2.17. Насосы в кислотоупорном исполнении

Насосы в кислотоупорном исполнении широко применяются в горной промышленности на медных рудниках Урала, Кизеловском угольном месторождении и т. д. при откачке кислот­ ных шахтных вод с содержанием свободной серной кислоты от 0,2 до 1,5 °/о-

Насосы ЦНСК 180-85—ЦНСК 180-425 и 8МСК-7 использу­ ются для перекачивания шахтных кислотных вод с pH <7 и температуройне выше 40 °С. Содержание механических при­ месей в воде не должно превышать 0,1 % по массе, крупность твердых частиц должна быть не более 1 мм. Насосы ЦНСК 180-85—ЦНСК 180-425 рекомендуются для шахт с нормальным притоком шахтных вод 85—145 м3/ч, а 8МСК-7 — с нормаль­ ным притоком 145—250 м3/ч. Насосы выпускаются с числом ступеней от 2 до 10. Общий вид насосов показан на рис. 2.25; технические данные приведены в табл. 2.9. Размеры насосов даны в табл. 2.10.

На рис. 2.26 приведены характеристики насоса 8МСК-7 на одну ступень. Характеристики насосов ЦНСК, 180-85—ЦНСК 180-425 показаны выше (см. рис. 2.16).

Насосы ЦНСК 180-85—ЦНСК 180-425 и 8МСК-7 отлича­ ются по конструкции от насосов ЦНС 180-85—ЦНС 180-425, описанных выше, главным образом применением кислотоупор­ ных материалов. Опорами -вала служат два радиально-сфери­ ческих подшипника № 3612 в насосах ЦНСК 180-85—ЦНСК 180-425 и № 3618 в насосах 8МСК-7, установленных на скользя­ щей посадке в кронштейнах. Насосы приводятся во вращение электродвигателем через упругую втулочно-пальцевую муфту; направление вращения — правое со стороны электродвигателя.

Задний кронштейн, изготовленный из чугуна СЧ21-40, имеет вставку из стали 2Х18Н4Г5Д. В гидр'озатвор подается вода, выходящая из разгрузочного устройства, для чего предусмот­ рены отверстия во вставке заднего кронштейна и в крышке всасывания, соединяемые с обводной трубкой.

Гидропята не имеет кольца и изготовлена из кислотостой­ кого материала (сталь 0Х18Н10Т). Корпусные детали, сопри­ касающиеся с агрессивной водой, и рабочие колеса изготов­ лены из стали 1Х18Н4Г5Д, кронштейны — из чугуна СЧ 21-40, вал — из стали 0Х18Н10Т. Уплотняющие кольца и втулки гид­ розатвора насосов ЦНСК 180-85—ЦНСК 180-425 изготовлены из стали 0Х18Н10Т и армированы резиной 3826С (МРТУ 38— —5—1166—64). В насосе 8МСК-7 эти детали изготовлены из пресс-материала АГ-4-В. Дистанционная втулка, рубашка вала и втулка разгрузки в обоих типах насосов изготовлены из стали 0Х18Н10Т. Опыт эксплуатации на шахтах Урала при откачке кислотных шахтных вод показывает, что энергетические пока­ затели насосов соответствуют техническим условиям; имеют

удовлетворительные показатели надежности. При длительной эксплуатации номинальный режим снижается на 7 %, а к. п. д. соответственно на 7—10 %.

При испытаниях насоса 8МСК-7 на медных рудниках Урала подача составляла 280—300 м3/ч при напоре на одно колесо

механических примесей в воде не должно превышать 0,1 % по массе при размерах твердых частиц не более 0,1 мм.

Характеристики насосов ЦНСК 500-160—ЦНСК 500-800 на одну ступень приведены на рис. 2.27. Рабочая часть характе­ ристик находится в пределах 225—430 м3/ч. Насосы приводятся асинхронными двигателями мощностью от 300 до 1500 кВт.

Ротор насоса состоит из вала, на котором расположены стянутые гайками рабочие колеса, гидропята, дистанционная втулка и рубашка вала. Резиновые уплотнения защищают вал

Т а б л и ц а 2.9

ствует на выключатель, разрывая цепь управления электро­ двигателя в случае ухода ротора в сторону всасывания. Втулка гидрозатвора и кольца изготовлены из стали 0Х18Н10Т и ар­ мированы резиной.

Насосы ЦНСК 60-40—ЦН СК 60-200 и 4МСК-10. Насосы применяются в горной промышленности для перекачивания кислотных шахтных вод при pH <7, температуре до 60 °С и содержании серной кислоты не более 0,5 %. Наличие механи­ ческих примесей в воде не должно превышать 0,5 % при раз­

мальным притоком 35—55 м3/ч. Технические данные этих на­ сосов приведены в табл. 2.9. Характеристики насосов ЦНСК 60-40—ЦНСК 60-200 на одну ступень приведены на рис. 2.28. Эти насосы в конструктивном исполнении отличаются направ­ ляющими аппаратами, выполнены заодно со своими корпу­ сами и имеют уплотняющие кольца, разделяющие всасываю­ щую и нагнетательную полости соседних секций. Средняя бе­ зотказная работа гарантируется 8000 ч, после чего напор сни­ жается примерно на 17 #%, а к. п. д.— на 19% .

Насосы 4МСК-Ю предназначены для откачки кислотных шахтных вод и используются главным образом в угольной про­ мышленности при притоках воды от 35 до 55 м3/ч. Размеры насосов, не зависящие от числа рабочих колес, приведены в табл. 2.10. На рис. 2.29 показаны характеристики насоса 4МСК-Ю на одну ступень'. Вал ротора опирается на два ради­ ально-сферических подшипника № 1608; уплотнение его осуще­ ствляется сальниковой набивкой ХБП 10X10. Соединения ко­ льца гидропяты с гидропятой и кольца разгрузки с крышкой нагнетания выполнены без резиновых уплотняющих прокладок. Насосы изготовляются с числом ступеней от 2 до 10; высокий коэффициент быстроходности насосов обеспечивает их хорошие энергетические показатели.

