів як ANSYS, FLOW-3D, STAR-CD, CFX, FlowER, Fluent і FlowVіsіon. Серед таких програмних продуктів, що дозволяють розраховувати, визуализировать і оптимизировать широкий спектр технологічних процесів, треба насамперед виділити пакети "FlowVіsіon" і "Fluent" призначені для рішення завдань механіки рідини й газу. Застосування цих пакетів звільняє користувача від необхідності оволодіння тонкостями обчислювальної математики, а також виснажливої роботи зі створення чисельних алгоритмів і програм для їхньої реалізації, дозволяючи зосередити всю увагу на пошуку найбільш ефективних технічних рішень.

Процес розрахунку плину рідини містить у собі наступні кроки, виконувані користувачем:

-Завдання математичної моделі досліджуваного процесу;

-Завдання критеріїв адаптації сітки за рішенням і по граничних умовах;

-Проведення розрахунку без участі користувача;

-Перегляд результатів розрахунку в графічній формі ("візуалізація" результатів розрахунків);

-Визначення й збереження числових значень характеристик параметрів плину й /або силового впливу на елементи, що перебувають у потоці, у вигляді файлів;

До особливостей використання пакета "FlowVіsіon" ставиться:

-використання САПР для створення розрахункової області з наступним імпортом геометрії через формати STL, VRML;

-використання прямокутної, локально розрахункової сітки, що подрібнює; для подолання бар'єра між САПР і системами моделиро-вания руху рідини використається метод подсеточного дозволу;великий набір моделей горіння.

Додаткові можливості чисельного моделювання відкриває газодинамический пакет "Fluent":єдиний інтерфейс для створення геометрії й сітки; ведення журналу створення геометрії й сітки дозволяє редагувати й "програвати" побудовану модель при параметричних дослідженнях;

унікальна гнучкість сіток Fluent значно скорочує час розрахунків на складних геометриях, у порівнянні з іншими програмами для чисельного моделювання газодинамических процесів; можна використати чотирьох-, шестигранні нерегулярні сітки для швидкого моделювання на складній геометрії;великий набір моделей турбулентності;можливість моделювання руху багатофазних дисперсних середовищ;Код Fluent добре зарекомендував себе на многопроцессорных комп'ютерах різних платформ; паралельні обчислення дозволяють вирішувати складні завдання помітно швидше. Обоє програмних продукту засновані на чисельному рішенні рівнянь Навье-Стокса, теплопереноса, конвективной дифузії, енергії з використанням методів сіток і кінцевих елементів.

- при проектуванні осьових вентиляторів це виникнення так називаної "западини" на видаткової характеристики, що знижує область робочого режиму вентилятора, а також трохи високий рівень шуму;

- при моделюванні це складність завдання розрахункової сітки при якій точність розрахунку перестає від її залежати.

- проведений аналіз існуючих конструктивних рішень осьових вентиляторів;

- зроблений орієнтовний аеродинамічний розрахунок вентилятора;

- ведеться робота зі створення твердотельной комп'ютерної моделі розроблювального загальпромислового осьового вентилятора.

- планується проведення натурних випробувань розробленого вентилятора.

Як видно з багатьох робіт учених основною проблемою створення нових осьових вентиляторів з необхідними параметрами є відсутність єдиної методики їхнього проектування. Немаловажної також є проблема збіжності теоретичних і експериментальних даних, обумовлена недостатніми знаннями процесів протекающих у машині. Прискорити ж процес проектування вентиляторів можливо за допомогою сучасних систем автоматизованого проектування й інженерного аналізу. Ці системи відкривають нові практично безмежні можливості для вдосконалювання, тому представляється доцільним використання всіх можливостей і ресурсів Інтернет для вивчення й практичного оволодіння сучасним програмним забезпеченням, що безумовно буде потрібно майбутнім фахівцям у їхній практичній діяльності.

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.