ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

КОНДРАХІН Петро Віталійович

УДК 622.457.3

ОПТИМІЗАЦІЯ ПАРАМЕТРІВ РЯДУ ОСЬОВИХ ВЕНТИЛЯТОРІВ МІСЦЕВОГО ПРОВІТРЮВАННЯ

Спеціальність 05.05.06 - Гірничі машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Гірничі машини" Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник – кандидат технічних наук,

Гордієнко Юрій Анатолійович, ТОВ «Аеровент», директор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, с. н. с.,

Антонов Едуард Іванович,

ВАТ «Науково-дослідний інститут гірничої механіки ім. М. М. Федорова», зав. лабораторією «Технологія шахтного водовідливу» (м. Донецьк);

доктор технічних наук, професор,

Самуся Володимир Ілліч,

Національний гірничий університет (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри «Гірнича механіка».

Захист відбудеться 15 травня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема 58, І навч. корп., БАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету (83001, м. Донецьк, вул. Артема 58, ІІ навч. корп.)

Автореферат розісланий “14” квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої

вченої ради Д 11.052.05

доктор технічних наук, професор М. Р. Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вентиляція прохідницького вибою є важливою частиною технологічного процесу проведення підготовчих виробок. Сучасні тенденції розвитку вугільної промисловості характеризуються необхідністю підвищення навантаження на очисні вибої до 10 та більше тис. т/добу. Такі рівні видобутку повинні бути забезпечені своєчасною підготовкою нових очисних вибоїв. При застосуванні стовпової системи розробки підвищення продуктивності комбайнової техніки супроводжується зростанням розмірів стовпів, які підготовлено для видобутку вугілля. У зв'язку із цим, існує тенденція росту довжини й площі перетину тупикових виробок.. Згідно даних інституту Дондіпровуглемаш, 55% тупикових виробок мають довжину від 800 до 1500 м, а 10% - довжину більше 1500 м. Середня площа перетину виробок за останні 10 років збільшилася з 10,6 до 11,6 м2.

Разом з тим, існує тенденція погіршення гірничо-геологічних умов ведення гірничих робіт. За даними інституту Дондіпровуглемаш середня глибина розробки на шахтах України досягла 600 м, а максимальна - 1400 м. На глибоких (понад 600 м) горизонтах працюють 57% шахт, на 17% шахт очисні роботи ведуться на глибинах 1200-1400 м. З переходом на більш глибокі горизонти підвищується температура порід, що вміщають, і вугільних пластів. Температура повітря в вибоях тупикових виробок перевищує регламентовані норми на більш ніж 30 % шахт. Впровадження засобів кондиціонування шахтної атмосфери на вугледобувних підприємствах України супроводжується значними труднощами технічного та економічного характеру. Основним засобом підтримки припустимих Правилами безпеки умов труда в прохідницькому вибої є примусова вентиляція за допомогою вентиляторів місцевого провітрювання (ВМП).

Однією з важливих особливостей роботи ВМП є зміна в широких межах характеристик вентиляційної мережі в процесі збільшення довжини виробки та, відповідно, вентиляційного трубопроводу. Внаслідок цього, значну частину часу ВМП працює в режимах, відмінних від номінального, зі значеннями ККД нижче максимального. Таким чином, питання забезпечення ефективної та економічної вентиляції тупикових вибоїв виробок, під час їх проведення, здобуває особливу важливість для досягнення необхідного рівня безпеки та продуктивності прохідницьких робіт.

Тенденція розвитку вентиляційної техніки характеризується підвищенням встановленої потужності приводу. Потужність електродвигунів найбільш продуктивних вентиляторів досягає 90-110 кВт. Робота потужного вентиляційного обладнання з низькими значеннями ККД неприпустима як за умовами економічності, так і за умовами додаткового нагріву повітря, що подається у виробку. Тому оптимальний вибір параметрів ВМП, що модернізуються та проектуються, із урахуванням фактичних характеристик вентиляційної мережі і характеру її зміни, є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає науковому напрямку кафедри "Гірничі машини" ДонНТУ - "Розробка теорії робочих процесів і методів підвищення технічного рівня гірничіх машин", виконана в рамках аспірантського плану науково-дослідної роботи й науково-дослідних робіт (держбюджетної Д 5-05 (№ 0105U002289) і госпдоговірної Г07-89).

Мета роботи - підвищення ефективності провітрювання прохідницьких вибоїв за рахунок оптимального вибору номінальних параметрів характеристики і конструктивних параметрів проточної частини ряду ВМП.

Задачі дослідження:

- На основі системного підходу виділити основні підсистеми та елементи системи провітрювання тупикових виробок, проаналізувати їхній взаємозв'язок.

- Провести статистичний аналіз параметрів тупикових виробок вугільних шахт України.

- Розробити математичну модель системи «ВМП-трубопровід-виробка», яка враховує дискретну зміну в процесі проведення виробки характеристик вентиляційного трубопроводу.

- Обґрунтувати критерії, розробити методику і виконати оцінку ефективності провітрювання виробок існуючими ВМП.

- Обґрунтувати критерії та виконати постановку задачі поетапної оптимізації основних параметрів ряду вентиляторів місцевого провітрювання: номінальних значень подачі та тиску, втулкового відношення, форми аеродинамічної характеристики.

- Виконати оптимізацію параметрів представника ряду ВМП.

Об'єктом дослідження є процес примусового провітрювання тупикової виробки довжиною, що змінюється, вентилятором місцевого провітрювання.

Предмет дослідження – характеристики вентиляційної системи тупикової виробки та конструктивні параметри проточної частини вентилятора місцевого провітрювання.