2.18. Насосы участнового водоотлива

Для оборудования участкового водоотлива применяются многоступенчатые секционные центробежные насосы в горизон­ тальном исполнении с частотой вращения вала около 1500 или около 3000 об/мин, Оборудование участкового водоотлива от­ личается большим разнообразием.

Перекачные установки участкового водоотлива оборудуются стационарно, а участковый водоотлив на уклонах и других горных выработках является временным. Для них проходятся водосборники малой емкости; насосные агрегаты устанавлива­ ются вместе с рамой на почве выработки.

Насосы ЦНС 38-50—ЦНС 38-250 и 5МС-7. Эти насосы при­ меняются для откачки нейтральной загрязненной воды при тем­

ЦНС 38-250 и 5МС-7 хорошо зарекомендовали себя при работе с нормальным притоком соответственно 25—35 и 35—55 м3/ч. На рис. 2.30 и 2.31 приведены характеристики указанных насо­ сов на одну ступень.

Насосы ЦНС 38-50—ЦНС 38-250 по конструкции близки к ранее рассмотренным секционным насосам. Они состоят из направляющих аппаратов, их корпусов, крышек всасывания, нагнетания, переднего и заднего кронштейнов. Корпуса направ­ ляющих аппаратов стянуты болтами, а стыки их уплотнены резиновыми шнурами. Ротор состоит из вала, на котором за­ креплены рубашка вала, втулка, рабочие колеса, дистанцион­ ная втулка, гидропята и регулировочные кольца. Вал опира­

манжетами от попадания воды. Электродвигатель соединен с насосом через упругую втулочно-пальцевую муфту. Уравно­ вешивание осевого усилия, действующего на ротор в сторону всасывания, осуществляется разгрузочным устройством, кото­ рое состоит из разгрузки, дистанционной втулки, гидропяты, кольца разгрузки. Уплотнения кольца разгрузки и гидропяты, выполненные резиновым шнуром диаметром 6' мм, предупреж­ дают протекание воды под кольцом и гидропятой. Регулиро­ вочные кольца поддерживают разбег ротора в пределах допу­ стимого. Со стороны всасывания предусмотрено механическое и гидравлическое уплотнение с помощью многослойной плете­ ной пеньковой набивки. Это обеспечивается водой, выходящей Из разгрузочного устройства по обводной трубе через отвер­ стие в-крышке всасывания в полость гидрозатвора.

Конструкции насосов 5МС-7 и ЦНСК 60-40—ЦИСК 60-200 отличаются только направляющими аппаратами, которые вы­ полнены заодно со своими корпусами и имеют уплотняющие кольца, разделяющие всасывающую и нагнетательную полости соседних секций. Среднее время безотказной работы указан-

ных насосов составляет 8000 ч; при этом среднее снижение к. п. д. составляет 15—17 %.

Насосы ЦНС 38-44—ЦНС 38-220 и ЦНС 60-198— ЦНС 60-330

предназначены для перекачки нейтральных шахтных вод при

не более 0,1 % при размере частиц не более ОД мм. Насосы выпускаются в соответствии с ГОСТ 10407—70. Насосы ЦНС 38-44—ЦНС 38-220 используются в установках участкового во­ доотлива с притоком воды от 20 до 35 м3/ч, а насосы ЦНС 60- 198—ЦНС бОтЗЗО— с притоком от 35 до 55 м3/ч. На рис. 2.32 и 2.33 представлены характеристики насосов соответственно ЦНС 38-44—ЦНС 38-220 и ЦНС 60-198—ЦНС 60-330 на одну сту­ пень. Отличительными конструктивными особенностями послед-

них являются: опоры ротора опираются на радиально-сфери­ ческие подшипники № 1608, уплотнение вала в местах выхода осуществлено сальниковой набивкой ХБП ЮхЮ, соединение кольца гидропяты с гидропятой и кольца разгрузки с крыш­ кой негнетания выполнено без резиновых уплотняющих про­ кладок.

2.19. Центробежные насосы cb спиральным отводом

Спиральные многоступенчатые насосы получили широкое применение при оборудовании водоотливных установок в слож­ ных гидрогеологических условиях. Конструктивные особенности их: четное число рабочих колес, разъемный корпус по горизон­ тальной линии, расположение напорного и всасывающего па­ трубков в нижней части корпуса без отсоединения трубопрово­ дов и электродвигателя.

Осевое давление уравновешивается симметричным располо­ жением входных отверстий рабочих колес; неуравновешенное давление воспринимается радиально-упорными шарикоподшип­ никами.

Насосы ЗВ-200Х2 и ЗВ-200Х4 выполняются двух- и четы­ рехступенчатыми с горизонтальным валом, рабочими колесами одностороннего входа с подачей от 72 до 540 м3/ч при напоре до 250 м.

Общий вид насоса ЗВ-200Х4 представлен на рис. 2.34. Вса­ сывающий и нагнетательный патрубки расположены в нижней части корпуса и направлены в противоположные стороны, что упрощает присоединение их к внешним трубопроводам. Под­ шипник насоса со стороны всасывания шариковый, одноряд­ ный, радиальный, а со стороны нагнетания — шариковый, двух­ рядный, радиально-упорный. Оба подшипника имеют смазку и водяное охлаждение.

Движение потока жидкости между ступенями у четырехсту­ пенчатого насоса осуществляется по внешним обводным тру­ бам, которые расположены в разных плоскостях. Они предназ­ начены для преобразования энергии потока жидкости в давле­ ние с одновременным поворотом его на 180° и подводят жидкость к следующему рабочему колесу с целью равномер­ ного распределения по окружности входа.

Конструкция сальников выполнена с мягкой набивкой, для охлаждения которых со стороны первой ступени предусмот­ рено кольцо водяного охлаждения; для защиты вала от исти­ рания служат защитные втулки.

