矿井排水设备资料课件

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 1、矿水、矿水（1 1）矿水来源）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。水。（2 2）涌水量）涌水量绝对涌水量：单位时间内涌入矿井的水的体积量（绝对涌水量：单位时间内涌入矿井的水的体积量（q q），），单单位是位是m3/hm3/h；相对涌水量：同时期内相对于单位煤炭产量的涌水量，也相对涌水量：同时期内相对于单位煤炭产量的涌水量，也称含水系数。以称含水系数。以“Ks”Ks”表示。表示。TT同时期内煤炭日产量（同时期内煤炭日产量（t t）（3 3）矿水性质矿水性质1 1）温度）温度 随井深增高。随井深增高。2 2）密度）密度 比清水大。比清水大。=1015=10151025kg/m31025kg/m33 3）化学性质化学性质 矿水略带酸性，当矿水略带酸性，当PH5PH90 90，B0B0，故故H HT T=A+BQ=A+BQT T即即H HT T随随着着QQT T的增加，是一条上升的直线；的增加，是一条上升的直线；（2 2）2=902=90，B=0 B=0，故故H HT T=A=A，即即H HT T不随不随QQT T的的变化而变化，是一条与横标平行的直线。变化而变化，是一条与横标平行的直线。（3 3）2 290 0B0，故故H HT T=A-BQ=A-BQT T即即H HT T随着随着QQT T的增加而减小，是一条下降的直线。的增加而减小，是一条下降的直线。4 4、叶片的型式、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。即为三种。即290290290时，前向叶片叶轮。时，前向叶片叶轮。图图775 5所示，由图可以看出，前向叶片的出口绝对所示，由图可以看出，前向叶片的出口绝对速度速度c2c2最大，后向叶片的绝对速度最大，后向叶片的绝对速度c2c2最小。绝对最小。绝对速度越大，水在泵内流动时的能量损失也越大，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，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叶轮的效率较高。因此，在实践中使用后向叶片的叶轮。后向叶片的叶轮。（二）实际特性曲线（二）实际特性曲线1 1、实际扬程特性曲线的定性分析、实际扬程特性曲线的定性分析（1 1）有限叶片的影响（叶片数目有限时对扬程的影响）有限叶片的影响（叶片数目有限时对扬程的影响）1 1）叶片有限时的环流和相对速度的分布）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（环流的形成相对速度分布：受环流（环流的形成来自流体质点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。（的相对速度。（图图7-67-6）形成原因：理想叶轮相对速度的均匀分布与环流合成形成原因：理想叶轮相对速度的均匀分布与环流合成的结果。的结果。2 2）环流对压头的影响）环流对压头的影响叶片数目有限与无限情况下速度的比较：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绝对速度向叶轮旋转的相反方向偏移。向偏移。，减小程度用表示，称为环流系数。，减小程度用表示，称为环流系数。对于水泵对于水泵 （zz叶片数目），一般叶片数目），一般k=0.6k=0.60.90.9。环流对压头的影响：环流对压头的影响：（2 2）能量损失（水力损失）的影响）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。损失可归纳为摩擦扩散损失和冲击损失。1 1）摩擦和扩散损失（）摩擦和扩散损失（图图7-7-7 7）摩擦损失摩擦损失 指流体在叶轮和其它通流部件中的沿程指流体在叶轮和其它通流部件中的沿程损失。损失。扩散损失扩散损失 指流体在导向器和泵壳扩散时（将动压转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。换为静压过程中）的能量损失。2 2）冲击损失（图）冲击损失（图7-77-7）指流体在水泵全部流动过程中的转弯、扩大和收缩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。在的冲击和流量变化时叶轮内的涡流损失。在Q=Q=QeQe时，时，hqhq=0=0；当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。的平方增加。即即KqKq冲击损失系数。冲击损失系数。