6.6. Конструктивные особенности шахтных: многоступенчатых горизон­тальных секционных насосов типа цнс, спиральных насосов типа мд, консоль­ных центробежных типа к-60

Водоотливная установка - комплекс энергомеханического оборудования, служащий для откачки подземных и поверхностных вод из дренажных систем и горных выработок карьера. Количество водоотливных установок и их конструкция зависят от гидрогеологических условий, системы разработки месторождения, интенсивности горных работ и принятого в соответствии с этим способа осушения карьерного поля.

Откачка воды, поступающей из горного массива в системы водопонижения (дренажа) карьерных полей и удаление поверхностных вед, обусловленных атмосферными осадками, могут быть совмещены и выполняться одной водоотливной установкой, размещаемой в специальной дренажной траншее при открытом способе осушения, или дренажной шахте, если применяется подземный способ осушения. В соответствии с этим водо­отливные установки называют открытыми или подземными. При ведении горных работ в сложных гидрогеологических условиях водопонижение и удаление поверхностных вод производятся, как правиле, раздельными водоотливными- установками с разнотипным оборудованием.

Многообразие конструкций водоотливных установок, определяемое указанными выше условиями, можно подразделить на три группы:

• зумпфовые,

• скважинные,

• иглофильтровые.

Зумпфовые водоотливные установки, (рис. 6.7) наиболее распространены на карьерах. Отличительным признаком таких установок является наличие зумпфа - водосборника 1 относительно больших раз­меров, в который самотеком по дренаж­ным канавам поступает, вода из горных выработок перед последующей ее откач­кой на поверхность в водохранилище ил водоотводное устройство 7. Насос 4.

Рис. 6.7. Схема зумпфовой водоотливной установки.

Насосы трения. В насосах этой группы жидкая среда перемещается под воздействием сил трения, возникающих на контакте с движущимся рабочим органом. По виду рабочих органов эти насосы подразделяют на следующие типы: дисковые, черпаковые, вибрационные шнековые, вихревые, свободновихревые, струйные и эрлифты. Для массовой подачи жидкости в условиях карьеров используют четыре последних типа насосов трения.

Рабочий орган шнекового насоса (рис.6.8, а) выполнен в виде винтового ротора 1, вращающегося в цилиндрическом корпусе 2. За счет сил трения, возникающих на контакте с винтовой поверхностью шнека, жидкость перемещается в направлении его оси вращения.

В свободновихревом насосе (рис.6.8, б) вращающийся в корпусе 2 ротор 1 выполнен в виде вогнутого диска с лопатками. Вовлекаемая силами трения во вращательное движение жидкость перемещается под действием центробежных сил преимущественно вне ротора от его центре к периферии.

Рис. 6.8. Схемы насосов трения.

Струйные насосы и эрлифты отличаются от всех других насосов тем, что в них роль движущегося рабочего органа выполняет жидкость.

В струйном насосе (рис.6.8, в) рабочая жидкость поступает по подводу 1 к соплу 2. Выходя из сопла с большой скоростью и поступая в камеру смешения 3, рабочая жидкость вовлекает в движение находящуюся в ней и во всасывающем трубопроводе 4 подсасываемую жидкость. В горловине 5 завершается энергообмен между рабочей и подсасываемо жидкостями, а в расширяющемся диффузоре 6 происходит постепенное уменьшение скорости с частичным преобразованием динамического напора жидкости в ее статическое давление.

Эрлифт (рис.6.8, г) представляет собой водоподъемную трубу 2, спущенную в водосборник 1. У нижнего обреза в трубу 2 от компрессора 3 подается сжатый воздух. Из-за меньшей плотности пузырьки воздуха всплывают в жидкости, вовлекая ее в движение силами трения. Подъему водовоздушной смеси по трубе 2 способствует также меньшая ее плот­ность по сравнению с плотностью жидкой среды в водосборнике 1.