Длительный опыт эксплуатации насосов в условиях свин­ цовых и бокситовых рудников показал, что работают они с вы­ сокой степенью надежности, имеют к. п. д. 0,6—0,72 и малую высоту всасывания (3—3,5 м). Высокая степень надежности получена при установке насосов с отрицательной высотой

всасы&аийя, когда отсутствуют кавитационные процессы и сброс нагрузки [17].

Технические данные насосов ЗВ-200Х2 и ЗВ-200Х4 приве­ дены в табл. 2.11, а их-характеристики— на рис. 2.35.

Насосы 10НМКХ2 рассчитаны на высокое давление. Они имеют два рабочих колеса с односторонним' подводом жид­ кости (рис. 2.36). Сальник со стороны всасывания имеет во­ дяное уплотнение, что предохраняет насос от подсоса воздуха во время работы. Корпус, ра^

бумажного просмоленного шнура.

Технические данные насоса 10НМКХ2 приведены в табл. 2.12, а его характеристики — на рис. 2.37.

Насосы имеют коэффициент быстроходности ns=100 и ка­ витационный коэффициент С=850. Они успешно эксплуатиру­ ются на рудниках цветной металлургии. При отрицательной высоте всасывания работают 5000 ч непрерывно без какихлибо аварий и неполадок при среднем значении к. п. д. 0,7— 0,72.

Габаритные, установочные и присоединительные размеры на­ сосов 10НМКХ2 приведены на рис. 2.38.

Насосы 14М-12Х4 и 14М-8Х4 изготовляются четырехсту­ пенчатыми, с горизонтальным разъемом корпуса и рабочими колесами с односторонним подводом жидкости.

На рудниках насосы 14М-8Х4 эксплуатируются при отрица­ тельной высоте всасывания без бустер-насосНых агрегатов, что позволило устранить возникновение кавитации. Этому способ­ ствовало также применение'гидравлического затвора для саль­ ников.

Характеристики насоса 14М-8Х4, полученные в процессе ис­ пытаний, имеют плавное снижение, и нормальная подача со­ ставляет 580—610 м3/ч при напоре 370—380 м и к. п. д. 0,7— 0,73 (рис. 2.41).

Технические данные насосов 14М-12Х4 и 14М-8Х4 приве­ дены в табл. 2.13.

Насос 8НД-10Х5* центробежный, пятиступенчатый с после­ довательным соединением рабочих колес с помощью продоль­ ных труб. Всасывающий и нагнетательный патрубки располо­ жены в нижней части корпуса, что позволяет осуществить ре­ визию насоса без демонтажа трубопроводов. Насос имеет горизонтальный разъем корпуса; частота вращения вала 2950 об/мин, подача 400 м3/ч, напор до 500 м при отрицатель^ ной высоте всасывания.

Рабочее колесо первой ступени, имеющее двусторонний под­ вод жидкости, насажено на вал по способу тугой посадки. Остальные колеса имеют односторонний вход и закреплены на валу попарно при помощи скользящей посадки. Уплотнительные

* Первая цифра означает диаметр патрубка (в-мм), уменьшенный в 25 раз и округленный, Н —нефтяной, Д — первое лопастное колесо с двусторонним входом; вторая цифра —коэффициент быстроходности/уменьшенный в 10 раз и округленный; третья цифра — число ступеней.

Кольца имеют горизонтальный разъем, что позволяет заменить их без разборки ротора.

Сальниковые уплотнения вала выполнены в торцевом ис­ полнении с мягкой набивкой, а разгрузка давления перед уп­ лотнением осуществляется путем отвода жидкости в приемный патрубок.

Т а б л и ц а 2.13

Технические данные насосов 14М-12Х4 и 14М-8Х4

Опорами вала служат подшипники скольжения с кольце­ вой смазкой и водяным охлаждением. Осевое усилие, дейст­ вующее на ротор, воспринимается упорными шарикоподшипни­ ками. Насос приводится в действие асинхронным двигателем АТД-500 мощностью 500 кВт в закрытом исполнении.

Характеристики насоса 8НД-10Х5 приведены на рис. 2.42. Насос 10Н-8Х4 выполнен по четырехступенчатой гидравли­ ческой схеме с последовательно соединенными ступенями дав­ ления. Первая и вторая ступени соединены переводной трубой, а соединения между остальными ступенями осуществляются

внутренними каналами в корпусе насоса.

Рабочие колеса, насаженные на ротор, расположены по­ парно в противоположные стороны и гидравлически уравнове­ шены. Осевое усилие воспринимается радиально-упорными под­ шипниками. Охлаждение и смазка вала, а также охлаждение сальниковых уплотнений производятся в этих узлах отфильтро­ ванной водой, что обеспечивает их надежную работу при высо­ кой скорости вращения.

Применение отрицательной высоты всасывания с подпором от 5 до 10 м позволяет устранить явление кавитации при ра­ боте насосов.

Для привода насоса 10Н-8Х4 применяют электродвигатели серии АТД в закрытом исполнении с разомкнутым циклом

колеса посажены на вал по способу скользящей посадки и за­ креплены гайками через защитные рубашки. Многоступенча­ тая диафрагма имеет горизонтальный разъем. Сальниковые уплотнения выполнены с мягкой набивкой, для смазки которой подводится масло под давлением. Ротор гидравлически урав­ новешен, а остаточное осевое усилие воспринимается подшип­ никами. Для привода применяется электродвигатель АТО-2-1600 в закрытом исполнении.

