煤矿排水设备明细.ppt

煤矿排水设备,,在竖井、斜井、平峒或露天煤矿的采掘过程中，都会有涌水渗出。为保证煤矿安全生产，不致使涌水淹没矿井，必须及时地把矿水排到地面。,一、矿井涌水量及矿水性质,矿井自然涌水来自地下水和地表水。涌水量与矿区的位置、地形、水文地质及矿区气候等条件有关。在同一矿井中，一年四季涌水量也是不同的，如在雨季和融雪季节，涌水量就大些，其它季节大致是一定的。在一年内有最大涌水期和正常涌水期之分，相对应的涌水量称之为最大涌水量和正常涌水量。矿井涌水除自然涌水外，对于水砂充填矿井，黄泥灌浆矿井，还应包括充填废水及灌浆水。矿井涌水量指单位时间涌入矿井的总水量，其单位是m3/h或t/h。有时为便于比较各矿涌水的大小，用每采一吨煤的涌水量表示涌水的相对值，称为含水系数；即含水系数全年总涌水量／矿井年产量，m3/t,在选择排水设备时，还需要考虑矿水的物理、化学性质，如容重或重度大小，水的酸碱性等因素。矿水因含有矿物质和泥砂，会使其容重比清水大，一般为995410052N/m2，排这种矿水，会加速水泵零件的磨损，因此要设置水仓或沉淀池，使水中泥砂沉淀后，再经水泵排至地面。煤或岩石中含有硫酸盐硫酸铁或硫酸镁等，及其它化合物，这些物质遇到水或空气氧化而生成硫酸，使水呈酸性。矿水按氢离子指数可分为酸性pH＜7，中性pH＝7，碱性pH＞7。为防止酸性水腐蚀排水设备，在煤矿，一般pH＜5时，应采用耐腐蚀性材料制成的耐酸泵；对于排水管道可在管内加防酸衬，如衬胶，衬聚氯乙烯，衬搪瓷等防护措施；必要时，为防止酸性水污染环境，应在井下水仓投入石灰CaO、熟石灰CaOH2或石灰石CaCO3等进行中和处理。,二、矿井排水过程,为把井下涌水排至地面而设置的排水设备，包括水泵机组、电气设备、管道及水井等。矿山排水设备一般分为主排水设备和辅助排水设备。生产矿井的主排水设备设在井底车场附近。由于井底车场是开采水平的最低处，故矿井绝大部分涌水自采、掘工作面涌出后，会沿着具有一定坡度的巷道排水沟，自行流至井底车场附近的水仓中，然后经主排水泵将水排至地面。生产矿井除井底车场的主排水设备外，在箕斗井底，有水窝的罐笼井底，胶带输送机斜井底及集中下山等处，为防止水窝淹没，影响设备正常运行，都设有辅助排水设备。这种设备的水泵和电动机固定在整体底盘上，放在较平坦的高处，其吸水软管插入水窝中，水泵通过排水管将水排到井底车场水沟中，水靠自重流至井底车场水仓，然后由主排水设备一起排至地面。,有时某一采区的涌水比较大，或由于地质条件影响，不利于排水沟自流时，可设采区排水设备。在水沙充填矿井，由于水中含有大量泥沙，需在采区设沉淀池，经第一次沉淀后，由采区排水设备将水排至运输巷道水沟中，水靠自重流至井底车场水仓或沉淀池中进行第二次沉淀，再出主排水设备将水排至地面。当掘进工作面的涌水比较大，或周围地区低洼，水不能很快流出而影响工作面正常工作时，在掘进工作面也可设置移动排水设备，它随工作面的推进而移动。,三、矿井排水系统,水泵将矿井涌水排至地面的系统，通常随矿井深度，开拓系统及各水平涌水量大小而不同，有集中排水系统和分段排水系统。集中排水系统是将全矿涌水集中到最低水平，然后由主排水设备一次排到地面。分段排水系统是将全矿涌水集中到几个水平，然后分别将水排至地面。目前在我国煤矿大多采用集中排水系统，当矿井较深或多水平同时开采时，采用分段排水系统。集中排水系统较简单，开拓量小，基建费用低，管道敷设简单，管理费用也低。,,一集中排水系统竖井单水平开采时，回采和掘进工作面的涌水靠自重沿水沟流至井底车场主水仓，而后由排水设备将集中于水仓的水直接排至地面。竖井多水平开采时，如上水平涌水量不大，没有必要单独设置排水设备时，可将上水平的涌水引至下水平的水仓中，由主排水设备将水一起排至地面。这种方法虽然简单，但上水平的水引到下水平后，再排上去，显然浪费了势能，增加了电耗。,斜井的集中排水，条件与上述坚井相同。目前大多采用钻孔下排水管，而不是沿斜井敷设管道。这种方法不但节约管材，而且降低了生产运行费用，还可提高斜井井筒利用率，增加提升能力。通常管子与钻孔间用水泥砂浆封死，防止孔壁塌落及水沙等流入井下，故管子使用后不能同收，经验证明，一些矿井已使用二、三十年，管壁虽然有些腐蚀，仍可继续使用。煤炭工业设计规范规定地形地质条件允许时，经技术经济比较，可通过钻孔下排水管，钻孔垂直深度一般不超过300m，管材系用钢管。