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1、第七章 矿井排水设备 71 概述 一、矿井排水设备的任务和分类 1、矿水（1）矿水来源涌入矿井的水统称为矿水。矿水主要来源于地面水和地下水。（2）涌水量绝对涌水量：单位时间内涌入矿井的水的体积量（q），单位是m3/h；相对涌水量：同时期内相对于单位煤炭产量的涌水量，也称含水系数。以“Ks”表示。tmTqKs/2433、分类矿井排水设备分为固定式和移动式。固定式排水设备根据其服务范围又分为主排水设备、区域排水设备和辅助排水设备。二、矿井排水设备的组成1、组成水泵、电机及电控设备、管路及附件、监测仪表等。2、各部分功用1000QHPa4、效率（）水泵的有效功率与轴功率的比值。PQHPPa10004
2、、水不可压缩（即=常数）（一）水的质点在叶轮内的流动1、表征叶轮的形状的几何参数D1、D2叶轮叶片内缘、外缘直径；r1、r2叶轮叶片内缘、外缘半径；b1、b2叶轮叶片内缘、外缘处的宽度；1、2叶轮叶片内缘、外缘处的叶 片安装角。2、水在叶轮中的运动（是一复合运动）可分解为圆周运动和相对运动，两者的合成称为绝对运动。圆周运动 与叶轮圆周速度相同的牵连运动。任意半径处圆周速度u=r；相对运动 介质（水）相对于叶片的运动。当水为理想流体时，叶片无限多，无限薄的情况下，叶片间流道中的流体成为微小流束。流体的每一质点只能沿着流道运动，其轨迹与叶片型线一致。当然，在流道入、出口处的流体质点运动方向也与该处
3、的叶片切线方向一致。在同一半径上的各质点流速是相同的，用相对速度w表示。绝对运动：绝对速度C wucururrucuccucccccwuwucwcwucucucwucucw2221211111222222222111212121212222222111212121tantantantansincoscos2cos2cos2cos2TTlHrQP MPl（找出外加力矩M与叶轮参数之间关系后，利用此关系代入上式，即可求出压头HT与叶轮参数之间的关系。为此可利用动量定理。从该定理可知：作用于叶轮上的外力矩应等于每秒钟流经叶轮的流体的动量矩增量。）TTrQMH)(1122lclcQMT式中 222co
4、srl 111cosrl 22ru 11ru)(11122uuTcucugH，m 从基本方程式可以看出：1、水从叶轮中获得的能量，仅与水在叶轮进口及出口的运动速度有关，与水在流道的流动过程无关。对于水泵，在设计叶轮时，通常都是按无预旋设计，即1=90、c1u=0。因此 uTcugH221，m 2、压头与叶轮外缘圆周速度u2成正比，u2=D2n/60。所以，当其它条件相同时，叶轮外径越大，转速越高，压头也越高。3、流体所获得的理论压头（扬程）HT与流体种类无关。对于不同流体，只要叶轮进、出口处流体的速度三角形相同，都可以得到相同的HT。压头，即流体在泵中的能量增量可以分解为动能和势能。在涡轮机行
5、业中，称前者为动压，后者为静压。将基本方程式变换为另一种形式后，可看出静压和动压的来源。22112111wuccuu222222222wuccuu)(21)(21)(21222121222122wwguugccgHT)(212122ccg)(212122uug)(212221wwguTcugH221rrTcbDcsQ222222、理论压头特征理论压头HT与理论流量QT之间存在着内在联系。这种联系可以由其出口速度三角形中速度C2r和C2u之间的关系找到。很明显 2222222222cotbDQccbDQcucTrrTru代入 uTcugH221得离心式水泵的理论压头特征方程式：TTTTBQAQb
