Лекция №1. Общие сведения о стационарных шахтных установках

Лекция №2. Основы теории турбомашин

Принцип действия турбомашин

Применяемые в горной промышленности турбомашины:насосы, предназначенные для откачки и подачи воды; вентиляторы, осу­ществляющие вентиляцию горных выработок; турбокомпрессоры, вырабатывающие сжатый воздух, характеризуются единым прин­ципом работы.

В зависимости от направления потоков жидкости относительно оси вращения рабочего колеса они бывают центро­бежными, осевыми и меридиональными (диагональными). В гор­ной промышленности последняя группа турбомашин имеет огра­ниченное применение. Осевые турбомашины используются на гор­ных предприятиях в основном в качестве вентиляторов.

Рисунок 1. Центробежная турбомашина с односторонним всасыванием

1 - подводящие устройство, 2 - рабочие колеса, 3 - лопатки рабочего колеса, 4 - отводящие устройство, 5 - вал, 6 - диффузор

Центробежная турбомашина - состоит из рабочего колеса с лопатками, закрепленного на валу, подводящего устройства, спирального улиткообразного отводящего устрой­ства и диффузора.

Поток жидкости подводится к рабочему колесу в осевом на­правлении и при входе в последнее изменяет свое направление и в межлопаточных каналах колеса движется уже в радиальном направлении, перемещаясь вдоль лопаток от входа в колесо к вы­ходу из него. Центробежная турбомашина может иметь рабочее колесо од­ностороннего всасывания, т. е. с подводом жидкости к колесу с одной стороны, и с двусторонним всасыванием, т. е. с двусторон­ним подводом жидкости, для увеличения производительности (подачи).

Рисунок 2. Осевая турбомашина

1 - втулка рабочего колеса, 2 - лопатки, 3 -вал, 4 - коллектор, 5 - передний обтекатель, 6 - цилиндрический кожух, 7 - спрямляющий аппарат, 8 – диффузор

Осевая турбомашина - состоит из рабочего колеса с лопатками, вала, кожухас входным устройством (коллек­тором), переднего обтекателя, выходного устройства — спрям­ляющего аппаратаи диффузора. Спрямляющий аппарат, устанав­ливаемый за рабочим колесом, служит для раскручивания потока жидкости, выходящего из колеса закрученным. От осевой турбо­машины поток жидкости подводится к рабочему колесу и отво­дится от него в осевом направлении. Рабочее колесо турбомашины, являясь основным ее элементом, получает от двигателя энергию и передает ее посредством лопаток потоку жидкости, увеличивая при этом ее давление (напор).

Лопатка рабочего колеса представляет собой крыло — слегка изогнутое, удобно обтекаемое тело с закругленной набегающей на поток частью и заостренным концом, а рабочее колесо — решетку из таких совместно работающих крыльев. Конструкции лопаток центробежных и осевых турбомашин имеют существенные отличия. Для уменьшения завихрений потока жидкости при входе и безударного входа в рабочее колесо перед ним у осевых турбома­шин устанавливается специальный обтекатель, у центробежных обтекатель выполняется заодно с рабочим колесом.

Подводящее устройство (подвод) обеспечивает подвод жидкости к рабочему колесу с равномерным, по возможности, полем скоро­стей потока по его сечению.

Назначение отводящего устройства (отвода) — собрать поток, выходящий из рабочего колеса с большой скоростью, преобразо­вать его кинетическую энергию в потенциальную энергию давле­ния и отвести жидкость к нагнетательному патрубку или следую­щему рабочему колесу. В отводе осевых машин также может про­исходить частичное или полное раскручивание потока, закру­ченного рабочим колесом. Поток в отводе в связи с плавным рас­ширением имеет диффузорный характер течения, т. е. скорость жид­кости уменьшается, а давление возрастает. При наличии за от­водящим устройством диффузора в последнем происходит даль­нейшее снижение скорости потока и преобразование кинетиче­ской энергии его движения в потенциальную энергию (статиче­ское давление).

