СОЗДАНИЕ АДАПТИВНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ НА БАЗЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ АДДИТИВНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Н. П. Косарев, В. Н. Макаров, Н. В. Макаров, К. К. Свиридов, А. В. Угольников, А. В. Лифанов

Косарев Н. П. Создание адаптивных вентиляторов местного проветривания на базе модифицированной аддитивной математической модели // Известия УГГУ. 2018. Вып. 3(51). С. 114-120. DOI 10.21440/2307-2091-2018-3-114-120

Дальнейшая интенсификация горных работ, применение инновационных технологий, обеспечивающих эффективную добычу и переработку минерального сырья, ограничены требованиями к системе аэрогазодинамической безопасности, одним из энергоемких элементов которой являются шахтные турбомашины, отличающиеся недостаточной адаптивностью и аэродинамической нагруженностью.
Цель. На базе теории присоединенных вихрей, методов конформного отображения и особых точек С. А. Чаплыгина разработать аддитивную математическую модель вращающейся круговой решетки аэрогазодинамических профилей со струйным управлением циркуляцией, сформулировать и решить задачу ее аэродинамического расчета, доказать единственность решения с точностью до константы.
Методика исследований. Показано, что условия Жуковского–Чаплыгина–Кутта применимы для расчета аэрогазодинамических профилей при условии отсутствия присоединенного вихря в задней угловой точке профиля. Получено уравнение для расчета циркуляции круговой решетки аэрогазодинамических профилей в функции от энергетических параметров источников и стоков вихревых камер. Установлено, что аэродинамическая связь полости турбомашины с вихревыми камерами, обусловливая зависимость энергетических параметров источником и стоков струйного управления от характеристик внешней сети, обеспечивает существенный рост адаптивности шахтных турбомашин.
Результаты. Модификация теории аэродинамического расчета круговых решеток аэрогазодинамических профилей и построение радиальных аэродинамических схем с повышенной адаптивностью позволили сформулировать качественно новое направление совершенствования шахтных радиальных турбомашин, принцип действия которых соответствует природоподобным технологиям преобразования и передачи энергии. Предложен способ увеличения давления, развиваемого шахтными турбомашинами, их экономической эффективности и адаптивности за счет приме-
нения встроенных в лопатки рабочего колеса вихревых камер, выполняющих функции адаптивных струйных устройств управления циркуляцией.
Область применения. С использованием предложенной методики разработан прямоточный радиально-вихревой вентилятор ВРВП-12А для проветривания тупиковых выработок длиной до 3500 м.

Ключевые слова: шахтная турбомашина, адаптивность, аэродинамическая нагруженность, вихревая камера, струйное управление, источник, сток, циркуляция.

ЛИТЕРАТУРА

1. Wang H. L., Xi G., Li J. Y. and Yuan M. J. Effect of the Tip Clearance Variation on the Performance of a Centrifugal Compressor with Considering Impeller Deformation // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A-Journal of Power And Energy. 2011. Vol. 225. P. 1143–1155.
2. Oh J. S., Buckley C. W. and Agrawal G. L. Numerical Study on the Effects of Blade Lean on High-Pressure Centrifugal Impeller Performance // ASME 2011 Turbo Expo: Turbine Technical Conference and Exposition (Vancouver, BC, Canada, 6–10 June 2011). N. Y.: ASME, 2011. Р. 1957–1969.
3. Косарев Н. П., Макаров Н. В., Макаров В. Н. Способ повышения давления и экономичности лопастных турбомашин радиального типа: пат. 2543638 Рос. Федерация. Опубл. 10.03.15. Бюл. № 7.
4. Mishuris G., Plakhov A. Magnus effect and dynamics of a spinning disc in a rarefied medium // Archives of Mechanics. 2009. Vol. 61, no. 5. P. 391–416.
5. Rossow V. J. Lift enhancement by an externally trapped vortex. J. Aircraft. 1978. Vol. 15, No. 9. P. 618–625. DOI 10.2514/3.58416.
6. Torshizi S. A. M., Benisi A. H., Durali M. Multilevel Optimization of the Splitter Blade Profile in the Impeller of a Centrifugal Com-pressor // Scientia Iranica. 2017. Vol. 24. P. 707–714.
7. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978. 736 с.
8. Makarov V. N., Davydov S. Ya. Theoretical basis for increasing ventilation efficiency in technological processes at industrial enterprises // Refractories and Industrial Ceramics. 2015. № 2. С. 103–106. DOI 10.1007/s11148-015-9791-7.
9. Malmuth N. D., Murphy W. D., Shankar V., Cole J. D., Cumberbatch E. Studies of upper surface blown airfoils in incompressible and transonic flows / 18th Aerospace Sciences Meeting, Aerospace Sciences Meetings. 1980. No. 18. P. 14–16. DOI 10.2514/6.1980-270.
10. Mao Y. F. Numerical Study of Correlation between the Surge of Centrifugal Compressor and the Piping System. PhD Thesis, Xi’an Jiaotong University, Xi’an. 2016. (In Chinese).
11. Zangeneh M., Amarel N., Daneshkhah K. and Krain H. Optimization of 6.2: 1 Pressure Ratio Centrifugal Compressor Impeller by 3D Inverse Design // ASME 2011 Turbo Expo: Turbine Technical Conference and Exposition (Vancouver, British Columbia, Canada, 6–10 June 2011). N. Y.: ASME, 2011. Р. 2167–2177.
12. Bonaiuti D. and Zangeneh M. On the Coupling of Inverse Design and Optimization Techniques for the Multiobjective, Multipoint Design of Turbomachinery Blades // Journal of Turbomachinery. 2009. Vol. 131. P. 1–16.
13. Gu C. W., Chen L., Wu P. and Dai R. Design and Optimization for Centrifugal Impeller S2 Streamsheet Based on Circulation Profile // Fluid Machinery. 2013. Vol. 41. P. 24–28. (In Chinese)
14. Torshizi S. A. M., Benisi A. H. and Durali M. Numerical Optimization and Manufacturing of the Impeller of a Centrifugal Compressor by Variation of Splitter Blades // ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (Seoul, 13–17 June 2016). N. Y.: ASME, 2016. С. 1–7.
15. Kim S., Park J., Ahn K. and Baek J. Numerical Investigation and Validation of the Optimization of a Centrifugal Compressor Using a Response Surface Method // Journal of Power & Energy. 2010. Vol. 224. P. 251–259.