книги из ГПНТБ / Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие

§ 4. НАСОСНОЕ II ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Для создания напора воды у гидромониторов применяют раз­ личное насосное о б о р у д о в а н и е , в основном это центро­ бежные и поршневые насосы. В отдельных случаях в систему водо­ снабжения включают водонапорные резервуары, располагаемые на высоких отметках у естественного источника воды.

Наибольшее распространение в практике гидромеханизации полу­ чили центробежные насосы (о поршневых насосах см. и в гл. VIII). Они выпускаются различных типов и конструкций. Технические данные некоторых из них приведены в табл. 10.

Рнс. 73. Центробежный насос типа «Д»:

J — корпус; 2 — подшипник; 3 — вал; 4 — сальник; 5 — трубка для воды; 6 — крышка

корпуса; 1—8 — рабочее колесо; в — грундбукса; 10 — защитная втулка; 11 — камера под­ шипника; 12 — кронштейны

Новейшие конструкции центробежных насосов выполняются спиральными с улитками и несколькими рабочими колесами. Коли­ чество рабочих колес в таких насосах достигает четырех. Число оборотов у быстроходных насосов до нескольких тысяч в минуту. В комплексах гидромеханизации на геологоразведочных и горных предприятиях наиболее широко применяют одно- и двухколесные насосы с меньшими скоростями вращения. Это объясняется тяже­ лыми условиями эксплуатации оборудования (часто на загрязненной воде, при значительном насыщении воздухом и др.). Конструктивная схема простейшего одноколесного насоса приведена на рис. 73.

Как следует из схемы насоса, исполнение его имеет ряд суще­ ственных достоинств: равномерное распределение нагрузки при

171

вращении колеса на вал с двумя опорами, наличие защитно-уплот- няющпх колец и защитных втулок иа обеих крышках, гидравли­ чески совершенная форма проточных каналов и др.; выполняется насос с двухсторонним всасыванием.

Действие центробежного насоса любого типа состоит в создании разности давления жидкости между нагнетательной и всасывающей сторонами за счет центробежной силы, воздействующей на жидкость в каналах вращающегося рабочего колеса. В результате этого уг вса­ сывающего патрубка насоса образуется разряжение (или вакуум), благодаря чему происходит непрерывное поступление воды в корпус насоса.

а

200.о

Ю0=-

600 Q, м3/ч 0

Рис. 74. Рабочие характеристпкп2центробежных насосов:

а — при разных скоростях враще­ ния: J, 2 Ш3 — соответственно п ~

Работа центробежного насоса характеризуется следующими па­ раметрами: расходом перекачиваемой воды Q, м3/ч; напором на­ соса Н , м вод. ст.; потребляемой из сети мощностью N, кВт; числом оборотов рабочего колеса п, об/мин; коэффициентом полезного действия т)0 и высотой всасывания (подробно рассмотрено ранее).

Связь между указанными выше параметрами (при соответству­ ющей всасывающей способности) насоса определяется так называ­ емыми рабочими характеристиками: Н {Q), N {Q) иц 0 (<?). Эти характе­ ристики для любого насоса получают экспериментальным путем (при заводских испытаниях). На рис. 74 приведены рабочие харак­ теристики центробежных насосов при различных скоростях вращения рабочего колеса. Для любой машины данного типа общий характер кривых остается одинаковым, хотя вследствие различий в конструк­ тивном исполнении (размеров и конфигураций проточных каналов, формы и размеров рабочего колеса и др.)^кривые проходят под различными углами к оси абсцисс; изменяются также абсолютные значения к. и. д. от 0,7 до 0,92.

172

Для изготовления насосов широко используется чугунное литье (для корпуса, кронштейнов и рабочих колес). В последние годы находят распространение детали из высокопрочного серого чугуна. Для обеспечения гидравлического уплотнения сальниковых узлов к насосу подводится напорная вода.

