книги / Рудничные вентиляторные и водоотливные установки
..pdfРУДНИЧНЫЕ
ВЕНТИЛЯТОРНЫЕ
И ВОДООТЛИВНЫЕ УСТАНОВКИ
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР
в качестве учебного пособия для студентов горных специальностей вузов
ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А » М о с к в а , 1968
Рудничные водоотливные п вентиляторные установки. Рипп М. Г ., Петухов А . И ., Мирошник А . М. И8д-во «Недра», 1968 г., стр. 296.
В книге изложены теоретические основы рудничных турбомапшн, а также рассмотрены прин ципы действия, устройство, правила эксплуата ции и проектирования рудничных водоотливных и вентиляторных установок.
Книга является учебным пособием для сту дентов электромеханической специальности гор
ных вузов и |
факультетов и может быть исполь |
||
зована |
инженерно-техническими |
работниками |
|
горных |
предприятий. |
|
|
Таблиц — 4, |
иллюстраций — 193, |
библиогра |
|
фия — 50 названий. |
|
Рецензенты: кафедра горной механики Кузбасского политехнического института; проф., докт. техн. наук А. И. Бороховпч.
3—7—3 127-6S
ПРЕДИСЛОВИЕ
Главная задача нового пятилетнего плана состоит в том, чтобы на основе всемерного использования достижений науки и техники, индустриального развития всего общественного производства, повы шения его эффективности и производительности труда обеспечить дальнейший значительный рост промышленности.
К 1970 году добыча угля достигнет 665—675 миллионов тонн. Угольная промышленность должна полностью обеспечить высоко качественным углем как производственные нужды народного хозяй ства, так и потребности населения.
Увеличение добычи топлива может быть достигнуто путем реконструкции существующих и строительства новых шахт и раз резов, внедрения передовой технологии добычи полезных ископа емых, совершенствования всех звеньев производственного процесса на основе комплексной механизации и автоматизации. Это потре бует дальнейшего развития и совершенствования электромеханиче ского хозяйства шахт, в том числе водоотливных и вентиляторных установок.
В данной книге рассматриваются теоретические основы руднич ных турбомашин, вопросы проектирования и эксплуатации водо отливных и вентиляторных установок.
Настоящее учебное пособие написано в соответствии с про граммой курса «Рудничные водоотливные и вентиляторные уста новки» для электромеханической специальности, утвержденной Учебно-методическим управлением по вузам Министерства высшего и среднего специального образования СССР в 1961 г.
Первый, второй и третий (за исключением главы VII) разделы написаны М. Г. Риппом.
Четвертый раздел (за исключением главы VIII) написан А. И. Пе туховым.
Глава VII третьего раздела и глава VIII четвертого раздела написаны А. М. Мирошником.
В данном курсе используются международная и техническая системы единиц.
Авторы выражают благодарность коллективу кафедры горной механики Кузбасского политехнического института, профессорам, докторам техн. наук А. И. Бороховичу PI И. Т. Першину за сделан ные ими при рецензировании рукописи ценные замечания.
Авторы также выражают благодарность проф., докт. техн. наук В. А. Мурзину и доцентам, канд. техн. наук Ю. А. Цейтлину и В. В. Юшину за ценные замечания, сделанные ими при про смотре рукописи.
Все замечания по поводу недостатков или желаемых дополнений и исправлений будут приняты авторами с благодарностью.
Раздел первый
ВВЕДЕНИЕ
Г л а в а I
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА, ЕГО ЗНАЧЕНИЕ И СВЯЗЬ СО СМЕЖНЫМИ ДИСЦИПЛИНАМИ
Современные шахты оснащены разнообразными и сложными электромеханическими установками.
Среди установок, от которых зависит надежность и безопасность работы шахты, одно из главных мест принадлежит рудничным водо отливным и вентиляторным установкам.
Рудничные водоотливные установки предназначены для откачки на поверхность воды, поступающей в горные выработки. Значение их в горном деле видно из следующих показателей: чтобы добыть 1 т угля, нужно откачать, например, для условий Донбасса около 2,5 т воды, а в ряде случаев значительно больше. Подача шахт ных насосов достигает 600 м3/ч и более, а мощность 1000 кет и более.
