矿山机械1-4章课件

矿山机械,河南省煤炭高级技工学校煤矿工程教研室张振峰,2020/5/27,2,目录,第一章流体力学基础第二章矿山排水设备第三章矿山通风设备第四章矿山空气压缩设备,2020/5/27,3,第一章流体力学基础,第一节概述第二节流体静力学基础第三节流体动力学基础第四节流体的流动和损失水头,2020/5/27,4,第一节概述,一、流体力学研究的对象和任务定义：流体是液体和气体的总称。研究对象：研究流体的平衡和运动规律。研究任务：用理论分析和实验相结合的方法，建立起流体中作用力、运动速度和压强之间的关系，并用得到的规律解决工程实际中的问题。学习目的：为学习矿山排水、通风和压风设备等专业知识提供必要的理论基础。,2020/5/27,5,第一节概述,二、单位制定义：基本单位和导出单位的总和称为单位制。种类：法定单位制、工程单位制。两者之间的换算关系见表1-1本课程采用法定计量单位。,2020/5/27,6,第一节概述,三、流体的主要物理性质一）密度和重度1、密度对于均质流体，单位体积液体流体所具有的质量。=m/Vkg/m3式中m流体的质量，kg；V流体的体积，m3。2.重度对于均质流体，单位体积流体所具有的重量。=G/VN/m3式中G流体的重量，N。重度与密度的关系=g式中g重力加速度，m/s2。g=9.81m/s2,2020/5/27,7,第一节概述,二）压缩性和膨胀性压缩性：如果流体温度不变而作用于流体上的压力增加时，则流体的体积会减小，密度增大，这一性质叫做流体的可压缩性。膨胀性：流体的体积随温度的升高而膨胀的性质叫做流体的膨胀性。液体的压缩性和膨胀性极小。因此它才可以作为液压传动的介质，迅速和正确地传递力和运动。但是，液体有易流动性，在工程中要考虑密封问题。气体的压缩性和膨胀性都是很大的，但是，在压强和温度变化很小的情况下，这种性质有时也可以被忽略。例如通风系统中的空气压强较小，在计算时可以看做和液体一样是不压缩流体，这样液体的平衡和运动规律性就同样适用于通风系统中。,2020/5/27,8,第一节概述,三）粘性定义：当液体在外力作用下运动时，一般流体各层的运动速度不相等，由于分子间有内聚力，因此在流体的内部产生内摩擦力，以阻止流层间的相对滑动，流体的这种性质称为粘性。(动画演示)粘性对流体的运动起阻碍作用。这是流体运动时产生能量损失的原因之一。压力和温度对粘度都有影响。流体的粘度随压力的升高而增大，当压力不高时这种变化可忽略；温度的变化对粘度的影响较大，液体的粘性随温度的升高而降低，流动性增强。气体相反，因高温下气体分子运动加剧，动量增大，粘性随温度的增高而增大。粘性的大小用粘度来表示。注：在静止液体中，因速度梯度为零，内摩擦力为零，所以流体在静止状态下是不呈粘性的。,液体粘性示意图,2020/5/27,9,第一节概述,1、动力粘度定义：在其一平方米得接触面上，所发生的相互作用力（内摩擦力）的大小，称为动力粘度，用符号表示。单位：Nm/s2（牛顿秒/米2）或者Pas（帕秒）2、运动粘度定义：流体的动力粘度与密度在一个标准大气压下且相同温度条件下的比值。以表示=/单位：m2/s。注：我国生产的全损耗系统用油和液压油采用40C时的运动粘度值（mm2/s）为其粘度等级标号，即油的牌号。,2020/5/27,10,第一节概述,3、相对粘度定义：是用特定的黏度计在规定的条件下直接测量测定的黏度。种类：赛式粘度雷氏粘度恩式粘度我国采用的是恩式粘度，是用恩式粘度计测出来的。即在一定温度下，使200ml的被测液体，在自重作用下，从圆筒中经直径2.8mm的小孔流出所需要的时间t1与20C时同体积蒸馏水流过上述仪器所需要的时间t2比值就是恩式粘度。,水箱,储液罐,电加热器,长颈瓶,支架,恩格勒黏度计,返回,2020/5/27,11,第二节流体静力学基础,讨论液体相对静止时的平衡规律及其应用。一、流体静压强及其特性一）流体静压强定义：垂直于作用面、指向物体内部的力称为压力。单位面积上作用面承受的压力称为压强。（在物理学中称压强，在液压传动中称压力。）即：p=P/s单位：Pa(帕)1MPa=1000kPa=1000000Pa二）流体静压强的特性：1、流体静压强的方向必沿作用面的内法线方向，即垂直指向作用面。2、静止流体内任一点各方向的静压强均相等。,2020/5/27,12,第二节流体静力学基础,二、流体静力学基本方程式一）基本方程式静力学基本方程式是研究在自由液面下任一点处流体静压强公式。p=p0+h（N/m2）p流体内某点静压力（Pa)p0液面压力（Pa)流体重度（N/m3）h某点在液面下的深度（m)此式为流体静力学基本方程式。它表明静止液体中任意一点的静压强等于表面压强加上该点距液体自由面距离与液体自重的乘积。,2020/5/27,13,第二节流体静力学基础,二）压强的表示方法1、绝对压强、相对压强和真空度绝对压强：以真空为基准的压强称为绝对压强，用符号pj表示。相对压强（表压强）：以环境压强为基准的压强。用符号px表示。真空度：绝对压强小于环境压强时，表压强为负值，负的表压强的绝对值称为真空度。用符号pk表示。,2020/5/27,14,第二节流体静力学基础,2、压强的计算单位1）压强单位用作用在单位面积上的力表示，其法定单位为N/m22）压强单位用大气压表示，一个标准大气压p=101325N/m2用atm表示。