,二分段排水系统在很深的矿井中进行单水平开采，若矿井的深度超过了水泵可能的排水高度时，可采用分段排水系统。即先将涌水排至井筒中间水仓，然后再由中间水泵房的水泵将水排至地面。对于多水平开采的矿井，当各水平涌水量都较大时，则分别设置排水设备，将各水平涌水分别排至地面。当下水平的涌水较小时，可将下水平涌水，用辅助水泵排至上水平水仓中，然后由上水平主排水泵将水一起排至地面。,四、矿用水泵简介,水泵是把原动机的能量传递给水，使水增加能量的一种机械。泵的种类很多，根据作用原理可将水泵分为叶片式、容积式及其它型式三类。叶片式水泵包括离心式、轴流式及混流式等；容积式水泵包括往复式、回转式、齿轮泵及螺杆泵；其它型式有喷射式及水锤式等。目前我国煤矿采用最多的是离心式水泵，也有往复式及喷射式水泵。,一离心式水泵的主要组成部分及其工作原理图10-5为单级离心式水泵的简图。泵的主要工作部件有叶轮1，其上有一定数量的叶片2，叶轮固定于轴上，它可在螺旋形泵壳3中转动，泵的吸入口与吸水管4相联结，而压水口与排水管8相联结。,水泵起动前，先没注水漏斗7向泵内注满水，然后起动水泵，叶轮即随轴旋转，叶轮中的水也被叶片带动旋转，这时水在离心力的作用下向叶轮外缘甩去，并由泵壳导流，向压水口并流出，此时，在叶轮入口造成一定的真空，吸水井中的水在大气压力作用下，经吸水管进入叶轮。由于叶轮不断旋转，使排水工作不间断地进行。离心式水泵主要是靠叶轮在水中旋转，叶轮中叶片与水相互作用，把能量传递给水，使水增加能量的。离心式水泵的转数高、体积小、质量小、效率高，所以在工业中得到了广泛的应用，煤矿主要排水设备及一些辅助排水设备也多用离心式水泵。,二往复式水泵的主要组成部分及其工作原理,图10-6为单作用往复式水泵简图。活塞1在泵缸2中作往复运动，与泵缸连通的工作室3上装有单向吸水阀4和压水阀5，和吸水阀相连的是吸水管6，和压水阀相连的是排水管7。,工作过程,当原动机带动曲柄11，连杆10运动时，外力经十字头9传给活塞杆8，使活塞1开始从左极端位置向右移动，工作室3的容积逐渐加大，室内压力逐渐降低。这时吸水井中的水在大气压力作用下，通过吸水管，顶开吸水阀，进入工作室及泵缸，直到活塞移到右极端位置为止，此过程称为泵的吸水过程。当活塞在原动机的作用下从右极端位置开始向左移动时，充满泵缸的水受挤压，压力增高，致使吸水阀关闭，并打开压水阀，水便由工作室进入排水管，且到活塞移至左极端位置时为止，此过程称为泵的压水过程。这时已完成一个工作循环，当曲柄不断旋转时，活塞就不断往复运动，泵的吸水和压水过程就连续不断地进行。,往复式水泵是靠工作室容积的周期性变化来排送水的。只要容积的周期性变化恒定，即当曲柄每分钟转数和活塞行程一定时，其排水量几乎保持不变。往复式水泵产生的压力用在克服压水管中的压力，因此其大小由外部压水管所需压力决定。而水泵能否给出压水管的压力，要取决于泵体的内部参数，如输入功率等，同时泵零件强度也限制了输出的压力。由于往复式水泵比离心式水泵能输出较大的压力，故在排水量不大，而压力较高的场合，常用往复泵，并且往复泵流通部件简单，可排送有泥浆的液体，在煤矿多用于清扫水仓及液压泵站。,三喷射式水泵的主要组成部分及其工作原理,如图10-7所示，喷射泵是由高压供水管l、喷嘴2、混合室3、喉管4、扩散器5以及吸水管6、排水管7所组成。高压水经供水管以很大的速度从喷嘴射出，并带动喷嘴周围的空气运动，使喷嘴出口处的压力低于大气压力，于是吸水井中的水在大气压力作用下经吸水管进入混合室，在混合室内，高速射流对周围的吸入水进行能量传递，并带动周围吸入水流向喉管，在流向喉管的过程中逐渐加速，达到喉管断面时，大部分吸入水已成为射流的一部分，经过喉管，使混合液成为比较稳定的流动。混合液经扩散器，将一部分动能转化为压能以减少流动损失，提高喷射泵的效率。,,喷射泵是利用高压的工作水，通过喷嘴将压能转换为动能，传递给吸入的低压水的装置。喷射泵效率很低，一般仅为1520％，但由于没有运动部件，结构简单，工作可靠，即使吸入空气也能稳定工作，并且能排除含有大量泥砂的水，移动方便，所以在井筒及工作面掘进时使用它。还可用于井底水窝排水及清扫水仓的沉淀物。目前还广泛使用在取消底阀后离心泵起动前的注水。,离心式水泵,,主要内容,,第一节离心式水泵的构造,一、离心式水泵分类一按叶轮个数分类1单级泵只有一个叶轮的泵称单级泵，如图10-5所示。