矿井排水系统要求

甘肃煤炭工业学校矿井排水设备赵小敏甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程目录第一节概述第二节离心式水泵的工作理论和特性曲线第三节离心式水泵的结构第四节相似理论第五节离心式水泵在管路中的工作本章小结甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程第一节概述一、排水设备的任务和分类1、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。2、来源涌入矿井的水统称为矿水。矿水主要来源于地表水、地下水（含水层水、断层水和采空区水等）、充填后的废水（水砂黄泥充填的矿井。矿井涌水量：在单位时间内涌入矿井的总水量称为矿井涌水量，用Q表示，其单位是m3/h。最大涌水量：雨季和溶雪期地表水丰富，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。正常涌水量：其它季节的涌水量大致均匀，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。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程3、矿水性质1）温度随井深增高。2）密度比清水大。ρ=1015～1025kg/m33）化学性质一般PH＞7为碱性，PH=7为中性，PH=4~6为弱酸性，当PH≤3时为强酸性。强酸性水对金属材料有强烈的腐蚀作用。矿水多带酸性，当PH5时，应采取措施：一是在排水前用石灰等碱性物质将水进行中和；一是采用耐酸泵排水，对管路进行耐酸防护处理。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程4、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。5、对排水设备的要求排水设备是煤矿四大固定设备之一。一般煤矿每开采1t煤，要排出2～7t的矿水，有些煤矿甚至多达30～40t的矿水。排水设备的电动机功率，小的几千瓦或几十千瓦，大的几百千瓦或上千千瓦。为确保矿井安全生产，排水设备安全、可靠、经济、合理地运行具有十分重要的意义。排水设备的选用及其布置方式必须符合《煤矿安全规程》等相关的技术规定和要求。见教材P299甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程6、排水设备的组成排水设备一般由水泵、电动机、吸水管、排水管、管路附件及仪表等组成。如图1所示。图1排水设备示意图1、水泵，2、电机，3、启动设备，4、吸水管，5、滤水器，6、底阀，7排水管，8、调节阀门，9、逆止阀，10、旁通管，11灌引水漏斗，12、放水管，13、放水阀，14、真空表，15放气栓，16、压力表甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程二、离心式水泵的组成及工作原理1、组成：离心式水泵主要由叶轮、叶片、外壳、泵轴和轴承等组成。2、离心式水泵的工作原理水泵启动前，应先用水注满泵腔和吸水管，以排除空气。启动后，泵轴带动叶轮旋转，叶轮中的水在离心力的作用下被甩向叶轮叶轮周围压向泵壳，通过排水管排至地面，与此同时，叶轮中心进水口处，由于水被抛至轮缘而形成真空，吸水井中的水在大气压的作用下，通过滤水器、底阀及吸水管进入水泵，填补叶轮中心的真空，叶轮连续旋转，吸水井中的水就不断被吸入和甩出，形成连续不断的排水。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程3、离心式水泵的分类按叶轮数目分1)单级水泵泵轴上仅装有-个叶轮2)多级水泵泵轴上装有几个叶轮按水泵吸水方式分1)单吸水泵叶轮上仅有-个进水口2)双吸水泵叶轮两侧各有-个进水口按泵壳的结构分1)螺壳式水泵2)分段式水泵垂直泵轴心线的平面上有泵壳接缝3)中开式水泵在通过泵轴心线的水平面上有泵壳接缝按泵轴的位置分1)卧式水泵泵轴呈水平位置2)立式水泵泵轴呈垂直位置按比转数分1)低比转数水泵比转数nS=4O～802)中比转数水泵比转数nS=8O～1503)高比转数水泵比转数nS=150～300甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程单级泵多级泵（2~13）按叶轮数目分低压泵低于0.2MPa中压泵0.2~1MPa高压泵高于1MPa按产生的扬程分单吸泵双吸泵按叶轮吸入式分窝壳式导叶式按导流形式分离心式水泵的分类甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程4、离心式水泵的工作参数1）流量水泵在单位时间内所排出水的体积，称为水泵的流量，用符号Q表示，单位m3/s,m3/h。2）扬程单位重量的水通过水泵后所获得的能量，称为水泵的扬程，用符号H表示，单位为m。吸水扬程(吸水高度)泵轴线到吸水井水面之间的垂直高度，称为吸水扬程，用符号HX表示，单位为m。排水扬程（排水高度）泵轴线到排水管出口处之间的垂直高度，称为排水扬程。用符号Hp表示，单位为m.实际扬程（测地高度）从吸水井水面到排水管出口中心线间的垂直高度，称为实际扬程。用符号Hsy表示，单位为m，即Hsy=Hx+Hp总扬程总扬程H为实际扬程、损失扬程和在水在管路中以速度v流动时所需的（速度水头）扬程之和，称为水泵的总扬程,即22ghwHsyH甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程1000pxQHXP3）功率水泵在单位时间内所做的功的大小叫做水泵的功率。水泵的轴功率电动机传给水泵轴的功率，即水泵的轴功率（输入功率）水泵的有效功率水泵实际传递给水的功率，即水泵的有效功率（输出功率）用符号表示。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程ZPQH10004）效率：水泵的有效功率与轴功率之比，叫做水泵的效率，用符号表示。5）转速水泵轴每分钟的转速，叫做水泵的转速。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程6）允许吸上真空度或汽蚀余量在保证水泵不发生汽蚀的情况下，水泵吸水口处所允许的真空度，叫做水泵的允许吸上真空度。用符号Hs表示。水泵吸水口处单位重量的水超出水的汽化压力的富余能量，叫做水泵的汽蚀余量。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程第二节离心式水泵的工作理论及特性曲线一、离心式水泵理论压头及特征曲线1.