автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Создание средств защиты водоотливных установок с баковыми аккумуляторами от гидравлических ударов

1£п:истерство образования У1фашш Доиоций государстсогоп^Л тахшгческкЯ университет

На правах рукописи

МАРКОВ Николай Алексеев:гч

создала средств защиты водоотливных установок с

БАКОВЫМИ АККУМУЛЯТОРАМИ ОТ ПЩ'АВЛЯЧЕСга® УДАРОВ

Спэцпалькость 05.05.06 - Горныз кашш

Автореферат диссертанта ПЗ СО2СЕЕНЕ0 СТ2ПеЖ1

кандидата техкячесясЕ пар?

Донецк 139-1

Работа выполнена в Донецком государственном техническом университете.

Научные руководители: Лауреат Государственной премии СССР,

доктор технических наук, профессор

ГЕИЕР В.Г.

Заслуженная работник высшей школы УССР, доктор технических наук,

профессор

ТИМОШЕНКО Г.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Груба В.И.; кандидат технических наук Свитлый Ю.Г.

Ведущее предприятие: научно-исследовательский институт

горной механики им.М.М.ведорова

Защита диссертации состоится " 1994 г. в 1Х час.

в аудитории 20/ первого учебного корпуса на заседании специализированного совета ДС68.20.02 при Донецком государственном техническом университете.

Адрес: 340000, Украина, г. Донецк, ул. Артема, 58. С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке Донецкого государственного технического университета.

Автореферат разослан " ^ " ¿г/'ми/м-ь1994 г.

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется тем. что проблемы экономического развития Украины тесно связаны с совершенствованием энергетической базы, которая, в свою очередь, сильно заг.исит от состояния угольной промыпленности Донбасса.

Хотя, в силу ряда факторов объективного характера, в настоя-пее время существенно осложнилось финансовое состояние отрасли в целом, альтернативы углю, как энергоносители, на Украине пока нет. Поэтому задачи, связанные с "выживанием" каждого отдельного предприятия и всего угольного бассейна, могут реваться только путем повышения рентабельности пахт и конкурентноспособности продукции за счет снижения ее себестоимости. Последнее возможно на основе применения новых перспективных технологий, еысокой степени механизации и автоматизации процессов. К сожалению, тенденции изменения горно-геологических услов:й на шахтах Донбасса (как и любого другого длительно разрабатываемого месторождения) таковы, что их влияние на отмеченные задачи косит ярко выраженный негативный характер.

К примеру, средняя глубина шахт в Донбассе за последние 20 лет удвоилась и составляет в к;.стоящее время порядка 800 м. В связи с этим растут модности подъемных установок, вентиляторов, создаются или расширяются систем кондиционирования воздуха, что приводит к резкому повышению себестоимости угля. С увеличением глубины наблюдается и увеличение обкешахтного водопритока, который на некоторых пахтах достигает 400 м3/час и более. В результате повышаются модности пахтных водоотливных установок и возрастает их роль как важного элемента технологического комплекса пахты, обеспечивающего эффективное функционирование Есего предприятия.

На вахтах ПО "Донецкуголь" основными насосами главного водоотлива являются насосы ЩС 300-120.. .600, параметры которых требуют применения ступенчатой схемы откачки и иногда параллельной работы Еасосных агрегатов. В этих условиях должна быть обеспечена повывенная надежность каждого элемента рассматриваемой гидросистемы.

Как показывает анализ результатов эксплуатации главных иахт-кых водоотливных установок, отказы в их работе в большинстве

случаев, в прямом ш косвенном Еиде, связан с гидравлическими ударам;: в напорных трубопроводах ил» наруаониямн во Есасиг.аэдей линил. При этом в одних случаях происходят разгеркатксация става или срыв подач;:, а б других - возникаит неисправности насоса, которые выражаются в кзгитвциониом износе и разрушении рабочих талое, скесекп: разгрузочного диска, обриве кронштейна подшипника со сторож нагнетательного патрубка. Поэтому совершенствование Еоесыьащей линии и обеспечение надетого функ!нокгрова>;ия установки в переходах рэжмах является важнейшей задачей, в рэкета проблемы улучшения работ водоотливного комплексе.

Пзлз» работе - изучение захонокэркоетоЯ динюжчесютс нроцос-

соз б трубопровода л ваишас водоотливных установок и создание на отоя основе э&екгсвкых средств заднти гидросистем от гидразли-чэских ударов, пр'лчзм в гидросистему включается к воаскваювдя

"швя работа состоит ь прккзк£няя для закаты гидросистем ьодоотаивкоЯ установки от гэдрзьличьегах ударов устройства, фор-г.пгруд-его пптсрферонцсоккуи волну, гасяцув колебания довдешя в напор:-:;:: трубопроводе, з коидаксо с использованием открытой ьсссинаэдза лиха:.

Каучнпв катояения . Екноагмнб на защиту.

1. Доказано, что гидросистема шахтного водоотлива кокет бить зо-днп'.ена от гидравлического удара устройством, Форкярукцда кнтер-З-орекциокнув волну в напорном трубопроводе.

2. предложена иетодкка выбора яорэ:,>отроз гидропнэачатичэско-го аккумулятора (П1А;, как устройства, фор;,крупного интерференционную Еолну, что позволит суцесгЕонно снизить необходимая объем газовой полости.

