книги / Эксплуатационные характеристики земснарядов с погружными грунтовыми насосами

Коэффициент полезного действия эжектора вычисляется из выражения:

где 2гн — подача грунтового насоса; рсм — плотность гидросмеси после смешения потоков; Яэж — напор эжектора; Q0— расход во­ ды из насадки эжектора; р0 — плотность воды; Я0 — напор на на­ садке.

Исходные данные для расчета грунтозаборпого устройства

По принятой конструкции эжекторное устройство является погружным водоструйным насосом 1-го подъема, грунтовой насос земснаряда служит 2-й ступенью последовательно включенных насосов. Поэтому их расходы должны четко корреспондировать­ ся. В любом случае потенциально расход насоса 1-го подъема должен обеспечивать подачу насоса 2-го подъема. При меньшем расходе насоса 1-го подъема он может обратиться в гидравличе­ ское сопротивление системы, что совершенно недопустимо.

В то же время ведущим по напору является грунтовой насос, расход которого изменяется в процессе забора и гидротранспорта грунта земснарядом. Поэтому подача насоса 1-й ступени эжектора должна изменяться в широких пределах, т.е. его характеристика должна быть пологой.

Такая характеристика для водоструйного насоса-эжектора может быть обеспечена при отношении площади диаметра камеры смешения к площади диаметра выхода из насадки п = (Дкс /До)2= 1 СМ-12 (см. рис. 1). При этом коэффициенте напора а - относи­ тельный напор эжектора (ос = Яэж / Я0, Яэж — напор эжектора, Я0 — напор на насадке) может быть около а = 0,1-^0,15. КПД эжектора в этих параметрах составляет при номинальной подаче грунтового насоса около Г| = 0,25.

Для обеспечения забора пульпы плотностью до 1,35 т/м' с глубины до 20 м (большую глубину при модернизации сущест­ вующих земснарядов обеспечить невозможно по конструктивным соображениям) вполне достаточно иметь напор от эжектора Яэж =

91

3-*-4 м. С учетом собственного допустимого вакуума грунтового насоса 6—7 м в сумме имеющийся резерв напора на всасывающей линии составит около 10 м. Создание большего напора для задан­ ных выше условий не требуется, а, учитывая низкий КПД, повы­ шать напор эжектора нецелесообразно.

Ограничение напора эжектора 3—4 м позволяет назначить напор на насадке Я0 = 25*30 м (4:0,15 = 25 м) и применять водя­ ной насос для эжектирования и гидрорыхления с напором около 30—35 м (с учетом потерь около 5— 10 м во всасывающей и на­ порной линиях водяного насоса до насадок).

Из литературных источников по. водоструйным насосам из­ вестно, что максимум КПД достигается при отношении всасывае­ мого расхода QBCк расходу из насадки Q0 равном единице ((3 = = Q JQ o = 1)- Исходя из этих соображений в расчете принят рас­ ход из насадки Q0 = 0,5QHOMn,.H(половины номинальной подачи грунтового насоса).

По исследованиям ВНИИнеруд оптимальными параметрами для гидрорыхления песка и супеси с прослойками связанных грунтов необходим напор на насадке Я0 = 25 м и расход <20.гр = = 03блом.гр.н или 30 % от номинальной подачи грунтового насоса. При суммировании расходов воды на эжектирование и гидрорых­ ление подача подбираемого насоса должна составлять 0,8<2ном.гр.н с напором Я = 30-5-35 м. Эти условия являются исходными для рас­ чета ГЗУ применительно к конкретному земснаряду и грунтовому насосу. Подача напорной воды в зону грунтозабора обеспечивает бесперебойную работу земснаряда в случае обрушения забоя и завала грунтом ГЗУ, т.е. позволяет работать из-под слоя грунта с максимально возможной концентрацией гидросмеси по условиям гидротранспорта.

В работе эжектора очень большое значение имеет расстояние L\ от торца насадки до торца камеры смешения. Это расстояние, как оптимальное, принято L\ = 2Д0 (согласно исследованиям про­ фессора А.П. Юфина). Этот же размер принят для длины входного раструба-конфузора, когда торец насадки совмещен с торцом конфузора. Краевой угол конфузора принят в 30°.