3）压强单位用液柱高表示，h=px/H水=10（mH2O）H水银=735（mmHg）例：某矿井的水泵排水压强为8个大气压，试用法定单位、工程单位、水柱高和水银柱高度表示，并求绝对压强。,2020/5/27,15,第二节流体静力学基础,三、等压面与连通器1、等压面：由流体静力学基本方程式可知，在重力作用下的静止液体中，距任一基准面的高度h相等的各点，压强也是相等的。这个相等的点所组成的面叫做等压面。2、连通器：相互连通的两个或几个容器。四、帕斯卡定理定义：在密闭容器内的平衡液体中，任意一点的压强如有变化，这个压强的变化值将传给液体中的所有各点，而且其值不变。,2020/5/27,16,第二节流体静力学基础,五、压强的测量,2020/5/27,17,第三节流体动力学基础,流体动力学研究流体运动的一般规律及其在工程上的实际应用。这一节主要讨论流体运动的连续定律（连续性方程）、能量定律（伯努利方程）及其在工程上的应用。运动是绝对的，静止是相对的，静止是运动的一种特殊形式，因此，在已有的静力学知识的基础上学习动力学，是由特殊到一般的过程。它们的区别是：1、在进行力学分析时，静力学只考虑重力和压力，而动力学由于流体运动，还要考虑因流体粘性产生的阻力（即内摩擦力）。2、在进行压强计算时静压强只与某点的位置有关，而动压强不仅与该点的位置有关，还与该点的流动速度有关。分析流体运动的规律是把流体运动时充满空间的各固定点或固定断面作为研究对象，分析每个时刻通过各固定点或固定断面上，流体质点的运动要素，由此确定流体运动的规律。,2020/5/27,18,第三节流体动力学基础,一、流体动力学的基本概念一）稳定流动和非稳定流动稳定流动：若流体中任一点的压强和流速都不随时间变化，这种流动称为稳定流动。例如：通风机、水泵在转速保持一定，阀门开度也一定时，则排风管、吸风管、吸水管中流体运动是稳定流动，简称稳定流。非稳定流动：压强、流速随时间而变化的流动称为非稳定流动。例如：水泵启动瞬间，吸水管和压水管中的流体运动是不稳定的流动，水位变化河道中的水流也是不稳定流动。不稳定流动是比较常见的，但如果观察的时间比较长，其运动参数变化的平均值趋于稳定，则可以按稳定流求解，这样能满足工程上的需要。,2020/5/27,19,第三节流体动力学基础,二）理想流体和实际流体实际流体：当流体流动时，由于粘性而产生阻力，势必影响流体的流动，这种现象是客观存在的，凡是客观存在的流体，称为实际流体。理想流体：假设流体流动时没有粘性，又不可压缩，这样的流体称为理想流体。先把实际流体当做理想流体来分析，得出结果后，再考虑粘性的影响加以修正，这样的效果与直接研究实际流体是一样的，而分析方法却大大地简化。,2020/5/27,20,第三节流体动力学基础,三）通流截面、流量和平均流速1、通流截面：垂直于流体流动方向的截面。又称过流断面。用S表示。,2020/5/27,21,第三节流体动力学基础,2、流量：单位时间内通过某通流截面的流体体积称为流量。用Q表示。Q=V/t注：气体体积流量随温度、压力的改变而变化，所以表示气体的体积流量时，应指明其相应的温度和压力。3、平均流速：在通流截面上各点的实际流速的平均值。即：v=Q/S,2020/5/27,22,第三节流体动力学基础,四）流量的连续性方程流体的可压缩性很小，在一般情况下，可以认为是不可压缩的，当流体在管道内做稳定流动时，根据质量守恒定理，管内流体的质量不会增多也不会减少，在单位时间内流过每一截面的流体质量必然相等，用来比嗾使流体这一特性的数学表达式叫做流体的连续性方程式。设管道的两个通流截面分别为S1、S2，流速分别为v1,v2,密度为，则:v1S1=v2S2=常数即：v1/v2=S2/S1上式称为流体的连续性方程。无论同流面积如何变化，只要没有泄漏，流体通过任一截面的流量都相等；还说明在同一管道中通流面积大的地方流速小，反之流速大；此外，当通流面积一定时，通过的流体流量越大，其流速也越大。,2020/5/27,23,第三节流体动力学基础,二、理想流体动力学基本方程理想流体动力学方程即伯努利方程，它是研究流体运动时其位置、流速、压强相互转化的方程。理想液体伯努利方程：,z单位重力流体的位置势能，简称单位位能；p1/单位重力流体的压力势能，简称单位压能；z+p1/单位重力流体的位能与压能之和，简称单位势能；v2/2g单位重力流体的动能，简称单位动能，,式中每一项的量纲都是长度单位，所以分别称为位置水头、压力水头和速度水头。物理意义：在管道内做稳定流动的理想液体具有压力能，位能和动能。在任一截面上这三种能量都可以相互转化，但其总和保持不变。静压基本方程是伯努利方程在流速为零时的特例。,2020/5/27,24,第三节流体动力学基础,三、实际液体的流体动力学方程实际液体是有粘性和可压缩性的，在运动时由于摩擦要损耗一部分能量，如果把这部分能量损耗用损失水头hw表示，则上式可以写成：四、流体动力学方程的应用,2020/5/27,25,第三节流体动力学基础,通过以上两例分析，可将应用伯努利方程解决实际问题的一般方法归纳如下：1.选取适当的基准水平面；2.选取两个计算截面；一个设在已知参数的断面上，另一个设在所求参数的断面上；3.按照液体流动方向列出伯努利方程；4.若未知数的数量多于方程数，则必须列出其他辅助方程，联立求解。,2020/5/27,26,第四节液体的流动和损失水头,一、液体流动的两种状态层流：流体运动时，各质点做分层运动，流体质点在流层之间不发生混乱，呈现规则的层状运动。