Рудничные вентиляторные установки предназначены для прове тривания горных выработок. Чтобы добыть 1 т угля, нужно подать в подземные выработки свыше 5 т воздуха. Подача современных шахтных вентиляторов доходит до 500 м3/сек, а мощность двига телей вентиляторов — до 3—4 тыс. кет.
Водоотливные и вентиляторные установки находятся в числе основных потребителей электроэнергии на шахте. В ряде случаев они потребляют до 50—10% электроэнергии, расходуемой на шахте. Поэтому важно, чтобы эти установки были не только надежными в эксплуатации, но и экономичными.
Главные водоотливные и вентиляторные установки оборудуются турбомашинами, у которых передача энергии от двигателя потоку жидкости осуществляется лопастями вращающихся рабочих колес.
В данном курсе рассматриваются основы рабочего процесса турбомашин, конструкции, методы проектирования и способы экс плуатации рудничных водоотливных и вентиляторных установок. Изучение этих установок объединено в одном курсе, так как насосы и вентиляторы органически связаны общностью основных теорети ческих положений, устройства и принципа действия. Следует иметь также в виду, что в водоотливных и вентиляторных установках плотность перемещаемой среды практически постоянна, так как сжимаемостью воздуха при небольшом перепаде давлений в венти ляторной установке можно пренебречь.
Режим работы водоотливных и вентиляторных установок не только определяется аэрогидродинамическими свойствами турбо машин, входящих в состав этих установок, но зависит также от свойств внешних сетей, к которым они подключены. Поэтому в курсе отводится соответствующее место изучению свойств внешних сетей турбоустановок.
Шахтные насосы и вентиляторы вместе с их электроприводом представляют собой единый электромеханический комплекс, по этому при изучении курса рассматриваются вопросы электрообору дования водоотливных и вентиляторных установок, а также прин ципы автоматического и дистанционного управления их работой.
Изучение курса базируется на следующих дисциплинах: теоре тическая механика, гидравлика и аэромеханика.
Г л а в а II
КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ВОДООТЛИВНЫХ И ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК]
Насосы как приспособления для подъема воды и вентиляторы— машины для подачи воздуха — имеют многовековую историю. Конструкции их видоизменялись от простейших механизмов до совре менных турбомашин. Поршневые насосы появились до нашей эры, и в течение многих веков их конструкции были весьма примитив ными. Существенное усовершенствование поршневых насосов нача лось лишь в XVIII в. в связи с развитием металлургии, горного дела и машиностроения.
В 80-х годах XVIII в. Козьма Фролов создал гидросиловые и на сосные установки Змеиногорского рудника (Алтай). Вода из шахт глубиной до 100 м поднималась поршневыми насосами с приводом от водяных колес.
Машины, в которых перемещение жидкости происходит в поле центробежных сил, были изобретены еще в период средневековья, но не получили распространения.
Основоположником теории центробежных машин был Леонард Эйлер (1700—1783). Уравнение Эйлера (1754 г.) послужило фунда ментом, на базе которого строились дальнейшие исследования
вобласти турбомашин.
ВРоссии центробежные насосы и вентиляторы были внедрены
впромышленность в 30-х годах XIX в. горным инженером Алек сандром Александровичем Саблуковым. Машины его конструкции приближаются к современным.
Дальнейшее развитие центробежных машин тормозилось из-за
отсутствия быстроходных двигателей.
Поэтому изобретение электродвигателя в конце XIX в. послу жило мощным толчком для развития турбомашин.
Наряду с центробежными машинами в XIX в. появились и осе вые турбомашины. Первый осевой вентилятор был предложен в Рос сии инженером Тепловым еще в 1854 г. Этот вентилятор имел доста точно высокий к. п. д., однако в условиях царской России изобретение Теплова не получило поддержки и было вскоре забыто.