3. Доказано, что при гидравлическом ударэ в гидросистеме еодоотлувноГ: установки, построенной по традиционной схе;.;о, во Есасквакдей лкнеи возникает импульс повышенного давления.

4. Подтверждено, что применение бакового аккумулятора исключает негативное влияние гидравлического удара на всасыващую лнепз еодоотлизной установки .

5. Разработана методика, позволяемая выбрать минимально не-

обходимый об! ем бакового аккумулятора для конкректных параметров всасывающей л;шш.

Обоснованность ¡1 достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- результатами исследований! с использованием современной теории неустгновигсегоая движения гсидкости, законов гидромеханики, термодинамики к теоретической механики;

- результатами грвфо-анэлптических расчетов, выполнетгнэт. при общепринятых допущениях;

- результатами экспериментальных исследований, проведэнтпс.я на про:,мп ленной установка с использоьаклем современного регистрирующего оСорудопзш!Я ¡! обработешпл-га по стандартным методикам;

- итога1/;! длительной эксплуатации водоотливных установок, оборудованных баковыми аккумуляторами и разработанными средствам зо'дити от гидравлических ударов.

Научное значение работа заключается в Солее глубоком познании особенностей дансмггаосхга: процессов в напорных трубопроводах водоотлззной установки, их влияния на состояние потока пикости во всзсывакщэй лапш, изучения гехонок'эрностэй процесса заполнения содой ссаснваияей липни при пуске нэссснсго агрэгята, установлении особонностой гидравлического удзрэ в водоотливной установке, позволяющих использовать дгл ее зазатц азтэр?врапц,й» волн. Установленные закономерности являются тоорет:пзской остовой создания кмятсшгоигнх моделей поре-одши процессов в гидрэскстз-!,:е водоотливной установки, которче слуяат основанием для предлэ-г:еш-шх катодта сибора паргкэтрсз средств оядата от гддразлигсосгах ударов л бакозЕК егскумулятсрсв.

Практическое значение работы состоит в следуем.

I. 3 разработке:

- ¡гатзцкошмх моделей динамических процэссоз, позполянянх определять параметры переходник процессов в пироснстемэ зодоот-дивнол установки (снабженной предлокэшгжл средства:"! заливки насоса и зесзтн от гадроудароз) и, па основе их анализа, найти основные харзкторисппсн устройства формирующего гаторфэренцкошци волну п бакового аккумулятора:

- нового тех!пг:°ского ренеггля гасителя гидравлических ударов, выполненного в виде гидропневмоаккумулятора малого обго-

s

кз, Сормкрущего кытерференцисннуй волну заданных параметров:

2. В использовании комплексного подхода к реизшиз проблемы за.дты гидросистемы водоотливной установки от гидроударов.

3. В упрощении алгоритме р8боти схемы автоматизации водоотлива.

4. В снижении, примерно на 15%, объема работ по ремонту и обслуживания нвсосшх установок вахтаого водоотлива, снабкешых предлагаемыми средствами защити.

5. В освоении серийного выпуска баковых аккумуляторов. параметры которых ресчктыеевтсл по разработанной из ходже.

Рэплизгирл результатов работы. Практические результаты рабо-îî: использовали на главной водоотливной установке иахты "Октябрьская", а воссывагидо линии с баковым аккумулятором предложенной конструкции эксплуатируюгся на 10 шахтах ПО "Дсдоцхуголь".

Программное обеспечение ЭВМ длл определения параметров бакового аккумулятора и ГПА малого объема используется в объединения "Донецкуголь" и будет передано в институт "Донгппроаахт" для практического применения.

Икитацпошше модели для определения параметров гидравлического удара использованы в базе данных слукба главного механика ПО "Донецкуголь" и Донецким государственным техническим университетом при подготовка студентов по специальности "Горние мьыинк и комплексы".

Апсобацая ралоти. Основные положения диссертации докладывались на 1-й Всесоюзной конференции "Динамические процесса в гор-ш машинах и стационарных установках", г.Тбилиси, 1ЭЭ0 год, на техническом Совете ПО "Донецкуголь" в 1991 г., на научно-техническом совете КМГЫ км.©здорова М.М. б 1ЭЭ4 г., на совместном заседании кафедр "Рудничные гидропневмэтическиа установки и гидравлика" и "Рудничные подъемные установки" Донецкого государственного технического университета ь 1994 г.

Публикации. По теме диссертации опубликорано 7 научных работ, в том число получено 2 авторских свидетельства.

Объем и структура работи. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содеркиг 145 страниц машинописного текста, включает 31 рисунок, 2 таблицы, список литературы из 68 наименований, I щкшжение на об страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Состояние вопроса и постановка задачи

Развитие угольной промышленности в целом невозможно без совершенствования такого важного элемента обслуживания технологического комплекса шахты, каким является водоотлгвная установка. В настоящее время водоотлхга представляет собой сложный автоматизированный комплекс, надежная и эффективная экплуатация которого является непременным условием зкизнедеятельности и рентабельности всего угольного предприятия. Такое положение обусловлено в основном следующими обстоятельствами: требованиями безопасности горных работ; мощность» установленного оборудования; количеством потребляемой энергии. Последняя фактор становится одним из определяющих в связи с общим удорожа;шем энергоносителей, которое в сочетании с экономически и технически несовершенными способам! получения энергии уже привели к быстрому и значительному росту ее стоимости.