Методи дослідження. Задачі дослідження вирішувались на основі системного підходу з використанням методів теорії ймовірностей і математичної статистики (при аналізі параметрів виробок, що проведено), аеродинаміки (при оцінках параметрів провітрювання тупикових виробок), гідродинамічної теорії решітки і прикордонного шару (при оптимізації параметрів проточної частини). Аеродинамічні характеристики вентилятора визначалися експериментальним шляхом на лабораторному стенді.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблено математичну модель системи «осьовий вентилятор місцевого провітрювання - вентиляційний трубопровід довжини, що дискретно змінюється, - тупикова виробка», яка відрізняється тим, що аеродинамічна характеристика та характеристика потужності вентилятора представлені як функції його номінальної подачі, яка відповідає максимальному значенню коефіцієнта корисної дії. За допомогою моделі вперше встановлені залежності середньої за час проведення виробки температури додаткового нагрівання повітря в проточній частині вентилятора місцевого провітрювання і сумарного обсягу повітря, поданого у вибій, від номінальної подачі вентилятора. Отримані залежності при заданій потужності приводу мають відповідно мінімум і максимум.

2. Уперше встановлена залежність сумарних за увесь час проведення виробки енерговитрат на провітрювання від кута установки лопаток напрямного апарата і відповідного йому кута установки лопаток робочого колеса. При заданих значеннях номінальної подачі і коефіцієнта тиску отримана залежність має мінімум.

3. Уперше встановлені залежності номінального коефіцієнта корисної дії вентилятора місцевого провітрювання та площі поверхні листових лопаток, яка визначає навантаження на елементи конструкції робочого колеса, викликане дією відцентрових сил, від втулкового відношення. Отримані залежності при заданій номінальній подачі мають максимуми.

Вищевикладені результати є теоретичною базою нового рішення актуальної науково-технічної задачі оптимізації параметрів ряду осьових вентиляторів місцевого провітрювання, яке полягає в розробці та обґрунтуванні математичних моделей, критеріїв, параметрів і послідовності етапів оптимізації, використання яких при оптимальному проектуванні забезпечує зниження енерговитрат на провітрювання та додаткового нагріву повітря в проточній частині вентилятора, а також підвищення кількості повітря, що подається у вибій довгих тупикових виробок глибоких шахт.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення отриманих результатів складається в можливості використання при створенні та модернізації ВМП високого технічного рівня:

- математичного й програмного забезпечення для моделювання процесу провітрювання тупикової гірничої виробки за допомогою ВМП;

- методики й результатів оцінки ефективності провітрювання тупикових виробок вентиляторами місцевого провітрювання за критеріями енерговитрат на провітрювання, кількості поданого у вибій повітря, додаткового нагріву повітря в проточній частині ВМП і середньозваженого ККД вентилятора за весь час проведення виробки;

- методики й результатів багатокритеріального вибору оптимальних параметрів ВМП.

Результати роботи використані ТОВ «Аеровент»:

- при створенні ряду ВМП ВМЕВО, що випускається серійно заводом «Донвентилятор» (обсяг випуску - більше 200 шт.);

- при модернізації ВМП ВМЕВО-7,1 з метою підвищення його параметрів за рахунок застосування двигуна потужністю 75 кВт.

- при обґрунтуванні технічних вимог на новий двигун номінальною потужністю 75 кВт для ВМП.

Особистий внесок здобувача Результати досліджень отримані особисто автором. У роботі використані результати стендових випробувань вентилятора ВМЕВО-8А, проведених при участі автора на етапі підготовки, проведення випробувань і обробки результатів. Теоретичні дослідження виконані автором самостійно, включаючи основні ідеї та методики теоретичних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи освітлені та були схвалені на:

- міжнародній науково-технічній конференції «Гірниче обладнання - 2005», ДонНТУ, м. Донецьк. Жовтень 2005 р.;

- міжнародній науково-технічній конференції «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості-2006» (м. Кривій Ріг, 16-20 травня 2006 р.).

Публікації. За результатами виконаної роботи автором опубліковано 5 наукових статей у фахових наукових виданнях ВАК України

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із: вступу, п'яти основних розділів, висновків, списку використаних джерел з 85 найменуваннями і двох додатків. Робота викладена на 162 сторінках, у тому числі: 142 сторінки основного тексту, 43 рисунка й 15 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації «Стан питання та постановка завдань дослідження» присвячений аналізу сучасного стану питання оптимізації параметрів ряду осьових вентиляторів місцевого провітрювання.

У теперішній час основним способом подачі свіжого повітря в прохідницький вибій є нагнітальне провітрювання за допомогою механічних спонукачів тяги та гнучких нещільних вентиляційних трубопроводів.

Сукупність устаткування, що забезпечує подачу повітря у вибій тупикової виробки з метою зниження концентрації метану та інших шкідливих газів у шахтній атмосфері та нормалізації температурних умов у прохідницькому вибої, у роботі розглядається як система провітрювання тупикової виробки (ПТВ). Основними елементами системи ПТВ є: підсистема енергопостачання (ЕП), вентиляційний трубопровід (ВТ), тупикова виробка (В), підсистема автоматизації та керування (А та К), підсистема технічного обслуговування та ремонту (ТО та Р), вентилятор місцевого провітрювання (ВМП). Зовнішнім середовищем для системи ПТВ є шахтна атмосфера.