一个叶轮使水增加的能量是有限的，目前国产矿用单级离心式水泵最高扬程不超过100m。2多级泵泵中有两个以上的叶轮串联在一根轴上，称多级泵，每个叶轮连续地给水增加能量，使泵的扬程随叶轮数目的增多而相应提高。因此，多级泵的扬程为单级泵的扬程与级数的乘积。目前矿用多级泵最高可达10级，其中各叶轮的大小、形状一般都相同。,二按叶轮吸入方式分类1单吸式叶轮一侧有吸入口，为单面吸入。2双吸式叶轮两侧都有吸入口，为双面吸入。三按叶泵壳形式分类1涡壳式具有螺旋形泵壳的离心泵。绝大多数单级泵都是涡壳式，也有多级泵采用涡壳式的，这种结构的泵，外壳多为水平中开结构。2导叶式具有固定导叶（导水圈）的分段离心泵。绝大多数多级泵都采用这种型式。,,,,,四按轴的位置分类1卧式泵轴水平放置。2立式泵轴垂直放置。在井筒掘进等处，要求占地面积小时多用此种。,二、离心式水泵的主要构造部件及作用,一流通部件水在泵内流经的主要部件有吸入室、叶轮、导水圈、压出室等。1吸入室位于第一级叶轮前边，吸入室的作用是将吸水管中的水均匀地引向叶轮。在分段多级泵中一般用圆环形吸入室。在悬臂式单吸单级泵中多用锥形管结构。2叶轮叶轮是使水增加能量的唯一部件。叶轮一般由前、后盖板及夹在其间的许多向后弯曲的叶片组成，叶片把两盖板间的空间分成许多弯曲的流道。前盖板在轴的周围开有环形吸水口。,叶轮按结构可分为闭式及半开式。如果没有前盖板，称为半开式叶轮，一般在排含有颗粒的混水、泥浆的泵中，为防止堵塞叶轮流道，采用半开式。,3导水圈导水圈是与泵壳固定在一起带有叶片的静止圆环，如图11-8所示。它的入口一面有与叶轮叶片数目不等的导叶片，它使流道断面逐渐扩大，它的另一面有对应数量的反导叶片。导叶的作用是把由叶轮流出的高速水流收集起来，并把水的一部分动能变为压力能，还要通过反导叶把水均匀地引向下一级叶轮。,4压出室位于最后一级叶轮的后面。压出室的作用是将最后一级叶轮流出的高速水流收集起来引向泵的排出口，同时在扩散管中将水的一部分动能转换为压力能。绝大部分单级泵、水平中开结构螺壳式多级泵及分段多级泵的压出室是螺旋形蜗室，水在整个流道内运动速度是均匀的，从而减少冲击损失。分段多级泵及杂质泵的压出室，因结构上采用螺旋形蜗室有一定困难，一般采用环形压出室。环形压出室各断面面积相等，所以各处流速不等，有冲击损失，因此效率比前者低。,在分段多级泵中，中间各段的外壳叫中段，各段之间用纸垫或橡胶圈密封，将前、后、中段组合好后，用拉紧螺栓紧固为一整体。,二密封装置,水泵的转动部分与泵壳之间必须有一定的间隙，为了减少水经过这些间隙产生循环流或水漏出泵外，在水泵上均装有密封环和填料函。在叶轮入口处的泵壳上有的还在叶轮上装有密封环2，又称大口环，其作用是保持叶轮与泵壳间有一极小的间隙，以减少水从叶轮流出反流至入口。在多级泵的级间泵壳上还装有级间密封环3，又称小口环，其作用是防止级间漏损，这种循环流消耗无益功，增加机械损失。如果密封环损坏将产生大量循环流，使水泵排水量及效率显著下降，并引起轴向力的不平衡。故要求密封环磨损后应能容易更换。,在泵轴伸出泵壳处设有填料函。吸入端的填料函，它是为防止空气吸入泵内破坏真空影响正常工作的。填料多由油浸棉线编成，为保证吸入端填料函的密封性能，一般对填料函进行水封，水封环3由泵排出口用导管引进高压水，以防止空气吸入，同时对填料起润滑和冷却作用。排水端的填料函是为防止压力水漏出泵外。水泵正常工作时，填料函应有少量水滴出。,三轴向推力平衡装置,由于叶轮与泵壳之间必然有一定间隙，从叶轮流出的高压水就会由此间隙流入叶轮的前、后泵腔内，造成漏损，同时对前、后盖板产生压力。由于前、后盖板的面积不等，作用在叶轮两侧的压力不等，因此而产生一个指向吸水侧的轴向推力。在多级泵中，此推力可达几吨，轴推力会推动叶轮及装在轴上的整个转子沿轴线向吸水侧移动，使之与固定部分摩擦而损坏，并使叶轮出口与导水圈入口中心偏离，恶化了流动状况，降低水泵效率，为此离心式水泵都有平衡轴向推力的装置。,1．轴向推力的计算叶轮前、后泵腔内的水受叶轮旋转效应的影响，以ω*＝ω/2的角速度旋转，在密封正常的情况下，通过大、小口环缝隙的漏损量很小，可忽略不计。而将泵腔中的水看成在回转容器中的水绕轴线做等角速回转运动，由流体力学欧拉平衡微分方程可知。式中dp/dR半径方向压力变化；ρ水的密度。