В настоящее время только на шахтах ПО "Донецкуголь" находится в эксплуатации свыпе 630 водоотливных насосов, общая мощность привода которых превышает 300000 кВт. Протяженность напорных трубопроводов составляет сотни километров, их диаметр колеблется от 50 до 300 км» Наиболее мощными являются главные водоотливные установки, которые откачивают на поверхность весь иахтный приток. Они оборудованы, как правило, насосали ШС 300-120...600 и электродвигателями мощностью до 800 кВт. Хотя срок службы этих насосов не превышает одного года при средней наработке на отказ 2-2,5 тыс. часов, они, по сравнению с другими насосами, (например, ЦНС 300-700...1000), удовлетворительно зарекомендовал}! себя в эксплустации, idc ремонт освоен механически;.!:! службам! производственных объединения.

Как показывает анализ отказов на главных, щахткых еодоотлзсз-шх установках, примерно в 803 случаев они связаны с насосом, а з остальном - это нарушения в напорном трубопроводе и во всасывающей линял: разгерметизация соединений, поломка арматуры, отказ элементов автоматизации и т.д.

Отметим, что с увеличением водопритокоз часто появляется необходимость в параллельной работе насосов (когда среднечасовой

притек превышает 250 ;Р/ч к подача одного насоса не обеспечивает очкечг.у суточного притока so 20 чбсоз, а сооть&тствии с требока-шсш1 "Правая безопасности...", ь более половины uaxt объединения "Доноцкупш»" ге-»»х та::оа приюк). На практике этс проблема часто росается путом простого включения второго насоса на тот г.ь стсв. Это щыюдет к сущэствошюку увеличению скорости ' вода (в I,S...I,9 раза) и пропорциональному увеличению степени nocuaein:« даолони;: при гидроудяре, возникаем в кзнонт аварийного отключе-!ля насосных агрегатов.

Крок-э того, гидравлический уд-эр опасен как процесс, способна Bi.'CEaib резонансное явления в вортиквлиюк: трубопроводе. Дело с тем, что собствен1.!!?. частота колебактй трубопровода сильно «езиект о? осевого ко'-мнта кнзрщы труба а меняется по море ее сиосг». Ойв проходит sa период эксплуатации широкий диапазон и з спуздэлвппоа времл становится равной или кратной частоте гидро-удзра. 3 этом ы.>чеэ ослабленное сечение трубы коаят не выдеркать дкадаческк; ударных нагрузок, воаихаюцих при резонансе, и'еось-f.'O вероятен порыв напорного стаЕа. Вода, обладающая высокой потенциальной анэргиой еслодствис значительной высоты водоподъема, в место разгар;,'.от;;сац;ы способна вызвать вторичные аварии, невеста трагул обслухаваияму персоналу.

Распределение трудозатрат на ремонт и обслуживание водоот-лпкюй установки. в среднем по езхтсм ПО "Донецкуголь", показывает, что валазйзка вроблеквук на сегодняшней день, наряду с со-ьорш&астьоьгяиъг.! конструкции насоса, лапявтея обеспечение его баск2БГ.тсцг.о,сю:и работы к &'Кйхткг;кая зздато всего водоотливного козлхлокоо от галроь-'лнесюо; ударов.

Еыполин-егй анализ показывает, что одншз из факторов, способствующих повшгвикь нздсености работ водоотлиыгл. установок, мо^ио считать прмтекеш» всесивьедэй «шик, отвечсь^оГ. следуюзям трсСовыв'.яч:

- прэстоть конструкции! и so малоэломентность (исключение обратного клапана);

- кииимиЛько ьозмогзюе к стабильное во времени гидравлическое сопротивление;

- постоянная готовность х запуску насосного агрегата.

С назей точки зрения, наиболее голно указанным требованиям отвечагт установки, снабжеикио баковыми аккумуляторами.

Как отмечалось визе, существенным фактором, влиянии па надежность работа оборудования водоотливной установки, является гидравлический удар, который наблпдается при внеплановых, (аварийных) отключениях насосного ат-рогата.

Анализ способов защита от гадроударов , в том числе выполненный с применением графоаналитического метода расчета, показал, что для защиты главных шахтных водоотливных установок, мо&ет быть использована идея интерференции волн. Но, в отличие от известных методов, обе волны перемещаются по одному трубопроводу, а в качэ-ство устройства, формирующего сглаживающую волну, моено использовать гидропневматический аккумулятор сравнительно малого объема. При этом, основной задачей в шбора характеристик устройства, формирующего интерференционную волну нукной величины, является правильный расчет его аккумулирующих способностей и гидравлического сопротивлешш соедигателькой линии.

2. Баковый аккумулятор как средство предотвращения всплесков давления во всасывающей лишп водотливной установки

На.'« было высказано предположение, что в момент гидравлического удара возможен всплеск давления во всасывающей линии, н его Форюфоваш1в обусловлено тем,- что в начале всасывающего трубопровода водоотливной установки находится обратный клапан, необходимый при традиционной схеме предпусковой заливки насоса.

