Порядок расчета и выбора насосов и трубопроводов

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего 

профессионального образования

Тульский  государственный университет 

Кафедра энергетических и санитарно-технических  систем и оборудования 
 
 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНО-КУРСОВАЯ РАБОТА 

по дисциплине «Стационарные машины и оборудование» 
 
 
 
 

Разработал: студент                   _________________                  Захаров Д.А.

                                                                (подпись) 

                     группа 330471

Руководитель:                             _________________      проф. Пискунов О. М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тула 2011

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего 

профессионального образования

Тульский  государственный университет 

Кафедра энергетических и санитарно-технических  систем и оборудования 
 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНО-КУРСОВАЯ РАБОТА 

по дисциплине «Стационарные машины и оборудование» 
 

Задание: выполнить эксплуатационный расчет 

Исходные  данные: максимальный суточный приток воды в горные выработки Qм – 5100 м3/сут;

                                               нормальный суточный приток воды  в шахту Qн – 3000 м3/сут;

                                               продолжительность весеннее - осенних  паводков Тп – 91 сут.;

                                               вертикальная глубина шахтного  ствола Нст – 325 м;

                                               годовая производительность шахты – 0,50 млн. т;

                                               максимальная депрессия шахтной сети hmax – 220 даПа;

                                               минимальная депрессия шахты hmin – 115 даПа;

                                               срок службы шахты S – 40 лет. 
 

Задание выдал                         _______________             проф. Пискунов О. М.

                                                                                  (подпись) 

                                                                      _____________________

                                                                                      (дата) 

Принял студент                      _______________                         Захаров Д.А.

                                                                                                       (подпись)  

группа 330471                        _______________

                                                                                                            (дата) 
 
 
 
 

            Содержание 

Введение…………………………………………………………………………..4

1. Эксплуатационный расчет вентиляторной установки главного проветривания…………………………………………………………………...5

2. Порядок расчета и выбора насосов и трубопроводов

водоотливной установки………………………………………………………16

Приложение 1. Принципиальная схема стационарной насосной установки шахты……………………………………………………………….23

Приложение 2. График режима работы насоса…………………………….24

Список литературы…………………………………………………………….25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

            Введение 

       "Стационарные машины и оборудование" (вентиляторные, насосные) установки предназначены для ведения технологического цикла ведения горных работ и создания безопасных и комфортных условии работы шахтеров. Назначение стационарных машин предъявляет к конструкции стационарных машин и их грамотной эксплуатации повышенные требования по надежной экономической и высокопроизводительной работе.

       Насосные, вентиляторные, установки обеспечивают водопонижение угольных пластов и пород, осушение и проветривание забоев, удаление вредных элементов воздуха после взрывных работ, снабжение пневмопотребителей сжатым воздухом, подъем и спуск людей, оборудования, подъем полезных ископаемых и позволяют использовать одни и те же законы гидромеханики при изучении, проектировании и эксплуатации стационарных машин. Для овладения квалификацией горного инженера студент должен знать основные законы гидромеханики жидкости и газа, теоретические методы расчета и выбора оборудования для шахтных стационарных установок, а также должен уметь по исходным данным рассчитать и выбирать стандартное оборудование для шахтных стационарных установок. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 ЭКСПЛУА ТАЦИОННЫЙ РАСЧЕТ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ

УСТАНОВКИ ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ 1.1 Исходные данные

       Эксплуатационными расчетами вентиляторной установки определяют параметры основного оборудования. При этом исходят из схемы вскрытия месторождения, горно-геологических и горно-технических условий шахты, плана горных выработок, категорийности шахты и т.п. При проведении расчетов пользуются исходными данными, которые включают в себя:

  • Qn - потребный расход воздуха в горных выработках, м /с;
  • hmax - максимальная депрессия (компрессия) шахтной вентиляционной сети, даПа;
  • hmin - минимальная депрессия (компрессия) шахтной вентиляционной сети, даПа;
  • S - срок службы шахты, лет;
  • А - добыча полезного ископаемого за год, тонн;
  • схема проветривания шахты (рисунок 1.1,а или 1.2,6).
 