Характеристики насоса 14Н-12Х2 приведены на рис. 2.43. Насосы 16НД-10Х1 однотипны с вышерассмотренными. От­ вод у насоса выполнен в виде двухвитковой спирали, что раз­ гружает ротор от осевого усилия. Рабочие стальные колеса — двустороннего входа сварной конструкции — тщательно обрабо­

ступенчатые, спирального типа, с рабочими колесами двусто­ роннего входа, двухвитковыми спиральными отводами и пере­ водными трубами. Усовершенствованные дроссельные уплотне­ ния лабиринтного типа уменьшают утечки между рабочими колесами и корпусом. Рабочие колеса насоса чугунные, литые с защитными стальными кольцами, а сальниковые уплотнения изготовлены в торцевом исполнении. Опорами ротора служат сдвоенные шариковые подшипники с кольцевой смазкой. В од-

ками. Корпус насоса отлит из чугуна СЧ 18-36 гг выполнен в виде полуспирального подвода. Защитные втулки, изготов­ ленные также из чугуна СЧ 18-36, предохраняют вал от из­ носа сальниковых уплотнений. Подводящий и напорный патрубки расположены ниже плоскости разъема перпендику­ лярно к оси вала под углом 180° друг к другу. Вскрытие на­ соса и ремонт ротора производятся без демонтажа трубопро­ водов. Вал опирается на подшипники, заключенные в чугун­ ных корпусах. Рекомендуемая смазка — солидол УС-2, УС-3. Рабочее колесо уплотняется в корпусе чугунными уплотняю­ щими кольцами, которые установлены в корпусе и крышке. Нормальный зазор между уплотняющими кольцами и поясками рабочего колеса 0,2—0,25 мм на сторону.

2.20. Опыт эксплуатации рудничных насосов

Для повышения экономичности работы рудничных водоот­ ливных установок важное значение имеет выбор типа насосов, анализ их характеристик применительно к условиям эксплуа­ тации, для чего необходимо исходить из горнотехнических осо­ бенностей рудников, карьеров и шахт.

Внастоящее время на предприятиях проводятся испытания

иисследования насосов серии ЦНС с целью изучения эксплуа­ тационных режимов, условий всасывания и энергетических по­ казателей работы насосных агрегатов. Так, испытания насосов указанных типов на шахтах производственных объединений «Донецкуголь», «Артемуголь» и на предприятиях в горноруд­ ной промышленности показали не вполне удовлетворительные

результаты их работы. Основной недостаток исследуемых насо­ сов— возникновение кавитации ввиду завышенной высоты вса­ сывания и забивки отверстий всасывающих клапанов. Это сни­ жает подачу насосов на 15—20%, к. п. д.— на 5—10%.

Следует отметить, что разгрузочное устройство работает недостаточно надежно. Наблюдаются сравнительно быстрый износ разгрузочных колец и смещение ротора в сторону вса­ сывания, вследствие чего осложняется контроль монтажа при большом количестве ступеней.

Давление на разгрузочный диск определяется значением неуравновешенного осевого усилия. При износе дистанционной втулки увеличивается осевой зазор, вследствие чего возра­ стают утечки воды на разгрузку.

Выпуск насосов ЦНС 800 и ЦНС 300 с напором 960-1000 м позволил при разработке глубоких горизонтов перейти на од­ ноступенчатые схемы водоотлива.

Особое внимание конструкторов и горных механиков при­ влекают вопросы конструирования насосных агрегатов для во­ доотлива глубоких горизонтов. Переход на сверхвысокие дав-

леиия связан с увеличением мощности одного насосного агре­ гата н пересмотром ряда положений при оборудовании водоот­ лива, например применение насосов с двухдвигательным элек­ троприводом. Это расширяет область применения таких насосных агрегатов для глубоких горизонтов и повысит надеж­ ность при переходных режимах.

Одним из главных направлений при конструировании высо­ конапорных насосов является сокращение числа ступеней и длины вала, так как в условиях шахт и рудников крайне не­ обходимо сокращение размеров насосов.

Отечественная и зарубежная практика эксплуатации водо­ отливных установок высокого давления показывает, что в гор­ норудной промышленности применяются в основном секцион­

1018 м с последовательным включением четырехсекционных на­ сосов, при подаче 400 м3/ч. Рабочие колеса насосов имеют од­ носторонний всас, что обусловливает конструкцию с более ко­ ротким валом.

Обобщение опыта эксплуатации показывает, что установки глубоких горизонтов оборудуются секционными и спиральными насосами, развивающими напор до 600—1200 м при отрица­ тельной высоте всасывания и подаче 400—1000 м3/ч.

Насосы со спиральным отводом (спиральные насосы) полу­ чили большое распространение в условиях обводненных рудных месторождений. Достоинствами этих насосов по сравнению с секционными являются следующие:

более высокий к. п. д. вследствие меньшего входного диа­ метра колеса, большей длины (радиальной) лопатки, благопри­ ятной формы отводящих каналов, заменяющих направляющие аппараты;

возможность проверки ротора на биение в собранном виде при динамической балансировке, после которой ротор устанав­ ливается свободно в нижней половине корпуса;

уравновешенность осевых усилий, достигаемая симметрич­ ным расположением рабочих колес с подводом жидкости к ним с противоположных сторон. Для уравновешивания остаточных осевых усилий в насосах ЗВ и других устанавливаются специ­ альные подшипники на конце вала;

выполнение расточки всех поверхностей борштангой за одну установку. Этим гарантируется концентричность посадочных и центрирующих поверхностей и обеспечиваются необходимые ра­ диальные зазоры;

простота обслуживания, высокая точность монтажа без от­ соединения нагнетательного и всасывающего трубопроводов,

значительно меньшее количество деталей (отсутствуют направ­ ляющие аппараты, разгрузочное устройство).

Несмотря на желание исследователей использовать спираль­ ные насосы на высокие напоры (примерно 1000—1100 м), их поиски пока не получили положительного решения главным об­ разом из-за трудности герметизации горизонтального разъема.

Насосы с горизонтальным разъемом при 3000 об/мин из-за соображений механической прочности получили пока ограни­ ченное распространение для рабочих напоров до 500 м.

Разработка глубоких горизонтов и сооружение автомати­ зированных водоотливных установок на высокие напоры дол­ жны ускорить переход на высокоскоростные конструкции на­ сосов.