Сравнение осциллограмм, полученных при пахтном эксперименте на еодоотливпой установке, приведенных на рисЛ и 2, подтверждает сказанное. Добиться исключения указанного всплеска давления, по ншему кнешо, моено, отказавшись от применения обратного клапана, то есть изменив способ заливки насоса.

Сравнительный анализ возможных решений этой задачи позволил выбрать баковый аккумулятор, как наиболее подходящее средство для реализации намеченного изменения гадравлической схем всасывавдеЗ линии.

Результатом проведанных теоретических исследования переходных процессов во всасывакцей линии является методика выбора параметров бакового аккумулятора с учетом того, что на стадта проектирования необходимо знать его минимально необходимый объем.

нагнетательный трубопровод

- эксперимент

----расчет

всвсыЕаичая линия

------- с обратным клепаном

----с бакоЕим аккумулятором

Рис.1. Осциллограммы переходного процесса з водоотливной • установка вахты "Октябрьская" (горизонт 995 м)

Я:

ИПа

О

/\ / / V \ л / \ /V

\ \ \\ « У / \ * / / \ \ / \ \ \

А"........ -/............ ..... 7 ."........

А ; ¡X.____| 1 \ \ / \__ У

::

1 • 1 ,

-1 - — 1 - I. . —^ -1

1 2 3.4 5 6 7

■ с гасителем, ---без гасителя,

---------- с гасителем расчет.

8

Ркс.2. Осциллограммы переходного процесса в водоотливной установке шахты "Октябрьская" (горизонт 547 м)

обеспечнзащий надегность запуска насоса во всей области изменения параметров установки.

При пуске насоса происходит подъем воды в его■ всасывавшем трубопроводе. Емхость бакового аккумулятора должна обеспечить работу насоса до момента снижения давления в незаполненной часта всасывающего трубопровода до величины, обеспечивавшей подъем вода в верхнюю точку всасывещей линии.

Текущая длина столба годности в приемном колодце водоотливной установки определяется системой кнтегро-диФГвренциальных уравнений:

КОл \ 1

^ . Ро г: . Г УвУ Ув-[П е " {^Л _

йх " рв(х0+х) I ■ У(г) -1

& Нп г- и2 и2

Г и и ч

-[£- + к-1-З1еп(и);

Vх хв 1 Vх гйв *

(X)

(12

. — и ,

где и - скорость подъема столба жидкости всасывавдей линии; I - время, независимая переменная; р0- атмосфэрноо давление;

• рв- плотность вода;

1В- длина участка трубопровода, заполненного воздухом при

давлении, близком к атмосферному; х0- длина трубопровода в приемном колодце водоотливной установки;

х - текущая длина столба жидкости во всасывающем трубопроводе, 0 < х « 1Б; Т - площадь сечения всасывающего трубопровода;

1В~ время запуска насосного эгрета;

п - показатель политропы, I < п < 1,4;

0о- расход падкости при установившемся реиимэ работы;

КБ~ геометрическая высота всасывающей линии;

5 - коэффициент местного сопротивления входа всасывающего трубопровода при наличии только сетчатого фильтра

X - коэффициент Дарс.и, определяемый по формуле \=0,021-<Г0,3 К - коэффициент эжекции ьжзктора бакового аккумулятора; - время запуска насосксго агрегата;

V(г) - текущий объем воздухе ьо всасывающей линии,

У(г) = ?В(1В- х):

<3^- диаметр всасывающей линии.

Начальные условия для этой системы дифференциальных уравно-шй! имеют вид:

Х(0) = О И и(О) = о.

Задача выбора бакового аккумулятора сводится к получению ззвис:мо'сти

- ^вЛЛЛ'К'Ра-Ро'^О-11»

где р0~ начальная плотность воздуха перед пуском, при различных значениях 2в,К,ра,р0,т:3,х0.п, располагая которой могио найти минимально нэобходгогый объем бакового аккумулятора при заданных пзра'дэтрах всасывающей „ютн; - длшю и диаметре трубопровода, а ташке известной геометрической Еысоте всасывания.

Разработана методика получения графика функции для различных условий (рис.3), из которого для водоотлива пахты "Октябрьская" ПО "Донзцкуголь" определен требуемый объем бека, равный в данном случае Б60 литрам.

3« Исследование динамических процессов в гидросистемах водоотливных установок

Ынсгко исследователи для описания гидравлических ударов в груС-спроьодах водоотливных установок кспользуит систему уравнения в частнах прогзгодных гиазрбалнадского ткпа, которую рассматривают б характоркстичоскоЗ Сор-.;о:

—"Г"— 1 —^—п^^.гяо^^.х)! ± ¡4= о , (2)

где р1(х1,г), о1(х1,г) - функции, опхскькздко распределенные по длине 1-го участка давление и расход; х.,- пространственней иоордншта, Ь,- дал 13 1-го

участка;

- вр^мя, позаыхкмзя пэрешшая; р-С косСфпцнен? волновод характеристики 1-го трубопро-

ьо,;;а;

р - пяотлоогь годности; О - скорость р:.с:грсстр_:~.Ог<ия ударной ьолни; Б..- нлсцгдъ сечо-кя 1-го участка трубопровода;

р-?м -ЗТ2 •<271/2 - уделиюе гидравлическое сопротивление 1-го участка;

/ц- коэффициент Дарад 1-го участка трубопровода; дасмзтр 1-го участка трубопровода; 1-4- удельные поторп давления, обусловленные наклоном каддого участка трубопровода;

а^- угол наклона 1-го участка. Судом считать, что 1= С 1,2,3.4,5,6}.