       1.2 Технологические схемы вентиляторных установок

       Введение расчетно-пояснительной записки должно кратко характеризовать назначение вентиляторной установки главного проветривания, ее значение в повышении эффективности горного предприятия, основные требования, предъявляемые к расчету и эксплуатации оборудования вентиляторной установки.

       Главные вентиляторные установки относятся к важнейшему шахтному энергомеханическому оборудованию. От надежности их работы зависят производительность труда, здоровье и безопасность шахтеров. Остановка вентиляторной установки хотя бы на 10 мин в газовой шахте приводит к заполнению подземных выработок метаном, углекислым газом и т.п., созданию чрезвычайно опасных ситуаций и прекращению работ по добыче угля и проходки горных выработок. Для обеспечения нормальной работы на каждую тонну угля необходимо подавать от 5 до 15 тонн воздуха, потребность горного предприятия в воздухе составляет от 10 до 700 м /с при давлении до 700 даПа. Высокая надежность и экономичность работы вентиляторных установок могут быть обеспечены только при правильном выборе, расчете и техническом обслуживании оборудования.

       Наиболее распространенные схемы проветривания горных выработок шахт показаны на рисунке 1.1.

       а)

       

 

       б)

       

                  направление движения свежей струи  воздуха;

                  направление движения исходящей струи  воздуха. 

Рисунок 1.1 - Принципиальные схемы проветривания шахт:

а - диагональная всасывающая;   б - центральная  нагнетательная 

       Вентиляторная установка главного проветривания состоит из двух однотипных вентиляторов (центробежных или осевых), устанавливаемых на поверхности у устья герметически закрытых стволов в отдельно стоящем здании. В соответствии с Правилами эксплуатации вентиляторная установка должна иметь запас по производительности, даже в самый трудный период проветривания, не менее 20 % от его требуемой максимальной производительности. Реверсирование струи воздуха должно быть осуществлено не более чем за 10 мин, а производительность при этом должна составлять не менее 60 % от максимальной производительности. Рекомендуется применять до давления 300 даПа осевые вентиляторы, а свыше 300 даПа - центробежные вентиляторы.

       1.2.1 Центробежные вентиляторы характеризуются большей напорностью, чем осевые, они надежно работают при окружных скоростях до 140 м/с, кроме того, их максимальный КПД составляет 0,86, что существенно выше, чем у осевых вентиляторов. Все это обусловливает применение центробежных машин для глубоких труднопроветриваемых (с большими депрессиями и расходами воздуха) шахт, где особенно остро стоят вопросы надежности проветривания, а каждый КПД обеспечивается сотнями тысяч кВт часов в год. В бывшем СССР центробежные вентиляторы начали разрабатываться в 1952 году.

       Восьмидесятые годы двадцатого столетия в вентиляторостроении бывшего СССР ознаменовались изменением сложившихся взглядов об аэродинамике центробежных вентиляторов. Ранее аксиомой считалось, что коэффициент \|/ и КПД настолько жестко связаны между собой, что высокоэкономичные схемы с загнутыми назад лопатками рабочих колес, характеризующиеся значениями η=0,88...0,91, не могут иметь φ>0,75. Повышение ср полагалось возможным только за счет изменения конструкции рабочего колеса, что неизбежно влекло за собой рост величины относительных потерь в межлопаточных каналах и соответствующее снижение КПД.

       На основании теоретических и экспериментальных исследований удалось разработать такой профиль лопатки, при котором поток в межлопаточном канале перемещается на всем его протяжении с минимально возможными потерями давления, а на выходном участке безотрывно прижимается к рабочей поверхности и выходит из колеса под большим углом выхода лопатки. На базе таких профилей был создан ряд аэродинамических схем, обеспечивающих в номинальном режиме при 11=0,9 коэффициент давления до 1. Коэффициент производительности φ также превышает таковой у ранее использованных в шахтном вентиляторостроении схем.

