Динамика и прочность рабочих колес со сдвоенными листовыми лопатками осевых вентиляторов главного проветривания

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Развитие горнодобывающей отрасли России предполагает дальнейшее совершенствование применяемых в технологических процессах систем и оборудования. Определяющую роль в обеспечении безопасности подземных работ играет состояние шахтных вентиляционных систем, основным звеном которых являются главные вентиляторные установки (ГВУ).

Подавляющее число ГВУ российских шахт оснащено устаревшими осевыми вентиляторами серий ВОКД и ВОД. Эти установки часто эксплуатируются с низким уровнем экономичности, их общий КПД с учетом потерь энергии в каналах, электроприводе и вентиляторе находится в пределах 0,27−0,35, т. е. около 70% потребляемой на вентиляцию электроэнергии теряется. Кроме того, по-прежнему актуально повышение надежности установок.

Необходимость повышения надежности и эффективности ГВУ требует проведения работ по созданию новых конструкций и модернизации существующего парка главных вентиляторов. Наиболее перспективным путем повышения эксплуатационных характеристик вентиляторных установок главного проветривания является применение реверсивных регулируемых вентиляторов с поворотными на ходу сдвоенными листовыми лопатками рабочих колес.

Существенный вклад в развитие систем вентиляции в России и СНГ внесли Г. А. Бабак, И. В. Брусиловский, С. И. Демочко, Н. И. Загребельный, И. В. Клепаков, В. И. Ковалевская, A.M. Красюк, Е. М. Левин, Н. Н. Петров, Н. А. Попов, В. А. Руденко, С. А. Тумаркин, К. А. Ушаков и другие.

Одной из первостепенных задач обеспечения надежности вентиляторов, является исследование динамики и прочности элементов их конструкций, в частности рабочих колес, основными элементами которых являются корпус и 6 лопатки. Поскольку вентиляторы являются типичными представителями класса лопаточных машин, развитие науки о прочности этих конструкции не возможно отделить от исследований связанных с другими видами этой техники: паровыми и газовыми турбинами, гидротурбинами, компрессорной техникой, воздушными и водяными движителями.

Исследованиями динамики и прочности турбомашин занимались многие ученые, инженеры и конструкторы: И. А. Биргер, И. В. Демьянушко, Г. С. Жирицкий, Р. С. Киносашвили, А. В. Левин, Н. Н. Малинин, Э. А. Манушин, И. И. Мейерович, Г. С. Скубачевский, А. П. Филиппов, Д. В. Хронин, А. З. Шеметов, Б. Ф. Шорр, М. И. Яновский и другие. Результаты их исследований являются основой современной науки о прочности и надежности лопаточных машин.

К настоящему моменту накоплен значительный опыт по анализу динамики и прочности элементов турбомашин, в то же время недостаточно исследований, учитывающих особенности конструкций шахтных вентиляторов. В большей степени это относится к вентиляторам, проектируемым на основе новых конструкторских решений и рассчитанным на более тяжелые условия нагружения.

К числу таких решений относится применение рабочих колес со сдвоенными листовыми лопатками. Исследованию напряженно-деформированного состояния и колебаний их основных элементов — корпусов и лопаток посвящена данная работа.

Цель работы — повышение надежности и технического совершенства корпусов и сдвоенных листовых лопаток рабочих колес осевых вентиляторов главного проветривания.

Идея работы состоит в проведении численных экспериментов с применением метода конечных элементов и компьютерного моделирования для определения прочностных и динамических характеристик рабочих колес со сдвоенными листовыми лопатками.

Задачи исследований:

1. Анализ напряженно-деформированного состояния корпусов и сдвоенных листовых лопаток рабочих колес.

2. Обоснование расчетных моделей для исследования колебаний сдвоенных листовых лопаток рабочих колес.

3. Исследование колебаний лопаток с оценкой влияния их отдельных геометрических и инерционно-массовых параметров на собственные частоты.

