УДК 622. 532

О разработке типоряда шахтных секционных

двухпоточных насосов.

Тимухин С. А., Долганов А. В., Попов Ю.В.

Уральский государственный горный университет

Аннотация

В статье показано, что в настоящее время в Уральском государственном горном университете ведется разработка шахтных секционных насосов нового поколения, а за основу принята более эффективная двухпоточная гидравлическая схема и учтены основные факторы, определяющие эффективность разрабатываемого типоряда насосов: степень совершенства базовой гидравлической схемы, величина максимального КПД, форма и размеры рабочего участка напорной характеристики насоса, простота способа регулирования, технологичность конструкции и густота ряда составляющих серию типоразмеров.

В статье рассмотрены вопросы покрытия потребных водоотливных режимов шахт и рудников полями рабочих режимов предполагаемого типоряда секционных двухпоточных насосов, создаваемых на элементной базе всего типоряда однопоточных насосов.

Ключевые слова: типоряд, шахтные, секционные, двухпоточные насосы, эффективная двухпоточная гидравлическая схема.

В настоящее время в Уральском государственном горном университете ведется разработка шахтных секционных насосов нового поколения. При этом за основу принята более эффективная двухпоточная гидравлическая схема и учтены следующие основные факторы, определяющие эффективность разрабатываемого типоряда насосов и существенно влияющие на решение проблемы в целом: степень совершенства базовой гидравлической схемы, величина максимального КПД, форма и размеры рабочего участка напорной характеристики насоса, простота способа регулирования, технологичность конструкции и густота ряда составляющих серию типоразмеров. Требования предъявляемые к шахтным центробежным секционным насосам (как к основным типам насосов в горной отрасли промышленности) довольно жесткие по всем указанным факторам. Гидравлические схемы таких насосов, как правило, не должны предусматривать дорогостоящих узлов, усложняющих проточную часть насоса, снижающих его надежность, увеличивающих материалоемкость и трудоемкость изготовления.

Кроме того, гидравлические схемы насосов должны обеспечивать для заданного уровня быстроходности достаточно высокий КПД и возможность их модификации конструктивно простыми способами.

В наибольшей степени всем этим требованиям отвечают двухпоточные секционные насосы, создаваемые на элементной базе однопоточных насосов [1, 2]. Разделяя проточную часть насоса на две одинаковые группы, симметрично расположенных по отношению друг к другу, секций, подвод жидкости к которым осуществляется с противоположных сторон (через всасывающие патрубки одинаковых всасывающих торцевых крышек), а отвод – через общий нагнетательный патрубок в центре проточной части, можно получить секционный насос со всеми его преимуществами: технологичностью изготовления, минимальными показателями материалоемкости и массогабаритности, простотой способа регулирования (изменением числа секций) и др. При этом увеличению КПД, надежности и долговечности насоса будет способствовать устранение из его схемы гидравлического разгрузочного устройства и использование для компенсации осевой силы наиболее совершенного способа – симметричного расположения рабочих колес. Кроме того, устранение из схемы двухпоточного насоса нагнетательной крышки с нагнетательным патрубком и практически полное использование всей элементной базы однопоточных насосов, повышает унификацию узлов насоса и технологичность его изготовления. Следовательно, двухпоточный секционный насос отвечает практически всем, отмеченным выше, достаточно жестким требованиям, предъявляемым к данному виду горной техники.

Рассмотрим вопросы покрытия потребных водоотливных режимов шахт и рудников полями рабочих режимов предполагаемого типоряда секционных двухпоточных насосов, создаваемых на элементной базе всего типоряда однопоточных насосов. При установлении границ полей потребных водоотливных режимов шахт и рудников РФ по напору, будем исходить из сложившейся в практике осушения месторождений высоте ступени, характерной для многоступенчатых водоотливов. Значения этой высоты обычно не превышают 500-600 м, хотя известны рекомендации об её увеличении до 900 м и более.

На рис. 1, приведены поля рабочих режимов рассматриваемых секционных двухпоточных насосов (буква Д в маркировке насосов означает-двухпоточный). Анализ этих полей показывает достаточную полноту покрытия потребных водоотливных режимов, особенно в части подачи насосов, способных в большинстве случаев заменить по этому параметру (а также по напору) спиральные насосы. Некоторый недостаток напорности рассматриваемого типоряда двухпоточных насосов может быть устранен проведением соответствующих мероприятий по повышению их напорности. Здесь следует отметить, что разработка рассматриваемых насосов на элементной базе секционных однопоточных является одним из возможных первоначальных вариантов.

Несомненным достоинством этого варианта является минимизация материальных и временных затрат на освоение промышленного производства насосов. Конечно, при этом не исключается разработка новых, например, более высоконапорных двухпоточных насосов (с номинальным напором на одно колесо 150-200 метров и более или числом рабочих колес более 10).

Рис. 1а.

Рис. 1б. Поля рабочих режимов двухпоточных насосов

Во всяком случае напорность двухпоточных насосов также, как и однопоточных, принципиально не ограничена гидравлическими или какими – либо конструктивными ограничениями, характерными, например, для спиральных насосов.

