Основы теории турбомашин

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ДОНЕЦКИЙ ТРАНСПОРТНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ГОРНАЯ МЕХАНИКА

Для студентов

Специальности 21.02.17

«Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

ВВЕДЕНИЕ

В курсе «Горная механика» изучаются теоретические основы, оборудование и эксплуатация вентиляторных, водоотливных, пневматических и подъемных установок — основных стационар­ных установок шахт. Эти установки, без которых не могут суще­ствовать современные шахты, характеризуются сложностью кон­струкций и большой энергоемкостью (на их долю приходится до 90 % всей потребляемой на шахтах электроэнергии).

Вентиляторная установка служит для подачи в шахту ат­мосферного воздуха. От степени проветривания подземных выра­боток зависят возможность ведения работ в шахте, безопасность и производительность труда горнорабочих. Для создания нор­мальных атмосферных условий в угольных шахтах вентиляторы должны на 1 т добытого угля подать 5.... 15 м³ воздуха. Разли­чают вентиляторные установки главного проветривания, предна­значенные для проветривания всех выработок шахты, и мест­ного — для вентиляции тупиковых забоев. При строительстве шахт применяются временные вспомогательные вентиляторные установки. Вентиляторная установка главного проветривания (рис. 1) располагается на поверхности и соединяется вентиля­ционным каналом 2 с вентиляционным стволом 3 шахты, закрытым сверху затвором 4. На входе работающего вентилятора 1 создается разрежение, благодаря чему воздух под атмосферным давлением поступает в ствол 5 шахты, омывает (как показано стрелками) выработки и выбрасывается вентилятором в атмосферу. В данном случае вентилятор всасывает воздух из шахты, однако вентиля­цию можно осуществить и нагнетанием воздуха в шахту.

Вентиляторная установка местного проветривания находится в шахте и состоит из вентилятора 6, нагнетающего по трубопроводу 7 воздух в тупиковый забой 8.

Развитие вентиляторных установок шло от поршневых вентиля­торов к центробежным с паровыми и асинхронными двигателями и далее — к современным осевым и центробежным вентиляторам с синхронными двигателями и с приводом от асинхронных двигате­лей с вентильно-машинными каскадами.

Современные вентиляторы характеризуются надежностью и экономичностью в работе, обеспечивают потребность шахт в воз­духе до 700 м³/с при давлении до 700 кПа.

На угольных шахтах   работают около 2 тыс. главных вентиляторных установок, ежегодно потребляющих до 5 млрд. кВтч электроэнергии.

Вентиляторы для главных установок изготавливают Артемов­ский машиностроительный завод и Донецкий машиностроитель­ный завод им. Ленинского комсомола, для установок местного проветривания — Томский машиностроительный завод им. В. В. Вахрушева.

Водоотливная установка необходима для откачки воды из подземных выработок на поверхность. Различают главную водо­отливную установку для транспортирования воды с уровня около- ствольного двора шахты на поверхность и участковую — для откачки воды от горного участка или группы участков до уровня околоствольного двора.

Насос 9 участковой установки транспортирует воду по трубопроводу 10, проложенному по уклону шахты, на уровень околоствольного двора. Далее по канавкам вода поступает в водо­сборник 11 главной установки, откуда она одним из насосов 12 выдается по трубопроводу 13 на поверхность.

На шахтах на 1 т добываемого угля откачивается 2... 7 и иногда до 40 т воды. С углублением выработок приток воды возрастает и при глубинах 1000... 1600 м может достигать 2 тыс. м³/ч.

Для развития водоотливных установок характерны следующие этапы: поршневые насосы с приводом от установленных на по­верхности паровых машин через штангу, размещенную в стволе; поршневые насосы с расположенными под землей паровыми ма­шинами; центробежные насосы с быстроходными электродвига­телями.

В настоящее время на угольных шахтах СССР работает более 30 тыс. насосов, суммарная мощность двигателей которых дости­гает 2 млн. кВт. Насосы для шахт производит в основном Ясно­горский машиностроительный завод.

