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矿井排水设备. 万英盛 2009.6.30. 目 录. 第一节 概述. 第二节 离心式水泵的工作理论和特性曲线. 第三节 离心式水泵的结构. 第四节 相似理论. 第五节 离心式水泵在管路中的工作. 本章小结. 第一节 概述. 一、 排水设备的任务和分类 1 、任务 将矿水及时地排送至地面，为井下创造良好的工作环境，确保安全生产。 2 、来源 涌入矿井的水统称为矿水。矿水主要来源于地表水、地下水（含水层水、断层水和采空区水等）、充填后的废水 （水砂黄泥充填的矿井。
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矿井排水设备 万英盛 2009.6.30
目 录 第一节 概述 第二节 离心式水泵的工作理论和特性曲线 第三节 离心式水泵的结构 第四节 相似理论 第五节 离心式水泵在管路中的工作 本章小结
第一节 概述 一、 排水设备的任务和分类 1、任务 将矿水及时地排送至地面，为井下创造良好的工作环境，确保安全生产。 2、来源 涌入矿井的水统称为矿水。矿水主要来源于地表水、地下水（含水层水、断层水和采空区水等）、充填后的废水 （水砂黄泥充填的矿井。 矿井涌水量：在单位时间内涌入矿井的总水量称为矿井涌水量，用Q表示，其单位是m3/h。 最大涌水量：雨季和溶雪期地表水丰富，涌水多，称这时的涌水量为最大涌水量，用Qmax表示，所对应的涌水时间为最大涌水时间，用Tmax表示。 正常涌水量：其它季节的涌水量大致均匀，称这时的涌水量为正常涌水量，用Qz表示，所对应的涌水时间为正常涌水时间，用Tz表示。
3、矿水性质 • 1）温度 随井深增高。 • 2）密度 比清水大。ρ=1015～1025kg/m3 • 3）化学性质 一般PH＞7为碱性，PH=7为中性，PH=4~6为弱酸性，当PH≤3时为强酸性。强酸性水对金属材料有强烈的腐蚀作用。矿水多带酸性，当PH<5时，应采取措施：一是在排水前用石灰等碱性物质将水进行中和；一是采用耐酸泵排水，对管路进行耐酸防护处理。
4、分类 • 矿井排水设备分为固定式和移动式。 • 固定式排水设备根据其服务范围又分为主排水设备、区域排水设备和辅助排水设备。 • 5、对排水设备的要求 • 排水设备是煤矿四大固定设备之一。一般煤矿每开采1t煤，要排出2～7t的矿水，有些煤矿甚至多达30～40 t的矿水。排水设备的电动机功率，小的几千瓦或几十千瓦，大的几百千瓦或上千千瓦。为确保矿井安全生产，排水设备安全、可靠、经济、合理地运行具有十分重要的意义。 • 排水设备的选用及其布置方式必须符合《煤矿安全规程》等相关的技术规定和要求。见教材P299
6、排水设备的组成 排水设备一般由水泵、电动机、吸水管、排水管、管路附件及仪表等组成 。如图1所示。 图1 排水设备示意图 1、水泵，2、电机，3、启动设备，4、吸水管，5、滤水器，6、底阀，7排水管，8、调节阀门，9、逆止阀，10、旁通管，11灌引水漏斗，12、放水管，13、放水阀，14、真空表，15放气栓，16、压力表
二、离心式水泵的组成及工作原理 1、组成： 离心式水泵主要由叶轮、叶片、外壳、泵轴和轴承等组成 。 2、离心式水泵的工作原理 水泵启动前，应先用水注满泵腔和吸水管，以排除空气。启动后，泵轴带动叶轮旋转，叶轮中的水在离心力的作用下被甩向叶轮叶轮周围压向泵壳，通过排水管排至地面，与此同时，叶轮中心进水口处，由于水被抛至轮缘而形成真空，吸水井中的水在大气压的作用下，通过滤水器、底阀及吸水管进入水泵，填补叶轮中心的真空，叶轮连续旋转，吸水井中的水就不断被吸入和甩出，形成连续不断的排水。