_{Рис. 2. Схема выходной части двухпоточного насоса}

Одним из основных требований при создании двухпоточных насосов является обеспечение идентичных условий входа жидкости на первые рабочие колеса обеих групп секций, а также её выхода с последних (выходных) колес, что предполагает особое внимание к конструкции этих

узлов. Известно, что по причине неудачного конструктивного решения выходной части, создаваемого по двухпоточной схеме секционного насоса типа ГМС (Горловский, мощный, стационарный), разработка данного насоса не была доведена до серийного производства из-за того, что значительная часть осевой силы оставалась нескомпенсированной. По этой причине упорные подшипники подвергались перегрузкам и быстро выходили из строя.

_{На рис. 2 приведена схема перевода жидкости от рабочих колес в полость нагнетания двухпоточного насоса: 1 – выходные рабочие колеса; 2 – переводные каналы лопаточных отводов; 3 – полость нагнетания насоса.}

Рассмотрим выходную часть двухпоточного насоса (см. рис. 2), состоящую из выходных рабочих колес (1), лопаточных отводов со своими переводными каналами (2), полости нагнетания насоса (3), сообщенной с нагнетательным патрубком и нагнетательным трубопроводом. При этом жидкость с выхода рабочих колес (1) через лопаточные отводы и переводные каналы (2) перетекает в полость нагнетания (3) и далее в нагнетательный патрубок (на рис. 2 не показан).

Остановимся на процессе этого перехода поскольку он ранее не рассматривался, а его влияние на эффективность функционирования выходной части и всего насоса в целом достаточно велико. Обозначим среднее давление на выходе из рабочих колес Р₂, а среднее давление в полости нагнетания – Р₀.

Тогда средние скорости V_i и коэффициенты сопротивления отдельных i- тых переводных каналов ξ_i будут связаны между собой следующим соотношением:

. (1)

По своему действию увеличение или уменьшение давления по сравнению со средним вблизи входа и выхода из канала соответствует уменьшению или увеличению его сопротивления. Скорости потока в каналах окажутся большими или меньшими скоростей, соответствующих среднему давлению.

В любой точке выходной части лопаточных отводов и полости нагнетания насоса давления будут отличаться от значений Р₂ и Р₀ в большую или меньшую сторону на величину ±ΔР. Однако у какой-то части каналов скорости потоков сохранят значения соответствующие средним значениям давлений Р₂ и Р₀.

При этом соотношение (1) примет вид

. (2)

Или после преобразований

. (3)

Связь между величинами ξ_i; Δξ_i; W_i; ΔW_i и ΔР_i может быть установлена следующим образом:

, (4)

где ρ – плотность жидкости

или , (5)

Из выражений (3), (4) и (5) находим

, (6)

где _{- относительные потери давления в переводных каналах (коэффициент потерь давления).}

_{На режиме автомодельности безразмерная величина определяется только геометрией конструкции насоса и распределением скоростей в каналах и камерах лопаточных отводов (если распределение скоростей не меняется, то значение также остается постоянным).}

_{Отсюда изменение масштаба геометрии подобных конструкций всего типоряда двухпоточных насосов ЦНСД не должно изменять этой величины. Следовательно, при разработке двухпоточных насосов значение , полученное расчетом или экспериментально для базового образца насоса (первоначально разработанного и изготовленного), может быть распространено на весь типоряд геометрически подобных машин.}

_{Отсюда равенство для базового образца и насосов разработанного типоряда можно записать в виде}

, (7)

Индексы «Б» и «Т» в этой записи означают базовый насос и любой другой насос типоряда соответственно. Из (6) и (7) можно получить зависимость между коэффициентами сопротивления и их приращениями для базового образца насоса и любого насоса типоряда:

, (8)

откуда с помощью (3) можно найти зависимость между ΔV_iБ и ΔV_iТ, где в общем виде

, (9)

Или после преобразований

. (10)

В последних формулах

_{Анализ (9) и (10) показывает, что увеличение коэффициентов сопротивления каналов приводит к уменьшению величины . Это может означать то, что увеличением сопротивления каналов любого насоса типоряда можно обусловить распределение потока согласно (1) с любой приелемой точностью. При разработке типоряда насосов для определения и возможного уменьшения целесообразно, чтобы коэффициенты сопротивления каналов насосов типоряда были в одинаковое число раз меньше коэффициентов сопротивления базового образца насоса. Величина К должна быть одинакова для всех каналов.}

_{Учет этих соображений и полученных в статье зависимостей будет способствовать созданию эффективного типоряда двухпоточных секционных насосов. При этом особенно важным является соблюдение полной идентичности рассмотренного процесса для обеих групп секций, в том числе, и соблюдение для них равенства величины .}

_{Библиографический список}

1. Центробежный секционный двухпоточный насос. Патент РФ 2081351. МПК 7: F04Д1/06.

2. Тимухин С.А., Долганов А.В. и др. «О разработке шахтных центробежных секционных двухпоточных насосов» // Известия Уральского государственного горного университета. 2014. №2 (34). С. 48-51.

Сведения об авторах

Тимухин Сергей Андреевич – доктор технических наук, профессор кафедры горной механики УГГУ, автор более 200 научных публикаций. 620149, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. E-mail: Sergey.Timuhin@m.ursmu.ru

Долганов Алексей Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры горной механики УГГУ, автор сорока двух научных статей. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. AV.Dolganov@yandex.ru

Попов Юрий Владимирович – доктор технических наук, заведующий кафедрой горной механики УГГУ, автор 75 научных публикаций, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. E-mail: Popov.Y@mail.ru