,紊流：流体运动时，形成紊乱的形态，流体质点不保持在某一个固定层内运动，而有交混和碰撞，产生动能交换，形成无规则的混乱状态。,2020/5/27,27,第四节液体的流动和损失水头,二、液流在管路中的损失水头一）液流在管路中的两种损失水头液体在管路中流动时，必然要遇到各种阻力，为了克服这些阻力，就要损失部分能量（水头），这种能量损失有两种：1、沿程损失：液流在管路的直线部分所损失的水头。用符号hy表示。2、局部损失：液流在管路的弯头、闸阀、逆止阀、异形接头、滤水器和底阀、三通、四通等非直线的局部所损失的水头。用符号hj表示。由此可见，损失水头是沿程损失水头和局部损失水头的总和。即：hw=hy+hj,2020/5/27,28,第四节液体的流动和损失水头,二）损失水头的确定1、沿程损失水头的确定hy=(l/d)(v2/2g)式中：l管路长度d管路直径v液体在管路中的平均流速沿程阻力系数，一般取0.02-0.03，旧管路加倍。,2、局部损失水头的确定hj=(v2/2g)v局部阻力“后面”的平均流速局部阻力系数。900弯头一般取0.2-0.3450弯头一般取0.1-0.5闸阀的阻力系数取0.1-0.26逆止阀的阻力系数取1.7滤水器和底阀的阻力系数取5-6返回,2020/5/27,29,第二章矿山排水设备,第一节离心式水泵的工作原理第二节离心式水泵的构造第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定第四节离心式水泵联合运转,2020/5/27,30,第一节离心式水泵的工作原理,一、概述矿井涌水量是指单位时间内涌入矿井的总水量，其单位是m3/h。在煤矿建设和生产过程中，各种来源的水不断地涌入矿井，涌入矿井的水统称为矿水。矿水主要来源于地下水和地表水，水力采煤和水沙充填的矿井，还包括这些废水。为保证井下工作人员的安全、设备的安全和生产的正常进行，要把涌入矿井的矿水及时的排送至地面。矿井的涌水量和地质条件、气候及开采方法等因素有关。据统计，每开采一吨煤，要排出27吨矿水，有的矿井甚至多达3040吨。一般来讲，雨雪季节涌水量最大，称为最大涌水量，其余季节涌水量变化不大称为正常涌水量。有时为了便于比较各矿涌水量的大小，常采用同时期单位煤炭产量的涌水量作为比较参数，称为含水因数。,2020/5/27,31,第一节离心式水泵的工作原理,一）排水设备的任务矿山排水设备的任务就是将井下巷道中矿水（涌入矿井内的水统称为矿水）及时的排至地面，确保井下工作人员的人身安全、设备的安全和矿井的安全正常生产。因此，要求矿山排水设备的选择、布置必须符合国家有关规定（如煤矿安全规程等），排水设备必须安全、可靠、经济的工作，以确保安全生产。二）矿井水的性质：矿水的性质主要是指矿水的物理性质（包括重度、温度等）和化学性质（主要是PH值）。物理性质：由于矿水中含有矿物质和大量泥沙，所以矿水的重度比清水要大些，一般为：995710055N/m3，（密度为10151025Kg/m3）。含有大量泥沙的矿水会加速水泵零件的磨损，因此，要设置水仓或沉淀池对矿水中的泥沙进行充分沉淀。化学性质：PH7碱性水PH=7中性水PH7酸性水酸性水会腐蚀各种机械设备和金属材料，（PH5）因此必须采取防酸措施。,2020/5/27,32,第一节离心式水泵的工作原理,三）水泵的分类分为：离心式、往复式、喷射式三种。离心式水泵：按叶轮数目分1、单级水泵泵轴上只装有一个叶轮2、多级水泵泵轴上装有多个叶轮按叶轮进水口数目分1、单吸水泵叶轮上只有一个进口2、双吸水泵叶轮两侧都有进水口按泵壳接缝形式分1、分段式水泵垂直泵轴心线的平面上有泵壳接缝2、中开式水泵在通过泵轴心线的平面上有泵壳接缝按泵轴的位置分1、卧式水泵泵轴为水平位置2、立式水泵泵轴为垂直位置单级、多级；分段式、整体式；卧式、立式。优点：结构简单、效率高，维修方便。,2020/5/27,33,第一节离心式水泵的工作原理,四）矿井排水设备的组成主要有水泵、电动机、吸水管排水管和装在管路以及水泵上的附件、仪表等部分组成。,1-离心式水泵2-电动机3-启动设备4-吸水管5-滤水器6-底阀7-排水管8-调节闸阀9-逆止阀10-旁通管11-引水漏斗12-放水管13-放水渣阀14-真空表15-压力表16-放气栓,2020/5/27,34,第一节离心式水泵的工作原理,二、离心式水泵的工作原理图示为一单吸单级离心式水泵的结构示意图。它主要由叶轮、泵轴、外壳、和轴承等组成。叶轮是向水传递能量的主要部件，叶轮固定在泵轴上，由电机带动泵轴和叶轮一起转动。外壳为一螺旋形扩散室，吸水口和排水口分别与吸水管和排水管连接。水泵启动前，先充灌满引水，然后启动电机。电机带动叶轮旋转，产生离心力，叶轮内的水在离心力的作用下由入口流向出口，经螺旋形扩散室进入排水管被排出。同时，叶轮入口因水被排出而压力降低，吸水井中的水在大气压力的作用下，通过吸水管被压入叶轮入口，形成连续流动。,2020/5/27,35,第一节离心式水泵的工作原理,三、离心式水泵的性能参数一）流量水泵在单位时间内排出水的体积称为流量。用符号Q（m3/h，l/s）表示。二）扬程单位重力的水通过水泵后所获得的总能量，称为水泵的扬程，用H表示，单位m。吸水扬程（吸水高度）Hx水泵轴线到吸水水面的垂直高度，m。排水扬程（排水高度）Hp水泵轴线到排水管出水口中心的垂直高度，m。实际扬程（测地高度)Hsy吸水扬程与排水扬程之和，即Hsy=Hx+Hp，m。