       Эти схемы положены в основу новых центробежных вентиляторов одностороннего всасывания ВЦВ 36,5 и двухстороннего всасывания ВЦД37,5, основные параметры которых приведены в таблице 1.1. На базе новых схем удалось заменить вентилятор двухстороннего всасывания ВЦД 31,5М2* односторонним ВЦВ 36,5, а ВЦД 47,5У с диаметром рабочего колеса 4700 мм заменить ВЦД 37,5 с диаметром 3750 мм, обеспечив при этом уменьшение материалоемкости, трудоемкости и площади застройки почти вдвое. Опытные образцы ВЦВ 36,5 монтируются в установке главного проветривания на шахтах Донбасса.

Таблица 1.1 - Технические параметры вентиляторов ВЦВ 36,5 и ВЦД 37,5 

Наименование  параметров Типоразмеры
   
Диаметр рабочего колеса, мм 3650 3750
Частота вращения, мин-1 600; 500 600
Окружная  скорость, м/с 115 118
Параметры номинального режима    
подача, м3/ 200 400
статическое давление, даПа 630 620
статический КПД 0,86 0,86
Динамический  момент инерции ротора, т∙м2 31,8 68
 

       Вентилятор   ВЦВ 36,5   (ВЦВ   -   вентилятор   центробежный   вертикальный) принципиально новый и по компоновочным и по конструктивным решениям. Он имеет вертикальную ось вращения рабочего колеса.

       На рисунке 1.2 показан разрез шахтной вентиляторной установки главного проветривания с вентилятором ВЦВ 36,5. Рабочее колесо 1 состоит из коренного и покрывного дисков с расположенными между ними шестью лопатками трехслойной конструкции, имеющими на выходной части рабочей поверхности профиля участок обратной кривизны. Колесо 1 с помощью плоской ступицы закреплено на центрирующем бурте вала специального двухскоростного электродвигателя 2, подшипники скольжения которого рассчитаны на восприятие осевой нагрузки от массы Рабочего колеса и давления воздушного потока. Лапы двигателя установлены на раме 3, опорные площадки которой крепятся фундаментальными болтами к бетонным колонам, расположенным по периферии спиральной стенки кожуха 4, выполненной в бетоне.

       

 

1 - рабочее колесо; 2 - приводной электродвигатель; 3 - рама; 4 - входной конус с лабиринтным кольцом; 5 - спиральный кожух; 6 - входная коробка; 7 - регулятор вихревого направляющего аппарата; 8 - перепускной канал; 9 - дефлектор; 10 - ляда диффузора; 11 - обводной канал; 12 - ляда реверса; 13 - ляда - переключения; 14 - подводящий канал; 15 - диффузор; 16 - колено диффузора

Рисунок 1.2 - Вентиляторная установка с ВЦВ 36,5

       В вентиляторе ВЦВ 36,5 имеется входной безлопаточный вихревой аппарат, принцип действия которого основан на разделении идущего в вентилятор воздушного потока на транзитный и циркуляционный; первый поступает к рабочему колесу напрямую, а второй через кольцевую полость 8 и отверстия 9 во входном конусе, снабженные дефлекторами, подаются ко входу в колесо закрученными. Положение регулятора обуславливает соотношение транзитного и циркуляционного потоков, требуемую величину скорости закручивания потока на входное колесо, а, следовательно, развиваемое вентилятором давление и потребляемую мощность.

       К преимуществам вихревого направляющего аппарата относится отсутствие в потоке при работе вентилятора на номинальном режиме каких-либо элементов аппарата (регулятор 7 поднят вверх и является продолжением перекрытия канала), кроме того опоры оси регулятора расположены вне воздушного потока, несущего угольную и породную пыль, влагу и т.п. Таким образом, вентилятор ВЦВ 36,5 регулируется ступенчато изменением частоты вращения приводного двигателя (500 либо 600 мин") и бесступенчато на каждой частоте вращения с помощью вихревого направляющего аппарата.