冲击损失分布的原因：冲击损失分布的原因：由于由于QQQeQe时，流体以大于叶片安装角的角度冲向叶片，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；当把流体挤压到叶片工作面上并在背面上形成涡流区；当QQQeQe时，流体与叶片相遇时的角度小于叶片安装角，流时，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。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 2、实际特性曲线、实际特性曲线（1 1）实际扬程特性曲线解析图）实际扬程特性曲线解析图图图7-87-8（2）实际特性曲线四、比例定律及比转数四、比例定律及比转数1 1、比例定律、比例定律（1 1）相似条件）相似条件 相似理论（研究相似流体的理论）相似理论（研究相似流体的理论）根据相根据相似理论，若两个流动之间，相互对应的流动参量似理论，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、（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，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。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。动力相似的水泵称相似水泵。1 1）几何相似（边界相似）几何相似（边界相似）指流动几何相似和边界性质相同。彼此相似的水指流动几何相似和边界性质相同。彼此相似的水泵的叶轮和主要通流部件中的流体流动几何相似，泵的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：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 3）动力相似）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，即雷于彼此相似的水泵主要是要求其雷诺准则，即雷诺数诺数Re=Re=uDuD/（式中式中uu叶轮外缘速度，叶轮外缘速度，DD叶轮叶轮外缘直径，外缘直径，运动粘度系数）相等或不大于运动粘度系数）相等或不大于5 5倍。倍。实际上要做到实际上要做到ReRe相等，有时有实际困难，考虑相等，有时有实际困难，考虑到管流时粘滞力不再与到管流时粘滞力不再与ReRe有关，而且自动保持有关，而且自动保持动力相似，所以不严格要求动力相似，所以不严格要求ReRe相等。但也应尽相等。但也应尽量做到阻力系数接近，相差不宜过大。即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。和动力相似为充分条件。（2 2）比例定律）比例定律1 1）相似水泵相应工况下的参数关系）相似水泵相应工况下的参数关系流量关系流量关系 设对应工况的流量值分别设对应工况的流量值分别由于两水泵相似，所以由于两水泵相似，所以扬程关系扬程关系 设对应工况的压头值分别为设对应工况的压头值分别为由于两水泵相似，所以由于两水泵相似，所以 功率关系 2 2）比例定律）比例定律对于同一台或两台对应尺寸相等的相似水泵，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。即若排送的液体重度相等，可得比例定律。即比例定律的应用：比例定律的应用：(二二)比转数比转数 比转数是水泵相似的一项派生准则。因为比例定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，为了比较不同系列水泵的性能参泵的选择和设计中，为了比较不同系列水泵的性能参数，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。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：用途：1 1、比转数可以反映水泵的性能及叶轮形状；、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，流量大而压头小，流量大，导在相同转速下，比转数大，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。较平坦。2 2、比转数可以对水泵进行分类；、比转数可以对水泵进行分类；3 3、比转数可以选择水泵的叶轮型式；、比转数可以选择水泵的叶轮型式；4 4、应用于设计计算中。、应用于设计计算中。73 73 离心式水泵的结离心式水泵的结 离心式水泵的分类：按叶轮数目分、按叶轮离心式水泵的分类：按叶轮数目分、按叶轮进水口数目分、按泵壳的接缝形式分、按泵轴的进水口数目分、按泵壳的接缝形式分、按泵轴的位置分等。