Сравнительная оценка шахтных секционных двухпоточных насосов

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 622.532

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА

ШАХТНЫХ СЕКЦИОННЫХ ДВУХПОТОЧНЫХ НАСОСОВ Долганов А. В., Попов Ю. В., Тимухин С. А., Пискарев А. Н.

На современном этапе развития горной техники требуется создание и освоение промышленного производства технологичного, однотипного и унифицированного насосного оборудования, отвечающего всем основным требованиям горного производства. Этим требованиям и условиям в наибольшей степени, по мнению авторов, отвечают центробежные секционные насосы, создаваемые на основе двухпоточной гидравлической схемы. В статье обосновано, что диапазоны подач и напоров двухпоточных секционных насосов, создаваемых на элементной базе существующих однопоточных, составляет соответственно 26-2000 м3/ч и 110-650 м. Следовательно, они в полной мере могут заменить менее совершенные в техническом отношении спиральные насосы (исходя из покрытия полей потребных водоотливных режимов шахт и рудников).

Ключевые слова: шахтные секционные насосы; подача; напор; сравнительная оценка; ремонтопригодность.

Значительное разнообразие гидрогеологических и горнотехнических условий шахт, рудников и карьеров предполагает применение самых разнообразных типов и конструкций шахтных центробежных насосов. Так, для обводненных месторождений в сложных гидрогеологических условиях применяются, в основном, мощные спиральные насосы, а для главных водоотливов глубоких горизонтов - высоконапорные секционные однопоточные насосы различных типоразмеров [1, 2]. С учетом участкового, проходческого, зумпфового и других водоотливов шахт и карьеров разнообразие насосного оборудования становится еще более значительным, что, в конечном счете, негативно отражается на всем процессе горного производства. Многолетний опыт эксплуатации насосного оборудования позволил установить основные преимущества и недостатки применяемых насосов. У спиральных насосов это невозможность изменения напора числом рабочих колес, нетехнологичность и сложность изготовления, значительные массогабаритные показатели и невозможность изготовления на большие напоры (реально не более 360-400 м), главным образом, из-за трудности гер-

метизации горизонтального разъема. У секционных насосов это низкая надежность и ремонтопригодность, главным образом, из-за крайне неудовлетворительной работы гидравлических разгрузочных устройств [3, 4]. Кроме того, секционные насосы достаточно сложно изготавливать на большие подачи (самый крупный секционный насос ЦНСГ-850-240...960 имеет номинальную подачу 850 м3/ч; для сравнения - шахтные спиральные насосы имеют подачу 2000 и более м3/ч).

В трудах известного специалиста в области рудничного водоотлива профессора В. М. Попова [1] отмечается, что основным направлением технического прогресса в области рудничного насосостроения является повышение технико-экономических показателей насосов существующих типоразмеров и создание новых типов насосов в соответствии с развитием смежных отраслей промышленности. Не менее важными, по мнению В. М. Попова, являются также вопросы обеспечения дальнейшего увеличения сроков непрерывной работы насосов без текущего и капитального ремонтов.

Очевидно, что на современном этапе развития горной техники требуется создание

№ 1(37), 2015

49

и освоение промышленного производства технологичного, однотипного и унифицированного насосного оборудования, отвечающего всем основным требованиям горного производства. Этим требованиям и условиям в наибольшей степени, по нашему мнению, отвечают центробежные секционные насосы, создаваемые на основе двухпоточной гидравлической схемы. Первые попытки разработки таких насосов относятся еще к 50-м годам XX века, когда на Украине (Горловка) создавался насос типа ГМС (Горловский, мощный, стационарный) [5]. Рабочие колеса в этом насосе впервые были расположены в двух одинаковых группах с подводом к ним воды с противоположных сторон. Теоретически в таком насосе за счет симметричного расположения рабочих колес осевые силы ротора должны были полностью уравновешиваться. Однако неудачное конструктивное решение выходной части насоса обусловило перетоки воды между последними рабочими колесами, что явилось причиной недостаточного уравновешивания осевых сил. Поэтому на радиально-упорные подшипники насосов передавалась значительная нагрузка, приводящая их к быстрому износу. Вследствие этого, а также из-за стремления создать универсальный насос, в котором группы секций могли быть соединены как последовательно, так и параллельно (что, естественно, значительно усложняло конструкцию), данная попытка создания секционного двухпоточного насоса была признана неудачной и не получила дальнейшего развития.

Однако на основе весьма значительного опыта разработки, конструирования и освоения широкого серийного производства шахтных центробежных насосов на самые разнообразные диапазоны подач (до 2000-2500 м3/ч) и напоров (до 1700-1900 м) создались необходимые предпосылки для создания секционных двухпоточных насосов, практически не имеющих отмеченных выше недостатков. В том числе самого главного для однопоточных насосов - несовершенного способа (и устройства) компенсации осевой силы, которая в двухпоточных насосах устраняется наиболее эффективно симметричным расположением рабочих колес.