Необходимо отметить, что приращение удельной энергии по­тока происходит только в рабочем колесе, в остальных элемен­тах — преобразование энергии и уменьшение полного напора вследствие потерь энергии на преодоление сопротивлений.

Совокупность каналов для движения потока жидкости в под­водящем устройстве, рабочем колесе и отводящем устройстве на­зывается проточной частью (полостью) гидравлической машины.

Лекция №3. Шахтные насосы

Основные параметры насосов

Объемная Q (массовая G) подача — это объем (масса) жидкости, подаваемой насосом через напорный патрубок в еди­ницу времени. Объемная подача измеряется обычно в м³/ч; массовая — в кг/ч.

Напор насоса - величина, определяемая выражением Н=р/(ρg) = р/γ.

Напор насоса ориентировочно можно оценивать по показаниям мано­метра и вакуумметра на выходе и входе насоса:

Кавитационный запас. Кавитация – разрыв жидкости и образование в ней полостей, заполненных газом, паром или их смесью. Для обеспечения работы насоса без кавитации на входе в насос необходим избыток напора сверх напора H=p_H /(pg)_, определяемого давлением насыщенного пара при температуре жидкости, перемещаемой насосом. Этот избыток напора носит название кавитационного запаса.

Мощность N — мощность, потребляемая насосом (подводи­мая на вал насоса от двигателя). Очевидно, N>N_n на вели­чину потерь мощности в насосе.

Коэффициентом полезного действия насоса называют отно­шение полезной мощности к мощности насоса: η = N_n / N.

Коэффициен­том быстроходности η_S- называется частота вращения такого на­соса, который, развивая напор в 1 м, затрачивает мощность 0,736 кВт.

Режим работы насосов.

Насос в процессе работы должен обеспечивать необходимые пода­чу, экономичность и устойчивость режима работы.

Необходимая подача обеспечивается, если

Qд ≥ Qр

где Qд — подача насоса в действительном режиме работы, м^з/ч;

Qр — рас­четная производительность водоотливной установки, определяемая по притоку воды в водосборник, м^з/ч.

Экономичность режима работы обеспечивается эксплуатацией насо­са в зоне высоких к.п.д., которая определяется из условия

η_д ≥ 0,9 η_max

где η_д — к.п.д. насоса в действительном режиме работы;

η_max - максимальный к.п.д. насоса.

Устойчивость режима работы означает отсутствие значительных его колебаний и автоматическое восстановление режима после устранения причин, вызвавших его изменение. Это требование обеспечивается нали­чием только одной точки пересечения характеристики внешней сети с напорной характеристикой насоса Н. Устойчивость режима может быть обеспечена при выполнении условия

Нг ≤ 0,9 Н₀

где Н₀ — напор насоса при нулевой подаче, м;

Нг — геодезическая вы­сота подъема жидкости, м.

Действительный режим работы насоса определяют графически по точке пересечения напорной харак­теристики насоса с напорной характеристикой внешней сети (рис. 5).

Для определения действительного рабочего режима необхо­димо воспроизвести графически напорную характеристику вы­бранного насоса. Затем в координатной сетке напорной характеристики насоса по расчетным данным, строят характеристи­ку Н_с внешней сети. Точка Мих пересечения и будет отображать действительный режим работы насоса, т.е. ордината Н_д точки М будет соответствовать действительному напору, а ее абсцисса Q_д— действительной подаче. Соответствующим по­строением, находят действительный КПД насоса η_д по его гидромеханической характеристике η и дей­ствительную допустимую вакуумметрическую высоту всасывания Н_вд.д или допустимый кавитационный запас Δh_д._д по кавитационным характеристикам Н_вд или Δh_д.

Насосные камеры.

Камеру главного водоотлива располагают в околоствольном дворе в непосредственной близости от клетевого ствола. Такое расположение камеры позволяет иметь наименьшую длину и малое число изгибов трубопроводов, что снижает вредные со­противления при работе насосов. Водотрубный ходок неболь­шой длины обеспечивает непосредственную связь камеры глав­ного водоотлива со стволом, что важно в моменты изоляции камеры (герметизации ходков в камеру из околоствольного двора) при авариях с водоотливом и временном затоплении околоствольного двора. Камеру главного водоотлива отделяют от выработок околоствольного двора в породах средней крепости целиком размером 20—25 м и в более прочных породах— размером до 15 м.

