Обоснования параметров струйного соеденителя в системе насос – генератор импульсной струи

Аннотация

Коломиец В. С., Зуйков А. Л. Обоснования параметров струйного соеденителя в системе насос-генератор импульсной струи. Обосновано применение струйного соединителя в системе насос – генератор импульсной струи, обеспечивающего защиту насосного агрегата от пульсаций давлений и снижение влажности отбиваемого угля.
It is justified the applying of the jet connector in system the pump – generator of an impulse jet pumping unit, supplying a guard from pulsations of pressure and decrease of moisture of broken coal .

Наряду с нефтью и природным газом важную роль в топливно-энергетическом балансе Украины по-прежнему играет каменный уголь. В связи с этим, в ближайшие годы необходимо обеспечить существенный прирост объёма добычи последнего. При этом весь прирост продукции, в первую очередь необходимо получить за счет повышения производительности труда ГРОЗ, что требует создания высокопроизводительной техники.

В свою очередь, эффективность очистной выемки находится в прямой зависимости от темпов проведения вспомогательных работ.

Из вспомогательных процессов наиболее слабым звеном является ручная подготовка ниш, удельных вес которых в общей трудоемкости концевых операций составляет 60–70%, что связанно с отсутствием серийно выпускаемой техники для их выемки. Подготовка ниш, в настоящее время, осуществляется преимущественно с помощью буровзрывных работ или отбойных молотков, что требует значительных физических и материальных затрат, ухудшает условия труда и зачастую создает аварийную обстановку в забое.

Условия труда на концевых участках предъявляют к применяемым здесь средствам выемки угля комплекс требований, который трудно выполнить с помощью машин, имеющих механические исполнительные органы режущего действия. В первую очередь, это минимальные габаритные размеры и масса установок, хорошая приспосабливаемость к различным горно-геологическим нарушениям, эффективное пылеподавление и высокая безопасность.

Аналогичные проблемы характерны и для других нарезных работ, в частности, прохождения штрека по пласту, что также связанно с использованием буровзрывных работ или техники, не обеспечивающих в достаточной мере эффективного пылеподавления.

Поэтому является актуальным изучения вопроса привлечения нетрадиционных способов разрушения угля, и прежде всего гидравлического, достоинства которого, в настоящее время, хорошо изучены. В тоже время, проблема обеспечения приемлемой для шахт с обычной технологией влажности отбиваемого угля (в пределах 7–10%), не может быть преодолена в случае использования стационарных струй, применяемых в гидромониторах.

Применение стационарных струи среднего диаметра и давлением 30–50 МПа, не позволяет нам добиться положительных результатов (отношения Т:Ж выше, чем 1:1,2) [1]. Тонкие струи, того же давления, позволяют получить, в лучшем случае лишь 50% влажности.

Достигнуть требуемой влажности отбиваемого угля при сохранении всех основных преимуществ гидроотбойки можно с помощью импульсных струй давлением 25 МПа и выше, эффективность разрушения которыми в 1,5–2 раза выше, чем стационарными струями того же давления и мощности.

Получение импульсных струй среднего диаметра давлением до 32 МПа возможно с помощью генератора импульсной струи (ГИС) разработанного в Донецком национальном техническом университете [2]. Созданные на их основе гидроимпульсные установки, как показывают результаты проведенных шахтных испытаний, могут обеспечить выемку угля с высокой производительностью 1–2 т/мин, низкой энергоёмкостью 0,9–3,5 кВт ч/т и приемлемой влажностью угля 6–10%.

Однако, при использовании данных устройств на подготовительных работах, на которых количество отбиваемого угля на порядок ниже, чем при очистных, будет наблюдаться дополнительное его увлажнение (до 25–30%), что неблагоприятно скажется на состоянии вмещающих пород и на транспортно-погрузочные работы отбитой горной массы. Поэтому решение проблемы, связанной с устранением дополнительной влажности угля, является на данном этапе актуальным.

Принцип работы ГИС основан на том, что в фазе выстрела, в момент соединения рабочей камеры 1 (см. рис. 1) накопителя 2 со стволом исполнительного органа 4, происходит открытие главного клапана 5 и при этом осуществляется сброс рабочей жидкости в атмосферу забоя из камеры 6 через управляющий клапан 3. При частоте следования импульсов порядка 3–5 Гц, величина сбрасываемой жидкости составляет Qсб=0,5–0,8 м³/ч или 15% от объёма, используемого для разрушения угольного массива. Кроме того, в схеме ГИС предусмотрен гидропневмоаккумулятор балластный 7, который обеспечивает защиту питающего насоса от динамических процессов, происходящих в системе. При выходе его из строя возможна поломка насоса.

