obschee

	v2	(4.2)
i	D 2 g ,

где λ – коэффициент сопротивления (коэффициент Дарси); v – средняя скорость потока жидкости; D – диаметр трубы; g – ускорение свободного падения, или по формуле

	i	Q2	,	(4.3)
		k 2

где Q – расход воды; k – расходная характеристика трубы. Тогда потери напора по длине трубопровода длиной L

	HпL i L	Q2	.	(4.4)
		k 2

Коэффициент сопротивления зависит от шероховатости стенок труб и режима движения жидкости. Для ламинарного режима движения коэффициент сопротивления не зависит от шероховатости стенок труб и определяется по формуле

64Re , (4.5)

где Re (v D)– число Рейнольдса;

υ – кинематическая вязкость (для воды υ ≈ 1·10-6 м2/с).

Местные потери напора рассчитываются по формуле

91

	Hп.м	v2		j ,	(4.6)
		2 g	j

где ζj – коэффициент j-го местного сопротивления трубопровода,

который зависит от вида местного сопротивления.

При проектировании водоснабжения необходимо определить положение и длину разводящих трубопроводов, их диаметр на разных участках и общий напор, необходимый для подачи воды к потребителям.

Диаметр водопроводных линий определяется по заданному расходу на основе технико-экономического расчета. Оптимальным значением диаметра будет такое, при котором суммарные расходы на перекачивание жидкости будут минимальными.

Если магистраль состоит из нескольких участков разной длины и диаметров (рис. 4.2), общие потери напора определяются по формуле

				Hп Q2	l j	,	(4.7)
					2
				j	k j
где l	j	и	k 2	– длина и расходная	характеристика		j-ого участка
			j

трубопровода.

Рисунок 4.2 – Сложный трубопровод с последовательным соединением участков

Поскольку на большинстве горных предприятий одновременно в работе находятся несколько потребителей воды, водопроводная сеть

92

обычно является разветвленной (рис. 4.3). Расчет разветвленного трубопровода производится следующим образом.

Рисунок 4.3 – Схема к расчету разветвленного трубопровода

Исходными данными для расчета являются необходимые напоры и расходы воды для каждого из потребителей (H4, H5, H6, Q4, Q5,

Q6), длины каждого из участков трубопровода (l1-2, l2-3, …, l3-6) и

геодезические отметки мест расположения узлов сети (z1, z2, …, z6).

Сначала на схеме трубопровода выбирают магистральную линию от начала сети (насосной станции, водонапорной башни и т.п.) к

некоторой конечной точки. За конечную точку принимают потребителя,

к которому тяжелее всего подать воду с заданным напором и расходом.

Это может быть наиболее отдаленный потребитель, потребитель,

который расположен на наибольшей высоте, или потребитель с наибольшим расходом воды. Например, выберем в качестве магистральной линии 1-2-3-4 (см. рис. 4.3).

Магистральная линия рассматривается как трубопровод,

который состоит из отдельных участков с разными расходами воды:

Q2 3 Q4 Q6 ; Q1 2 Q4 Q6 Q5.

(4.8)

По приведенной методике определяют диаметры отдельных участков магистрального водопровода, а после – потери напора на

93

каждом	участке. Потери	напора	на	участке между j-м и (j-м+1)-м
узлами:
	Hп j	j 1 l j			Q2j	j	1	.	(4.9)
			j	1	k 2j	j	1

Напоры в узловых точках, которые расположены на магистральной линии, определяют, рассматривая каждый участок как отдельный трубопровод с известным напором на выходе. Расчет начинают от конца линии (от потребителя):

H3	H 4	z4	z3	Hп 3	4 ;
H 2	H3	z3	z2	Hп 2	3 ;	(4.10)
H1	H 2	z2	z1	Hп 1 2 .

Напор H1 является напором, который должен создавать насос,

который питает сеть: Hн = H1.

Расчет разветвлений от магистральной линии выполняется как расчет трубопроводов с заданными начальным и конечным напорами.

Диаметр трубы выбирается таким образом, чтобы расход равнялся заданному. Например, для участка 2-5, для которой заданы H5 и Q5, и

уже рассчитан начальный напор H2, имеем

H2 H5 z5 z2 Hп 2 5 ,

откуда

94

Hп 2 5 Н2 Н5 z5 z2 .

Необходимо выбрать такую трубу, в которой при заданном расходе потери напора близки к рассчитанным. Из формулы (4.7) имеем

k22		Q2	l	2	5
		5				.	(4.11)
	5	Hп 2			5

Зная расходную характеристику трубы, по таблицам или методом расчета определяют необходимый диаметр трубы. Например,

применяя формулу Ф. А. Шевелева, имеем

				1
		2
			5	5,3
		k2
	Dp 2 5			.			(4.12)
		576

Выбрав по данным расчета стандартные трубы для разветвлений сети, проверяют скорость движения жидкости. Если скорость выходит за пределы 1,3…2,0 м/с, необходимо скорректировать данные расчета.

Например, при большой скорости движения жидкости целесообразно увеличить диаметр трубы, а уменьшение потерь давления компенсировать установкой вентиля или задвижки, которые будут дросселировать поток. Наоборот, слишком малая скорость движения жидкости свидетельствует о завышенном диаметре трубы. Это может означать, что направление магистральной линии выбрано неверно и необходимо повторить расчеты, выбрав это ответвление в качестве магистрального направления.

95

4.1.2 Выбор насоса и определение его рабочего режима

Для подачи воды к гидравлическим установкам широко применяются одноступенчатые горизонтальные центробежные насосы консольного типа, насосы с двухсторонним всасыванием и многоступенчатые насосы.

Центробежные насосы имеют небольшую массу и габариты,

простые по конструкции, недорогие и легко ремонтируются. Такие насосы имеют производительность 5…350 м3/час, создают напор

20…80 м и широко применяются в промышленности.