4. Разработка рекомендаций по проектированию корпусов и сдвоенных листовых лопаток рабочих колес.

Методы исследований включают анализ источников научно-технической информации, постановку и проведение теоретических исследований и численных экспериментов методами конечных элементов и компьютерного моделирования с применением пакета прикладных программ

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. В корпусах рабочих колес с втулочным отношением 0,5 и менее максимальные напряжения возникают в районе отверстий для крепления лопаток в силовом поясе. При втулочном отношении 0,6 напряжения вокруг отверстий под поворотные основания лопаток на обечайке сопоставимы с напряжениями в силовом поясе и могут превосходить их.

2. Снижение напряжений в лопастях сдвоенной листовой лопатки обеспечивается установкой перемычки, оптимальное положение которой находится на расстоянии 0,2−0,3 длины лопастей от их основания.

3. При исследовании колебаний сдвоенных листовых лопаток в расчетной модели необходимо учитывать массово-жесткостные характеристики поворотного основания и хвостовика, а также податливость механизма поворота лопаток.

4. Центробежные силы оказывают максимальное влияние на изгибную жесткость лопатки в режиме реверса вентилятора. При этом для окружных скоростей вентилятора до 55 м/с увеличение собственных частот за счет центробежных сил может не учитываться.

Достоверность научных результатов обеспечивается достаточным объемом проведенных исследований и практикой применения стандартных пакетов программ для решения задач статической прочности и динамики конструкций, а также проведением сравнительной оценки результатов, полученных альтернативными способами.

Новизна научных положений заключается в следующем:

— установлено расположение зон максимальных напряжений в корпусах рабочих колес и определен их относительный уровень в зависимости от втулочного отношения;

— получены зависимости напряжений в рабочей части лопатки от расположения перемычки и определено ее оптимальное положение;

— обоснован выбор расчетных моделей для исследования колебаний сдвоенных листовых лопаток;

— установлена зависимость собственных частот сдвоенной листовой лопатки &bdquo-от окружных скоростей вентилятора при различных углах ее поворота относительно расчетного угла.

Личный вклад автора состоит в обобщении известных методов исследования динамики и прочности лопаток и корпусов рабочих колес турбомашин, постановке задач исследований, разработке расчетных моделей и проведении исследований, обработке и анализе результатов, разработке рекомендаций по проектированию сдвоенных листовых лопаток и корпусов рабочих колес осевых вентиляторов главного проветривания.

Практическая ценность. Проведенные исследования и разработанные на основе их результатов рекомендации определяют пути возможных конструкторских решений при разработке рабочих колес для новых шахтных осевых вентиляторов главного проветривания и модернизации вентиляторов, 9 находящихся в эксплуатации. Полученные результаты также могут быть использованы при разработке тоннельных вентиляторов метрополитенов.

Реализация работы в промышленности. Результаты научных исследований использованы в Институте «АЭРОТУРБОМАШ» при разработке шахтного вентилятора ВО-24К, внедренного в проектах вентиляционных систем шахт «Костромовская» и «Романовская-1» в Кемеровской области, тоннельного вентилятора ВО-21К (т), применение которого предусмотрено на станции «Березовая роща» Новосибирского метрополитена, а так же при подготовке проекта модернизации ротора шахтного вентилятора ВОД-40.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной конференции «Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2001) — Международной конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2002) — II-й Международной конференции «Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2003).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения, изложенных на 125 страницах машинописного текста, включая 4 таблицы, а также содержит 58 рисунков и список литературы из 74 наименований.