С целью устранения этих недостатков, предлагается ввести в систему насос–ГИС струйный соединитель (рис.1), обеспечивающий, с одной стороны постоянное давление в подводящей магистрали, а с другой стороны отбор сбрасываемой с управляющего клапана 3 рабочей жидкости.

Конструкция узлов струйного соединителя (СС) выполнена согласно проведенным исследованиям работы [3], в которой исследуемая конструкция (струйный гаситель) обеспечивала предотвращение распространения гидравлических ударов в подводящий трубопровод и соответственно к насосу.

Схема СС представлена на рис.2. Из схемы видно, что конструкция соединителя состоит из входной части 1-конфузора, представляющий собой ствол с коническим насадом, являющимся постоянной нагрузкой для насоса и выходной части 2-диффузора, выполненной в виде сопла Вентури, которое обеспечивает минимальные потери напора подводимого к ГИС потока воды.

Входная и выходная части СС, расположены соосно на некотором расстоянии l друг от друга в корпусе 3, в котором имеется патрубок 4, предназначенный для подвода сбрасываемой рабочей жидкости.

Принцип работы устройства заключается в передаче энергии струи через атмосферную развязку и преобразовании в конфузоре потенциальной энергии потока в кинетическую энергию струи, а в диффузоре обратно – восстановление потенциальной энергии потока. За счет преобразования статического напора в скоростной в зоне выхода рабочей жидкости из конфузора создается давление меньше атмосферного. Вследствие этого происходит подсос воздуха, при сообщении патрубка 4 с атмосферой или же подсос сбрасываемой рабочей жидкости при сообщении последнего со сбросом управляющего клапана (рис.1).

Основными конструктивными размерами СС являются: диаметр конфузора d, диаметр диффузора dд, длина конфузора l_н, длина диффузора l_д и расстояние между насадками l.

Диаметр конфузора d задаёт величину подводимого к ГИС давления Р_о и определяется, исходя из требуемых значений Р_о по формуле:

где Р_о – требуемая величина подводимого давления, Па;

μ – коэффициент расхода конфузора;

Q_о – подача насосного агрегата;

ρ – плотность рабочей жидкости.

Исходя из формулы (1), для обеспечения Р_о = 32 МПа, необходимо обеспечить диаметр конфузора d равным 2,8 мм.

Диаметр диффузора d_д и расстояния между насадками l определяются в зависимости от диаметра конфузора d, в соответствии с работой [3]:

где Р_о – требуемая величина подводимого давления, Па;

где Р_о – требуемая величина подводимого давления, Па;

d_д = 1,15_d

l = 0,3_d

Согласно формулам (2) и (3): d_д = 3,22 мм; l = 0,84 мм.

Для определения длины конфузора l_н и диффузора l_д необходимо задаться углами их конусности и диаметрами входного и выходного отверстий СС D и D_д (см. рис.2). Исходя из работы [3] значения β = 20^о, βд = 12^о, а величины D и D_д соответствуют диаметрам подводящих линий и равны D = 20 мм, D_д=16 мм, исходя из которых < l_н = 48,8 мм, l_д = 32,7 мм.

Для определения изменения давления на выходе из диффузора необходимо знать его рабочую характеристику. Проведенные исследования струйных аппаратов в ВНИИКАнефтегаз и ВНИИГидроуголь [4] не доведены до получения всеобъемлющих характеристик, а полученная зависимость безразмерных величин Р/Р_о = f(Q/Q_о) в работе [3] не дает нам точных результатов на участке, превышающего значение Q/Q_о>1 (т. к. Q = Q_о + Q_сб).

На основании изложенного можно сделать выводы:

• обеспечивая постоянное давление в подводящей магистрали, и отбор сбрасываемой с управляющего клапана рабочей жидкости, а также имея незначительную массу и габаритные размеры, рассмотренный СС может использоваться в системе питающий насос – ГИС;
• в целях определения действительной рабочей характеристики СС при значении безразмерной величины Q/Q_о>1 и влияние его на рабочий процесс ГИС, необходимо провести лабораторные исследования последнего.

Литература

1. Тимошенко Г.М., Бугрик В.А. Гидроимпульсная отбойка – перспективный способ выемки угля на шахтах с обычной технологией //Уголь Украины. 1986, № 6. – C. 13–14.

2. Гидроимпульсное устройство / Тимошенко Г. М., Гулин В. В. и др. Патент Украины №6173. Приоритет от 20.02.1991 МКИ Е21С45/00

3. Коломиец В. С. Создание гидроимпульсного органа разрушения выемочной машины для крутонаклонных пластов шахт обычной технологии. Дис…канд. техн. наук – Донецк, 1984. – 243 C.

4. Никифоров М.А. Струйный гаситель гидравлических ударов. Труды ВНИИГидроугля. Вып. 37. – 1976. – C. 56–60.