3、离心式水泵的分类 按叶轮数目分 1)单级水泵 泵轴上仅装有-个叶轮 2)多级水泵 泵轴上装有几个叶轮 按水泵吸水方式分 1)单吸水泵 叶轮上仅有-个进水口 2)双吸水泵 叶轮两侧各有-个进水口 按泵壳的结构分 1)螺壳式水泵 2)分段式水泵 垂直泵轴心线的平面上有泵壳接缝 3)中开式水泵 在通过泵轴心线的水平面上有泵壳接缝 按泵轴的位置分 1)卧式水泵 泵轴呈水平位置 2)立式水泵 泵轴呈垂直位置 按比转数分 1)低比转数水泵 比转数nS=4O～80 2)中比转数水泵 比转数nS=8O～150 3)高比转数水泵 比转数nS=150～300
4、离心式水泵的工作参数 1） 流量 水泵在单位时间内所排出水的体积，称为水泵的流量，用符号Q表示，单位m3/s , m3/h。 2）扬程 单位重量的水通过水泵后所获得的能量，称为水泵的扬程，用符号H表示，单位为m。 吸水扬程(吸水高度) 泵轴线到吸水井水面之间的垂直高度，称为吸水扬程，用符号HX 表示，单位为m。 排水扬程（排水高度） 泵轴线到排水管出口处之间的垂直高度，称为排水扬程。用符号Hp表示，单位为m. 实际扬程（测地高度） 从吸水井水面到排水管出口中心线间的垂直高度，称为实际扬程。用符号Hsy表示，单位为m，即Hsy=Hx+Hp 总扬程 总扬程H为实际扬程、损失扬程和在水在管路中以速度v流动时所需的（速度水头）扬程之和，称为水泵的总扬程,即
3）功率 水泵在单位时间内所做的功的大小叫做水泵的功率。 水泵的轴功率 电动机传给水泵轴的功率，即水泵的轴功率（输入功率） 水泵的有效功率 水泵实际传递给水的功率，即水泵的有效功率（输出功率）用符号 表示。
4）效率： 水泵的有效功率与轴功率之比，叫做水泵的效率，用符号 表示。 5）转速 水泵轴每分钟的转速，叫做水泵的转速。
6）允许吸上真空度或汽蚀余量 在保证水泵不发生汽蚀的情况下，水泵吸水口处所允许的真空度，叫做水泵的允许吸上真空度。用符号Hs表示。 水泵吸水口处单位重量的水超出水的汽化压力的富余能量，叫做水泵的汽蚀余量。
第二节 离心式水泵的工作理论及特性曲线 一、离心式水泵理论压头及特征曲线 1. 水在叶轮中的运动分析 水在水泵的叶轮中的流动情况相当复杂，利用数学方法准确求出压头特性（泵转速一定时，流量与压头之间的关系）是很困难的。只能采用近似方法，使其结果能基本反映实际情况，这就是建立一个理想叶轮模型，假定： 1）叶轮叶片数目无限多，叶片厚度无限薄； 2）水为理想流体，水泵工作时没有任何损失； 3）水的流动是稳定流动； 4）水不可压缩（即ρ=常数） 设叶轮的几何参数为： D1、D2—叶轮叶片内缘、外缘直径； r1、r2—叶轮叶片内缘、外缘半径； b1、b2—叶轮叶片内缘、外缘处的宽度； β1、β2—叶轮叶片内缘、外缘处的叶 片安装角。
当水进入叶轮后，由于叶轮作等速圆周运动，叶片迫使水质点以同一转速旋转，故水质点具有与叶轮相同的圆周速度,称为牵连速度（圆周速度），用符号 u表示，其方向与叶轮圆周相切，大小随半径r变化。任意半径处圆周速度u=rω； • 在水质点随叶轮作等速圆周运动的同时，还要以一定的速度沿着叶片所形成的流道向外流动，即沿着叶片表面流动，其方向与叶片相切，称为相对速度，用符号w表示。 • 速度是矢量，牵连速度u和相对速度w的矢量和，就是水流经叶轮的绝对速度c，即：
在叶轮内任何一个位置，都可以画出这三个速度的大小和方向，它们构成一个三角形，称为速度三角形。在叶轮内任何一个位置，都可以画出这三个速度的大小和方向，它们构成一个三角形，称为速度三角形。
速度三角形向量图（图7—3）（以下缀1和2区分入口和出口处的各项参数）速度三角形向量图（图7—3）（以下缀1和2区分入口和出口处的各项参数） 参数解释： Cr ：绝对速度在径向方向上的分量，称为径向分速度 ； Cu ：绝对速度在圆周方向上的分量，称为切向分速度（扭曲速度）； α：绝对速度与牵连速度的夹角。称为叶片工作角； β：相对速度与牵连速度反方向的夹角，称为叶片安装角。 从图中知：
