Давыдкова Н.С. Стационарные установки шахт (водоотливные,вентиляторные и пневматические установки)
Подождите немного. Документ загружается.
КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ ГИДРОМЕХАНИКИ
Дисциплина
"СТАЦИОНАРНЫЕ УСТАНОВКИ ШАХТ
(ВОДООТЛИВНЫЕ,
ВЕНТИЛЯТОРНЫЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ)"
КУРС ЛЕКЦИЙ
Н.С. Давыдкова
Для студентов 3 курса
специальности "Горное оборудование" (7.090216)
дневной и заочной форм обучения
Объем издания – 141 с.
Алчевск
ДонГТУ
2006
2
ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
В курсе изучается комплекс машин и установок для вентиляции горных предприятий,
откачки и выдачи на поверхность воды и гидросмеси, производства и транспортирования
сжатого воздуха. Оборудование, применяемое для этих процессов, обычно не перемещается и
часто устанавливается в одном месте на весь срок службы, поэтому его называют
стационарным. Исключение составляют передвижные кондиционеры и вентиляторы
местного проветривания.
РОЛЬ И НАЗНАЧЕНИЕ ВЕНТИЛЯТОРОВ, НАСОСОВ И КОМПРЕССОРОВ В
ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Стационарные машины и установки играют важную роль в увеличении
производственных мощностей и повышении технико-экономических показателей горных
предприятий. На современных предприятиях они являются наиболее многочисленными,
энерго- и металлоемкими. От их работы существенно зависят условия и безопасность труда
горняков.
Основными факторами, влияющими на здоровье и работоспособность людей в
подземных условиях, являются: состав воздуха (не менее 20% кислорода), температура (не
выше 26° С по сухому термометру), влажность (не более 80%), скорость движения воздуха в
забое (не более 4 м/с), запыленность (не более 10 мг/м
3
).
Количество свежего воздуха, необходимого для проветривания подземных выработок,
рассчитывают по нескольким факторам (по числу людей, выделению метана и углекислого
газа и др.) и выбирают наибольшее из них. В угольных шахтах на каждую тонну добываемого
угля через шахту в среднем пропускается около 5 т воздуха.
Воздух в подземные выработки подается непрерывно, и поэтому главная
вентиляторная установка должна работать все 8760 ч в год. Шахтные вентиляторные
установки обладают большой энергоемкостью, потребляя иногда до 30—40% общего расхода
энергии по всей шахте.
Шахтные насосные установки служат для удаления воды, поступающей в выработки
при проходческих и очистных горных работах. Количество воды, подлежащей откачке из
3
шахты в процессе ее эксплуатации, зависит от условий залегания полезного ископаемого,
времени года и способа разработки месторождений.
Притоки воды колеблются в весьма широких пределах. Существуют практически
сухие предприятия и шахты с водообильностью 10—12 т на каждую тонну полезного
ископаемого. В среднем на каждую тонну добываемого угля приходится откачивать примерно
2 т воды. Большие притоки воды значительно затрудняют ведение горных работ.
Применение пневматической энергии в горной промышленности обусловлено
значительно большей ее безопасностью по сравнению с электрической, особенно на шахтах с
пластами крутого падения и внезапными выбросами угля и газа.
На рудниках при бурении крепких пород сжатый воздух часто является единственным
видом энергии, несмотря на низкий к. п. д. пневматических сетей. Пневматические установки
являются весьма энергоемкими установками. На некоторых рудниках черной и цветной
металлургии, а также на угольных шахтах с крутыми пластами, где разработка полезного
ископаемого ведется буровзрывным способом, компрессорные станции расходуют до 40—
60% общего количества потребляемой предприятием электроэнергии.