Диаметр экрана-фланца устройства принимается как д ф=(2*3)Двс. Согласно исследованиям при этом размере экрана обеспечивается максимальная интенсивность забора грунта.

92

Диаметр водовода Д , и диаметр коллектора Дк может быть принят равным 0,9Д„С так как подача воды составляет 80 % от но­ минального расхода грунтового насоса.

Наиболее простым вариантом, осуществленным на большин­ стве модернизированных земснарядов, является размещение во­ дяного насоса на корневой части грунтозаборной рамы земснаря^- да. При этом не нужен шарнирный переход водовода с корпуса земснаряда на раму. Но возможны и другие конструктивные вари­ анты.

Расчет основных параметров ГЗУ должен вестись в следую­ щей последовательности:

1. Выбирается тип земснаряда и грунтового насоса, опреде­ ляются номинальная, минимальная и максимальная подача грун­ тового насоса и диаметр всасывающего пульпопровода Д ъс. Эти данные являются исходными для расчета устройства для конкрет­ ного земснаряда.

2.По каталогу насосов и их характеристике выбирается водя­ ной насос с напором около #„ = 30-к35 м с подачей примерно 80 % от номинального расхода грунтового насоса. Qn .

3.Зная расход насоса, напор, диаметр водовода и местные гидравлические сопротивления, по известным формулам гидрав­ лики желательно определить потери напора до насадки и вычис­ лить напор на насадке Н0. В предварительных расчетах можно принять напор на насадке Н0- 25 м.

4. Вычисляется расход воды через насадку эжектора Q0 =

=0,52ном.гн-

5.Вычисляется диаметр насадки эжектора Д0 и коэффициент

п = ( Д Ж ) 2, отношение площади сечения камеры смешения ((Дкх =ДВ) к площади выхода из насадкиД 0.

6. Вычисляется коэффициент расхода эжектора (3 = QK/Q0- При номинальной подаче грунтового насоса (3 = 1 (при равенстве расходов QRQ/QQ). При расчете характеристики эжектора задаются подачей грунтового насоса в пределах минимального и макси­ мального значений расхода Qus. Подсасываемый расход QK вы­ числяется как разность 0 ВС= Qrn - Q0, и по полученному значе­ нию вычисляется коэффициент (3 для данной подачи грунтового насоса.

93

7. Зная вычисленные безразмерные коэффициенты п, (3 и приняв относительную плотность всасываемой гидросмеси 5 = 1,35, по выражению вычисляется коэффициент напора эжектора

a=H JH 0.

8.Зная, коэффициент напора эжектора а, следует вычислить напор эжектора Яэж=Я0а, и задаваясь максимальным, минималь­ ным и промежуточными значениями подачи грунтового насоса, вычислить промежуточные значения напора эжектора и построить характеристику эжектора Q- H.

9.Используя выражение Г) = (£гнРсмЯэж)/<2оРоЯ0) можно вы­ числить коэффициент полезного действия эжектора для разных

подач и построить характеристику Q - т] эжектора. КПД эжектора при работе на воде можно определить из выражения.

10.Вычисляем диаметр насадки гидрорыхлителя при значе­ нии расхода Q0 = 0,3QmmaQOza.

11.Вычисляем другие конструктивные размеры деталей уст­ ройства и строим эскизный чертеж грунтозаборного устройства.

Пример расчета грунтозаборпого устройства для плавучего землесосного снаряда 800-40

Земснаряд 800-40 Цимлянского судомеханического завода с грунтовым насосом ГрУТ 800/40: Qmм.г.н. = 800 м3/ч, Я = 40 м, диаметр всасывающего трубопроводаДвс = 250 мм (см. рис. 2).

1. Необходимые параметры водяного насоса: подача Qm - 800 0,8 = 640 м3/ч, напор Я = 30+35 м.

