Управление аэрогазодинамическими и тепломассообменными процессами при нормализации атмосферы карьеров (стр. 4 )

Опыт промышленной эксплуатации экспериментального образца вентилятора НК-12КВ показал необходимость доработки его конст­рукции с целью улучшения аэродинамических, гигиенических и экс­плуатационных характеристик. Следует отметить, что в выполненных исследованиях системы «винт–насадок», имеются неточности, приведшие к ошибочным выводам. В связи с этим возникла необходимость в дополнительных теоретических исследованиях качеств системы «винт–насадок», излагаемых ниже.

Определяющим фактором, входящим во все расчетные интегральные формулы, является разность давлений в любой точке эквипотенциальных поверхностей кольца:

(8)

где: pa – атмосферное давление, Па; pк – давление на поверхности кольца, Па; r – плотность воздуха, кг/м3; dS – элемент дуги, на радиусе Rj; Vк – средняя скорость по поверхности равного потенциала, проходящей по поверхности кольца, м/с.

На рис.1 представлена расчетная схема для вычисления интеграла, входящего в формулу 8.

После перехода к безразмерным величинам

и интегрирования получим:

На основании уравнения неразрывности и интегрирования в системе сферических координат –

В итоге имеем общее решение уравнения 8:

В интегральной форме тягу кольца можно представить в виде:

где: m=rpR2v1 – массовый расход воздуха в плоскости вращения винта, кг/с; К – коэффициент тяги винта.

После преобразований с переходом к новой переменной и интегрирования общее решение исходного уравнения для коэффициента тяги кольца представится в виде:

. (11)

В результате расчетов по формуле 11 установлено, что относительная ширина кольца=0,5 () является оптимальной Кmax=0,25 (рис.2). Для определения оптимальной глубины расположения винта в насадке необходимо учесть, что при любых , графики функции имеют точку перегиба при jк=120°. Наличие этой точки свидетельствует о зоне максимальной степени эжекции на поверхности кольца.

Исходя из тригонометрических соотношений (рис.3), оптимальная глубина расположения винта в насадке может быть определена по формуле:

(12)

При

Суммарная тяга системы «винт‑насадок» составит: .

При , т. е. на 25% больше тяги изолированного винта.

Положительный опыт эксплуатации карьерных вентиляторов-оросителей АИ-20КВ  позволил реализовать идею создания мощных модульных вентиляторов на их базе. При компактном расположении модулей входные коллекторы насадков симметрично расположенных 4‑х модулей необходимо профилировать с отклонением плоскости входа воздуха в коллектор от плоскости вра­щения винта на угол a »20°. Отклонение плоскости входа коллек­тора позволяет обеспечить, не только компактность модулей и созда­ваемого потока струй, но и предотвратить ухудшения ус

ловий подтекания воздуха к винтам.

Кроме этих параметров для модуля вентилятора ВОКМ‑4-2500 (рис.4) дано обоснование следующим конструктивным элементам: величине относительного зазора между концами лопастей и кожухом (); относительного расширения насадка относительной длины кожуха спрямляющего аппарата – из 6-ти лопаток с относительной шириной относительной ширины хорды конца лопасти

При проектировании кольца-насадка НК‑12КВ‑1М были рекомендованы следующие параметры: зазор между стенкой насадка и концом лопасти =0,0213 (s=50 мм); относительный радиус кольца насадка =0,212; ширина кольца =0,35; длина насадка =3,6; расстояние от средней плоскости вращения винтов до передней кромки кольца =0,68 (C=1,900 м). Несущественные отличия и от оптимальных значений были обусловлены конструктивными и эксплуатационными причинами.

Результаты сравнительных промышленных испытаний вентиляторов НК‑12КВ (без кожуха) и НК‑12‑КВ‑1М (с кожухом) показали, что выбранные геометрические параметры кожуха позволили значительно улучшить аэродинамические характеристики струй в начальном сечении. Так средняя скорость в начальном сечении струи увеличилась с 48 до 61 м/с, расход с 1160 до 1690 м3/с, профиль скорости стал более равномерным. По сравнению с идеальным винтом применение профилированного кожуха позволило увеличить к. п.д. в 1,3 раза.

При температурных инверсиях в атмосфере карьеров дальнобойность газовоздушных струй карьерных вентиляторов уменьшается и может оказаться недостаточной для воздействия на слои воздуха у дна карьера. В связи с этим определение рационального размещения установок относительно дна карьера следует производить с учетом температурной стратификации.

Расчет параметров неизотермических струй вентилятора можно производить по формуле, полученной и на основе теоремы о количестве движения тела переменной массы. Траектория оси струи описывается уравнением:

(13)

где: – безразмерные координаты траектории струи в вертикальной плоскости; d0 – диаметр струи в начальном сечении, м; a - угол наклона струи в вертикальной плоскости (от горизонтали вниз a <0, вверх a >0), град.; Ar – критерий Архимеда.

Характер температурной стратификации воздуха в атмосфере карьера можно учесть для струй критерием Архимеда:

(14)

где: DТс – избыточная температура струи, К; g – ускорение свободного падения, м/с2; U0 – средняя скорость струи в начальном сечении струи м/с; Тh – температура воздуха в карьере на уровне размещения установки, К.

После подстановки значений параметров, определяющих критерий Архимеда, уравнение 13 приобретает вид: (15)

где: .

Из уравнения 15 определим координаты точки перегиба струи:

Точка пересечения оси струи с осью ОХ определяется из исходного уравнения при

Из анализа коэффициента В, входящего в расчет основных параметров траектории струи, можно установить, что при больших отрицательных значениях g целесообразно выводить часть газов реактивного выхлопа. Это будет способствовать увеличению глубины проникновения струи в атмосферу, а также уменьшит ее токсичность. К примеру, при g= –0,01 К/м и a= –20° за счет вывода 50% газов струи реактивного выхлопа (Тг=377К) глубину проникновения струи можно увеличить в 1,8 раза (yП= –150 м).