,,设叶轮外缘半径R2、出口压力p2、任意半径R处的压力p，从R到R2处将上式积分将ω*＝ω/2代入上式,,,,泵腔内水的压力沿半径方向按抛物线规律分布，由于前、后腔内的压力分布规律相同，在大口环半径R1以外，叶轮两侧的压力分布是对称的，互相抵消，从R1到轮毂半径Rg的范围内，叶轮左侧的压力是入口压力p1，叶轮右侧的压力仍按抛物线规律p分布、且p1＜p，二者之差，即图中阴影部分，就是作用在叶轮上的轴向力，用符号T1表示。将p-p1由Rg至积分，可求得轴向力T1式中压差p2-p1可用单级扬程Hk表示，即p2-p1γHk。,,单级叶轮轴推力式中γ水容重，N/m3；R1叶轮大口环半径，m；Rg叶轮轮毂或轴套处半径，m；p2叶轮出口压力，N/m2；p1叶轮入口压力，N/m2；Hk泵单级扬程，m；ω叶轮旋转角速度，1/s；R2叶轮外径，m。,,除了由于叶轮外部压力不对称引起轴向力外，还有叶轮内部水动压力的轴向分力，这是由于水从轴向进入叶轮，而径向流出，产生了动量变化，导致水对叶轮产生一个反冲力，方向与轴向力T1相反指向排水侧。在水泵起动时，由于泵内正常压力还没有建立，此力比较明显，而在正常运转中此力与轴向力T1相比，数值很小可以忽略。一般情况下只考虑T1即可。多级泵的轴向推力可按下式求出11-2式中i多级泵叶轮数目。例如煤矿常用的200D43型八级泵的轴向推力，由于R20.36m，R10.17m，Rg0.09m，ωπ1480/30＝1551/s，Hk43m，代入式11-1、11-2可知T15875.7N，T0470005.5N,,2．轴向力的平衡在单吸单级水泵中，因轴推力不大，可在叶轮后盖板上开一些平衡孔，并装有密封环，其直径与前盖板密封环直径相等，如图11-13所示，这样可以使叶轮后盖板泵腔中的压力水通过平衡孔引向吸入口，降低叶轮背面的压力，使大部分轴向推力得到平衡，同时使用止推轴承承受剩余的轴向力，并限制转子的轴向窜动。这种方法结构简单，但叶轮的漏损量增加，并且经平衡孔返回的水流使叶轮入口水流受到冲击，从而降低了泵的效率。在单吸单级水泵中，也有在叶轮后盖板上加径向筋来平衡或减小轴向力的，筋板强迫叶轮后面的水加快旋转，使叶轮背面压力显著降低，以达到减小或平衡轴向力的目的，但目前在清水泵中这种方法还很少采用。对于双面吸入的叶轮如图11-14及对称排列的叶轮如图11-15都可自行平衡轴向力。,,,在多级离心泵中，均采用水力平衡装置平衡鼓或平衡盘来平衡轴向推力。平衡鼓是在最后一级叶轮后面，装在轴上的圆柱体，见图11-16，平衡鼓的外圆表面与泵体上的平衡套有一很小的间隙，用连通管把平衡鼓的后面与泵吸入口连通。这样，平衡鼓前面连通最后一级叶轮出口是高压区，后面连通泵吸入口是低压区，则平衡鼓承受一指向排水侧力向的推力，称平衡力，以平衡轴向推力。用平衡鼓时，也需要止推轴承配合，以平衡剩余轴推力和限制转子的轴向窜动。国产NBD系列吊泵即采用平衡鼓平衡轴向力。,平衡盘也是装在末级叶轮之后，用键固定在轴上，如图11-17所示，在此装置中，除了轮毂或轴套与泵体之间有一径向间隙4又称轴隙之外，在平衡盘1与固定在泵体上的平衡板2之间，还有一轴向间隙6又称盘隙，在平衡盘后面，用连通管7与泵吸入口连通。这样从末级叶轮流出的高压水，经过径向间隙，进入平衡室5，作用在平衡盘上，而平衡盘右侧是低压区，因此平衡盘受一指向排水侧方向的力，即平衡力，以平衡轴向推力。,平衡盘可以自动平衡轴向推力。当水泵工作时，由于某种原面轴推力大于平衡力，则平衡盘与泵轴一起向吸水侧移动，此时轴向间隙减小，增加了水流动阻力，因而流出的水量减少，流过径向间隙的压力降减小，平衡空内的压力增加，平衡力增加，转子不断向前移动，平衡力不断增加，到某一位置时，等于轴推力，转子达到了新的平衡。当轴推力小于平衡力时则按上述相反过程使平衡力减小，当减小到与轴向力相等时，又达到了新的平衡。当然这个平衡是暂时的，由于惯性作用，运动着的转子不会立刻停在新的平衡位置上，而要继续移动，轴向间隙便继续变化。可见转子是在某一平衡位置作轴向脉动，因此平衡盘处于动态的平衡状态。,由于平衡盘可以自动平衡轴向推力，并且结构紧凑，平衡效果好，因此在分段多级泵中得到了广泛的应用，但是由于轴的窜动，使平衡盘和平衡板经常磨损以及增加漏损等不利国素，故现代大容量水泵已趋向于不单独采用平衡盘。经验表明，平衡鼓和平衡盘联合使用，效果是比较好的，如图11-18所示。