       В вентиляторной установке, изображенной на рисунке 1.2, имеются четыре ляды, осуществляющие переключение с рабочего вентилятора на резервный, и реверсирование воздушной среды. Ляда 10 отделяет вертикальный обводной канал 11 от диффузора; 12 - ляда реверса; 13 - ляды переключения, расположенные во входных каналах каждого из вентиляторов установки. На работающем вентиляторе ляда 13 поднята, а на резервном опущена, что позволяет отсечь резервный вентилятор от работающего и шахтной сети. При нормальной работе установки на всасывание воздух поступает от ствола шахты через всасывающий канал 14, коробку 6 и входной конус 5 к рабочему колесу 1, откуда выбрасывается в спиральный кожух 4 и далее через диффузор 15 и колено 16 в атмосферу.

       1.2.2 Осевые вентиляторы с новыми аэродинамическими схемами позволили заменить двухступенчатые машины на одноступенчатые.

       Осевые вентиляторы BOA состоят из статорной части (кожух, кок, коллектор и диффузор) и валопровода. Кожух имеет вертикальный разъем. Лопатки направляющего аппарата неподвижные профильные. Валопровод состоит из ротора и трансмиссионного вала, соединенных между собой зубчатыми муфтами. Двигатель вентилятора установлен на перекрытии подводящего канала. Моторная муфта совмещена си шкивом тормоза.

       Между рабочим колесом и задней опорой ротора размещен привод поворота лопаток рабочих колес. Схема лопаточных венцов BOA приведена на рисунке 1.3. Регулирование режима работы вентилятора осуществляется поворотом лопаток рабочих колес на углы от 15 до 45°. Рабочее колесо имеет восемь сдвоенных листовых лопаток. Как видно из схемы на рисунке 1.3, при реверсировании воздушной струи лопатки устанавливаются на угол 155° относительно плоскости вращения. Показанная схема весьма эффективна: даже в том случае, когда вентилятор работает на максимальном угле 45° его производительность при реверсе составляет 75 % от номинальной. Принятая в BOA аэродинамическая схема обеспечивает также и рекордный для осевых вентиляторов статический КПД при работе установки с диффузором.

       

Рисунок 1.3 - Схема лопаточных вентиляторов ВОА 
при прямой и реверсивной работе 

   1.4 Расчет и выбор оборудования вентиляционной установки

       Эксплуатационный  расчёт вентиляторной установки  ведётся в сле-дующей последовательности.

   1.4.1 Расчет производительности  вентиляторов. 

Qв=kу∙Qп=1,1·75=82,5 м3/с,

 где: kу - коэффициент, учитывающий утечки воздуха kу (kу = 1,1…1,25). 

1.4.2 Выбор вентилятора.

       По диаграммам полей рабочих режимов, приведенных в справочниках и приложениях БЗ и Б4 методических указаний, производится выбор типа вентилятора путем нанесения на зоны промышленного исполнения вентиляторов экстремальных точек режимов работы вентиляторных установок.

       Если обе точки попадают в рекомендуемые зоны работы двух и более вентиляторов, то предпочтительнее отдается вентилятору, имеющему наибольший КПД.

1.4.3 Расчет характеристик внешней сети вентиляторной установки

       1.4.3.1 Определение численных значений коэффициентов сопротивления вентиляционной сети

а) при максимальной депрессии коэффициент сопротивления сети:

б) при минимальной депрессии коэффициент сопротивления сети:

 
 

    1.4.3.2 Расчет напорных характеристик вентиляторной установки 

       Характеристика сети - это зависимость сопротивления сети h от расхода Q, имеющая вид 

h = R-Q2

       Данные расчета h при различных значениях R и Q сводятся в таблицу 1.2.

