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1、第四篇 矿山流体机械 第十二章 矿山排水设备 第十三章 矿山通风设备 第十四章 矿山压气设备,第十二章 矿山排水设备 第一节 概述 矿山排水设备重要意义：保证矿井安全生产。 排水设备性能要求：安全、可靠和经济,一、矿井水 （一）矿井水来源：地面水和地下水。 地面水是指江、河、湖、沟渠和池塘里的积水以及季节性雨水、融雪和山洪等，如果有巨大裂缝与井下沟通时，地表水就顺裂缝灌至井下，造成水灾。 地下水包括岩层水、煤层水和采空区的水。地下水在开采过程中不断涌出，若与地表水相连通，将对矿井产生很大威胁，矿山排水设备的任务就是将矿井水及时排送至地面。,（二）涌水量 绝对涌水量：指单位时间内涌入矿井水的体积
2、。 最大涌水量：一个矿井在某一季节里的涌水高峰时的涌水量，其它季节的涌水量为正常涌水量。 相对涌水量：比较各矿涌水量的大小，常用同时期内相对于单位煤炭产量的涌水量作为比较参数，称为含水系数，用Ks表示。,（三）矿井水性质 矿井水中含有各种矿物质，并且含有泥沙、煤屑等杂质，故矿井水的密度比清水大，一般为10151020 。矿井水中含有的悬浮状固体颗粒进入水泵后会加速金属表面的磨损，所以矿井水中的悬浮颗粒应在进入水泵前加以沉淀，而后再经水泵排出矿井。,有的矿井水有酸性，会腐蚀水泵、管路等设备，缩短排水设备的正常使用年限。因此对酸性矿井水，特别是pH3的强酸性矿井水必须采取措施，一种办法是在排水前用
3、石灰等碱性物质将水进行中和，减弱其酸度后再排出地面；另一种办法是采用耐酸泵排水，对管路进行耐酸防护处理。,泵的分类 泵是把原动机的机械能转换为液体的能量的机器。原动机（电动机、柴油机等）通过泵轴带动叶轮旋转，对液体做功，使其能量（包括位能、压能和动能）增加，从而使液体输送到高处或要求有压力的地方。,泵的分类,水 锤 泵,三、矿井排水系统 矿井排水系统确定因素： 矿井深度、 开拓系统以及各水平涌水量的大小等。 常见两种排水系统： 集中排水系统、 分段排水系统。,（一）集中排水系统,图12-3 钻孔下排水管排水系统,（二）分段排水系统,第二节 离心式水泵工作理论 一、离心式水泵的工作原理 水泵启动
4、前，先由注水漏斗向泵内注水，然后启动水泵，叶轮随轴旋转，叶轮中的水也被叶片带动旋转。这时，在离心力的作用下，水从叶轮进口流向出口。在此过程中，水的动能和压力能均被提高。被叶轮排出的水经螺旋形扩散室后，大部分动能又转变为压力能，然后沿排水管输送出去。这时叶轮进口处则因水的排出而形成真空。吸水井中的水在大气压力作用下，经吸水管进入叶轮。叶轮不断旋转，排水便不间断地进行。,图12-5 离心式水泵简图,二、离心式水泵的工作参数 表征水泵工作状况的参数称为水泵的工作参数，它包括流量、扬程（压头）、功率、效率、转速和允许吸上真空度等。,1流量 指单位时间内水泵排出液体的体积，又称排量。用符号表示，单位为
5、。 2扬程 指单位重量液体自水泵获得的能量，又称为压头，用符号H表示，单位为m。 3功率 水泵功率是指水泵在单位时间内所做功的大小，可分为轴功率和有效功率。,（1）轴功率 电动机（原动机）传给泵轴上的功率（即输入功率），叫做轴功率。用符号表示，单位为kW。 （2）有效功率 水泵实际传递给水的功率（即输出功率），叫做有效功率。常用符号 表示，单位为kW。水泵扬程H可以理解为水泵输出给单位重量液体的功，而单位时间内输出液体的重量为 ，故,4效率 指水泵有效功率与轴功率的比值。 用符号 表示 5转速 指水泵转子每分种转数。用符号n表示， 单位为r/min。 6允许吸上真空度 指水泵在不发生汽蚀时，允
