第1章 礦井排水設(shè)備課件

第一章礦井排水設(shè)備第一節(jié)概述在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中，隨時(shí)都有礦井水涌入礦井。將涌入礦井的水及時(shí)排出和防止突然涌水的襲擊，對(duì)保證礦井生產(chǎn)有重要意義。而完成排水任務(wù)必須有礦井排水設(shè)備，它始終伴隨礦井建設(shè)和生產(chǎn)工作，直至礦井壽命截止才完成它的使命。為了使排水設(shè)備能在安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的狀況下工作，必須確定排水方案，選擇排水設(shè)備，進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，施工試運(yùn)轉(zhuǎn)，直到正常運(yùn)行各環(huán)節(jié)的工作為止。一、礦井水1．礦井水來(lái)源

礦井水的來(lái)源可分為地面水和地下水。地下水包括巖層水、煤層水和采空區(qū)的水。礦山排水設(shè)備的任務(wù)就是將礦井水及時(shí)排送至地面。

2．涌水量（1）絕對(duì)涌水量：指單位時(shí)間內(nèi)涌入礦井水的體積。（2）相對(duì)涌水量：是比較各礦涌水量的大小，常用同時(shí)期內(nèi)相對(duì)于單位煤炭產(chǎn)量的涌水量作為比較參數(shù)，稱為含水系數(shù)，用Ks表示：式中q－絕對(duì)涌水量，m3/h；T－同期內(nèi)煤炭日產(chǎn)量，t。一、礦井水3．礦井水性質(zhì)礦井水中含有各種礦物質(zhì)，并且含有泥沙、煤屑等雜質(zhì)，故礦井水的密度比清水大，一般為1015～1020kg/m3。礦井水中含有的懸浮狀固體顆粒進(jìn)入水泵后會(huì)加速金屬表面的磨損，所以礦井水中的懸浮顆粒應(yīng)在進(jìn)入水泵前加以沉淀，而后再經(jīng)水泵排出礦井。有的礦井水有酸性，會(huì)腐蝕水泵、管路等設(shè)備，縮短排水設(shè)備的正常使用年限。因此對(duì)酸性礦井水，特別是pH<3的強(qiáng)酸性礦井水必須采取措施，一種辦法是在排水前用石灰等堿性物質(zhì)將水進(jìn)行中和，減弱其酸度后再排出地面；另一種辦法是采用耐酸泵排水，對(duì)管路進(jìn)行耐酸防護(hù)處理。二、礦井排水設(shè)備的組成礦井排水設(shè)備分為:

主排水設(shè)備

固定式(根據(jù)其服務(wù)范圍又分為)

區(qū)域排水設(shè)備

輔助排水設(shè)備

移動(dòng)式二、礦井排水設(shè)備的組成礦井排水設(shè)備組成，如圖12-l所示。

圖12-l礦井排水設(shè)備示意圖l-離心式水泵；2-電動(dòng)機(jī)；3-起動(dòng)設(shè)備；4-吸水管；5-濾水器；6-底閥；7-排水管；8-調(diào)節(jié)閘閥；9-逆止閥；10-旁通管；11-漏斗；12-放水管；13-放水閘閥；l4-真空表；15-壓力表；16-放氣栓三、礦井排水系統(tǒng)礦井排水系統(tǒng)由礦井深度、開拓系統(tǒng)以及各水平涌水量的大小等因素來(lái)確定。常見排水系統(tǒng)有集中排水系統(tǒng)和分段排水系統(tǒng)兩種。1．集中排水系統(tǒng)（豎井單、多水平開采時(shí)

）如圖12－2a、b所示。圖12-2集中排水系統(tǒng)圖12-3鉆孔下排水管排水系統(tǒng)三、礦井排水系統(tǒng)2．分段排水系統(tǒng)深井單水平開采時(shí)，若水泵的揚(yáng)程不足以直接把水排至地面，可在井筒中部開拓泵房和水倉(cāng)，把水先排至中間水倉(cāng)，再排至地面，如圖12-4a所示。對(duì)于多水平開采的礦井，當(dāng)各水平涌水量較大時(shí)，則可分別設(shè)置排水設(shè)備，將各水平涌水分別排至地面，如圖12-4b所示。當(dāng)下水平的涌水較小時(shí)，可將下水平涌水用輔助水泵排至上水平水倉(cāng)中，然后由上水平主排水泵將水一起排至地面，如圖12-4c所示。圖12-4分段排水系統(tǒng)第二節(jié)離心式水泵的結(jié)構(gòu)（Page6）一、離心式水泵的類型礦井主要排水設(shè)備常用D型、DA型和TSW型多級(jí)離心式水泵；而井底水窩和采區(qū)局部排水則常用B型、BA型和BZ型單級(jí)離心式水泵。1．D型離心式水泵D型泵是單吸、多級(jí)、分段式離心泵，其構(gòu)造如圖12-10所示。D型泵的流量和揚(yáng)程范圍很大，目前這種類型泵最高揚(yáng)程可達(dá)近1000m，流量達(dá)450m3/h，能夠滿足礦井排水的需要；效率曲線平坦，工業(yè)利用區(qū)較大。一、離心式水泵的類型1．D型離心式水泵(即臥式單吸多級(jí)分段式離心泵

)圖12-10D型泵構(gòu)造簡(jiǎn)圖1-前段；2-中段；3-葉輪；4導(dǎo)水圈；5-軸；6-螺栓；7-后段；8-平衡板；9-平衡盤；12-尾蓋；13-軸承架；1-2大口環(huán)；13-小口環(huán)；14-軸套；15-軸承；16-彈性聯(lián)軸節(jié)；17-填料壓蓋；18-填料一、離心式水泵的類型2．B型離心式水泵