С позиций гидравлики ограничений для увеличения напора на ступень нет; эти ограничения связаны с соображениями ме­ ханической прочности и механического воздействия на металл под влиянием высоких скоростей и давления.

При эксплуатации высоконапорных насосных агрегатов в гид­ равлической схеме должно быть предусмотрено оборудование, которое исключало бы возникновение переходных процессов и динамических перенапряжений во всех элементах водоотливной установки. Это можно обеспечить при отрицательной высоте всасывания применением автоматизированных задвижек, селек­ тивно срабатывающих с надежно работающими обратными кла­ панами.

Весьма важно правильно выбрать значение полного напора в соответствии с характеристикой сети. Превышение запаса на­ пора на 20—30 % по отношению к номинальному режиму как бы перемещает точку пересечения с характеристикой сети по характеристике насоса.

Исследованиями установлено, что наиболее экономичным ре­ жимом при работе насосов 14М-12Х4 является работа насоса на один став диаметром 530 мм. При работе двух насосов на этот трубопровод гидравлические потери увеличиваются на 4— 6 % вследствие возрастания скорости движения воды с 2 до 2,75 м/с, снижается экономичность работы и увеличивается рас­ ход электроэнергии на 1,5—2 % (Мир'галимсайский рудник).

Опыт эксплуатации спиральных насосов в горнорудной про­ мышленности позволяет отметить некоторые конструктивные не­ достатки: быстрое разрушение рабочих колес насосов 10НМКХ2 и 8НДв в условиях откачки шахтных вод с абразивными меха­ ническими примесями (срок службы их не превышает 8— 10 мес); недостаточно надежное уплотнение в плоскости разъ­ ема насосов, что ведет к образованию крупных раковин; недо­ статочная надежность подшипников скольжения, находящихся внутри насосов 14М-12Х4. На некоторых насосах этой конст­ рукции средние подшипники устранены, а диаметр вала не­ сколько увеличен и усилены опорные подшипники. При усо-

Характеристики секционных и спиральных насосов для водоотлива глубоких горизонтов

вершенствованни конструкции насосов необходимо заменить подшипники качения подшипниками скольжения.

Из краткого рассмотрения применяемых в горной промыш­ ленности насосов видно, что их характеристики весьма разно­ образны, и насосы необходимо продолжать усовершенствовать. Технические данные некоторых секционных насосов, выпускае­ мых отечественными и зарубежными машиностроительными за­ водами, для глубоких горизонтов приведены в табл. 2.15.

Основным направлением технического прогресса в области рудничного насосостроения является повышение технико-эконо­ мических показателей насосов существующих типоразмеров, уве­ личение мощности одного насосного агрегата, работающего в условиях обводненных рудников, и создание новых типов на­ сосов в соответствии с развитием смежных отраслей промыш­ ленности. Повышение эксплуатационной экономичности шахт­ ных насосных агрегатов требует улучшения к. п. д. самих насосов, усовершенствования гидравлических систем водоотлив­ ных установок и средств их автоматизации. Снижение основ­ ных затрат на сооружение водоотливных установок может быть достигнуто преимущественно повышением частоты вращения на­ сосов, что требует разработки технических мероприятий по улучшению их кавитационных показателей. Не менее важным является вопрос обеспечения дальнейшего увеличения сроков непрерывной работы насосов без текущего и капитального ре­ монтов.

3. РУДНИЧНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ, ИХ ОБОРУДОВАНИЕ И СХЕМЫ

ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК

3.1. Трубопроводы водоотливных установок

Водоотливные установки в зависимости от производитель­ ности оборудуются трубами диаметром от 100 до 600 мм при откачке воды под давлением 1—10 МПа.

Прокладываемые по стволу трубопроводы (ставы) при боль­ шой геометрической высоте работают под давлением, которое возрастает сверху вниз, что обусловливает применение труб нижнего звена с повышенной прочностью стенок. Трубопро­ воды подвергаются внутреннему давлению, продольным растя­ гивающим, сжимающим и изгибающим напряжениям, особенно при деформации крепления выработок.

Внутреннее давление в ставах является основным силовым воздействием, которое определяет толщину стенки трубы.

При расчете шахтных трубопроводов определяют: толщину стенки, длину пролета, нагрузку, действующую на опоры креп­ ления.

Перед вводом в эксплуатацию весь комплекс трубопрово­ дов водоотливной установки подвергают гидравлическому ис­ пытанию.

Предельное испытательное давление (МПа) для труб опре­

где б — толщина стенки, мм; DHр — наружный диаметр, мм; Rz— допускаемое напряжение материала труб на разрыв, МПа.

Давление в трубопроводах является практически постоян­ ным, за исключением кратковременных переходных процессов.

Продольные напряжения и деформации в трубопроводах за­ висят от многих факторов, влияние которых в натурных усло­ виях определяется осциллографическими исследованиями.

Для безаварийной работы трубопроводов материал труб дол­ жен обладать высокой пластичностью, обеспечивающей возмож­ ность восприятия всех видов нагрузки и деформаций. Важное значение имеет качество сварных и фланцевых соединений. По­ этому при выборе марки стали учитывают такие показатели, как

предел прочности, однородность качества металла и др. При расчетах исходят из таких технико-экономических показателей, как минимальный расход металла и полное использование его

часть трубопровода разбивают на участки по 100—200 м с соб­ ственной опорой, воспринимающей вес труб, сальниковым ком­ пенсатором температурных расширений и направляющим хому­ том, защищающим от продольного изгиба (рис. 3.1).

Прокладка трубопроводов большого диаметра по наклон­ ным (до 45°) стволам шахт представляет большие трудности. На шахтах СУБРа крепление их осуществляется на бетонных опорах с установкой в нижней части опорного колена.

