Генезис совершенствования вентиляторов местного проветривания

удк 622 44 В.Н. Макаров, И.Ю. Патракеева, Н.В. Макаров

ГЕНЕЗИС

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВЕНТИЛЯТОРОВ МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ

Проведен глубокий анализ этапов развития вентиляторов местного проветривания. Установлены причины низкой фактической эксплуатационной эффективности вентиляции тупиковых выработок. Предложен перспективный способ повышения аэродинамической нагруженности и адаптивности вентиляторов местного проветривания с использованием в рабочих колес с адаптивными вихреи-сточниками. Разработан параметрический ряд радиально-вихре-вых прямоточных вентиляторов типа ВРВП, область экономичной работы которых соответствует полям вентиляционных режимов тупиковых выработок длинной от 1500 до 3000 м. Ключевые слова: вентилятор, циркуляция, вихревая камера, аэродинамическая схема, вихреисточник, круговая решетка профилей.

За последние годы в шахтном вентиляторостроении сформировались существенные проблемы, обусловленные недостаточной эффективностью проветривания очистных забоев угольных шахт.

Технические параметры вентиляторами местного проветривания (ВМП) не в полной мере соответствуют современным требованиям, предъявляемым к вентиляции тупиковых выработок. Увеличение нагрузки на очистной забой, ускоренный прирост длины тупиковых выработок требуют применения вентиляторов, обладающих большей аэродинамической нагружен-ностью и адаптивностью.

В развитии шахтных ВМП прослеживается четыре основных периода (см. рис. 1).

Первый этап — в период до начала 1950-х годов характеризовался повсеместным распространением вентиляторов радиальных типа ЦВ и осевых типа ВМ. Эти вентиляторы отличались высоким удельным энергопотреблением и большой удельной массой [1, 6].

Второй период развития ВМП характеризуется применением вентиляторов типа: ВЦ, СВМ, отличающихся повышенным к.п.д.

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 4. С. 47-53. © 2016. В.Н. Макаров, И.Ю. Патракеева, Н.В. Макаров.

Для третьего этапа совершенствования ВМП характерны вентиляторы типа ВМЦГ и ВМЭ с улучшенной экономической эффективностью [7].

В настоящее время наибольшее распространение получили модернизированные ВМП типа ВМЭ ВО и ВМЭ ВВ, отличающиеся повышенным к.п.д. и аэродинамической нагруженно-стью.

В настоящее время наиболее перспективно совершенствование радиальных ВМП с применением методов вихревого управления течением потока в рабочем колесе [4, 6].

Конструктивные особенности радиальных ВМП позволяют реализовывать в них вихревые методы управления течением в межлопаточных каналах рабочих колес с использованием высокоэнергетических адаптивных вихреисточников.

Оригинальность и новизна запатентованных технических решений лопаток рабочего колеса ВМП блочно-модульной конструкции с реализацией в ней энергетических способов управления обтеканием, использующих в качестве источника адаптивных аэрогазодинамических вихрей часть основного потока, приведена на рис. 2 [2, 5].

Взаимодействие вихря и основного потока обеспечивает существенное увеличение угла его поворота, то есть смещение в направление вращения рабочего колеса, точки полного торможения потока, способствуя тем самым росту аэродинамической нагруженности и экономичности радиального вентилятора.

Каждый профиль, имеющий среднюю линию 9 круговой решетки профилей, представляющей собой радиальное сечение рабочего колеса с адаптивными вихреисточниками снабжен встроенным в него цилиндрической вихревой камерой 1

Л! о.б о? о.? о.»

Рис. 1. Основные этапы совершенствования шахтных вентиляторов местного проветривания

Рис. 2. Профиль круговой решетки профилей с адаптивными вихреисточ-никами

диаметром d, тангенциальным входным каналом 2 со стороны его рабочей поверхности 3 и тангенциальными выходными каналами 4 с выходом на рабочую 3 и тыльную 8 поверхности.

Аэродинамическая нагруженность классической круговой решетки профилей определяется положением передней 5 (ПКТ) и задней 6 (ЗКТ) критических точек. Для круговой решетки профилей с адаптивными вихреисточниками аэродинамическая нагруженность определяется положением эффективной критической точки 7(ЭКТ), смещающейся по отношению к ЗКТ под действием вихреисточника 1.

Характерной особенностью адаптивного вихреисточника 1 является наличие обратной аэрогазодинамической связи его энергетических характеристик с аэродинамическими параметрами вентиляционной сети, на которую работает вентилятор.