Уравнения (2) рассматривается со знаком "+" в том случае, о ели (1x^/(11= +С - "прямая характеристика", они х:е рассматриваются со знаком если сЬ^/сП;^ -С - "обратная характеристика". Для решения системы уравнения (2) ее необходимо дополнить граничными и начальными условиями.

Признаком сохранения сплошности потока на стыке кокструктив-ея участков будем считать условие

V/ - Р

где - объем каверны между участками Д и

,] - номер рассматриваемого конструктивного участка (значение

с учетом принятых допуцпннЯ, изменяется от I до 5). При этом

= (3)

р^.г) = рза^^о^а^ .1)10^,(1^.1)1 ♦ рл+1(0.1).

где а^ - сосредоточенное сопротивление мекду участками (в частном случае а.. может равняться нулю). Граничная зависимость в начале трубопропода определяется сонротивлегаюм приемной розетка сетчатого фильтра ар, величиной ео заглубления II, в колодец водосборника и имеет следующий вид

р,(0,г) р&41 - рйЭрО, (0,1)10, (0,1)1 . (4)

Давление и расход в конце нагнетательного трубопровода связей; к'-з?(ду собой соотаопописм:

р6абД) = рв(На + ав06(Ь6,г)|с!6(1,6,1)|), (5)

где Н - высота столба хидкости в резервуаре, в который нагнетается вода ;

ад -'гидравлическое сопротивление входа в резервуар. Текущая частота вращения ротора и насосного агрегата может бить найдена из уравнения:

й0' -1 -1

^ Рн'Он'Чч '^ • №)

где I - мс;,'.-;нт ин рцки ротора насосного агрегата;

К1- хоарЕавгант, учитывавший увеличение момента инерции ротора из-за наличия жидкости в кеялопаточном пространстве насоса;

р - давление, создаваемое насосом;

подача насоса; т] - коэффициент полезного действия.

Рн, Од и w связаны соотношением:

рн = PS((-^)2H0 + (^-je'.^-c'-c^j.z. (7>

где wH - номинальная частота вращения ротора насосного агрегата;

HQ - напор, создаваемый одним колесом насоса 'при нулевой _ подаче ;

В ,С - коэффициенты полинома, аппроксимирующего напорную характеристику насоса;

Z - количество колес насоса.

Поскольку рассматривается полная схема трубопровода водоотливной установки, то есть учитывается и всасывающий трубопровод, уравнения (2),(6) и (7) необходимо решать совместно с выражениями

Q2(L,t) ='Q3(0,t) = Qjj! (8)

p3(0,t) = p2(L2,t) + pH, (S)

которыми описываются граничные условия во всасывающем трубопроводе водоотливной установки в месте подключения насоса.

Таким образом, построены адекватная математическая и имитационная модели динамических процессов в гидросистеме водоотливных установок, которые позволили изучить влияние гидравлического удара п напорном трубопроводе на состояшш потока во всасывающем трубопроводе,

4, Защита водоотливных установок от гидравлических ударов при помощи гидрошювмоаккумуляторов малого объема

ПровоДенше теоретические и экспор;^энталымз псслодоваш:л указывают на то, что одшш из наиболее порспектив1шх способов защити трубопроводов водоотлившх установок от гадроударов является инторфяронЦйя прямой и отраженной волн. Она позволяет исключить воздоГ;стриа Ita трубопровода как резкого повышения давления, так и периодической слабо затухающей дополнительной динамической нагрузки, возникающей при аварийном отключении насосного агрегата.

Рассмотри граничные условия, формируемые гкдропневмоаккуму-лнтором в î:;ôcto его монтажа, и дополним построенную выае имнтецн-

онную модель уравнениями, которые определяют параметры потока на стыке конструктивных участков в точке подключения гидропневмоак-кумулятора.

Баланс расходов в точке установки аккумулятора имеет вид:

оэ(13,1) = оа + 04(0,г), (Ю)

где 0а - расход кщкости в гидропневмоаккумулятор.

Давление воздуха в гидропневмоаккумуляторе связано с давлением жидкости в трубопроводе соотношением:

р3(ьэ,г) = р4(0,г) = (ра(г> - ю5) + Рваааа|оа|. (П)

где ра- абсолютное давление воздуха в гидропневмоаккумуляторе.

Граничные условия (10), (II) необходимо рассматривать совместно с соотношениями (2), связывающими приращение давления и расхода на прямой и обратной характеристиках. Однако, полученная систему уравненияне является замкнутой, поскольку количество неизвестных! превышает количество уравнений. Для решения системы (2), (10), (II) ее нёобходимо рассматривать совместно с уравнением состояния газа в аккумуляторе. В данном случае будем считать, что при работе гидропнеемоаккумулятора процессы происходят без значительного обмена энергией с окрукащой средой, то есть адиа-батно. В этом случае

= Р0^а, (12)

где Ка = 1,4 - показатель адиабаты;'

И0(г) - текущий объем воздуха в гидропневмоаккумуляторе; р0, И0 - соответственно давление и объем воздуха при установившемся режиме.

