采矿课件第七章矿井排水设备

第七章矿井排水设备§7—1概述一、矿井排水设备的任务和分类1、矿水（1）矿水来源涌入矿井的水统称为矿水。矿水主要来源于地面水和地下水。（2）涌水量绝对涌水量：单位时间内涌入矿井的水的体积量（q），单位是m3/h；相对涌水量：同时期内相对于单位煤炭产量的涌水量，也称含水系数。以“Ks”表示。

T—同时期内煤炭日产量（t）（3）矿水性质1）温度随井深增高。2）密度比清水大。ρ=1015～1025kg/m33）化学性质矿水略带酸性，当PH<5时，应采取措施。2、任务将矿水及时地排送至地面，为井下创造良好的工作环境，确保安全生产。3、分类矿井排水设备分为固定式和移动式。固定式排水设备根据其服务范围又分为主排水设备、区域排水设备和辅助排水设备。二、矿井排水设备的组成1、组成水泵、电机及电控设备、管路及附件、监测仪表等。2、各部分功用§15—2离心式水泵的工作理论一、离心式水泵的工作原理及性能参数（一）工作原理（二）性能参数1、流量（Q）单位时间内水泵所排出的水的体积。单位：m3/s、m3/h2、扬程（H）单位重量的水通过水泵后所获得的能量，单位：m。3、功率（P）水泵在单位时间内所做的功的大小。单位：kw。（1）轴功率电动机传给水泵轴的功率（即水泵的输入功率）。（2）有效功率（Pa）单位时间内水通过水泵所获得的能量（即水泵的输出功率）。4、效率（η）水泵的有效功率与轴功率的比值。5、转速（n）水泵叶轮每分钟的转数。单位：r/min。6、允许吸上真空度（Hs）在保证水泵不发生汽蚀的情况下，水泵吸水口所允许的真空度。单位：m。二、离心式水泵的基本方程式水在水泵的叶轮中的流动情况相当复杂，利用数学方法准确求出压头特性（泵转速一定时，流量与压头之间的关系）是很困难的。只能采用近似方法，使其结果能基本反映实际情况，这就是建立一个理想叶轮模型，其条件为：1、叶轮叶片数目无限多，叶片厚度无限薄；2、介质（水）为理想流体，水泵工作时没有任何损失；3、水的流动是稳定流动；4、水不可压缩（即ρ=常数）（一）水的质点在叶轮内的流动1、表征叶轮的形状的几何参数 D1、D2—叶轮叶片内缘、外缘直径；r1、r2—叶轮叶片内缘、外缘半径；b1、b2—叶轮叶片内缘、外缘处的宽度；β1、β2—叶轮叶片内缘、外缘处的叶片安装角。2、水在叶轮中的运动（是一复合运动）可分解为圆周运动和相对运动，两者的合成称为绝对运动。圆周运动与叶轮圆周速度相同的牵连运动。任意半径处圆周速度u=rω；相对运动介质（水）相对于叶片的运动。当水为理想流体时，叶片无限多，无限薄的情况下，叶片间流道中的流体成为微小流束。流体的每一质点只能沿着流道运动，其轨迹与叶片型线一致。当然，在流道入、出口处的流体质点运动方向也与该处的叶片切线方向一致。在同一半径上的各质点流速是相同的，用相对速度w表示。绝对运动：绝对速度C3、速度三三角形（速速度向量图图）速度三角形形（图7——3）（以以下缀1和和2区分入入口和出口口处的各项项参数）参数解释：：径向速度绝绝对对速度在径径向方向上上的分量。。（用Cr表示）旋绕速度绝绝对对速度在圆圆周方向上上的分量。。（用Cu表示）α角：与的的夹角。β角：与反反方向的夹夹角。（与与叶片安装装角相等））4、各参数数之间的关关系（二）基本方方程式（离离心式水泵泵的理论压压头方程式式—欧拉方方程）理论压头是是指理想叶叶轮转换给给流体的压压头。一般般用HT表表示。理想叶轮工工作时无损损失，它的的轴功率Pl等于有有益功率，，即又轴功率可可以用加于于叶轮的外外力矩M和和叶轮角速速度ω的乘乘积表示为为（找出外加加力矩M与与叶轮参数数之间关系系后，利用用此关系代代入上式，，即可求出出压头HT与叶轮参参数之间的的关系。为为此可利用用动量定理理。