Энергия циркуляции адаптивного вихреисточника формируется в вихревой камере 1 за счет тангенциального входа потока 2, а ее взаимодействие с лопаткой, обеспечивающее смещение ЭКТ по отношению к ЗКТ 6, то есть рост циркуляции вокруг нее, осуществляется через тангенциальные выходы потока 4. При этом выходной канал 4 на рабочей поверхности 3 лопатки расположен вниз по потоку, то есть ближе к ЗКТ 6 профиля лопатки по отношению к входу 2 в вихревую камеру 1. Это обеспечивает формирование замкнутого вихря с наружи вихревой камеры и, как результат, эффективное смещение ЭКТ по отношению к ЗКТ.

Коэффициент теоретического давления, развиваемого вентилятором с круговой решеткой классических профилей может быть представлен в виде [3]:

V™ = Си2 = 1 - Сг2  ад$2л,

где Cu2 — коэффициент окружной скорости потока на выходе из рабочего колеса; С2 — коэффициента радиальной скорости потока (коэффициента расхода); Р2л — угол выхода лопатки рабочего колеса (профиля круговой решетки профилей).

Коэффициент теоретического давления, развиваемого круговой решеткой профилей с адаптивными вихреисточниками с учетом (1) и рис. 3 будет иметь вид:

< = Саи2 = 1 - СГ2 • о1дв2 = 1 - СГ2 • оЬдвл + ЛРа,

где С2 — коэффициент окружной скорости потока на выходе из рабочего колеса с учетом действия адаптивного вихреисточ-ника; Р2 — угол выхода потока из рабочего колеса с учетом действия адаптивного вихреисточника; АРа — угол поворота ЭКТ по отношению к ЗКТ в следствии действия адаптивного вих-реисточника

Из анализа формул (1), (2) видно, что поскольку ЛРа > 0, то > Ут на всех режимах работы вентилятора.

Гидродинамический аналог АРа, представляющий собой конформное отображение угла поворота ЭКТ по отношению к ЗКТ на Римановой плоскости круга единичного радиуса, моделирующего профили круговой решетки с адаптивными вих-реисточниками с учетом [1] может быть представлено в виде

Эа = аггат-^,

где q — коэффициент стока, формирующего вихреисточник через входной канал 2 на Римановой поверхности; рв — коэффициент циркуляции вихреисточника на римановой поверхности.

Таким образом АРа — угол поворота ЭКТ по отношению к ЗКТ является функцией коэффициента циркуляции адаптивного вихреисточника рв, интенсивность которого возрастает с ростом сопротивления вентиляционной сети, что подтверждает схема изменения кинематических параметров, приведенная на рис. 3.

V, к/ с, и, й а

/ \ ¡и АС, X •Ч

V Х/Н

^сре&яя/шя С, ¿¡О С

профит

Рис. 3. Кинематические параметры потока на выходе из круговой решетки профилей:_классическая решетка;____круговая решетка с адаптивными вихреисточниками

Рис. 4. Аэродинамическая характеристика вентилятора местного проветривания ВРВП-8 с энергетическим направляющим аппаратом

Следовательно, адаптивные вихреисточники способствуют не только увеличению циркуляции, то есть аэродинамической нагруженности вентилятора, но и его адаптивности, то есть изменению давления в соответствии с изменениями характеристик внешней сети для сохранения коэффициента подачи Сг2, в то время как для классической круговой решетки характерно увеличение давления, развиваемого вентилятором в связи с ростом сопротивления сети за счет дросселирования, то есть уменьшения расходной скорости Сг2.

Совместно с испытательным центром «СМК» были проведены испытания моделей радиально-вихревых прямоточных вентиляторов, выполненных по разработанным аэродинамическим схемам: ВР-120-20, ВР-150-22, а также вентилятора ВРВП-8 (см. рис. 4).

Аэродинамические характеристики ВМПIV-го и ВРВП-8

Показа- Тип вентилятора Рост пока-

тели ВМЭ-8 ВМЭВО-8 ВМЭВВ-8 ВМЦ-8М ВРВП-8 зателя, %

Q, м3/с 10 11 10 8 10 -

Н, даПа 315 420 700 550 860 126/156

N кВт 45 90 75*2 75 110 140

п 0,69 0,72 0,85 0,8 0,86 101

L , м в' 1000 1500 2000 2500 3500 140/175

В таблице приведены аэродинамические характеристики вентиляторов местного проветривания

Таким образом, приведенные результаты подтверждают эффективность применения адаптивных вихреисточников для управления течением в радиальных рабочих колесах ВМП в целях повышения их аэродинамической нагруженности, адаптивности и экономичности. Этот метод позволяет существенно снизить удельную быстроходность ВМП при сохранении их экономической эффективности, обеспечить эффективное проветривание тупиковых выработок газообильных угольных шахт большой протяженности. Наиболее целесообразно применение вентиляторов типа ВРВП при длине тупиковых выработок L = 1500-3000 м.

