При разработке угольных месторождений важное место занимает шахтный водоотлив. Характерной особенностью развития угольной промышленности является увеличение глубины шахт. Успешное освоение глубоких горизонтов зависит от решения ряда технико-экономических проблем, в том числе и проблемы эффективного использования шахтного водоотлива [8].
В процессе эксплуатации шахтных водоотливных установок возможно появление кавитации в центробежных насосах. Работа в условиях кавитации характеризуется снижением их производительности и КПД, появлением шума и вибрации в агрегатах, выходом насосов из строя [4].
Исследования показали, что бескавитационная работа шахтных насосов возможна лишь в узком диапазоне рабочих подач. Потребность же в больших подачах может быть удовлетворена за счет использования насосов больших типоразмеров или же применения группы насосов, работающих параллельно. Эксплуатационные и капитальные затраты при этом резко возрастают.
С разработкой глубоких горизонтов и реконструкцией шахтного водоотлива путем замены ступенчатого прямым находят также применение насосы с большими подачами и высокой частотой вращения ротора, имеющие низкие кавитационные качества, вследствие чего они оснащены дополнительными подкачивающими насосами, которые имеют недостаточную работоспособность [5].
С целью исключения затопления шахты насосы располагают выше уровня воды в водосборнике. С переходом на большие глубины и с реконструкцией шахт резко увеличивается приток воды, поэтому возникла необходимость создания высоконапорных (до 1000 м) насосов с большими подачами (до 800 м3/ч). А как известно, такие насосы имеют низкую (даже отрицательную) высоту всасывания, поэтому с целью исключения кавитации применяют бустерные насосы. Это значительно усложняет систему водоотлива, а следовательно и снижает ее надежность. Создание простой и надежной схемы шахтного водоотлива и определяет актуальность данной работы.
Одним из важнейших параметров работы насосов является допустимая вакуметрическая высота всасывания Нвак. Если действительная высота всасывания не превышает допустимую, то насос работает в нормальном режиме. При подходе высоты всасывания к допустимой снижается подача, напор и КПД насоса, а при её достижении, и тем более превышении, насос переходит в кавитационный режим [3].
Исследованием режимов кавитации и разработкой схем и средств их исключающих занимаются в ОАО «НИИГМ имени М.М. Федорова» и Донецком национальном техническом университете.
Целью магистерской работы является выбор схем и обоснование ее основных параметров, исключающих режимы кавитации.
Задачи исследований следующие:
– доказать, что работа насосной установки с водоструйным насосом (гидроэлеватором) позволяет исключить кавитацию;
– разработать модуль автоматизированного расчета параметров предложенной системы;
– построить характеристику струйно-центробежной системы.
Водоотливная установка играет весьма важную роль во всей цепи электромеханического хозяйства шахты. Наряду с подъемными и вентиляторными установками она является основным потребителем электроэнергии. Поэтому к ней предъявляются следующие требования:
– надежность работы (отказ грозит затоплением всей шахты);
– экономичность (как показал опыт эксплуатации КПД установки значительно ниже заводских показателей).
Рабочий режим определяется характеристикой самого насоса и характеристикой сети. Эти две характеристики в процессе эксплуатации изменяются в худшую сторону [6].
Характеристика насоса ухудшается по следующим причинам:
– переход в режм кавитации;
– посасывание воздуха;
– износ уплотнений на рабочих колесах;
– засорение рабочего колеса (особенно первого) инородными телами.
Ухудшение характеристики сети связано с:
– уменьшением проходного сечения трубопровода вследствии коррозии;
– заилением;
– неполным открытием обратного клапана на нагнетательгом трубопроводе;
– неполным открытием задвижки на нагнетательгом трубопроводе.
Кавитация представляет собой процесс нарушения сплошности потока жидкости, который происходит в тех участках потока, где местное давление, понижаясь, достигает некоторого критического значения. Этот процесс сопровождается образованием большого количества пузырьков, наполненных преимущественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из раствора. Образование пузырьков имеет много общего с кипением жидкости, в связи с чем эти два процесса часто отождествляют; а в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, рассматривают давление насыщенных паров жидкости при данной температуре [8].
В результате исследований кавитации в насосах было установлено, что наличие кавитации существенно влияет на работу насоса, причем это влияние зависит от степени развития кавитации. Обычно различают начальную, частично развившуюся и полностью развившуюся кавитации. Термин "начальная кавитация" соответствует условиям, при которых появляются первые признаки кавитации: слабое усиление шума, появление небольшого количества кавитационных пузырей, которые образуют неустановившуюся кавитационную зону. На этой стадии внешние характеристики насоса практически не изменяется. Частично развившаяся кавитация характеризуется наличием установившейся кавитационной зоны. Происходит местное повышение скорости течения, появляются вторичные движения жидкости. Из-за увеличения гидравлических потерь ухудшаются характеристики данной системы. Значительно усиливается шум. При полностью развившейся кавитации наступает "срыв" работы насоса. Внешние характеристики его становятся совершенно неприемлемыми.