Елементи системи ПТВ характеризуються наступними особливостями:

- довжина тупикової виробки змінюється від початкової довжини, при якій починається примусове провітрювання, до максимальної довжини, при припиненні подальшої проходки (у роботі прийняте припущення про сталість швидкості проведення виробки за весь час ведення прохідницьких робіт);

- довжина ВТ дискретно змінюється під час просування вибою тупикової виробки на величину Дl, що приводить до росту аеродинамічного опору та кількості витоків повітря;

- параметри робочого режиму ВМП змінюються в широких межах у процесі проведення виробки.

Для рішення завдань аналізу ефективності провітрювання та оптимізації параметрів ВМП необхідно в першу чергу враховувати взаємозв'язки в підсистемах ВМП, ВТ і В.

Питаннями створення, дослідження та оптимального проектування ВМП, шахтних турбомашин і вентиляційних систем тупикових виробок займаються наступні організації: ТОВ Аеровент, інститути Дондіпровуглемаш, НДІГМ ім. М. М. Федорова, ЦАГІ ім. Н. Е. Жуковського (Російська федерація), ІГС ім. А. А. Скочинського (Російська федерація), Тульський політехнічний інститут (Російська федерація), Артемівський, Томський, Копейський, Красноармійський (усі - Російська федерація) машинобудівні заводі, ЗАТ Донвентилятор. Значний внесок щодо рішення цих питань внесли вчені та інженери: доктори технічних наук Антонов Е. І., Брусиловський І. В., Ковалевська В. І., Левін Ю. М., Малєєв В. Б., Медведєв Б. І., Пак В.В, Самуся В. І. та інші, кандидати технічних наук Беззубко І. А., Бусигін К. К, Вепров В. С., Верещагін В. П., Гордієнко Ю. А., Іванов С. К., Кондрацький В. Л., Молчанов В. М., Руденко В. А., Сенніков В. Ф. та інші, а також інженери Дудкін В. Є., Д'яченко В. І., Звенячкин В. М., Костенко В. М, Лелека В. В., Михасько Н. А., Руденко В. В., Хоружий А.Н. та інші.

Як показав огляд літературних джерел, більшість досліджень в області визначення оптимальних параметрів ряду вентиляторів місцевого провітрювання проводилися більше 15 років тому та станом на теперішній час вимагають доповнення та розвитку. Зміна умов експлуатації ВМП (збільшення довжин і перетинів виробок, що проводяться), а також розвиток методів аеродинамічного проектування осьових вентиляторів і розрахунку характеристик вентиляційних трубопроводів визначають актуальність науково-технічного завдання оптимізації параметрів ряду осьових вентиляторів місцевого провітрювання для нових умов з використанням широких можливостей комп'ютерних технологій.

Виконаний у роботі аналіз технічних характеристик існуючих ВМП показав, що тепер має місце зростання установленої потужності приводних двигунів ВМП, підвищення окружних швидкостей робочих коліс (РК) за рахунок застосування електродвигунів із синхронною частотою обертання 3000 хв-1, зниження питомої маси вентиляторів. Номінальна потужність двигуна найбільш продуктивних типорозмірів вентиляторів становить 110...160 кВт, що обумовлено необхідністю підвищення робочих параметрів, які забезпечують ВМП. На цей час на шахтах України найбільше широко експлуатуються ВМП серії ВМЕ - ВМЕ-8, ВМЕ2-8, ВМЕ2-10 і вентилятори нової серії ВМЕВО - ВМЕВО-6,7, ВМЕВО-7,1, ВМЕВО-8 (розроблені в ТОВ Аеровент).

У другому розділі «Аналіз вентиляційних режимів тупикових виробок» виконане обґрунтування виду рівняння апроксимації коефіцієнта витоків гнучкого вентиляційного трубопроводу, розроблена математична модель (ММ) вентиляційного трубопроводу, виконаний статистичний аналіз параметрів тупикових виробок і визначені параметри полів вентиляційних режимів, характерних для сучасних умов функціонування системи ПТВ на шахтах України.

В аналітичному виді коефіцієнт витоків гнучкого вентиляційного трубопроводу ку.тр може бути представлений у вигляді поліноміальної функції двох перемінних:

ку тр=p0+p1lтр+p2Qв+p3 lтр 2+p4 Qв 2+p5lтр3+ p6Qв3+

+p7lтрQв+p8lтрQв2+p9lтр2Qв (1)

де pi – коефіцієнти рівняння апроксимації, lтр – довжина вентиляційного трубопроводу, м, Qв – витрата повітря на початку трубопроводу, м3/с. Такий вид рівняння для аналітичного запису коефіцієнта витоків забезпечує найменшу середньоарифметичну та максимальну відносні похибки апроксимації. Характеристика вентиляційного трубопроводу є функцією двох перемінних: витрати повітря на початку трубопроводу Qв і довжини трубопроводу lтр, що змінюється дискретно:

hв(Qв, lтр)=Qв2·rтр(lтр+20dтрn1+10dтрn2) ·

· (0,59/ (a0+a1lтр+a2Qв+a3 lтр 2+a4 Qв 2+a5lтр3+a6Qв3 + (2)

+a7 lтр Qв +a8lтр Qв 2+a9lтр2 Qв)+0,41) 2

Аналогічний вид має рівняння ізоліній рівного надходження повітря у вибій, аргументом якого є Qз – витрата повітря у вибої, м3/c:

hв(Qз, lтр)=Qз2·rтр(lтр+20dтрn1+10dтрn2) ·

· (0,59+0,41· (b0+b1lтр+b2Qз+b3 lтр 2+b4 Qз 2+b5lтр3+ b6Qз3 + (3)

+b7 lтр Qз +b8lтр Qз 2+b9lтр2 Qз))2

де hв – депресія вентиляційного трубопроводу, яка дорівнює повному тиску, що розвиває ВМП, Pv, Па; аi-, bi - – коефіцієнти рівняння апроксимації коефіцієнта витоків; rтр - питомий аеродинамічний опір трубопроводу, кµ/м; n1, n2 – число поворотів трубопроводу на 45є і 90є, відповідно; dтр – діаметр трубопроводу, м.