位置分等。目前，矿山主要排水设备常用目前，矿山主要排水设备常用D D型、型、DADA型和型和TSWTSW型多级离心式水泵，而井底水窝和采区局部型多级离心式水泵，而井底水窝和采区局部排水则常用排水则常用B B型、型、BABA型和型和BZBZ型单级离心式水泵。型单级离心式水泵。一、一、D D型离心式水泵型离心式水泵单吸多级分段式水泵。单吸多级分段式水泵。（一）（一）D D型泵的结构型泵的结构主要由转动部分、固定部分、轴承部分和密封部分组主要由转动部分、固定部分、轴承部分和密封部分组成。成。1 1、转动部分、转动部分（1 1）叶轮）叶轮1 1）作用）作用2 2）结构原理）结构原理形状取决于比转数，由前盘面、后盘面、叶片、轮毂形状取决于比转数，由前盘面、后盘面、叶片、轮毂组成。组成。a a、叶型叶型b b、叶片数目叶片数目（2 2）泵轴）泵轴（3 3）平衡盘）平衡盘2 2、固定部分、固定部分（1 1）进水段）进水段 环形吸水室环形吸水室（2 2）中段）中段1 1）导水圈）导水圈2 2）返水圈）返水圈注意：导水圈叶片与叶轮叶片数应互为质数。注意：导水圈叶片与叶轮叶片数应互为质数。3 3）出水段）出水段螺壳型出水段螺壳型出水段3 3、轴承部分、轴承部分4 4、水泵的密封、水泵的密封（1 1）固定件之间密封）固定件之间密封纸垫密封纸垫密封（2 2）转动部分与固定之间的密封）转动部分与固定之间的密封1 1）密封环）密封环a a、大口环大口环b b、小口环小口环2 2）填料装置）填料装置吸水侧填料装置：吸水侧填料装置：排水侧填料装置：排水侧填料装置：注意：填料压盖不可拧得太紧。注意：填料压盖不可拧得太紧。（二）（二）D D型泵的特点和型号意义型泵的特点和型号意义1 1、特点、特点2 2、型号意义、型号意义D D型泵流通部件的材质有两种，一种适用于普通中型泵流通部件的材质有两种，一种适用于普通中性水，用性水，用“D”D”表示；另一种适用于酸性水，用表示；另一种适用于酸性水，用“DF”DF”或或“D D”表示表示二、二、B B型离心式水泵型离心式水泵（一）构造（一）构造（二）特点和型号意义（二）特点和型号意义1 1、特点、特点2 2、型号意义、型号意义三、离心式水泵的轴向推力及平衡方法三、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，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。予以平衡才能保证泵的正常工作。（一）产生轴向推力的原因（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。作用在叶轮内表面上水的动压的轴向分力所致。（二）危害二）危害使整个转子向吸水侧窜动。使整个转子向吸水侧窜动。1 1、使叶轮造成破坏性磨损；、使叶轮造成破坏性磨损；2 2、轴承发热、电动机负载增加；、轴承发热、电动机负载增加；3 3、使叶轮出水口与导水圈的导叶进口发生偏移，引、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。起冲击和涡流，降低泵的效率。（三）轴向推力的平衡方法（三）轴向推力的平衡方法1 1、平衡孔、平衡孔构成一个平衡室，降低平衡室内的压强。其方法如构成一个平衡室，降低平衡室内的压强。其方法如下：下：（1 1）在叶轮后底盘上钻孔，把平衡室和叶轮入口连）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；接起来，使两侧压强相等；（2 2）用专门的通路将平衡室与低压区沟通，达到降）用专门的通路将平衡室与低压区沟通，达到降压目的。压目的。2 2、加径向筋、加径向筋3 3、平衡鼓、平衡鼓4 4、对称布置叶轮、对称布置叶轮5 5、平衡盘法、平衡盘法（1 1）结构原理）结构原理 图图713713（2 2）特点）特点平衡效果好，但起动过程易与平衡座接触造成磨损。平衡效果好，但起动过程易与平衡座接触造成磨损。（3 3）注意）注意平衡盘与平衡座之间间隙在平衡盘与平衡座之间间隙在0.50.51 1之间；泵轴的之间；泵轴的窜量不小于窜量不小于1 1，不大于，不大于4 4。74 74 离心式水泵的运行离心式水泵的运行一、排水管路特性一、排水管路特性 水泵在管路上工作时，排水所需的实际压头水泵在管路上工作时，排水所需的实际压头（扬程）与通过管路的流量的关系称为管路特性。（扬程）与通过管路的流量的关系称为管路特性。1 1、管路特性方程式、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。伯努利方程式导出。列吸水面列吸水面1-11-1和排水管路出口截面和排水管路出口截面2-22-2的伯努利方程的伯努利方程式。