При розробці вугільних родовищ важливе місце займає шахтний водовідлив. Характерною особливістю розвитку вугільної промисловості є збільшення глибини шахт. Успішне освоєння глибоких горизонтів залежить від вирішення ряду техніко-економічних проблем, у тому числі і проблеми ефективного використання шахтного водовідливу [8].
У процесі експлуатації шахтних водовідливних установок можлива поява кавітації у насосах. Робота в умовах кавітації характеризується зниженням їх продуктивності і ККД, появою шуму і вібрації в агрегатах, виходом насосів з ладу [4].
Дослідження показали, що безкавітаційна робота шахтних насосів можлива лише у вузькому діапазоні робочих подач. Потреба ж у великих подачах може бути задоволена за рахунок використання насосів великих типорозмірів або ж використання групи насосів, що працюють паралельно. Експлуатаційні і капітальні витрати при цьому різко зростають.
З розробкою глибоких горизонтів і реконструкцією шахтного водовідливу шляхом заміни ступінчастого прямим використовують також насоси з великими подачами і високою частотою обертання ротора, що мають низькі кавітаційні властивості, унаслідок чого вони оснащені додатковими підкачуючими насосами, які мають недостатню працездатність [5].
З метою виключення затоплення шахти насоси розташовують вище за рівень води у водозбірнику. З переходом на великі глибини і з реконструкцією шахт різко збільшується притока води, тому виникла необхідність створення високонапірних (до 1000 м) насосів з великими подачами (до 800 м3/год). А як відомо, такі насоси мають низьку (навіть негативну) висоту всмоктування, тому з метою виключення кавітації застосовують бустерні насоси. Це значно ускладнює систему водовідливу, а отже і знижує її надійність. Створення простої та надійної схеми шахтного водовідливу і визначає актуальність даної роботи.
Одним з найважливіших параметрів роботи насосів є допустима вакуметрична висота всмоктування Нвак. Якщо дійсна висота всмоктування не перевищує допустиму, то насос працює в нормальному режимі. При підході висоти всмоктування до допустимої знижується подача, напір та ККД насоса, а при її досягненні, і тим більше перевищенні, насос переходить в режим кавітації.
Дослідженням режимів кавітації і розробкою схем і засобів, що їх виключають займаються в ВАТ «НДІГМ імені М.М. Федорова» і Донецькому національному технічному університеті.
Метою магістерської роботи є вибір схем і обгрунтування її основних параметрів, що виключають режими кавітації.
Завдання досліджень наступні:
- довести, що робота насосної установки з водоструминним насосом (гідроелеватором) дозволяє виключити кавітацію;
- розробити модуль автоматизованого розрахунку параметрів запропонованої системи;
- побудувати характеристику струменево-відцентрової системи.
Водовідливна установка відіграє важливу роль у всьому ланцюзі електромеханічного господарства шахти. Разом з підйомними і вентиляторами установками вона є основним споживачем електроенергії.
Тому до неї пред'являються такіі вимоги:
- надійність роботи (зупика загрожує затопленням всієї шахти);
- економічність (як показав досвід експлуатації ККД установки значно нижче заводських показників).
Робочий режим визначається характеристикою самого насоса і характеристикою мережі. Ці дві характеристики у процесі експлуатації змінюються у гіршу сторону.
Характеристика насоса погіршується з наступних причин:
- перехід у режим кавітації;
- підсмоктування повітря;
- знос ущільнень на робочих колесах;
- засмічення робочого колеса (особливо першого) чужорідними тілами.
Погіршення характеристики мережі пов'язане з:
- зменшенням прохідного перетину трубопроводу внаслідок корозії;
- замулюванням;
- неповним відкриттмя зворотного клапана на напірному трубопроводі;
- неповним відкриттям засувки на напірному трубопроводі.
За всіх цих причинах знижується ККД насоса і, як наслідок, збільшується витрата електроенергії. Особливо небезпечний режим каввітациі, оскільки він призводить не тільки до зниження параметрів насоса, але і до його руйнування.
Кавітація є процесом порушення сплошності потоку рідини, який відбувається в тих ділянках потоку, де місцевий тиск, знижуючись, досягає деякого критичного значення. Цей процес супроводжується утворенням великої кількості бульбашок, наповнених переважно парами рідини, а також газами, що виділилися з розчину. Утворення бульбашок має багато загального з кипінням рідини, у зв'язку з чим ці два процеси часто ототожнюють; а як критичний тиск, при якому починається кавітація, розглядають тиск насиченої пари рідини при даній температурі [8].