Трубопроводы диаметром DH?= 150-^250 мм крепят на опор­ ных брусьях, прокладываемых на почве выработки, с установ­ кой через каждые 75 м дополнительного крепления односторон­ ними подвесами со стяжными муфтами. При пучащих породах трубопровод прокладывают на кронштейнах. В месте сопря­ жения наклонной выработки с водотрубным ходком устанав­ ливается опорное колено. Удлинение трубопроводов от темпера­ туры компенсируется свободным выводом труб на поверхность или установкой компенсаторов.

3.2. Расчет нагнетательного трубопровода

Внутренний диаметр нагнетательного трубопровода опреде­ ляется из выражения

где QTp — расход воды через трубопровод, м3/ч; иТр —скорость воды в трубопроводе, м/с.

Практика эксплуатации водоотливных установок и технико­ экономические расчеты показывают, что скорость движения жид­ кости в нагнетательных трубопроводах следует принимать в пределах 2—2,5 м/с, а во всасывающих — 1,2—1,7 м/с.

Выбранные значения скорости позволяют определить пре­ дельный расход воды в трубопроводах водоотливной установки (табл. 3.1).

При эксплуатации трубопроводы загрязняются, и гидрав­ лическое сопротивление возрастает. Это учитывают путем уве­ личения диаметра трубы на 10—15 % по сравнению с расчет­ ным.

Для водоотливных установок малой и средней мощности диаметр трубопровода принимают обычно равным диаметру патрубка насоса. В условиях обводненных месторождений оп­ ределить диаметр трубопровода затруднительно, поскольку он зависит от числа установленных насосов в камере, выбранной гидравлической схемы и расположения трубопроводов в стволе шахты.

Капитальные затраты на сооружение трубопровода и труб­ ного коллектора составляют 15—20 % от стоимости всей уста­ новки.

Для каждой водоотливной установки существует оптималь­ ный диаметр нагнетательного трубопровода. Его определению

пределами насосной камеры; L3KB— длина, эквивалентная мест­ ным сопротивлениям нагнетательного трубопровода, м; L — гео­

где т — число параллельно работающих трубопроводов. Конечный результат округляют до ближайшего стандарт­

ного размера.

Толщину стенки трубопровода определяют по формуле

повышенных температурах; Rzn— нормативное сопротивление, равное наименьшему значению предела текучести при растяже­

стальных труб Я1= 1ч-2 мм).

Правильно выбранный диаметр трубопровода с учетом проч­ ностных свойств обеспечивает его надежную работу. Так, на­ пример, трубы с отношением 6/£>вт=0,02, смонтированные

встволе шахты им. Кирова Турьинского медного рудника, ра­ ботают вполне удовлетворительно при откачке нейтральных вод

втечение 10 лет; диаметр трубопровода 250 мм, толщина стенки

5 мм.

Минимально допускаемая толщина стенок труб нагнетатель­ ного трубопровода определяется также с учетом сварочных ра­ бот, условий укладки в стволе, влияния коррозии и эрозии.

3.3. Пластмассовые трубопроводы

Пластмассовые трубопроводы получают широкое применение в водоотливных установках. Они имеют следующие преиму­ щества по сравнению со стальными: большие коррозионная и

химическая стойкость и пропускная способность, лучшие демпфи­ рующие свойства и меньшие гидравлические потери благодаря гладкой внутренней поверхности. В расчетах при смачивании во­ дой принимается коэффициент гидравлического сопротивления 0,003—0,005.

Однако пластмассовые трубы имеют и некоторые недостатки, которые необходимо учитывать при использовании их в горной

снижают их прочность (ГОСТ 18599—73).

Винипластовые трубы применяют в водоотливных установках при откачке кислотных шахтных вод. Диаметр трубопровода 75—200 мм, толщина стенки 2—6 мм, длина 2—4 м при дав­ лении 1,5 МПа.

Винипластовые трубопроводы малого диаметра использу­ ются для присоединения измерительной и контрольной аппара­ туры. Листовой винипласт толщиной 0,5—2 мм применяется также для футеровки различных баков и изготовления фасонной арматуры.

Испытания трубопроводов, футерованных винипластом, про­ веденные на медных рудниках Урала, выявили их значитель­ ные преимущества по сравнению с трубопроводами, имеющими деревянную футеровку. На внутренних стенках трубопроводов не откладываются механические примеси, содержащиеся в шахт­ ных водах, в связи с чем обеспечивается устойчивая работа на­ сосных агрегатов. Благодаря гладким стенкам винипластовые трубы отличаются меньшими гидравлическими сопротивлениями, повышенной пропускной способностью, на 8—10 % менее тру­ доемкой механической обработкой по сравнению с чугунными или стальными трубами, малым коэффициентом температурного расширения.

Опыт эксплуатации винипластовых трубопроводов показал, что влага на их наружной поверхности не конденсируется и, следовательно, отсутствует капеж в насосных камерах. Кроме того, эти трубопроводы имеют повышенную надежность работы при возникновении гидравлических ударов. При монтаже вини­ пластовых трубопроводов применяют фланцевое, резьбовое и сварное соединение труб при укладке их на кронштейнах, про­ межуточных опорах, гибких подвесках и расстоянии между опо­ рами 2—2,5 м.

Полиэтиленовые трубы отличаются от винипластовых тем, что изготовляются большой длины. Они на 30 % легче по срав­ нению со стальными. При замерзании в них воды трубы не разрушаются, а, обладая способностью к растяжению, после оттаивания снова достигают своих первоначальных размеров. Это свойство полиэтиленовых труб является весьма перспектив­ ным в условиях их использования при обмерзании стволов шахт. При укладке полиэтиленовых труб в выработках, под­

Гидравлическая схема, показанная па рис. 3.2, г, широко используется в водоотливных установках с положительной и от­ рицательной -высотой всасывания, чему способствовали: малые гидравлические потери порядка 0,03—0,04 МПа, маневренность при включении и отключении насосов и отсутствие неполадок в работе.