Двух- и четырехколесные насосы выполняются по конструктив­ ной схеме, обеспечивающей последовательную подачу воды под напором из предыдущего колеса в последующее. Этим достигается соответствующее последовательное увеличение напора (в то Ще время значительно усложняется конструкция и уменьшается надеж­ ность работы вследствие характерного нарушения динамического равновесия между низкой и высокой сторонами каждого рабочего колеса).

Двухступенчатые насосы спирального типа выполняются с разъ­ емным корпусом по горизонтальной оси. Жидкость засасывается через полуспиральный канал в рабочее колесо первой ступени. Отсюда оиа направляется сначала в кольцевой диффузор, а затем в спиральную камеру. Далее поток идет по переводному каналу корпуса в рабочее колесо второй ступени (рис. 75).

Отличительные особенности конструктивного выполнения этих насосов:

1) опорные подшипники расположены на концах корпуса, что обеспечивает резкое уменьшение осевого давления;

2) вместо сальниковых уплотнений используются более совер­ шенные щелевые или лабиринтные уплотнения;

3) конструкция компактна, обеспечивается простота сборки п разборки.

При сооружении насосных станций для комплексов гидромеха­ низации агрегаты с насосами комплектуются в параллельно собран­ ные установки (а в отдельных случаях и при последовательном подключении), включая резервные машины. Оборудование распо­ лагается в утепленном или холодном помещении, а в определенных климатических районах и на открытых площадках. На крупных центральных станциях водоснабжения предусматривается регули­ руемый привод для изменения числа оборотов насосов (и соответ­ ственного повышения или уменьшения расхода и напора; см. рис. 74). В тех случаях, когда требуется увеличение напора без замены сило­ вого оборудования на насосных станциях, включают агрегаты по схеме последовательного соединения (при условии идентичности рабочих характеристик).

Для гидравлических установок со струями высокого и сверх­

ходами и большими давлениями. Как отмечалось ранее, номенкла­ тура таких насосов ограничена. Отдельные типоразмеры поршневых насосов созданы специально для перекачки промывочных^жидкостей и шламов, а^плунжерные — для систем гидропривода;

173

Наиболее распространенными являются насосы двойного дей­ ствия (как обладающие наибольшей компактностью) и тройного действия (как обеспечивающие наиболее плавную подачу жидкости в трубопровод). В отличие от машин для чистой воды, подобного типа насосы для шламов выполняются более прочными.

Материалом для изготовления корпуса насосов являются чугун или сталь, а для клапанных коробок — углеродистое и легированное

Рпс. 75. Двухколесный спиральный насос по схеме машины типа 10НМК-2:

1 — корпус; г — рабочее колесо; з — полуспиральный канал; 4 — диффузор (улитка); 5— переводной канал; 6 и 7 — подшипники; 8 — уплотнительное кольцо; 9 — разгрузочный

клапан

стальное литье. Конструкции насосной камеры выполняют такой формы, при которой не образуются воздушные мешки; скаплива­ ющийся воздух отводится к нагнетательному клапану, который поме­ щается для этой цели в самой высокой точке камеры (рис. 76).

Применяют различные типы поршней: дисковый с кожаными манжетами, с лабиринтовым уплотнением, с металлическими коль­ цами и др. В зависимости от вида перекачиваемых материалов для уплотнения используют резину, прорезиненные ткани и другие материалы, закрепляемые в разборном поршне. Поршневые штоки выполняются из стали.

.174

Phc.J76. Продольный разрез поршневого насоса типа УВ-3:

Уплотнительные поршневые кольца и втулки рабочих цилиндров насосов (при работе на загрязненной жидкости) подвержены зна­

Неплотности наружного сальника легче заменить п устранить, чем неплотности внутренних поршней, вследствие чего плунжеры полу­ чили большее распространение.

Материалом для изготовления плунжера являются чугун или сталь. Для увеличения износостойкости поверхность плунжера тщательно отшлифовывается и отполировывается. Конец плунжера выполняется закругленным, а в быстроходных насосах — конусным. Для предотвращения утечки перекачиваемой жидкости из цилиндра насоса в месте прохождения поршневого штока применяют сальни­ ковые уплотнения.