В дореволюционной России техника водоотлива и вентиляции шахт была чрезвычайно отсталой. На шахтах эксплуатировались главным образом насосы и вентиляторы иностранных фирм. Соб ственное производство этих машин было весьма ограничено. Только после победы Великой Октябрьской социалистической революции расширилось отечественное производство рудничных насосов и вен тиляторов. В 1925 г. были выпущены центробежные многоступен чатые цельнокорпусные насосы, а в 1928 г. были созданы много ступенчатые секционные центробежные насосы.
С. 1936 г. началось внедрение в горную промышленность центро бежных насосов спирального типа с горизонтальным разъемом корпуса. В годы первой пятилетки советские инженеры создали надежные конструкции центробежных вентиляторов, а с 1938 г. началось широкое внедрение в горную промышленность осевых вентиляторов.
В настоящее время водоотливные и вентиляторные установки оборудуются надежными и экономичными насосами и вентиляторами. Успехи в этой области были бы невозможны без серьезных теорети ческих и экспериментальных исследований. В этом отношении важ ную роль сыграла теория крыла, созданная проф. H. Е. Жуков ским (1847—1921). Она способствовала более глубокому пониманию процесса взаимодействия твердых тел с жидкостью и дала мощный аналитический аппарат для расчета этого процесса. Идеи проф. H. Е. Жуковского применительно к турбомашинам получили дальнейшее развитие в трудах действ, члена АН УССР Г. Ф. Проскуры (1876—1958), создавшего вихревую теорию центробежных насосов, проф. К. А. Ушакова и его учеников, создавших методы аэродинамического расчета вентиляторов.
Ввышеуказанных научных направлениях работает целая плеяда отечественных и зарубежных ученых.
Вразработке конструкций и современных методов расчета вы сокоэкономичных насосов и вентиляторов выдающуюся роль сы грали также акад. М. М. Федоров (1867—1945), акад. А. П. Гер ман (1874—1953) и др. Акад. М. М. Федоров еще в 1909 г. показал целесообразность исследования рудничных турбомашин на основе их характеристик, разработал метод определения диаметра рабо чего колеса шахтных центробежных вентиляторов и необходимой скорости его вращения на основе безразмерных характеристик.
Ему принадлежит также решение задачи о наивыгоднейшем диа метре трубопровода рудничной водоотливной установки.
Акад. А. П. Герман развил теорию подобия турбомашин, разра ботал метод исследования их совместной работы на основе характе ристик и выполнил ряд других оригинальных работ.
Видное место в области теории рудничных турбомашин принад лежит акад. В. С. Паку, профессорам В. Г. Гейеру, А. И. Веселову,
Г.М. Еланчику, А. А. Дзидзигури и др.
Всоздании современных насосов и вентиляторов большую роль сыграли коллективы Всесоюзного научно-исследовательского инсти тута гидромашиностроения (ВНИИГидромаш), Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), Института горной меха ники и технической кибернетики им. М. М. Федорова (г. Донецк), проектных институтов (Гипроуглемаш, Гипронефтемаш, Донгипроуглемаш и др.) и машиностроительных заводов (Московский насос ный завод им. М. И. Калинина, Ясногорский завод угольного маши ностроения, Горловский машиностроительный завод им. С. М. Ки рова, Донецкий завод им. XV-летия ЛКСМУ и др.).
Большой объем научных исследований, способствовавших даль нейшему совершенствованию рудничных водоотливных и венти ляторных установок, выполнен в Московском горном, Донецком политехническом и в других институтах.
Г л а в а III
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАШИНАХ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖИДКОСТИ
§ 1. У ст р о й ст в о и п р и н ц и п д ей ст в и я м аш и н дл я п ер ем ещ ен и я ж и д к о ст и
Движение воды по трубопроводам и воздуха по горным выра боткам происходит за счет разности полной удельной энергии по тока. Как известно, полная удельная энергия потока Н склады вается из трех величин:
(1 )
где 2 — геометрическая высота рассматриваемой частицы жидкости над плоскостью сравнения;
р — давление в данной точке жидкости; V — удельный вес жидкости;
V — скорость движения жидкости; g — ускорение силы тяжести.
