CC BY
1Науки о земле
УДК 622.532:621.65.07
д.т.н. Паламарчук Н. В., Паламарчук Т. Н.
(ДОНИЖТ, г. Донецк, ДНР, [email protected])
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РЯД МОДЕРНИЗИРОВАННЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ШАХТНОГО И РУДНИЧНОГО ВОДООТЛИВА
Разработан параметрический ряд новых насосов для шахтного водоотлива. Использована методология построения рационального типоразмерного ряда на базе двух доминирующих принципов: максимальная унификация базового образца, расширение в 1,5-1,8 раза рабочего диапазона напорной характеристики за счет применения четырех энергетически эффективных сменных проточных частей ступени в одном корпусе, использования новых конструкций и селективный подбор уп-лотнительных устройств и гидропяты для каждого исполнения насоса. Переход на предлагаемый параметрический ряд позволит сократить число применяемых типов шахтных насосов с 19 до 6.
Ключевые слова: водоотлив, насос, унификация, параметрический ряд, модельная ступень, коэффициент быстроходности.
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Производство шахтных насосов до средины 80-х годов прошлого столетия велось на базе централизованных заказов предприятий-потребителей без учета таких базовых принципов, как унификация и стандартизация. Количество их к периоду освоения серийного производства стандартизованных насосов марок МС и ЦНС (1968-1972 гг.) составило более 30 типов, число выпускаемых типоразмеров превышало 250 единиц.
Однако и после сокращения заводами-изготовителями к началу 90-х годов номенклатуры выпускаемых шахтных насосов их число составило 22 типа. Причиной мно-готипности конструкций насосов для водоотлива являлись, с одной стороны, неповторяемость и разнообразие условий откачки шахтной воды на более чем 1,6 тыс. водоотливных установках (ВУ), а с другой — отсутствие обоснованного научного подхода к формированию принципов и требований, необходимых для создания унифицированного, энергетически эффективного, безопасного параметрического ряда насосов, экономически оправданного для изготовителя и потребителя.
В связи с увеличением глубины шахт, протяженности выработок, значительным усложнением гидрогеологических условий и
технологических схем откачки подземных вод, требованиями по согласованию графиков работы водоотливных установок (ВУ) с периодами максимума нагрузки в системе энергоснабжения необходим пересмотр методологии построения параметрического типоразмерного ряда шахтных насосов и общей концепции развития насосной техники для водоотлива.
Одним из способов, позволяющих построить параметрические ряды насосов, является сокращение числа модельных образцов ступеней. Этот принцип, например, использован при разработке типоразмерного ряда нефтяных насосов и секционных многоступенчатых насосов серии ЦНС. Однако, как показывает анализ, применение только этого способа для шахтных и рудничных насосов бывает недостаточным, а для отдельных участков поля «водоприток — высота водоподъема» действующих ВУ — и энергетически нецелесообразным.
Постановка задачи. Задачей данной работы является разработка и построение рационального ряда насосов для шахтного и рудничного водоотлива с минимальным количеством их базовых образцов.
Изложение материала и его результаты. В настоящее время на ВУ угольных шахт и рудников Российской Федерации и Украины в основном используется 13 типов
насосов ЦНС (изготовители: ООО «ЯНЗ», Тульская обл.; ОАО «Днмитровградхим-маш», Ульяновская обл., Россия; ГО АО «Стахановский РМЗ», ЛНР) и шесть близких к ним по конструкции аналогов - НСШ («СНПО им. М.В. Фрунзе»; КЛМЗ, г. Крас-ноармейск), ЦНСШ (ООО «Южгидромаш») и АЦНС АКаНТИ (АРМЗ, г. Антрацит). При этом из примерно 5,6 тыс. эксплуатируемых насосов 87 % объема насосного парка занимают насосы ЦНС 300-120...600 и ЦНС 180-85...425.
Авторами обработаны уточненные данные (на октябрь 2013 г.) по всем действующим ВУ угольных шахт и рудников Украины, включая шахты с сухой консервацией, построено поле водопритоков и водоподъема с равномерно изменяющимися интервалами притока и высоты водоподъема, а также поле рациональных (требуемых) режимов работы установок. Поле режимов охватывает зону по подаче в пределах от 30 до 1900 м3/ч и по напору от 20 до 1100 м. Значительная часть режимов ВУ (около 50 %) располагается в интервале 200^400 м3/ч и рабочих напоров 100-500 м.