(其構(gòu)造如圖12-11所示

)B型泵是單吸、單級(jí)、懸臂式離心泵。

圖12-11B型泵構(gòu)造簡(jiǎn)圖1-進(jìn)水口；2-葉輪；3-鍵；4-軸；5-放氣閥孔；6-填料二、離心泵主要部件離心泵的主要部件大致可分為四類：流通部件、密封裝置、軸向推力平衡裝置以及傳動(dòng)裝置。1．流通部件

有吸入室、葉輪、導(dǎo)水圈和壓出室等。（1）吸入室吸入室位于第一級(jí)前邊，其作用是將吸水管中的水均勻地引向葉輪。在分段式多級(jí)泵中一般采用圓環(huán)形吸入室（見圖12-10）；在懸臂式單吸單級(jí)泵中多采用錐形管結(jié)構(gòu)（見圖12-11）；在單級(jí)雙吸泵中多采用半螺旋式吸入室，如圖所示。半螺旋式吸入室二、離心泵主要部件1．流通部件

（2）葉輪圖12-12閉式及半開式葉輪（a）閉式；（b）半開式1-前蓋板；2-后蓋板；3-葉片葉輪是使水增加能量的惟一部件。葉輪一般由前、后蓋板及夾在其間的許多后彎葉片組成。葉片把兩蓋板間的空間分成許多彎曲的流道，前蓋板在軸的周圍開有環(huán)形吸水口，葉輪外緣為帶形出水口。葉輪按結(jié)構(gòu)可分為閉式及半開式（沒(méi)有前蓋板）兩種（如圖12-12）。一般在排含有顆粒的混水、泥漿的泵中，為防止堵塞葉輪流道，采用半開式葉輪。二、離心泵主要部件1．流通部件

（3）導(dǎo)水圈導(dǎo)水圈是與泵殼固定在一起且?guī)в腥~片的靜止圓環(huán)，如圖12-13所示。它的入口一面有與葉輪葉片數(shù)目不等的導(dǎo)葉片，使流道斷面逐漸擴(kuò)大；另一面有對(duì)應(yīng)數(shù)量的反導(dǎo)葉片。導(dǎo)葉片的作用是把由葉輪流出的高速水流收集起來(lái)，并將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，再通過(guò)反導(dǎo)葉片把水均勻地引向下一級(jí)葉輪。圖12-13導(dǎo)水圈1-導(dǎo)葉片；2-反導(dǎo)葉片二、離心泵主要部件1．流通部件

（4）壓出室壓出室位于最后一級(jí)葉輪的后面，其作用是將最后一級(jí)葉輪流出的高速水流收集起來(lái)引向泵的排出口，同時(shí)在擴(kuò)散管中將水的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。絕大部分單級(jí)泵、水平中開螺殼式多級(jí)泵及新改進(jìn)的分段式多級(jí)泵的壓出室均采用螺旋形壓出室，如圖12-14a所示，水在整個(gè)流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度是均勻的，從而減少?zèng)_擊損失。分段式多級(jí)泵及雜質(zhì)泵的壓出室，因結(jié)構(gòu)上采用螺旋形壓出室有一定困難，一般采用環(huán)形壓出室，如圖12-14b所示。環(huán)形壓出室各斷面面積相等，所以各處流速不等，有沖擊損失，因此效率比前者低。二、離心泵主要部件1．流通部件

（4）壓出室圖12-14螺旋形及環(huán)形壓出室二、離心泵主要部件2．密封裝置水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與泵殼之間必須有一定的間隙，為了減少水經(jīng)過(guò)這些間隙產(chǎn)生循環(huán)流或防止水漏出泵外，在水泵上均裝有密封環(huán)和填料函。如圖12-15，在葉輪入口處的泵殼上（有的還在葉輪上）裝有密封環(huán)2，又稱大口環(huán)，其作用是保持葉輪與泵殼問(wèn)有一極小的間隙，以減少水從葉輪反流至入口。在多級(jí)泵的級(jí)間泵殼上還裝有級(jí)間密封環(huán)3，又稱小口環(huán)，其作用是防止級(jí)間漏損。如果密封環(huán)損壞，將產(chǎn)生大量循環(huán)流，使水泵排水量及效率顯著下降，并引起不平衡軸向力。軸端密封采用填料函。圖12-16為吸入端的填料函，它可防止因空氣吸入泵內(nèi)破壞真空而影響正常工作。填料多用油浸棉線編成，中間還有金屬水封環(huán)3，用泵排出口引來(lái)的高壓水進(jìn)行水封，以防止空氣吸入泵內(nèi)，同時(shí)對(duì)填料起潤(rùn)滑和冷卻作用。排水端填料函主要阻止高壓水漏出泵外，所以沒(méi)有水封環(huán)。水泵正常工作時(shí)，填料函應(yīng)有少量水滴出。二、離心泵主要部件2．密封裝置圖12-15密封環(huán)1-葉輪；2-大口環(huán)；3-小口環(huán)；4-泵殼圖12-16填料函1-壓蓋；2-填料；3-水封環(huán)；4-尾蓋二、離心泵主要部件3．軸向推力及其平衡裝置作用力不平衡，對(duì)葉輪產(chǎn)生向吸水側(cè)的推力，稱為軸向推力，如圖12-17所示。大型多級(jí)離心泵，其軸向推力往往很大，如不加以平衡，將使離心泵無(wú)法正常工作。圖12-17軸向推力的產(chǎn)生二、離心泵主要部件3．平衡裝置（1）開平衡孔對(duì)小型的單級(jí)泵，多采用在后盤上開平衡孔的方法平衡軸向推力，如圖12-18所示。圖12-18開平衡孔平衡軸向推力A-平衡孔；K-密封環(huán)；E-平衡室二、離心泵主要部件3．平衡裝置（2）采用平衡葉片