6、许吸上真空度的最大限值。常用符号Hs表示，单位为m。,三、离心式水泵的基本方程式 （一）水在叶轮内的运动分析 在离心式水泵中，水首先沿着叶轮轴向进入叶轮，然后在叶轮内转为径向流出。此时水的质点既有以速度相对于叶轮的相对运动，又有与叶轮圆周速度相同的牵连运动，水的绝对速度就是上述两种运动速度的向量和。,水泵叶轮,闭式叶轮 半开式叶轮,图12-6 离心式水泵叶轮中流体流动速度,（二）基本方程式 假设条件： （1）叶轮叶片数目无限多，厚度无限薄。即水流的相对运动方向恰好与叶片相切，且叶片厚度不影响叶轮的流量； （2）水泵工作时没有任何能量损失，即电动机传给它的能量全部由工作介质吸收； （3）叶轮内工
7、作介质的流动是稳定流动； （4）工作介质是不可压缩的。 离心式水泵的理论扬程：在理想叶轮模型条件下求出的扬程。,根据动量矩定理：在两个截面间流过的液体，其动量矩的增量等于外界作用在此两截面间液体上的冲量矩。 动量矩增量 ： 冲量矩：,单位重量液体所吸收的能量即为离心式水泵所产生的扬程，所以,上式表示在理想条件下离心式水泵对单位重量液体所传递的能量，称为离心式水泵的理论扬程。此公式是离心式水泵的基本方程式，又称为欧拉方程式。,为提高水泵的理论扬程，一般离心式水泵在结构设计上，均使水沿径向流入叶轮，即,四、离心式水泵的特性曲线 1理论扬程特性曲线,图12-8 叶轮叶片的三种型式 （a）后弯叶片 （
8、b）径向叶片 （c）前弯叶片,前弯叶片叶轮的效率较低，后弯叶片叶轮的效率较高，径向叶片叶轮的效率居中。因此，在实践中通常使用后弯叶片的叶轮以提高效率。,（二）实际特性曲线,五、比例定律及比转数 水泵的性能参数和特性曲线是在一定的转速下得到的，当转速改变时，其性能参数和特性曲线也随之改变。比例定律就是反映水泵的性能参数随转速改变的规律。,比例定律也适用于通风机，只需将公式中的扬程换为风压即可。,第三节 离心式水泵结构 一、离心式水泵的类型,（一）D型离心式水泵 D型泵是单吸、多级、分段式离心泵，其构造如图12-10所示。 特点：D型泵的流量和扬程范围很大，目前这种类型泵最高扬程可达近1000m，
9、流量达450 ，能够满足矿井排水的需要；效率曲线平坦，工业利用区较大。,离心泵,离心泵,图12-10 D型泵构造简图,（二）B型离心式水泵,B型泵是单吸、单级、悬臂式离心泵。其构造如图12-11所示。泵轴的一端在拖架内用轴承支承，另一端悬出称为悬臂端，在悬臂端装有叶轮。轴承可以用润滑油或润滑脂润滑。 特点：B型泵体积小，重量轻，结构简单，工作可靠，便于搬运和维护检修。 流量范围为4.5360 ，扬程为898m。常用于排出采区、井底水窝的积水，也可作为其它辅助供、排水设备。,二、离心泵主要部件 主要部件大致可分为四类： （一）流通部件：吸入室、叶轮、导水圈和压出室 ； （二）密封装置：密封环和填
