Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Болотских Н.С. Оборудование водопонижения в угольной и горнорудной промышленности

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
10.56 Mб
Скачать

геометрических параметров установки, ооеспечивающих оптималь­ ный режим ее работы. Порядок расчета в этом случае может быть следующий.

На основании фильтрационных расчетов, которые подробно ос­ вещены в специальной технической литературе, либо данных опыт­ ных откачек на рассматриваемом участке устанавливают ожидае­ мый максимальный суммарный приток воды к иглофильтрам (Qi)- Затем выбирают тип центробежного насоса для подачи рабочей воды к водоструйному насосу и выписывают его техническую ха­

рактеристику

(Q, Н, г)ц и N).

 

 

 

 

 

 

 

 

Принимая

Qo = Q,

находят

коэффициент

подсасывания

водо­

струйного

насоса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х--

Qi

*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Qo

 

 

 

 

 

 

Величину геометрического параметра п принимают равной 4—6>

п задаются значениями коэффициентов сопротивлений

элементов

проточной части водоструйного насоса

в следующих пределах: £н =

= 0,03-0,06

и £ £ = 0,30 -г-0,36.

 

 

 

 

 

 

 

 

Конструктивно выбирают

минимальное

возможное

значение

угла входа подсасываемого потока в смесительную

камеру

водо­

струйного

насоса и находят

значение

вспомогательного

пара­

метра %'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У. =

 

 

1

. 9

Г

(л +

X* COS <Ь)2

 

-I

 

 

 

 

, , • •• , v

 

= :

 

 

 

Л СОЭ2Ф .

 

 

Необходимый напор за диффузором водоструйного насоса опре­

деляют по выражению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Я 2 = / г , + 2 Д / г 2 ,

 

 

 

 

 

где

hz — геодезическая высота

подачи

откачиваемой

воды

 

 

 

(расстояние

по вертикали

от оси водоструйного на­

 

 

 

соса до места слива воды из сбросного трубопровода);

2]А/?2 — суммарные потери в трубопроводе от диффузора

водо­

 

 

 

струйного насоса до места слива воды.

 

 

 

Затем

определяют

коэффициент

напора

водоструйного насоса

по выражению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р=Я2 0 ,

 

 

 

 

 

 

где #о = #

(при расположении

центробежного насоса

рядом

с во­

доструйным

насосом).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оптимальное значение

коэффициента

разрежения

определяется

по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛОПТ

v f

1 •

 

 

 

 

 

153

Соответствующая этому Я0 П т величина разрежения в смеситель­ ной камере водоструйного насоса будет

/ / i = X o n T / f 0 .

Оптимальное значение основного геометрического параметра во­ доструйного насоса определяется по формуле

«опт— н - f Cos ф

Диаметр насадка определяется по выражению 40о

.* V2g (HQ + Я , ) • 3600 К 1 - Н и

Задаются углом конусности насадка в пределах от 30 до 60° и находят длину выходного цилиндрического участка (/и = 0,25с!о).

Оптимальный диаметр горловины определяется по выражению

d2OT,r=d0V тот,

а ее длина

/ 2 = ( 6 - 8 ) < 4 о п т .

По конструктивным соображениям задаются углом конусности конфузора в пределах от 30 до 90° и определяют его длину

/к =0,8а?2 .

Расстояние от насадка до горловины в водоструйном насосе це­ лесообразно принимать регулируемым. При отсутствии такой воз­ можности это расстояние должно быть равным

lx=2d0.

Для диффузоров с постоянным углом расширения принимают т ' = 8 ° .

Длина диффузора определяется по формуле

 

4 —

yi >

 

где йъ — диаметр трубопровода

за

диффузором

водоструйного

насоса.

 

 

 

При конструировании диффузора

с равномерным

понижением

скорости вдоль потока целесообразно определять его параметры по методике проф. П. Ы. Каменева [20].

Диаметр входного патрубка в смесительную камеру водоструй­ ного насоса определяется по выражению

di = d0 ]/п.

154

Коэффициент полезного действия установки забойного водопо­ нижения определяется по формуле

 

 

X (1 + к)

г

(л +

Х2 cos ф)2

v 3

, 1

^

= ^

(1 + е.) ( 1 +

1

( i + v

, ) ( 1 + y Y )

- A 3 cos

Ф ) .

Входящий в формулу коэффициент полезного действия т)ц цент­

робежного насоса принимается по его характеристике

для

номи­

нального режима работы.