如圖12-19所示，在葉輪后蓋板的背面對(duì)稱安置幾條徑向加強(qiáng)筋片（即平衡葉片），如同葉輪葉片一樣使背面的液體加快旋轉(zhuǎn)，離心力增大，背面的壓力顯著下降，從而使葉輪兩側(cè)的壓力趨于平衡。其平衡程度取決于平衡葉片的尺寸和葉輪與泵體的間隙。這種平衡方法使泵的效率有所降低，在雜質(zhì)泵中有時(shí)采用。圖12-19用平衡葉片平衡軸向推力1-葉輪；2-螺殼；3-平衡葉片二、離心泵主要部件3．平衡裝置（3）采用雙吸葉輪如圖12-20所示，由于葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此葉輪兩邊壓力作用面積相等，同時(shí)作用于葉輪上的力也對(duì)稱，從而使軸向推力達(dá)到平衡。這種結(jié)構(gòu)多用在流量較大的單級(jí)雙吸離心泵上。12-20雙吸葉輪平衡軸向推力1-葉輪；2-密封環(huán)；3-軸套二、離心泵主要部件3．平衡裝置（4）對(duì)稱布置葉輪將葉輪成對(duì)對(duì)稱安裝在同一根軸上，如圖12-21所示。圖12-21多級(jí)葉輪對(duì)稱布置二、離心泵主要部件3．平衡裝置（5）平衡鼓如圖12-22所示，它是裝在末級(jí)葉輪后面與葉輪同軸的圓柱體，其外圓表面與泵體上的平衡鼓套之間有一很小的徑向問(wèn)隙δ。

圖12-22平衡鼓平衡軸向推力1-葉輪；2-平衡鼓二、離心泵主要部件3．平衡裝置（6）平衡盤平衡盤是多級(jí)離心泵采用最普遍的一種軸向推力平衡方法，如圖12-23所示。平衡盤1固定在泵軸上，與葉輪、泵軸三者成為一體，平衡盤1與裝在泵殼上的平衡襯環(huán)2一起，形成盤室A。最后一級(jí)葉輪排水側(cè)的高壓水經(jīng)軸向間隙l1流進(jìn)盤室2，然后又經(jīng)過(guò)徑向間隙l2流入平衡盤背面空腔。此空腔或者與吸水管連通，或者直接與大氣相通，故此空腔內(nèi)的壓力為低壓。由于平衡盤室A內(nèi)的壓力高于盤室背面空腔內(nèi)的壓力，因此，對(duì)平衡盤來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生了向后的軸向平衡力，以平衡對(duì)葉輪向前的軸向推力。當(dāng)平衡力小于軸向推力時(shí)，轉(zhuǎn)子向吸水側(cè)移動(dòng)，盤隙l2減小，，平衡盤室內(nèi)壓力升高，平衡力增大，直到平衡為止。反之，當(dāng)平衡力大于軸向推力時(shí)，轉(zhuǎn)子向出水側(cè)移動(dòng)，盤隙l2增大，，平衡盤室內(nèi)壓力降低，平衡力減小，直到平衡為止。由此可見，平衡盤的工作狀態(tài)是動(dòng)態(tài)的。二、離心泵主要部件3．平衡裝置（6）平衡盤4．傳動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置有泵軸、軸承、聯(lián)軸器等部件。圖12-23水力平衡盤結(jié)構(gòu)圖1-平衡盤；2-平衡盤襯環(huán)；A-平衡盤室一、離心式水泵的工作原理（Page6）圖12-5為單級(jí)離心式水泵的簡(jiǎn)圖。水泵的主要工作部件有葉輪1，其上有一定數(shù)目的葉片2，葉輪固定在軸3上，由軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。水泵的外殼4為一螺旋形擴(kuò)散室，水泵的吸水口與吸管水管5相連接，排水口與排水7連接。第三節(jié)離心式水泵工作理論圖12-5離心式水泵簡(jiǎn)圖1-葉輪；2-葉片；3-軸；4-外殼；5-吸水管；6-濾水器底閥；7-排水管；8-漏斗；9-閘閥二、離心式水泵的工作參數(shù)

1．流量Q：指單位時(shí)間內(nèi)水泵排出液體的體積，又稱排量。用符號(hào)Q表示，單位為m3/s。2．揚(yáng)程H：指單位重量液體自水泵獲得的能量，又稱為壓頭，用符號(hào)H表示，單位為m。3．功率：水泵功率是指水泵在單位時(shí)間內(nèi)所做功的大小，可分為軸功率N和有效功率Ne。（1）軸功率N：電動(dòng)機(jī)（原動(dòng)機(jī)）傳給泵軸上的功率（即輸入功率），叫做軸功率。用符號(hào)N表示，單位為kW。（2）有效功率Ne：水泵實(shí)際傳遞給水的功率（即輸出功率），叫做有效功率。常用符號(hào)Ne表示，單位為kW。且有：Ne＝ρgQH/1000(kW)二、離心式水泵的工作參數(shù)

4．效率：指水泵有效功率Ne與軸功率N的比值。用符號(hào)η表示：η＝Ne/N＝ρgQH/（1000N）。5．轉(zhuǎn)速n：指水泵轉(zhuǎn)子每分種轉(zhuǎn)數(shù)。用符號(hào)n表示，單位為r/min。6．允許吸上真空度：指水泵在不發(fā)生汽蝕時(shí)，允許吸上真空度的最大限值。常用符號(hào)Hs表示，單位為m。三、離心式水泵的基本方程式