в

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афанасьев А. И., Потапов В. Я., Костюк П. А., Макаров В. А. Краткий обзор пневматических устройств для транспортирования сыпучих смесей и процессов внутри них // Известия УГГУ. — 2015. —№ 3(39). — С. 28—39.

2. Горбунов С. А., Макаров В. Н., Макаров Н. В., Корнилова Т. А. Аэродинамический расчет вентиляторов местного проветривания с вихревыми камерами // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2013. — № 8. — С. 162—167.

3. Иванов О. П., Манченко В. О. Аэродинамика и вентиляторы. — Л.: Машиностроение, 1986. — 280 с.

4. Косарев Н. П., Макаров В. Н. Генезис эффективности проветривания // Известия вузов. Горный журнал. — 2012. — № 1. — С. 22—26.

5. Косарев Н.П., Макаров Н.В. Макаров В.Н. Патент 2430274 (Россия). Кл. F 04 D 29/28. Радиально-вихревая турбомашина, опубл. 27.09.2011 г.

6. Потапов В. Я., Тимухин С. А., Потапов В. В., Конев Я. И. Использование аэродинамического эффекта в фрикционных сепараторах для разделении минеральных комплексов, обладающих парусностью // Известия УГГУ. — 2011. — № 25—26. — С. 84—90.

7. Тимухин С. А., Копачев В. Ф. Осе-радиальные вентиляторы: научная монография. — Екатеринбург: изд-во УГГУ, 2011. — 252 с. ti^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Макаров Владимир Николаевич1 — доктор технических наук, профессор, начальник управления инноватики и развития, e-mail: mnikolay84@mail.ru, Патракеева Ирина Юрьевна1 — аспирант, e-mail: Patrakeeva2208@yandex.ru,

Макаров Николай Владимирович1 — кандидат технических наук, зав. кафедрой, e-mail: mnikolay84@mail.ru, 1 Уральский государственный горный университет.

UDC 622.44

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 4, pp. 47-53. V.N. Makarov, I.Yu. Patrakeeva, N.V. Makarov GENESIS OF PERFECTION LOCAL VENTILATION FANS

Made the deep analysis of the local ventilation fan development stages. The causes of the low actual operational efficiency the blind workings ventilation. We propose a promising way to improve the aerodynamic loading of adaptability and fans of local ventilation using impellers with adaptive vortex sources. Designed parametric range of radial vortex of direct-flow fan type FCVF, the region economical operation that correspond to the modes of ventilation of blind workings length from 1500 to 3000 m.

Key words: fan, circulation vortex chamber, aerodynamic configuration, the vortex source, the circular grille profiles.

AUTHORS

Makarov V.N.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,

Head of Innovation and Development Department,

e-mail: uk.intelnedra@gmail.com,

Patrakeeva I.Yu.1, Graduate Student,

e-mail: Patrakeeva2208@yandex.ru,

Makarov N.V.1, Candidate of Technical Sciences,

Head of Chair, e-mail: mnikolay84@mail.ru,

1 Ural State Mining University,

620144, Ekaterinburg, Russia.

REFERENCES

1. Afanas'ev A. I., Potapov V. Ya., Kostyuk P. A., Makarov V. A. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogogornogo universiteta. 2015, no 3(39), pp. 28—39.

2. Gorbunov S. A., Makarov V. N., Makarov N. V., Kornilova T. A. Gornyy informatsi-onno-analiticheskiy byulleten'. 2013, no 8, pp. 162—167.

3. Ivanov O. P., Manchenko V. O. Aerodinamika i ventilyatory (Aerodynamics and fans), Leningrad, Mashinostroenie, 1986, 280 p.

4. Kosarev N. P., Makarov V. N. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. 2012, no 1, pp. 22—26.

5. Kosarev N. P., Makarov N. V. Makarov V. N. Patent RU2430274. km. F 04 D 29/28, 27.09.2011.

6. Potapov V. Ya., Timukhin S. A., Potapov V. V., Konev Ya. I. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta. 2011, no 25—26, pp. 84—90.

7. Timukhin S. A., Kopachev V. F. Ose-radial'nye ventilyatory: monografiya (Axialradial fans: monograph), Ekaterinburg, izd-vo UGGU, 2011, 252 p.