книги из ГПНТБ / Пак, В. В. Шахтные вентиляционные установки местного проветривания

мерно в 2,4 раза, а производительность соответственно измениться с Q = 4,8 м3/сек до Q = 5,5 м3/сек, т. е. в 1,15 раза.

Таким образом, при регулировании входным направляющим аппаратом изменение производительности и давления вентилятора достаточно хороню соответствует характеру изменения сопротивле­ ния вентиляционного трубопровода переменной длины. Исследования показывают, что регулирование осевых ВМП входным направляющим аппаратом является наиболее рациональным как с точки зрения эффективности, так и про­

правляющий аппарат получил на вентиляторах ВМ-5, серийный выпуск которых был освоен Конотопским заводом «Красный метал­ лист» с 1964 г.

Учитывая необходимость глубокого регулирования вентилятора вверх и вниз от оптимального режима, рациональной оказалась конструкция лопаток направляющего аппарата с поворотными за­ крылками.

Конструктивно лопатки такого направляющего аппарата можно выполнить в двух вариантах (рис. 48): с жесткой неподвижной носовой частью и поворотными в шарнирах закрылками, как это было ранее предложено А. Г. Бычковым (авт. свидетельство № 74121) и с эластичными (резиновыми лопатками, обеспечивающими плавное изменение их кривизны при повороте закрылков.

Современные методы расчета не позволяют с достаточной сте­ пенью точности рассчитать регулировочные характеристики вен­ тилятора и оценить исследуемые варианты лопаток направляющего аппарата. Поэтому были проврдены экспериментальные исследования

91

с целью определения регулирующих качеств и потерь в направля­ ющем аппарате при регулировании одноступенчатого осевого вен-., тилятора с меридиональным ускорением потока (схема К-9Г-12) направляющим аппаратом с лопатками двух рассмотренных вариан­ тов. Сравниваемые лопатки имели одинаковые геометрические раз­ меры и чистоту поверхности. Число лопаток направляющего аппа-

Рис. 48. Лопаткп направляющего аппарата с поворотным закрылком:

а — эластичным (резиновым); б — жестким (металлическим) .

рата zHA = 12, профиль симметричный (С-4), лопатки некрученые, густота на среднем радиусе тНа = 1)5, удлинение % = 1,0.

В процессе исследований определяли:

потери давления в направляющих аппаратах при повороте за­

крылков на угол Она = 0) 15) 30 и 50°; скорости и углы потока на выходе из направляющего аппарата

с эластичными лопатками при 0На = 20, 30 и 45°; регулировочные аэродинамические характеристики вентилятора

с жесткими и эластичными лопатками.

Потери'давления в решетках направляющих лопаток определяли по'целям потерь, измеренным на 12-ти радиусах с помощью гребенки и трубок полного давления. Гребенка находилась на расстоянии

92

Некоторое увеличение потерь при 0ИА = 0° у эластичных (рези­ новых) лопаток объясняется большей относительной толщиной вы­

ходных кромок этих лопаток ^б = ^ = 0,014^ по сравнению с же­

сткими (б = 0,005).

Полученные экспериментальные данные показывают, что в диапа­ зоне углов поворота закрылков 0На = 0-|- 15° испытанные напра­ вляющие аппараты* имеют примерно одинаковые потери давления. Дальнейшее увеличение угла поворота закрылков приводит к более

Рис. 50. Поля скоростей и углов выхода потока за направляющим аппаратом с эластичными лопатками при 0НА = 20°

быстрому нарастанию потерь в направляющем аппарате с жесткими лопатками. При углах поворота закрылков около 50° потери давле­ ния в направляющем аппарате с жесткими лопатками примерно в два раза выше, чем в аппарате с эластичными лопатками.

Скорость и углы потока на выходе иа направляющего аппарата с эластичными лопатками определяли при углах поворота закрылков ©на =■= 20, 30 и 45°. Угол выхода потока а1СК, угол отклонения потока от оси вентилятора в меридиональной плоскости Р и скорость по­ тока с г замеряли пятиканальным шаровым зондом [61] на расстоянии 0,6 хорды от выходных кромок лопаток. Поля скоростей и углов выхода потока, построенные по опытным данным для угла поворота закрылков 0НА = 20°, приведены на рис. 50, откуда можно видеть,

что скорость с1а, углы выхода потока а 1СКи значения с1и в основной части потока, за исключением околовтулочных и периферийных участков, распределяются достаточно равномерно. Подобная картина потока наблюдается и при углах 0На = 30 и 50°.

94

Рис. 51. Аэродинамические регулировочные характеристики вентилятора К-9Г-12 с лопатками направляющего аппарата:

а — жесткими (металлическими); б — эластичными (резиновыми)

Полученные экспериментальные данные о структуре потока дают

основание принимать расчетные значения параметров с1и, с1а и а 1ск постоянными вдоль радиуса при аэродинамическом расчете колес, работающих с направляющими аппаратами такого типа.