1．水在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分析如圖12-6所示，在葉輪內(nèi)任何一個(gè)位置，都可以畫出這三個(gè)速度（相對(duì)速度ω、圓周速度μ和絕對(duì)速度c）的大小和方向，它們構(gòu)成一個(gè)三角形，稱為速度三角形。圖12-6離心式水泵葉輪中流體流動(dòng)速度三、離心式水泵的基本方程式

1．水在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分析在速度三角形中，相對(duì)速度ω與圓周速度μ的反向間的夾角稱為葉片安裝角β，β1、β2分別為葉片進(jìn)、出口的安裝角。絕對(duì)速度c與圓周速度μ間的夾角稱為葉片的工作角α，α1、α2分別為葉片進(jìn)、出口的工作角。另一方面，絕對(duì)速度c可分解為切向速度cu和徑向速度cr的矢量和，即：c＝cu

+cr

。且有：cu＝c

cosα

cr=c

sinα。三、離心式水泵的基本方程式

2．基本方程式一個(gè)理想葉輪模型，其假設(shè)條件是：（1）葉輪葉片數(shù)目無(wú)限多，厚度無(wú)限薄。即水流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向恰好與葉片相切，且葉片厚度不影響葉輪的流量；（2）水泵工作時(shí)沒(méi)有任何能量損失，即電動(dòng)機(jī)傳給它的能量全部由工作介質(zhì)吸收；（3）葉輪內(nèi)工作介質(zhì)的流動(dòng)是穩(wěn)定流動(dòng)；（4）工作介質(zhì)是不可壓縮的。在理想葉輪模型條件下求出的揚(yáng)程，叫做離心式水泵的理論揚(yáng)程。三、離心式水泵的基本方程式

2．基本方程式離心式水泵所產(chǎn)生的揚(yáng)程HT：上式表示在理想條件下離心式水泵對(duì)單位重量液體所傳遞的能量，稱為離心式水泵的理論揚(yáng)程。此公式是離心式水泵的基本方程式，又稱為歐拉方程式。為提高水泵的理論揚(yáng)程，一般離心式水泵在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，均使水沿徑向流入葉輪，即α1＝90o，則c1u＝0，上式變?yōu)椋核?、離心式水泵的特性曲線

1．理論揚(yáng)程特性曲線設(shè)葉輪出口面積為S2，則離心式水泵理論揚(yáng)程HT為：（1）上式即為離心式水泵理論揚(yáng)程HT與理論流量QT的關(guān)系式。（2）上式表示在QT—HT坐標(biāo)圖上是一斜率為B的曲線，如圖12-7所示：圖12-7理論揚(yáng)程與理論流量關(guān)系曲線四、離心式水泵的特性曲線

1．理論揚(yáng)程特性曲線(1)理論揚(yáng)程特性曲線斜率B取決于葉片出口安裝角β2。當(dāng)β2<90o時(shí)，稱為后彎葉片，此時(shí)cotβ2>0，HT隨QT的增加而下降；當(dāng)β2=90o時(shí)，稱為徑向葉片，cotβ2=0，HT與QT無(wú)關(guān)，是一常數(shù)；當(dāng)β2>90o時(shí)，稱為前彎葉片，此時(shí)，cotβ2<0，HT隨QT的增加而增加。(2)在理論流量相同的情況下，前彎葉片產(chǎn)生的理論揚(yáng)程最大，徑向葉片次之，后彎葉片最小。若產(chǎn)生相同的理論揚(yáng)程，采用前彎葉片時(shí)，葉輪直徑可小一些；采用后彎葉片時(shí)，需要的直徑最大；徑向葉片居中。四、離心式水泵的特性曲線

1．理論揚(yáng)程特性曲線(3)但從圖12-8可以看出，在相同條件下，前彎葉片的出口絕對(duì)速度c2最大，后彎葉片的絕對(duì)速度c2最小。絕對(duì)速度越大，水在泵內(nèi)流動(dòng)時(shí)的能量損失也越大，效率就越低。所以，前彎葉片葉輪的效率較低，后彎葉片葉輪的效率較高，徑向葉片葉輪的效率居中。因此，在實(shí)踐中通常使用后彎葉片的葉輪以提高效率。圖12-8葉輪葉片的三種型式（a）后彎葉片；（b）徑向葉片；（c）前彎葉片四、離心式水泵的特性曲線

2．實(shí)際特性曲線圖12-9為典型的離心式水泵的實(shí)際特性曲線圖。它包括揚(yáng)程曲線H、軸功率N曲線、效率η曲線和允許吸上真空度Hs曲線。這些曲線反映了水泵揚(yáng)程H、軸功率N、效率η和允許吸上真空度Hs隨流量Q變化的規(guī)律。圖12-9離心式水泵的實(shí)際性能曲線五、比例定律及比轉(zhuǎn)數(shù)

(1)比例定律比例定律就是反映水泵性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速改變的規(guī)律。即對(duì)于同一臺(tái)水泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，在相應(yīng)工況下，其流量之比等于轉(zhuǎn)速之比，揚(yáng)程之比等于轉(zhuǎn)速之比的平方，功率之比等于轉(zhuǎn)速之比的三次方。這三個(gè)公式稱為比例定律。利用比例定律，可以方便地由水泵在某一轉(zhuǎn)速下的特性，推算出在另一轉(zhuǎn)速下的特性，從而擴(kuò)大水泵的使用范圍。比例定律也適用于通風(fēng)機(jī)，只需將公式中的揚(yáng)程H換為風(fēng)壓p即可。五、比例定律及比轉(zhuǎn)數(shù)

