Насосики турбоашины и компрессора

щадь поперечного

сече-

Hм

a1

A

a2

ния), можно получить за-

а

висимость

H = f (Q),

имеющую

вид квадратич-

0

м

ной параболы с начальной

H

max

max

г

ординатой Нг, которая яв-

H

0,8

ляется

характеристикой

Q2

0

Q2

Q2

Q

внешней сети водоотлив-

Qнм

ной установки.

Рис.42. Определение режима работы,

Для определения

экономической зоны и устойчивости

режима работы насосной

эксплуатации центробежного насоса

установки

делают

графи-

ческое сопоставление характеристик сети и насоса, построенных в одном масштабе. При этом режим работы должен быть единственным (пересечение характеристик в одной точке). На рис.42 показан нормальный режим работы (в точке а), который должен

быть в области экономичной зоны эксплуатации, т.е.	при
0,8 max и в области устойчивой части характеристики,	т.е.
правее точки А.

При наличии напорной характеристики насоса с максимумом (точка А) возможен случай с двумя режимами работы (a1 и а2), т.е. наблюдается неустойчивая работа с гидравлическими ударами (например, при резком изменении подачи от Q1 до Q2).

Если характеристика внешней сети пройдет выше напорной характеристики насоса, то не будет никакого режима работы. Отсюда очевидно обязательное условие нормальной работы

Нм 0 > Hг ,

(83)

где Hм 0 – начальный манометрический напор насоса при нулевой подаче (пуск при закрытой задвижке).

5.7. Проектирование водоотливных установок

Цель проектирования – выбор современных технических средств водоотлива при максимальной экономичности эксплуа-

71

тации. К задачам проектирования относятся: выбор схемы водоотлива; расположение и выбор насоса; подбор трубопровода; определение действительного режима работы водоотливной установки; выбор электродвигателя и схемы автоматизации; определение расхода электроэнергии.

Методика расчета излагается в соответствии с работой

[2].

Для расчета водоотливной установки необходимы следующие исходные данные: величина нормального Qпр и максимального притока Qпр max воды; геометрический напор, т.е. полная высота подъема воды Нг; физико-химическая характеристика воды.

С учетом принятых схем вскрытия месторождения и околоствольного двора выбирается место расположения насосной камеры и водосборников, место слива воды на поверхности. Это позволяет запроектировать гидравлическую схему, установить геометрическую высоту всасывания и нагнетания, длину трубопроводов.

Минимальная подача насоса выбирается из условия, что рабочий насос должен откачивать максимальный суточный приток не более чем за 20 ч:

Qmin = 24Qпр /20.	(84)
Ориентировочный напор насоса
H ' = Hг /тр ,	(85)

где тр = 0,9 0,5 – КПД трубопровода.

Нанеся точку с координатами Qmin, H ' на сводный график рабочих зон характеристик насосов (рис.43), определяем тип насоса.

В случае, если требуемый напор не может быть обеспечен насосом данной подачи, необходимо: использовать насос c большей подачей и напором, применить ступенчатый водоотлив с последовательным включением насосов, расположенных на разных горизонтах, или ступенчатый водоотлив с водосборником на промежуточном горизонте.

72

Рис.43. Области промышленного использования шахтных секционных насосов

Если необходимая подача превышает максимальную для насоса, подходящего по напору, то следует применить параллельную работу насосов на один трубопровод.

После выбора насоса необходимо определить его подачу и напор на одно колесо Hк в оптимальном режиме (при максимальном КПД) и нулевой подаче Нко

Определяется число рабочих колес насоса

Zк = H '/Hк .	(86)
Вычисляется напор насоса при закрытой задвижке
H0 = HкoZк .	(87)

Выбранный насос проверяется на наличие рабочего режима и устойчивость работы: Hг 0,95H0, в противном случае увеличивается число колес.

Определяется оптимальный диаметр напорного трубо-

73

провода по формуле

1

Q2

0,124а

э

Q

dопт 0,16,3

э

пр.н

нлс

,

(88)

nR'

у ст

т

где аэ – стоимость 1 кВт ч электроэнергии, руб /(кВт ч); э = Lэ /L

– коэффициент эквивалентной длины, учитывающий потери напора на местные сопротивления за пределами насосной камеры (обычно э = 0,1); Lэ – длина, эквивалентная местным сопротивлениям нагнетательного трубопровода, м; L – геометрическая

длина нагнетательного трубопровода, м; Qпр Qпр /(nQ) – отно-

сительный часовой приток воды; Q – подача насоса по паспорту, м3/ ч; n – число напорных трубопроводов, включая резервный; R'т = 100-230 – коэффициент, зависящий от давления и марки

стали; уст = н дв с – КПД установки, зависящий от КПД насоса, двигателя и электрической сети.

Полученное значение диаметра округляется до ближайшего значения по ГОСТ 8731-87.