Для снижения затрат и ускорения промышленного производства создание двухпоточных насосов на первом этапе может осуществляться на элементной базе однопоточных (секций с рабочими колесами одностороннего всасывания, лопаточными отводами с переводными каналами и направляющими аппаратами; всасывающих торцевых крышек с гидрозатворами и сальниковыми уплотнениями; валов и стяжных болтов). При реализации такого подхода не требуется значительного технического перевооружения производства, и поэтому освоение нового поколения насосной техники может осуществляться с минимальными временными и материальными затратами.

В табл. 1 приведены основные технические характеристики предполагаемого типоряда двухпоточных секционных насосов, создаваемых на элементной базе однопоточных.

Таблица 1

Основные технические характеристики типоряда двухпоточных насосов

Технические данные двухпоточных насосов

Элементная база разработки и освоения производства Типоразмер насоса Напор, м (max) Подача в рабочей зоне, м3/ч Мощность, кВт (max) КПД, %

Однопоточный насос ЦНС 13-70...350 ЦНСД 26-70.175 175 16-38 20 69

ЦНС 38-44.220 ЦНСД 76-44. 110 110 56-96 45 70

ЦНС(к) 60-66.330 ЦНСД(к) 120-66.165 165 96-160 100 70

ЦНС 105-98.490 ЦНСД 210-98. 245 245 160-260 250 73

ЦНС(к) 180-85.425 ЦНСД (к) 360-85.212 212 260-440 320 75

50

Известия Уральского государственного горного университета

Продолжение табл. 1 Технические данные двухпоточных насосов

Элементная база разработки

и освоения производства Типоразмер насоса Напор, м (max) Подача в рабочей зоне, м3/ч Мощность, кВт (max) КПД, %

ЦНС (к) 180-500.900 ЦНСД(к) 360-300. 500 500 260-440 800 76

ЦНС(к) 300-120.600 ЦНСД(к) 600-120. 300 300 440-760 800 73

ЦНС(к) 300-650.1300 ЦНСД(к) 600-390. 650 650 440-760 1600 75

ЦНС 500-160.880 ЦНСД(к) 1000-160. 440 440 760-1240 1600 77

ЦНС 850-240.960 ЦНСД 1700-240.480 480 1280-2000 3150 76

Анализ табл. 1 показывает, что диапа- ной металлоемкости q2 (кг/м4/ч); удельной

зоны подач и напоров двухпоточных секционных насосов, создаваемых на элементной базе существующих однопоточных, составляют соответственно 26-2000 м3/ч и 110-650 м. Следовательно, они в полной мере могут заменить менее совершенные в техническом отношении спиральные насосы (исходя из покрытия полей потребных водоотливных режимов шахт и рудников). Так, например, базовый для шахт ОАО «Севуралбокситру-да» спиральный насос 14М8х4 (ЦН 900-360) с номинальной подачей 600м3/ч может быть полноценно заменен на двухпоточный секционный ЦНСД 600-260...650.

Однако для всесторонне обоснованного принятия решений по этому вопросу необходима дополнительная сравнительная технико-экономическая оценка рассматриваемых вариантов насосного оборудования. Выполним ее по следующей группе критериев: удельной энергоемкости q1 (кВт/м4/ч); удель-

габаритности q3 (м3/м4/ч), а также по КПД и коэффициенту быстроходности n

Значения q1 (кВт/м4/ч), q2 (кг/м4/ч) и q3 (м3/м4/ч) определялись по следующим выражениям:

N

q, -

эф

а н н

N

-Н = Н :

Q*

G,

q2

н HQH’

VI

q

__ нас

н HQH’

где Nф; G ;V

эф нас" н

нас7 нас

- соответственно эффективная мощность (на валу); масса насоса; объем, занимаемый насосом; Q ; Н - номинальные значения подачи и напора.

Результаты данных расчетов сведены в табл. 2, откуда следует, что:

- по удельной энергоемкости сравниваемые варианты примерно равноценны;

Таблица 2

Сравнительные технические данные спиральных и секционных двухпоточных насосов

№ Типоразмер насоса Номи- наль- ная подача Q , м3/ч ^н’ Номи- наль- ный напор Нн, м Мощ- ность на валу, кВт Масса насоса, кг Удельная мощность, кВт/м4/ч Удельная металло- емкость, кг/м4/ч Удельная габарит- ность, м3/м4/ч КПД насоса, % Коэффи- циент быстро- ходности Частота вращения, мин'1