(1)比轉(zhuǎn)數(shù)

ns在水泵的選擇和設(shè)計(jì)中，為了比較不同系列水泵的性能參數(shù)，往往需要一個(gè)不依賴于水泵的幾何尺寸，而反映其流量和揚(yáng)程關(guān)系的綜合參數(shù)，這個(gè)參數(shù)稱為比轉(zhuǎn)數(shù)，用符號(hào)ns表示，定義為：式中：n－轉(zhuǎn)速，r/min；Q－水泵最高效率點(diǎn)單吸葉輪的流量，m3/s；H－最高效率點(diǎn)單級(jí)葉輪的揚(yáng)程，m。對(duì)于通風(fēng)機(jī)而言，其比轉(zhuǎn)速ns計(jì)算只需要將揚(yáng)程H換成全壓p，去掉前面的3.65即可。第四節(jié)離心式水泵在管路上工作

一、排水管路特性每一臺(tái)水泵都是和一定的管路連接在一起進(jìn)行工作的。水泵使水獲得的揚(yáng)程，不僅用于提高水的位置，還要用于克服管路中的各種阻力，因此，水泵的工作狀況不僅與水泵本身性能有關(guān)，同時(shí)也與管路的配置情況有關(guān)。水泵在管路上工作時(shí)，排水所需的實(shí)際揚(yáng)程與流量之間的關(guān)系稱為管路特性。圖12-24為一臺(tái)工作水泵配置一條管路的排水簡(jiǎn)圖。

圖12-24排水設(shè)備示意圖圖12-24排水設(shè)備示意圖一、排水管路特性RT—管路阻力系數(shù)上式為排水管路特性方程，該方程表達(dá)了通過(guò)管路的流量與需要的揚(yáng)程之間的關(guān)系。分析該式可以看出，所需壓頭取決于測(cè)地高度Hc、管路阻力系數(shù)RT和流量Q。對(duì)于具體礦井來(lái)講，其Hc是定值，因而當(dāng)流量Q一定時(shí)，所需壓頭將取決于RT，它與管長(zhǎng)、管內(nèi)壁狀況以及管件的種類和數(shù)量有關(guān)。一、排水管路特性RT—管路阻力系數(shù)管路效率：ηg＝Hc/H。Q與H的關(guān)系曲線稱為管路特性曲線。如圖12－25。圖12-25管路特性曲線二、水泵工況點(diǎn)的確定水泵是和管路連接而工作的，水泵的流量就是從管路中流過(guò)的水量，水泵的揚(yáng)程就是水流經(jīng)管路時(shí)的總揚(yáng)程消耗，所以，如果把水泵特性曲線和管路特性曲線按同一比例畫在同一坐標(biāo)圖上，所得的交點(diǎn)就是水泵的工況點(diǎn)，即圖12-26中的M點(diǎn)，由M點(diǎn)作一條垂線，即可得到工況流量QM，同時(shí)在縱坐標(biāo)上，能讀出水泵的工況揚(yáng)程HM，工況功率NM，工況效率ηM和工況允許吸上真空度HsM。12-26離心式水泵的工況點(diǎn)1-水泵功率特性曲線；2-水泵揚(yáng)程特性曲線；3-管路特性曲線；4-水泵效率特性曲線；5-水泵允許吸上真空度曲線三、水泵汽蝕與吸水高度1．水泵汽蝕圖12-27為吸水系統(tǒng)示意圖，取水泵入口處為1—1截面，吸水池水面為0—0截面，并以0—0截面為基準(zhǔn)，兩截面的伯努利方程為：12-27汽蝕和吸水高度三、水泵汽蝕與吸水高度1．水泵汽蝕為p0液面大氣壓。如水泵在某一流量下運(yùn)轉(zhuǎn)，則上式中的v2x和ΔHx兩項(xiàng)基本為定值，于是隨著安裝高度Hx的增加，水泵進(jìn)水口處的絕對(duì)壓力p1將減少。如果p1減小到低于當(dāng)時(shí)溫度下水的飽和蒸汽壓pv時(shí)，水汽化而產(chǎn)生汽泡，同時(shí)溶解于水中的氣體也會(huì)析出，從而形成許多小汽泡。這些小汽泡隨水流流入葉輪內(nèi)壓力超過(guò)飽和蒸汽壓的區(qū)域時(shí)將突然破裂，其周圍的水便以極高的速度沖過(guò)來(lái)，產(chǎn)生很強(qiáng)的水力沖擊。三、水泵汽蝕與吸水高度1．水泵汽蝕由于汽泡不斷地形成和破裂，巨大的水力沖擊以很高的頻率反復(fù)作用在葉輪上，時(shí)間一長(zhǎng)，就會(huì)使金屬表面逐漸因疲勞而剝落。另外，由于汽泡中還有一些氣體（如氧氣）借助汽泡破裂時(shí)釋放出的熱量，對(duì)金屬起化學(xué)腐蝕作用。機(jī)械剝落和化學(xué)腐蝕的共同作用，使金屬表面很快出現(xiàn)蜂窩狀的麻點(diǎn)，并逐漸形成空洞，這種現(xiàn)象稱為汽蝕。當(dāng)發(fā)生汽蝕時(shí)，水泵會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，同時(shí)，因水流中有大量汽泡，破壞了水流的連續(xù)性，堵塞流道，水泵的性能下降，嚴(yán)重時(shí)吸不上水而導(dǎo)致不能排水，因此，不允許水泵在汽蝕狀態(tài)下工作。三、水泵汽蝕與吸水高度1．水泵汽蝕水泵入口處的真空度為