Объёмными называют насосы, в которых жидкая среда перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся с входным и выходным отверстиями насоса. В зави­симости от формы движения рабочего органа этот класс насосов разделяют на две группы: возвратно-поступательные и роторные (ротационные).

Возвратно - поступательные насосы. Эта группа насосов имеет прямолинейное возвратно-поступательное движение рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена. Для массовой подачи жидкости используются следующие типы возвратно-поступательных насосов: плунжерные, поршневые и диафрагменные.

Рабочий орган плунжерного насоса (рис.6.9) имеет вид удлиненного цилиндра. Вращательное движение приводного вала насоса преобразуется в возвратно-поступательное движение плунжера 1 посредством кривошипно-шатунного механизма. При движении плунжера 1 из цилиндра 2 объем рабочей камеры насоса увеличивается, давление в ней падает, под действием атмосферного давления открывается всасывающий клапан 3 и в камеру поступает (всасывается) жидкость. При обратном ходе плунжера объем рабочей камеры уменьшается. За счет более высокого давления в камере всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 4 открывается, и через него жидкость вытесняется из насоса.

Рис. 6.9. схема плунжерного насоса.

Поршневой насос принципиально не отличается от плунжерного. Длина поршня в соизмерении с его диаметром значительно меньше, чем у плунжера. При движении поршень всей своей цилиндрической поверхностью касается стенок корпуса, в то время как плунжер соприкасается с корпусом только в узле уплотнений, размещенных у входа в рабочую камеру.

В диафрагменном насосе роль вытеснителя выполняет одна из стенок рабочей камеры, изготовленная из резины. Вдавливание диафрагмы в камеру и ее вытягивание осуществляются периодически посредством толкателя с эксцентриковым приводом.

Роторные насосы. В этой группе насосов изменение объема рабочих камер производится в процессе вращательного движении рабочего органа - ротора. Для подачи жидкости на карьерах используют три типа роторных насосов: винтовые, шланговые и пластинчатые.

Рабочими органами винтовых насосов являются один или три винтовых ротора. Если два винтовых ротора соприкасаются так, что выступы одного входят во впадины другого, тс при их вращении точка перекрытия впадины выступом перемещается вдоль оси вращения, обусловливая вытеснение жидкости из впадин по винтовым линиям в одном направлении и всасывание - в другом.

Шланговый насос, принципиальная схема которого показана на рис.6.10 состоит из гибкого резинового шланга 1 закрепленного в корпусе 2, и зубчатого ротора 3, несущего на себе ролики 4. При вращении ротора ролики пережимают шланг, разделяя его на две части. По мере перемещения точки пережима одна из этих частей будет уменьшаться в объеме, а другая увеличиваться. В первую всасывается жидкость, а из второй она вытесняется.

Рис. 6.10. схема шлангового насоса.

Пластинчатый насос (рис.6.11) состоит из корпуса 1, в котором эксцентрично вращается ротор 2, несущий в радиальных пазах свободно посаженые пластины 3.

Рис. 6.11. схема пластинчатого насоса.

При вращении ротора центробежные силы выдвигают пластины из пазов, принимая их к внутренне, поверхности цилиндрического корпуса. Между каждой парой пластин и поверхностями цилиндра, ротора и боковых крышек образуются изолированные камеры 4, объем которых изменятся от нуля до максимума и снова до нуля. Та часть серповидного пространства между ротором и корпусом, где происходит увеличение объема камер, сообщается со всасывающим патрубком, а другая - с нагнетательным.

На водоотливных установках в качестве основного силового оборудования преимущественное применение получили лопастные насосы, имеющие мягкие напорные характеристики. Насосы трения имеют относительно жесткую по напору характеристику. Объемные насосы обладают жесткой по расходу характеристикой. Развиваемое ими давление, теоре­тически ничем не ограничено и зависит только от усилия, которое создается приводом на рабочем органе, и прочностью конструкции насосов. Поэтому перекрытие нагнетания при работающем насосе является недопустимым.

Конструкции центробежных насосов, используемых в качестве основного силового оборудования карьерного водоотлива, весьма разнообразны.