从该定定理可知：：作用于叶叶轮上的外外力矩应等等于每秒钟钟流经叶轮轮的流体的的动量矩增增量。）∴如图所示，表表示理想叶轮轮中某流体质质点由入口处处1运动到出出口处2的情情况，其中虚虚线表示其绝绝对运动的轨轨迹。若QT为为叶轮流量量，则每秒钟钟流经叶轮的的流体质量为为ρQT。该流体在叶叶轮中的动量量矩增量可用用它的出口处处动量矩ρQTc2l2与入口处动量量矩ρQTc1l1之差表示。由由此式中，m从基本方程式式可以看出：：1、水从叶轮中中获得的能量量，仅与水在在叶轮进口及及出口的运动动速度有关，，与水在流道道的流动过程程无关。对于于水泵，在设设计叶轮时，，通常都是按按无预旋设计计，即α1=90º、c1u=0。因此，m2、压头与叶叶轮外缘圆周周速度u2成成正比，u2=ЛD2n/60。所所以，当其它它条件相同时时，叶轮外径径越大，转速速越高，压头头也越高。3、流体所所获得的理论论压头（扬程程）HT与流流体种类无关关。对于不同同流体，只要要叶轮进、出出口处流体的的速度三角形形相同，都可可以得到相同同的HT。压头，即流体体在泵中的能能量增量可以以分解为动能能和势能。在在涡轮机行业业中，称前者者为动压，后后者为静压。。将基本方程程式变换为另另一种形式后后，可看出静静压和动压的的来源。代入基本方程程式可得：表示流体在叶叶轮中第一项，由于绝对速度度增加而增加加的动能；第二项，表示由于离心心力造成的静压增增量；第三项，表示由于相对对速度降低而使静压压增加的量。。三、离心式水水泵的特性曲曲线（一）理论扬扬程特性曲线线1、理论流量量，m3/ss2—叶轮出口面面积，㎡D2—叶轮外径，，mb2—叶轮出口宽宽度，mc2r—叶轮出口处处的径向速度度2、理论压头特特征理论压头HT与理论流量QT之间存在着内内在联系。这这种联系可以以由其出口速速度三角形中中速度C2r和C2u之间的关系找找到。很明显显代入得离心式水泵泵的理论压头头特征方程式式：式中3、离心式水水泵的理论扬扬程曲线（（1）β2>90º，，B<0，故故HT=A+BQT即HT随着QT的增加，是一一条上升的直直线；（2）β2=90º，B=0，故故HT=A，即HT不随QT的变化而变化，，是一条与横横标平行的直直线。（3）β2<90º，，B>0，故故HT=A-BQT即HT随着QT的增加而减小小，是一条下下降的直线。。4、叶片的型型式通常以叶轮转转向作为参量量，将出口角角不同的叶轮轮分为三种。。即β2<90ºº时，后向（（后倾或后弯弯）叶片叶轮轮；β2=90ºº时，径向叶叶片叶轮；β2>90ºº时，前向叶叶片叶轮。图7—5所示示，由图可以以看出，前向向叶片的出口口绝对速度c2最大，后后向叶片的绝绝对速度c2最小。绝对对速度越大，，水在泵内流流动时的能量量损失也越大大，效率就越越低。所以，，前向叶片叶叶轮的效率较较低，后向叶叶片叶轮的效效率较高。因因此，在实践践中使用后向向叶片的叶轮轮。（二）实际特特性曲线1、实际扬程程特性曲线的的定性分析（1）有限叶叶片的影响（（叶片数目有有限时对扬程程的影响）1）叶片有限限时的环流和和相对速度的的分布相对速度分布布：受环流（（环流的形成成—来自流体体质点的惯性。）的的影响，叶片片迎面上的流流体质点相对对速度减小，背面处处的流体质点点相对速度加加大，形成不不均匀的相对速度。。（图7-6）形成原因：理理想叶轮相对对速度的均匀匀分布与环流流合成的结果。2）环流对压压头的影响叶片数目有限限与无限情况况下速度的比比较：，绝绝对对速度向叶轮轮旋转的相反反方向偏移。。，减小程度用用表示，称为为环流系数。。对于水泵（（z—叶片片数目），一一般k=0.6～0.9。环流对压头的的影响：（2）能量损损失（水力损损失）的影响响叶轮是水泵中中唯一传递能能量的部件。。