式中：RX－吸水管路的阻力損失系數(shù)上式稱為吸水管路特性方程，按此方程在Q一H坐標(biāo)圖上畫出的曲線H’s，稱為吸水管路特性曲線，如圖12-28所示。該曲線反映了在確定的吸水管路下，不同流量時(shí)水泵入口處的真空度大小。圖12-28不發(fā)生汽蝕的條件三、水泵汽蝕與吸水高度1．水泵汽蝕吸水管路特性曲線H’s與水泵的允許吸上真空度曲線Hs的交點(diǎn)C，稱為臨界汽蝕點(diǎn)。該點(diǎn)把水泵特性曲線分為兩部分：在C點(diǎn)的左邊，水泵允許的吸上真空度Hs大于水泵入口處的真空度H’s，說(shuō)明水泵在這種條件下工作時(shí)，其入口處的壓力大于水泵不發(fā)生汽蝕所允許的最低壓力，故不發(fā)生汽蝕，所以稱C點(diǎn)左邊區(qū)域?yàn)樗玫陌踩珔^(qū)；反之，C點(diǎn)右邊區(qū)域稱為水泵的非安全區(qū)。顯然，為避免水泵在汽蝕條件下工作，應(yīng)使工況點(diǎn)位于臨界汽蝕點(diǎn)的左側(cè)，即水泵不發(fā)生汽蝕的條件為:

Hs＞H’s

三、水泵汽蝕與吸水高度2．吸水高度HX保證水泵不發(fā)生汽蝕的合理吸水高度為：由水泵的允許吸上真空度曲線知：Hs值是隨著流量的增加而減少的。為保證不發(fā)生汽蝕，應(yīng)將水泵運(yùn)轉(zhuǎn)期間可能出現(xiàn)的最大流量（常為運(yùn)行初期）所對(duì)應(yīng)的Hs值代入上式進(jìn)行計(jì)算，而不能用水泵銘牌上所標(biāo)定的Hs值。因?yàn)殂懪粕纤鶚?biāo)注的是額定工況時(shí)的允許吸上真空度。四、水泵的工業(yè)利用區(qū)工業(yè)利用區(qū)指水泵特性曲線上允許使用的區(qū)段。在這個(gè)區(qū)段內(nèi)，水泵工況點(diǎn)必須同時(shí)滿足穩(wěn)定工作條件，經(jīng)濟(jì)工作條件和不發(fā)生汽蝕的條件。1．穩(wěn)定工作條件如圖12-29所示，當(dāng)水泵在正常轉(zhuǎn)速n下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其揚(yáng)程特性曲線為H0－n，它對(duì)管路特性曲線為Hc=f(Q)的管路工作時(shí)，工況點(diǎn)為1點(diǎn)，且只有唯一的一點(diǎn)，因而水泵的工作是穩(wěn)定的。但由于礦井供電電壓的變化，帶來(lái)電動(dòng)機(jī)和泵轉(zhuǎn)速的改變，泵的特性曲線也隨之變化，就會(huì)出現(xiàn)兩種情況：12-29泵的穩(wěn)定工作條件四、水泵的工業(yè)利用區(qū)1．穩(wěn)定工作條件（1）同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)工況點(diǎn)如揚(yáng)程特性曲線H’0-n’，與管道特性曲線有兩個(gè)交點(diǎn)，即工況點(diǎn)2和3。此時(shí)，由于供電電壓不穩(wěn)定，揚(yáng)程曲線上下波動(dòng)，水量忽大忽小，呈現(xiàn)不穩(wěn)定工作情況。（2）無(wú)工況點(diǎn)如揚(yáng)程特性曲線H’’’0-n’’，不再與管道特性曲線有交點(diǎn)，即無(wú)工況點(diǎn)。從有工況點(diǎn)到無(wú)工況點(diǎn)的過(guò)程中，管中水的勢(shì)能高于泵揚(yáng)程，水倒灌入水泵，待管中水位降到其勢(shì)能低于泵揚(yáng)程時(shí)，泵又將水排入管路，周而復(fù)始地產(chǎn)生震蕩，直到能量平衡為止，有如處于死水中工作。而且，往往由于各種條件的變化，很難維持平衡，泵處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)。12-29泵的穩(wěn)定工作條件四、水泵的工業(yè)利用區(qū)1．穩(wěn)定工作條件上述兩種情況都是發(fā)生在水泵零流量時(shí)的揚(yáng)程H0小于管路測(cè)地高度Hc時(shí)。因此，為了保證水泵穩(wěn)定工作，必須保持H0

>Hc

?？紤]到水泵轉(zhuǎn)速可能下降2％～5％，致使揚(yáng)程下降5％～10％的情況，規(guī)定泵的穩(wěn)定工作條件是：12-29泵的穩(wěn)定工作條件四、水泵的工業(yè)利用區(qū)2．經(jīng)濟(jì)工作條件一般情況下排水所用電耗占全礦相當(dāng)大的比例，因此，保證水泵高效是完全必要的。通常限制正常運(yùn)行效率不得低于最高效率（額定效率）的85％～90％，并依此劃定一個(gè)區(qū)域，稱為工業(yè)利用區(qū)，見圖12-30。圖12-30泵經(jīng)濟(jì)工作條件及工業(yè)利用區(qū)五、水泵的聯(lián)合工作當(dāng)一臺(tái)水泵工作不能滿足排水要求時(shí)，可以將多臺(tái)水泵聯(lián)合工作。聯(lián)合工作的基本方式有串聯(lián)和并聯(lián)。在進(jìn)行串、并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，最好用同類型同規(guī)格的水泵。1．串聯(lián)工作多臺(tái)水泵的吸水口和排水口彼此首尾相接于一條管路工作，稱為串聯(lián)。

QM＝Q1＝Q2；HM＝H1+H2。圖12-31兩臺(tái)同型號(hào)水泵串聯(lián)工作五、水泵的聯(lián)合工作1．串聯(lián)工作當(dāng)多臺(tái)泵同時(shí)向一條管路輸水時(shí)稱為并聯(lián)，其主要目的是增加管道中的排水量。