这时平衡鼓能承受5080％左右的轴向力，从而减小了平衡盘的负荷，延长了平衡盘的使用寿命，而且具有较大的间隙，可以避免由于转子窜动而引起的摩擦。因此目前大容量分段多级泵，大多采用这种平衡方式。如100DM100型煤矿用大型水泵即采用了此种结构。四传动装置有泵轴、轴承、联轴器等零部件。,第二节离心式水泵的性能曲线及类型,一、离心式水泵的性能参数及其性能曲线说明水泵工作性能的基本参数有流量、扬程、功率、转数、效率及允许吸上真空度或允许汽蚀余量等。一流量单位时间内水泵排出的水量称为流量或排量。流量有体积流量和质量流量两种表示方法。体积流量用Q表示，单位为m3/h、m3/s或L/s等；质量流量用M表示，单位为kg/h或kg/s等。二扬程单位质量的水通过水泵所获得的能量称为水泵的扬程或压头。用H表示，其单位为Nm/N，将N约去，则得到扬程单位为m水柱。水泵能把水提到多高的位置与水泵的扬程有密切关系，但二者并不完全相同。,三功率水泵的功率可分为轴功率和有益功率。轴功率是原动机传给泵轴上的功率，亦即输入功率，用N表示，单位为kW有时也用马力。有益功率是指单位时间内流过水泵的流体所获得的功率，亦即输出功率，用Na表示，单位是kW，其表达式为式中M水泵质量流量，kg/s；H水泵扬程，m水柱；Q水泵体积流量，m3/s；γ水的重度，N/m3。同型号的多级泵与单级泵的参数关系是流量，不因叶轮数目的增加而变化，即多级泵流量Q等于单级泵流量Qk、QQk；而扬程却与串联叶轮数目成倍地增加，即多级泵扬程H为单级泵扬程Hk与级数i的乘积，H＝iHk。，因此多级泵的功率N随叶轮数目的增加而成倍增加，N＝iNk。,,四效率离心泵的轴功率与有益功率之差是在泵内损失的功率，其大小可用效率来衡量，它是说明水泵质量的标准。离心泵的效率即为有益功率Na与轴功率N之比，用η表示，即同型号多级泵与单级泵效率一般认为是相等的。五转数离心泵的转数是指泵轴每分钟的转数，用n表示，单位为r/min。除上述五个参数外，泵的主要参数还有允许吸上真空度[Hs]或允许汽蚀余量[∆h]及比转数ns等。,,每台水泵的各性能参数相互间是有联系的。这可以通过实验观察并测得。将水泵的扬程、功率、效率及允许吸上真空度随流量的变化关系，用曲线绘在同一坐标图中，就构成了离心泵的性能曲线或特性曲线。实质上，离心泵性能曲线是水在泵内运动规律的外部表现形式，它包括流量、扬程曲线H＝fQ，流量、功率曲线N＝fQ，流量、效率曲线η＝fQ，吸水性能曲线[Hs]＝fQ。这些曲线都是在一定转数下，用实验方法求得的。同一台水泵，转数不同，则性能曲线亦不同。在性能曲线上，通过一个任意的流量点作曲线，与扬程、功率、效率曲线及吸水性能曲线相交，从而得到一组与其相对应的扬程、功率、效率、允许吸上真空度等值，它们代表水泵的一种工作状况，简称工况或工况点。对应于最高效率点的工况称为最佳工况，一般最佳工况应与额定工况设计工况相重合。并在水泵铭牌上标出。,水泵生产厂家提供的水泵性能曲线，是在水泵出厂前，通过实测或模型试验换算绘制出来的单级性能曲线，如果我们需要多级泵的性能，须将扬程及功率坐标值乘以级数即可。在生产实践中，必须参照水泵性能曲线了解水泵性能，以便选择水泵并合理、经济地使用水泵，使其经常保持在高效率区间运行。各厂、矿等使用单位，还要定期对水泵进行试验测定水泵的性能曲线，掌握水泵的运转情况。,二、离心泵的类型,矿井主要排水设备均用多级泵，其中主要是D型离心式水泵。井底水窝等辅助排水设备有时用单级泵，主要以B型离心泵为主。,一D型泵的构造及技术特征D型泵是单吸、多级、分段离心式水泵。它可输送清水或物理化学性质类似于水的液体，输送液体的温度不得超过40℃。水泵的定子部分主要由前段1、中段2、后段7、导水圈4、尾盖10及轴承架11等零部件用螺栓6联结而成。转子部分主要由装在轴5上的数个叶轮3和一个平衡盘9组成。整个转子部分支承在轴两端的单列向心滚柱轴承15上。泵的前、后、中段间用八根螺栓6固定在一起。各级叶轮及导水圈之间靠叶轮前的大密封环12和叶轮后的小密封环13密封。为改善吸水性能，第一级叶轮的吸入口直径大些，其大密封环也随之稍大些。泵轴穿过前后段部分的密封靠填料18、填料压盖17组成的填料函来完成。水泵的轴向推力采用平衡盘9平衡。14是轴套，8是平衡板。水泵的吸水口为水平方向，排水口为垂直向上。16是弹性联轴节。