 

 

 

 

При выполнении расчетов по описанной выше

методике

может

быть такой случай, когда расчетная величина Н 1 =

1котп:Н0

для

соот­

ветствующего значения Я о п т

превышает 10 м вод. ст. Такой вариант

на практике не применим,

в этом случае целесообразно

изменить

величину Н0 подбором другого центробежного насоса, или коэффи­

циента подсасывания

X.

 

 

 

При высоких значениях разрежения в смесительной камере во­

доструйного насоса

целесообразно делать проверочные

расчеты

для предотвращения

появления кавитационного

режима

работы.

Расчет ведется с использованием ранее полученных

зависимостей

(52) и (63).

 

 

 

 

Рассмотрим методику расчета параметров новой

водопонизи-

тельной установки по типу установки УЗВ-2 с

сосредоточенным

коллектором.

 

 

 

 

 

 

Исходные

данные

Установка используется для забойного водопонижения при про­ ведении штрека в обводненных и слабоустойчивых песках.

Максимальный ожидаемый приток воды через игрофильтры (на основании данных опытной откачки воды на участке) Q! = 50 м3 /ч.

Потребное максимальное разрежение во всасывающей системе Hi =8,7 м.

потр

Суммарные потери напора в сбросной линии установки £/±h2 =

= 3 м.

Геодезическая высота подачи откачиваемой воды h2=3 м.

Для подачи рабочей воды к водоструйному насосу используется центробежный насос 4К-8а.

Техническая характеристика насоса 4К-8а

 

Производительность Q, м3

61

Напор Н,

м

54

Мощность

электродвигателя N, квт

20

К. п. д. Насоса т|ц , %

62

Необходимо определить все основные геометрические и рабочие параметры новой водопонизительной установки, проектируемой по типу установки УЗВ-2 с сосредоточенным водосборным коллек­ тором.

155

Расчет. Считаем, что центробежный насос работает в номиналь­ ном режиме, при котором его производительность соответствует расходу воды через насадок водоструйного насоса, т. е. Q = Qo.

В этом случае коэффициент подсасывания водоструйного насоса

 

 

 

 

 

 

 

Qo

 

61

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принимаем

значение

геометрического

параметра

водоструйного

насоса п. = 5, а коэффициенты

сопротивлений

элементов

проточной

части £„ = 0,05

и £

 

£ =

0,34.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минимальный

угол ip

 

входа

подсасываемого

потока

в

смеси­

тельную камеру водоструйного

насоса

 

на основании

 

конструктор­

ских проработок принимаем равным 45°.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Затем находим

 

значение

вспомогательного

 

параметра

 

 

(1 + Яи) (1 + X)

 

 

[ (

1 +

у ? ) ( 1

+

Х )

 

 

 

 

C 0 S

VJ

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

г

(5 +

0,822C os

45°)2

 

 

 

 

 

(1 +

 

0,05) (1 + 0,82)

2

L ( 1 +

0,34) (1 +

 

0,82)

 

 

 

 

 

 

52

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 0 , 8 2 3 c o s 2 4 5 ° ] = 0 , 2 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Потребный напор за диффузором водоструйного насоса опреде­

ляется по выражению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Я 2 = / г 2 + Е д Л 2 = 3 + 3 = 6 м.

 

 

 

 

 

 

Считаем, что

центробежный насос

 

установлен

рядом

с водо­

струйным. Тогда

#о = # = 5 4

м ,

а

коэффициент

 

напора

водоструй­

ного насоса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i =

- ^ - = — = 0J

'

111

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HQ

 

54

 

 

"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оптимальное

значение

коэффициента

разрежения

определяем

по выражению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

Р

\

_ 0 . H 1 —

0,24 _

0

 

 

^

 

 

 

 

 

 

 

А

опт

 

 

 

 

0,24—1

v

'

u

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соответствующая

этому

значению

 

Х0пт величина

фактического

разрежения в

смесительной

камере

водоструйного

насоса

 

 

Я 1 ф а к т = Х о п Л о = 0 , 1 7

• 54 = 9,17

 

 

 

м,

 

 

 

 

 

что превышает Hi

 

 

 

=8,7

м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оптимальное значение основного геометрического параметра во­

доструйного насоса определяем по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

(! + * ) * , ,

_

(1 +0,34) (1 +

 

0,82)2-5

 

 

 

т о п т =

л +

 

х°- cos ф

 

 

 

 

5 + 0,822 cos 45°

 

 

 

 

 

156

Диаметр насадка водоструйного насоса определяем по формуле

 

4Q0

 

3600

1

4 • 61

 

V:V1 + 0,05

• 3,14 У 2 • 9,81 (54 + 9,17) 3600

= 0,0255 м или rf0=25,5 мм.