В результаті досліджень кавітації в насосах було встановлено, що наявність кавітації істотно впливає на роботу насоса, причому цей вплив залежить від міри розвитку кавітації. Зазвичай розрізняють початкову, частково розвинуту і повністю розвинуту кавітацію. Термін "початкова кавітація" відповідає умовам, при яких з'являються перші ознаки кавітації: слабке посилення шуму, поява невеликої кількості міхурів кавітації, які утворюють несталу зону кавітації. На цій стадії зовнішні характеристики насоса практично не змінюється. Частково розвинута кавітація характеризується наявністю сталої зони кавітації. Відбувається місцеве підвищення швидкості течії, з'являються вторинні рухи рідини. Через збільшення гідравлічних втрат погіршуються характеристики даної системи. Значно посилюється шум. При повністю розвинутій кавітації настає "зрив" роботи насоса. Зовнішні характеристики його стають абсолютно неприйнятними.
Робота насоса в цьому режимі, як правило, не піддається управлінню [8].
Знизити вірогідність появи кавітації можна, виконавши наступні умови: вертикальна відстань від осі насоса до нижнього рівня води у водозбірнику приймати не більше допустимої геометричної висоти всмоктування; вакуметрична висота всмоктування Нвак не повинна перевищувати допустимого значення Нвак.доп.=0,85Нвак. max; застосовувати схеми з підкачуючим насосом; розташовувати насос нижче за рівень води у водозбірнику; використовувати перед включену свободносидячу решітку на вході у робоче колесо насоса; встановлювати на вході або на виході з робочого колеса допоміжні елементи для вирівнювання поля швидкостей у міжлопатевих каналах робочого колеса з метою підвищення всмоктуючої здатності відцентрового насоса [1].
Дослідження показали, що шахтні насоси мають недостатню допустиму вакуметричну висоту всмоктування. Їх без кавітаційна робота можлива лише у вузькому діапазоні робочих подач від лівої границі робочої частини характеристики до подач, що трохи перевищують номінальну. Потреба ж у великих подачах може бути задоволена за рахунок використання насосів великих розмірів або ж вживання групи насосів, що працюють паралельно. Експлуатаційні і капітальні витрати при цьому різко зростають. Найбільш повно задовольняє цим вимогам система відцентрового і струминного насосів.
Така насосна установка складається з струминного насосу 1 з приймальною сіткою 2, встановленою у всмоктуючому трубопроводі 3 багатоступеневого відцентрового насоса 4. На направляючому апараті рівня відцентрового насоса встановлений колектор 5 для збору води, що виходить з перевідних каналів по трубках 6. До колектора приєднаний трубопровід робочої води 7 із зворотним клапаном 8, що служить для передачі гідравлічної енергії струминному насосу. До напірного патрубка відцентрового насоса приєднаний напірний трубопровід 9, що містить засувку 10 і зворотний клапан 11. З напірним трубопроводом сполучений заливальний трубопровід 12, що містить засувку 13 (рискнок 2).
Експериментальне визначення характеристики промислової установки (рисунок 3, крива 1) в умовах головного водовідливу шахти ім. Поченкова ДП «Макіїввугілля» показало, що після устаткування її струминним насосом (рисунок 3, крива 2) усунений режим кавітації, а подача та ККД зросли. Підвищена працездатність системи заливки насосної установки, яка здійснюється шляхом подачі рідини з напірного трубопроводу установки в трубопровід робочої води струминного підкачуючого насоса. При цьому струминний насос включається в роботу і заливає основний насос. Таким чином, відпадає потреба у приймальному клапані, що є одним з малонадійних елементів насосної установки. Також використання системи відцентрового і струминного насосів на головному водовідливі шахти економічно вигідно [5].
1. Детальний аналіз роботи відцентрових насосів головного водовідливу показав, що для виключення режимів кавітації необхідно застосовувати спеціальні схеми і засоби.
2. Розроблений модуль для визначення гідравлічних і конструктивних параметрів системи.
3. Відмічена схожість теоретичних досліджень з експериментальними дослідженнями, проведеними на шахті ім. Поченкова ДП «Макіїввугілля».
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 даный момент магістерська робота находиться у стадії розробки. Після січня 2010 року більш докладну інформацію можна буде отримати у автора (samoxinaTania@yandex.ru) або його наукового керівника.