QM＝Q1+Q2；HM＝H1＝H2。圖12-32兩臺(tái)同型號(hào)泵并聯(lián)工作六、水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)當(dāng)排水設(shè)備在運(yùn)行中由于某種原因使工況點(diǎn)離開了工業(yè)利用區(qū)或流量、揚(yáng)程不能滿足要求時(shí)，則需要對(duì)水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)就是改變泵的運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)，使工況參數(shù)發(fā)生變化。調(diào)節(jié)方法有多種，但實(shí)質(zhì)有兩種：一種是改變泵的揚(yáng)程曲線，一種是改變管路特性曲線。

1．改變泵的揚(yáng)程曲線（1）切削葉輪直徑在保持轉(zhuǎn)速不變的情況下，切割葉輪外徑可以減少水泵的流量、揚(yáng)程、功率圖12-33切削葉輪直徑調(diào)節(jié)六、水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)1．改變泵的揚(yáng)程曲線（2）減少葉輪數(shù)目根據(jù)所需揚(yáng)程可以決定所需葉輪數(shù)目，即：i＝H總/H單求得所需葉輪數(shù)目后，可自水泵中拆除多余的葉輪。一般從排水側(cè)拆掉多余的葉輪對(duì)水泵性能影響較小；若從吸水側(cè)拆，將增加吸水阻力，使水泵過(guò)早發(fā)生汽蝕。分段式多級(jí)水泵為不更換軸和拉緊螺栓，可以只拆掉葉輪，而保留中段，但這樣會(huì)使流動(dòng)阻力損失有所增加。六、水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)1．改變泵的揚(yáng)程曲線（3）改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速泵的主軸轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，其工作參數(shù)H、Q、N將按比例定律變化，因而改變泵的轉(zhuǎn)速就可改變其工作點(diǎn)。2．改變管道特性曲線（1）節(jié)流調(diào)節(jié)通過(guò)改變水泵出口處的調(diào)節(jié)閘閥開啟程度來(lái)改變排水管路的阻力，從而改變管道特性曲線，達(dá)到調(diào)節(jié)工況點(diǎn)的目的。如圖12-34中的M’點(diǎn)為閘閥全開時(shí)的工況點(diǎn)，關(guān)小閘閥時(shí)，阻力增加，從而使管道特性曲線變陡，工況點(diǎn)向左移動(dòng)到M點(diǎn)，流量由Q’減小為Q，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。六、水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)2．改變管道特性曲線（1）節(jié)流調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)是工作簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)時(shí)額外消耗的功率較大。礦山排水原則上應(yīng)不采用這種調(diào)節(jié)方法。但在某些特殊情況下，如工況點(diǎn)超出工業(yè)利用區(qū)最大流量以外而使電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)，為了在更換電動(dòng)機(jī)前既能繼續(xù)排水，又能減小負(fù)載，可使用該法作為臨時(shí)調(diào)節(jié)措施。圖12-34節(jié)流調(diào)節(jié)法六、水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)2．改變管道特性曲線（2）管路并聯(lián)調(diào)節(jié)即一臺(tái)水泵同時(shí)經(jīng)兩條或多條管路排水（圖12-35）。采用管路并聯(lián)工作時(shí)，必須注意兩個(gè)問(wèn)題：一是防止電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷；二是防止產(chǎn)生汽蝕。并聯(lián)管路排水可增加排水量，是當(dāng)前水泵調(diào)節(jié)的主要措施之一。圖12-35雙管并聯(lián)排水第五節(jié)排水設(shè)備選型設(shè)計(jì)

一、任務(wù)和步驟1．具體任務(wù)選型設(shè)計(jì)的任務(wù)包括：確定排水系統(tǒng)；選定排水設(shè)備；提出經(jīng)濟(jì)核算結(jié)果；繪制泵房、管道和管間的布置圖。2．原始資料（1）礦井的開拓方式和服務(wù)年限；（2）各開采水平和井口標(biāo)高；（3）同時(shí)開采水平數(shù)及個(gè)水平正常涌水量和最大涌水量及其發(fā)生時(shí)間；（4）礦水物理性質(zhì)；（5）準(zhǔn)備敷設(shè)管路的井筒布置及泵房附近車場(chǎng)的布置圖；（6）礦井供電電壓及井下運(yùn)輸軌距等輔助資料；（7）沼氣等級(jí)及礦井年生產(chǎn)量。一、任務(wù)和步驟3．選型計(jì)算步驟（1）初步選擇水泵；（2）擬定泵房水泵及管路組合方案；（3）選擇管路；（4）計(jì)算管路特性；（5）確定排水裝置的排水工況；（6）驗(yàn)算排水時(shí)間；（7）計(jì)算允許吸水高度；（8）計(jì)算必須的電機(jī)容量及耗電量；（9）經(jīng)濟(jì)核算；（10）篩選并確定方案；（11）繪制泵房、管道、管間的布置圖。二、選擇排水系統(tǒng)

如前所述，有兩種可供選擇的排水系統(tǒng)：集中排水系統(tǒng)，分段排水系統(tǒng)。在相同條件下，前者的水平和泵房數(shù)量少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，基建投資和運(yùn)行費(fèi)用少，維護(hù)工作量少，需要人員少。對(duì)于條件比較復(fù)雜的多水平開采礦井，應(yīng)根據(jù)各水平的深度、涌水量、現(xiàn)有水泵的性能等因素，從基本投資少、易施工、操作簡(jiǎn)單和維修方便等方面綜合考慮，經(jīng)過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較后，確定采用哪種排水系統(tǒng)。三、預(yù)選水泵的型式和臺(tái)數(shù)1．工作水泵必須的排水能力根據(jù)有關(guān)規(guī)定，要求投入的水泵的排水能力要在20h內(nèi)排完24h的正常涌水量；又有工作水泵與備用水泵的總能力，能在20h內(nèi)排完24h的最大涌水量。

