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1、第七章 矿井排水设备,71 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。=10151025kg/m3 3）化学性质 矿水略带酸性，当PH5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

2、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,152 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/h 2、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

3、功率）。,4、效率（） 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=常数） （一）水的质点

4、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； 1、2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=r； 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。

5、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C,3、速度三角形（速度向量图） 速度三角形（图73）（以下缀1和2区分入口和出口处的各项参数） 参数解释： 径向速度 绝对速度在径向方向上的分量。（用Cr表示） 旋绕速度 绝对速度在圆周方向上的分量。（用Cu表示） 角：与的夹角。 角：与反方向的夹角。（与叶片安装角相等） 4、各参数之间的关系,（二）基本方程式（离心式水泵的理论压头方程式欧拉方程） 理论压头是指理想叶轮转换给流体的压头。一般用HT表示。 理想叶轮工作时无损失，它的轴功率Pl等于有益功率，即,又轴功率可以用加于叶轮的外力矩M和叶轮角速度的乘积表示为,（找出

6、外加力矩M与叶轮参数之间关系后，利用此关系代入上式，即可求出压头HT与叶轮参数之间的关系。为此可利用动量定理。从该定理可知：作用于叶轮上的外力矩应等于每秒钟流经叶轮的流体的动量矩增量。）,如图所示，表示理想叶轮中某流体质点由入口处1运动到出口处2的情况，其中虚线表示其绝对运动的轨迹。若QT为为叶轮流量，则每秒钟流经叶轮的流体质量为QT。该流体在叶轮中的动量矩增量可用它的出口处动量矩QTc2l2与入口处动量矩QTc1l1之差表示。由此,式中,，m,从基本方程式可以看出： 1、水从叶轮中获得的能量，仅与水在叶轮进口及出口的运动速度有关，与水在流道的流动过程无关。对于水泵，在设计叶轮时，通常都是按无

7、预旋设计，即1=90、c1u=0。因此,，m,2、压头与叶轮外缘圆周速度u2成正比，u2=D2n/60。所以，当其它条件相同时，叶轮外径越大，转速越高，压头也越高。 3、流体所获得的理论压头（扬程）HT与流体种类无关。对于不同流体，只要叶轮进、出口处流体的速度三角形相同，都可以得到相同的HT。 压头，即流体在泵中的能量增量可以分解为动能和势能。在涡轮机行业中，称前者为动压，后者为静压。将基本方程式变换为另一种形式后，可看出静压和动压的来源。,代入基本方程式可得：,表示流体在叶轮中,第一项，,由于绝对速度增加而增加的动能；,第二项，,表示由于离心力,造成的静压增量；,第三项，,表示由于相对速度,

8、降低而使静压增加的量。,三、离心式水泵的特性曲线 （一）理论扬程特性曲线 1、理论流量,，m3/s,s2叶轮出口面积， D2叶轮外径，m b2叶轮出口宽度，m c2r叶轮出口处的径向速度,2、理论压头特征 理论压头HT与理论流量QT之间存在着内在联系。这种联系可以由其出口速度三角形中速度C2r和C2u之间的关系找到。很明显,代入,得离心式水泵的理论压头特征方程式：,式中,3、离心式水泵的理论扬程曲线（1）290 ，B0，故HT=A-BQT即HT随着QT 的增加而减小，是一条下降的直线。,4、叶片的型式 通常以叶轮转向作为参量，将出口角不同的叶轮分为三种。即 290时，前向叶片叶轮。 图75所示

9、，由图可以看出，前向叶片的出口绝对速度c2最大，后向叶片的绝对速度c2最小。绝对速度越大，水在泵内流动时的能量损失也越大，效率就越低。所以，前向叶片叶轮的效率较低，后向叶片叶轮的效率较高。因此，在实践中使用后向叶片的叶轮。,（二）实际特性曲线 1、实际扬程特性曲线的定性分析 （1）有限叶片的影响（叶片数目有限时对扬程的影响） 1）叶片有限时的环流和相对速度的分布 相对速度分布：受环流（环流的形成来自流体质点 的惯性。）的影响，叶片迎面上的流体质点相对速度 减小，背面处的流体质点相对速度加大，形成不均匀 的相对速度。（ 图7-6） 形成原因：理想叶轮相对速度的均匀分布与环流合成 的结果。,2）环

10、流对压头的影响 叶片数目有限与无限情况下速度的比较： ， 绝对速度向叶轮旋转的相反方向偏移。 ，减小程度用表示，称为环流系数。 对于水泵 （z叶片数目），一般k=0.60.9。 环流对压头的影响：,（2）能量损失（水力损失）的影响 叶轮是水泵中唯一传递能量的部件。其它诸如水泵的吸水室、导水圈和返水圈以及压水室等通流部件都是组成水泵必不可少的部分。这些部件或起导流作用或起能量形式的转化作用，不但不会给流体增加能量，反而因存在着各种阻力而消耗能量。流体在叶轮和其它通流部件中流动时的水力损失可归纳为摩擦扩散损失和冲击损失。 1）摩擦和扩散损失（ 图7-7） 摩擦损失 指流体在叶轮和其它通流部件中的沿