Одним из основных конструктивных признаков, в значительной мере определяющем компоновку насосного агрегата, является ориентация оси вращения насоса в пространстве. По этому признаку центробежные насосы подразделяются на горизонтальны вертикальные.

Горизонтальные насосы

Насосы с горизонтальным расположением коренного вала применяют на зумпфовых водоотливных установках. Эти насосы подразделены две группы: одноступенчатые и многоступенчатые. В первой группе выделяют два типа насосов, отличающихся количеством всасывающих отверстий в рабочей колесе и его расположением относительно подшипниковых опор: насосы двустороннего входа и консольные. Направление разъема: корпуса и способ перевода жидкости из одной ступени в другую отличают два типа многоступенчатых насосов: секционные и спиральные.

Консольные насосы (рис.6.12) односторон­ний подвод жидкости в рабочее колесо 6, закрепленное на консольном конце коренного вала 2. Подвод насоса выполнен в виде конфузорного всасывающего патрубка ВП. Отвод 3 насоса имеет спиральную форму, сопряженную с диффузорным нагнетательным патрубком НИ. В некоторых насосах этого типа отвод снабжен продольной перегородкой, разделяющей его на два полуотвода, как это показано на рис 6.12, а. Отвод и зад­няя крышка выполнены в виде одного цельного узла, который болтами крепится к станине 4 (см. рис. 6.12). Передняя крышка 5 отлита заодно с всасывающим патрубком. Радиальные подшипники 6 и 7 установлены в расточках оперного узла с масляной ванной. Полумуфты 8 и 9 соеди­няют коренной вал насоса с валом электродвигателя. Всасывающая и нагнетательная протечные части корпуса разделены кольцевым уплотне­нием 10. Для разгрузки агрегата от действия осевых сил предусмотрено кольцевое уплотнение 2 и перепускные отверстия 12. Зазор между валом и корпусом уплотнен сальниками 13 и гидроуплотнительным кольцом 14, к которому по каналу 15 подается вода со стороны нагнетания насоса. Сальник периодически поджимается грандбуксой 16.

Некоторые насосы консольного типа имеют моноблочное исполнение. В отличие от насосов марки КМ (см.рис.6.12), моноблочные насосы марки КМ не имеют отдельного коренного вала с подшипниковыми операми. Рабочее колесо насаживается на удлиненную консоль вала электродви­гателя, к торцевому фланцу которого крепится корпусная часть насоса.

Рис. 6.12. Консольный насос.

Рис. 6.13. Области рабочих режимов консольных насосов.

Консольные насосы одного и того же типоразмера поставляются с рабочими колесами разного диаметра. Это позволяет расширить область рабочих режимов одной унифицированной модели насоса. Области (поля) рабочих режимов консольных насосов, выпускаемых промышленностью, показаны на рис.6.13. В левом верхнем углу указана марка насоса, а цифры в правом углу – частота вращения рабочего колеса. Цифры перед буквенным обозначением марки насоса отражают диаметр всасывающего отверстия в дюймах (1" = 25 мм), а после буквенного индекса - величину коэффициента быстроходности, уменьшенную в 10 раз.

Как видно из рис.6.13, номенклатура выпускаемых промышленностью консольных насосов включает около 20 типоразмеров, обеспечивающих поле рабочих режимов с расходом от 4 до 320 м³/ч напором от 6 до 60 м. Насос 4К-6 обеспечивает напор 90 м при подаче около 100 м³/ч.

Насосы двустороннего входа (рис. 6.14) имеют осевой разъем корпуса в горизонтальной плоскости. Нижняя часть 1 корпуса (станина) посредством опорных лап 2 и 3 крепится к фундаментной раме. Верхняя часть 4 (крышка) соединяется с нижней болтами. Рабочее колесо 5 двустороннего всасывания насажено на коренной вал 6. Отвод 7 имеет спиральную форму. Уплотнение 8 между валом и корпусом — сальниковые. Вода к гидроуплотнительному кольцу подается по внешним трубкам 9. Камеры В образуют двусторонний подвод. Проточные части отвода разделены кольцевыми уплотнениями 10. Рабочее колесо имеет центральное расположение относительно подшипниковых опор 11. Муфта 12 соединяет коренной вал с электродвигателем.