取面式。取面1-11-1为基准面，则为基准面，则 分析上式可知，所需压头（扬程）取决于测地高度分析上式可知，所需压头（扬程）取决于测地高度HCHC，管路阻力系数管路阻力系数R R和流量和流量QQ。对于具体的矿井来讲，对于具体的矿井来讲，其其HCHC是确定的，因而当流量一定时，所需压头（扬程）是确定的，因而当流量一定时，所需压头（扬程）将取决于将取决于R R。（。（R R的大小与管长、管径、管内壁状况以的大小与管长、管径、管内壁状况以及管路附件的种类和数量有关及管路附件的种类和数量有关2 2、管路特性曲线、管路特性曲线二、水泵的工况点二、水泵的工况点（一）工况点及工业利用区（一）工况点及工业利用区1 1、工况点、工况点（1 1）工况点）工况点（2 2）工况参数）工况参数 扬程、流量、功率、效率、允许扬程、流量、功率、效率、允许吸上真空度等。吸上真空度等。2 2、工业利用区、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。区段内工作，水泵满足稳定工作和经济工作的条件。（1 1）稳定工作）稳定工作 水泵在运转中工况点是单值的，不能出现无交水泵在运转中工况点是单值的，不能出现无交点或多交点。点或多交点。1 1）不稳定的原因）不稳定的原因无工况点（无工况点（H H0 0HHC C）多工况点（多工况点（H H0 0HHC C）2 2）稳定工作条件稳定工作条件0.9 0.9 H H0 0HHC C（2 2）经济工作条件经济工作条件（3 3）工业利用区的划定）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。汽蚀条件。（二）水泵工况点的调节（二）水泵工况点的调节调节目的：调节目的：1 1、使水泵在运转过程中，其工况点始终满足正常工作条件；、使水泵在运转过程中，其工况点始终满足正常工作条件；2 2、使水泵的流量和扬程满足实际工作的需要。、使水泵的流量和扬程满足实际工作的需要。调节途径：调节途径：1 1、改变管路特性曲线；、改变管路特性曲线；2 2、改变水泵本身的特性曲线。、改变水泵本身的特性曲线。一）改变管路特性曲线一）改变管路特性曲线1 1、闸门调节法、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，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。使电机在允许负荷下运行。2 2、管路并联（节能）、管路并联（节能）（1 1）调节方法）调节方法（2 2）注意）注意1 1）防止电动机过负荷；）防止电动机过负荷；2 2）防止产生汽蚀。）防止产生汽蚀。二）改变水泵特性曲线调节法二）改变水泵特性曲线调节法1 1、改变转速调节法、改变转速调节法由比例定律可知，改变转速，其性能参数也将发生由比例定律可知，改变转速，其性能参数也将发生相应的变化。相应的变化。特点：这种方法没有额外的能量消耗，经济上合理。特点：这种方法没有额外的能量消耗，经济上合理。但改变转速的方法比较复杂，需要增加附加设备，但改变转速的方法比较复杂，需要增加附加设备，费用较高，因此应用不很广泛。费用较高，因此应用不很广泛。2 2、切削叶轮直径调节法、切削叶轮直径调节法（1 1）切割定律）切割定律（2）切割量切割抛物线方程式：切割后的叶片外径：切削量：注意：1）切削时应只切叶片，前后盘应保留；2）切削量不能太大。3 3、减少叶轮数目调节法、减少叶轮数目调节法注意：减少叶轮应从排水侧减起。如条件允许最好注意：减少叶轮应从排水侧减起。如条件允许最好把相应的中段也去掉，把泵轴缩短。（因为这样才把相应的中段也去掉，把泵轴缩短。（因为这样才不会使效率下降太多。）不会使效率下降太多。）减少叶轮数目前后的性能比较：（减少叶轮数目前后的性能比较：（图图7-237-23）减少叶轮数目后减少叶轮数目后 （1 1）节约扬程，使管路效率大）节约扬程，使管路效率大大提高；（大提高；（2 2）允许吸上真空度增大，提高了运行）允许吸上真空度增大，提高了运行的安全性和经济性。的安全性和经济性。管路效率管路效率三、水泵的联合工作1、水泵的串联工作（1）串联的任务及目的（2）串联工况点 1）构造等效水泵2）求等效水泵的特性曲线按照“等流量线下，扬程相加”的原则3）求等效水泵的工况点M等4）求串联工况点：M1、M22、水泵的并联工作（1）并联的任务及目的（2）并联工况点1）构造等效水泵2）求等效水泵的特性曲线按照“等扬程线下，流量相加”的原则3）求等效水泵的工况点M等4）求并联工况点：M1、M2（3）并联效果3、串并联方式的确定四、水泵的启动和停止1、启动注意：水泵绝对不能在泵腔内未灌满水就启动。2、停止注意：停止时绝对禁止没有关闭出水闸阀就切断电源。五、提高排水设备经济运行的措施（一）提高水泵效率（二）提高管路效率