Пневматические установки предназначены для получения сжатого воздуха, используемого при работе горных комбайнов, отбойных и бурильных молотков, лебедок, вентиляторов местного проветривания, участковых насосов и т. д.

В горном производстве электроэнергия и пневматическая энергия не исключают, а дополняют друг друга. Около половины горных предприятий СССР используют сжатый воздух, с помощью которого добывается 15 % всего угля. На шахтах, где по условиям взрывобезопасности основным видом энергии для добычи угля является сжатый воздух, на его выработку расходуется около 50 % всей потребляемой электроэнергии.

Сжатый воздух в шахтных условиях имеет существенное пре­имущество — взрывобезопасность, но по сравнению с электро­энергией он дороже и его труднее передавать на значительные расстояния.

Пневматическая установка состоит из компрессоров 14, рас­положенных на поверхности и вырабатывающих сжатый воздух, концевого охладителя 15, воздухопровода 16, по которому тран­спортируется сжатый воздух, и потребителей сжатого воздуха 17. При ведении горных работ находят применение также передвиж­ные компрессорные установки, расположенные в шахте и приме­няемые главным образом для бурильных машин.

Развитие основного элемента пневматической установки — компрессора шло по пути использования поршневых, роторных пластинчатых, центробежных и винтовых машин.

В настоящее время в угольной промышленности поршневые и центробежные компрессоры вырабатывают примерно одина­ковое количество сжатого воздуха, хотя поршневых компрессоров значительно больше, чем центробежных. На угольных шахтах СССР в эксплуатации находится более 1200 стационарных компрес­соров и 1500 передвижных с суммарной мощностью электродвига­телей свыше 600 тыс. кВт. Эти компрессоры ежегодно производят 20 млрд, м³ сжатого воздуха и потребляют свыше 3 млрд. кВт-ч электроэнергии.

Подъемная установка предназначена для транспортирования по стволу шахты полезного ископаемого, людей и различных гру­зов. Она состоит из подъемных сосудов 18, подъемных канатов 19, направляющих шкивов 20, копра 21 и подъемной машины 22, которая может располагаться либо в здании на уровне земли, либо на копре. В настоящее время на шахте работают несколько подъемных установок, каждая из которых выполняет свои функции.

Подъемная установка изменялась и совершенствовалась от бадьи до скипов, от пенькового каната до металлического, от примитивных деревянных барабанов до бицилиндроконических барабанов и канатоведущих шкивов многоканатного подъема, от мускульного привода до электрического, от ручного управле­ния до автоматического.

Двигатели подъемных установок имеют большую мощность. Так, мощность подъемного двигателя на сверхглубоких шахтах достигает 16 тыс. кВт.

Одной из первых научных работ, посвященных горному и горнозаводскому промыслу, была работа М. В. Ломоносова «Пер­вые основания горной «науки» (1742 г.), переработанная затем в книгу «Первые основания металлургии или рудных дел» (1763 г.).

В 1754 г. членом Петербургской Академии наук Л. Эйлером было выведено основное уравнение центробежного колеса, имев­шее большое значение для развития турбомашин.

В 1832 г. горный инженер А. А. Саблуков (1783—1857) изобрел и применил на Чагирском медном и серебряном руднике (Алтай) центробежный вентилятор, а в 1835 г. — центробежный насос. В XIX в. профессорами Петербургского горного института А. И. Узатисом (1814—1875), П. А. Олышевым (1817—1896), И. А. Тиме (1838—1920) и другими были разработаны основные положения горной механики.

Благодаря работам академиков М. М. Федорова (1867— 1945) и А. П. Германа (1874—1954) были созданы теоретические основы всех разделов горной механики (вентиляторных, водоот­ливных, пневматических и подъемных установок), получившие дальнейшее развитие в трудах чл.-корр. АН СССР А. С. Ильичева (1898—1952), акад. В. С. Пака (1888—1965), проф. В. Б. Уманского (1905—1947), проф. Г. М. Еланчика и др. Важная роль в процессе создания надежных турбомашин принадлежит вихре­вой теории крыла проф. Н. Е. Жуковского (1847—1921) и вихревой теории центробежных насосов акад. Г. Ф. Проскуры (1876—1958).

