Горная механика

Водоотливная установка с центробежным насосом состоит из следующих основных элементов: насоса 1, двигателя 2, пускателя 3, подводящего 4 и напорного 5 трубопроводов. На подводящем трубопроводе имеется приемная сетка 6 и клапан 7, на напорном — задвижка 8 и обратный клапан 9. Трубка 10 с вентилем 11 необходима для заливки водой из напорного трубопровода насоса и подводящего трубопровода. Заливку производят перед пуском насоса. Она может быть осуществлена также через воронку 12 или подачей воды в подводящий трубопровод специальным заливочным насосом.

Труба 13 с задвижкой 14 необходима для выпуска воды при ремонте трубопровода 5. С помощью вакуумметра 15 измеряется разрежение на входе в насос, а с помощью манометра 16 — давление на выходе из насоса. Сетка 6 служит для предохранения от попадания в насос с водой посторонних предметов, клапан 7 — для удержания воды при заливке подводящего трубопровода и насоса, а клапан 9 — для того, чтобы при внезапной остановке насоса не произошло гидравлического удара на насос. Через кран 17 выпускают воздух из насоса при заливке.

При работе насоса в подводящем трубопроводе создаётся разряжение, и жидкость поступает в корпус насоса. На выходе насоса создаётся напор, под действием которого вода движется по напорному трубопроводу.

2. Общее устройство и принцип действия секционного центробежного насоса.

На валу 1, опирающемся на подшипники 2, с помощью шпонок 3 закреплены рабочие колеса 4, 5, 6, которые вместе с валом образуют ротор насоса. Из подводящего патрубка 7 через подвод 8 жидкость поступает в колесо 4, где приобретает определенный запас потенциальной и скоростной энергии.

Из колеса 4 жидкость поступает в направляющий аппарат 9, где динамический напор частично преобразуется в статический. Далее жидкость подается в колесо 5 и снова получает приращение статического и динамического напора, который частично преобразуется в статический напор в следующем направляющем аппарате 10. Из последнего колеса 6 жидкость поступает в спиральный отвод 11 и через патрубок 12 — в напорный трубопровод насоса. В местах выхода из корпуса насоса вал уплотняется сальниковой пеньковой набивкой с прижимными втулками 13. Вал насоса соединяется с валом двигателя муфтой 14.

Наибольшее применение в практике шахтного водоотлива имеют секционные насосы, в которых каждая секция состоит из колеса и направляющего аппарата. Секционный корпус насоса соединен в общую конструкцию стяжными шпильками (болтами). Положительным качеством секционных насосов является возможность соединять одинаковые секции в необходимом количестве для получения насосов различных давлений. К недостаткам насосов следует отнести малую доступность рабочих колес. Для замены колеса необходимо удалить стяжные болты и последовательно снять все секции при одновременной разборке ротора.

3. Рабочие колёса центробежных насосов.

Рабочие колеса насосов бывают односторонние и двусторонние, т. е. с односторонним и двусторонним подводом к ним жидкости. Односторонние рабочие колеса применяются как в многоступенчатых, так и в одноступенчатых насосах, а двусторонние — в некоторых одноступенчатых насосах. Различают рабочие колеса насосов закрытые и открытые. В закрытых односторонних колесах имеются ведущий и ведомый диски, между которыми расположены лопасти. В закрытых двусторонних колесах ведомые диски и лопастями связаны с втулкой. Диски, лопасти и втулка, с помощью которой колесо насаживается на вал, отливаются заодно. В открытых колесах имеется только ведущий диск с втулкой и лопастями.

Диаметр рабочего колеса обычно не превышает 800 мм. Окружная скорость на выходном диаметре литых чугунных колес 35 ... 40 м/с. Лопасти колес загнуты назад с углом выхода 145 - 160^е.

К. п. д. насоса зависит от чистоты обработки поверхностей каналов колеса, числа и длины лопастей, закономерности изменения площади поперечного сечения межлопастного канала. Обычно в одном колесе 6 - 9 лопастей.