扬程H用于提高水位（实际扬程）、克服流动阻力（hw）和流动所需的速度水头（）三个部分。,2020/5/27,36,第一节离心式水泵的工作原理,三）功率水泵在单位时间内所做的功的大小，用P表示，单位为kW。水泵的功率分为轴功率、有效功率和配用功率。轴功率（水泵的输入功率）是指电动机传递给水泵的功率，用P表示。有效功率（水泵的输出功率）是指水泵传递给水的实际功率，用Px表示。，kw式中Px水泵的有效功率，kw；矿水的重度，N/m3；Q水泵的流量，m3/s；H水泵的扬程，m。配用功率：指一台水泵应选配电动机的功率数值。,2020/5/27,37,第一节离心式水泵的工作原理,四）效率因水泵内有损失功率存在，因此水泵的有效功率总比轴功率小。效率是以有效功率与轴功率的比值的百分数表达，用符号表示。水泵的效率大小表明了水泵性能的好坏和动力的利用情况。目前矿用离心泵的效率一般为60%-85%，有些离心泵的效率可达90%。,2020/5/27,38,第一节离心式水泵的工作原理,五）转速和运转比例定律水泵每分钟旋转的圈数，叫做水泵的转数，用符号n表示，单位：r/min水泵铭牌上标明的转速数值，叫做额定转速。水泵的流量、扬程和功率随着转速的改变而改变的变化规律，叫做水泵的运转比例定律。1、水泵的流量与其转速成正比。Q1/Q2=n1/n22、水泵的扬程与其转速的平方成正比。H1/H2=(n1/n2)23、水泵的功率与其转速的立方成正比。N1/N2=(n1/n2)3上述三个定律也适用于通风机。,2020/5/27,39,第一节离心式水泵的工作原理,六）允许吸上真空高度定义：离心式水泵在工作时，能够吸上水的最大吸水高度，叫允许吸上真空高度，用符号Hs表示，单位：m注：铭牌上的Hs不能作为实际的吸水扬程，因为在吸水管内有压强损失，水在以流速v流动时需要速度水头v2/2g因此：Hx=Hs-Hxs-v2/2g由此可知：HxHs,当Hs一定时，Hxs和v2/2g越小，Hx就越大。从物理意义上讲，泵内达到绝对真空时，最大的吸水扬程应该是10.33米，但泵的进口处是不能达到绝对真空的，加上还有损失水头，所以要小于10.33米，一般仅在4-8米范围内，而水泵的几何安装高度（实际吸水扬程）一般限制在5-6米范围以下。如果Hx过大，则有可能产生汽蚀现象。,2020/5/27,40,第一节离心式水泵的工作原理,汽蚀现象：水泵在工作时，叶轮进口处的压强越低，吸水高度就越大。实际上叶轮进口处的压强时不能过低的，若叶轮进口处的压强低于水在该水温下的饱和蒸汽压强是，就会有蒸汽及溶解在水中的大量气体从水中逸出，形成许多蒸汽与气体混合的小气泡。这些小气泡随水流进入叶轮内的高压区内，蒸汽开始凝结成水，结果在气泡消失处形成空洞，周围的水急速进入空洞，因此造成极大的水力冲击。由于气泡不断地形成和凝结，强大的水冲击压强以极高的频率反复地作用在叶轮上，就会使金属表面逐渐被破坏，通常称这种破坏为机械剥落。另外，在气泡中还夹杂有一些氧气等活泼气体，它们借助气泡消失时放出的热量，对金属起化学腐蚀作用。化学腐蚀和机械剥落的共同作用，使金属表面很快出现蜂窝状得麻点，并逐渐形成空洞，以上现象称为汽蚀现象。水泵发生汽蚀时，会发出振动和噪声，流量、扬程、功率和效率显著下降，严重时会出现断流。因此，水泵不能在汽蚀的情况下进行工作。水泵扬程下降1%，一般认为水泵发生了汽蚀。,2020/5/27,41,第一节离心式水泵的工作原理,四、离心式水泵与管路的性能曲线一）水泵的性能曲线流量Q、扬程H、转速n、功率N及效率等是离心式水泵的主要性能参数，它是指某台水泵在效率最高点测定的有关参数。而水泵流量是变化的，随着流量的变化，其他参数也都随之变化。每一种型号的水泵都按着本身特定的变化规律而变化。水泵在额定转速下，用流量Q为横坐标，扬程H、轴功率N和效率为纵坐标表示的关系曲线，就是水泵的性能曲线或称为特性曲线。铭牌上所标的水泵的流量、扬程、轴功率、效率和允许吸水高度是在水泵的额定转速下，其效率最高时所对应的各个性能参数。,2020/5/27,42,第一节离心式水泵的工作原理,1、流量-扬程曲线（Q-H）水泵的流量和扬程之间的关系曲线。从图中可以看出，当流量为零时，扬程最大，这个扬程叫初始扬程，随着流量的增大，则扬程缓缓下降。2、流量-功率曲线（Q-N）水泵流量和功率之间的关系曲线。水泵的功率是随着流量的增大而逐渐增大的。当流量为零时，功率最小，所以离心式水泵要在调节闸阀完全关闭的情况下启动，以减小启动功率。,2020/5/27,43,第一节离心式水泵的工作原理,3、流量-效率曲线（Q-）水泵流量和效率之间的关系曲线从图中可以看出，当流量为零时，水泵的效率也为零，随着流量的增大，效率便急剧地增加，当流量增加到一定的值后，效率反而下降了。水泵的效率有一个最大值，我们把图中反映水泵效率的最大值之点，叫做最高效率点。水泵在工作时，最好其Q、H、N正好与最高效率点相对应（可达到少耗电多排水之目的）但实际很难做到，因此在最高效率点附近划一段效率较高的区域，这个区域叫做水泵的高效区。也即水泵的合理工作区域或允许工作区域。4、允许吸上真空度曲线或汽蚀余量（Q-Hs）允许吸上真空度曲线表示水泵入口处的真空度和流量之间的关系，反映了水泵抗汽蚀能力的大小，也决定了吸入式水泵吸水高度的大小。随流量的增加，水泵入口处的真空度逐渐减小，水泵抗汽蚀能力下降，水泵的吸水高度就要降低。