Очевидно, что р0= (р.^Ь^.О) + 105)=(р4(0,г)+105) - абсолютное давление в точке подключения аккумулятора в установившемся рейке работа, пр_ чем:

"о = «гаР/РаО- <13>

где яга- геометрический объем газовой полости аккумулятора;

р2 - абсолютное давление качельной закачки газа в аккумулятор;

ра0- абсолютное давление жидкости в точке подключения ГП4 при

стационарном режиме работы насоса.

Текущий объем воздуха в аккумуляторе определяется из соотношения

"о^) = - Д»^ (14)

О

где 0а(£) - расход жидкости в ГПА.

Таким образом, получена полная система уравнений, описывающая граничные условия в точке установки аккумулятора с учетом сопротивления подводящей линии.

По результатам моделирования динамических процессов в водоотливной установке, защищенной гидропневмоаккумулятором малого объема, при различных значениях И и ба построены зависимости еиах- Г(№га-Йа> «=м.рис.4>. где егаах= ртахи)/р0.

Рис.4. Зависимость степени повышения давления е „., в

шод

нагнетательном трубопроводе у обратного клапана

от и и (1 га а

Из рис.4 видно, что с уменьшением диаметра йа дросселя и объема !Уга аккумулятора степень повиаения давления е|пах увеличивается, и наоборот - при увеличении <1 и щ - снижается. Допустимое правила:^ эксплуатации значешш £тах=1.25 достигается при (1а=28 мм и №га=100 л.

Эффективность гидропноЕмоаккумулятора малого объема, квк сродства защити шахтных водоотливных установок от гидравлических ударов, показывают графики изменения давления в различных точках напорного трубопровода, приведенные на рис.5-6. В качестве контрольных сечений при визуализации переходных процессов выбраны следующие:

1 - в начале участка на поверхности (у устья ствола);

2 - в середине ствола;

3 - в конце трубного ходка;

4 - за обратным клапаном на линии нагнетания насоса.

На рис.5 показаны графики изменения давления в незащищенном трубопроводе водоотливной установки горизонта 547 метров шахты "Октябрьская", полученные при моделировании процесса.

Из рис.5 видно, что в данном случав е ^=1.27, и такое повы-Е8НИ9 давления наблюдается в трубопроводе у обратного клапана (сечоние 4), причем колебания давления слабозатухэющие. '

На рис.6 показаны графики изменения давления в тех ке соче-ниях напорного трубопровода, сщцищенного аккумулятором малого объема с Гсга=100 л и й3=28 мм. Видно, что в этом случае колебания давления в трубопроводе носят апериодический характер и относительное повышение давления равно 1,12, что меньще допустимого уровня (епах=1,25).

5. Экспериментальные исследования и внедрение

Во время щахтчых испытаний решались следующие задачи:

- получение данных для оценки адекватности разработанных имитационных моделей;

- регистрация и анализ процессов во всасывающей линии насосного агрегата;

- проверка работоспособности и определение эффзктилности защиты гидросистемы водоотливной установки от гидравлического удара предлагаемым устройством;

Рис.5. Графики изменения давления в контрольных сечениях нагнетательного трубопровода водоотливной установки без средств защиты от гидравлического удара

Втах~И2

Р МПа

Рис.6. Графики изменения давления в контрольных сечениях нагнетательного трубопровода водоотливной установки с гасителем гидравлического удара

- выявление конструктивных и эксплуатационных недостатков продлокенного устройства, получение информации для его совершенствования.

В качестве базы для проведения экспериментов была определена сахта "Октябрьская" ПО "Донецкуголь". При выборе руководствовались следука-л:

- главная водоотливная установка выполнена двухступенчатой с размещением агрегатов на горизонтах 995 метров и 547 м;

- установка оборудована наиболее распространенны?«! в Украинском Донбассе насосами типа ИКС 300-600;

- на установка- представлены три наиболее характерные схемы всасызаюэдх линий (с обратным клапаном, с баковым аккумулятором и с расположением насоссэ гаке уровня води в водосборниках), что позволяет при титялыих затратах получить информации для срав-кеет.л различных схем;

- знергсмэхашпоской слукбой гзахты отмечались случаи разгерметизации нагнетательных трубопроводов и повреэдеиил приемного клапана предположительно от гидравлических ударов;

- установка оборудована дополнительным (третьим) резервным водоотливным ставом, что позволяет уменьшить тяжесть возмоазшх последствий при вогшпшовешш аварийной ситуации.

Наиболее характерные осциллограммы, полученные во время испытаний, приведены на рис. I и 2.

3 процессе эксплуатации предложенных средств защити от гидравлических ударов и баковых аккумуляторов ко пахтах ПО "Дененк-.уголь" выявлен ряд особенностей, которые следует учитывать при их конструировании и использовании.

