《矿井排水》PPT课件.ppt

机电学院 矿山流体机械 张明辉 矿山排水设备 本章内容 第四节离心式水泵在管路上工作 第五节刮板输送机的安装 运转 维护及故障处理 第三节离心式水泵的工作理论 第二节离心式水泵主要结构 第一节矿井排水设备概述 第五节离心式水泵的调节 第六节矿井排水设备的选型计算 第七节矿井排水设备的操作与运行 维护及故障处理 第一节矿井排水设备概述 一 煤矿水源 矿井排水设备的任务 将矿水及时地排到地面 为井下生产创造良好的工作环境 保证人员的安全工作和机械 电气设备的良好运转 涌水量 最大涌水量 雨季和溶雪期涌水多 称这时的涌水量为最大涌水量 用qmax表示 所对应的涌水时间为最大涌水时间 用tmax表示 矿井涌水量 在单位时间内涌入矿井的总水量称为矿井涌量用q表示 其单位是m3 h 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 正常涌水量 其它时间涌水量大致均匀 称这时的涌水量为正常涌水量 用qz表示 所对应的涌水时间为正常涌水时间 用tz表示 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 矿水性质1 温度随井深增高 2 密度比清水大 1015 1025kg m33 化学性质矿水略带酸性 当PH 5时 应采取措施 矿井涌水量等级1 涌水量小的矿井 Q15m3 min 涌入矿井中的水根据巷道标高不同有两种排水方式 巷道高于地面的矿井 矿井涌水可沿巷道 平硐 一侧水沟自行流出矿外 巷道低于地面的矿井 可用排水设备将水排到地面 目前 根据矿井深度 开拓方式 涌水时间以及各水平涌水量的大小 可采用不同的排水系统 一 单水平开采的排水系统 二 多水平同时开采的排水系统 二 矿井排水系统 一 单水平开采的排水系统 直接排水系统 a 竖井单水平开采 b 斜井单水平开采 全部矿水聚集于水仓中 并用排水设备直接排至地面 排水管可沿井筒敷设或敷设在专用钻孔中 一 单水平开采的排水系统 分段排水系统 c 井筒中部开拓泵房和水仓 d 只开中间泵房 不开水仓 优点是上 下设备互不影响 可靠性高 但开拓工程量大 不开拓中间水仓 但因要求上 下任意两台水泵都能串联工作 而使管路布置十分复杂 并且下部的排水设备可能受到全井深的水头压力 优先采用 二 多水平同时开采的排水系统 1 独立排水系统 当各水平涌水量都较大时 在各水平分别设置水仓 泵房和排水设备 以便将各自水平的水直接排至地面 优点是上 下水平互不干扰 缺点是设备多 管路多 二 多水平同时开采的排水系统 2 集中排水系统 当上水平的涌水量较小 没有必要单独设置排水设备时 可将上水平的水下放到下水平 而后由下水平的水泵排至地面 优点是只需一套排水设备 缺点是上水平的水下放后再上排 损失了水的位能 增加了电耗 二 多水平同时开采的排水系统 3 分段排水系统 将下水平的水用辅助排水设备排至上水平的水仓中 然后集中排至地面 缺点一旦上水平的排水设备发生故障 两水平都有被淹没的危险 常用于具有下山的缓倾斜煤层矿井 且涌水量较小的情况 三 矿井排水设备组成 矿井排水设备由水泵 电动机 启动设备 管路及管路附件 仪表等组成 矿山排水设备示意图 1 离心式水泵 2 电动机 3 启动设备 4 吸水管 5 滤水器 6 底阀 7 排水管 8 调节闸阀 9 逆止阀 10 旁通管 11 引水漏斗 12 放水管 13 防水闸阀 14 真空表 15 压力表 16 放气栓 17 吸水井 一 离心式水泵的类型 1 D型离心式水泵 第二节离心式水泵的结构 型泵是单吸 多级 分段式离心泵 它可输送水温低于 0 的清水或物理性能类似于水的液体 其流量范围和扬程范围大 目前矿井主排水泵多采用D型泵 D型水泵经多年的发展已形成系列 其结构形式基本相同 只是尺寸大小不同 1 D型离心式水泵主要部件 组装 一 D型泵的构造 转动部分 泵轴 联轴器 轴套 叶轮 平衡盘 固定部分 泵体 导叶 轴承部分 密封部分 D型泵的构造 1 叶轮 铸成一个整体 2 泵轴 材料 传递扭矩和支承套装在它上面的其它转动部件 45号钢锻造加工 作用 轴套 防止泵轴锈蚀 3 轴向推力及平衡装置 产生轴向推力的原因 1 由于作用在叶轮前 后轮盘上的压力不平衡 2 由于叶轮内水流动量发生变化 3 由于大小口环磨损严重 泄漏量增加 使叶轮前后轮盘上的压力分布规律发生变化 