,,,目前生产的D型泵有50D、65D、80D、100D、125D、150D、200D、250D等八种，前5种转数为2950r/min，后三种为1480r/min。泵型号意义如200D434，其中200吸水口直径为200mm，D单吸、多级、分段式；43单级额定扬程为43m；4四级。最近水泵行业会议将D型泵编制新系列为D□-□，如对应于旧系列150D-30新系列为D155-30；对应于200D434的新系列为D280-434；符号意义为D单吸、多级、分段式；280额定流量，m3/h；43单级额定扬程数值，m；4级数。,二B型水泵的构造及技术特征B型泵是单吸、单级、悬臂式离心泵，可供输送清水及物理化学性质类似于水的液体，液体温度不得超过80℃。B型泵的流量范围为4.5360m3/h，扬程范围为898m，可供小型矿井排水或采区排水及井底水窝排水等使用。泵轴的一端在拖架内用轴承支承，另一端悬出称为悬臂端，在悬臂端装有叶轮。所以这种结构型式的泵称为悬臂泵，轴承可以用机油或黄油润滑。,,,水泵的旋转方向从电机侧看为顺时针方向，通过弹性联轴器或皮带装置与电动机联结。B型泵结构简单，工作可靠，零部件少，易于加工和维护。泵体出水口方向，可根据安装使用情况作90、180、270旋转。泵型号意义，如6B33A6BA-8A，6吸入口直径为6英寸即625＝150mm；B或BA单吸、单级悬臂式；33扬程3mm；8比转数被10除取整数，即比转数ns80左右；A换了直径较小的叶轮。,第三节离心式水泵性能曲线的分析,鉴于泵内流体运动的复杂性，不能准确地计算各种损失。因此，上面所介绍的水泵性能曲线，到目前为止，还只能用实验方法求得。尽管如此，从理论上对曲线进行分析，对于了解影响水泵性能的各因素和它们之间的关系仍很必要。水泵的作用是将原动机的能量传递给水，转化为水在管路中运动所需要的能量。而水泵的扬程特性曲线直接表达了单位质量的水流经水泵所获得的能量与水泵流量之间的关系。水泵叶轮是使水增加能量的唯一部件，所以，水泵的特性主要取决于叶轮的几何参数和水在叶轮内的流动情况。,一、水泵叶轮内液流运动分析,离心泵工作时，叶轮中的水在从叶轮入口沿叶片间的流道向轮外缘流去，即作相对运动的同时，水还随叶轮一起旋转，作圆周运动。所以水在叶轮中的运动是一种复合运动。为了便于分析，对这种运动进行如下简化1假设叶片为无限多，水流的相对运动方向与叶片切线方向一致；2不考虑任何损失，认为叶轮内水流为理想流体运动；3水流为不可压缩的稳定流动。为此，水在叶轮中的运动可以用表示运动速度大小和方向的速度三角形表示。,水在进入叶轮时有一与叶轮共同旋转的圆周速度u1，同时还有一沿叶轮流道前进的相对速度w1，相对于不动的泵壳，水的绝对速度c1，就是上述两种运动速度的向量和，即由速度向量c1、u1和w1组成的向量图，称为叶轮入口的速度三角形。叶轮流道内任意一点都可作出该点的速度三角形，同理在叶轮出口处有,,,在速度三角形中，绝对速度c与圆周速度u的夹角为α，相对速度w与反向圆周速度的夹角为β，称为流动角。叶片的切线和所在圆周切线间的夹角称为叶片安装角，当叶片无限多时，流动角即是安装角。为分析问题方便，通常把绝对速度分解为两个相互垂直的分速度，一是与圆周速度垂直的称为径向分速度cr，一是与圆周速度方向一致的称为切向分速度或旋绕速度cu。即,,二、水泵的理论扬程,1首先应用动量矩定理来求得水泵所产生的理论扬程。动量矩定理在稳定流中，单位时间内，水由叶轮进口流向出口时动量矩的增量，等于作用在进、出口间含有的水上的外力矩。如图11-22所示，1断面为叶轮进口断面，2断面为叶轮出口断面，当t＝0的瞬间，叶轮内的水在l-2位置，经过dt时间后，移至1-2位置，则dt时间内其动量矩的变化应为1-2的动量矩与1-2的动量矩之差，因水在叶轮内的流动是稳定流，1-2间的水在dt时间前后的动量矩是不变的，因此在dt时间内动量矩的变化只是2-2与1-1的动量矩之差。1-1和2-2为dt时间内流入1断面和流出2断面的极薄层的水，它们的质量相等，为dm。如果流过叶轮的理论流量为QT，则，则流出叶轮的水对转轴的动量矩为,,,流入叶轮的水对转轴的动量矩为单位时间内动量矩的变化为根据动量矩定理，上式应等于作用在叶轮进出口间的水上的外力矩，即叶轮旋转时给予水的转矩M,,,,而转矩M等于式中N叶轮传递给水的功率；ω叶轮旋转角速度；HT∞叶片无限多时水泵的理论扬程。