Комплекс камер и выработок главного водоотлива (рис. 1) включает в себя: камеру главного водоотлива 4, в которой рас­полагаются насосные агрегаты и все пусковое оборудование; водотрубный ходок 5; камеру осветляющих резервуаров 2; водосборник 1; соединительные ходки 3. Насосную камеру непо­средственно соединяют с камерой центральной электропод­станции 6.

Главные водоотливные установки шахты и установки в ка­питальных уклонах с притоком воды более 50 м³/ч должны быть оборудованы не менее чем тремя насосными агрегатами.

Рисунок 1. Комплекс камер и выработок главного водоотлива

Когда приток воды достигает 5000 м³/ч более, применяют­ся заглубленные насосные камеры с отрицательной высотой всасывания, т. е. насосы в камере располагают на 4—5 м ниже уровня воды в водосборнике.

Главные и участковые водоотливные установки должны иметь водосборники, состоящие из двух выработок и более.

Для строящихся и реконструируемых шахт и новых горизонтов емкость водосборников главного водоотлива должна быть рассчитана не менее чем на 4-часовой нормальный приток, а участковых - на 2-часовой приток.

Приемные колодцы круглые, закреплены бетоном, причем между стенкой колодца и фундаментом насосной установки должно быть не менее 200 мм. Для осветления воды перед поступлением ее в насосы дно колодца должно находиться на 1...1,5 м ниже почвы водосборника.

Целесообразно применять водосборники с осветляющими ре­зервуарами. Резервуар состоит из трех камер. Две из них, непо­средственно примыкающие к выработке околоствольного двора, параллельны друг другу и разделены бетонной перемычкой. Третья камера, примыкающая к двум первым камерам, а с дру­гой — к водосборнику, отделена от выработок бетонными стен­ками, но соединена с ними перепускными трубами. Последователь­ное расположение первых двух камер с третьей обеспечивает две ступени осветления.

Устройство трубопроводов

Водоотливные установки в зависимости от подачи оборудуются тру­бопроводом диаметром от 100 до 600 мм при откачивании воды под дав­лением 1…10 МПа. Для трубопроводов применяются стандартные сталь­ные трубы и реже чугунные (при давлении воды до 1 МПа), соединяемые между собой подвижными или неподвижными фланцами.

В качестве прокладок при соединении труб используется резина или прорезиненный материал; при высоких напорах применяют прокладки из свинца или красной меди, иногда трубы соединяют электросваркой.

Главные и центральные водоотливные установки должны иметь два нагнетательных трубопровода, из которых один резервный.

При расчетах трубопроводов устанавливаются внутренний диаметр, толщина труб и величина потерь напора в трубопроводе.

Для трубопроводов насосов применяются стандартные стальные бесшовные горячедеформированные трубы.

Трубопровод оборудуется арматурой, в состав которой входят: при­емный клапан с сеткой (на всасывающем трубопроводе), обратный кла­пан, запорная задвижка с ручным или гидравлическим приводом, температурный сальниковый компенсатор.

При прокладке трубопровода используются фасонные части. В местах поворота трубопровода применяются колена, при ответвлениях — тройники, при пере­ходе с одного диаметра на другой — конусные переходы.

Грунтовые насосы

Грунтовые насосы предназначены для перекачки гидросмеси (раньше их называли землесосы). Они используются при раз­работке карьеров, россыпных месторождений и котлованов, транспорта грунта и полезных ископаемых (руда, уголь, строи­тельный материал), дноуглубления (водный транспорт), золо­удаления на тепловых электростанциях и др.