2. 离心式水泵的理论压头方程式 • 由于水流经叶轮时情况非常复杂，为了便于分析，假设： • 1)水在叶轮内的流动为稳定流动，即速度图不随时间变化； • 2)水是不可压缩的，即密度ρ为一常数； • 3)水泵在工作时没有任何能量损失，即原动机传递给水泵轴的功率完全用于增加流经叶轮水的能量； • 4)叶轮叶片数目无限多且为无限薄。 • 这样水流的相对运动方向恰好与叶片相切；叶片的厚度不影响叶轮的流量；在叶轮同一半径处的流速相等、压力相同。 • 在上述条件下求出的压头，叫做离心式水泵的理论压头。
= 水泵工作时，叶轮传递给水的理论功率为 水泵的轴功率PZ可用叶轮入口间水流上的外力矩M和叶轮的角速度 之乘积来表示，即 因为没有损失，故 根据动量矩定理可知：作用在叶轮上的外力矩等于每秒钟流经叶轮出入口间水的动量矩的增量，即
式中： 则 即为离心式水泵的理论压头方程式，又称为欧拉公式。
=900 = 于是 由此方程式可以看出： 1)水从叶轮中所获得的能量，仅与水在叶轮进口及出口处的运动速度有关，与水在流道中的流动过程无关。如果水在叶轮进口时没有扭曲，即 =0，这时公式可改写为： 2)理论扬程Hl与u2有关，而 因此，增加转速n和加大叶轮直径D2，可以提高水泵的理论扬程。 3)流体所获得的理论扬程Hl与流体种类无关。对于不同流体，只要叶轮进、出口处流体的速度三角形相同，都可以得到相同的Hl。
式中 3. 离心式水泵的理论压头与理论流量的关系式 离心式水泵的理论流量为： ， 4.离心式水泵的理论压头线 离心式水泵的叶轮的叶片型式有三种，即前弯式、后弯式和径向叶片。
⑴ 前弯叶片， β2 > 90º，cotβ2<0, 故 Hl = A + BQl； 理论压头随理论流量增加而增大，即Hl随着Ql的增加而增加，是一条上升的直线。 ⑵ 径向叶片， β2＝90º cotβ2＝０ B＝０ 故Hl=A； 理论压头为定值不变，即Hl不随着Ql的增加而变化 ，是一条与横坐标平行的直线。 ⑶ 后弯叶片 β2< 90º cotβ2>0B > 0 故 Hl = A - BQl；理论压头与理论流量成反比，是一条下降的直线。
在几何尺寸、转速以及流体进入叶片运动情况相同的条件下，三种叶片的工作状态分析如下：在几何尺寸、转速以及流体进入叶片运动情况相同的条件下，三种叶片的工作状态分析如下： 1)理论压头的关系 根据离心式水泵欧拉方程分析可知，前弯叶片c2u > u2,后弯叶片c2u<u2 ，径向叶片c2u =u2。所以前弯叶片产生的理论压头最高，后弯叶片产生的理论压头最低，径向叶片居中。 2)叶轮流道与效率的关系 就叶轮流道阻力而言，后弯叶片因流道长，断面变化的扩散角小，流动结构变化缓慢，所以流动能量损失最小，效率最高。相反前弯叶的流道短而宽，断面变化的扩散角大，流动结构变化剧烈，流动阻力较大，流动损失也大，效率是三种叶片中最低的；径向叶片的叶轮效率居中。
5、三种不同叶型叶片工作特性分析比较结果见下表5、三种不同叶型叶片工作特性分析比较结果见下表 不同叶型叶片工作特性的比较 综上分析，在实践中通常使用后弯叶片叶轮，β2一般在２０o～２5o之间，叶片数一般为５～７片。
二、离心式水泵的实际压头特性曲线 • （1）有限叶片的影响（叶片数目有限时对扬程的影响） • 1）叶片有限时的环流和相对速度的分布 • 相对速度分布：受环流（环流的形成—来自流体质点 • 的惯性。）的影响，叶片迎面上的流体质点相对速度 • 减小，背面处的流体质点相对速度加大，形成不均匀 • 的相对速度。（ 图7-6） • 形成原因：理想叶轮相对速度的均匀分布与环流合成 • 的结果。
2）环流对压头的影响 • 叶片数目有限与无限情况下速度的比较： • ，绝对速度向叶轮旋转的相反方向偏移。 • 减小程度用 表示，称为环流系数。 • 对于水泵 （z—叶片数目），一般 • k=0.6～0.9。 • 环流对压头的影响：
式中 （2）能量损失的影响 水流经水泵过流部件时的能量损失(水力损失)主要有下列两种： 1)摩擦损失和扩散器损失 摩擦损失为 扩散器损失为 所以摩擦损失和扩散器损失为 ——摩擦和扩散损失系数。 2)冲击损失和涡流损失 冲击损失和涡流损失hq的大小与水泵运转时流量Q和设计流量Qe之差的平方成正比，即