则,,,,因为ωR2u2，ωR1u1；c2cosα2c2u，c1cosα1c1u；故单位质量的水从叶轮获得的能量，即无限多叶片时理论扬程为11-3上式表达出叶片式水泵的能量关系，称为欧拉方程式。为了提高水泵的理论扬程，许多离心式水泵在结构设计上，均使水进入叶轮的方向为径向，即α190，则c1u0，于是离心式水泵的理论扬程为11-4,,,,2要提高水泵的理论扬程，除了前面提到的使α190，即c1u＝0外，还可以加大u2及c2u。u2πD2n/60，所以增加转数n或加大叶轮外径D2，都可增加理论扬程，但D2增大会增加损失，降低水泵效率，并且由于受材料强度限制，D2不能过分增大，用提高转数的办法是当前比较普遍采用的重要方法。c2u与叶片的弯曲方向有关，即与叶片出口安装角β2的大小有关。,三、理论扬程性能曲线,理论扬程性能曲线是表达理论扬程与理论流量的关系曲线HT∞＝fQT。如果叶片厚度忽略不计，也不考虑漏损，则离心式水泵的理论流量QT应等于叶轮出口面积与垂直于该面积的平均流速的乘积，即11-8式中D2叶轮外径，mb2叶轮出口宽度，m；c2r叶轮出口处水绝对速度的径向分速度，m/s。,,上式即离心式水泵理论扬程与理论流量的关系式。对于给定的泵，在一定转数下，u2、D2、b2及β2均为常数，则理论扬程随理论流量的变化呈线性关系，上式可写成直线方程,,,,,,直线的斜率B与β2有关。当β2＜90时，称为后弯叶片，此时ctgβ2为正，随着QT的增加，HT∞减小，即理论扬程性能曲线是一条下降的直线；当β2＝90时，称为径向叶片，此时ctgβ2＝0，HT∞是一常数，即理论扬程性能曲线是一水平直线；当β2＞90时，称为前弯叶片，此时ctgβ2为负，随着QT增加，HT∞为增加，即理论扬程性能曲线是一条上升直线。在叶轮尺寸及转数相同时，在相同流量下，前弯叶片叶轮产生的理论扬程最大。,水泵所产生的理论扬程，又称全压，是理论静压Hst与理论动压Hd之和，即HT∞＝HstHd，叶片出口安装角β2不仅影响HT∞的大小，同时也影响静压和动压在全压中所占的比例。水经过叶轮所增加的动压当水径向流入叶轮时c1u＝0，则c1＝c1r，一般认为叶轮入口截面积等于出口截面积，则c1r＝c2r，由理论全压减去理论动压，得理论静压,,,,理论静压在全压中所占比例理论动压在全压中所占比例,,,,前弯叶片叶轮虽然产生的理论全压最大，但其中静压占的比例最小而动压占的比例最大，由流体力学知，动压大，即速度大，而流动损失是与速度平方成正比的，因此高速水流流经叶轮、导水圈或涡壳时，能量损失大，因此前弯叶轮的效率低。对于矿用离心泵，更希望产生大的静压以克服管网阻力和提高水的位能，故均采用后弯叶轮，当需要较高的扬程时，可串联叶轮采用多级泵。从叶轮的试验曲线可知，后弯叶轮的扬程曲线比较平缓，运转较稳定，功率曲线也较平缓，使用范围广而不致使电机过载，所以一般离心泵大都采用后向弯曲叶轮。,,由于叶片出口安装角不同，流通部件的形状不同，使后弯叶轮的Q-H性能曲线的形状也不一样。如图11-26所示，a为陡降的性能曲线，随流量的增加，扬程下降很快；b为平坦的性能曲线，随流量的增加，扬程下降缓慢；c为有驼峰的性能曲线，扬程随流量的变化是先增加，后减小，这种曲线的水泵在运行中可能出现不稳定工况。,[例11-1]有一离心式水泵，叶轮外径D2＝360mm，叶轮出口宽度b2＝26mm，叶片出口安装角β2＝35，转数n＝1480r/min，理论流量QT＝320m3/h，并设水径向流入叶轮，即α1＝90，求u2、w2及α2角，并计算无限多叶片的理论扬程HT∞。[解],,,,,,,,四、离心式水泵的各种损失及效率，水泵的实际性能曲线,前面引用了无限多叶片的假设，因为只有在这种情况下，水才能在叶轮内完全沿着叶片流动。但实际上叶片数是有限的，一般69片，水在叶片间的流道运动时，除了沿叶片从内向外的正常流外，还存反叶轮转向的环流，正常流与环流二者叠加的结果使在同一半径上水的相对速度不同了，靠近迎流面速度减小，而背流面速度加大，致使流出叶轮的相对速度向叶轮旋转的反向偏离，使旋绕速度减小为c2u，这时的理论扬程也减小为，有限叶片的理论扬程性能曲线QT-HT也是一条直线。,离心泵的效率是有益功率与轴功率之比，二者之差即是在泵内损失的功率，在离心泵中有哪些损失根据泵内能量损失的形式不同，可分为水力损失，容积损失和机械损失。