При перекачке жидкости с твердыми частицами для достижения плотности, помимо металлических прокладок, используются кожа, резина и дерево (мягкие прокладки употребляются в соединении с металлическими вспомогательными накладками). В этом случае

для поршневых насосов выражается приблизительно прямой, парал­ лельной оси иапоров, т. е. производительность поршневого насоса при постоянном числе ходов поршня в минуту остается практически постоянной, но развиваемый насосом напор изменяется.

При достаточно совершенном конструктивном исполнении совре­ менные поршневые насосы даже при перекачке гидросмесей имеют к. п. д. 0,7—0,8. Как уже отмечалось, поршневые насосы для буре­ ния развивают напоры до 3200 м вод. ст., а плунжерные для гидро­ привода — до 5000 м вод. ст. и более (технические данные по неко­ торым типоразмерам см. также в гл. VIII).

Следует отметить, что центробежные насосы имеют существенные преимущества перед поршневыми насосами, а именно: малые габа­ ритные размеры, меньшие фундаменты, более простой уход и ремонт, отсутствие клапанов и прочих деталей, осложняющих часто работу агрегатов и др. Однако до настоящего времени применяемые центро­ бежные насосы развивают напоры не более 103 м вод. ст. Основное преимущество поршневых насосов — способность перекачивать жидкости (в т. ч. гидросмеси) при значительных создаваемых напорах и сравнительно высоком к. и. д., вследствие чего они нашли широкое применение в геологоразведочной и горной промышленности.

Т р у б о п р о в о д ы , по которым подается вода или гидросмесь под давлением, в зависимости от назначения и продолжительности эксплуатации без перекладки разделяют на магистральные, про­ ложенные до шахты или карьера, карьерные или шахтные и забой­ ные. Магистральные и шахтные (карьерные) трубопроводы обычно

176

эксплуатируются несколько лет без перекладки. Забойные трубо­ проводы служат для подвода воды к гидромониторам или гидро­ установкам.

В гидромеханизации применяют металлические (стальные) трубы диаметром до 600—800 мм (в шахтах до 250—300 мм) в основном цельнотянутые и бесшовные (см. табл. 11) с толщиной стенок от 3.5 до 14 мм. Применяют стальные спиральные и фанерные трубы (как более легкие). Тонкостенные стальные и облегченные трубы исполь­ зуются при низких давлениях и на забойных участках (толщина стали 3—5 мм).

Т а б л и ц а 11

Технические данные труб (ГОСТ 8732—58 н 4015—58)

Как уже отмечалось, в шахтах (рудниках) используются повы­ шенные давления. От высоконапорной насосной станции, располо­ женной на поверхности, вода по трубопроводу (по одному или по нескольким) подается в шахту, где от общей магистрали происходит распределение воды по участкам и забоям. Толщина труб обычно 12— 14 мм. Для расчета сети трубопроводов наобходимо иметь следующие исходные данные:

1)схему горных выработок с указанием расстояний, места поло­ жения насосной станции и геодезических отметок всех водоприем­ ников и насосной станции;

2)величину рабочего давления, необходимую для гидромони­ торов или гидроустановок;

3)график работы и потребляемый расход водоприемников;

4)выбор диаметров труб по расходам.

Общий расход насосных установок необходимо выбирать, исходя из числа одновременно работающих водоприемников с учетом коэф­ фициента непредвиденных расходов и потерь технической воды, равных примерно 10%. При этом величина необходимого напора

иа выходе из насосной станции (насоса) определяется суммированием

# ст= 2 # г+ 2 * + 2 * м+ # 4 -* г, М вод. ст., (VII.4)

где 2-f/r — геометрическая высота (нагнетания и всасывания) с уче­ том превышения отметки;] 2 * — суммарные путевые потери на­ пора; 2*м и *г — суммарные потери напора в местных сопро­

тивлениях и в гидромониторе (около 5—10% от 2 0; Н ~ напор на выходе из насадки гидромонитора.