В меридиональной плоскости в околовтулочных сечениях поток несколько отклоняется (на угол |3) от осевого направления из-за наличия переходного конуса на втулке направляющего аппарата. Такое отклонение потока соответствует форме втулки рабочего колеса и обеспечивает благоприятный вход потока на колесо.

На рис. 51 показаны регулировочные аэродинамические характе­ ристики вентилятора К-9Г-12, полученные на модели с диаметром рабочего колеса Дк = 453 мм при п = 1500 об/мин (Re = 2,3 -105) с двумя вариантами направляющих аппаратов. Сравнение этих характеристик показывает, что в диапазоне углов 0НА = —50 -+ -г -{-15° характеристики давления и к. п. д. для обоих типов напра­ вляющих аппаратов практически совпадают. При регулировании вверх в диапазоне Она = + 1 5 -г +50° эти характеристики про­ ходят выше у вентилятора с эластичными направляющими лопатками.

Кроме полученных аэродинамических показателей исследуемых аппаратов, необходимо оценить конструктивные и технологические качества эластичных и жестких лопаток применительно к ВМП.

Эластичные лопатки выполняют из резины с металлическими пластинами, армирующими носовую и хвостовую ее части. Лопатки изготовляют в пресс-формах, что обеспечивает получение цельной лопатки \определенных размеров с чистой, гидравлически гладкой поверхностью. Такая технология отвечает требованиям серийного производства.

Как показал многолетний опыт эксплуатации ВМП типа ВМ-5, направляющие аппараты которых снабжены эластичными лопат­ ками, такие лопатки надежны в работе и технологичны в изгото­ влении.

Жесткие лопатки с поворотными закрылками, которые можно выполнять из металла или пластмассы, состоят из двух отдельных элементов — носовой и хвостовой частей, шарнирно соединенных между собой. Такая конструкция жесткой лопатки в серийном произ­ водстве представляется более трудоемкой по сравнению с цельной эластичной лопаткой.

Учитывая аэродинамические и конструктивно-технологические качества испытанных вариантов направляющих аппаратов, для регулируемых ВМП можно с достаточным основанием рекомендовать входные направляющие аппараты с эластичными (резиновыми) армированными лопатками.

§ 3. Протпвосрывное устройство

Вопросы устойчивости режимов работы вентиляторов относятся к числу наиболее сложных и малоизученных. Работа на неустойчи­ вых режимах вызывает рост динамических напряжений в элементах

96

конструкции и часто приводит к быстрому выходу из строя венти­ лятора.

Наиболее изученными формами нарушения устойчивости работы вентилятора можно считать помпаж и вращающийся срыв. В этом направлении проведены обширные исследования, особенно примени­ тельно к осевым компрессорам [52—55]. Однако еще нет общепри­ знанной теории, в полной мере описывающей эти явления, и известно сравнительно мало устройств, надежно устраняющих вредное вли­ яние этих явлений на работу осевой турбомашины.

Возникновение помпажа зависит не только от режима работы вентилятора, но и от особенностей сети, поэтому нельзя говорить о точке на напорной характеристике вентилятора, в которой насту­ пает помпаж. Эта точка может смещаться в зависимости от пара­ метров присоединенной к вентилятору сети. Переход же вентилятора на режим вращающегося срыва происходит при вполне определенном режиме на характеристике давления и не зависит от емкости сети, а определяется конструктивными и геометрическими размерами про­ точной части и лопаточных венцов машины. При переходе на режим вращающегося срыва (левее максимума давления] резко снижается развиваемое вентилятором давление, появляется разрыв характе­ ристик, происходит характерное изменение шума, создаваемого при работе машины.

Установлено, что помпаж наступает при работе машины в области вращающегося срыва, при разрыве характеристик давления и доста­ точно большом обратном наклоне напорной характеристики левее максимума давления.

Очевидно, для решения вопроса о расширении области устойчивой работы вентилятора, в первую очередь, необходимо предотвратить возможность появления режима вращающегося срыва или локали­ зовать область срывов от основной части потока.

Самым простым решением вопроса устранения режимов неустой­ чивой работы можно считать уменьшение аэродинамических нагрузок рабочих решеток вентилятора. При этом напорные характеристики имеют монотонно падающий вид без максимумов (горбов) и мини­ мумов (впадин) давления. Обычно это достигается при малых углах установки лопаток рабочего колеса 0К ^ 10 -f- 15°. В этом случае ни вращающийся срыв, ни помпаж не наступают во всем диапазоне изменения производительности от максимальной до нулевой. Однако снижение аэродинамических нагрузок рабочих решеток ведет к уве­ личению габаритов и удорожанию машины, что в большинстве слу­ чаев не оправдывает такое решение.

Современные машины, напротив, разрабатывают на базе высоконагруженных эффективных рабочих решеток, обеспечивающих полу­ чение экономичных, малогабаритных, легких машин. Для таких решеток, если не предусматриваются специальные меры, неизбежно появление режимов с вращающимся срывом и помпажем. Обширные работы, направленные на изучение и устранение режимов враща­ ющегося срыва, и систематические исследования различных меро­

на ВМП типа СВМ широко применяется лопаточный сепаратор, предложенный К. А. Ушаковым и Л. Е. Олыптейном.