11、程损失。,扩散损失 指流体在导向器和泵壳扩散时（将动压转换为静压过程中）的能量损失。,2）冲击损失（图7-7） 指流体在水泵全部流动过程中的转弯、扩大和收缩等造成的损失。就叶轮来讲是指流体对叶片入口处的冲击和流量变化时叶轮内的涡流损失。在Q=Qe时，hq=0；,当,时,这种损失出现并与额定流量相差越多损失越大，随流量的平方增加。,即,Kq冲击损失系数。,冲击损失分布的原因： 由于QQe时，流体以大于叶片安装角的角度冲向叶片，把流体挤压到叶片工作面上并在背面上形成涡流区；当QQe时，流体与叶片相遇时的角度小于叶片安装角，流体被压向叶片迎面，在工作面上形成了封闭的涡流区之故。 2、实际特性曲线 （

12、1）实际扬程特性曲线解析图 图7-8 （2）实际特性曲线,四、比例定律及比转数 1、比例定律 （1）相似条件 相似理论（研究相似流体的理论） 根据相似理论，若两个流动之间，相互对应的流动参量（即与流动有关的各物理量，如：密度、粘度、速度、压力等）有着一定的比例关系，并且按照同样的规律运动，则称这两个流动是互为相似的流动。确定两者之间存在着相似关系的原理称为相似原理。相似原理告诉我们：两个流动相似，一定要满足力学相似条件，即满足几何相似、运动相似和动力相似。 同时满足，彼此之间几何相似、运动相似和动力相似的水泵称相似水泵。,1）几何相似（边界相似） 指流动几何相似和边界性质相同。彼此相似的水泵的

13、叶轮和主要通流部件中的流体流动几何相似，彼此相应的几何尺寸成相同比例，对应的同名角相等。表征边界性质的叶轮和主要通流部件的固体壁面水力性质相同，几何形状相似。即对应尺寸的比值为一常数，对应的同名角相等。即：,2）运动相似 指流动的各相应点的速度方向相同，大小成比例。彼此相似水泵上各对应点处的速度三角形相似。即,3）动力相似 指流动的各相应点处质点所受诸同名力成比例。对于彼此相似的水泵主要是要求其雷诺准则，即雷诺数Re=uD/（式中u叶轮外缘速度，D叶轮外缘直径，运动粘度系数）相等或不大于5倍。实际上要做到Re相等，有时有实际困难，考虑到管流时粘滞力不再与Re有关，而且自动保持动力相似，所以不严

14、格要求Re相等。但也应尽量做到阻力系数接近，相差不宜过大。即,注意：相似条件中以几何相似为必要条件，运动相似和动力相似为充分条件。 （2）比例定律 1）相似水泵相应工况下的参数关系 流量关系 设对应工况的流量值分别,由于两水泵相似，所以,扬程关系 设对应工况的压头值分别为,由于两水泵相似，所以,功率关系,2）比例定律 对于同一台或两台对应尺寸相等的相似水泵，若排送的液体重度相等，可得比例定律。即,比例定律的应用：,(二)比转数 比转数是水泵相似的一项派生准则。因为比例定律只反映了一系列相同或相似水泵性能参数之间的关系。并未涉及非相似水泵性能参数之间的关系。在水泵的选择和设计中，为了比较不同系列

15、水泵的性能参数，往往需要一个不依赖于泵的几何尺寸，而反映其流量和扬程关系的综合参数，这个参数称为比转数。,设两台彼此相似水泵的尺寸，转速和额定工况参数分别为D2、n、H、Q和D2、n、H、Q。,以上两式中消去比值,得：,将上式两端同乘以3.65有,式中3.65来源于水轮机，当时它的表达式,（马力）,将此关系和=1000kg/m3代入即得上式。 此时，ns表示在相似条件下，额定工况或效率最高时产生1单位流量和1单位压头的标准水泵的转速，称为比转数。很明显，彼此相似的水泵的标准水泵的转速比转数相等。不相似的水泵比转数不等。,用途： 1、比转数可以反映水泵的性能及叶轮形状； 在相同转速下，比转数大，

16、流量大而压头小，流量大，导致叶轮出口流道宽度大；压头小，则叶轮出口直径小，叶轮流道短。故比转数大的叶轮流道宽而短，而且性能曲线比较陡。相反，比转数小的叶轮流道窄而长，性能曲线比较平坦。 2、比转数可以对水泵进行分类； 3、比转数可以选择水泵的叶轮型式； 4、应用于设计计算中。,73 离心式水泵的结 离心式水泵的分类：按叶轮数目分、按叶轮进水口数目分、按泵壳的接缝形式分、按泵轴的位置分等。 目前，矿山主要排水设备常用D型、DA型和TSW型多级离心式水泵，而井底水窝和采区局部排水则常用B型、BA型和BZ型单级离心式水泵。,一、D型离心式水泵 单吸多级分段式水泵。 （一）D型泵的结构 主要由转动部分