Работа насоса в этом режиме, как правило, не поддается управлению [8].
Снизить вероятность появления кавитации можно, выполнив следующие условия:
– вертикальное расстояние от оси насоса до нижнего уровня воды в водосборнике принимать не более допустимой геометрической высоты всасывания;
– вакуумметрическая высота всасывания Нвак не должна превышать допустимого значения Н вак.доп.=0,85Нвак. max;
– применять схемы с подкачивающим насосом;
– располагать насос ниже уровня воды в водосборнике;
– использовать предвключенную свободносидящую решетку на входе в рабочее колесо насоса;
– устанавливать на входе или на выходе из рабочего колеса вспомогательные элементы для выравнивания поля скоростей в межлопастных каналах рабочего колеса с целью повышения всасывающей способности центробежного насоса [1].
Исследования показали, что шахтные насосы имеют недостаточную допустимую вакуумметрическую высоту всасывания. Их бескавитационная работа возможна лишь в узком диапазоне рабочих подач от левой границы рабочей части характеристики до подач, незначительно превышающих номинальную. Потребность же в больших подачах может быть удовлетворена за счет использования насосов больших типоразмеров или же применения группы насосов, работающих параллельно. Эксплуатационные и капитальные затраты при этом резко возрастают.Наиболее полно удовлетворяет этим требованиям система центробежного и струйного насосов.
Такая насосная установка содержит струйный насос 1 с приемной сеткой 2, установленной в подводящем трубопроводе 3 многоступенчатого центробежного насоса 4. На направляющем аппарате ступени центробежного насоса установлен коллектор 5 для сбора воды, выходящей из переводных каналов по трубкам 6. К коллектору подсоединен трубопровод рабочей воды 7 с обратным клапаном 8, служащим для передачи гидравлической энергии струйному насосу. К напорному патрубку центробежного насоса подсоединен напорный трубопровод 9, содержащий задвижку 10 и обратный клапан 11. С напорным трубопроводом соединен заливочный трубопровод 12, содержащий задвижку 13 (рисунок 2).
Экспериментальное определение характеристики промышленной установки (рисунок 3, кривая 1) в условиях главного водоотлива шахты им. Поченкова ГП «Макеевуголь» показало, что после оборудования ее струйным насосом (рисунок 3, кривая 2) устранен кавитационный режим, а подача и КПД возросли. Повышена работоспособность системы заливки насосной установки, которая осуществляется путем подачи жидкости из напорного трубопровода установки в трубопровод рабочей воды струйного подкачивающего насоса. При этом струйный насос включается в работу и заливает основной насос. Таким образом, отпадает надобность в приемном клапане, являющимся одним из малонадежных элементов насосной установки. Также применение системы центробежного и струйного насосов на главном водоотливе шахты экономически выгодно [5].
1. Детальный анализ работы центробежных насосов главного водоотлива показал, что для исключения кавитационных режимов необходимо применять специальные схемы и средства.
2. Разработан модуль для определения гидравлических и конструктивных параметров системы.
3. Отмечено сходство теоретических исследований с экспериментальными исследованиями, проведенными на шахте им. Поченкова ГП «Макеевуголь».
1. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1987. – 270 с.
2. Пирсол И. Кавитация. Пер. с англ. Ю.Ф. Журувлева, Ред., предисл. и дополн. Л.А. Эпштейна. - М: «Мир», 1975. – 95 с.
3. Прищенко В.А., Малеев В.Б. Исследование центробежного насоса с предвключенной свободносидящей решеткой радиальных лопаток // Материалы III Международной научно-технческой студенческой конференции. – Донецк: ДонНТУ, 2004. - С.167-175.
4. Прищенко В.А., Малеев В.Б. Влияние угла атаки в рабочем колесе насоса водоотлива на его всасывающую способность // Материалы III Международной научно-технческой студенческой конференции. – Донецк: ДонНТУ, 2004. - С.175-181.
5. Романов В.А. Эффективность использования насосной установки с промежуточным отбором рабочей жидкости для струйного насоса // Теоретические и эксплуатационные проблемы шахтных стационарных установок: Сб. научн. трудов НИИГМ им. М.М.Федорова. – Донецк: НИИГМ им. М.М.Федорова, 1986. - С.264-268.
6. Рудник В.П. Преобразователь характеристики центробежного насоса. – К.: «Будівельник», 1970. – 112 с.
8. Самохина Т.И. Разработка схем и средств, исключающих кавитацию
9. Тимошенко Г.М., Зима П.С. Теория инженерного экспериманта. Учеб. пособие. - К.: УМК ГО, 1991. - 124 с.
На данный момент магистерская работа находится в стадии разработки. После января 2010 года более подробную информацию можно будет получить у автора (samoxinaTania@yandex.ru) или его научного руководителя.