В теории шахтных подъемных установок особое место зани­мает выведенное в 1913 г. акад. М. М. Федоровым основное дина­мическое уравнение подъемных систем с органами постоянного радиуса навивки каната, которое явилось аналитической осно­вой для проектирования подъемных установок.

В области стационарных установок достигнуты определенные успехи в результате коллективного творчества научно-исследо­вательских и проектных институтов — ЦАГИ им. Н. Е. Жуков­ского, ВНИИГМ им. М. М. Федорова.

Задачи дальнейшего совершенствования стационарных уста­новок заключаются в повышении их надежности, экономичности и, кроме того:

вентиляторных — в повышении производительности и давле­ния; уменьшении габаритных размеров и уровня шума; увеличении глубины экономичного регулирования путем совершенствова­ния конструкций регулирующих устройств; увеличении гарантий­ных сроков эксплуатации за счет повышения надежности работы отдельных узлов, применения более прочных и износостойких материалов; совершенствовании реверсивных качеств осевых вентиляторов; повышении технологичности и точности изготовле­ния; совершенствовании электропривода и аппаратуры авто­матического управления;

водоотливных — в повышении к. п. д. насосов и гарантиро­ванного ресурса работы их в среднем до 15 тыс. ч (в настоящее время он составляет примерно 10 тыс. ч); разработке и освоении серийного производства насосов с напором до 1600 м и подачей до 1000 м³/ч, погружных насосов с напором до 1000 м и подачей до 500 м³/ч, требующих меньших капитальных и эксплуатацион­ных затрат; более широком использовании при изготовлении на­сосов материалов с высокой коррозионной, абразивной и кави­тационной стойкостью;

пневматических — в более широком использовании центро­бежных компрессоров; улучшении температурного режима работы компрессоров; совершенствовании системы смазки, сортов масел и очистки всасываемого воздуха, уменьшении потерь в воздухо­проводах; централизации снабжения шахт сжатым воздухом; со­вершенствовании аппаратуры автоматического управления комп­рессорными станциями;

подъемных — в увеличении поднимаемого груза до 50 т, ско­рости движения до 20 м/с, высоты подъема до 1400 м; повышении срока службы канатов за счет улучшения их качества; совершен­ствовании устройств загрузки и разгрузки скипов; применении тиристорного электропривода; совершенствовании тормозных уст­ройств и аппаратуры автоматического управления.

ШАХТНЫЕ ВЕНТИЛЯТОРНЫЕ И ВОДООТЛИВНЫЕ УСТАНОВКИ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТУРБОМАШИН

Принцип действия турбомашин и величины, характеризующие их работу

В шахтной практике для проветривания выработок, водоотлива и получения сжатого воздуха используются турбомашины — ма­шины с лопастными рабочими колесами. Рабочей средой в этих машинах является жидкость, под которой в дальнейшем понима­ются и жидкие и газообразные вещества.

По конструкции и характеру движения жидкости относительно оси вращения рабочего колеса различают центробежные и осевые турбомашины.

Центробежная одноступенчатая турбомашина (рис. 2) состоит из рабочего колеса 1 с лопастями 2 и обтекателем 3, вала 4, подшипников 5, спирального отвода 6, входного патрубка 7, напор­ного патрубка 8 и диффузора 9, который применяется только для вентиляторов.

При вращении рабочего колеса в направлении, показанном стрелой, жидкость, находящаяся в межлопастных каналах, под действием лопастей приходит в движение. Перемещаясь вдоль лопастей от входа в колесо к выходу из него, поток жидкости по­лучает приращение полной энергии — суммы потенциальной и кинетической энергии (статического и скоростного напора) и затем поступает в спиральный отвод. В постепенно расширяю­щемся спиральном отводе кинетическая энергия потока частично преобразовывается в потенциальную — в статический напор (дав­ление), который еще больше возрастает в диффузоре. Поток жидко­сти поступает в рабочее колесо непрерывно, так как в центре ко­леса при работе турбомашины непрерывно создается разрежение. Обтекатель необходим для безу­дарного подвода жидкости к ло­пастям.