       Таблица 2.2 - Расчётные данные для характеристики вентиляторной сети 
 

Параметры сети Расчетные значения параметров при
Q = 0 Q = 0,25∙Qв Q = 0,50∙Qв Q = 0,75∙Qв Q = Qв Q = 1,25∙Qв
Q, м3/с 0 20,62 41,25 61,87 82,5      103,12
 0 7,14 28,58 64,32 114,34 178,66
 0 13,61 54,45 122,5 217,8 340,31
 

   1.4.4 Определение действительного рабочего режима

       Для определения действительного режима работы вентилятора на координатную плоскость (h-Q) наносятся характеристики вентилятора при различных углах установки лопаток рабочего колеса осевого вентилятора или лопаток направляющего аппарата центробежного вентилятора. Затем в таком же масштабе по точкам Q, hmin и hmax из таблицы 1.2 строятся характеристики внешней вентиляторной сети.

       По точкам 1 и 2 (см. приложение А) пересечения характеристик внешней сети с характеристиками вентилятора определяем режим работы близкий к расчетному (Qв, hmin и hmax). При отсутствии системы подрегулирования вентилятора принимается производительность Q1, Q2, соответствующая точкам 1 и 2.

       В тех случаях, когда при помощи лопаточных направляющих аппаратов может быть произведена корректировка напорной характеристики, рабочий режим вентилятора будет определяться подачей Qв и расчетными дегрессиями hmin и hmax, которым соответствуют точки 3 и 4 на рисунке (Приложение А).

    1.4.5 Расчет мощности, потребляемой вентилятором

а) при  максимальной депрессии: 

;

б) при  минимальной депрессии: 

, 

где: ηв - КПД вентилятора, определенный по графикам рисунка по соответствующим рабочим режимам.

       1.4.6 Проверка правильности расчета и выбора вентилятора

       Резерв  производительности и давления вентиляторной  установки оп-ределяются по точкам 5 и 6 - верхней границе рабочего режима вентилятора режима при максимальном угле установки лопаток рабочего колеса. Запас производительности определяется (в процентах):

       а) при максимальной депрессии: 

        ;

       б) при минимальной депрессии: 

       

       Величины  ΔQ1 и ΔQ2 не должны быть меньше 20 %. 

       1.4.7 Регулирование рабочего режима

       Регулирование рабочего режима вентиляторной установки  необхо-димо для поддержания его производительности независимо от изменения сопротивления внешней вентиляционной сети, т.е. независимо от изменения его характеристики.

       Требуемые режимы, обеспечивающие необходимую  производительность вентиляторной установки, могут быть достигнуты либо изменением характеристики вентиляционной сети, либо изменением характеристики вентилятора. При применяемом в настоящее время экономичном регулировании рабочего режима вентилятора изменением его характеристики беспрерывному изменению характеристики вентиляционной сети соответствует изменение характеристики вентилятора. Выбираем способ регулирования вентилятора в зависимости от выбранного типа вентилятора (осевого или центробежного).

       1.4.8 Реверсирование вентилятора 

       Как ранее отмечалось согласно требованиям  Правил безопасности реверсирование воздушной  струи должно быть произведено не более, чем за 10 мин, при этом подача воздуха в шахту должна составлять не менее 60 % его подачи при нормальной направлении вентиляционной струи.

       Выбираем  способ реверсирования вентиляционной струи в зависимости от типа выбранного вентилятора (осевого или центробежного). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Порядок расчета и выбора насосов и трубопроводов

водоотливной установки 

2.1. Выбор гидравлической схемы водоотлива

       В соответствии с требованиями правил технической эксплуатации насосных установок и на основании рекомендаций по исходным данным применяется типовая гидравлическая схема шахтного (участкового, местного) водоотлива.

2.2. Расчет параметров насоса

2.2.1.Расчетная подача производительности насосной установки, м /ч

 

где QH - нормальный суточный приток воды в шахту, м3 /сут;

Т - нормальное число часов работы в сутки одного насоса для откачки

полного притока воды (QH).

Для угольных и сланцевых месторождений при разработке полезного ископаемого подземным способом по правилам безопасности (ПБ) принимается Т =20 ч. Для рудных месторождений с подземной добычей и для всех открытых разработок (карьеров, разрезов, дренажных шахт, коллекторов и т.д.) принимается Т = 20 ч.

2.2.2 Расчетная геодезическая высота подъема воды насосом 

Порядок расчета и выбора насосов и трубопроводов