Насосики турбоашины и компрессора

Рис.35. Сводные графики областей промышленного использования шахтных вентиляторных установок главного проветривания:

а – осевых: 1 – ВОД-16П, 2 – ВОД-21М,

3– ВОД-30М, 4 – ВОД-40М, 5 ВОД-50; б – центробежных типов ВЦ и ВЦД, регулируемых

поворотом лопаток направляющего аппарата:

1 – ВЦ-15/1000, 1' – ВЦ-15/500, 2 – ВЦ-25М/600,

3 – ВЦ-31,5М/500, 4 – ВЦД-31,5М/600, 4' – ВЦД-31,5М/500, 5 – ВЦД-47,5У/495,

5' – ВЦД-47,5У/375; в – центробежных типов ВЦД, регулируемых изменением частоты вращения с помощью вентильно-машинного насадка:

1 – ВЦД-31,5М/590-300, 2 – ВЦД-47,5У/495-250, 3 – ВЦД-47,5А/490-250

эту зависимость разные значения подачи, получаем соответствующие им депрессии и строим характеристику сети.

Приведенные годовые затраты в рублях определяют по формуле

С = Сэ + C1Ен + АВ + Ср + Со+ См,

(75)

где Сэ – среднегодовая стоимость электроэнергии; С1 – стоимость оборудования; Ен – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; Ав – годовые амортизационные отчисления; Ср – годовые затраты на ремонт; Со, См – расходы на обслуживание и материалы.

Расходы на электроэнергию:

8760а

Q P

Q P

C

э

1

1 1

T

п п

T

a N

ном

,

(76)

1T

1

н

2

1000дв с

T п

61

где а1 – тариф за электроэнергию; дв, с – КПД двигателя и сети; Т = Т1 + … + Тп – полный срок эксплуатации установки; Q1,Р1,1,T1 – производительность, среднее давление, КПД и число лет первого периода эксплуатации;Nном – установленная мощность приводного двигателя; а2 – годовой тариф за единицу установленной мощности.

Иногда при прочих равных показателях достаточно провести сравнение двух вентиляторов по средневзвешенному во времени КПД из формулы

	ср	1Т1	пTп .	(77)
		T1	Tп

Вопросы для самопроверки

1.Дайте классификацию шахтных вентиляторных уста-

новок [3,4].

2.Перечислите основные преимущества и недостатки шахтных осевых и центробежных вентиляторов [1,3].

3.Чем обусловлена необходимость регулирования вентиляторов главного проветривания [1,3]?

4.Что такое эквивалентное отверстие рудника [1,6]?

5.Как получить действительную характеристику вентиляционных сетей [4,6]?

6.Напишите формулы для определения затраченной работы и полезной работы всасывающего вентилятора [4,6].

7.Как определить статический КПД рудничного всасывающего вентилятора [6]?

8.Назовите функции, выполняемые спиральным корпусом и диффузором вентилятора [1].

9.Запишите формулы для определения работы и КПД нагнетательного вентилятора [6].

10.Как определить мощность вентилятора [4,6]?

11.Для чего проводят испытания вентиляторов [3,6]?

12.Что понимается под вентиляторной установкой [6]?

13.Перечислите основные элементы главной вентиляторной установки [1,4].

62

14.Перечислите этапы методики выбора вентиляторной установки главного проветривания [1,6].

15.Запишите формулу для определения расхода электроэнергии вентиляторной установки [1,6].

5.ШАХТНЫЕ ВОДООТЛИВНЫЕ УСТАНОВКИ

5.1. Классификация водоотливных установок

Водоотливная установка – это комплекс технических средств для осушения горных выработок и выдачи воды на поверхность. В зависимости от назначения водоотливные установки (ВУ) разделяются на центральные, главные, участковые, вспомогательные, перекачные, проходческие и скважинные.

Центральная ВУ служит для откачки воды из нескольких шахт. Главная ВУ – для выдачи на поверхность притока воды всей шахты. Участковые ВУ откачивают с участков в главный водосборник или сразу на поверхность воду из выработок. Вспомогательные ВУ располагаются на участках, уклонах, зумпфах и служат для перекачки воды в водосборник главной или центральной ВУ. При волнистой почве пласта применяются перекачные ВУ для откачки воды из участков в водосборник главной ВУ.

Проходческие ВУ применяются при проходке уклонов, наклонных и вертикальных стволов шахт. Установки для понижения грунтовых вод называются скважинными.

Центральные, главные, вспомогательные и участковые ВУ, как

Рис.36. Схема водоотливной установки

63

правило, размещаются в специальных камерах и являются стационарными.