В работе [55] показано, что лопаточные сепараторы с числом лопаток zc = 200 эффективно работают при сравнительно низких аэродинамических нагрузках на одну ступень, с углом установки лопаток рабочего колеса до 35°, при развиваемом коэффициенте

Рис. 52. Спектры шума вентиляторов местного проветривания:

давления Ну = 0,18-4-0,2. Снижение к. п. д., вносимое сепаратором, составляет 1—2% . Из-за большого числа лопаток сепаратора в спек­ тре шума появляются резко выраженные частотные составляющие, обусловливающие высокотональный шум вентилятора (рис. 52). Для вентиляторов с меридиональным ускорением при развиваемом давле­

нии до Ну = 0,35 4- 0,4 более целесообразным оказалось противосрывное устройство типа «воздушный сепаратор», предложен­ ное С. К. Ивановым. Это противосрывное устройство получило широкое применение на серийных вентиляторах ВМ-5, ВМП-бм и других промышленных образцах вентиляторов местного про­ ветривания [56—58]. Конструкция вентилятора с противосрывным устройством типа «воздушный сепаратор» запатентована Донгипроуглемашем в США, Англии, Франции, Дании, Индии и ФРГ.

Воздушный сепаратор, так же как и лопаточный сепаратор, работает по принципу локализации обратного потока, сопровожда­ ющего вращающийся срыв, возникающий у вентиляторов при малой

98

производительности в периферийной пасти лопаток рабочего колеса. Здесь обратный поток отводится через кольцевой канал, располо­ женный над входными кромками лопаток рабочего колеса, в про­ странство перед лопатками входного направляющего аппарата.

Под действием центробежных сил и разности давлений сорвав­ шаяся на периферии часть пограничного слоя и возмущенная часть потока, образующая зоны срыва, отсасывается через этот канал (а не выбрасывается перед рабочим колесом, как в лопаточном сепа­ раторе), не загромождая входного сечения на периферии рабочего колеса. Благодаря такому отводу возмущенной части потока обеспе­

тивно работает на всасыва­ ние и на нагнетание при условии одинакового характера притекания

потока к вентилятору. Воздушный сепаратор (рис. 53) состоит из обечайки 1 , установленной перед рабочим колесом по его наружному диаметру; корпуса направляющего аппарата 2, соединяемого с кор­ пусом вентилятора 3 через конический переход 4\ лопаток 5 напра­ вляющего аппарата, установленных в обечайке, и входного кол­ лектора 6, имеющего внутренний диаметр, равный диаметру обе­ чайки. Входные кромки лопаток рабочего колеса 7 по периферии выступают в переход 4 таким образом, что имеется кольцевой канал 8 над лопатками направляющего аппарата, а между обечайкой и кол­ лектором образуется кольцевой проход 9.

При работе вентилятора на досрывных режимах основной поток движется через решетку направляющего аппарата и частично под­ сасывается через канал 8 в направлении к рабочему колесу. На оптимальном режиме скорость потока в канале 8 становится близкой к нулю. При дальнейшем уменьшении производительности вентиля­

тора через канал 8 начинает двигаться закрученный возмущенный поток в направлении от рабочего колеса. Возмущенный поток выхо­ дит через проход 9 и соединяется с основным потоком.

Размеры воздушного сепаратора определяют следующие пара­ метры: диаметр корпуса направляющего аппарата Дна> диаметр обечайки d0, размер выступающей части рабочих лопаток 1К, угол конуса переходника ак, ширина обечайки 10. Для определения вли­ яния этих параметров на эффективность работы сепаратора и опре­ деления рациональных его размеров в зависимости от аэродинами-

Рис. 54. Изменение статического давления на периферии рабочего колеса К-9Г-12 при работе бе8 сепаратора:

а — характеристики давления: б — схема расположения штуцеров

ческих параметров вентилятора экспериментально исследовали рас­ пределение статических давлений на корпусе (в зоне рабочих лопаток), структуру и расход потока в канале сепаратора в зависи­ мости от режима работы вентилятора, влияние изменения размеров элементов сепаратора на аэродинамические характеристики венти­ лятора.

Исследования проводили при работе вентилятора на нагнетание (диаметр колеса 453 мм, скорость вращения 1500 об/мин). Статиче­ ские давления на корпусе замеряли с помощью отверстий со шту­ церами, равномерно расположенных по длине периферийной части рабочей лопатки. Полученные результаты позволили судить о харак­ тере изменения статического давления в зависимости от режима работы вентилятора в сечениях, Згде возникает вращающийся срыв.

Измерения проводили на модели вентилятора с меридиональным ускорением К-9Г-12 при угле установки направляющего аппарата бнА = 0° без «воздушного сепаратора» (см. рис. 54) и с ним (рис. 55). На рис. 54 и 55 штуцера и соответствующие им характеристики давления отмечены одинаковыми цифрами.

100