,2020/5/27,44,第一节离心式水泵的工作原理,二）管路性能曲线H=Hsy+RQ2对于一般的排水管路系统来说，可以认为实际扬程Hsy是不变的或者变化不大的，而损失扬程hw随Q的变化而变化。管路性能曲线是一条不通过坐标原点的抛物线。管路阻力越大，曲线往上越陡，阻力越小，曲线往下越平直。,2020/5/27,45,第一节离心式水泵的工作原理,三）工况点把水泵的性能曲线和管路性能曲线，用同样的比例绘制在一个曲线图上，则水泵的Q-H曲线和管路性能曲线的交点M即为离心式水泵的工况点。水泵是和管路联合工作的，水泵的流量就是管路中水的流量，水泵的扬程要全部消耗在管路中（包括提高水位、管路中的阻力损失和动能），D型泵的扬程是一条单调下降的曲线，而管路的特性曲线是单调上升的曲线，只有在同一坐标下两条曲线的交点，水泵的流量等于管路中的流量，水泵的扬程等于能量在管路中的全部消耗，所以，水泵只能在两条曲线的交点进行工作，该交点叫水泵的工况点（工作点）。由工况点便可给出该水泵在管路中工作时的工作性能参数：QM、HM、NM和M的大小。不论工况点怎么改变，都必须要求其工况点都位于高效区得范围内，以保证水泵运转的经济性。即M(0.85-0.9)max只有这样，才能保证水泵运转的稳定性。,2020/5/27,46,第一节离心式水泵的工作原理,五、离心式水泵的无底阀排水为减少吸水管路的阻力损失，提高吸水高度，改善管路特性和消除底阀不开、底阀经常泄漏等故障。目前某些主排水设备已经取消底阀，加装喷射器，实现无底阀排水。喷射器原理：将离心式水泵和喷射器连接起来，就是在排水管的逆止阀上接出一条管路与喷射器的高压工作水管连接，喷射器的吸水口和水泵的放气口相接，喷射器的扩散出口用水管引入水仓。启动前先打开闸阀，利用排水管中的高压水从喷嘴流出时的高速，在喷嘴出口处造成低压，将泵腔和水泵吸水管内的空气带走，使泵内形成真空，在大气压强的作用下，水进入吸水管，使水泵充满水，既可启动水泵。,2020/5/27,47,第一节离心式水泵的工作原理,六、离心式水泵的正常工作条件离心式水泵的正常工作条件是不发生汽蚀条件、稳定工作条件和经济工作条件。1、不发生汽蚀条件要使水泵不发生汽蚀，就要使水泵入口处的压力不低于当时水温下的饱和蒸汽压，并留一定的安全余量。2、水泵的稳定工作条件电网电压会在以内变化，当电网电压降低时，水泵的扬程特性曲线就会下降，当水泵的零扬程H0低于实际扬程时HC，水泵就排不出水，流量为零。电动机传递给水泵的能量就会转变成热能，使水泵和管路中的水温迅速上升，水泵强烈发热，使水泵很快损坏，所以，水泵不允许长时间在零流量下工作。水泵稳定工作条件是：HC0.9H0,2020/5/27,48,第一节离心式水泵的工作原理,3、水泵的经济工作条件为保证水泵经济工作，水泵的效率不能太低，要求水泵的工况效率不低于最高效率的8590%，并依此划定的区域称为工业利用区。即在水泵选择设计时，水泵的工况点应在该区域内，见图5-20。经济工作条件为：M(0.85-0.9)max,水泵的经济工作条件与工业利用区,返回,2020/5/27,49,第二节离心式水泵的构造,一、离心式水泵的主要部件一）叶轮离心式水泵的主要部分，通过它把机械能传递给水，把水送到一定高度或距离。叶轮有开式和闭式两种。材料：铸铁、耐酸合金（青铜）、塑料等。叶轮的形状和直径的大小，直接影响水泵的流量和扬程，一般不超过800mm，分段式离心泵的各级叶轮中，除第一级叶轮直径稍大外（降低水流速度，改善汽蚀性能，但会影响水泵效率），其余形状完全相同。叶轮的质量决定着水泵的效率，是水泵中的易损件。,图5-5叶轮结构示意图,1-前盘2-后盘3-叶片4-轮毂,2020/5/27,50,第二节离心式水泵的构造,二）泵壳它的作用是吧叶轮推出的水收集起来，由一个圆形断面的出口送出。整个流道分成两部分，由舌尖至截面为螺壳段，由截面至出口为扩散段。前段的作用，是把叶轮（导向器）抛射出来的水，先后均匀地并入总流。后段得作用，是使水流减速，把部分动能变成压力能。为适应螺壳中水流沿途逐渐增多的状况，螺壳断面逐渐加大，以保持流速接近常数。多级水泵的泵壳是分段式的。由前段（进水段）、后段（排水段）及若干中段组成。进水段内的吸水室接受来自吸水管内的水，并把水均匀的导入第一级叶轮入口，降低流动损失。一般由灰口铸铁铸造加工而成。中段又称导叶,主要由导水叶片和返水叶片组成。导水叶片的导水流道和返水叶片的返水流道把上一级叶轮流出的高压水以最小的损失导入下一级叶轮入口。导水叶片和叶轮叶片数目相差一个，以避免水流的脉动，产生冲击和振动。一般由灰口铸铁铸造加工而成。出水段的作用是收集最后一级叶轮流出的高压水，并以最小的损失把水均匀的引至出口。出水段的流道为螺线形扩散室，水在流动中损失最小，并有一部分动压转变为静压，效率较高。,2020/5/27,51,第二节离心式水泵的构造,三）导向器和反水道导向器作用：1、引导水流的运动方向；2、降低水流速度，将动压变为静压。导水叶片和叶轮叶片数目相差一个，以避免水流的脉动，产生冲击和振动。反水道的作用：把高压水以最小的损失引入下一级叶轮进口。,1-中段2-导水叶片3-返水叶片,2020/5/27,52,第二节离心式水泵的构造,四）密封环和填料装置水泵的密封包括各固定段之间结合面的密封、转动部分的密封（叶轮的密封、吸水侧和出水侧的密封）。固定段之间结合面采用纸垫密封。密封环的作用：防止高压水循环。密封环是易磨损件，用平头螺栓固定在叶轮的吸水处，磨损后可随时更换新件，从而延长叶轮的使用寿命。