,水力损失包括两部分一部分是水经过吸入室、叶轮、导水圈、压出室等流通部件时的沿程摩擦损失，从流体力学知，沿程摩擦损失与流量平方成正比。另一部分是水在进入叶轮、吸入室、压出室时将产生冲击，当水流方向与流道壁方向不一致时，还会产生旋涡，这些都将引起冲击损失。当水泵在设计流量下运转时，冲击损失很小，可以忽略，而当偏离设计流量时，不能忽略，偏离越远，冲击损失越大。以上二者之和即称为水力损失，用符号∆Hh表示。水力损失与泵的流通部件的几何形状，壁面粗糙度有很大关系。因此，要减小水力损失，除了要设计结构合理的流通部件外，在加工制造上要注意表面光洁，清除铸件毛刺、飞边等。,,,离心泵的理论扬程与实际扬程之差，就是离心泵的水力损失，即∆Hh＝HT-H，所以从图11-28b中的理论扬程曲线HT，上减去相应的水力损失∆Hh，就得到理论流量与实际扬程的关系曲线QT-H，如图11-28a中所示。水力损失的大小可用水力效率ηh说明，它是实际扬程与理论扬程之比，即于是水泵的实际扬程,,,容积损失，由于水泵结构上的需要，泵体内有很多间隙，当间隙前、后压力不等时，水就要从高压区流向低压区，如流经叶轮入口密封闭隙、平衡孔和平衡鼓、平衡盘的水，它们虽然经过叶轮获得了能量，但未被利用和输出，而在克服间隙阻力时消耗掉了，这部分能量损失称为容积损失，用符号∆Q表示。容积损失是理论流量与实际流量Q之差，即∆Q＝QT–Q，由流体力学可知，泄漏量∆Q与扬程H是平方根关系。如图11-28a中从曲线QT-H的横坐标上减去相应的泄漏里∆Q后，就得到了离心泵的实际流量与实际扬程的关系曲线Q-H。容积损失的大小可用容积效率η0说明，它是实际流量与理论流量之比，即，于是水泵的实际流量,,,,,机械损失离心泵的叶轮在充满水的泵壳中旋转，叶轮外表面与水有摩擦损失，一般称为圆盘摩擦损失。另外在泵的轴承、填料等处也有摩擦损失，这些统称为机械损失。机械损失的大小可用机械效率ηm来说明。它是传给水的功率与轴功率之比，即综上分析可见，从理论分析所得的水泵性能曲线，如图11-28a所示，与实测的曲线形状大致相同，但还不完全一致，这是由于人们对水泵内的全部流动过程及各种损失做了很多假设和近似的结果。,,水泵的效率是指水泵有益功率与轴功率之比，，将水泵的实际流量与实际扬程代入可得即水泵总效率η为水力效率ηh、容积效率η0和机械效率ηm的乘积。由于水泵在矿山使用范围广，运转台数多，功率消耗大，所以水泵的效率就更显得重要，哪怕提高1％，也能节约大量的电力，因此，应尽可能提高水泵的效率，不仅要设计合理的结构尺寸，符合制造和加工的各项要求，以减小各种损失，而且在日常运转维护中也要注意经常保持水泵在高效率区工作。,,,[例11-2]有一离心泵，当转数为2950r/min时，Q＝0.078m3/s，H＝100m，此时泵的轴功率N＝105kW，容积效率η0＝0.93，机械效率ηm＝0.94，求水力效率ηh，水的重度γ＝9810N/m3。[解]水泵总效率因为所以,,,,第四节离心式水泵的相似理论、比例定律及比转数,到目前为止，人们对于水泵内的复杂运动规律还没有完全掌握，所以要得到一台结构合理、性能良好的水泵，还不能完全靠理论分析来设计，而要进行大量的试验工作。由于受各种条件的限制，首先制成模型进行试验比用实物方便和经济，那么如何确定模型尺寸如何将模型试验的结果换算到实物上去这就是相似理论要解决的问题。,一、相似条件,根据流体力学相似理论，要保持模型泵和实物系相似，必须满足三个条件，即几何相似，运动相似和动力相似。以注脚“p”表示实物泵的参数，以注脚“m”表示模型泵的参数。,一几何相似模型和实物泵的流通部件的几何形状相同，它们对应部分的长度成比例，对应角相等。式中lp、lm实物和模型的任一几何尺寸。,,,二运动相似水在模型和实物泵内运动过程相似，它们对应点的速度方向相同，速度大小成比例。亦即对应点的速度三角形相似。式中np、nm实物和模型的转数。从上式可见运动相似是建立在几何相似的基础上的。,,三动力相似模型与实物对应点所受各种力的方向相同，大小成比例。水在泵中流动起主要作用的力是惯性力和粘性力，所以只要这两个力相似，可以认为动力相似，由流体力学相似理论可知，保持惯性力和粘性力相似的相似准数是雷诺数，水在泵中流动的雷诺数可写成Re＝u2D2/γ，当水在模型和实物中流动的雷诺数相等时，就保证了它们动力相似。实际上要使雷诺数相等