Характеристика внешней сети такой станции определяется зави­ симостью Нст(Q) и представляется как соотношение

tfc = tfCT= 2 t f r + a3<?,

где «з = [1 + 2 1 + bL/D] .

Возможны две схемы водоснабжения: прямоточная и оборотная. При проектировании водоснабжения для комплексов гидромехани­ зации обычно применяется оборотная система технического водо­ снабжения с осветлением оборотной воды, содержащей до 10—20 г/л твердых частиц. При этом расходы воды на пополнение оборотного цикла необходимо определять с учетом притока шахтных вод. Баланс воды в системе должен быть строго постоянным, а трасса трубо­ проводов — кратчайшей.

Количество работающих водоприемников должно строго лими­ тироваться в зависимости от количества насосов, работающих на данную сеть. Напор перед приемниками определяется исходя из напора, создаваемого насосами, разности геодезических высот их и расположения врдоприемников с вычетом потерь напора в трубо­ проводной сети в соответствии с формулой (VII.4).

При работе трубопроводов на высоких напорах существенное значение имеет его состояние (качество монтажа, сварки соедини­ тельных частей и крепления). Большей частью течи в трубопрово­ дах возникают на месте сварных швов, а чаще .— па месте установки быстроразъемных соединений (выход из строя резиновой прокладки).

Расчет сети трубопроводов производится по следующей схеме:

2.Определяют линейные потери по формуле (1.25). Значение коэффициента % находят по формуле (1.26).

3.После расчета потерь напора по длине трубопровода, опре­ деляют местные потери, которые практически можно учесть коэф­

фициентом 1,05 для магистральных и карьерных трубопроводов

и1,1 — для забойных.

4.По формуле (VII.4) рассчитывают напор станции.

178

Зная действительную характеристику Q - - Н насоса, наносят

При проектировании шахтных высоконапорных водоводов на напор более 1000 м вод. ст. диаметр труб принимают не более 350 мм, что регламентируется условиями крепления трубопроводов по горным выработкам. В забойных трубопроводах шахт принимают скорости до 3—4 м/с.

При проектировании водоводов высокого давления следует производить проверку толщины труб диаметром D на прочность по условиям гидравлических ударов (при которых давление повышается

важнейшие детали ее.

С о е д и н е н и е т р у б применяется как сварное и фланцевое (на магистральных и участковых трубопроводах), так и быстро­ разъемное (на забойных участках). Из фланцевых соединений наибо­ лее целесообразны соединения с вращающимися фланцами (более удобны). Для достижения плотного соединения между фланцами ставят резиновые или другие уплотняющие прокладки. Два фланца соединяют болтами. Такие соединения трудоемки.

Для уменьшения затрат труда на сборку и демонтаж трубопро­ водов на шахтах и забойных участках широко применяются быстроразъемные соединения. Известны многочисленные конструкции таких соединений как для условий открытых, так и для подземных работ; распространенными являются соединения, приведенные на рис. 77.

Первое из указанных соединений (см. рис. 77, а) состоит из двух шарнирно скрепленных желобчатых полумуфт, которые охватывают два кольца клиновидного профиля. Кольца приварены к концам соединяемых труб. Полумуфты выполняются из стальной полосы. К ним привариваются оба полукольца из круглого стального пру­ тика. Полумуфты стягиваются болтами, причем между кольцами закладывается резиновая прокладка. Этот тип соединения отли­ чается простотой конструкции и изготовляется обычно на произ­ водстве.

Для забойных труб применяют простейшие соединения, состоя­ щие из двух-четырех пар крючьев, соединяемых натяжной скобой. Для натягивания скобы служит клин. Надлежащая плотность соединения обеспечивается резиновым уплотнением зажимаемых на стыке двух труб (стыкуемых в раструб).