吸水侧的填料密封的主要目的是防止空气进入水泵。由于水泵轴穿过进水段处有间隙，间隙又与前段的吸水室相通，而吸水室的压力小于大气压力，若密封不好，外界大气将进入吸水室，影响正常吸水，使水泵的流量减少，严重时产生断流。,1-填料压盖2-进水段3-轴套4-压盖螺栓5-水封环6-填料,2020/5/27,53,第二节离心式水泵的构造,填料装置又称填料箱或填料函，他的作用是封闭泵轴穿出泵壳时的间隙，防止漏水漏气；另外还可以起到部分支撑泵轴，引水润滑、冷却泵轴的作用。组成：填料座、填料、填料环、压盖。填料的压紧程度可以调整，但不能太紧，否则会导致启动负荷过大，填料发热，摩擦阻力增大，一般以水成滴状（不成线，一秒一滴）向外泄漏为宜。五）泵轴与轴承为防止泵轴和填料的磨损，在泵轴上装有轴套，并用其固定叶轮组和轴。在各叶轮间装有隔离套，用以保证叶轮间距，防止轴和小口环的直接接触，借以延长轴的使用寿命。轴承有滑动轴承和滚动轴承，在使用滚动轴承时，其外套和轴承座必须有轴向窜量。,2020/5/27,54,第二节离心式水泵的构造,二、D型离心式水泵D型泵具有效率高，是目前我国设计制造的多级离心泵中效率最高的；流量、扬程范围较大，并有清水泵和耐酸泵之分，适合于矿山排水；采用了单列向心滚柱轴承，减小了摩擦阻力，提高了水泵的效率；采用的平衡装置（平衡盘和平衡座）能自动平衡轴向推力等特点。D型泵主要由固定部分、转动部分和密封部分等组成。,D型泵外形图,2020/5/27,55,第二节离心式水泵的构造,2020/5/27,56,第二节离心式水泵的构造,1、转动部分主要由泵轴、叶轮、平衡盘和轴承组成，叶轮和平衡盘装在泵轴上，泵轴支撑在两端的轴承上，在电动机的带动下一起转动。2、固定部分固定部分主要包括进水段（前段）、中段和出水段（末段）等部件，用拉紧螺栓连接。吸水口为水平方向并位于进水段，出水口为垂直方向位于出水段，。3、密封部分水泵的密封包括各固定段之间结合面的密封、转动部分的密封（叶轮的密封、吸水侧和出水侧的密封）。固定段之间结合面采用纸垫密封。,2020/5/27,57,第二节离心式水泵的构造,D型泵型号的意义新型号：D155-305DF155-305D单吸多级分段式清水泵；DF单吸多级分段式耐酸泵；155额定流量，m3/h；30平均单级额定扬程，m；5水泵叶轮级数（叶轮数目）。,旧型号：150D305150DF305150吸水口的直径，mm；D单吸多级分段式清水泵；DF单吸多级分段式耐酸泵；30平均单级额定扬程，m；5水泵叶轮级数（叶轮数目）。,2020/5/27,58,第二节离心式水泵的构造,三、离心式水泵的轴向推力及平衡方法（一）轴向推力产生的原因由于作用在叶轮前、后盘上的压力不平衡产生轴向推力。从叶轮流出的高压水作用在叶轮的前、后盘，而前盘的吸水口使前盘面积小于后盘，而高压水作用在前、后盘上的压力不等，后盘压力大，前盘压力小，产生向吸水侧的轴向推力。轴向推力很大，如不进行平衡，水泵将不能工作。,2020/5/27,59,第二节离心式水泵的构造,（二）平衡方法1、采用双面进水叶片和叶轮双向布置，使轴向力自行平衡。优点：方法简单。缺点：当两侧的大口环磨损程度不同，因而两侧泄漏量不同时，轴向推力即失去平衡，因此使用的轴承必须能在一定程度上吸收轴向负荷。2、平衡孔法。用于小型的单级单吸泵，在后盘上开平衡孔。优点：方法简单。缺点：通过平衡孔会漏掉部分高压水，降低效率。3、止推轴承法。多用于小型泵，要与平衡孔法配合使用。,2020/5/27,60,第二节离心式水泵的构造,2020/5/27,61,第二节离心式水泵的构造,4、平衡盘法平衡盘和平衡座是用来平衡轴向推力的平衡装置，平衡盘与平衡座之间为平衡室，并经设计的窜水间隙与末一级叶轮的高压水相通，平衡盘右侧空间经回水管与吸水管相通，因此，平衡盘左侧压力高，右侧压力低，产生一个和轴向推力相反的平衡力。平衡盘可以自动平衡轴向推力。当水泵启动时，平衡室内水的压力较低，平衡力较小，这时的轴向推力大于平衡力，平衡盘随泵轴向吸水侧移动，平衡室间隙减小，从平衡室流出水量减小，平衡室内的压力增大，平衡力逐渐增大，当平衡力大于轴向推力时，平衡盘右移，平衡室间隙增大，流出的水量增大，平衡室内的压力降低，平衡力减小，当平衡盘小于轴向推力时，平衡盘又向吸水侧移动，重复上述过程，自动平衡轴向推力。,1-末级叶轮2-平衡座3-平衡盘,2020/5/27,62,第二节离心式水泵的构造,平衡盘平衡轴向推力应注意以下几个问题。1、尽量减少水泵的起、停次数，以减少平衡盘和平衡座的磨损。因水泵在启动过程中，流量小、扬程大，轴向推力较大，平衡力较小，使泵轴向吸水侧窜动，使平衡盘与平衡座接触而造成磨损。2、要保证回水管的通畅，如果回水管堵塞，平衡盘两侧就没有压力差，平衡盘将失去作用。3、泵轴应有14mm的轴向窜量。因平衡盘在平衡轴向推力的过程中随泵轴左右移动，所以，泵轴要有一定的轴向窜量，以保证平衡盘能自动平衡轴向推力。,2020/5/27,63,第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定,一、离心式水泵的启动、运转和停止一）离心式水泵的启动在离心式水泵启动前后，需要做下列工作：1、清除机组附近的有碍运转的任何物件，检查基础螺丝及所有连接部分的紧固情况，检查填料压盖的松紧程度，检查并加足润滑油。2、在启动前必须用手转动联轴器至少一周，判明有无卡阻现象。