2．水泵必須的揚(yáng)程作為估算可認(rèn)為水泵必須產(chǎn)生的揚(yáng)程：HB＝Hc/ηg。式中：ηg是管路效率。對(duì)于豎直敷設(shè)的管路ηg

=0.9~0.89；對(duì)于傾斜敷設(shè)的管路，當(dāng)傾角α>30o時(shí)取ηg

=0.83~0.8，α在20o~30o時(shí)ηg

=0.8~0.77，α<20o時(shí)取ηg

=0.77~0.74。三、預(yù)選水泵的型式和臺(tái)數(shù)3．預(yù)選水泵型式在水泵產(chǎn)品樣本中，挑選能滿足QB和HB的水泵，最好式一臺(tái)泵就能達(dá)到所要求的排水能力。在滿足要求的各型水泵中，有限選擇工作可靠、性能良好、體積小、重量輕而且價(jià)格便宜的產(chǎn)品。當(dāng)?shù)V水的pH值小于5時(shí)，應(yīng)采用防酸水泵。4．確定水泵臺(tái)數(shù)根據(jù)《規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定選擇臺(tái)數(shù)。當(dāng)正常涌水量qz＞50m3/h時(shí)，若工作水泵臺(tái)數(shù)為n1，備用水泵臺(tái)數(shù)為n2=0.7n1，偏上取整，檢修水泵臺(tái)數(shù)為n3==0.25n1，偏上取整。則總水泵臺(tái)數(shù)為：n=n1+n2+n3。四、確定管路趟數(shù)和泵房管路布置（Page31，34）1．確定管路趟數(shù)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，主要排水設(shè)備必須有工作和備用水管，其中工作水管的能力能配合工作水泵在20h內(nèi)排出礦井24h的正常涌水量。工作和備用水管的總能力，應(yīng)能配合工作和備用水泵在20h內(nèi)，排出礦井24h的最大涌水量。2．泵房?jī)?nèi)管路布置按泵臺(tái)數(shù)和管路趟數(shù)可以組合成多種布置方式。(1)圖a為兩臺(tái)泵一趟管路的布置方式，適用于正常涌水量小于50m3/h而且最大涌水量小于100m3/h的斜井排水設(shè)備。四、確定管路趟數(shù)和泵房管路布置2．泵房?jī)?nèi)管路布置(2)圖b為兩臺(tái)兩趟管路的布置，正常涌水期一臺(tái)泵工作?？捎闷渲腥我惶斯苈放潘硪惶藶閭溆?；最大涌水期兩臺(tái)泵同時(shí)工作，可以共用其中一趟或分別用一趟管路排水。(3)圖c為三臺(tái)泵兩趟管路的布置，一臺(tái)泵工作是可用任一趟管路排水，兩臺(tái)泵同時(shí)工作時(shí)，可共用一趟或分別用一趟管路排水。三臺(tái)泵中有一趟輪換作為檢修。(4)圖d為四臺(tái)泵三趟管路的布置，若正常涌水期兩臺(tái)泵同時(shí)工作，它們可以各用一趟管路排水，另一趟備用；最大涌水期內(nèi)三臺(tái)泵同時(shí)工作，可各用一趟管路排水。四、確定管路趟數(shù)和泵房管路布置2．泵房?jī)?nèi)管路布置圖12-36管路布置方案(a)兩臺(tái)泵一趟管；(b)兩臺(tái)泵兩趟管；(c)三臺(tái)泵兩趟管；(d)四臺(tái)泵三趟管五、計(jì)算管徑利用流量表達(dá)式可以推出管內(nèi)徑與流量，流速的關(guān)系式。對(duì)于排水管，其內(nèi)徑dp為：式中：dp－排水管內(nèi)徑，m

；Q－通過(guò)管子的流量，m3/h；vp－通過(guò)管子的流速，m/s。對(duì)于吸水管內(nèi)徑，通常比排水管內(nèi)徑大25mm，以降低流速，減少損失，取得較大的吸水高度。根據(jù)計(jì)算所得的吸水和排水管徑，可以預(yù)選標(biāo)準(zhǔn)管。六、計(jì)算管路特性利用課本式（12-16）和（12-17）對(duì)所選系統(tǒng)計(jì)算管路特性。將管路特性曲線繪制在泵特性曲線上，它與泵揚(yáng)程特性曲線的交點(diǎn)就是工況點(diǎn)。點(diǎn)上所標(biāo)各參數(shù)值即為泵預(yù)計(jì)的工況參數(shù)值。七、驗(yàn)算排水時(shí)間在正常涌水時(shí)期，n1臺(tái)工作水泵分別在各自排水管同時(shí)排水；在最大涌水時(shí)期，n1臺(tái)工作水泵和n2臺(tái)備用水泵同時(shí)投入并分別在各自排水管同時(shí)排水，則它們每晝夜的排水時(shí)間分別為：七、驗(yàn)算排水時(shí)間式中，qz為正常涌水量；qmax為最大涌水量。Tz

不應(yīng)超過(guò)20h，否則必須加大管徑dp或增加泵級(jí)數(shù)i以增加排水量，必要時(shí)得另選水泵。Tmax超過(guò)20h，則在最大涌水時(shí)期增加投入工作的水泵臺(tái)數(shù)。

趙固二礦排水設(shè)備建井期間臨時(shí)主排水泵：（8臺(tái)湖北揚(yáng)子江泵業(yè)）水泵型號(hào)MD160—84×9流量160m3/h揚(yáng)程756m效率63％