Ізолінії рівного надходження повітря у вибій характеризують вплив витоків повітря на ефективність провітрювання виробки. Наявність витоків покладає обмеження на максимально можливу витрату повітря у вибої, яку забезпечують трубопроводи для заданої довжині провітрювання. Для гнучких трубопроводів, які застосовують на шахтах України, найбільше значення Qз при максимальній довжині провітрювання не перевищує 4-6 м3/c.

За даними МакНДІ, прогнозована кількість виробок, які оснащено трубопроводом з dтр- =0,6 м в 2010 році складе 281, виробок з dтр- =0,8 м – 752, з dтр- =1 м – 639, з dтр- =1,2 м – 258. У роботі визначені значення параметрів розподілу максимальних довжин виробок, які оснащено трубопроводами відповідного діаметру: для виробок з dтр-=0,6 м статистичне середнє М(lв) = 118 м, середньоквадратичне відхилення (СКВ) дорівнює 95 м; для виробок з dтр-=0,8 м М(lв) =304 м, СКВ=234 м; для виробок з dтр-=1 м М(lв) = 639 м, СКВ=278 м; для виробок з dтр-=1,2 м М(lв) = 1120 м, СКВ=283 м.

Характеристики вентиляційного трубопроводу з dтр-=1 м, які побудовано для характерних умов експлуатації, показані на рис. 1.

Рис. 1. Характеристики гнучкого вентиляційного трубопроводу з dтр-=1 м

Статистичний аналіз фактичних значень параметрів виробок станом на 2006-2007 р, виконаний за даними, які отримані автором, для вибірки з 91 проведеної на шахтах України виробки, показав, що фактичні параметри розподілу відрізняються від прогнозованих. Для виробок з трубопроводом dтр-=0,8 м, який найбільш широко застосовується, (89% від загального числа розглянутих виробок) - М(lв) = 656 м, СВО=318 м. Для виробок із трубопроводом з dтр-=1 м значення lв рівномірно розподілені в діапазоні від 500 до 1500 м. Трубопровід з dтр=0,6 м практично не застосовується.

Аналіз показав, що 90% виробок мають максимальну довжину lв max меншу ніж 450 м при dтр=0,6 м, 1000 м при dтр=0,8 м, 1500 м при dтр=1 м, 2000 м при dтр=1,2 м.

У третьому розділі «Визначення показників ефективності провітрювання, які забезпечуються існуючими ВМП» розроблена математична модель провітрювання тупикової виробки, обґрунтовані критерії оцінки ефективності провітрювання та оптимізації номінальних параметрів ВМП і форми характеристики вентилятора. Виконано аналіз значень показників ефективності, які забезпечуються існуючими ВМП.

Для оцінки ефективності провітрювання виробок існуючими ВМП аеродинамічну характеристику та характеристику потужності вентилятора представлено у вигляді поліномів m-ого ступеня виду:

(4)

Коефіцієнти поліному сj, dj визначені з умови проходження кривих аеродинамічної характеристики та характеристики потужності вентилятора через вузлові точки. Координати вузлових точок (Qj, Pvj) і (Qj, Nj) визначаються за графіками характеристик ВМП.

Таким чином, ММ провітрювання тупикової виробки має вигляд:

(5)

У зв'язку зі зміною в широких межах під час проведення виробки характеристик трубопроводу та параметрів робочих режимів ВМП, у якості критеріїв ефективності провітрювання необхідно розглядати узагальнені за весь час проведення виробки показники. До них відносяться: сумарні енерговитрати на провітрювання Е, кВт·год - , де – кількість циклів зміни режиму роботи ВМП, Vп – середня швидкість проведення тупикової виробки, м/год, Ni – потужність, яку споживає вентилятор на i-ому робочому режимі; сумарний обсяг повітря, що надійшло у виробку, Qзsum, м3 за увесь час провітрювання - ; питомі енерговитрати е, кВт·год/м3: ; середньовзважений за весь час проведення виробки ККД ВМП зср: , де зi – ККД вентилятора на i-ому робочому режимі; середня за весь час провітрювання температура додаткового нагрівання повітря у проточній частині ВМП , де , с – щільність повітря, кг/м3, ср – питома теплоємність повітря при постійному тиску, кДж/(кг·К).

Аналіз показав, що всі вентилятори забезпечують мінімальну витрату повітря у вибоях виробок, яка регламентується Правилами безпеки, при показних умовах експлуатації, однак показники ефективності істотно відрізняються. Діапазони середніх значень основних показників ефективності провітрювання виробок, які забезпечуються існуючими ВМП і трубопроводами з dтр-=0,8 та 1 м, для характерних умов експлуатації наступні: енерговитрати на провітрювання – 3,5·105…15·105 кВт·год; сумарний обсяг повітря що надійшло у вибій – 1,5·108…4,5·108 м3, середня температура додаткового нагріву повітря у проточній частині вентилятора – 1,3…2,5 ?С. З даних, що приведено, витікає, що вентиляція тупикових виробок супроводжується значними енерговитратами та нагрівом повітря, що подається до вибою тупикової виробки.