Устройство заситы должно Сыть смонтировано за последним, по ходу потока, обратным клапаном и возможно блигю к нему. При зтсм следует обеспечивать доступы к кранам и клапанам для закачки сжатого газа, нормируемые проходы и зазоры, необходимые для проведения ремонтных и других работ.

Присоединительный фланец устройства защити следует располагать в верхней части трубопровода, что позволяет уканьЕить количество твердых частиц, проюжакцих в полости гасителя. Ориентировать в пространстве аккумулятора надо таким образом, чтобы твердые частицы при оса:щошп! в покоящейся жидкости либо выходили из гасителя, либо могли Сыть удалены из него потоком при открытии.

промывочного крана. Подключение гасителя к защищаемому трубопроводу осуществляется через специальную коммутационную задвижку. Тип подводящего трубопровода (металлические трубы, гибкие высоконапорные рукава или их комбинация) не имеет большого значения, и может быть выбран для каждого случая с учетом конкретных обстоятельств.

Включение устройства в работу происходит при полном открытии коммутационной задвижки. После этого осуществляют контрольное испытание гасителя,' для че^ отключается питание электродвигателя работающего насоса при открытой задвижке на линии нагнетания. При этом контролируется давление в трубопроводе с помощью манометра. Косвенным признаком эффективной работы защиты от гидравлического удара является уменьшение хлопка при закрытии обратного клапана.

При использовании устройства защиты от гидравлических ударов необходимо, как показал опыт 'эксплуатации, один раз в неделю контролировать давление сжатого ' воздуха (давление закачки) в газовых полостях ГПА.

Следует также отметить, что нормально работающий гаситель позволяет исключить из алгоритма работы схемы автоматизации водоотливной установки операции по управлению задвижкой.

Для бакового аккумулятора наиболее целесообразной формой устройства является цилиндр с горизонтальной осью и минимальным габаритом по высоте. Баковым аккумулятором именно такой конструкты оборудована водоотливная установка шахты "Октябрьская" (гор. 995 м). Конструкция должна предусматривать патрубки для подвода и отвода воды (на одной оси), срывной - для предупреждения сифонного эффекта - заливочный, сливной - для слива воды из внутренней полости при ремонте насоса; кроме того, необходимы: люк для чистки твердых отложений; водомерное стекло или трубка для контроля за уровнем воды в баке. В последнем случае может быть использован также датчик уровня с введением в схему автоматизации блокировки запуска насоса при снижении уровня воды в баковом аккумуляторе ниже допустимого и включения системы пополнения бака, которая может осуществляться из тех же источников, что и заливка насоса при традиционной схеме водоотлива, а именно: из противопожарного или нагнетательного трубопровода, из специальной емкости, с вышележащего горизонта, с помощью заливочного погружного насоса и т.д.

ЗАКЛЮЧИТЕ

Розу-г.ьтаты теоретических и экспериментальных исследования позволяют сделать вывод о том, что получено новое решение актуальной научно!! задачи, состоящей в разработке научных основ создания эффективных средств защиты гидросистем водоотливах установок от гидравлических ударов. Обоснована целесообразность широкого применения схемы водоотливной установки с баковым аккумулятором, налагай серийный выпуск этих устройств. Созданы простые и аффективные средства защиты водоотливных установок с баковыми аккумуляторами от гидравлических ударов.

В диссертационной работе получены следукщие результаты.

1. Обоснована целесообразность использование бакового аккумулятора во всасывающей линии насоса водоотливной установки:

-во-первых, для улучшения условий эксплуатации насоса;

-во-вторых, для реализации открытой схемы всасывзкщей линии водоотлива, в котором становится возможным использоват» интерфо-ронцки волн для защиты напорных трубопроводов от гидравлических ударов;

-в-третьих, для исключения возможности формирования всплесков давления во всасывающей линии при возникновении переходных процессов в напорном трубопроводе водоотливной установки.

Предложена математическая модель процесса заполнения водой всасывающей линии водоотливной у«тановкн с баковым аккумулятором.

Получены зависимости меаду конструктивными параметрами бако-еых аккумуляторов и характеристиками всасывающей линии. Их использование при проектировании позволяет обеспечить аффективную работу бакового аккумулятора доке при изменен™ внешних условий, о чем свидетельствует опыт эксплуатации этих устройств на шахтах ПО "Дснецкуголь".

2. Разрэбота-а математическая и имитационная модели неустановившегося течения жидкости в гидросистеме водоотливной установки с учетом влияния динамических процессов в нагнетательном трубопроводе на состояние потока жидкости во всасывающей линии. Прогрета, реализуемая разработанный метод расчета, ориентирована на применение ПЭВМ и учитывает особенности и возмогности исполь-зуе?их средств вычислительной техники.

Адекватность предложенной модели подтверждена путем сравнэ-

ния результатов расчета с экспериментальными данными, полученным;: на действующей водоотливной установке. Максимальная ошибка моделирования равна 10%, что достаточно для выполняемых исследований.

3. Раскрыта физическая сущность процесса в системе "напорный трубопровод водоотливной установки - гидропнеьмоаккумулятор с согласующим дросселем".