其它诸如水水泵的吸水室室、导水圈和和返水圈以及及压水室等通通流部件都是是组成水泵必必不可少的部部分。这些部部件或起导流流作用或起能能量形式的转转化作用，不不但不会给流流体增加能量量，反而因存存在着各种阻阻力而消耗能能量。流体在在叶轮和其它它通流部件中中流动时的水水力损失可归归纳为摩擦扩扩散损失和冲冲击损失。1）摩擦和扩扩散损失（图图7-7））摩擦损失指指流体在叶叶轮和其它通通流部件中的的沿程损失。。扩散损失指指流体在导导向器和泵壳壳扩散时（将将动压转换为为静压过程中中）的能量损损失。2）冲击损失失（图7-7）指流体在水泵泵全部流动过过程中的转弯弯、扩大和收收缩等造成的的损失。就叶叶轮来讲是指指流体对叶片片入口处的冲冲击和流量变变化时叶轮内内的涡流损失失。在Q=Qe时，hq=0；当时这种损失出现现并与额定流流量相差越多多损失越大，，随流量的平平方增加。即Kq—冲击损损失系数。冲击损失分布布的原因：由于Q〈Qe时，流体以以大于叶片安安装角的角度度冲向叶片，，把流体挤压压到叶片工作作面上并在背背面上形成涡涡流区；当Q〉Qe时，，流体与叶片片相遇时的角角度小于叶片片安装角，流流体被压向叶叶片迎面，在在工作面上形形成了封闭的的涡流区之故故。2、实际特性性曲线（1）实际扬扬程特性曲线线解析图图7-8（2）实际特特性曲线四、比例定律律及比转数1、比例定律律（1）相似条条件相似理论（研研究相似流体体的理论）根根据据相似理论，，若两个流动动之间，相互互对应的流动动参量（即与与流动有关的的各物理量，，如：密度、、粘度、速度度、压力等））有着一定的的比例关系，，并且按照同同样的规律运运动，则称这这两个流动是是互为相似的的流动。确定定两者之间存存在着相似关关系的原理称称为相似原理理。相似原理理告诉我们：：两个流动相相似，一定要要满足力学相相似条件，即即满足几何相相似、运动相相似和动力相相似。同时满满足，，彼此此之间间几何何相似似、运运动相相似和和动力力相似似的水水泵称称相似似水泵泵。1）几几何相相似（（边界界相似似）指流动动几何何相似似和边边界性性质相相同。。彼此此相似似的水水泵的的叶轮轮和主主要通通流部部件中中的流流体流流动几几何相相似，，彼此此相应应的几几何尺尺寸成成相同同比例例，对对应的的同名名角相相等。。表征征边界界性质质的叶叶轮和和主要要通流流部件件的固固体壁壁面水水力性性质相相同，，几何何形状状相似似。即即对应应尺寸寸的比比值为为一常常数，，对应应的同同名角角相等等。即即：2）运动动相似似指流动动的各各相应应点的的速度度方向向相同同，大大小成成比例例。彼彼此相相似水水泵上上各对对应点点处的的速度度三角角形相相似。。即3）动动力相相似指流动动的各各相应应点处处质点点所受受诸同同名力力成比比例。。对于于彼此此相似似的水水泵主主要是是要求求其雷雷诺准准则，，即雷雷诺数数Re=uD/ɣ（（式中中u——叶轮轮外缘缘速度度，D—叶叶轮外外缘直直径，，ɣ——运动动粘度度系数数）相相等或或不大大于5倍。。实际际上要要做到到Re相等等，有有时有有实际际困难难，考考虑到到管流流时粘粘滞力力不再再与Re有有关，，而且且自动动保持持动力力相似似，所所以不不严格格要求求Re相等等。但但也应应尽量量做到到阻力力系数数接近近，相相差不不宜过过大。。即注意：：相似似条件件中以以几何何相似似为必必要条条件，，运动动相似似和动动力相相似为为充分分条件件。（2））比例例定律律1）相相似水水泵相相应工工况下下的参参数关关系流量关关系设设对应应工况况的流流量值值分别别由于两两水泵泵相似似，所所以扬程关关系设设对应应工况况的压压头值值分别别为由于两两水泵泵相似似，所所以功率关关系2）比比例定定律对于同同一台台或两两台对对应尺尺寸相相等的的相似似水泵泵，若若排送送的液液体重重度相相等，，可得得比例例定律律。