3、向泵内灌注引水，关闭放气阀。4、关闭排水管上的闸门，以减小启动功率。5、水泵启动后，注意压力表、真空表、电流表的读数是否正常，如发现意外情况时，应立即停机处理。6、若水泵压强达到正常时，则可渐渐打开闸门，向管路供水，以免水泵发热，在闸门关闭的情况下，运转时间不应超过3min。,2020/5/27,64,第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定,二）离心式水泵的运转为保证水泵正常运转需要注意以下事项：滤水器最上端距离吸水井水面不能小于1m，以防止吸入的水中含有空气造成水泵不上水。水泵上装置的压力表、真空表指示数要正常中，如指针有大幅度的摆动，立即停车。水泵的响声要正常，如有不正常声音要立即停泵检查。轴承温度不得超过环境温度。电动机温度不得超过电动机额定温度，填料箱与外壳不烫手。填料完好、松紧合适，运行中应陆续滴水。,2020/5/27,65,第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定,（三）离心式水泵的停止停止水泵时，需要按以下的步骤进行：关闭排水管上的调节闸阀，使水泵进行空转状态；关闭真空表旋塞；切断电源，使水泵逐渐停止；关闭压力表旋塞；停泵后，应及时解决在工作中出现的问题，做好清洁工作；如停泵时间长，为避免锈蚀和冻裂，应将泵内的水放空，并对水泵进行油封。,2020/5/27,66,第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定,三煤矿安全规程、设备完好标准有关排水设备的各项规定一）煤矿安全规程对排水设备的规定第278条主要排水设备应符合下列要求：1、水泵-必须有工作、备用和检修的水泵，其中工作水泵的能力，应能在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量（包括充填水及其它用水）。备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%，并且工作和备用水泵的总能力，应能在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。检查水泵的能力不小于工作水泵能力的25%。2、水管-必须有工作和备用水管，其中工作水管的工作能力应能配合工作水泵在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。涌水量小于300m/h的矿井，排水管不得少于两趟。3、配电设备-应用工作、备用和检相修水泵相适应，并能够同时开动工作和备用水泵。,2020/5/27,67,第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定,第279条主要泵房至少有两个出口，一个出口用斜巷通到井筒，这个出口应高于泵房地面7m以上；另一个出口通到井底车场，在这个出口的通路内，应设置容易关闭的既能防水又能防火的密闭门。泵房和水仓的连接通道，应设置可靠的控制闸门。第三281条水管、水泵、闸阀和排水用的配电设备等都必须经常检查和维护。在每年雨季前，必须全面检查修理一次，所有零配件应补充齐全，并对全部工作水泵和备用水泵进行一次同时运行试验，发现问题，及时处理。,2020/5/27,68,第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定,设备完好标准对排水设备的规定泵体和管路1、泵体无裂纹2、泵体与管路不漏水、防腐良好。排水管路每年进行一次清扫，水垢厚度不超过管径的2.5%.3、吸水管管径不小于水泵吸水口径.4、水泵轴向串量符合有关技术规定,部分多及泵见表2-5D型泵轴向串量，单级水泵轴向串量不大于0.5.5、盘根不过热，漏水不成线。6、真空表、压力表指示正确，每年校验一次。闸板阀、逆止阀、底阀1、齐全、完整、不漏水。2、闸阀操纵灵活，动作可靠。3、吸水井无杂物，底阀不淤埋和堵塞。不4、漏水，自灌满水后5min能起动水泵。无5、底阀水泵的引水装置应能在5分钟内启动水泵。,运转与出力1、动转正常，无异响，无异常振动。2、水泵主闸阀应能全部敞开。3、电动机温度正常。4、主水泵每年进行一次技术测定，排水系统效率不得低于50%，测定记录有效期一年。5、吸水高度不超过水泵设计允许值。资料1、泵房内有排水管路系统图、供电系统图。,2020/5/27,69,第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定,四、离心式水泵的检修（一）泵轴的检修一般泵轴的制作材料为35号、40号、45号优质碳素钢。泵轴有下列情况时应进行更换：泵轴已产生裂纹；泵轴有严重的磨损，或有较大的足以影响其机械强度的沟痕。泵轴在下列情况下，需要进行修理：轴的调直。轴的弯曲度超过大密封环和叶轮入口外径间隙1/4时，进行调直或更换。轴的修补。泵轴与轴承相接触的轴颈部分磨出沟痕时，可用金司喷镀、电弧喷镀、电解镀铭等方法进行修补。磨损过大时，可用镶套法进行修复。键槽的修理。键槽损坏较大时，可把旧键槽加工焊补好，另在别处开新键槽。但对于传递功率较大的泵轴不能这样做，必须换新轴。,2020/5/27,70,第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定,（二）轴承的修理1、滑动轴承的修理1）轴承架有裂纹，如不严重时可补焊，如果裂纹严重时，则需要高更换新轴承。