Введено понятие «рациональный режим работы насосов с расширенным диапазоном рабочих подач», под которым понимаем режим работы насоса, обеспечивающий обязательное соблюдение режима максимальной экономии энергозатрат на водоотлив и полную откачку суточного притока в период внепикового потребления электроэнергии, т. е. в течение не более 16 часов. Также для построения параметрического ряда приняты следующие основные положения: а) допускается совместная параллельная работа на установке не более двух однотипных насосов на один трубопровод; б) требуемая область использования насоса на напорной характеристике ограничена не только высокими значениями КПД, но и условиями устойчивости режима в области малых подач и бескавитационной работы; в) единичная максимальная потребляемая мощность насоса, нормированная максимальной мощностью выпускаемых электродвигателей серии ВА04, не должна превышать 1800 кВт;
г) для ВУ шахт и рудников Украины рассматривается использование базовых насосов с синхронной частотой вращения только 1500 мин"1; д) область применения новых типов насосов по напору определяется числом их ступеней от двух до одиннадцати.
Совмещение корректированных рабочих зон применяемых шахтных насосов (п = 1500 мин"1) с полем энергетически оправданных рабочих режимов позволяет сделать ряд выводов:
1. По рабочему диапазону напоров и подач используемые 19 типов шахтных насосов не обеспечивают удовлетворительного покрытия поля водопритоков: около 44 % действующих ВУ находятся вне зон допустимого применения насосов по подаче и более 25 % — по напору.
2. Из-за отсутствия насосов с заданными параметрами полностью не перекрываются области подач в интервалах от 65 до 150 м3/ч, от 200 до 250 м3/ч, от 600 до 720 м3/ч.
3. Выделенные изолиниями внешние контуры рабочих полей насосов в зоне их максимальных напоров эквидистантно замыкаются вблизи прямой, координаты которой во всем диапазоне подач соответствуют значениям коэффициента быстроходности насоса ns в интервале от 63 до 65.
4. Режимы области с наибольшим удельным числом установок могут быть обеспечены базовыми насосами, располагающими номинальными подачами от 125 до 310 м3/ч.
Эти данные позволяют обосновать основные параметры базовой модели насоса, являющиеся исходными величинами для построения всего ряда шахтных насосов.
При построении рационального типораз-мерного ряда насосов для угольных и рудных предприятий России и Украины использованы два принципа создания базовой модели насоса: возможность унификации корпусных деталей у смежных по подаче насосов и расширения оптимальной зоны использования за счет варьирования различного сочетания сменных проточных частей (рабочих колес и направляющих аппаратов) и сменных узлов уравновешивающего устройства (гидропяты). Этот принципиаль-
но новый путь в построении параметрического ряда позволяет в 3,5 раза уменьшить число существующих типов насосов.
Некоторое усложнение конструкции, связанное с введением двух различных по профилю входных каналов отводов направляющих аппаратов и двух или трех типов рабочих колес, а также селективной установкой узла уравновешивания осевой нагрузки ротора с заданными параметрами, компенсируется такими преимуществами, как: глубокая унификация насосного оборудования в пределах всего типоразмерного ряда шахтных насосов; расширение рабочей зоны напорной характеристики в одном насосе в 1,5-1,8 раза; достижение высоких зна-
чений КПД во всем рабочем интервале напорной характеристики; стабильная и устойчивая работа насосных агрегатов на общую трубопроводную сеть; значительное повышение надежности насоса.
В качестве базовых выбраны 6 насосов с основной модельной ступенью, имеющей коэффициент быстроходности 63 и оптимальные (номинальные) подачи 80, 125, 200, 315, 500 и 800 м3/ч. По известной зависимости, связывающей коэффициент быстроходности с основными рабочими параметрами насоса (подачей, напором и частотой вращения) определен напор на одну ступень в оптимальном режиме.
Таблица
Исполнение Подача, м3/ч Напор ступени, м И.! Рабочая часть характеристики, м3/ч Диаметр колеса, мм
Насос ЦНС 315-140...790
№ 1 315 70 63 250-350 450
№2 250 70 56 200-270 450
№3 315 62 71 250-350 420
№4 250 62 63 200-270 420
Насос ЦНС [25-80...440
№ 1 125 40 63 105-140 340
№2 100 40 56 85-110 340
№3 125 34 71 270-350 420
№4 100 34 63 210-270 420
Насос ЦНС 200-100...550
№ 1 200 55 63 170-220 380
№2 160 55 56 135-175 380
№3 200 46 71 170-220 354
№4 160 46 63 135-175 354
Насос ЦНС 500-200...1000
№ 1 500 100 63 425-550 530
№2 400 100 56 340-440 530
№3 500 86 71 425-550 495
№4 400 86 63 340-440 495
Насос ЦНС 800-280...560
№ 1 800 140 63 680-880 610
№2 630 117 56 535-690 610
№3 800 140 71 680-880 565
№4 630 117 63 535-690 565
Примечание к таблице. Варианты исполнения: № 1 - базовая модель; № 2 - обуженное рабочее колесо; № 3 - подрезка рабочего колеса исполнения № 1; № 4 - подрезка рабочего колеса исполнения № 2.