4.5. Выводы по разделу

1. Выбор конечно-элементной модели лопатки оказывает существенное влияние на расчетные значения ее собственных частот. Хорошие результаты дает модель лопатки, учитывающая массово-жесткостные характеристики опорного основания и хвостовика и учитывающая податливость элементов механизма поворота лопаток. Учет податливости корпуса рабочего колеса не оказывает существенного влияния на расчетные значения собственных частот, которые снижаются не более чем на 4−6%. При использовании модели с жестко заделанными по корневым хордам лопастями (опорное основание и хвостовик в модель не включаются) собственные частоты могут получаться завышенными более чем на 100% по сравнению с результатами для более точных моделей.

2. На примере вентилятора ВО-21К (в) показано, что при рабочей частоте вращения 500 об/мин и диаметре рабочего колеса 2100 мм (окружная скорость 54,98 м/с) максимальное увеличение собственных частот составляет около 3% (для первого тона колебаний) в режиме полного реверса. При исследовании вынужденных колебаний это позволяет рассматривать статические частоты собственных колебаний лопатки. При увеличении рабочей частоты ротора до 1000 об/мин, соответствующей окружной скорости рабочего колеса 109,96 м/с, динамическая собственная частота превышает статическую на 11,7%, что необходимо учитывать при разработке нового ряда вентиляторов с более высокими окружными скоростями рабочих колес.

3. На примере вентилятора ВО-21К© показано, что увеличение толщины лопастей и перемычки на 50% (с 6 до 9 мм) увеличивает собственные частоты: первую на 18,1%, вторую на 12,7%, третью на 31,1%. При отдельном изменении толщины перемычки в указанном диапазоне собственные частоты увеличиваются незначительно: первая на 6,8%, вторая на 3,0%, третья на 2,8%. При изменении толщины перемычки на 100% (до 12 мм) значения частот увеличиваются соответственно на 10,4%, 5,7% и 4,2%.

4. Максимум первой собственной частоты лопатки с одной перемычкой обеспечивается при расположении последней на расстоянии 0,45 длины лопастей от поворотного основания, а второй частоты — при 0,73. При установке двух перемычек возможно существенное, для первой формы на

22.4%, второй — на 32,2%, повышение собственных частот по сравнению с лопаткой с одной перемычкой. Оптимальное сочетание изгибной и крутильной жесткости лопатки с двумя перемычками достигается при установке: первой на расстоянии 0,18−0,20 от длины лопастей, второй — 0,71−0,76. Выбором месторасположения перемычки (перемычек) обеспечивается эффективное регулирование собственных частот лопатки по изгибной и крутильной формам.

5. Изменение радиуса поворотного основания лопатки в пределах 0,8−1,0 радиуса максимального выступа лопастей в месте их сопряжения практически не приводит к изменению собственных частот лопатки — не более 0,1%, в диапазоне 0,7−0,8 — не более 2,2%.

6. Вынужденные колебания лопаток вентилятора ВО-21К (в) с рабочей частотой вращения ротора 500 об/мин характеризуются наличием резонансов на этапе раскрутки от вынужденных колебаний 12-го и 15-го порядка, соответствующих возмущениям, вызванным неравномерностью потока у 12 ребер направляющего аппарата и 15 лопаток спрямляющего. На рабочей частоте ротора отмечена недостаточная отстройка лопаток рабочего колеса

15.5% по третьему тону колебаний от частоты возмущающей силы 15-й кратности. Для устранения этого недостатка рекомендовано уменьшить количество лопаток спрямляющего аппарата до 13 и (или) обеспечить увеличение частоты третьего тона собственных колебаний лопатки рабочего колеса конструктивными мерами, в частности, выбором оптимального местоположения перемычки. Отмечено, что при увеличении рабочей частоты ротора до 1000 об/мин происходит расширение спектра вынужденных колебаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для экономики и посвященные исследованию проблем динамики и прочности рабочих колес со сдвоенными листовыми лопатками. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Показано, что перспективным путем решения проблемы роста технико-экономических показателей шахт является создание реверсивных регулируемых на ходу вентиляторов на основе рабочих колес с поворотными на ходу лопатками с окружными скоростями порядка 110−120 м/с. Разработка новых конструкций и рост нагруженности осевых вентиляторов повышает актуальность исследования динамики и прочности лопаток и корпусов их рабочих колес.