Водоотливные установки (рис.36) оборудуются в основном центробежными насосами. Установка состоит из насоса 1 с двигателем, всасывающего трубопровода 2 с приемной сеткой 3 и клапаном 4, нагнетательного трубопровода 5 с задвижкой 6 и обратным клапаном 7, трубки 8 с вентилем 9 для заливки насоса водой перед пуском. Давления в трубопроводах 2 и 5 измеряются вакуумметром 10 и манометром 11.

Вертикальное расстояние от уровня воды в колодце до оси насоса называется геодезической (геометрической) высотой всасывания Zвс, а расстояние от оси насоса до сливного трубопровода – геодезической (геометрической) высотой нагнетания Zн. Сумма этих высот есть высота подачи и является полной геодезической высотой водоподъема.

5.2. Технологические схемы стационарного водоотлива

На рудниках применяются различные схемы водоотлива в зависимости от глубины и числа горизонтов, способа и поряд-

Рис.37. Схема водоотлива при разработке одного горизонта: а – бесступенчатый водоотлив; б – последовательное соединение насосов при недостаточном напоре одного; в и г – ступенчатые схемы с размещением насосов на разных уровнях

1 и 2 – насосы; 3 и 4 – трубопроводы; 5 – водосборник

64

Рис.38. Схема водоотлива при разработке двух горизонтов: а – бесступенчатый водоотлив отдельно с каждого горизонта; б, в, г – ступенчатые схемы с перекачкой или перепуском воды на разные горизонты

1 и 2 – насосы; 3 и 4 – трубопроводы

ка отработки месторождений.

При разработке одного горизонта целесообразна схема бесступенчатого водоотлива, когда вода собирается в водосборник главного водоотлива и насосы откачивают ее на поверхность (рис.37, а). Если напора одного насоса недостаточно, то применяют последовательную работу насосов (рис.37, б) или используют ступенчатые схемы (рис.37, в, г).

При разработке двух и более горизонтов с самостоятельными притоками возможен бесступенчатый водоотлив с каждого горизонта (рис.38, а) или с перекачкой (рис.38, б, в, г) в зависимости от водопритока с отдельных горизонтов. Например, если водоприток верхнего горизонта велик, то рациональна схема, приведенная нарис.38, б. Если велик водоприток нижнего горизонта, то используют схему с перепуском воды с верхнего горизонта на нижний (рис.38, в). Напор воды с верхнего горизонта можно частично использовать (рис.38, г), если воду подводить непосредственно по трубам с горизонта к всасывающему тракту насосов.

5.3. Насосные камеры и водосборники

Насосы, аппаратура управления и автоматизации ВУ размещаются в специальных горных выработках – насосных камерах (рис. 39). Насосная камера 1 наклонным ходком 8 соединяется с

65

Рис.39. Технологическая схема главного водоотлива (а) и план горных выработок в околоствольном дворе (б)

1 – насосная камера; 2 – водосборник; 3 – всасывающий колодец; 4 – трубный ходок; 5 – ствол; 6 – отстойник шахтных вод; 7 – подземная электроподстанция; 8 – ходок в околоствольный двор; 9 – насосы; 10 – трубопровод

околоствольным двором и трубно-кабельным ходком 4 со стволом 5, а с помощью труб с задвижками – с водосборником 2.

Обычно насосная камера располагается на свежей струе в околоствольном дворе и примыкает к подземной подстанции. Устройство насосной камеры должно обеспечивать безопасную эксплуатацию оборудования, его монтаж и доставку. Для предотвращения затопления насосной камеры пол ее располагается на 0,5 м выше отметки околоствольного двора.

Насосные камеры могут располагаться выше и ниже уровня воды в водосборнике, т.е. насосы имеют положительную или отрицательную высоту всасывания. Во втором случае насосы работают с подпором, что исключает появление кавитации в насосах и необходимость их заливки перед пуском. Однако недостатком погружной камеры является сложность ее герметизации и большие капитальные затраты.

Водосборники – это выработки для сбора воды и ее осветления. По правилам технической эксплуатации их вместимость рассчитывается для главных и участковых установок со-

66

Рис.40. К рассмотрению явления кавитации в центробежных насосах

ответственно на четырех- и двухчасовой приток воды, а для шахт опасных по прорыву вод на восьми- и четырехчасовой приток.

Из водосборника вода поступает в водоприемный колодец, откуда насосами откачивается на поверхность. Загрязнение водосборника не допускается более чем на 30 %. Водосборники очищаются от ила не реже двух раз в год.