В целом на современном горном предприятии потребление энергии стационарным
оборудованием достигает 75 - 80% и более от всей энергии, потребляемой предприятием.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ, ВОДООТЛИВНЫХ И
ПНЕВМАТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Шахтная вентиляторная установка (рис. 1) состоит из вентилятора 1, воздухопровода
(комплекс всех горных выработок 5, включая шахтные стволы 4, 6 и вентиляционный канал
3), двигателя 2 (обычно трехфазный асинхронный или синхронный электродвигатель),
различных вспомогательных устройств.
Воздух в шахте перемещается вследствие разности атмосферного давления и давления
в канале перед вентилятором. После вентилятора происходит свободное истечение воздуха в
атмосферу, где давление постоянно, а объем бесконечен. Ввиду весьма малого перепада
давления воздух в теории вентиляторных установок будет рассматриваться как несжимаемое
текучее.
4
Рис. 1. Схема шахтной вентиляторной установки
Шахтная водоотливная установка (рис. 2) состоит из насоса 1, водоотливного
трубопровода 3—4, двигателя 2 и вспомогательных устройств.
Принцип работы водоотливной установки является общим с принципом работы
вентиляторной, так как в ней также происходит свободное истечение несжимаемого текучего
тела (воды) в атмосферу. Отличием водоотливной установки от вентиляторной является
подача текучего тела с преодолением геодезической высоты.
Рис. 2. Схема шахтной водоотливной установки
Рудничная компрессорная установка (рис. 3) состоит из следующих основных
5
элементов: компрессора 7 с двигателем 2, воздухопроводов 3, потребителей сжатого воздуха 4
(перфораторы, пневмодвигатели, эжекторы и др.).
К вспомогательному оборудованию компрессорных станций относятся воздушный
фильтр 5, воздухосборник 6 и охладитель воздуха. Кроме этого имеются устройства для
охлаждения воды.
Отличительной особенностью компрессорных установок от вентиляционных и
насосных является наличие потребителей энергии сжатого воздуха и сжимаемость
транспортируемого текучего тела.
Рис. 3. Схема шахтной пневматической установки
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ И РОЛЬ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ НАУКИ В РАЗВИТИИ
ШАХТНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ УСТАНОВОК
Водоотливные установки возникли в глубокой древности, в самом начале зарождения
горного дела, одновременно с подъемными установками.
С развитием техники появились и стали широко применяться цепные насосы (нории) и
поршневые насосы, изобретение которых относится к II в. до н. э.
В конце XVIII в., особенно с внедрением парового привода, начинают применяться
штанговые поршневые насосы. Насос в таких установках располагался под землей, а паровая
машина на поверхности; передача от двигателя к насосу осуществлялась посредством штанги,
6
находящейся в стволе шахты. Первая водоотливная установка с паровым приводом в России
была смонтирована в 1840 г. на шахте «Капитальная» в Донбассе.
Появление высокоэкономичного электрического двигателя способствовало быстрому
развитию центробежных насосов, изобретенных русским ученым А. А. Саблуковым еще в
1835 г. Первая водоотливная установка с центробежными насосами была применена в России
в 1890 г.
Механические средства для вентиляции подземных разработок стали применять уже в
XVI в., что известно из труда Агриколы «О горном деле», в котором упоминается о подаче
свежего воздуха в шахты с помощью кузнечных мехов и даже специальных четырех-
лопастных колес.
В 1832 г. А. А. Саблуков предложил оригинальную конструкцию центробежного
вентилятора, получившую в дальнейшем развитие и распространение в странах Европы. С
конца XIX в. в России применяли исключительно центробежные вентиляторы различных
систем.
После Великой Октябрьской социалистической революции был создан Центральный
аэрогидродинамический институт, где в 1935 г. был создан первый осевой вентилятор для
горной промышленности. В настоящее время советские ученые успешно работают над
созданием наиболее совершенных центробежных насосов осевых и центробежных
вентиляторов. Производство компрессоров и их широкое применение в промышленности
относится к середине XIX в. В это же время был изобретен перфоратор для бурения шпуров в
крепких горных породах. В подземных горных выработках стали широко применять
пневматические двигатели как имеющие значительные преимущества перед паровыми ма-
шинами. В настоящее время энергия сжатого воздуха используется для привода различных
машин и механизмов в специальных технологических процессах. Применяемые в горной
промышленности компрессоры выпускаются отечественными заводами с широким
диапазоном давлений и производительностей.