2）轴承盖破损时，可以用补焊修复或更换新轴承盖。3）轴瓦损坏时，须更换新轴瓦。2、滚动轴承的修理应按规定要求对滚动轴承进行检查，如不符合技术要求，则须更换新轴承。,（三）叶轮的修理1、叶轮的更换叶轮若有下列情况之一时，则应进行更换：叶轮表面出现裂纹；叶轮表面因腐蚀而形成较多深度超过3的麻窝或穿孔。因腐蚀而使轮壁变薄（剩余厚度小于2），以致影响机械强度；叶轮入口处发生严重的磨偏现象。2、叶轮的修理叶轮腐蚀不严重或砂眼不多时，可用补焊方法来修复。,2020/5/27,71,第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定,（四）平衡盘的修理1）平衡盘与平衡环磨损凸凹不平时，可用研磨方法处理；2）为了增加平衡盘的使用寿命，在其盘面上用沉头螺钉固定一个摩擦环，摩擦环磨损后可更换新的；3）平衡环、平衡盘和平衡套磨损严重时，必须更换新的。（五）密封环的修理大密封环的内径和叶轮入口外径的间隙应符合表2-6规定。（六）填料装置的修理1）检修水泵时，填料应更换新的；2）填料装置的轴套磨损严重时，应更换新的。,2020/5/27,72,第三节离心式水泵的运行、检修和性能测定,（七）泵壳的修理1）泵壳的损伤大都因为机械应力和热应力的作用而出现裂纹，在检查时，用手轻轻敲壳体，如有破哑声，则说明已破裂。找出裂纹位置，并在裂纹处涂上煤油，擦干表面，然后涂上一层白粉，并用手锤再敲机壳，则裂纹内的煤油就会渗出来浸蚀白粉，呈现一条黑线，既可显明裂纹的长短。2）裂纹的修理方法有：（1）如裂纹在不承受压力或不起密封作用的地方，为防止裂纹继续扩大，可在裂纹的始端与终端各钻一个直径为3的圆孔，以避免裂纹扩大和应力集中。（2）如裂纹在承受压力的地方，则应进行补焊修复。,2020/5/27,73,第四节离心式水泵联合运转,离心式水泵的串联运行在矿井生产中，当一台水泵不能满足所需要的扬程时，可将两台或几台水泵的排水管与吸水管串联起来，进行联合运转，以达到增加扬程的目的，这种方法叫做水泵的串联运转。水泵串联运转的条件：两台水泵的流量应基本上相等，至少是两台水泵的最大流量基本相等才能串联。在同一地点安装时，后一台水泵的强度应能承受两台水泵的压力总和。图2-23为性能相同的、两台泵在同一地点串联运转示意图。第一台水泵的排水口与第二台水泵的吸入口相联（用于第一台水泵的压强不大于1.6MPa的条件下）,2020/5/27,74,第四节离心式水泵联合运转,离心式水泵的并联运行当用一台水泵不能满足所需要的流量时，可将两台或几台水泵的排水管合用一条排水管路，进行联合运转，以达到增加流量的目的，这种联合运转的方法叫做并联运转。水泵并联运转的条件：并联运转的水泵和的扬程基本相等，至少水泵的初始扬程应基本相等，并且水泵的QH曲线是无峰的（下降的），不然的话，扬程低的水泵不能发挥作用，甚至完全不起作用。,2020/5/27,75,第三章矿山通风设备,第一节通风机的工作原理第二节矿用通风机的结构第三节矿井通风机的运行与检修,2020/5/27,76,第三章矿山通风设备,第一节通风机的工作原理一、概述一）通风设备的任务在进行地下开采时，有大量有毒有害气体涌出，如沼气（CH4）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）、二氧化氮（NO2）等，加上易于引起爆炸的煤尘，以及人员的呼吸，坑木的腐烂，炮烟的扩散等，使有毒有害气体不断增加；同时，随着井深的增加和地热的作用以及机电设备散发的热量，井下的空气温度和湿度也显著增加。这些有害气体过高温度以及容易引起爆炸的煤尘，对人身和矿井都有很大的威胁。为保证井下工作人员的身体健康和安全生产，必须在井口安装通风设备，向井下输送足够的新鲜空气以排除井下的有害气体，调节井下的温度和湿度，改善矿井气候（矿井空气的温度、湿度、风速三个参数的综合作用状态）。,2020/5/27,77,第三章矿山通风设备,二）矿井通风方法使矿井上下空气交流的方法有两种，即自然通风和机械通风。自然通风是指在各种自然因素作用下，使风流获得能量沿井巷流动。借助于自然因素产生的促使空气流动的能量称为自然风压。由于自然风压一般都比较小，且受季节和气候的影响，不能保证大型矿井需要的风量，所以煤矿安全规程规定，每个矿井都必须采用机械通风。机械通风是指利用矿井通风机，迫使矿井上下的空气按一定的方向进行流动，从而为矿井提供新鲜的风流。,2020/5/27,78,第三章矿山通风设备,三）矿井通风方式可分为压入式通风和抽出式通风两种。如下左图所示为压入式通风，通风机的出风侧与巷道相接，向井下压送新鲜空气。在压入式通风矿井中，井下巷道的空气压力高于井外同标高点的大气压力，故又称为正压通风。如下右图所示为抽出式通风，通风机的进风侧与巷道相接，将井下污风抽至地面。在抽出式通风矿井中，井下巷道的空气压力低于井外同标高点的大气压力，故又称为负压通风。,2020/5/27,79,第三章矿山通风设备,在抽出式通风矿井中，井下巷道中的风流处于负压状态，一旦通风机发生故障停止运转，井下空气压力将自行升高，抑制有害气体涌出，所以，我国煤矿常采用抽出式通风。四）通风系统新鲜空气从地面经入风井进入井下后，流经井底车场、石门、运输平巷、工作面和回风巷，最后经过出风井、风硐由通风机抽出，排