Вентилятори серії ВМЕВО перевершують за основними показниками ефективності вентилятори серії ВМЕ. Областями раціонального застосування для вентиляторів серії ВМЕВО є: для ВМП ВМЕВО-6,7 – виробки, які оснащено трубопроводами з dтр-=0,8 м та lв меншим за 1000 м; для ВМЕВО-7,1 - виробки, які оснащено трубопроводами з dтр-=1 м та lв меншим за 1000 м; для ВМЕВО-8 - виробки, які оснащено трубопроводами з dтр-=1 м та lв меншим за 1500 м.

Модернізація вентиляторів ряду ВМЕВО шляхом підвищення параметрів за рахунок збільшення потужності приводних двигунів дозволити розширити області застосування зазначених ВМП, істотно підвищити ефективність провітрювання виробок довжиною понад 2000 м. Основними напрямками модернізації ВМП серії ВМЕВО є оснащення типорозмірів ВМЕВО-7,1 і ВМЕВО-8 перспективними двигунами потужністю 75 кВт та 110 кВт, відповідно.

Значення показників ефективності провітрювання тупикової виробки істотно залежить від номінальних параметрів і форми аеродинамічної характеристики ВМП, а також від взаємного положення аеродинамічної характеристики та її номінальної точки відносно характеристики вентиляційного трубопроводу.

У четвертому розділі «Оптимізація розрахункових номінальних параметрів ВМП», обґрунтовано вид аналітичної залежності, що описує аеродинамічну характеристику вентилятора як функцію номінальної подачі, та на її основі розроблено ММ оптимізації номінальних параметрів ВМП. Отримано чисельні рішення задачі оптимізації номінальних параметрів для ВМП, що модернізується, ВМЕВО-7,1 із двигуном потужністю 75 кВт.

Задача оптимізації номінальних і конструктивних параметрів ВМП є складною багатокритеріальною задачею, рішення якої здійснюється поетапно і потребує попередню декомпозицію простору параметрів. У формалізованому виді задача оптимізації параметрів ВМП як елемента системи ПТВ може бути записана у такому вигляді:

(6)

де – вектор параметрів, що оптимізуються; Nп – кількість параметрів, що оптимізуються; – область припустимих значень параметрів, що оптимізуються; – цільова функція; – і-тая функція обмеження на область припустимих значень параметрів, що оптимізуються; Nфо – кількість функціональних обмежень; parj min, parj max – припустимі межі зміни j-того параметру при оптимізації.

Рішення задачі оптимізації номінальних та конструктивних параметрів ВМП доцільно проводити в три етапи. На першому етапі виконується оптимізація номінальних параметрів ВМП. При цьому ВМП розглядається як елемент системи ПТВ. Критерії оптимізації на даному етапі повинні комплексно враховувати ефективність функціонування вентиляційної системи тупикової виробки. На другому етапі виконується оптимізація втулкового відношення , де D, d – діаметр робочого колеса і втулки робочого колеса. Критерії оптимізації на даному етапі повинні враховувати ефективність передачі енергії потоку, та навантаження на конструктивні елементі робочого колеса, що обертається, від дії відцентрових сил, а також характер обтікання лопаток робочого колеса. На третьому етапі виконується оптимізація форми характеристики ВМП, яка характеризується кутом установки лопаток напрямного апарата (ВНА) і відповідного йому кута установки лопаток робочого колеса (РК) при постійному коефіцієнті тиску. ВМП розглядається як елемент системи ПТВ. Критеріями оптимізації є узагальнені показники ефективності провітрювання. Згідно з аеродинамічною характеристикою, яку отримано у результаті поетапного рішення задачі оптимізації, уточнюються результати першого етапу оптимізації.

У загальному виді задача оптимізації номінальних параметрів ВМП записується як:

(7)

де Qном – номінальна подача ВМП, Qзmin< Qз< Qзmax – функціональне обмеження на значення витрати повітря у вибої. Значення номінальної потужності Nном приводного електродвигуна вентилятора приймається з ряду стандартних значень для ВМП 25, 45, 55, 75, 90, 110 кВт.

Оптимізація значення Qном виконується за допомогою методу детермінованого пошуку. Значення критеріїв оптимізації визначаються на основі масиву рішень системи рівнянь для діапазону довжин виробки від lвmin до lвmax із кроком Дl:

(8)

де - рівняння характеристики ВМП аргументом якого є параметр, що оптимізується, Qном. На основі отриманих нормованих значень критеріїв оптимізації формується інтегральний критерій де – si - коефіцієнти значущості, що задовольняють умові .

Для рішення задачі оптимізації характеристика потужності ВМП N(Q) апроксимується лінійною залежністю N(Q)=w1Q+w2 (див. рис. 2). Коефіцієнти w1 та w2 обчислюються, виходячи з умови проходження прямої через точки з координатами: (Qном, (1-k2)Nном), (Qном(1+p1), (1-k1)Nном). Характеристика ККД з(Q) апроксимується поліноміальною функцією 3-ого ступеня виду з(Q)=u1Q3+u2Q2+u3Q+u4, коефіцієнти ui розраховуються, виходячи з умови проходження кривої через точки з координатами (Qном(1-p2), зmin2), (0,93Qном, 0,97зmax), (1,07Qном, 0,97зmax), Qном(1+p1), зmin1). Таким чином, рівняння аеродинамічної характеристики вентилятора в явному виді залежить від Qном, характеризується параметрами к1, к2, p1, p2, зmin1, зmin2, зmax, і має вигляд:

(9)

У результаті моделювання процесу провітрювання тупикової виробки встановлено, що при заданій потужності приводу залежність середньої за час проведення виробки температури додаткового нагрівання повітря в проточній частині осьового ВМП від його номінальної подачі має мінімум, а залежність сумарного обсягу повітря, яке подається у вибій, має максимум.