В развитии теории и конструкций шахтного подъема, поршневых, центробежных и
осевых машин, а также элементов шахтных вентиляторных, водоотливных, пневматических и
подъемных установок большая заслуга принадлежит русским и советским ученым.
Значительный вклад в развитие горного дела внес великий русский ученый М. В.
Ломоносов. В 1745 г. он создал теорию естественного проветривания подземных горных
выработок, а в фундаментальном труде «Первые основания металлургии и рудных дел» кроме
описания существующих средств предложил новые вентиляционные водоотливные и
7
подъемные средства.
Основы одномерной теории центробежных машин в 1754 г. впервые разработал член
русской Академии Наук Л. Эйлер.
Успехи в развитии современных турбомашин тесно связаны с деятельностью
гениального русского ученого Н. Е. Жуковского (1847—1921), создателя теоретических и
экспериментальных основ аэродинамики. Н. Е. Жуковский создал фундаментальную вихре-
вую теорию крыла, на которой основано конструирование летательных аппаратов и
турбомашин. Профессор Н. Е. Жуковский решил проблемы подъемной силы крыла и тяги
гребного винта, разработал методы и оборудование для различных экспериментальных
исследований в области аэродинамики.
Основы русской горной механики начали закладываться с 1804 г. в Санкт-
Петербургском горном кадетском корпусе. Теория и практика шахтных вентиляторных,
водоотливных и пневматических установок развивалась благодаря трудам выдающихся
деятелей горного дела в нашей стране проф. П. А. Олышева (1818—1896), заслуженного
профессора И. А. Тиме (1838—1920), акад. А. П. Германа (1874—1953) и других.
Труды «Теория наливного колеса» и «Цилиндрические воздуходувные машины» П. А.
Олышева, «Курс гидравлики», «Практический курс паровых машин», «Справочная книга для
горных инженеров и техников» и другие, написанные И. А. Тиме, а также труды акад. А. П.
Германа «Турбомашины», «Теория и расчет турбо-воздуходувных машин», «Поршневые
машины», «Применение сжатого воздуха в горном деле» и другие явились крупным вкладом в
горную науку.
Для развития теории и практики шахтных стационарных установок большое значение
имели труды акад. АН УССР М. М. Федорова по шахтному подъему, расчету шахтных
пневматических систем и выбору центробежных вентиляторов; чл.-кор. АН СССР А. С.
Ильичева по рудничным подъемным и пневматическим установкам; акад. АН УССР В. С.
Пака по шахтным вентиляторам и водоотливным установкам.
В настоящее время над созданием новых конструкций стационарных машин работают
коллективы ЦАГИ, ВИГМ, ИГД им. А. А. Скочинского, МГИ, ДГИ и др.
КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ
Эти машины можно классифицировать по ряду признаков.
По виду транспортируемой жидкости они делятся на две группы машин: для
8
транспортирования воздуха (газов) — вентиляторы, воздуходувки и компрессоры и для
транспортирования жидкостей (воды и гидросмеси) — насосы, землесосы и углесосы.
По степени повышения давления:
,
р
p
а
к
=ε
(р
к
— конечное давление; р
а
— атмосферное давление);
Вентиляторы — машины для транспортирования воздуха (газов) при небольшой
степени повышения его давления (до 1,1). В основном шахтные вентиляторы применяются
при ε = 1,05. Вентилятор, работающий с превышением давления над атмосферным,
называется нагнетательным (р
к
> р
а
= р
н
), а с давлением меньше атмосферного —
всасывающим (р
к
= р
а
> р
н
). Один и тот же вентилятор может работать как всасывающе-
нагнетательный.