Принимаем форму насадка, конически сходящуюся с углом ко­ нусности 60° и длиной выходной цилиндрической части равной /п =

=0,25, da = 0,25 -25,5 = 6,4 мм. Оптимальный диаметр горловины

u f 2 o n T = r f o l / ' " o n T = 2 5 , 5

1/4,07=51,6

мм.

Длина горловины водоструйного насоса

 

 

4=6af2 on T = 6 • 51,6=309,6 мм.

Принимаем

/2 = 310 мм, а угол

конусности

конфузора равным

90°. Длина его составляет /К = 0,8Й2

, т. е. / к = 0,8 • 51,6 = 41,28 мм.

Принимаем длину конфузора 42 мм.

 

Расстояние

от насадка до горловины принимаем равным h =

= 2d0t т. е. /, = 2-25,5 = 51 мм.

Диффузор водоструйного насоса принимаем с постоянным уг­ лом расширения равным у' =8° .

При этом длина диффузора будет

d3

— do

125 — 51,6

k=—

7 ^ - =

с о — = 5 2 5 мм,

 

2 t g i -

2 t g ^ -

где йз=125 мм — диаметр

трубопровода за диффузором водо­

 

струйного насоса.

Диаметр входного патрубка в смесительную камеру водоструй­

ного насоса

 

 

 

 

 

 

 

dl = d0Vn=25,bVb=ST,b

мм.

Коэффициент полезного действия водоструйного насоса

 

 

Х{\+\ош)

г

(п +

X* cos ф)8

опт

( 1 + е н ) ( 1 +

^ ) « 2

[' (1 +

2«)( 1 + л)

_ V"3Г П Ч 2

Л 1

0,82 (1 + 0,17)

г (5 + 0,822C os45°)2

<-оь

v j

(1+0,05)

(1-f- 0,82)52

L (1 + 0,34) (1 + 0,82)

 

 

^0,82 3

cos2 45°]=0,239.

157

Общий коэффициент полезного действия установки ' W = ' № o n T = = 0 , 6 2 • 0,239=0,148,

где 11ц = 0,62 — к. п. д. центробежного насоса 4К-8а.

Таким образом, выполненные расчеты позволили получить сле­ дующие необходимые геометрические параметры для конструиро­

вания водопонизительной установки:

 

 

 

 

диаметр насадка водоструйного насоса d0

= 25,5 мм;

 

угол конусности насадка 60°;

 

 

 

 

длина цилиндрической части насадка /п = 6,4 мм;

 

 

диаметр горловины ^2 = 51,6 мм;

 

 

 

 

длина горловины fa=310 мм;

 

 

 

 

угол конусности конфузора 90°;

 

 

 

 

длина конфузора /к = 42 мм;

до горловины

/ i = 5l мм;

минимальное расстояние

от насадка

угол расширения диффузора у ' = 8°;

 

 

 

 

длина диффузора /з = 525 мм;

 

 

 

 

диаметр трубопровода за диффузором йз= 125 мм;

 

угол входа подмешиваемого потока в смесительную камеру во­

доструйного насоса гр = 45°;

 

 

 

 

 

диаметр входного патрубка в смесительную камеру водоструй­

ного насоса di = 57,3 мм.

 

 

 

 

 

Методика

расчета параметров рабочего реокима

существующих

установок

забойного

водопонио/сения

для различных

условий

их

применения

В этом случае известными являются все геометрические пара­ метры водопонизительной установки и условия, в которых она дол­ жна применяться. В задачу расчета входит уточнение возможности осуществления надежного забойного водопонижения принятой ус­ тановкой в заданных условиях, а также определение необходимых диаметров насадка и горловины для получения наиболее эффектив­ ного рабочего режима.

Порядок расчета в этом случае может быть следующий.

С помощью специальных фильтрационных расчетов определяют необходимое разрежение (Hi) для получения надежного водопони­

жения и ожидаемый

при этом

максимальный суммарный приток

воды через иглофильтры в коллектор (Qi).

Затем определяют

потребное

значение коэффициента разреже­

ния по выражению

 

 

 

 

 

X

£

L

 

л п о т р — Я ( )

При этом для установок типа УЗВ Но принимается равным на­ пору центробежного насоса (Я), а для установок типа УЗВМ ве­ личина Но определяется с учетом имеющейся геодезической высоты

158

и потерь напора, возникающих при движении воды в трубопроводе от центробежного до водоструйного насоса.