У результаті рішення задачі оптимізації номінальних параметрів ВМП стосовно до вентилятора, що модернізується, ВМЕВО-7,1 із двигуном потужністю 75 кВт отримані оцінки інтегрального критерію . Максимальне значення відповідає значенню Qном=12 м3/c та Pv ном = 4125 Па. Дані значення є оптимальними з погляду ефективності провітрювання на першому етапі оптимізації і є вихідними даними для наступних етапів.

Рис. 2. Аналітичний вираз характеристики ВМП як функції Qном

У п'ятому розділі «Оптимізація конструктивних параметрів проточної

частини ВМП» експериментально підтверджена адекватність математичних моделей аеродинамічних процесів, реалізованих у вигляді програмного комплексу проектування осьових вентиляторів який розроблено у ТОВ Аеровент, стосовно до робочих коліс вентиляторів місцевого провітрювання з листовими лопатками. Запропоновано критерії оптимізації конструктивних параметрів проточної частини і форми аеродинамічної характеристики ВМП, а також отримані їхні чисельні оцінки стосовно до ВМП, що модернізується, ВМЕВО-7,1 із двигуном потужністю 75 кВт.

З метою перевірки адекватності математичної моделі обтікання лопаткових вінців проточної частини вентиляторів, яка реалізована в програмному забезпеченні аеродинамічного проектування (розроблено у ТОВ Аеровент), стосовно до РК ВМП із листовими лопатками були проведені стендові аеродинамічні дослідження головного представника ряду ВМЕВО – вентилятора ВМЕВО-8А. Характеристика вентилятора, яка була отримана на аеродинамічному стенді порівнялася з характеристикою, яку було отримано при моделюванні робочого процесу вентилятора з використанням відповідного програмного забезпечення. Відхилення розрахункової характеристики від експериментальної у діапазоні близькому до номінальних робочих режимів (для ВМЕВО-8 діапазон Q=12...18 м3/c) практично не перевищують погрішностей вимірів, які склали для Q - ± 1,5%, Pv - ± 0,5%, N - ± 0,86%, з - ± 1,5%.

Критеріями оптимізації на другому етапі є безрозмірна хорда лопатки РК b, безрозмірна ширина втулки РК l, площа поверхні листової лопатки S, які визначають масу Мрк РК, номінальне значення КПД з і параметр л, який з’ясовує характер обтікання профілю, та визначається як відношення максимальної дотичної швидкості потоку на профілі до швидкості потоку на вихідній кромці лопатки у кореневому перетині. Другий етап задачі оптимізації параметрів ВМП у загальному виді записується:

Знайти

Мрк>min (10)

(л<2)

Нормовані значення критеріїв оптимізації та інтегрального критерію наведені на рис. 3. При заданій номінальній подачі залежності площі поверхні лопатки РК і номінального ККД як функції н мають екстремуми.

На третьому етапі параметром, що оптимізується, є доля розподілу аеродинамічної навантаженності між ВНА та РК при постійному коефіцієнті тиску, яка характеризується кутами установки лопаток напрямного апарата ИНА та відповідного кута установки лопаток РК ИК. У загальному виді задача оптимізації співвідношення параметрів ИНА та відповідного ИК записується у вигляді:

(11)

Нормовані значення критеріїв оптимізації та інтегрального критерію наведені на рис. 4. Встановлено, що форма аеродинамічної характеристики осьового вентилятора місцевого провітрювання при заданій номінальній подачі впливає на значення енерговитрат на провітрювання тупикової виробки Е. Залежність енерговитрат на провітрювання від параметрів, що оптимізуються, має мінімум.

У результаті 2-го та 3-го етапів оптимізації параметрів вентилятора, що модернізується, ВМЕВО-7,1 із двигуном потужністю 75 кВт на основі інтегральних критеріїв отримані наступні оптимальні значення: н=0,676, ИНА=15є при ИК =-4є

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дане нове рішення актуальної науково-технічної задачі оптимізації параметрів ряду осьових вентиляторів місцевого провітрювання, що полягає у розробці та обґрунтуванні математичних моделей, критеріїв, параметрів і послідовності етапів оптимізації, використання яких при оптимальному проектуванні забезпечує зниження енерговитрат на провітрювання, додаткового нагрівання повітря в проточній частині вентилятора та підвищення кількості повітря, що подається у вибій довгих тупикових виробок глибоких шахт.

Основні висновки, наукові та практичні результати, отримані автором у дисертаційній роботі, полягають у наступному:

1. Системою провітрювання тупикової гірничої виробки є сукупність підсистем: вентилятор місцевого провітрювання ВМП, вентиляційний трубопровід ВТ, виробка В, які взаємодіють із шахтною атмосферою, а також підсистем енергопостачання ЕП, автоматизації і керування АК, техобслуговування і ремонту ТО та Р. Для вибору оптимальних параметрів ВМП необхідно в першу чергу враховувати взаємозв'язки в підсистемах ВМП, ВТ і В.

2. Виконано аналіз статистичних характеристик таких параметрів виробок вугільних шахт України, як максимальна довжина і площа поперечного перетину. Групування значень параметрів виконувалося виходячи із діаметрів dтр вентиляційних трубопроводів, які застосовуються на шахтах України. Для розглянутих значень dтр 90 % виробок мають довжину lв max меншу за 450 м при dтр=0,6 м, меншу за 1000 м при dтр=0,8 м, меншу за 1500 м при dтр=1 м, меншу за 2000 м при dтр=1,2 м.

