Міністерство освіти та науки України

Павлоградський технікум Національного гірничого університету

Методичні рекомендації

по виконанню самостійних робіт

з предмету: „Гірнича механіка”

студентами денного відділення

спеціальності: 5.090310.

„Експлуатація і ремонт гірничого електромеханічного

обладнання та автоматичних пристроїв”

Всього годин на предмет: 189

На самостійне вивчення: 70

Розробив: викладач ПТНГУ

Шаріна В.С.

Схвалено Розглянуто та схвалено на засіданні ц/к

Метод радою ПТНГУ гірничих дисциплін

Протокол № „ „ 200 р. Протокол №

Методист від „ „ 200 р.

Голова ц/к

Павлоград

2005

Вступ.

Метою цих методичних рекомендацій – є допомога студентам при вивченні тем, відведених на самостійне вивчення. Методичні рекомендації мають питання тем, методичні рекомендації по окремим темам, питання для самоперевірки, звернення до рекомендуємої літератури та опорний конспект.

Предмет: „Гірнича механіка” вивчає V розділів:

1. Основи теорії турбомашин;

2. Шахтні вентиляторні установки;

3. Шахтні водовідливні установки;

4. Шахтні пневматичні установки;

5. Шахтні підйомні установки.

Всього відведено на вивчення предмету 189 годин: з них 36 годин – лабораторних робіт, 10 годин – практичних робіт і 70 годин на самостійне вивчення тем.

При вивченні тем, які відведені на самостійне вивчення, необхідно:

1. уважно прочитати вивчає мий матеріал, розібратися в висновках формул та з’ясувати зміст формулювань;

2. скласти конспект по вивчаємому матеріалу;

3. після вивчення цієї теми необхідно відповісти на питання для самоперевірки, записати висновки формул;

4. ознайомитись з типами машин і обладнанням, яке використовується на гірничому виробництві, вивчити їх конструктивні особливості, коротко записати характеристики машин.

Самостійні роботи дозволяють в повному обсязі засвоїти матеріал з предмету „Гірнича механіка”. Міцні знання гірничої механіки знадобляться студентам при виконанні спеціальної частини дипломних проектів.

В результаті вивчення предмету студенти повинні знати принцип дії вивчаємих машин, їх теоретичні і технічні основи, конструкцію, особливості експлуатації та проектування шахтних, вентиляторних, калориферних, водовідливних, пневматичних та підйомних установок.

Самостійна робота №1

Розділ I. Основи теорії турбомашин.

Тема:1.4 Характеристика зовнішньої мережі. Режим роботи турбомашини.

Тема:1.5 Закони пропорційності.

Навчальна мета: З’ясувати, що таке зовнішня мережа та її характеристика; вивчити режим роботи турбомашини, залежність параметрів Q, n, H.

Основні питання теми:

1. Зовнішня мережа турбомашин;

2. Рівняння і характеристики зовнішньої мережі;

3. Поняття про еквівалентний отвір;

4. Режим роботи;

5. Коефіцієнт швидкого руху. Подібність діючих характеристик;

6. Закони пропорційності;

7. Коефіцієнт швидкого руху турбомашини.

Рекомендована література: (Л.1с.22-30)

Методичні рекомендації: при вивченні теми 1.4 необхідно звернути увагу на різноманітність зовнішньої мережі, в вентиляторних та водовідливних установках. З’ясувати, які режими роботи являються робочим та номінальним. В залежності від умов розглянути характеристики турбомашин. В т. 1.5 необхідно звернути увагу на залежності загальних параметрів, які характеризують роботи турбомашини.

Питання самоконтролю:

1. Що таке зовнішня мережа турбомашини, яку вона має залежність?

2. Характеристики зовнішньої мережі в залежності від турбомашини.

3. Що таке еквівалентний отвір?

4. Робочий та номінальний режими роботи.

5. Стійкі та нестійкі режими.

6. Коефіцієнт швидкого руху.

7. Подібність діючих характеристик.

8. Закони пропорційності.

Тематичний контроль: Семінарське заняття №1

Опорний конспект Характеристики зовнішньої мережі турбомашин.