Задаются значениями коэффициентов сопротивлений элементов проточной части водоструйного насоса £н = 0,03—0,06 и 2] £ = = 0,30—0,36.

Фактические расходы воды через сменные насадки, предусмот­ ренные в технической характеристике установки, определяют по выражению

QQ=^—LrY2g{H0+H1)

3600.

Затем определяют коэффициенты подсасывания, соответствую­ щие различным значениям Q0, по выражению

Х= Q Qo '

Находят возможные значения основного геометрического пара­ метра водоструйного насоса, соответствующие предусмотренным в установке различным сменным насадкам и горловинам, по фор­ муле

do \2

Зная суммарный расход смешанного потока (Q2 = Qo+Qi), опре­ деляют напор за диффузором водоструйного насоса, необходимый для отвода воды, по выражению

где ho — геодезическая высота подъема воды водоструйным на­ сосом, м;

22Ahz — суммарные гидравлические потери

при

движении

воды по трубопроводу от диффузора

водоструйного

насоса до места ее слива, м.

 

 

Далее определяют значение коэффициента напора

водоструй­

ного насоса

РЯ 0

Для различных значений do и по принятой в водоструйном на­ сосе величине di находят фактические величины геометрического параметра п по выражению

« = 1 ,

Затем для полученных выше значений т, п и X находят соответ­ ствующие коэффициенты разрежения по формуле

159

где

т

\ п

т )

X)

~

V т I

Ж ~

(1 + е„) (1 +

 

 

 

Из полученных

расчетных

данных

по Хпогр

выбирают

равное

либо ближайшее

большее значение X и выписывают

соответствую­

щие ему значения т, п и X.

 

 

 

 

 

Среди расчетных данных

может оказаться

несколько

одинако­

вых либо близких по величине друг другу значений к. В этом слу­

чае следует иметь в виду, что величина

 

коэффициента

полезного

действия водоструйного насоса

при

постоянных

значениях (3 и X

возрастает с увеличением коэффициента подсасывания X. Поэтому

при выборе X следует отдавать предпочтение значениям

коэффици­

ента разрежения, которым

соответствуют

большие

 

величины X.

Затем для полученной величины т

находят

соответствующие

диаметры насадка и горловины, которые необходимо

предусмотреть

в водоструйном насосе водопонизителы-юй установки

для обеспе­

чения заданных Qi и # ь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По формуле г\ъ=Х

($ + Х)

для принятых ранее значений X, |3 и X

определяют коэффициенты

полезного

 

действия

водоструйного

насоса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К. п.д. всей водопонизительной

установки

определяется по вы­

ражению Т]общ = Лцт1в1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где г|ц — к. п. д. центробежного

насоса,

примененного

в

установке

(принимают

по характеристическим

кривым

насоса для

принятой в расчете величины Qo).

 

 

 

 

 

 

Описанная методика расчета

позволяет

определить

наиболее

выгодные основные параметры

установок

забойного

 

водопониже­

ния, обеспечивающие получение на практике в заданных условиях требуемого водопонизительного эффекта.

В качестве примера приведем методику расчета параметров во­ допонизительной установки УЗВМ (см. рис. 90, б).

Исходные данные

Установка УЗВМ используется при проведении наклонного ствола в обводненных и слабоустойчивых песках. Сосредоточенный водосборный коллектор смонтирован около забоя.

Максимальная

глубина ствола по вертикали /гс = 12

м.

Максимальный

ожидаемый приток

воды к

иглофильтрам Qi =

= 25 м3 /ч.

 

 

 

 

 

 

Требуемая

величина

разрежения во всасывающей системе # i =

= 7,2 м.

 

 

 

 

 

 

Установка

УЗВМ

укомплектована

центробежным

насосом

4МС-10, имеющим

следующую техническую характеристику:

 

Производительность

Q = 60

м3/ч;

 

 

Напор

 

# = 66

м;

 

 

Мощность электродвигателя

N=20

квт.

 

160

Необходимо определить, какие сменные насадки и горловины целесообразно установить в водоструйном насосе, чтобы получить требуемые рабочие параметры установки.

Расчет.