Рис. 6.14. насос двухстороннего входа марки Д.

Рабочее колесо насоса двустороннего входа, по существу, состоит из двух равнозначных половин. Поэтому при определении коэффициента быстроходности по формуле величину для насосов этого типа принимают равней половине подачи в режиме максимального к.п.д.

Поля рабочих режимов насосов марки Д (двустороннего входа). Цифры после буквенного индекса означают расход (м³/ч) и напор (м) насоса в режиме максимального к.п.д. при номинальном диаметре рабочего колеса. Расширение области рабочих режимов на этих насосах» как и на консольных, достигается за счет применения рабочих колес уменьшенного диаметра. Цифры в правом нижнем углу означают частоту вращения (об/мин).

Секционные насосы (рис.6.15) имеют вертикальные разъемы корпуса.

Рис. 6.15. Секционный насос марки ЦНС.

Кроме того, корпусные части и рабочие колеса 1 ступеней представляют одинаковые взаимозаменяемые секции одностороннего входа с одинаковым направлением движения жидкости в проточной части. Секции имеют общий коренной вал 2. Корпусные части 3 секций размещены между входной 4 и выходной 5 частями станины и стянуты болтами 6. Во входной и выходной частях станины размещены сальниковые уплотнения 8 и 9. Уплотнение 8 во входной части станины обязательно снабжается гидроуплотнительным кольцом. Коренной вал соединен с валом электродвигателя муфтой 10. Перевод жидкости из одной ступени в другую производится по каналам неподвижных корпусов секций. Отводящие лопатки 11 называют направляющими, а подводящие 12 – обратными. Подвод В первой ступени имеет спиралевидную форму. Уравновешивание осевой силы выполняется или при помощи перепускных отверстий в рабочем колесе, или посредством разгрузочного диска.

Поля рабочих режимов в насосе типа ЦНС (центробежные насосы секционные) Поля рабочих режимов насосов нормальной группы ограничены сплошными линиями, а высокооборотной - пунктирными. Широкий диапазон напоров на каждом типоразмере обеспечивается изменением количества ступеней, которое у насосов нормаль­ней группы колеблется от 2 до 8-12. У насосов быстроходных групп оно достигает 16. В наименовании насосов цифры после буквенного индекса означают расход (м³/ч) и пределы изменения напора (м) при изменении количества ступеней.

Спиральные многоступенчаты насосы имеют осевой разъем в горизонтальной плоскости. Коренной вал 1 с насажен­ными на него рабочими колесами 2 вращается в подшипниковых опорах. Нижняя часть корпуса (станина) 4 соединяется с верхней (крышкой) 5 болтами. Зазор между валом и корпусом уплотнен сальниками 6 и 7. Сальник 6 со стороны первой ступени насоса снабжен гидравлическим затвором. Муфта 3 соединяет коренной вал насоса с валом двигателя. Спиралевидная всасывающая камера первой ступени сопряжена со всасывающим патрубком ВП. Отводы каждой ступени имеют спиральную форму. Перевод жидкости с первой ступени во вторую осуществляется по внут­реннему каналу K1 корпуса, со второй в третью — по внешней пере­водной трубке ПТ, а с третьей в четвертую - по внутреннему каналу К2. Такая схема перевода жидкости обеспечивает хорошее уравновешивание осевых сил с минимальными потерши энергии, но значительно услож­няет конструкцию и увеличивает габариты насоса. При нечетном коли­честве ступеней в спиральном насосе первое колесо имеет двусторонний вход.

Рабочие зоны освоенных промышленностью многоступенчатых спиральных насосов в настоящее время почти полностью перекрыты полями сек­ционных насосов, которым отдают предпочтение на горных предприятиях в связи с их меньшими габаритами.