即即比例定定律的的应用用：(二)比转转数比转数数是水水泵相相似的的一项项派生生准则则。因因为比比例定定律只只反映映了一一系列列相同同或相相似水水泵性性能参参数之之间的的关系系。并并未涉涉及非非相似似水泵泵性能能参数数之间间的关关系。。在水水泵的的选择择和设设计中中，为为了比比较不不同系系列水水泵的的性能能参数数，往往往需需要一一个不不依赖赖于泵泵的几几何尺尺寸，，而反反映其其流量量和扬扬程关关系的的综合合参数数，这这个参参数称称为比比转数数。设两台台彼此此相似似水泵泵的尺尺寸，，转速速和额额定工工况参参数分分别为为D2、n、H、Q和D2´、n´、H´、Q´。以上两两式中中消去去比值值得：将上式式两端端同乘乘以3.65有式中3.65来源于于水轮轮机，，当时时它的的表达达式（马力力）将此关关系和和γ=1000kg/m3代入即即得上上式。。此时，，ns表示在在相似似条件件下，，额定定工况况或效效率最最高时时产生生1单位流流量和和1单位压压头的的标准准水泵泵的转转速，，称为为比转转数。。很明明显，，彼此此相似似的水水泵的的标准准水泵泵的转转速——比转转数相相等。。不相相似的的水泵泵比转转数不不等。。用途：：1、比比转数数可以以反映映水泵泵的性性能及及叶轮轮形状状；在相同同转速速下，，比转转数大大，流流量大大而压压头小小，流流量大大，导导致叶叶轮出出口流流道宽宽度大大；压压头小小，则则叶轮轮出口口直径径小，，叶轮轮流道道短。。故比比转数数大的的叶轮轮流道道宽而而短，，而且且性能能曲线线比较较陡。。相反反，比比转数数小的的叶轮轮流道道窄而而长，，性能能曲线线比较较平坦坦。2、比比转数数可以以对水水泵进进行分分类；；3、比比转数数可以以选择择水泵泵的叶叶轮型型式；；4、应应用于于设计计计算算中。。§7——3离离心式式水泵泵的结结离心式式水泵泵的分分类：：按叶叶轮数数目分分、按按叶轮轮进水水口数数目分分、按按泵壳壳的接接缝形形式分分、按按泵轴轴的位位置分分等。。目前，，矿山山主要要排水水设备备常用用D型型、DA型型和TSW型多多级离离心式式水泵泵，而而井底底水窝窝和采采区局局部排排水则则常用用B型型、BA型型和BZ型型单级级离心心式水水泵。。一、D型离离心式式水泵泵单吸多多级分分段式式水泵泵。（一））D型型泵的的结构构主要由由转动动部分分、固固定部部分、、轴承承部分分和密密封部部分组组成。。1、转转动部部分（1））叶轮轮1）作作用2）结结构原原理形状取取决于于比转转数，，由前前盘面面、后后盘面面、叶叶片、、轮毂毂组成成。a、叶叶型b、叶叶片数数目（2））泵轴轴（3））平衡衡盘2、固固定部部分（1））进水水段环环形吸吸水室室（2））中段段1）导导水圈圈2）返返水圈圈注意：：导水水圈叶叶片与与叶轮轮叶片片数应应互为为质数数。3）出出水段段螺壳型型出水水段3、轴轴承部部分4、水水泵的的密封封（1））固定定件之之间密密封纸垫密密封（2））转动动部分分与固固定之之间的的密封封1）密密封环环a、大大口环环b、小小口环环2）填填料装装置吸水侧侧填料料装置置：排水侧侧填料料装置置：注意：：填料料压盖盖不可可拧得得太紧紧。（二））D型型泵的的特点点和型型号意意义1、特特点2、型型号意意义D型泵泵流通通部件件的材材质有有两种种，一一种适适用于于普通通中性性水，，用““D””表示示；另另一种种适用用于酸酸性水水，用用“DF””或““DⅡⅡ”表表示二、B型离离心式式水泵泵（一））构造造（二））特点点和型型号意意义1、特特点2、型型号意意义三、离离心式式水泵泵的轴轴向推推力及及平衡衡方法法叶轮为为单吸吸式的的水泵泵，在在工作作时受受到轴轴向推推力作作用，，迫使使叶轮轮和转转子一一起朝朝入口口方向向移动动。单单级泵泵的轴轴向推推力有有几百百公斤斤；多多级分分段式式水泵泵的可可达几几吨。。