Оборудование нагнетательных трубопроводов арматурой при давлении р = 10 МПа ограничивается диаметром задвижки (не

Рис. 3.2. Схемы трубопроводов водоотливных установок:

в случае параллельной работы большого числа насосов. Правильно выбранная гидравлическая схема обеспечивает

индивидуальную работу насоса на любой трубопровод; боковое расположение насосов в камере улучшает условия работы тран­ спортно-подъемных устройств. При этом имеется возможность вывода любого насоса или трубопровода н-а ремонт без исполь­ зования общих элементов гидравлической схемы водоотливной установки. Для опорожнения трубопровода перед его ремонтом устраивают сливной трубопровод с внутренним диаметром (0,5-5-0,75) D„.

Арматуру, фасонные части и диаметр труб нагнетательного коллектора принимают по условному проходу нагнетательного

Рис. 3.3. Схема трубного коллектора и нагнетательного става мощных водоотливных установок для 16 насосов:

/ — насос 14М-12Х4; 2 — линия всасывания (обратный клапан DK =500 мм); 3 — линия нагнетания (задвижка D3 =400 мм); 4 — камера переключения; 5 — ставы по стволу Ф вр =500 мм)

ной проработки, при пусконаладочных работах, при исследова­ нии переходных процессов в натурных условиях и на ЭВМ, при проверке устойчивости секции нагнетательных трубопрово­ дов глубоких горизонтов и при отборе воды на промежуточные горизонты для пылеподавления [22].

На рис. 3.4, а представлены рассчитываемый вариант гид­ равлической схемы сложной водоотливной установки и ее эк­ вивалентный электрический аналог. Исследуется вариант ра­

Яр— источник напора, учитывающий геометрическую высоту; Я р в= я £ В+ Я р и — пс'

точннк напора» учитывающий геометрическую высоту всасывания и напорного трубо­

терна для водоотливов Донбасса и рудных бассейнов страны. Однако полный гидравлический анализ таких схем не рас­ смотрен. Положительные направления расходов в ветвях на схеме замещения обозначены стрелками. Вход и выход обо­ значены индексом 0, что соответствует равенству атмосферных давлений в насосной камере и на водосливе.

При расчете М ветвей и N узлов на основании законов Кирхгофа составляются N—1 и M(N—1) взаимно независимых уравнений для определения расходов во всех ветвях.

Поскольку водоотливная установка состоит из однотипных насосов и симметрично расположенных стандартных трубопро­ водов, достаточно составить только М/Р контурных уравнений баланса напоров (где Р — число коллекторных трубопроводов). Число уравнений по закону Кирхгофа в данном случае соста­ вит М/2. Подача насосов и полный расход выражены через коллекторные расходы.

При известных коэффициентах Rlk можно получить систему

где Q i , Q 2 , Q 3 — коллекторные расходы согласно номеру насоса.

Воспользуемся методом последовательных приближений по Ньютону и предположим, что п' — найденное приближение ис­ комых расходов, входящих в уравнение (3.8).

где п'= 0, 1, 2 и т. д.

Напорные характеристики в табл. 3.2 принимаются как эк­ вивалентные и приведены без учета геометрической высоты на­ пора, которая учитывается в расчетной формуле.

При определении значений Q i , Q 2 , . . . , Qm находят подачу и расход во всех остальных ветвях, используя закон Кирхгофа. Метод эквивалентной аналогии применяется для разработки вариантного проектирования водоотливных установок на элект­ ронно-вычислительной машине.

Метод является базовым при разработке сложных гидроме­ ханических схем автоматизированного водоотлива. Имеется ре­ альная возможность широкого применения моделирования схем электрическими цепями. Использование свойств симметрии во­ доотливных установок упрощает их анализ и расчет, а также позволяет выбрать оптимальный вариант построения гидроме­ ханической схемы. Анализ работы трубных коллекторов пока­ зывает, что в практике мощных водоотливных установок отсут­ ствуют типовые решения для гидравлических схем, где безвоз­ вратные потери составляют значительную величину. Снижение этих потерь лежит в совершенствовании гидравлики арматуры и сокращении ее количества в гидравлических схемах.

3.6. Режим работы трубопроводов

Рассмотрим методы расчета установившихся режимов водо­ отливных установок при различных схемах соединения нагне­ тательных трубопроводов в зависимости от гидрогеологических условий шахт и рудников.

Работа насоса на трубопровод различного диаметра встре­ чается в горной практике при отборе воды на промежуточных горизонтах для орошения, подавления пыли при буровых ра­ ботах. Возможен вариант отсутствия однотипных труб для обо­

диаметрами.

Результирующая характеристика трубопровода определяется путем геометрического сложения геодезической высоты Нг и ординат характеристик трубопроводов Ru /?2, ... , Rn при одной й той же подаче. Рабочий режим насоса определяется пересе­ чением результирующей характеристики трубопровода 2R и характеристики насоса (точка Л).

При откачке загрязненных шахтных вод на медных рудни­ ках Урала значительно возрастают гидравлические сопротивле­ ния трубопровода. В этих условиях характеристика трубопро­ вода как бы перемещается по характеристике насоса влево и занимает положение ВС, что вызывает снижение подачи и к. п. д. насоса и повышение напора.

Таким образом, систему нагнетательного трубопровода с по­ следовательным соединением труб разного диаметра следует рассматривать как один простой трубопровод, сопротивление которого равно сумме сопротивлений отдельных последова­ тельно соединенных трубопроводов.

Параллельное соединение трубопроводов получает все боль­ шее распространение в горнорудной промышленности и на шах­ тах Донбасса, где применяется прокладка труб по скважинам.

Отдельные водоотливные установки используют от 3 до 10 па­ раллельных ветвей. Это позволяет иметь резерв в нагнетатель­ ных трубопроводах и снизить гидравлическое сопротивление системы. Рабочий режим определяется пересечением характе­ ристики насоса с суммарной характеристикой трубопровода (рис. 3.5, б), которую получают путем сложения подачи по от­

Расход шахтных вод распределяется по отдельным трубо­ проводам пропорционально их проводимости.