10、料函 （三）轴向推力平衡装置（6种）： （1）开平衡孔 （2）采用平衡叶片 （3）采用双吸叶轮（4）对称布置叶轮 （5）平衡鼓 （6）平衡盘 （四）传动装置：泵轴、轴承、联轴器等 。,第四节 离心式水泵网络工况 一、排水管路特性 排水管路特性：水泵在管路上工作时，排水所需的实际扬程与流量之间的关系。,伯努利方程 （流体能量方程式）,经整理后有： 式中 管路阻力系数。,图12-25 管路特性曲线,泵排水过程中单位重量液体所获得的有效能量 与输给单位重量液体的能量H的比值，称为管路效率，以 表示，即,从上式可知，若提高 ，必须减少管路阻力系数 以减少H。为此应保持管内壁的清洁和光滑，选择阻力较小的
11、管件，尽量缩短管路敷设长度，以取得较好的经济效益。,二、水泵工况点的确定 如果把水泵特性曲线和管路特性曲线按同一比例画在同一坐标图上，所得的交点就是水泵的工况点，即图12-26中的M点，由M点作一条垂线，即可得到工况流量 ，同时在纵坐标上，能读出水泵的工况扬程 ，工况功率 ，工况效率 和工况允许吸上真空度 。,12-26 离心式水泵的工况点,三、水泵汽蚀与吸水高度 （一）水泵汽蚀 当叶轮入口处压强下降至被送液体在工作温度下的饱和蒸汽压时，液体将会发生部分气化，生成的气泡将随液体从低压区进入高压区，在高压区气泡会急剧收缩、凝结，其周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占空间，产生高强度的冲击波，冲击
12、叶轮和泵壳，发生噪音引起震动。由于长期受到冲击力反复作用以及液体中微量溶解氧的化学腐蚀作用，叶轮局部表面出现斑痕和裂纹甚至成海绵状损坏，这种现象叫汽蚀。,12-27 汽蚀和吸水高度,汽 蚀,汽 蚀,（二）吸水高度 保证水泵不发生汽蚀的合理吸水高度为,- 水泵的允许吸上真空度,- 吸水管路阻力损失,四、水泵的工业利用区 工业利用区指水泵特性曲线上允许使用的区段。在这个区段内，水泵的工况点必须同时满足稳定工作条件，经济工作条件和不发生汽蚀的条件。 （一）稳定工作条件,-水泵零流量时的扬程 -管路测地高度,图12-29 泵的稳定工作条件,（二）经济工作条件,五、水泵的联合工作 当一台水泵工作不能满足
13、排水要求时，可以将多台水泵联合工作。联合工作的基本方式有串联和并联两种。在进行串、并联运转时，最好采用同类型同规格的水泵。,（一）串联工作 多台水泵的吸水口和排水口彼此首尾相接于一条管路工作，称为串联。目前国产的矿用主排水离心泵，每级扬程在40100m，单级扬程满足不了排水要求时，必须采用多级水泵串联工作。 水泵串联工作特点：每台水泵的流量相等，扬程为两台水泵扬程之和。,图12-31 两台同型号水泵串联工作,（二）并联工作 当多台泵同时向一条管路输水时称为并联，其主要目的是增加管道中的排水量。 水泵并联工作特点：管路中的流量为水泵I和的流量之和。,图12-32 两台同型号泵并联工作,六、水泵工况点的调节 矿用离心泵是经过选型计算的，一般不需要调节，但当排水设备在运行中由于某种原因使工况点离开了工业利用区或流量、扬程不能满足要求时，则需要对水泵进行调节。调节就是改变泵的运转工况点，使工况参数发生变化。 调节方法有多种，但实质有两种：一种是改变泵的扬程曲线，一种是改变管路特性曲线。,（一）改变泵的扬程曲线 1. 切削叶轮直径 2. 减少叶轮数目 3. 改变叶轮转速 （二）改变管道特性曲线 1. 节流调节 2. 管路并联调节,