水在叶轮中的运动分析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，假定：1）叶轮叶片数目无限多，叶片厚度无限薄；2）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）设叶轮的几何参数为：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。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程当水进入叶轮后，由于叶轮作等速圆周运动，叶片迫使水质点以同一转速旋转，故水质点具有与叶轮相同的圆周速度,称为牵连速度（圆周速度），用符号u表示，其方向与叶轮圆周相切，大小随半径r变化。任意半径处圆周速度u=rω；在水质点随叶轮作等速圆周运动的同时，还要以一定的速度沿着叶片所形成的流道向外流动，即沿着叶片表面流动，其方向与叶片相切，称为相对速度，用符号w表示。速度是矢量，牵连速度u和相对速度w的矢量和，就是水流经叶轮的绝对速度c，即：wuc甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程在叶轮内任何一个位置，都可以画出这三个速度的大小和方向，它们构成一个三角形，称为速度三角形。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程速度三角形向量图（图7—3）（以下缀1和2区分入口和出口处的各项参数）参数解释：Cr：绝对速度在径向方向上的分量，称为径向分速度；Cu：绝对速度在圆周方向上的分量，称为切向分速度（扭曲速度）；α：绝对速度与牵连速度的夹角。称为叶片工作角；β：相对速度与牵连速度反方向的夹角，称为叶片安装角。从图中知：2222222usinCCCctgCurr甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程2.离心式水泵的理论压头方程式由于水流经叶轮时情况非常复杂，为了便于分析，假设：1)水在叶轮内的流动为稳定流动，即速度图不随时间变化；2)水是不可压缩的，即密度ρ为一常数；3)水泵在工作时没有任何能量损失，即原动机传递给水泵轴的功率完全用于增加流经叶轮水的能量；4)叶轮叶片数目无限多且为无限薄。这样水流的相对运动方向恰好与叶片相切；叶片的厚度不影响叶轮的流量；在叶轮同一半径处的流速相等、压力相同。在上述条件下求出的压头，叫做离心式水泵的理论压头。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程MPZ)(11221122lclcgQlmclmcMl水泵工作时，叶轮传递给水的理论功率为lPllHQ=水泵的轴功率PZ可用叶轮入口间水流上的外力矩M和叶轮的角速度之乘积来表示，即因为没有损失，故根据动量矩定理可知：作用在叶轮上的外力矩等于每秒钟流经叶轮出入口间水的动量矩的增量，即LLZlQMHPP:则甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程式中：11221112222221112121)coscos(cos::ururrCrCgH，QMHgosrlrl。cc、llLLL因得中将上式代入计算公式为距轴的垂直距离和出口绝对速度进口绝对速度则)coscos(1111222cucugHl即为离心式水泵的理论压头方程式，又称为欧拉公式。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程于是)(11122uulcucugHulcugH221由此方程式可以看出：1)水从叶轮中所获得的能量，仅与水在叶轮进口及出口处的运动速度有关，与水在流道中的流动过程无关。如果水在叶轮进口时没有扭曲，即uc11=900=0，这时公式可改写为：2)理论扬程Hl与u2有关，而602nD2u=因此，增加转速n和加大叶轮直径D2，可以提高水泵的理论扬程。3)流体所获得的理论扬程Hl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Hl。uuCCCC111222coscos:由速度图可知甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程3.离心式水泵的理论压头与理论流量的关系式离心式水泵的理论流量为：llBQAH，guA22222cotgSuB式中4.离心式水泵的理论压头线离心式水泵的叶轮的叶片型式有三种，即前弯式、后弯式和径向叶片。rlCS22Q甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程⑴前弯叶片，β290º，cotβ20,故Hl=A+BQl；理论压头随理论流量增加而增大，即Hl随着Ql的增加而增加，是一条上升的直线。⑵径向叶片，β2＝90ºcotβ2＝０B＝０故Hl=A；理论压头为定值不变，即Hl不随着Ql的增加而变化，是一条与横坐标平行的直线。⑶后弯叶片β290ºcotβ20B0故Hl=A-BQl；理论压头与理论流量成反比，是一条下降的直线。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程在几何尺寸、转速以及流体进入叶片运动情况相同的条件下，三种叶片的工作状态分析如下：1)理论压头的关系根据离心式水泵欧拉方程分析可知，前弯叶片c2uu2,后弯叶片c2uu2，径向叶片c2u=u2。所以前弯叶片产生的理论压头最高，后弯叶片产生的理论压头最低，径向叶片居中。2)叶轮流道与效率的关系就叶轮流道阻力而言，后弯叶片因流道长，断面变化的扩散角小，流动结构变化缓慢，所以流动能量损失最小，效率最高。相反前弯叶的流道短而宽，断面变化的扩散角大，流动结构变化剧烈，流动阻力较大，流动损失也大，效率是三种叶片中最低的；径向叶片的叶轮效率居中。甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程不同叶型叶片工作特性的比较比较项目叶片型式前弯径向后弯理论总压头大中小静力压头/总压头小中大叶道阻力损失大中小理论总压头随理论流量变化情况升高不变降低理论功率随理论流量变化情况急剧增大逐渐增大开始增大逐渐趋缓综上分析，在实践中通常使用后弯叶片叶轮，β2一般在２０o～２5o之间，叶片数一般为５～７片。5、三种不同叶型叶片工作特性分析比较结果见下表甘肃煤炭工业学校《矿山机械》精品课程（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。