6、DguguQbDuguH22222222222cot)cot(式中 222222cot,bDguBguA3、离心式水泵的理论扬程曲线（1）290，B0，故HT=A+BQT即HT随着QT的增加，是一条上升的直线；（2）2=90，B=0，故HT=A，即HT不随QT的变化而变化，是一条与横标平行的直线。（3）20，故HT=A-BQT即HT随着QT的增加而减小，是一条下降的直线。4、叶片的型式通常以叶轮转向作为参量，将出口角不同的叶轮分为三种。即290时，前向叶片叶轮。图75所示，由图可以看出，前向叶片的出口绝对速度c2最大，后向叶片的绝对速度c2最小。绝对速度越大，水在泵内流动时的能量损失也越大，效
7、率就越低。所以，前向叶片叶轮的效率较低，后向叶片叶轮的效率较高。因此，在实践中使用后向叶片的叶轮。2）环流对压头的影响叶片数目有限与无限情况下速度的比较：，绝对速度向叶轮旋转的相反方向偏移。，减小程度用表示，称为环流系数。对于水泵 （z叶片数目），一般k=0.60.9。环流对压头的影响：（叶片出口角）出流角）22(uucc22uucck22zk2sin1TTuuuuTTkHHkcccugcugHH22222211（2）能量损失（水力损失）的影响叶轮是水泵中唯一传递能量的部件。其它诸如水泵的吸水室、导水圈和返水圈以及压水室等通流部件都是组成水泵必不可少的部分。这些部件或起导流作用或起能量形式的转
8、化作用，不但不会给流体增加能量，反而因存在着各种阻力而消耗能量。流体在叶轮和其它通流部件中流动时的水力损失可归纳为摩擦扩散损失和冲击损失。1）摩擦和扩散损失（图7-7）摩擦损失 指流体在叶轮和其它通流部件中的沿程损失。2Qkhmm2Qkhqq2QkhhhmqqmmqeeQQQQ或2)(eqqQQkh时四、比例定律及比转数1、比例定律（1）相似条件 相似理论（研究相似流体的理论）根据相似理论，若两个流动之间，相互对应的流动参量（即与流动有关的各物理量，如：密度、粘度、速度、压力等）有着一定的比例关系，并且按照同样的规律运动，则称这两个流动是互为相似的流动。确定两者之间存在着相似关系的原理称为相似
9、原理。相似原理告诉我们：两个流动相似，一定要满足力学相似条件，即满足几何相似、运动相似和动力相似。同时满足，彼此之间几何相似、运动相似和动力相似的水泵称相似水泵。221122112211、bbbbDDDD2）运动相似指流动的各相应点的速度方向相同，大小成比例。彼此相似水泵上各对应点处的速度三角形相似。即2211222222111111、ccuuwwccuuww3）动力相似指流动的各相应点处质点所受诸同名力成比例。对于彼此相似的水泵主要是要求其雷诺准则，即雷诺数Re=uD/（式中u叶轮外缘速度，D叶轮外缘直径，运动粘度系数）相等或不大于5倍。实际上要做到Re相等，有时有实际困难，考虑到管流时粘滞
10、力不再与Re有关，而且自动保持动力相似，所以不严格要求Re相等。但也应尽量做到阻力系数接近，相差不宜过大。即（重力）（重力）（压力）（压力）（惯性力）（惯性力）（粘性力）（粘性力）21212121222222222222rrrrrrrrcbDcbDQQcbDQcbDQ、由于两水泵相似，所以2222222222nDnDuuccbbDDrrrr、322)(nnDDQQ1122112211221122112211221122)(1)(1)(1)(1)(1slsluuuusluusluusluusluuuuTslTslTkkcucucucukcucugkcucugHHkcucugHkcucugHcuc
11、ugHkHHH、由于两水泵相似，所以 22221122112222222211112222222)()()()()(nnDDcucucunDnDcunDnDHHkkcucunDnDcucuuuuuslsluuuu、3522)()(1000nnDDPPHQQHPPQHP即功率关系 32)()(nnPPnnHHnnQQ；3222222)()()(DDnnQQDDnnHH、22DD43214321HQnHnQ 设两台彼此相似水泵的尺寸，转速和额定工况参数分别为D2、n、H、Q和D2、n、H、Q。以上两式中消去比值 得：将上式两端同乘以3.65有 nHQnHQnHnQs4321432165.365.3