5.4. Кавитация в насосах

При расположении насоса выше уровня откачиваемой воды поступление ее в рабочее колесо происходит за счет значительного разрежения. Наиболее низкое давление будет на задней стенке входной кромки лопасти рабочего колеса в точке А (рис.40, а). Минимальное абсолютное давление Рmin (рис.40, б) можно определить из выражения

	P		P					С 2
	min		a	H	вс	h		вс	h	hпар ,	(78)
						тр		2g	л
где Ра – атмосферное давление;								Hвс –		высота	всасывания;

hтр = lрС2вс /(dвс2g) – потери напора от гидравлических сопротивлений движению; Свс – скорость воды во всасывающем трубопроводе; hл – местные

потери напора от удара потока при входе в коле-

со; hпар – напор, при котором вода данной темпера-

туры превращается в пар. В случае наруше-

ния неравенства (78) на конце задней стенки лопасти с жидкостью образуются мельчайшие пузырьки паров воды, которые, перемещаясь вдоль лопасти, переходят в область с давлением выше hпар, где за счет конденсации они

67

мгновенно исчезают, создавая при этом гидравлический удар огромной силы по поверхности лопасти выданной точке с резким повышением местного давления до 1050 МПа. Это явление называется кавитацией и приводит к разрушению поверхности лопастей.

Местные потери давления при входе воды на лопасти колеса имеют весьма сложную зависимость от ряда факторов и на основании исследований проф. С.С.Руднева могут быть определены из выражения

							4
				Q			3
		n					,		(79)
h 10
л			C

где n – частота вращения вала насоса; Q – подача насоса; С – кавитационный коэффициент быстроходности; характеризующий конструкцию колеса, С = 800 1000.

Подставив (79) в (78), получим допустимую высоту всасы-

вания

n

4

Pa

L

2

Q

3

Hвс

p

Свс

hпар.

1

10

(80)

dвс

2g

C

При развитии кавитации количество и размеры пузырьков растут – появляется облако пузырьков и в межлопаточном канале образуется полость, которая уменьшает активные сечения потока в канале рабочего колеса, снижая напор насоса и увеличивая потери. Захлопывание пузырьков на поверхности каналов вызывает механическое воздействие на лопатки и диски, приводит к местным выкрашиваниям – эрозии поверхности.

Кавитация сопровождается также вибрацией и шумом.

Увеличение подачи или скорости вращения вала накоса приводит к отрицательной высоте всасывания, поэтому необходимая компенсация недостающей высоты достигается погружением насоса в воду или созданием подпора специальным насосом (бустерный насос включается последовательно с основным во всасывающий трубопровод). Предотвращением кавитации является также снижение скорости воды (увеличивают dвс).

68

5.5.Осевое усилие в лопастном насосе

Вцентробежных насосах осевое усилие, действующее по оси ротора в сторону входа текучего в машину, неизбежно и может быть очень велико, а его уравновешивание представляет сложную техническую задачу.

Физическая природа осевого усилия понятна из схемы рабочего колеса и эпюры давлений, действующих на обе стороны колеса (рис.41).

При работе центробежного насоса в колесе происходит

приращение давления от Р1 перед входом до Р2 после выхода жидкости из него. На колесо действуют осевые усилия от гидростатического давления воды в пространствах между корпусом насоса и дисками (передним и задним) колеса.

Сжимающие силы по кольцу от внешнего диаметра D2 до диаметра уплотнения переднего диска D1 одинаковы и двигающего усилия не дают (площади этих эпюр перечеркнуты крестообразно).

По кольцу от диаметра D1 до диаметра втулки dв, осевые

Рис.41. К определению осевого усилия в насосах

69

силы со стороны заднего диска значительно больше сил со стороны входа воды, создается осевое усилие одной ступени на вал насоса.

Суммарная осевая сила в многоступенчатом центробежном насосе выражается формулой

				2				R	2				D2		,
F	Z	P			U2	1		ср			P			d 2		(81)
ос		к	2	2				R			1		4 1	в
								2

где P1, P2 – давления воды на входе и выходе колеса; Zк– число колес; U2 – линейная скорость на наружной окружности колеса; Rcp = Dcp /2 – средний радиус окружности входного отверстия в колесе; R2 – внешний радиус колеса.

Уравновешивание осевого усилия может быть осуществлено следующими способами: гидравлическим уравновешивающим устройством с разгрузочным диском, применением колес с двусторонним всасыванием или взаимно противоположной установкой обычных колес.

5.6.Действительная характеристика внешней сети

ирежим работы водоотливной установки

Установка главного водоотлива работает обычно на постоянный трубопровод, сопротивление которого в процессе эксплуатации меняется незначительно, а утечки практически отсутствуют. Напор, необходимый для подъема воды, можно вычислить по формуле [6]

Lр.всСвс2

Lр.нСн2

С 2

H

м

H

г

вс

н

н

.

(82)

dвс 2g

dн 2g

2g

Здесь второе слагаемое есть потери напора на всасывание, третье слагаемое – потери в нагнетательном трубопроводе, четвертое слагаемое – напор на создание кинетической энергии потока.

Зная, что скорость потока С = QF (Q – расход; F – пло-

70