В шахтных насосах чаще применяются закрытые колеса, так как допускают разбег вала, необходимый при наиболее распространенном способе уравновешивания осевой силы, и при них меньше утечки жидкости через зазоры. Открытые колеса целесообразно применять для транспортирования загрязненных жидкостей.

4. Уравновешивание осевого усилия, возникающего при работе центробежных насосов.

В связи с возникновением при работе насоса осевой силы, действующей на ротор и направленной вдоль оси насоса в сторону всасывания, необходимо устройство для ее уравновешивания.

Возникновение осевой силы объясняется тем, что при одинаковом давлении на ведомый диск рабочего колеса действует меньшая сила, чем на ведущий диск вследствие неравенства их площадей. Под действием осевой силы ротор насоса стремится сдвинуться вдоль своей оси в сторону всасывания. Осевая сила может привести к большому трению между вращающимися колесами и неподвижными направляющими аппаратами или корпусом, что, повлечет за собой быстрый износ деталей насоса и снижение его к. п. д. Для устранения осевой силы применяют: в одноступенчатых насосах — двустороннее колесо, при котором благодаря его симметрии не возникает осевая сила, а при односторонних колесах — упорный подшипник и отверстия в ведущем диске рабочего колеса; в многоступенчатых горизонтальных насосах — гидравлическое разгрузочное устройство или симметричное расположение рабочих колес; в вертикальных насосах — упорные шарикоподшипники, шариковые или обыкновенные пяты, симметричное расположение рабочих колес.

Наибольшее применение в шахтных насосах имеет гидравлическое разгрузочное устройство. С его помощью достигается полное уравновешивание осевой силы, причем соответствие осевой и уравновешивающей сил устанавливается автоматически.

Недостатками этого способа уравновешивания являются: расход воды через разгрузочное устройство; трение гидропяты о воду; быстрый износ колец гидропяты и разгрузки при перекачке загрязненной воды.

5. Кавитация. Причины возникновения. Способы борьбы с ней.

Если абсолютное давление жидкости при выходе ее в рабочее колесо окажется меньше давления парообразования, начинается явление кавитации, которое объясняется тем, что в местах наименьшего давления в колесе образуются пространства, заполненные паром и содержащимися в воде газами.

Пузырьки пара и газа перемещаются с водой в область более высоких давлений, где пары конденсируются. В образовавшиеся пустоты с очень большими скоростями устремляются частицы воды, вызывая удар о поверхности деталей насоса. В результате кавитации разрушаются стенки деталей. Вода, ударяясь о стенки, образует микроскопические углубления в местах наименьшей прочности материала. Углубления усиливают процесс и в дальнейшем являются очагами разрушения. Кавитация наступает при большой высоте всасывания и работе насоса на пониженном напоре, когда его подача значительно больше расчетной.

Первой мерой по устранению возникающей кавитации является уменьшение высоты всасывания за счет повышения уровня воды в приемном колодце.

Средствами борьбы с кавитацией являются также применение стойких к кавитации материалов и работа насоса с подпором, т. е. он должен быть расположен ниже резервуара, у когда вола в насос поступает под действием собственного веса.

6. Консольные насосы. Устройство.

Консольные насосы выпускаются типоразмеров 2К-6, ЗК-6, 4К-6, 4К-8 (первая цифра — диаметр выходного патрубка в мм, уменьшенный в 25 раз, К — консольный, цифра после тире — коэффициент быстроходности, уменьшенный в 10 раз). Консольный насос состоит из следующих основных элементов: спирального корпуса 1, отлитого заодно с напорным патрубком 2, рабочего колеса 3, вала 4 с муфтой 5, опорного кронштейна 6, подводящего патрубка 7. Для уравновешивания осевого усилия в ведущем диске рабочего колеса имеются отверстия. Опорами вала являются два шариковых подшипника 8. Для предупреждения износа корпусных деталей и уменьшения объемных потерь в корпусе и крышке насоса установлены уплотняющиеся кольца 9. На выходе вала из корпуса насоса установлено сальниковое уплотнение 10 с гидрозатвором.