三、 离心式水泵的效率 根据能量损失的形式不同，可将离心式水泵的损失分为机械损失、容积损失和水力损失三种。 1．机械损失和机械效率 水泵在运转时存在着机械损失。它包括轴与轴承和填料间的摩擦阻力损失；叶轮在泵腔内的水中转动时产生的圆盘摩擦损失；以及因级间泄漏而增加的功率损耗。 机械损失的大小用机械效率来衡量。 水泵的机械效率为
式中 PZ ——水泵轴功率， ΔPm——机械损失功率， Hl/——叶轮叶片有限多时水泵的理论压头， m； Ql/————叶轮叶片有限多时水泵的理论流量，即 ——叶轮叶片厚度使叶轮出口断面缩小的系数，称为收缩系数。
2．容积损失和容积效率 当水流过叶轮时，由于叶轮对水做功，使水的能量(压力能和速度能)增大。但得到能量后的水，不是全部流到排水管中，而有少量的高压水通过动静部件的间隙( 如在叶轮入口处、平衡孔或平衡盘处以及级间隙等处)重新流回到低压区，使水泵的实际流量小于理论流量。这种因间隙泄漏而造成的能量损失叫做容积损失。 容积损失的大小用容积效率来衡量。 水泵的容积效率为 式中 Q、ΔQ——实际流量与泄漏流量， m3/s。
3．水力损失和水力效率 水流过水泵的进口、叶轮、导向器、机壳等过流部件时，因摩擦、扩散、冲击而消耗的能量叫做水力损失。水力损失使水泵的实际压头小于理论压头。 水力损失的大小用水力效率来衡量。 水泵的水力效率为
4．水泵的总效率 水泵的总效率η为水泵的有效功率PX(输出功率)与轴功率PZ(输入功率)的比值，即 由此可见，水泵的总效率等于它的机械效率、容积效率和水力效率三者之乘积。只有尽可能减少泵内各种损失，才能获得较高的水泵效率。
四、比例定律及比转数 比例定律 （1）相似条件 相似理论（研究相似流体的理论） 根据相似理论，若两个流动之间，相互对应的流动参量（即与流动有关的各物理量，如：密度、粘度、速度、压力等）有着一定的比例关系，并且按照同样的规律运动，则称这两个流动是互为相似的流动。确定两者之间存在着相似关系的原理称为相似原理。相似原理告诉我们：两个流动相似，一定要满足力学相似条件，即满足几何相似、运动相似和动力相似。 同时满足，彼此之间几何相似、运动相似和动力相似的水泵称相似水泵。
1）几何相似（边界相似） • 指流动几何相似和边界性质相同。彼此相似的水泵的叶轮和主要通流部件中的流体流动几何相似，彼此相应的几何尺寸成相同比例，对应的同名角相等。表征边界性质的叶轮和主要通流部件的固体壁面水力性质相同，几何形状相似。即对应尺寸的比值为一常数，对应的同名角相等。即：
2）运动相似 • 指流动的各相应点的速度方向相同，大小成比例。彼此相似水泵上各对应点处的速度三角形相似。即
3）动力相似 指流动的各相应点处质点所受诸同名力成比例。对于彼此相似的水泵主要是要求其雷诺准则，即雷诺数Re=uD/ɣ（式中u—叶轮外缘速度，D—叶轮外缘直径，ɣ—运动粘度系数）相等或不大于5倍。实际上要做到Re相等，有时有实际困难，考虑到管流时粘滞力不再与Re有关，而且自动保持动力相似，所以不严格要求Re相等。但也应尽量做到阻力系数接近，相差不宜过大。即
注意：相似条件中以几何相似为必要条件，运动相似和动力相似为充分条件。注意：相似条件中以几何相似为必要条件，运动相似和动力相似为充分条件。 • （2）比例定律 • 1）相似水泵相应工况下的参数关系 • 流量关系 设对应工况的流量值分别
2）比例定律 • 对于同一台或两台对应尺寸相等的相似水泵，若排送的液体重度相等，可得比例定律。即 比例定律的应用：
比转数 • 比转数是水泵相似的一项派生准则。因为比例定律只反映了一系列相同或相似水泵性能参数之间的关系。并未涉及非相似水泵性能参数之间的关系。在水泵的选择和设计中，为了比较不同系列水泵的性能参数，往往需要一个不依赖于泵的几何尺寸，而反映其流量和扬程关系的综合参数，这个参数称为比转数。
设两台彼此相似水泵的尺寸，转速和额定工况参数分别为D2、n、H、Q和D2´、n´、H´、Q´。 以上两式中消去比值 得：