2. Выбираем по каталогу насос 14НДс (Д 1000-40) - Q = 1640 м3/ч, Я = 35 м, Яда = 100 кВт, ц = 980 об/мин, диаметр рабо­ чего колесаД - 480 мм, диаметр напорного патрубка Д = 350 мм.

3.Принимаем с учетом потерь напора в водоводе и коллек­ торе напор на насадках устройства Я0 = 25 м.

4.Вычисляем расход воды через насадку эжектора: Q0 =

=0,5-800 = 400 м3/ч или 400:3600 = 0,11 м3/с.

94

5. Определяем диаметр насадки эжектора. При минимальных потерях напора рекомендуется конусность насадки 13°, при этом коэффициент расхода ц = 0,94. Тогда F0 - 0,11/0,О94-(2х9,81-25)о,э

= 0,00528 м2. Диаметр насадки

Д 0 = = (4-0,00528/3,14)0,5 = 0,082 м или 82 мм.

Вычисляем коэффициент п - (Дкс/Д0)2= (250/82)2 = 9,29. Длину насадки принимаем в соответствии с рекомендациями

курса гидравлики La = 4-Д, = 4-82 = 328 мм. Диаметр входа в на­ садку

Двх = До + 2L2 -tg 6,5° Д вх = 82+2-328-0,114 = 157 мм.

6.По принятым исходным значениям коэффициент расхода

Р= Q J Q o =1. Это значение соответствует номинальной подаче грунтового насоса Qn, = 800 м3/ч. Для построения характеристики

эжектора с различной подачей грунтового насоса задаемся воз­

можными значениями <2ГН= 400; 600; 800; 1000; 1200; 1400; 1600

Л

м /ч и вычисляем коэффициент (3 = (QTHQ0) /Q 0- Эти значения соответственно будут:

7. Зная безразмерные коэффициенты п, р и приняв относи­ тельную плотность всасываемого потока гидросмеси б = 1,35 по

пора а.

При номинальной подаче грунтового насоса 800 м3/ч, (3 = 1, п = 9,29, 5 = 1,35, а = (2/9,29) [(I + 1):(1 + 1,35-1)] - [(1 + 1): (1 + + 9,29]2 = 0,14. Аналогично вычисляем коэффициент напора а для других подач (табл. 1).

95

Из вычислений напора эжектора в разных режимах подач убедительно видно, что с увеличением подачи грунтового насоса напор эжектора Яэж быстро снижается, а в режиме двойной но­ минальной подачи обращается в гидравлическое сопротивление. Этот расчет еще раз подтверждает, что нельзя заужать диаметр камеры смешения по отношению к всасывающему трубопроводу земснаряда.

9. Определим КПД устройства из выражения (4). В этом вы­ ражении плотность рсм будет величиной переменной, зависимой от режима подач. В частности, при номинальной подаче рсм = = (1,35 - 1) : 2 + 1 = 1,175, так как эжектируемый поток воды разбавит вдвое концентрацию всасываемой гидросмеси. Поэтому рекомендуется определять КПД эжектора при работе на воде из выражения Г|эж = а(1 + (3) Табл. 1 дополнена значением КПД эжектора, вычисленным по формуле (5).

По значениям параметров из табл. 1 строится график зави­ симости величин а, [3, Яэж, т|эж от подачи грунтового насоса.

10. Вычисляем диаметр насадки гидрорыхителя Д огр из вы­ ражений

V тс

96

при Н0 гр=25 м, <2о гр = 0.3 <2гп = 0,3x800/3600 = 0,066 м3/с. При минимальных потерях напора рекомендуется конусность насадки 13°, при этом коэффициент расхода р = 0,94. Тогда F0 = 0,066 / 0,94(2-9,81 х 25)0,5 = 0,00224 м2;Д 0гр = (4 х 0,00224/3,14)0’5 = 0,053 м. Длину насадки принимаем в соответствии с рекомендациями курса гидравлики L4 = 4 Д 0гр = 4 х 53 = 212 мм. Диаметр входа в насадку Двх = Д 0+ 2Ьг -tg 6,5°, Двх = 53 + 2 х 212 х 0,114 = 101 мм.