Особенности конструкции грунтовых насосов определяются наличием большого количества твердых частиц в перекачивае­мой воде, что создает чрезвычайно интенсивные абразивные воздействия, и необходимость обеспечить пропуск довольно крупных включений (галька, камни, руда, порода), которые попадают с грунтом.

Номенклатура грунтовых насосов предусматривает выпуск насосов с нормальным проходным сечением — тип Гр и с уве­личенным проходным сечением — тип Гру. Кроме того, выпу­скается несколько типов грунтовых насосов для различных условий работы по интенсивности абразивного воздействия: легкие,однокорпусные — индекс Л, легкие (средние) с футе­ровкой из резины — индекс Р или из корунда на бакелитовой основе — индекс К и тяжелые двухкорпусные с защитной фу­теровкой из износоустойчивой стали — индекс Т.

Для перекачивания гидросмесей, содержащих мелкие ча­стицы (песок, раздробленная руда, шлак, мелкая зола и пр.), применяются песковые насосы (тип П), которые по конструк­ции похожи на насосы типа Гр легкого режима, но имеют мень­шие размеры и легкоразборный корпус.

Струйные насосы

Действие струйных насосов основано на принципе передачи кинетической энергии от одного потока к другому, обладаю­щему меньшей кинетической энергией. Напор насосов этого типа создается непосредственным смещением обоих потоков, без каких-либо промежуточных механизмов. В зависимости от назначения насоса рабочая и перекачиваемая среды (жидкость, пар, газ) могут быть одинаковыми или разными.

Если в струйном насосе для перекачки воды используется энергия струи пара, то такой аппарат называется инжектором, если вода - гидроэлеватором.

Гидроэлеватор — во­доструйный насос, в котором используется энергия рабочей воды, подаваемой стацио­нарным насосом.

Рис. 2. Гидроэлеватор: 1 – корпус; 2 – горловина; 3 -насадка; 4 - загрузочный патрубок

Принцип действия: Рабочая вода подается по трубопроводу и выходит с большой ско­ростью через насадку. При этом в прием­ной камере создается разрежение. В зону разрежения по трубопроводувсасывается откачиваемая жидкость. Рабочая и от­качиваемая жидкости смешиваются в горловине, затем поток попадает в диффузор, где кинетическая энергия частично преобразуется в давление. Из диффузора поток поступает в напорный трубопровод.

Лекция №1. Общие сведения о стационарных шахтных установках

В курсе «Шахтные стационарные машины и оборудование» изучаются теоретические основы, оборудование и эксплуатация вентиляторных, водоотливных. пневматических и подъемных установок — основных стационар­ных установок шахт. Эти установки, без которых не могут суще­ствовать современные шахты, характеризуются сложностью кон­струкций и большой энергоемкостью (на их долю приходится 60- 70 и более % всей потребляемой на шахтах электроэнергии).

1. Вентиляторная установка служит для подачи в шахту ат­мосферного воздуха. От степени проветривания подземных выра­боток зависят возможность ведения работ в шахте, безопасность и производительность труда горнорабочих. Для создания нор­мальных атмосферных условий в горных предприятиях вентиляторы должны на 1 т добытого п.и. подать 5 .... 15 т воздуха.

Разли­чают вентиляторные установки главного проветривания, предна­значенные для проветривания всех выработок шахты, и мест­ного—для вентиляции тупиковых забоев. При строительстве шахт применяются временные вспомогательные вентиляторные установки.

Современные вентиляторы характеризуются надежностью и экономичностью в работе, обеспечивают потребность шахт в воз­духе до 700 m³/c при давлении до 700 даПа.

2. Водоотливная установка — это комплекс технических средств для удаления воды из горных выработок и выдачи ее на поверхность. Для откачки подземных вод применяют водоотливные установки, которые в зависимости от назначения подразделяют на центральные, главные, участковые, вспомогательные, перекачные, проходческие и скважинные.

Центральные, главные, вспомогательные и участковые водоотлив­ные установки, как правило, размещаются в специальных камерах и являются стационарными. При проведении горных выработок применяют передвижные водо­отливные установки.

