矿井排水设备

第七章矿井排水设备§7—1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。tmTqKs/243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。ρ=1015～1025kg/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§15—2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（即水泵的输出功率）。1000QHPa4、效率（η）水泵的有效功率与轴功率的比值。PQHPPa1000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ρ=常数）（一）水的质点在叶轮内的流动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；β1、β2—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=rω；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。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Cwuc3、速度三角形（速度向量图）速度三角形（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：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）α角：与的夹角。β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ururrucuccucccccwuwucwcwucucucwucucw2221211111222222222111212121212222222111212121tantantantansincoscos2cos2cos2cos2（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TTlHrQPMPl又轴功率可以用加于叶轮的外力矩M和叶轮角速度ω的乘积表示为（找出外加力矩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。）TTrQMH∴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ρQT。该流体在叶轮中的动量矩增量可用它的出口处动量矩ρQTc2l2与入口处动量矩ρQTc1l1之差表示。由此)(1122lclcQMT式中222cosrl111cosrl22ru11ru)(11122uuTcucugH，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，通常都是按无预旋设计，即α1=90º、c1u=0。因此uTcugH221，m2、压头与叶轮外缘圆周速度u2成正比，u2=ЛD2n/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。22112111wuccuu222222222wuccuu)(21)(21)(21222121222122wwguugccgHT代入基本方程式可得：)(212122ccg)(212122uug)(212221wwg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，表示由于相对速度降低而使静压增加的量。uTcugH221rrTcbDcsQ22222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/ss2—叶轮出口面积，㎡D2—叶轮外径，mb2—叶轮出口宽度，mc2r—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2222222222cotbDQccbDQcucTrrTru代入uTcugH221得离心式水泵的理论压头特征方程式：TTTTBQAQbDguguQbDuguH22222222222cot)cot(式中222222cot,bDguBguA3、离心式水泵的理论扬程曲线（1）β290º，B0，故HT=A+BQT即HT随着QT的增加，是一条上升的直线；（2）β2=90º，B=0，故HT=A，即HT不随QT的变化而变化，是一条与横标平行的直线。（3）β290º，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β290º时，后向（后倾或后弯）叶片叶轮；β2=90º时，径向叶片叶轮；β290º时，前向叶片叶轮。图7—5所示，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=0.6～0.9。环流对压头的影响：（叶片出口角）出流角）2'2(uucc2'2uucck2'2zk2sin1TTuuuuTTkHHkcccugcugHH'2'222'22'11（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程损失。2Qkhmm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。2Qkhqq2Qkhhhmqqmmq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；eeQQQQ或2)(eqqQQkh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Q〈Qe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Q〉Qe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（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：'22'11'22'11'22'11、bbbbDDDD2）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'22'11'22'22'22'11'11'11、ccuuwwccuuww3）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/ɣ（式中u—叶轮外缘速度，D—叶轮外缘直径，ɣ—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‘（重力）（重力）（压力）（压力）（惯性力）（惯性力）（粘性力）（粘性力）21212121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''2'2'2'222'''2'2'2'222rrrrrrrrcbDcbDQQcbDQcbDQ、由于两水泵相似，所以''22'22'22'''22'22nDnDuuccbbDDrrrr