Напор рабочей воды перед насадком водоструйного насоса определяется по выражению

Я 0 = Я + А С — ДАС =66 + 1 2 —0,5=77,5 м ,

 

 

где Я = 66 м — напор,

развиваемый

центробежным

насосом

4МС-10;

 

 

 

 

 

А/гс = 0,5 м — потери

напора

при

движении

рабочей воды

в трубопроводе

от центробежного

до

водоструй­

ного насоса в установке УЗВМ.

 

 

Потребное значение коэффициента разрежения определяем по выражению

)

Hj1

_

7,2

0 009^

' \

 

' ' -

к п о т р

fj

• 775

U,U^Z,J.

Задаемся значениями коэффициентов сопротивлений элементов проточной части £н = 0,05 и 211 = 0,34.

Находим фактические значения расхода рабочей воды через различные сменные насадки, которыми укомплектована установка УЗВМ, по формуле

 

Q 0

= nd0"

1

у 2g ( # „ + / / , ) • 3600,

 

 

V 1

+

*H

т. е. при d0

= 20

мм Qo = 45,3 м3 /ч;

„ d0

= 22 мм Qo = 55 м3 /ч;

do = 24 мм Q0 = 65,2 м3 /ч.

Определяем соответствующие полученным значениям Qo вели­ чины коэффициента подсасывания по выражению

 

Х=

Q

 

Qo '

 

 

т. е. при d0=20

мм Z = 0,552;

 

„ d0 = 22

мм Я = 0,455;

 

do =24 мм Х = 0,389.

При диаметрах сменных горловин ^2=40, 50 и 60 мм и насадок do = 20, 22 и 24 мм, которыми укомплектован водоструйный насос ГВ-5 установки УЗВМ (см. табл. 14), находим возможные значения основного геометрического параметра т по выражению

т. е. /п = 4; m = 4,34; т = 5,16; /п = 6,25 и т = 7 , 4 3

(полученные зна­

чения т, равные 2,78 и 3,31, здесь не приводим

и для дальнейших

расчетов не используем, так как согласно

проведенным выше ис­

следованиям при значениях т, значительно

меньших 4, величины к

и т]в резко снижаются).

 

 

11 З а к а з № 459

161

Потребный напор за диффузором водоструйного насоса, обес­ печивающий подачу суммарного смешанного потока воды по трубо­ проводу диаметром 100 мм на поверхность в открытый бак, опре­ деляем по выражению

 

Я 2 = Л . 2 + 2 М 2 = 1 2 , 8 + 0 , 7 = = 1 3 , 5 м ,

 

 

где

/га = 12,8 м — расстояние

по вертикали

от водоструйного на­

 

соса, находящегося

в стволе, до точки

слива

 

воды

из выдачного

трубопровода

в открытый

 

бак на поверхности;

 

 

 

 

 

2]A/?2~0,7 м — суммарные

гидравлические потери при движе­

 

нии воды по выдачному

трубопроводу.

 

Величина 21 Ah? зависит от суммарного

расхода воды

Q2. Однако

вследствие сравнительно

небольшой

длины

выдачного

трубопро­

вода и малых колебаний величины

Q2 при установке в водоструй­

ном насосе различных насадок значение

£Ah2

изменяется

также

незначительно, поэтому в дальнейших расчетах принимаем

его по­

стоянным и равным примерно 0,7 м.

 

 

 

 

 

 

Значение коэффициента напора водоструйного насоса опреде­

ляем по выражению

Но

 

 

 

 

 

 

 

п

13.5

n 1 — 1

 

 

 

 

Р = - 7 7 Г = 7 т 1 Г = 0 Л / 4 -

 

 

 

 

В установке УЗВМ угол входа

подсасываемого потока

в сме­

сительную камеру водоструйного насоса принят равным 45°, а гео­ метрический параметр я имеет следующие значения: 12,3, 10,2 и 8,5. При изменении я от 12,3 до 8,5 коэффициент разрежения изме­ няется незначительно (см. рис. 85). Поэтому для уменьшения рас­ четных вариантов принимаем для дальнейших расчетов одно сред­ нее значение я = 10,2.

Тогда для различных значений т и X находим соответствующие величины коэффициента разрежения по выражению

т

\ п

т

1

\

п J

 

 

(1 +

5„) (1 +

X)

 

Подсчитанные значения Я. для различных т и X.

 

 

 

 

т

 

 

X

4

4,34

5,16

6,25

7,43

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

0,552

0,171

0,155

0,121

0,0783

0,0416

0,455

0,202

0,189

0,135

0,088

0,047

0,389

0,227

0,2

0,144

0,0925

0,0495

162

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