17、、固定部分、轴承部分和密封部分组成。 1、转动部分 （1）叶轮 1）作用 2）结构原理 形状取决于比转数，由前盘面、后盘面、叶片、轮毂组成。 a、叶型 b、叶片数目 （2）泵轴 （3）平衡盘,2、固定部分 （1）进水段 环形吸水室 （2）中段 1）导水圈 2）返水圈 注意：导水圈叶片与叶轮叶片数应互为质数。 3）出水段 螺壳型出水段 3、轴承部分 4、水泵的密封 （1）固定件之间密封 纸垫密封 （2）转动部分与固定之间的密封 1）密封环 a、大口环 b、小口环,2）填料装置 吸水侧填料装置： 排水侧填料装置： 注意：填料压盖不可拧得太紧。 （二）D型泵的特点和型号意义 1、特点 2、型号意义,

18、D型泵流通部件的材质有两种，一种适用于普通中性水，用“D”表示；另一种适用于酸性水，用“DF”或“D”表示,二、B型离心式水泵 （一）构造 （二）特点和型号意义 1、特点 2、型号意义 三、离心式水泵的轴向推力及平衡方法 叶轮为单吸式的水泵，在工作时受到轴向推力作用，迫使叶轮和转子一起朝入口方向移动。单级泵的轴向推力有几百公斤；多级分段式水泵的可达几吨。轴向推力必须予以平衡才能保证泵的正常工作。 （一）产生轴向推力的原因 作用在叶轮前、后底盘外表面上的总压力不相等，和作用在叶轮内表面上水的动压的轴向分力所致。,（二）危害 使整个转子向吸水侧窜动。 1、使叶轮造成破坏性磨损； 2、轴承发热、电动

19、机负载增加； 3、使叶轮出水口与导水圈的导叶进口发生偏移，引起冲击和涡流，降低泵的效率。 （三）轴向推力的平衡方法 1、平衡孔 构成一个平衡室，降低平衡室内的压强。其方法如下： （1）在叶轮后底盘上钻孔，把平衡室和叶轮入口连接起来，使两侧压强相等； （2）用专门的通路将平衡室与低压区沟通，达到降压目的。,2、加径向筋 3、平衡鼓 4、对称布置叶轮 5、平衡盘法 （1）结构原理 图713 （2）特点 平衡效果好，但起动过程易与平衡座接触造成磨损。 （3）注意 平衡盘与平衡座之间间隙在0.51之间；泵轴的窜量不小于1，不大于4。,74 离心式水泵的运行 一、排水管路特性 水泵在管路上工作时，排水所

20、需的实际压头（扬程）与通过管路的流量的关系称为管路特性。 1、管路特性方程式 水从水泵所获得的总能量不仅用于提高水的位置，还要用于克服管路的阻力，故水泵的工作状况不仅与水泵本身性能有关，也与管路配置情况有关。水在管路中流动所需要的总能量，可由伯努利方程式导出。,列吸水面1-1和排水管路出口截面2-2的伯努利方程式。取面1-1为基准面，则,分析上式可知，所需压头（扬程）取决于测地高度HC，管路阻力系数R和流量Q。对于具体的矿井来讲，其HC是确定的，因而当流量一定时，所需压头（扬程）将取决于R。（R的大小与管长、管径、管内壁状况以及管路附件的种类和数量有关,2、管路特性曲线,二、水泵的工况点 （一

21、）工况点及工业利用区 1、工况点 （1）工况点 （2）工况参数 扬程、流量、功率、效率、允许吸上真空度等。,2、工业利用区 工业利用区是水泵特性曲线上允许使用的区段。在这个区段内工作，水泵满足稳定工作和经济工作的条件。 （1）稳定工作 水泵在运转中工况点是单值的，不能出现无交点或多交点。 1）不稳定的原因 无工况点（H0HC） 多工况点（H0HC） 2）稳定工作条件 0.9 H0HC （2）经济工作条件,（3）工业利用区的划定 水泵正常工作条件：稳定工作条件、经济工作条件、不发生汽蚀条件。 （二）水泵工况点的调节 调节目的： 1、使水泵在运转过程中，其工况点始终满足正常工作条件； 2、使水泵的流量和扬程满足实际工作的需要。 调节途径： 1、改变管路特性曲线； 2、改变水泵本身的特性曲线。 一）改变管路特性曲线 1、闸门调节法 注意：这种方法不能作为长期调节用，只能在特殊情况下作为临时措施。例如，配置的电动机功率过紧，为防止电机过载，在更换电机前继续排水，可暂时关小闸阀减小排量，使电机在允许负荷下运行。,2、管路并联（节能） （1）调节方法 （2）注意 1）防止