Воздуходувки — машины для транспортирования воздуха (газов) при средней степени
повышения давления (от 1,1 до 3)
Компрессоры — машины для производства и транспортирования сжатого воздуха
(газов) при степенях повышения давления более 3.
В современных шахтных центробежных насосах ε > 80.
По конструкции рабочего органа гидравлические машины, применяемые в
стационарных установках, можно разделить на три основные группы машин: лопастные,
поршневые и ротационные.
В лопастных (лопаточных) машинах рабочим органом служат лопасти (лопатки),
которые имеют только вращательное движение и передают энергию жидкости. Эти машины, в
свою очередь, в зависимости от направления движения потока жидкости делятся на
радиальные (более употребительное название — центробежные), осевые и меридиональные.
Направление потока жидкости в рабочем колесе — соответственно по радиусам, осевое и
диагональное (под углами к оси вращения). Лопастные машины характеризуются
непрерывной и равномерной подачей жидкости, отсутствием трения рабочих лопаток о
корпус, возможностью работы лопаток с большими окружными скоростями (у осевых ком-
прессоров до 400—500 м/с). Они позволяют получать большие производительности и по
сравнению с поршневыми — меньшее давление.
В поршневых машинах рабочими органами являются поршни (плунжеры), имеющие
возвратно-поступательное движение. Такие машины характеризуются пульсирующей подачей
9
жидкости, ограниченными скоростями движения рабочих органов (насосы < 0,5—1,0 м/с,
компрессоры обычно не более 5 м/с), большими инерционными нагрузками на привод,
трением рабочих органов о корпус и наличием клапанов. Однако они могут развивать
большие давления даже при малых скоростях поршней.
Рабочие органы ротационных машин отличаются конструктивным разнообразием. В
группу ротационных машин входят винтовые, зубчатые, вихревые и собственно ротационные
машины. Общим, что объединяет их в одну группу, является наличие одного или двух
рабочих роторов с профильными зубьями, винтами, рифлениями или лопастями. Последние, в
отличие от лопастей лопастных машин, имеют дополнительно радиальное перемещение с
трением торцов о корпус. Они отличаются от лопастных машин также принципом передачи
энергии потоку жидкости.
Основными особенностями ротационных машин является сочетание ряда преимуществ
поршневых и лопастных машин, в частности непрерывная, но неравномерная подача
жидкости, отсутствие клапанов для распределения жидкости, высокая частота вращения
рабочих органов и т. п.
По принципу передачи энергии потоку жидкости машины делятся на следующие
типы: объемные, турбомашины, вихревые и использующие энергию потока другой жидкости.
В объемных машинах энергия передается жидкости в процессе ее принудительного
вытеснения из рабочего пространства рабочим органом или рабочей жидкостью. Характерной
их особенностью является подача жидкости порциями путем периодического изменения
объема занимаемой ею камеры. К объемным машинам относятся поршневые, ротационные
машины и др.
В турбомашинах энергия потоку жидкости передается в процессе обтекания лопаток
машин потоком жидкости и воздействия лопаток на частицы жидкости.
В вихревых машинах энергия транспортируемой жидкости передается в результате
проявления так называемого вихревого эффекта.
К машинам (точнее, аппаратам), использующим энергию потока другой жидкости,
относятся струйные насосы, эрлифты и др.
В струйных насосах энергия жидкости передается другой, подаваемой извне рабочей
жидкостью при ее смешении с транспортируемой.
В эрлифтах энергия транспортируемой жидкости передается рабочей жидкостью в
процессе их силового взаимодействия при наличии геометрического напора.
В горной промышленности наиболее широко применяются турбомашины, а также
10
объемные машины.
Вентиляторные, водоотливные и компрессорные установки имеют общие элементы и
основные физические закономерности, поэтому в курсе сначала рассмотрим общие вопросы
теории, касающиеся всех установок.