Описанная турбомашина имеет одно рабочее колесо с односторон­ним входом жидкости (рис. 2, а).

Для увеличения подачи (произво­дительности) применяются рабочие колеса с двусторонним входом жидкости (рис. 2, б).

Применяются также многосту­пенчатые (многоколесные) турбо­машины с несколькими рабочими колесами, закрепленными на одном валу. Для увеличения подачи (про­изводительности) используются турбомашины с параллельным соединением колес, при которрм жидкость всасывается в каждое колесо, а затем через диффузор подается в общий трубопровод. Для увеличения напора (давления)

служат турбомашины с последовательным соединением нескольких колес, при котором жидкость последовательно проходит через все рабочие колеса 1 (рис. 3) и расположенные между ними невращающиеся лопаточные отводы 2, где скоростной напор частично преобразовывается в статический.

Осевая турбомашина (рис. 4) состоит из рабочего колеса в виде втулки 1 с лопастями 2, вала 3, корпуса 4 с коллектором 5, переднего обтекателя (кока) 6, спрямляющего аппарата 7, диф­фузора 8 и подшипников. Лопасти относительно втулки закреплены под некоторым углом. При вращении рабочего колеса в направ­лении, показанном стрелкой, благодаря воздействию лопастей на жидкость происходит приращение давления, необходимое для движения жидкости. У входа в колесо возникает разрежение, а за колесом — давление. За рабочим колесом устанавливается спрямляющий аппарат для выравнивания в осевом направлении потока, выходящего из колеса закрученным. Назначение диф­фузора в осевой турбомашине то же, что и в центробежной.

Описанная осевая турбомашина одноступенчатая, т. е. одно­колесная. Однако, как и центробежная, она может быть и много­ступенчатой, с последовательным соединением колес. Между рабочими колесами устанавливается неподвижный лопаточный направляющий аппарат, а за последним колесом — такой же кон­струкции спрямляющий аппарат.

В центробежной турбомашине жидкость входит в колесо вдоль оси, выходит в плоскости вращения колеса, а в осевой — движется только вдоль оси вращения колеса.

Увеличение давления жидкости, необходимое для ее движе­ния в присоединенном к турбомашине напорном трубопроводе, происходит благодаря гидродинамическим силам, возникающим от динамического воздействия лопастей вращающегося колеса на поток жидкости.

Лопасть рабочего колеса имеет крыловидный профиль, слегка изогнутое обтекаемое тело с закругленной, набегающей на поток кромкой и заостренной задней кромкой. Рабочее колесо представляет собой решетку из таких совместно работающих профилей.

Работу турбомашины характеризуют:

Подача (производительность) Q — количество транспор­тируемой турбомашиной жидкости в единицу времени. Изме­ряется в объемных единицах (м³/с, м³/мин, м³/ч) или в еди­ницах массы. Применительно к насосам принят термин подача, к вентиляторам — производительность.

Напор (давление) Я, создаваемый турбомашиной и представляющий собой приращение полной удельной (на 1 кг) энергии, полученной жидкостью в турбомашине. Напор измеря­ется в метрах столба жидкости, давление — в паскалях (1 Па = 1 Н/м²).

Давление (Па), создаваемое турбомашиной,

Р = ρgH,

где ρ — плотность перекачиваемой среды, кг/м³;

g = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения.

Применительно к насосам принят термин напор с обозначе­нием Н, а к вентиляторам и центробежным компрессорам — дав­ление, обозначаемое соответственно Н и ρ.

Различают избыточное давление, т. е. избыток измеряемого манометром давления над барометрическим давлением внешней среды, и абсолютное давление, равное сумме барометрического и измеренного манометром избыточного давления.

Мощность измеряется в ваттах (1 Вт = I Дж/с).

Различают полезную мощность N_n — приращение в турбомашине энергии потока в единицу времени и мощность турбомашины (на валу турбомашины) N — энергию, по­лученную турбомашиной от двигателя в единицу времени.

К.п.д.  η турбомашины — отношение полезной мощности, сообщаемой потоку жидкости, к мощности турбомашины.

Частота вращения n рабочего колеса турбомашины — число оборотов в минуту.