7. Вертикальные проходческие насосы со спиральным отводом. Устройство.

Вертикальный насос со спиральным отводом состоит из чугунного корпуса с разъёмом в плоскости, проходящей вдоль оси вала. В корпусе расположено 6 рабочих колёс. Для уравновешивания осевой силы в насосе применена схема симметричного расположения рабочих колёс, при которой отпадает необходимость в использовании разгрузочного устройства. Из первого рабочего колеса вода проходит в колесо, расположенное в верхней части насосного узла, и далее последовательно в колёса 3,4,5,6. Вода из первой ступени во вторую, из второй в третью и из четвёртой в пятую поступает по трубам, а из третьей в четвёртую и из пятой в шестую – по каналам в корпусе. В насосе применятся сдвоенный радиально-упорный шарикоподшипник, воспринимающий незначительную неуравновешенную часть осевой силы. Уплотнение достигается сальниками с прижимными втулками и дополнительно со стороны всасывания – гидрозатвором. С электродвигателем насос соединяется муфтой.

8. Турбонасос Н-1М. Устройство. Назначение.

Турбонасос Н-1М предназначенный для откачки воды из забоев вертикальных стволов, уклонов горизонтальных выработок, состоит из алюминиевого корпуса, встроенного одноступенчатого насоса и пневматической турбины. Нижняя часть корпуса представляет собой спиральный отвод, переходящий в напорный патрубок диаметром 50 мм. Рабочее колесо насоса закрыто сеткой. Пуск насоса осуществляется с помощью рукоятки, действующей на клапан, через который сжатый воздух подводится к турбине. К диафрагме клапана подводится часть воды из напорного трубопровода, отчего клапан удерживается в открытом положении при прекращении нажатия на рукоятку. При давлении в напорном трубопроводе менее 0,8 МПа, что имеет место при подсасывании воздуха через сетку по окончании откачки воды, клапан автоматически отключает подачу сжатого воздуха к турбине. Малые габариты и масса турбонасоса позволяют применять его как переносной, он не требует водосборников и фундамента, постоянного надзора во время работы.

9. Винтовые насосы. Устройство. Назначение.

Основными частями винтового насоса являются стальная обойма, резиновый статор, стальной ротор, карданный вал. В статоре, представляющем собой двухзаходную спираль, вращается ротор в виде однозаходного винта с шагом, вдвое меньшим шага спирали статора.

Карданный вал соединяется с помощью приводного вала и упругой муфты с валом двигателя. Вал снабжён двумя шаровыми шарнирами, соединёнными посредством пальцев с ведущей и ведомой муфтами. Шарнир карданного вала в патрубке защищён от песка и грязи резиновым сильфоном. Уплотнение вала происходит с помощью сальника, состоящего из втулки и стального кольца. Вал располагается в двух радиально-упорных подшипниках. Осевая сила, возникающая при работе насоса, передаётся на подшипники через пальцевое соединение. Благодаря резиновому статору насос может перекачивать загрязнённую воду.

Винтовые насосы имеют малые габариты и массу, и могут перекачивать загрязнённую воду.

10. Совместная работа насосов.

В практике возможны случаи совместной работы на общий трубопровод насосов, соединённых последовательно или параллельно.

При последовательном соединении насосов, необходимом для увеличения подачи установки, один насос всасывает воду из прёмного колодца и нагнетает её в подводящий патрубок второго насоса, который по напорному трубопроводу подаёт воду до места её слива.

При параллельном соединении центробежных насосов, необходимом для увеличения подачи установки при той же геометрической высоте, что и для одного насоса, каждый из насосов всасывает воду из водосборного резервуара и подаёт её в общий напорный трубопровод.

11. Графический анализ параллельного включения насосов одинакового типа на совместную работу.

При параллельном соединении насосов, необходимом для увеличения напора установки при той же геометрической высоте, что и для одного насоса, каждый из насосов всасывает воду из водосборного резервуара и подаёт её в общий напорный трубопровод.