Спиральные насосы

1 ЦН-400-210 450 140 257 2800 0,40 • 10-2 4,4 • 10-2 0,21 • 10-2 74 117 1450

2 ЦН-900-360 600 380 1050 9200 О 40 o' 4,0 • 10-2 0,2 • 10-2 81 71 1450

3 ЦН-1000-180 1000 180 650 2340 0,36 • 10-2 1,3 • 10-2 0,26 • 10-2 72 94 1450

4 ЦН-1200-310 1200 240 1000 10000 0,35 • 10-2 3,4 • 10-2 О тг Сф o' 72 142 1450

5 8НД-10х5 300 420 500 2400 о 04 Сф o' 1,9 • 10-2 0,32 • 10-2 73 117 2950

Секционные двухпоточные насосы

6 ЦНСД-120-165 120 165 82 405 0,41 • 10-2 2 • 10-2 0,19 • 10-2 70 142 2950

н

№ 1(37), 2015

51

Продолжение табл. 2

№ Типоразмер Номи- наль- ная Номи- наль- ный Мощ- ность на Масса насоса, Удельная мощность, Удельная металло- Удельная габарит- КПД насоса, Коэффи- циент быстро- ходности Частота вращения,

подача Q , м3/ч ^н’ напор Нн, м валу, кВт кг кВт/м4/ч емкость, кг/м4/ч ность, м3/м4/ч % мин'1

7 ЦНСД-210-245 210 245 216 958 0,42 • 10-2 1,8 • 10-2 0,1 3 • 10-2 73 139 2950

8 ЦНСД-360-212 360 121 294 1680 О 00 o' 2,3 • 10-2 0,13 • 10-2 75 101 1450

9 ЦНСД-360-450 360 450 595 1580 0,36 • 10-2 1 • 10-2 0,053 • 10-2 76 105 2950

10 ЦНСД-600-300 600 300 721 2278 0,4 • 10-2 1,2 • 10-2 0,083 • 10-2 75 100 1450

11 ЦНСД-1000-440 1000 440 1661 5364 О 00 o' 1,2 • 10-2 0,070 • 10-2 77 103 1450

12 ЦНСД-1700-480 1700 480 3078 7149 о 00 o' 0,9 • 10-2 0,050 • 10-2 76 99 1450

- по удельной металлоемкости секционные двухпоточные насосы примерно в 2,0 раза превосходят спиральные;

- по удельной габаритности - в 2,5 раза;

- по надежности и ремонтопригодности секционные двухпоточные насосы имеют

целом на 4-5 % [6]);

- по удельной быстроходности сравниваемые варианты различаются незначительно: в обоих случаях рабочие колеса относятся к нормальным при незначительно большем значении (~ на 6 %) этого показателя у двух-

примерно такие же показатели, как и спиральные насосы;

- по величине КПД сравниваемые варианты примерно равноценны (здесь следует

поточных насосов.

В целом сравнительная оценка наглядно иллюстрирует преимущества секционных двухпоточных насосов, что в комплексе с дру-

заметить, что за счет устранения из схемы гими их характеристиками свидетельствует о

разгрузочного устройства снижаются весьма перспективности и технико-экономической значительные присущие им объемные и меха- целесообразности их разработки и широкого нические потери и повышается КПД насоса в промышленного освоения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Попов В. М. Водоотливные установки: справ. пос. М.: Недра, 1990. 254 с.

2. Стационарные установки шахт / под ред. Б. Ф. Братченко. М.: Недра, 1977. 440 с.

3. Тимохин Ю. В., Паламарчук Н. В. Выбор оптимальных конструктивных размеров гидравлического разгрузочного устройства шахтного насоса с учетом энергетических потерь. Стационарное оборудование шахт: сб. науч. трудов ВНИИГМ им. М. М. Федорова. Донецк, 1987. С. 144-122.

4. Тимохин Ю. В. Исследование и совершенствование гидравлических разгрузочных устройств шахтных центробежных насосов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: ВЗПИ, 1990. 15 с.

5. Жумахов И. М. Насосы, вентиляторы и компрессоры. М.: Углетехиздат, 1958. 580 с.

6. О разработке шахтных центробежных двухпоточных секционных насосов / Тимухин С. А. [и др.] // Изв. УГГУ. 2014. № 2(34). С. 39-41.

Поступила в редакцию 15 января 2015 г.

Долганов Алексей Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры горной механики. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, Уральский государственный горный университет. E-mail: AV.Dolganov@yandex. ru

Попов Юрий Владимирович - доктор технических наук, заведующий кафедрой горной механики. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, Уральский государственный горный университет. E-mail: Yuriy.Popov@m.ursmu.ru

Тимухин Сергей Андреевич - доктор технических наук, профессор кафедры горной механики. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, Уральский государственный горный университет. Пискарёв Алексей Николаевич - начальник технического отдела. 300028, г. Тула, ул. Болдина, 94, ООО «Линк-Продукт», оф. 218. E-mail: to@linkprodukt.ru

52

Известия Уральского государственного горного университета