轴向向推力力必须须予以以平衡衡才能能保证证泵的的正常常工作作。（一））产生生轴向向推力力的原原因作用在在叶轮轮前、、后底底盘外外表面面上的的总压压力不不相等等，和和作用用在叶叶轮内内表面面上水水的动动压的的轴向向分力力所致致。（二）危危害使整个个转子子向吸吸水侧侧窜动动。1、使使叶轮轮造成成破坏坏性磨磨损；；2、轴轴承发发热、、电动动机负负载增增加；；3、使使叶轮轮出水水口与与导水水圈的的导叶叶进口口发生生偏移移，引引起冲冲击和和涡流流，降降低泵泵的效效率。。（三）轴轴向推力力的平衡衡方法1、平衡衡孔构成一个个平衡室室，降低低平衡室室内的压压强。其其方法如如下：（1）在在叶轮后后底盘上上钻孔，，把平衡衡室和叶叶轮入口口连接起起来，使使两侧压压强相等等；（2）用用专门的的通路将将平衡室室与低压压区沟通通，达到到降压目目的。2、加径径向筋3、平衡衡鼓4、对称称布置叶叶轮5、平衡衡盘法（1）结结构原理理图7—13（2）特特点平衡效果果好，但但起动过过程易与与平衡座座接触造造成磨损损。（3）注注意平衡盘与与平衡座座之间间间隙在0.5～～1㎜之之间；泵泵轴的窜窜量不小小于1㎜㎜，不大大于4㎜㎜。§7—4离离心式水水泵的运运行一、排水水管路特特性水泵在管管路上工工作时，，排水所所需的实实际压头头（扬程程）与通通过管路路的流量量的关系系称为管管路特性性。1、管路路特性方方程式水从水泵泵所获得得的总能能量不仅仅用于提提高水的的位置，，还要用用于克服服管路的的阻力，，故水泵泵的工作作状况不不仅与水水泵本身身性能有有关，也也与管路路配置情情况有关关。水在在管路中中流动所所需要的的总能量量，可由由伯努利利方程式式导出。。列吸水面面1-1和排水水管路出出口截面面2-2的伯努努利方程程式。取取面1-1为基基准面，，则分析上式式可知，，所需压压头（扬扬程）取取决于测测地高度度HC，，管路阻阻力系数数R和流流量Q。。对于具具体的矿矿井来讲讲，其HC是确确定的，，因而当当流量一一定时，，所需压压头（扬扬程）将将取决于于R。（（R的大大小与管管长、管管径、管管内壁状状况以及及管路附附件的种种类和数数量有关关2、管路路特性曲曲线二、水泵泵的工况况点（一）工工况点及及工业利利用区1、工况况点（1）工工况点（2）工工况参数数扬扬程程、流量量、功率率、效率率、允许许吸上真真空度等等。2、工业业利用区区工业利用用区是水水泵特性性曲线上上允许使使用的区区段。在在这个区区段内工工作，水水泵满足足稳定工工作和经经济工作作的条件件。（1）稳稳定工作作水泵泵在运转转中工况况点是单单值的，，不能出出现无交交点或多多交点。。1）不稳稳定的原原因无工况点点（H0<HC）多工况点点（H0<HC）2）稳定定工作条条件0.9H0≥HC（2）经经济工作作条件（3）工工业利用用区的划划定水泵正常常工作条条件：稳稳定工作作条件、、经济工工作条件件、不发发生汽蚀蚀条件。。（二）水水泵工况况点的调调节调节目的的：1、使水水泵在运运转过程程中，其其工况点点始终满满足正常常工作条条件；2、使水水泵的流流量和扬扬程满足足实际工工作的需需要。调节途径径：1、改变变管路特特性曲线线；2、改变变水泵本本身的特特性曲线线。一）改变变管路特特性曲线线1、闸门门调节法法注意：这这种方法法不能作作为长期期调节用用，只能能在特殊殊情况下下作为临临时措施施。例如如，配置置的电动动机功率率过紧，，为防止止电机过过载，在在更换电电机前继继续排水水，可暂暂时关小小闸阀减减小排量量，使电电机在允允许负荷荷下运行行。2、管路路并联（（节能））（1）调调节方法法（2）注注意1）防止止电动机机过负荷荷；2）防止止产生汽汽蚀。二）改变变水泵特特性曲线线调节法法1、改变变转速调调节法由比例定定律可知知，改