12、65.34321式中3.65来源于水轮机，当时它的表达式 HPQHNHNnns,75,45其中（马力）将此关系和=1000kg/m3代入即得上式。此时，ns表示在相似条件下，额定工况或效率最高时产生1单位流量和1单位压头的标准水泵的转速，称为比转数。很明显，彼此相似的水泵的标准水泵的转速比转数相等。不相似的水泵比转数不等。73 离心式水泵的结 离心式水泵的分类：按叶轮数目分、按叶轮进水口数目分、按泵壳的接缝形式分、按泵轴的位置分等。目前，矿山主要排水设备常用D型、DA型和TSW型多级离心式水泵，而井底水窝和采区局部排水则常用B型、BA型和BZ型单级离心式水泵。一、D型离心式水泵单吸多级分段式水
13、泵。（一）D型泵的结构主要由转动部分、固定部分、轴承部分和密封部分组成。1、转动部分（1）叶轮1）作用2）结构原理形状取决于比转数，由前盘面、后盘面、叶片、轮毂组成。a、叶型b、叶片数目（2）泵轴（3）平衡盘2、固定部分（1）进水段 环形吸水室（2）中段1）导水圈2）返水圈注意：导水圈叶片与叶轮叶片数应互为质数。3）出水段螺壳型出水段3、轴承部分4、水泵的密封（1）固定件之间密封纸垫密封（2）转动部分与固定之间的密封1）密封环a、大口环b、小口环2）填料装置吸水侧填料装置：排水侧填料装置：注意：填料压盖不可拧得太紧。（二）D型泵的特点和型号意义1、特点2、型号意义二、B型离心式水泵（一）构造（
14、二）特点和型号意义1、特点2、型号意义三、离心式水泵的轴向推力及平衡方法 叶轮为单吸式的水泵，在工作时受到轴向推力作用，迫使叶轮和转子一起朝入口方向移动。单级泵的轴向推力有几百公斤；多级分段式水泵的可达几吨。轴向推力必须予以平衡才能保证泵的正常工作。（一）产生轴向推力的原因 作用在叶轮前、后底盘外表面上的总压力不相等，和作用在叶轮内表面上水的动压的轴向分力所致。（二）危害使整个转子向吸水侧窜动。1、使叶轮造成破坏性磨损；2、轴承发热、电动机负载增加；3、使叶轮出水口与导水圈的导叶进口发生偏移，引起冲击和涡流，降低泵的效率。（三）轴向推力的平衡方法1、平衡孔构成一个平衡室，降低平衡室内的压强。其
15、方法如下：（1）在叶轮后底盘上钻孔，把平衡室和叶轮入口连接起来，使两侧压强相等；（2）用专门的通路将平衡室与低压区沟通，达到降压目的。74 离心式水泵的运行一、排水管路特性 水泵在管路上工作时，排水所需的实际压头（扬程）与通过管路的流量的关系称为管路特性。1、管路特性方程式 水从水泵所获得的总能量不仅用于提高水的位置，还要用于克服管路的阻力，故水泵的工作状况不仅与水泵本身性能有关，也与管路配置情况有关。水在管路中流动所需要的总能量，可由伯努利方程式导出。525454222222221/,1)1(18(2)(2)()(22)(2msdLddLdgRRQHHgvdLgvdLhhhhgvHHhgvP
16、HHHgvPppppPXXXXxCPPPPPXXXXXPXPXpcwaPXa式中管路特性方程式）由水力学可知：2、工业利用区 工业利用区是水泵特性曲线上允许使用的区段。在这个区段内工作，水泵满足稳定工作和经济工作的条件。（1）稳定工作 水泵在运转中工况点是单值的，不能出现无交点或多交点。1）不稳定的原因无工况点（H0HC）多工况点（H0HC）2）稳定工作条件0.9 H0HC（2）经济工作条件max%)9085.0(m（3）工业利用区的划定水泵正常工作条件：稳定工作条件、经济工作条件、不发生汽蚀条件。（二）水泵工况点的调节调节目的：1、使水泵在运转过程中，其工况点始终满足正常工作条件；2、使水泵的流量和扬程满足实际工作的需要。调节途径：1、改变管路特性曲线；2、改变水泵本身的特性曲线。一）改变管路特性曲线1、闸门调节法注意：这种方法不能作为长期调节用，只能在特殊情况下作为临时措施。例如，配置的电动机功率过紧，为防止电机过载，在更换电机前继续排水，可暂时关小闸阀减小排量，使电机在允许负荷下运行。2、管路并联（节能）（1）调节方法（2）注意1）防止电动机过负荷；2）防止产生汽蚀。二）改变水泵