Вертикальные насосы

Насосы с вертикальным расположением коренного вала преимущественно используют на скваженных водоотливных установках. Конструктивная схема вертикальных зумпфовых насосов, опробованная на ряде шахт, оказалась непригодной для стесненных условий, в связи с чем такой тип насосов не получил распространения на во­доотливных установках горных предприятий.

Скважинные насосы в зависимости от места расположения электродвигателя подразделяются на два типа, с погружным электродвигателем и с трансмиссионным валом.

Насосы с погружным электродвигателем (рис.6.16) имеют ряд существенных преимуществ перед насосами с трансмиссионным валом, основным из которых является простота и малая трудоемкость работ по монтажу и демонтажу насосных агрегатов. Насосам этого типа отдают предпочтение в системах водопонижения карьеров.

Насосы с погружным электродвигателем, используемые на горных предприятиях, имеют различные маркировки (ЭЦВ, АЭНП, АЭНП-с, ЭПН, АП, СИ, АНП, АПВМ, ПМНЛ, АПТ). В настоящее время все прочие марки постепенно заменяются унифицированной серией насосов типа ЭЦВ (электрический центробежный насос для воды).

Все насосы марок ЭЦВ выполнены по многоступенчатой секционной схеме. Секцию (ступень) насоса (см. рис. 6.16) образуют рабочие колеса 1 и взаимозаменяемые корпусные части 2 с переводящими лопастными направляющими аппаратами. Насосный агрегат крепится к водоподъемной трубе фланцем 3. Обмотки статора 4 электродвигателя и силовой кабель 5 имеют герметичную гидроизоляцию. Ротор 6 отделен от статора пластмассовой перегородкой. Вал двигателя соединен с коренным валом насоса муфтой 7 и опирается на подпятник 8, воспринимающий осевое усилие. Роторная часть двигателя заполнена чистой водой или маслом и отделена от проточной части насоса манжетой 9. Ось ротора двигателя и вала насоса фиксируют резинометаллические подшипники скольжения, смазываемые водой. В насосном агрегате предусматриваются специальные устройства для уравнивания давления между заполненной жидкостью роторной частью и окружающей средой при изменении температуры.

Рис. 6.16. Насос с погружным электродвигателем марки ЭВЦ.

Напорные характеристики освоенных промышленностью насосов марки ЭЦВ показаны на рис. 6.17. Цифры после буквенного индекса означают соответственно диаметр скважины в дюймах, номинальные расход (м³/ч) и напор (м). Предполагается создание насосов марки ЭЦВ с производительностью до 1000 м³ /ч и напором до 600 м.

Рис. 6.17. Напорные характеристики насосов марки ЭЦВ.

Насосы с трансмиссионным валом (рис.6.18), применяемые в системах водопонижения, имеют следующие маркировки: АТН (артезианский турбинный насос), НА и А. Все насосы этого типа объединяются в унифицированную серию насосов марки ЦТВ (центробежный насос с трансмиссионным валом).

Рис. 6.18. Насос с трансмиссионным валом марки ЦТВ.

Конструктивная схема насосов марки ЦТВ - многоступенчатая, секционная. Рабочие колеса 1 насажены на составной трансмиссионный вал 2. Корпусную часть насоса образуют секции 3 с разделяющими аппаратами 5.

Всасывающий наконечник 6 снабжен предохранительной сеткой 7. Трансмиссионный вал фиксируется в трубном ставе 8 при помощи направляющих подшипников 9, для смазки которых по трубке 10 подается чистая вода. Двигатель насоса опорным фланцем крепиться к фундаментной раме устья скважины. Трубный став набирается секциями по 2-3,5 м. Такую же длину имеют секции составного трансмиссионного вала, общая длина которого не превышает 100м.

Поля рабочих режимов насосе насосов марки ЦТВ охватывают расходы от 4 до 1000 м³/ч с напорем от 25 до 150 м и перекрываются напорными характеристиками насосов марки ЭЦВ.