平衡装置示意图A 平衡盘 B 平衡盘室 C 平衡盘衬环 平衡座 D 末级叶轮 D 平衡盘 用平衡盘平衡轴向力 平衡孔 采用平衡叶轮 采用双叶轮 布置对称叶轮 进水段出水段中间段 吸水口 水平 出水口 垂直向上 4 固定部分 固定部分主要包括进水段 中段和出水段等部件 用拉紧螺栓连接 吸水口为水平方向并位于进水段 出水口为垂直方向并位于出水段 1 进水段将吸水管中的水均匀地引向第一级叶轮入口 降低流动损失 2 中段 导水图1 导水叶片 2 返水 反导 叶片 3 出水段 收集最后一级叶轮流出的高压水 并以最小的损失把水均匀地引至出口 同时在扩散管中将水的一部分动能 动压 转化为压力能 静压 5 密封部分 1 叶轮密封 密封环1 叶轮 2 大口环 3 小口环 4 泵壳 2 吸水侧和排水侧密封 吸水侧填料密封结构1 填料压盖 2 进水段 3 轴套 4 压盖螺栓 5 水封环 6 填料 D型泵型号意义 部分离心泵型号中某些汉语拼音字母通常所代表的意义 2 IS B 型离心式水泵 IS型水泵是单吸 单级 悬臂式离心泵 输送清水或物理化学性质类似于水的液体 液温不得起过80 其流量范围为4 5 360m3 h 扬程为8 98m 可供小型矿井或采区局部排水及井底水窝排水等使用 IS型离心泵构造简图 特点 体积小 重量轻 结构简单 工作可靠 零部件少 易于加工和维护 离心式水泵工作原理 离心式水泵简图1 叶轮 2 叶片 3 泵轴 4 外壳 5 吸水管 6 滤水器底阀 7 排水管 8 漏斗 9 闸阀 优点 转数高 体积小 质量轻 效率高 第三节离心式水泵的工作原理 叶轮随原动机的轴转时 叶片间的流体也随叶轮高速旋转 受到离心力的作用 被甩出叶轮的出口 被甩出的流体挤入机 泵 壳后 机 泵 壳内流体压强增高 最后被导向泵或风机的出口排出 同时 叶轮中心由于流体被甩出而形成真空 外界的流体在大气压的作用下 沿泵或风机的进口吸入叶轮 如此源源不断地输送流体 离心式水泵性能参数 主要性能参数有 流量 扬程 功率 效率 转速和允许吸上真空度等 流量指单位时间内水泵排出液体的体积 用Q表示 单位为m3 s或m3 h 扬程指单位重量液体获得的能量 用H表示 单位为m H P1 P2 功率水泵在单位时间内所做功的大小 用N表示 单位为kW 效率指水泵有效功率与轴功率的比值 用 表示 转速指水泵轴和叶轮每分钟的转数 用n表示 单位为r min 允许吸上真空度指水泵在不发生汽蚀的条件下 水泵吸水口所允许的真空度 用Hs表示 单位为m 叶片的进口直径为 叶轮的外径也就是叶片的出口直径为 叶片的进口宽度为 出口宽度为 叶轮的进口直径为 速度三角形 几个概念 离心式流体输送机械的基本方程 离心式流体输送机械的基本方程的推导基于三个假设 1 叶片的数目无限多 叶片无限薄 流动的每条流线都具有与叶片相同的形状 2 流动是轴对称的相对定常流动 即在同一半径的圆柱面上 各运动参数均相同 而且不随时间变化 3 流经叶轮的是理想流体 粘度为零 因此无流动阻力损失产生 能量方程式的推导 推导思路利用动量矩定理 建立叶片对流体作功与流体运动状态变化之间的联系 控制体和坐标系 相对 相对坐标系 控制体 2 速度矩 3 动量矩定理及其分析 在稳定流动中 M K 且 单位时间内流出 流进控制体的流体对转轴的动量矩K分别为 K2 qVT 2 l2 qVT 2 r2cos 2 K1 qVT 1 l1 qVT 1 r1cos 1 作用在控制体内流体上的外力有质量力和表面力 其对转轴的力矩M由假设可知 该力矩只有转轴通过叶片传给流体的力矩 则 M qVT 2 r2cos 2 1 r1cos 1 当叶轮以等角速度旋转时 则原动机通过转轴传给流体的功率为 由于u2 r2 u1 r1 2u 2 cos 2 1u 1 cos 1 代入上式得 P M qVT 2 r2cos 2 1 r1cos 1 P qVT u2 2u u1 1u 3 动量矩定理及其分析 上两式对轴流式叶轮也成立 故称其为叶片式泵与风机的能量方程式 又称欧拉方程式 Euler L 1756 3 动量矩定理及其分析 能量方程式的分析 1 1u 反映了泵与风机的吸入条件 设计时一般尽量使 1 90 1u 0 流体在进口近似为径向或轴向流入 3 提高无限多叶片时理论能头的几项措施 2 增大叶轮外径和提高叶轮转速 因u2 2 D2n 60 故D2 