11. Другие конструктивные размеры ГЗУ:

11.1.Диаметр водовода (поз. 6) Д в рекомендовано назначать 0,9 от диаметра всасывающего пульпопровода Двс, но, сообразу­ ясь с тем, что нет необходимого диаметра труб по сортаменту, оставляем диаметр водоводаДв =Двс = 250 мм.

11.2.Входной раструб-конфузор (поз. 3) должен иметь со

стороны меньшего диаметра размер Двс = 250 мм, длину Ц = = 2До = 2 х 82 = 164 мм.

При краевом угле конусности 30° больший диаметр конфузора вычисляется как

Дконфузора = До + 2Lr tg30° = 250+2-164-0,577 = 439 мм.

11.3. Размеры водяного коллектора (поз. 1):

диаметр коллектора должен быть равным диаметру водовода:

Дк = Д в = 250 мм, а его длина Ц - 1,5Д к= 1,5-250 = 375 мм.

11.4. Размеры экрана-фланца (поз. 8):

внутренний диаметр равен внешнему диаметру конфузора: Двн.ф = Дконфузора = 439 мм; внешний диаметр фланца рекомен­

дуется (2-3) Двс. Принимаем егоДф = 2,5ДВС= 2,5-250 = 625 мм. 11.5. Размеры защитной решетки (поз. 7) назначаются конст­

руктивно в зависимости от засоренности забоя негабаритными включениями. Изготавливать ее рекомендуется из полосовой ста­ ли или листа с толщиной стенки 8-10 мм.

12. Итоги примерного расчета ГЗУ для земснаряда 800-40. 12.1. Водяной насос для эжекгирования и гидрорыхления -

марка насоса 14НДс (Д1000-40): Q = 640 м3/ч, Я = 35 м, Ядв = 100 кВт, п - 980 об/мин, диаметр рабочего колеса Д = 480 мм; диа­ метр напорного патрубкаД = 350 мм.

97

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

\. Арефьев Н.Н., Согин В.В., Тарасова О.Н. Особенности нового проекта земснаряда с глубиной грунтозабора до 35 м. Горный информационно­ аналитический бюллетень. Тематическое приложение: гидромеханизация. — М.: Изд-во МГГУ, 2006.

2. Бессонов Е.А., Ялтанец И.М., Корсаков А.Ю. Пульпорыхление — новый способ подготовки горных пород к выемке земснарядами. Гидромеханизация 2000. Материалы II Съезда гидромеханизаторов России. — М.: Изд-во МГГУ,

2000.

3.Вороновский К.Ф., Пухов Ю.С., ШелогановВ.И. Горные, транспортные и стационарные машины. — М.: Недра, 1985.

4.Жарницкнй Е.П. Землесосные снаряды с погружными грунтовыми насо­ сами. — М.: Недра, 1988.

5.Животовский Л.С., Смойловская Л.А. Техническая механика гидросме­ сей и грунтовые насосы. — М.: Машиностроение, 1986.

6.Жуков В.П., Цурган Ф.П., Фридман М.М. Разборные земснаряды с по­

гружным грунтовым насосом. Строительные материалы № 1,2002.

7.Жученков В.А., Тарыкин В.Д. Новые грунтозаборные устройства земсна­ рядов. Опыт гидромеханизации горных, строительных работ. — М., 1972.

8.Залепукин Н.П., Равинский Л.М., Харин А.И. Справочник гидромехани­ затора. — Киев: Буд1вельник, 1969.

9.Иванов С.А. К вопросу всасывающей способности и производительно­ сти плавучих землесосных снарядов с погружным грунтовым насосом. Выпуск «Гидромеханизация 2003». По материалам Третьего съезда гидромеханизаторов России. — М.: Изд-во МГГУ, 2004.

10.Иванов С.А. К вопросу оценки энергозатрат при эксплуатации земсна­ рядов с погружными грунтовыми насосами. Горный информационноаналитический бюллетень. № 6. — М.: Изд-во МГТУ, 2004.