Требуемый диапазон подач и напоров обеспечивается двумя конструктивными исполнениями ступени с коэффициентом быстроходности 63 (базовая) и 56 (зауженная) и двумя подрезками базового выходного диметра рабочего колеса.
В таблице приведены параметры 5 насосов нового параметрического ряда шахтных насосов, которые рационально использовать на главных ВУ.
Для упрощения технологии изготовления и сборки насосов, имеющих четыре отмеченных в таблице варианта исполнения проточной части, возможно использование единой конструкции направляющего аппарата, рассчитанного по диаметру Д? на рабочее колесо основной модели. В этом случае подрезка выходного диаметра колеса должна проводиться только по лопаткам с сохранением диаметра ведущего и покрывного дисков.
Следует отметить, что для промышленного освоения параметрического ряда насосов не требуется, за исключением ЦНС 125-80...400, создание новых конструкций, отличающихся по габаритам и присоединительным размерам от применяемых насосов серии ЦНС.
В целях внедрения в угольной отрасли новой системы водоотлива, базирующейся
на временном нормативе (откачка суточного притока в период внепикового потребления электроэнергии, но не более чем за 16 ч), следует пересмотреть § 576 и § 579 Правил безопасности в угольных шахтах. Подачу насоса (2и для водоотливной установки, имеющей суточный водоприток надо выбирать с учетом соотношения (¿)н= 1,5()п/), а объемы водосборников должны обеспечивать аккумулирование воды в течение 8 ч.
Переход на новый типоразмерный ряд насосов и обеспечение режима откачки шахтного притока в часы минимума нагрузки энергосистемы позволит снизить эксплуатационные затраты на водоотлив на 25-30 %.
Выводы. Разработан параметрический ряд новых модернизированных шахтных насосов. Использование при построении ряда принципов максимальной унификации смежных по подаче исполнений насоса и применение четырех энергетически эффективных сменных проточных частей ступени в одном корпусе позволяет расширить в 1,5-1,8 раза оптимальную зону рабочего диапазона напорной характеристики для каждого базового типа насоса и полностью перекрыть поле водопротоков ВУ шахт России, Украины и республик Донбасса новыми насосами.
© Паламарчук М. В.
© Паламарчук Т.Н.
Рекомендована к печати д.т.н., проф. каф. ММК ДонГТУ Харламовым Ю. А.
Статья поступила в редакцию 10.01.17.
д.т.н. Паламарчук М. В., Паламарчук Т. Н. (ДОН13Т, м. Донецьк, ДНР)
ПАРАМЕТРИЧНИЙ РЯД М0ДЕРН130ВАНИХ HACOCIB ДЛЯ ШАХТНОГО ТА РУДНИЧНОГО ВОДОВ1ДЛИВУ
Розроблено параметричний ряд новых Hacocie для шахтного водов:дливу. Використана мето-долог1я побудови рацюнального типорозмгрного ряду на 6a3i двох домтуючих прынцытв: максимальна утфжащя базового зразка, розширення в 1,5-1,8 рази робочого д1апазону натрног характеристики за рахунок застосування чотирьох енергетично ефективних змтних проточних частин ступаii в одному Kopnyci, використання новых конструкция i селективный niôoip ущшънювалъних npucmpoïe i eidpon 'яти для выконання кожного насоса. IJepexid на пропонованый параметричний ряд дозволить скоротыты кшътстъ застосовуваных munie шахтных Hacocie з 19 до 6.
Ключовi слова: eodoeidnue, насос, утф1кащя, параметричний ряд, моделъна стутнъ, коефщ-ент uieudKoxidHocmi.
Doctor of Technical Sciences Palamarchuk N. V., Palamarchuk T. N. (DONIRT, Donetsk, DNR) PARAMETRIC SERIES OF MODERNIZED PUMPS FOR MINE DRAINAGE
A parametric series of new pumps for the mine water has been developed. There has been used a methodology of constructing rational standard series on the basis of two dominant principles: maximum standardization of the sample base, enhancing 1,5-1,8 times the working pressure characteristics through the use offour energy-efficient exchangeable flow units of a stage in one body, the use of new structures and selective choice of sealing devices and hydraulic balancing device for each pump performance. Transition to the proposed parametric series will reduce the number of used types of mine pumps from 19 to 6.
Key words: drainage, pump, unification, parametric series, model stage, rate index.