Получоны зависимости мевду характеристиками водоотливной установки и требуемым;! параметрами гидропневмоаккумулятора для защиты от гидравлических ударов, который работает за счет интерференции волн в напорном трубопроводе. Разработаны математическая и имитационная модели динамических процессов в защищенном напорном трубопроводе водоотливной установки, во всасывающей линии которой смонтирован баковый аккумулятор и доказана эффективность гидропневмоаккумулятора с дросселем в соединительной магистрали, как средства защиты трубопроводов водоотливных установок от гидравлических ударов.

4. Рассмотрены практические вопросы эксплуатации водоотливных установок с баковыми аккумуляторами ео всасывающей линии, которые защищены от гидравлического удара гидропновмоаккумулято-рамн малого объема.

Разработаны элементы аппаратуры для оцешси эффективности применения средств защиты гидросистем водоотливных установок от гидравлических ударов и всплесков давлегая.

Разработана конструкторская документация для серийного производства баковых аккумуляторов на мащжостроительных заводах объединения "Донецкуголь" и осуществлено широкое внедрение этих устройств на шахтах.

Рассмотрены вопросы создания сродств защити водоотливных установок с использованием серийно выпускаемых гадропневмоаккуму-ляторов, при кппыалъних доработках, обеспечивающих реализацию требуемых параметров. Эти устройства при использовании на вахтах объедзшешш показал;! свою эффективность, что позволяет считать целесообразным самое шзгрокоэ применение схеш водоотл;1вноя установки с баковым аккумулятором ео всасывающей линии и гадропневгло-аккуг.!улятора малого объема, как средства защиты от гидравлических ударов.

Основные положения диссертации опублпсовшш в работах:

1. Тимошенко Г.М., Мэркоз H.A. Создание средств защиты шахтных

бодоотливных установок от гидравлических удароз.-

2. Тимошенко ГСвсяггшжов В.П., .Марков H.A. Защита неверных трубопроводов ьодсотливных установок- от гидравлических ударов // ТезЛ-R ВсесошноЯ конференции "Динамические процессы в гор:шх машинах и стационарных установках.- Тбилиси, 1989.-С .18-19.

3. Марков H.A., ¡/изэрныЯ В.И., Полтавцев A.B. Реконструкция всасывающей системы кахпшх нэсосов типа ЩС // Уголь Украины.-1989.- .2 5.- С.29-30.

4. Яцэнко H.H., 2кма П.О., Марков H.A., Еондаронко С.Н. Анализ существующих и разработка новых средств заливки многосокцион-ннх лопаточных насосов шахтного водоотлива / Донецк.политехи, ин-т.- Донецк, 1990.- 14 е.- Доп. з ЩШЗИуголь, 20.0-1.90, й 5444-УП.

Б. !!алеев В.В., Малыгин С.С., Марков H.A., Мизерный В.11. Влияние ¡/.еоторасполокзкид смесителя вакуумного эрлифта ьа ого параметры / Киев, I96S.- Дэп. в УкрНЖНТй, 'Л 576.

G. A.c. 159 SES5 (СССР) AI F 04 D 9/00. Насосная установка с устройством для автоматической заливки насосов / Г.¡¿.Тимошенко, Н.И.Яценко, П.Ф.Зима, H.A.Марков, И.В.Власов, Ю.А.Матвеев (СССР), й 445 3343/31-29: Заявлено 06.07.88; Опубл.15.10.90. EM. Js 38.

7. A.c. 1652732 (СССР) AI ?IS L 55^02. Гидравлический дегглСор / Г.М.Тимошенко, Н.А.Марков, В.П.Овсянников, А.В.Гуля (СССР), й '.610 500/29; Заявлено 30.II.88; Опубл.30.05.91. Бпл.й 20.

МАРКОВ Николай Алексеевич. Создание средств защиты водоотливных установок с баковыми аккумуляторами от гидравлических ударов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - Горные машины, ДонГТУ, Донецк, 1994.

Защищается диссертационная работа, в которой содеркатся теоретические исследования динамических процессов в гидросистемах шахтных водоотливных установок, а также результаты экспериментальных исследований.

Установлено, что в условиях угольных шахт целесообразно использовать схему водоотливной установки, в которой во всасывающей линии установлен баковый аккумулятор, а напорный трубопровод защищен от гидравлических ударов за счет интерференции волн. Осуществлено промышленное внедрение результатов работы.

Водоотливные установки, построенные по предложенной схеме и защищенные от гидравлических ударов, эксплуатируются на ряде шахт п/о "Донецкуголь".

Ключов1 слова : 'водовШшвна установка, Пдравл1чний удар, захист, всмоктуюча л1н1я, баковий акумулятор

Nikolay A.MARKOV. The creation of water drainage protective means with tank battery storage from hydraulic Impact. Thesis for a technical sciences candidate's degree on specialty 05.05.06 -Mining machinca, DonSTU, Donetsk,I 994.

The thesis in which the theoretical analyzes oi dynamic processes in hydraulic systems of mining water drainage units and also the results of experimental tests are defended.

It Is established, that In the conditions of coal mines It's advisable to employ the scheme of water drainage units In which the tank battery storage is Installed In section line,and pressure piping is defended from hydraulic Impacts due to wave Interference.The industrial introduction of the results of this work are Implemented. Water drainage units manufactured on the suggested scheme and defended from the hydraulic Impact are operated in a series of mines of CPA "Donetskugol".