11.Иванов С.А. К вопросу оценки глубины погружения насоса и глубины разработки земснарядами с погружными грунтовыми насосами. Горный инфор­ мационно-аналитический бюллетень № 2. — М.: Изд-во МГГУ, 2007.

12.Кириллов В.В. Кавитационная эрозия и гидроабразивный износ грунто­

вых насосов — В кн. Совершенствование технологии добычи и переработки минерального сырья. — М., 1984.

13. Кириллов В.В., Смойловская Л.А. Кавитационные характеристики грун­ товых насосов при работе на гидросмесях, содержащих твердые фракции раз­ личной крупности — В кн. Совершенствование технологии добычи и перера­ ботки минерального сырья. — М„ 1984.

14. Кириллов В.В. Исследование и обоснование эксплуатационных режи­ мов погружных грунтовых насосов при разработке месторождений нерудных полезных ископаемых. Автореферат диссертации. — М„ 1988.

15. Кирюков В.В. Результаты исследований характеристик добывающих землесосов. Тр. ГИИВТ, вып. 12, — Н. Новгород, 1982.

99

16.Кожевников Н.Н. Применение и совершенствование эжектирующих устройств земснаряда. Гидротехническое строительство. № 1. — М., 1995.

17.Кожевников Н.Н., Ухин Б.В., Кожевникова И.Н. Использование вихре­

вого движения потока в грунтозаборных устройствах земснарядов. Гидротехни­ ческое строительство № 1.— М., 1997.

18. Молочников Л.Н., Баранов В.А., Морозов В.В. Испытания погружных земснарядов МГИ с непосредственным всасыванием. В сб. Опыт гидромехани­ зации горных, строительных, мелиоративных и транспортных работ. — М.:

ЦПНТГО, 1972.

19. Молочников Л.Н, Технические средства МГИ для подводной добычи полезных ископаемых. В сб. Научные основы создания комплексно­ механизированных и автоматизированных карьеров и подводной добычи по­ лезных ископаемых. В сб. Тезисы докладов. — М., МГИ, 1980.

20. Молочников Л.Н. Создание технических средств подводной выемки полезных ископаемых. Технология и технические средства разработки место­ рождений мирового океана. Сб. научных трудов. М.: МГИ, 1987.

21.Молочников Л.Н. Методические указания по проведению практических

исамостоятельных работ по дисциплине «Технические средства гидромехани­ зации». — М.: МГИ, 1990.

22.Нейтман Л.Н., Фридман М.М. Модернизация земснаряда 350— 50Л для

увеличения глубины разработки. Энергетическое строительство № 7. — М„ 1986.

23. Огородников С.П., Екименков Е.С. Исследование грунтозаборных уст­ ройств земснарядов для подводной гидродобычи полезных ископаемых. В сб. Научные основы создания комплексно-механизированных и автоматизирован­ ных карьеров и подводной добычи полезных ископаемых. Тезисы докладов. — М.: МГИ, 1980.

24.Огородников С.П. Гидромеханизация разработки грунтов. — М.: Стройиздат, 1986.

25.Огородников С.П., Михеев И.И., Кулаков А.Е. Применение погружных

осевых грунтовых насосов — эффективное направление повышения всасываю­ щей способности земснарядов. Горный информационно-аналитический бюлле­ тень. Гидромеханизация. — М.: Изд-во МГТУ, 2006.

26.Покровская В.Н. Трубопроводный транспорт в горной промышленно­ сти. — М.: Недра, 1985.

27.Рощупкин Д.Б. Разработка грунтов землесосными снарядами. — М.:

Транспорт, 1969.

28.Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов (под общей редакцией В.В. Ржевского, Г.А. Нурока). — М.: Недра, 1979.

29.Урисман Я.Я., Фридман М.М. Земснаряды разборные катамаранные с

погружными грунтовыми насосами, выпускаемые ОАО «Промгидромеханизация». Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое прило­ жение гидромеханизация. — М.: Изд-во Ml ТУ, 2006.

30. Ухин Б.В. Определение оптимальных размеров эжекторного грантоза­ борного устройства без приемной камеры. Гидромеханизация 2003 (вып. 3). — М.: МГТУ, 2004.

100