Насос участковой установки транспортирует водупотрубопроводу, проложенному по уклону шахты, на уровень околоствольного двора. Далее по канавкам вода поступает в водо­сборник главной установки, откуда она одним из насосоввыдается по трубопроводу на поверхность.

3. Пневматические установки предназначены для получения сжатого воздуха, используемого при работе горных комбайнов, отбойных и бурильных молотков, лебедок, вентиляторов местного проветривания, участковых насосов и т. д.

Компрессор - машина, преобразующая механическую энергию при­вода в полезную потенциальную и кинетическую энергию газа. В ком­прессоре происходят повышение давления газа и перемещение его из об­ласти низкого в область высокого давления.

По способу сжатия газа компрессоры могут быть:

объемного сжатия (компрессоры вытеснения), в которых давле­ние воздуха повышается за счет уменьшения рабочего пространства, — поршневые, винтовые, ротационные;

кинетического сжатия (лопастные компрессоры), в которых воздух сжимается в процессе его принудительного движения при силовом взаи­модействии с лопатками вращающихся колес, — центробежные, осевые.

По создаваемому давлению различают следующие виды компрес­соров: вакуум-насосы, отсасывающие газ (воздух) из пространства с ва­куумом и сжимающие его до атмосферного или несколько большего давления; воздуходувки, сжимающие воздух до 0,3 МПа; компрессоры низкого давления (0,3…1,0 МПа); компрессоры среднего давления (1,0 … 10,0 МПа); компрессоры высокого давления (10…250 МПа).

Пневматическая установка состоит из компрессоров, рас­положенных на поверхности и вырабатывающих сжатый воздух, концевого охладителя, воздухопровода, по которому тран­спортируется сжатый воздух, и потребителей сжатого воздуха. При ведении горных работ находят применение также передвиж­ные компрессорные установки, расположенные в шахте и приме­няемые главным образом для бурильных машин.

4. Подъемная установка предназначена для транспортирования по стволу шахты полезного ископаемого, людей и различных гру­зов. Она состоит из подъемных сосудов, подъемных канатов, направляющих шкивов, копра и подъемной машины, которая может располагаться либо в здании на уровне земли, либо на копре. В настоящее время на шахте работают несколько подъемных установок, каждая из которых выполняет свои функции.

Подъемные сосуды подвешены на канатах и перемещаются с по­мощью их в стволе. Сосуды движутся по проводникам, представляющим собой направляющие, уложенные по всей длине ствола.

При подъеме груза скипамигруженая вагонетка вхо­дит в опрокидыватель околоствольного двора, опрокидывается и раз­гружается в бункер, из которого полезное ископаемое или порода че­рез загрузочное устройство с дозатором поступает в скип. Дозировка производится по объему или массе груза.

В подъемных установках, оборудованных клетями, груз поднимается в вагонетках, которые направляются механическими толкателями в клеть на нижней приемной площадке околоствольного двора. Вагонетки в клети поднимаются на верхнюю приемную площад­ку надшахтного здания, расположенную выше устья ствола, и выталкиваются из клети обычно порожними вагонетками, спускаемыми в шахту. Порожние вагонетки выталкиваются, в свою очередь, гружеными приихзаталкивании в клеть.

Подъемные установки классифидируют по ряду признаков:

По назначению подъемные установки подразделяютна главные, предназначенные для подъема полезного ископаемого (и вскрышных по­род на карьерах), вспомогательные (людские, грузовые и грузолюд-ские), служащие для подъема и спуска людей, породы, материалов и оборудования, и проходческие, применяемые при проходке и углубке стволов шахт.

По углу наклона ствола различают вертикальные и наклонные подъемные установки. Скиповой и клетевой подъемы применяют для транспортирования грузов по вертикальным и наклонным стволам с уг­лом наклона свыше 25°. При угле наклона ствола до 25° полезное ис­копаемое доставляют в вагонетках, из которых оно не высыпается, априугле 18° может быть применен конвейерный транспорт.

По типу подъемных сосудов подъемные установки бывают клете­выми, скиповыми и бадьевыми.