2. Установлено, что наиболее нагруженными местами корпусов рабочих колес являются: внешняя сторона силового пояса в районе отверстий для крепления лопаток, район отверстий для крепежных болтов в опорном диске и контур отверстий-вырезов под поворотные основания лопаток на обечайке. Причем в корпусах рабочих колес с втулочным отношением 0,5 и менее максимальные напряжения возникают в районе отверстий для крепления лопаток в силовом поясе. При втулочном отношении 0,6 напряжения вокруг отверстий под поворотные основания лопаток на обечайке сопоставимы с напряжениями в силовом поясе и могут превосходить их.

3. Показано, что распространенный при расчете корпусов рабочих колес на прочность подход, при котором учитываются исключительно центробежные силы, не гарантирует достоверной оценки напряжений. Пренебрежение действием других сил и моментов может приводить к более чем двукратному занижению их значений.

4. Показано, что в сдвоенной листовой лопатке наибольшим напряжениям подвержены: крепежная зона хвостовика лопаткизона перемычки, расположенная на некотором удалении от сварных швовкорневые сечения лопастей в районе передних кромок и сечения в зоне соединения лопастей с перемычкой.

5. На примере вентилятора ВО-21К© показано, что увеличение давления в вентиляционной сети с Psv = 300 Па (номинальное) до PSv = 500 Па при установившемся режиме работы (заданном угле установки лопаток) приводит к увеличению напряжений в элементах лопатки: в большой лопасти на 3,5%, в малой на 7,5%, в перемычке на 18,9%. В том случае если расчет на прочность ведется на номинальный режим работы вентилятора, рекомендуется введение дополнительных коэффициентов безопасности: 1,1 — для лопастей и 1,2 — для перемычки.

6. Смещение перемычки в направлении от конца лопастей к корню способствует перераспределению их напряженного состояния — понижению значений напряжений в корневом сечении и увеличению в сечениях лопастей, находящихся с внешней стороны перемычки. Минимум действующих напряжений в профильной части лопатки обеспечивается при расположении перемычки на расстоянии 0,2−0,3 длины лопастей от поворотного основания.

7. Установлено, что при исследовании собственных колебаний лопатки наиболее приемлема расчетная модель, учитывающая массово-жесткостные характеристики опорного основания и хвостовика и податливость механизма поворота лопаток. Учет податливости корпуса рабочего колеса не оказывает существенного влияния на расчетные значения собственных частот, которые снижаются не более чем на 6%. При использовании модели с жестко заделанными по корневым хордам лопастями (опорное основание и хвостовик в модель не включаются) собственные частоты могут получаться завышенными более чем на 100% по сравнению с истинными значениями.

8. Показано, что при окружных скоростях вентилятора порядка 55 м/с влияние вращения на собственные частоты лопатки не существенно — частоты увеличиваются не более 3−4%, при 110 м/с рост частот более значителен и может достигать 12% для первой формы колебаний. При исследовании колебаний лопаток этот эффект может быть учтен введением соответствующих коэффициентов.

9. При заданных основных конструктивных и геометрических параметрах лопатки наиболее эффективным способом обеспечения ее необходимой изгибной и крутильной жесткости (частот собственных колебаний по соответствующим формам) является выбор месторасположения перемычки. При необходимости значительного повышения собственных частот лопатки (более 20%) рекомендуется установка двух перемычек.

10. При окружных скоростях вентилятора до 55 м/с вынужденные колебания рабочих лопаток характеризуются возможностью появления резонансных явлений от возмущений, вызванных неравномерностью потока у лопаток направляющего и спрямляющего аппаратов. В случае увеличения окружных скоростей до 110 м/с возможно расширение спектра вынужденных колебаний за счет появления срывного флаттера.