При параллельном соединении насосов суммарная характеристика их получается суммированием абсцисс характеристик каждого насоса, а рабочий режим – точкой пересечения суммарной характеристикой с характеристикой трубопровода, причём подача параллельно соединённых насосов всегда меньше суммы подачи этих же насосов при их самостоятельной работе на тот же трубопровод.

12. Графический анализ последовательного включения насосов одинакового типа в совместную работу.

При последовательном соединении насосов, необходимом для увеличения напора установки, один насос всасывает воду из приёмного колодца и нагнетает её в подводящий патрубок второго насоса, который по напорному При последовательном соединении насосов рабочий режим определяется точкой пересечения суммарной характеристики насосов с характеристикой трубопровода. Суммарная характеристика получается суммированием ординат характеристик каждого насоса. При таком соединении насосов с одинаковыми характеристиками и при не изменяющейся характеристике трубопровода произойдёт увеличение напора и подачи по сравнению с теми же показателями самостоятельно работающих насосов.

13. Манометр. Назначение. Устройство.

Давление измеряется манометром, устанавливаемым на напорном патрубке насоса. В манометре имеется упругая трубка овального сечения. Один конец трубки запаян и соединён с помощью рычагов и зубчатой передачи со стрелкой. Другой конец трубки открыт и включается в трубопровод. Трубка под действием разности измеряемого абсолютного Р давлений (Р-Р_а)будет выпрямляться при увеличении абсолютного давления и закручиваться при уменьшении этого давления, причём запаянный конец трубки будет перемещаться, и стрелка на шкале манометра покажет избыточное давление Р_м=Р-Р_а. Для получения абсолютного давления необходимо к манометрическому прибавить давление атмосферного воздуха.

14. Назначение, устройство и прокладка водоотливного трубопровода.

Для трубопроводов насосов применяются стандартные стальные бесшовные горячедеформированные трубы (данные о некоторых трубах приведены в приложении 5).

Трубы между собой, а также с фасонными частями (колена, тройники, переходы и т. д.) и арматурой (компенсаторы, задвижки в т. д.) соединяются с помощью фланцев и болтов.

На подводящем трубопроводе устанавливают приемную сетку с клапаном, на напорном трубопроводе — задвижку, обратный клапан и компенсаторы. При изменении температуры в стволе и значительной длине напорного трубопровода в нем возникают температурные напряжения, для устранения которых применяются компенсаторы. При прокладке трубопровода используются фасонные части. В местах поворота трубопровода применяются колена, при ответвлениях — тройники, при переходе с одного диаметра на другой — конусные переходы.

Толщина стенок труб каждого участка может быть различной в зависимости от увеличения давления в направлении от поверхности к околоствольному двору. Однако при любой глубине желательно иметь не более 2—3 типов труб по толщине стенок. Рекомендуется принимать участки труб длиной (считая от устья ствола) 0—640 м, 640—1000 м, 1000—1600 м.

15. Эксплуатация водоотливных установок.

Водоотливная установка находится в ведении главного механика шахты.

Работа насосов должна быть организована так, чтобы все насосы эксплуатировались, чередуясь в определенном порядке. График суточной работы насосов строится с учетом возможности остановки насосов в часы вечернего максимума электрической нагрузки.

Установка с местным управлением обслуживается машинистами, прошедшими специальный курс обучения.

В процессе эксплуатации водоотливной установки на внутренних стенках трубопровода откладываются твердые осадки. Для очистки труб от осадков необходимо периодически спускать воду из става и промывать сверху струей нейтральной воды под давлением. Очистка труб производится также с помощью пустотелых шаров-ежей или специальных снарядов, которые перемещаются в трубопроводе под действием движущейся воды. Для чистки труб применяют шарошки, подвешенные на канате, которые с помощью лебедки несколько раз перемещаются по трубопроводу.

Планово-предупредительный ремонт водоотливной установки заключается в проведении операций текущего и капитального ремонтов.

Объем работ при ремонтах устанавливается по результатам осмотров, которые производятся ежедневно обслуживающим персоналом и не реже одного раза в неделю — главным механиком.