Каждый член, входящий в выражение (1), имеет определенный энергетический смысл:
z — удельная (т. е. приходящаяся на единицу веса жидкости) энергия положения жидкости;
Р
—— удельная энергия давления жидкости;
J2
т}-----удельная кинетическая энергия потока жидкости.
В некоторых случаях может быть использована естественная разность полных удельных энергий потока, например при само-
духа, возникающей при наличии разности температур в подающем и вентиляционном стволах. Но в большинстве случаев на практике необходимо искусственно создавать разность полных удельных энергий в потоке жидкости.
Машины, предназначенные для этой цели, могут быть классифи цированы по различным признакам: по принципу действия, по виду энергии, которая сообщается самой жидкости *, и т. д. Наиболее распространенной следует считать классификацию машин по прин ципу действия, отражающую физическую сущность процесса пере дачи энергии потоку перемещаемой жидкости.
По принципу действия различают следующие машины: 1) лопаст ные турбомашины; 2) объемные машины; 3) струйные аппараты;
4)эрлифты.
Наибольшее распространение получили лопастные турбомашины,
которые отличаются быстроходностью, сравнительно меньшими габа ритами и высокими технико-экономическими показателями.
На шахтах используются центробежные и осевые лопастные тур бомашины. Их принцип действия основан на силовом взаимодей ствии лопастей с потоком жидкости.
* Здесь и в дальнейшем изложении жидкость рассматривается в широком смысле слова как капельная, так и газообразная (вода, воздух).
Центробежная турбомашина (рис. 1) состоит из подводящего устройства 2, рабочего колеса 2, отводящего устройства 3 и диффу зора 4. Рабочее колесо центробежной турбомашины состоит из сту пицы, переднего и заднего дисков между которыми расположены
Рис. 2. Схема осевой турбомашины
лопасти. Поток жидкости подводится к рабочему колесу в осевом направлении, а в области колеса имеет радиальное направление.
При вращении |
рабочего колеса |
в |
потоке |
жидкости |
возникает |
||||||||
|
|
|
разность |
давлений по обе сто |
|||||||||
|
|
|
роны каждой лопасти. |
|
|
||||||||
|
|
|
|
Силы |
от |
давления лопастей |
|||||||
|
|
|
на поток создают |
вынужденное |
|||||||||
|
|
|
вращательное и поступательное |
||||||||||
|
|
|
движение |
жидкости, |
|
увеличи |
|||||||
|
|
|
вая ее давление и скорость. |
||||||||||
|
|
|
Следует иметь |
в виду, что при |
|||||||||
|
|
|
ращение |
энергии |
поток |
жид |
|||||||
|
|
|
кости получает только в ра |
||||||||||
|
|
|
бочем |
колесе. |
Остальные |
эле |
|||||||
|
|
|
менты |
турбомашины |
являются |
||||||||
|
|
|
неподвижными. |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
Подводящее |
устройство 1 |
||||||||
|
|
|
служит |
для |
подвода жидкости |
||||||||
|
|
|
к |
рабочему |
колесу, |
обеспечи |
|||||||
|
|
|
вая при |
этом |
по |
возможности |
|||||||
|
|
|
равномерное |
|
поле |
скоростей |
|||||||
|
|
|
перед |
колесом. |
Поток |
ж и д |
|||||||
Рнс. 3. |
Расположение рабочих колес: |
к о с ти , |
отбрасываемый |
рабочим |
|||||||||
а — многоступенчатое; б — многопоточное |
колесом, |
поступает |
в |
отводя |
|||||||||
щее устройство 3 |
и через диф- |
||||||||||||
|
|
|
|||||||||||
фузор 4 направляется в нагнетательный трубопровод. |
В неподвиж |
||||||||||||
ных элементах турбомашины может происходить |
только |
преобра |
|||||||||||
зование |
одного |
вида энергии жидкости в |
другой. |
Так, |
например, |