Диаметр всасывающего трубопровода выбирают из расчета, чтобы скорость в нем не превышала 1 м/с, и в то же время он должен быть на 25-50 мм больше диа-

метра напорного трубопровода. Составляется уравнение характе-

ристики трубопровода

H = Hг + RcQ2, (89)

где Rc – сопротивление трубопровода. Для получения правильного ре-

зультата гидравлическая схема разбивается на три участка (рис. 44): 1 – подводящий трубопровод и его арматура; 2 – трубопровод с арматурой в насосной камере; 3 – напорный трубопровод с арматурой.

Тогда

	Рис.44. Расчетная схема	Rc = Rc1Rc2Rc3	,	(90)
	трубопровода

74

Rc1 = Aдл1lp1 + Aм 1;

где Aдл1,Aм – удельное гидравлическое сопротивление соответственно по длине и местное; 1 – сумма коэффициентов местных сопротивлений фасонных частей, арматуры, задвижек на данном участке; значения Aдл1 и Aм, подсчитаны по формулам

	Адл	8		;	Ам	8		,	(91)
		36002	2qd5			36002	2qd 4

где = 0,021/d 0.3 – коэффициент гидравлического трения. Задаваясь различными значениями Q в уравнении (89),

находим соответствующие Н. Совмещаем характеристику насоса и трубопровода в одном масштабе. Точка пересечения опре-

деляет рабочий режим – Qраб, Hраб, раб.

Делается проверка на допустимую высоту всасывания по формуле

H	в	Н	вс	А l	A	1 Q2	,	(92)
				дл1 p1	м1	1

где Hвс – действительная вакуумметрическая высота всасывания (определяется по типовой схеме).

По характеристике насоса определяется допустимая высота всасывания Hдоп.в при Qраб. Для избежания кавитации необходимо обеспечить условие Нв Ндоп.в. Если условие не выполняется, то необходимо уменьшить геометрическую высоту всасывания или увеличить диаметр всасывающего трубопровода.

Определяется необходимая мощность двигателя

Nдв	1,1QрабHраб q
		.	(93)
	3600000раб

По мощности и частоте вращения (указанной на характеристике насоса) выбирают электродвигатель.

Годовой расход электроэнергии

	E	1,05QрабHраб q	305Тн 60Тmax ,	(94)
		3600000раб дв с

75

где Тн = 24Qпр /Qраб – время работы агрегатов в сутки при откачке нормального притока; Tmax = 24Qпр.mах /Qраб – максимального

притока.

Вопросы для самопроверки

1.Дайте классификацию шахтных водоотливных уста-

новок [1,6].

2.Приведите основные технологические схемы стационарного водоотлива [1,4].

3.Поясните устройство и расположение насосных камер

иводосборников [3,4].

4.Физические основы возникновения кавитации. По какому закону она возникает [4,6]?

5.Как определяется вакуумметрическая высота всасы-

вания [3,6]?

6.Причины возникновения осевого усилия, его значение

испособы уравновешивания [4,6].

7.Что такое действительная характеристика внешней сети и как определяется рабочий режим водоотливной установки

[6]?

8.Как выбирается электронасосный агрегат для стационарного шахтного водоотлива [2,5]?

6. РУДНИЧНЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Применение сжатого воздуха в горном деле обусловлено его безопасностью для рабочих, лучшими условиями вентиляции забойного участка, малым весом и простотой конструкции ручного пневматического инструмента, надежностью в работе и простотой обслуживания.

Основным недостатком пневматики является то, что на подведение 1 кВт пневмоэнергии к забою необходима затраченная мощность на поверхности в 6 кВт. Однако ликвидация ручного труда стоит таких затрат.

76

6.1. Классификация компрессоров

Машина, служащая для преобразования механической энергии привода в полезную потенциальную и кинетическую энергию сжатого газа, называется компрессором. По способу сжатия газа компрессоры делятся на две группы: объемного сжатия – давление газа повышается за счет уменьшения рабочего пространства (поршневые, винтовые, ротационные); кинетического сжатия – газ сжимается в процессе принудительного движения газа при силовом взаимодействии с лопатками вращающихся колес (турбокомпрессоры – центробежные и осевые или лопастные).

По величине создаваемого давления: вакуум-насосы – отсасывающие газ из пространства с вакуумом и сжимающие его до атмосферного или чуть большего давления; воздуходувки (газодувки) – давление до 0,3 МПа; компрессоры низкого давления – 0,3-1,0 МПа; среднего давления – 1,0-10 МПа; высокого давления – 10-250 МПа.

В горном деле наиболее широко применяются компрессоры низкого давления, а также вакуум-насосы для отсасывания метана из угольных пластов.

По числу ступеней сжатия компрессоры подразделяются на одно-, двух- и многоступенчатые.