Анализ режимов работы нагнетательных трубопроводов при параллельной работе может быть выполнен также при более сложных вариантах сочленения элементов водоотливной уста­ новки. Параллельное соединение участков трубопроводов при различной геометрической высоте, параллельная работа трех трубопроводов с ответвлением одного из них на промежуточные горизонты и другие режимы часто встречаются в эксплуатаци­ онной практике работы водоотлива.

На одном из свинцовых рудников откачка воды из шахты на обогатительную фабрику производится с частичным отбором воды из трубопровода на промежуточном горизонте для гидро­ закладочных работ.

Рабочий режим насосов определяется путем построения ха­ рактеристики трубопроводов (рис. 3.5, в) для участков ВС (кри­ вая Ri) и для участков CD (кривая # 2). Характеристику тру­ бопровода R2 строят путем смещения ее от начала координат на величину СЬ. Результирующая характеристика трубопровода

BD получается путем геометрического сложения ординат и /?2 для одних и тех же подач. Рабочий режим определяется пересечением характеристики трубопровода 2R и характерис­ тики насоса Я (точка /<).

При относительно большой высоте подача насоса меняется в большей степени, чем его напорная характеристика. Так, на­ пример, при подаче насоса ЦНС 300, составляющей 300 м3/ч, и относительной геометрической высоте 0,9 Я подача насоса из­ меняется на 2,5%, а напорная характеристика — на 1%. Из этого следует, что состояние трубопровода и его характерис­ тика имеют важное значение для поддержания оптимальных режимов работы насосов.

3.7. Оборудование и арматура трубопроводов

Центробежные насосы и трубопроводы в целях безопасности эксплуатации оборудуются комплектом арматуры [23]. Со сто­ роны нагнетания монтируют: переход для соединения патрубка насоса с обратным клапаном, обратный клапан для защиты на­ соса от гидравлического удара, задвижку с ручным или элект­

соединения насоса с трубопроводом, колена, опорный стул для поддержки всасывающего трубопровода в колодце, приемный клапан с сеткой.

Рассмотрим характеристики арматуры и результаты иссле­ дований некоторых ее конструкций.

Приемный клапан с сеткой применяется в водоотливных ус­ тановках с положительной высотой всасывания для удержания воды во всасывающем трубопроводе насоса. Описание шаро­ вого клапана см. в [11].

Для насосов с большой подачей применяют приемные кла­ паны с двумя направляющими, которые имеют увеличенную площадь живого сечения цилиндрической решетки и большую площадь самого клапана. Это обеспечивает плотную посадку клапана в седло при остановке насоса и снижает утечки воды из всасывающего трубопровода.

Контроль работы обратных всасывающих клапанов осущест­ вить весьма трудно. Применение каких-либо контактных уст­ ройств не дало положительных результатов из-за быстрого их загрязнения.

На некоторых водоотливных установках были использованы специальные реле, которые устанавливались на баке-накопи­ теле и контролировали исправное состояние обратных клапанов. При верхнем уровне воды в баке-накопителе контакты мембран­ ного реле разомкнуты и выключена сигнализация на диспет­ черском пункте. Значительные утечки воды в каком-либо из

обратных всасывающих клапанов, несмотря на пополнение баканакопителя через регулирующий клапан, вызывают понижение уровня воды и включение предупредительной сигнализации у диспетчера.

Ниже приведены основные размеры и масса приемных кла­ панов (рис. 3.6, а), применяющихся в горнорудной промышлен­ ности.

в трубопроводе от температурных расширений и более равно­ мерно распределяют нагрузки его веса на опорные балки в ство­ лах шахты. Известно, что температура в стволе шахты изме­ няется в широких пределах в течение года и температурные удлинения трубопроводов достигают 10—12 мм на 100 м длины при разности температур 10 °С и коэффициенте расширения стальных труб 11,5• 10—6 1/°С. Компенсаторы выбирают изме­ няющуюся длину трубопровода и тем самым предохраняют его от аварии. Применяются сальниковые компенсаторы с нормаль­ ным или большим ходом сальника; надежность их работы зави­ сит от конструкции и качества набивки. Лучшие результаты по сравнению с кожаными манжетами показали сальниковые ком­ пенсаторы с просмоленной хлопчатобумажной набивкой. В ус­

компенсаторов. Данные в числителе относятся к компенсато­ рам на давление 4 МПа, в знаменателе — на 6,4 МПа.

Клапан обратный поворотный применяется для удержания столба воды в ставах и защиты их от гидравлического удара. Обратный клапан (рис. 3.6, в) имеет корпус бочкообразной формы и крышку на болтах или шпильках. Диск клапана под­ вешен на оси, лежащей в приливах корпуса, отчего при под­ тягивании болтов положение остается неизменным. По особому заказу обратные клапаны с диаметром прохода 200—500 мм из­ готовляются с обводным вентилем, позволяющим производить

Рис. 3.6. Арматура трубопроводов водоотливной установки:

предварительную заливку насоса или спуск воды из става. Кор­ пус, крышка и диск отливаются из углеродистой стали. Совер­ шенствование конструкции обратных клапанов проводится в на­ правлении разработки контактных и бесконтактных устройств для контроля их работы.

На рис. 3.6, г показан обратный пружинный клапан с мед­ ленной посадкой.

Задвижки применяются как запорное устройство на нагне­ тательных и всасывающих трубопроводах с условным диамет­ ром 100—600 мм и давлением от 0,25 до 16 МПа.

В водоотливных установках применяются фланцевые за­ движки параллельные, клиновые с выдвижным шпинделем. Плотность закрытия клиновой задвижки (рис. 3.6, г) обеспе­ чивается клинообразной формой диска, вводимого в гнездо между наклонными уплотняющими кольцами корпуса. Задвижки большого диаметра оборудуются электрическим или гидравли­ ческим приводом, что обеспечивает возможность дистанцион­

4^ Размеры и масса фасонных частей трубопроводов

С т ул опорный