Насосы с рабочими колесами двухстороннего всасывания

(рис. 4.4) применяются в системах водоснабжения и имеют большую производительность – от 200 до 12500 м3/час. Насос имеет симметрическое рабочее колесо 8 с двумя входными отверстиями. Такая конструкция колеса позволяет избежать осевого усилия, которое создается на колесах обычной конструкции.

96

1 – корпус; 2 – полости всасывания; 3 – уплотняющие кольца; 4 – подшипники; 5 – вал; 6 – сальники; 7 – трубки подвода воды к

гидравлическому затвору; 8 – рабочее колесо; 9 – полость нагнетания; 10 – крышка корпуса; 11 - муфта

Рисунок 4.4 – Насос с колесом двухстороннего всасывания

Корпус с горизонтальным разъемом состоит из двух

цельнолитых частей. Верхняя часть 10 (крышка) крепится к нижней 1

болтами. Благодаря расположению входного и напорного патрубков в

нижней половине корпуса вскрытие насоса и ремонт ротора можно

делать без демонтажа трубопроводов и снятия насоса с фундамента.

Вал насоса опирается на подшипники 4, установленные на

кронштейнах. Выход вала из корпуса уплотняется сальниковыми

уплотнениями 6 с гидрозатвором. Гидрозатвор предотвращает

попадание в насос воздуха и производится подачей воды из напорной

полости по трубкам 7 к кольцам, которые установлены в сальнике 6.

Многоступенчатые центробежные секционные насосы типа

ЦНС предназначены для перекачивания жидкости с большими напорами – до 1040 м, а специальные насосы – до 2000 м.

Насос (рис. 4.5) имеет от 2 до 10 рабочих колес 8 закрытой конструкции одностороннего всасывания, установленных на валу 3.

Корпус насоса включает: крышку всасывания 12, крышку нагнетания 6,

секции 7 с направляющими аппаратами 9, кронштейны передние 14 и

задний 2. В этих кронштейнах установлены два радиальных сферических роликоподшипника 1, что позволяет валу перемещаться в осевом направлении. Крышки всасывания, нагнетания и секции стягиваются шпильками 10. Стыки секций уплотняются резиновыми шнурами 11.

97

1 – подшипник; 2 – задний кронштейн; 3 – вал; 4 – сальники; 5 – разгрузочное устройство; 6 – крышка нагнетания с напорным

патрубком; 7 – секция; 8 – рабочее колесо; 9 – направляющий аппарат; 10 – стяжная шпилька; 11 – резиновое уплотнение; 12 – крышка всасывания с всасывающим патрубком; 13 – канал подвода воды к гидравлическому затвору; 14 – передний кронштейн; 15 – муфта Рисунок 4.5 – Секционный насос типа ЦНС

Места выхода вала насоса из корпуса уплотняются сальниковой

набивкой 4. Со стороны всасывания устанавливается гидрозатвор 13,

который исключает подсасывание воздуха через сальник. Для

уравновешивания осевого усилия применяется гидравлическое

разгрузочное устройство 5 (гидравлическая пята).

Основными параметрами насоса, которые характеризуют его работу, являются подача Qн и напор Hн. Подачей называется объем жидкости, который подается насосом в единицу времени. Напором

насоса называется разница удельных энергий жидкости при выходе из

насоса и входе в него

	p	2	p		v2	v2
Hн			1		2	1	,	(4.13)
			g		2 g
			98

где p1 и v1 – абсолютное давление и средняя скорость движения жидкости во всасывающем патрубке насоса; p2 и v2 – тоже, в напорном патрубке. Первое слагаемое характеризует изменение потенциальной энергии потока жидкости (статического напора), второе – изменение кинетической энергии потока (динамического напора).

Полезная мощность насоса определяется изменением энергии потока жидкости и составляет

Nн.п g Hн Qн.

(4.14)

Мощность, потребляемая насосом, или мощность на валу насоса

Nн	g Hн Qн	,	(4.15)
	н

где ηн – коэффициент полезного действия насоса.

Коэффициент полезного действия насоса учитывает потери энергии в насосе и характеризует меру гидравлического и механического совершенства насоса. Он зависит от размеров насоса,

формы и качества поверхностей рабочего колеса и проточной части корпуса, частоты вращения рабочего колеса и др. Коэффициент полезного действия малых насосов не превышает 0,6, а для мощных насосов достигает 0,8…0,9.

Кривые, которые характеризуют зависимость напора,

потребляемой мощности и коэффициента полезного действия от подачи при постоянной частоте вращение рабочего колеса насоса, называются

нормальными характеристиками насоса. Зависимость напора от

99

подачи насоса называют напорной характеристикой. Пример типовых характеристик центробежного насоса показан на рисунке 4.6.

Совмещение напора Hн и подачи Qн, с которыми насоса работает на некоторую сеть, называют рабочим режимом. Режим работы насоса

снаибольшим коэффициентом полезного действия является

оптимальным, а напор и подачу, которые соответствуют оптимальному режиму, считают номинальными для этого насоса. Так,

насос Д1600-90 в оптимальном режиме имеет подачу 1600 м3/час при напоре 90 м (см. рис. 4.6).

Рисунок 4.6 – Характеристика насоса Д1600-90 при n=1450 об/мин

Поскольку обеспечить работу насоса с наивысшим к.п.д. в

реальных условиях трудно, приемлемыми считают такие рабочие режимы, при которых выполняется условие η ≥ ηдоп, где ηдоп –

минимальный допустимый к.п.д. для данного насоса. Совокупность рабочих режимов, которые соответствуют указанному условию,

называют зоной промышленного использования или рабочей зоной

насоса.

100