和n HT 目前火力发电厂大型给水泵的转速已高达7500r min 后向式 2y 90 径向式 2y 90 前向式 2y 90 叶片出口安装角 2y 叶片出口切向 u2 离心式叶轮的三种型式 2y 对HT 的影响 为提高理论扬程HT 设计上使 1 90 则在转速n 流量qV 叶轮叶片一定的情况下 有 讨论 1 从结构角度 当HT const 前向式叶轮结构小 重量轻 投资少 2 从能量转化和效率角度 前向式叶轮流道扩散度大且压出室能头转化损失也大 而后向式则反之 故其克服管路阻力的能力相对较好 3 从防磨损和积垢角度 径向式叶轮较好 前向式叶轮较差 而后向式居中 4 从功率特性角度 当qV 时 前向式叶轮Psh 易发生过载问题 轴向涡流试验 3 轴向涡流流体 理想 相对于旋转的容器 由于其惯性产生一个与旋转容器反向的旋转运动 流体在叶轮流道中的流动 离心叶轮实际压头特性 1 流线和速度三角形发生变化 分布不均 叶片数有限时对理论能头的影响 轴向涡流对进 出口速度三角形的影响 3 使理论能头降低 离心式叶轮的损失和效率 1 机械损失和机械效率 2 容积损失和容积效率 3 流动损失和流动效率 2 机械损失的定性分析 Pm2 n3D25 叶轮在壳腔内转动时 因克服壳腔内流体与盖板之间存在的摩擦阻力而消耗的能量 称为圆盘摩擦损失功率 1 机械损失和机械效率 Pm1 nD2 与轴承 轴封的结构形式 填料种类 轴颈的加工工艺以及流体密度有关 约为1 3 Psh 3 机械效率 机械损失功率的大小 用机械效率 m来衡量 机械效率等于轴功率克服机械损失后所剩余的功率 即流动功率Ph 与轴功率Psh之比 机械效率和比转速有关 表1 3可用来粗略估算泵的机械效率 表1 3 m与ns的关系 泵 当叶轮旋转时 在动 静部件间隙两侧压强差的作用下 部分流体从高压侧通过间隙流向低压侧所造成的能量损失称为容积 泄漏 损失 用功率 PV表示 2 容积损失和容积效率 泵的容积损失主要发生在以下几个部位 多级泵的级间间隙处 叶轮入口与外壳之间的间隙处 平衡轴向力装置与外壳之间的间隙处以及轴封间隙处等 容积效率 容积效率 V与比转速有关 对给水泵 表1 4可供参考 容积损失的大小用容积效率 V来衡量 容积效率为考虑容积损失后的功率与未考虑容积损失前的功率之比 表1 4给水泵的容积效率 1 什么是流动损失 流动损失和流动效率 流动损失是指 泵与风机工作时 由于流体和流道壁面发生摩擦 流道几何形状改变使流速变化而产生旋涡 以及偏离设计工况时产生的冲击等所造成的损失 2 流动损失的定性分析 流动损失和过流部件的几何形状 壁面粗糙度 流体的粘性及流速 运行工况等因素密切相关 冲击损失 摩擦损失和局部损失 2 流动损失的定性分析 1 摩擦损失和局部损失当流动处于阻力平方区时 这部分损失与流量的平方成正比 可定性地用下式表示 2 冲击损失当流量偏离设计流量时 在叶片入口和出口处 流速变化使流动角不等于叶片的安装角 从而产生冲击损失 冲击损失可用下式估算 即 2 流动损失的定性分析 2 冲击损失 当流量小于设计流量时 1y 1 则 1y 1 0 称为正冲角 当流量大于设计流量时 1y 1 则 1y 1 0 称为负冲角 正冲角及速度三角形 负冲角及速度三角形 w1d w1 工作面背面称吸力边 工作面称压力边 2 流动损失的定性分析 实践证明 正冲角时 由于涡流发生在吸力边 能量损失比负冲角 涡流发生在压力边 时为小 因此 设计时 一般取正冲角 3 5 若全部流动损失用hw表示 则 hw hf hj hs 正冲角的存在 对改善泵的汽蚀性能也有好处 流动损失曲线 存在流动损失最小工况 流动损失和流动效率 3 流动效率 流动损失的大小用流动效率 h来衡量 流动效率等于考虑流动损失后的功率 即有效功率 与未考虑流动损失前的功率之比 即 1 泵与风机的性能及性能曲线 3 性能曲线的绘制方法 试验方法及借助比例定律 2 性能曲线的作用 工作状态 工况 运行 设计 最佳 NPSH qV n const 其次 Hs qV 离心式泵与风机的性能曲线 2 H qV曲线 能头与流量性能曲线 H qV 1 HT qVT曲线由无限多叶片时的理论能头可得 HT KHT qVT q qV H HT hw q qVd 后向式 径向式 前向式 功率与流量性能曲线 Psh qV 后向式 径向式 前向式 效率与流量性能曲线 qV 右图为