3. Розроблені математичні моделі системи «ВМП - вентиляційний трубопровід - тупикова виробка», у яких дано аналітичний опис характеристик вентилятора (як поліноміальної функції витрати повітря при оцінці ефективності існуючих вентиляторів і вперше як функції номінальних параметрів при їхній оптимізації) і нещільного вентиляційного трубопроводу. При цьому обґрунтовано з погляду мінімуму середньоквадратичної похибки вид рівняння апроксимації коефіцієнта витоків - поліноміальна функція двох змінних: витрати повітря на початку трубопроводу і його довжини, що дискретно змінюється.

4. Обґрунтовані узагальнені (за весь період провітрювання виробки) критерії оцінки ефективності провітрювання тупикових вибоїв та оптимізації номінальних параметрів і форми характеристики вентиляторів місцевого провітрювання - енерговитрати на провітрювання (сумарні та питомі), сумарна кількість поданого у вибій повітря, середньозважений ККД вентилятора за весь час проведення виробки, середня температура додаткового нагрівання повітря в проточній частині, які враховують дискретну зміну довжини вентиляційного трубопроводу. На основі ММ «ВМП – вентиляційний трубопровід - тупикова виробка» розроблена методика оцінки ефективності провітрювання за вказаними критеріями.

Аналіз показників ефективності провітрювання, які забезпечують існуючі ВМП показав, що вентилятори ряду ВМЕВО значно перевищують вентилятори серії ВМЕ. ВМП ВМЕВО забезпечують менші в 1,03...1,3 рази енерговитрати на провітрювання, більший на 8...17% середньозважений ККД, меншу на 0,5...1,6єС середню температуру нагрівання повітря в проточній частині. Вентилятори серій ВМЕВО і ВМЕ забезпечують приблизно однакові сумарні витрати повітря у вибою, при цьому ВМП ВМЕВО мають в 1,8...2 рази меншу масу при порівнюваній із ВМП ВМЕ встановленою потужністю.

Вентилятор ВМЕВО-7,1 із двигуном потужністю 55 кВт при роботі на трубопровід з dтр=0,8 м за основними показниками ефективності поступається вентилятору ВМЕВО-6,7, а при роботі на трубопровід з dтр=1 м - вентилятору ВМЕВО-8. Модернізація вентилятора ВМЕВО-7,1 шляхом підвищення робочих параметрів за рахунок установки перспективного двигуна потужністю 75 кВт дозволить підвищити ефективність провітрювання виробок з вентиляційним трубопроводом dтр=1 м.

5. Запропоновано критерії, послідовність і зміст етапів нового рішення задачі багатокритеріальної оптимізації параметрів ВМП: на 1 етапі оптимізація значення номінальної подачі вентилятора з типовою формою характеристики за наступними критеріями: енерговитрати на провітрювання, середня температура додаткового нагрівання повітря в проточній частині ВМП, сумарна кількість поданого у вибій повітря; на 2 етапі - оптимізація значення втулкового відношення осьового вентилятора місцевого провітрювання за наступними критеріями: розміри лопатки, відносна ширина втулки, критерій безвідривного обтікання та номінальний ККД; на 3 етапі - оптимізація співвідношення аеродинамічного навантаження лопаток ВНА та РК при постійному коефіцієнті тиску, яке характеризується кутами установки лопаток напрямного апарата та робочого колеса за критеріями, які використовувались на 1 етапі, з наступним уточненням прийнятої на 1 етапі форми аеродинамічної характеристики.

6. Вперше встановлена наявність впливу прийнятих параметрів оптимізації на узагальнені показники ефективності провітрювання, номінальний ККД вентилятора і площу поверхні лопаток РК. Залежності функції мети від параметрів, що оптимізуються, мають екстремуми, що свідчить про обґрунтованість постановки задачі оптимізації параметрів ВМП.

7. Оптимальний вибір указаних номінальних і конструктивних параметрів вентилятора місцевого провітрювання дозволяє знизити енерговитрати на провітрювання на 15%, середню температуру нагріву повітря в проточній частині вентилятора на 1,1?С, збільшити сумарну кількість повітря, яке подається у вибій на 5%, підвищити номінальний ККД вентилятора на 4,5%.

8. При модернізації ВМП ВМЕВО-7,1 необхідно реалізувати наступні оптимальні параметри: - номінальна потужність електродвигуна – 75 кВт, номінальні подача та тиск 12 м3/с та 4125 Па, втулкове відношення – 0,676, кут установки лопаток ВНА – +15° і РК – 4°. Реалізація таких параметрів при модернізації ВМЕВО-7,1 дозволяє збільшити номінальний кКд на 2,3%, знизити температуру додаткового нагрівання повітря на 8% (у порівнянні із ВМЕВО-8) і 27% (ВМЕ2-10), знизити енерговитрати при роботі на вентиляційний трубопровід діаметром 1 м на 30% (у порівнянні із ВМЕВО-8).

9. Результати роботи використані при розробці ряду ВМП ВМЕВО, а також модернізації ВМЕВО-7,1. Вентилятори серії ВМЕВО розроблені ТОВ Аеровент та серійно випускаються ЗАТ «Донвентилятор» і ВАТ «Вентпром». У даний момент в експлуатації на шахтах України та Росії перебуває близько 200 вентиляторів даної серії. Обґрунтовано параметри для вентилятора, що модернізується, ВМЕВО-7,1. Модернізація передбачає застосування двигуна номінальною потужністю 75 кВт, габарити якого повинні відповідати двигуну з номінальною потужністю 55 квт.