6.2. Принципиальная схема и принцип действия поршневого компрессора

Основные узлы поршневого одноступенчатого компрессора – рабочий цилиндр 1 (рис.45), поршень 2, приемный (всасывающий) клапан 3, нагнетательный клапан 4. Кривошипношатунный механизм, состоящий из штока 5, крейцкопфа 6, шатуна 7 и кривошипа 8 служит для преобразования вращательного движения привода в возвратно-поступательное движение поршня.

77

Рис.45. Схема поршневого одноступенчатого компрессора простого действия

Расстояние между двумя крайними положениями поршня (А-А и В-В) называется ходом поршня: S = 2r, где r – радиус кривошипа.

При движении поршня 2 вправо увеличивающийся объем рабочего цилиндра заполняется воздухом через открытый клапан 3 из всасывающего трубопровода (процесс всасывания). По достижении поршнем положения В-В клапан 3 закрывается и поршень начинает двигаться влево, начинается процесс сжатия, который заканчивается при достижении поршнем положения С-С. В этом положении открывается нагнетательный клапан 4 и происходит процесс нагнетания, т.е. вытеснение воздуха поршнем в напорный трубопровод. С началом движения вправо клапан 4 закрывается и начинается процесс всасывания. Все это составляет цикл работы поршневого компрессора.

6.3. Теоретический и рабочий процесс одноступенчатого поршневого компрессора

Идеальным будет называться компрессор, отвечающий следующим требованиям:

температура и давление воздуха в процессе всасывания в цилиндре компрессора неизменны и равны параметрам всасываемого воздуха;

в процессе выталкивания температура и давление воздуха неизменны и равны параметрам сжатого воздуха за компрессором;

после окончания процесса выталкивания в цилиндре не остается воздуха, т.е.

поршень вплотную прилегает к крышке цилиндра;

утечки и перетечки воздуха в цилиндре отсутствуют;

затраты мощности на механическое трение отсутствуют.

78

Точка 1 на индикаторной диаграмме идеального компрессора (рис.46) соответствует тому, что весь объем цилиндра заполнен воздухом низкого давления (поршень в положении В-В, см. рис.45) и объем воздуха равен V1. Кривая 1-2 – процесс сжатия воздуха в компрессоре от давления P1 до P2 при закрытых клапанах. В точке 2 процесс сжатия заканчивается, объем воздуха достигает величины V2 и открывается нагнетательный клапан.

Линия 2-3 – процесс выталкивания воздуха из цилиндра в резервуар высокого давления, при котором происходит уменьшение количества воздуха в цилиндре. Точка 4 – открывание всасывающего клапана. Линия 4-1 – процесс всасывания в цилиндр воздуха из резервуара низкого давления Р4 , а объем воздуха в цилиндре при этом увеличивается.

Площадь диаграммы, ограниченная ломаной 1-2-3-4-1, есть полная работа за цикл L1п и будет полезной, так как совершается без потерь.

Работа на сжатие воздуха в процессе 1-2

L1 2	V2
		pdV.	(95)
	V1

Так как V2 V1, то работа L1-2 всегда отрицательна и на диаграмме изображена площадью под кривой 1-2 (косая штриховка).

Работа по выталкиванию воздуха в нагнетательную сеть

		V3
	L2 3 pdV или
		V2
	L2 3 p2 V3 V2 p2V2.
		(96)
	При	выталкивании
	P2 = const, а	для идеального
Рис.46. Индикаторная диаграмма	компрессора объем воздуха в
идеального компрессора	цилиндре в	конце процесса
		79

равен нулю (V3 = 0). На диаграмме работа L2-3 соответствует площади прямоугольника под прямой 2-3 (горизонтальная штриховка).

Точка 4 на диаграмме выражает начало процесса всасывания и поскольку изменение давления от Р2 до Р1 происходит без изменения объема V3 = V4 = 0, то работа на этом участке равна нулю.

Работа в процессе 4-1 всасывания воздуха

L	1		V1PdV P		V	V	PV ,	(97)
4				1	1	4	1 1
			V4

так как V4 = 0, а P1 = const.

Суммируя значения работ цикла 1-2-3-4-1, получим

			V2
L = P1V1 – P2V2 + PdV.						(98)
			V1
Применяя для PdV преобразование вида
	PdV = d(pV) – Vdp					(99)
и взяв интеграл, получим
V2		2 2	1 1	P2
	PdV	(P V	PV )		VdP.	(100)
V				P
1				1
Подставив (100) в уравнение (98), получим работу
поршневого компрессора
		P2
		L	PdV.			(101)

P

1

Работа L изображена площадью 1-2-3-4-1 и будет отрицательна, так как для сжатия воздуха необходимо затратить внешнюю работу. Величина L есть техническая работа компрессора и она существенно отличается от работы сжатия в ком-

V2

прессоре PdV.

V2

80