Результати роботи можуть бути використані проектними та науково-дослідними організаціями, машинобудівними заводами при створенні і модернізації вентиляторів місцевого провітрювання для вугільних шахт.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кондрахин П. В. Аналитическое представление характеристик гибких вентиляционных трубопроводов предназначенных для проветривания тупиковых забоев/ Руденко В. А., Гордиенко Ю. А., Кондрахин П. В.// Наукові праці ДонНТУ. Випуск 99. Серія: гірничо-електромеханічна. – Донецьк, 2006. – C. 189-194.

2. Кондрахин П. В. Анализ статистических параметров тупиковых горных выработок, оснащенных ВМП/Кондрахин П. В.// Наукові праці ДонНТУ. Випуск 13(123). Серія: гірничо-електромеханічна. – Донецьк, 2007. – C. 84-90.

3. Кондрахин П. В. Анализ параметров рабочих режимов вентиляторов местного проветривания при работе на трубопроводы длиной свыше 1000 м/ Руденко В. А., Гордиенко Ю. А., Кондрахин П. В.// Вісник криворізського технічного університету. Збірник наукових праць. Випуск 12. Кривий Ріг, 2006. – С. 116 -118.

4. Кондрахин П. В. Математическая модель вентиляционной системы «вентилятор местного проветривания - гибкий трубопровод»/ Кондрахин П. В.// Наукові праці ДонНТУ. Випуск 104. Серія: гірничо-електромеханічна. – Донецьк, 2006. – C. 91-97.

5. Кондрахин П. В. Оптимизация номинальных и конструктивных параметров вентиляторов местного проветривания/ Гордиенко Ю. А, Беззубко И. А., Кондрахин П. В. // Наукові праці ДонНТУ. Випуск 14(127). Серія: гірничо-електромеханічна. – Донецьк, 2007. – C. 67-75.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві: [1] – проведення досліджень та аналіз результатів; [3] – розробка ММ гнучкого вентиляційного трубопроводу з dтр = 1 м; [5] – обґрунтування послідовності та змісту етапів, а також критеріїв і параметрів оптимізації.

АНОТАЦІЯ

Кондрахин П. В. Оптимізація параметрів ряду осьових вентиляторів місцевого провітрювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 - «Гірничі машини». Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2008.

В дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення ефективності провітрювання довгих тупикових виробок осьовими вентиляторами місцевого провітрювання.

Розроблена математична модель провітрювання тупикової виробки, у якій рівняння аеродинамічної характеристики та характеристики потужності вентилятора представлені у вигляді поліноміальних функцій. На основі запропонованої математичної моделі розроблена методика оцінки ефективності провітрювання, яка забезпечується існуючими вентиляторами.

Виконана постановка та обґрунтована послідовність рішення задачі оптимізації номінальних і конструктивних параметрів вентиляторів місцевого провітрювання. Розроблено математичну модель системи «вентилятор місцевого провітрювання - вентиляційний трубопровід з довжиною, що дискретно змінюється, - виробка», яка дозволяє виконувати пошук оптимальних значень номінальної подачі вентилятора при заданій потужності двигуна.

Обґрунтовано критерії оптимізації втулкового відношення вентилятора місцевого провітрювання - безрозмірна хорда листової лопатки, безрозмірна ширина втулки робочого колеса, площа поверхні листової лопатки, номінальне значення ККД вентилятора, параметр, що визначає характер обтікання кореневого перетину профілю лопатки робочого колеса.

Встановлена наявність впливу прийнятих параметрів оптимізації на узагальнені показники ефективності провітрювання, номінальний ККД вентилятора та площу поверхні лопаток РК. Залежності функції мети від параметрів, що оптимізуються, мають екстремуми, що свідчить про обґрунтованості постановки задачі оптимізації параметрів ВМП.

Ключові слова: вентилятор місцевого провітрювання, тупикова виробка, ефективність провітрювання, втулкове відношення, робоче колесо, гнучкий вентиляційний трубопровід, коефіцієнт витоків.

АННОТАЦИЯ

Кондрахин П. В. Оптимизация параметров ряда осевых вентиляторов местного проветривания. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 – «Горные машины». Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2008.

Диссертация посвящена вопросу оптимизации номинальных и конструктивных параметров ряда осевых вентиляторов местного проветривания. В работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи оптимизации параметров ряда осевых вентиляторов местного проветривания, которое обеспечивает снижение энергозатрат на проветривание, дополнительного нагрева воздуха в проточной части вентилятора, а также повышение количества воздуха, подаваемого в забой длинных тупиковых выработок глубоких шахт.

Разработана математическая модель гибкого вентиляционного трубопровода. Обоснован с точки зрения минимума погрешности аппроксимации вид уравнения для аналитического выражения коэффициента утечек. Напорная характеристика трубопровода и уравнение изолиний равного поступления воздуха в забой представлены в виде функции двух переменных – расхода воздуха в начале трубопровода (расхода в забое выработки – для уравнения изолиний равного поступления воздуха в забой) и его дискретно изменяющейся длины.

На основе статистического анализа параметров выработок, проводимых на шахтах Украины, получены значения максимальных длин выработок оснащенных гибкими вентиляционными трубопроводами. Наибольшее распространение получили трубопроводы диаметром 0,8 и 1 м, 90% выработок, оснащенных данными трубопроводами имеют максимальную длину менее 1000 и 1500 м соответственно.

Разработана математическая модель проветривания тупиковой выработки, в которой уравнение аэродинамической и мощностной характеристик вентилятора