Турбомашина з'єднана з зовнішньою мережею: вентилятор з системою гірничих виробок, насос з трубопроводом. Характеристика зовнішньої мережі являє собою залежність між подачею та напором, який повинна розвивати турбомашина для руху рідини в зовнішній мережі. Напору турбомашини Н витрачається на підйом рідини на геометричну висоту Н₂ (для насосної установки - це відстань на вертикалі від поверхні води в резервуар до заливного отвору напірного трубопроводу, створення швидкісного напору у зливному отворі напірного трубопроводу Н_ск та визначення гідравлічного опору в зовнішній мережі – втрати напору Н_П)

Швидкісний напір Н_ш. _н. = (1.1)

Втрати напору по довжині трубопроводу й в місцевих опорах (повороти, крани, засувки та ін) Н_г = ( + ) = (1.2)

де - коефіцієнт, залежний від шороховатості внутрішньої поверхні трубопроводу; l – довжина трубопроводу; d - діаметр трубопроводу; - коефіцієнт місцевих опорів; v – швидкість руху рідини; - сумарний коефіцієнт опору. Виразив швидкість через подачу Q і поперечний перетин F_Т зовнішньої мережі, отримаємо Н=Нг+RQ² (1) причому: R= (1.3) де R - постійна мережі (трубопроводу). Залежність між Н та Q - характеристика зовнішньої мережі - згідно виразу (1) в осях Q - Н зображується параболою. На мал. Характеристика зовнішньої мережі I збудована для визначення поперечного перетину F_Т або збільшення коефіцієнта опору збільшується згідно виразу (2) постійна R, і характеристика з мережі встановиться к.к.д. зовнішньої мережі.

Розглянуті характеристики зовнішньої мережі мають місто при турбомашинах, працюючих з геометричною висотою подачі (насоси). Для турбомашин, працюючих без геометричної висоти подачі (шахти, вентилятори) Н=RQ², (4) й характеристика мережі зображується параболою, яка виходить з початку координатних осей. Так як поперечний перетин мережі може змінюватись на її протязі (наприклад, вентиляційна мережа шахти). для спрощення розрахунків користуються поняттям „еквівалентний отвір”- абстрактний отвір в ідеально тонкій стінці, через який проходить задана кількість повітря, випробування при цьому такий же опір, як у фактичній зовнішній мережі турбомашини. Еквівалентний отвір вентиляційній мережі А/м² (визначається на основі формули: Q= А де Q - кількість протікаючого в мережі повітря, м³/с; - коефіцієнт стиснення струму (для повітря = 0,65); v — швидкість повітря, м/с; Н_cт - статичний тиск, Па.

Виразив тиск Н_ст в Н/м² і прийняв = 0.65 = 0,81 м/с² й плотність повітря 1,2кг/м³, остаточно для шахтної вентиляційної мережі: А=1,19 (1.4) Для насосного трубопроводу: А= 0,345 (1.5)

Робота турбомашини на зовнішню мережу.

Знаючи дійсну індивідуальну характеристику турбомашини і характеристику зовнішньої мережі, зображених в однакових масштабах, робочий режим турбомашини, тобто визначене значення її подачі Q, напору Н і к.к.д., знаходять як точку перетину вказаних характеристик. Графічне визначення робочого режиму турбомашини на зовнішню мережу показане на мал.1.1. Точка 1. показує робочий режим турбомашини, якому відповідають Q’, Н’ і ^/. В даному випадку. Для одержування найвигіднішого (оптимального) робочого режиму турбомашини, відповідного, треба змінити характеристику мережі засобами. В даному випадку необхідно змінити характеристику збільшення поперечного перерізу мережі або зменшення опору в ній так, щоб вона прийняла криву 4, тоді робочий режим III характеризується величинами Q, Н, ɳ_max. Коли змінинити характеристику мережі так, щоб вона прийняла від кривої 5, то робочий режим П характеризується величинами Q″, Н″, ɳ″_max. В практиці експлуатації турбомашин має місто коливання режимів в визначених інтервалах. Приймаємо до мал.1, а цей інтервал відповідає режимам І-III-II. Середньозважений к.к.д. турбомашини в даному інтервалі визначається по даним трьох режимів: =

Вказані зміни робочих режимів турбомашини являються результатом зміни характеристики мережі при постійній характеристиці турбомашини.

Зміни робочих режимів турбомашини мал. 1.1,6 може бути при постійній зактеристиці мережі, але при перемінних характеристиках турбомашини, що можна здійснити зміни частоти обертання коліс і іншими засобами. Робочі режими турбомашини точками IIІ-І-II з відповідними значеннями подачі, напору і к.к.д.

В загальному випадку робочий режим турбомашини може змінитися в залежності від характеристики зовнішньої мережі на цьому основане регулювання напору і подачі. Робочий режим турбомашини з одною точкою перетину характеристик турбомашини і зовнішньої мережі являються стійкими, тобто такими які можуть автоматично встановлюватись при усуванні причини, визвавши їх змінення. Стійкість режиму являється необхідною умовою нормальної роботи турбомашини.

При турбомашинах працюючих з геометричною висотою подачі, може мати місто нестійкий режим з двома точками перетину 1 і 2 (мал. 1.2,6) характеристик турбомашини 1 і мережі 2 або відсутність режиму, неперетинающихся характеристик 3 і 2. Нестійкий режим і відсутність режиму свідчить про невірний вибір турбомашини при заданій геометричній висоті. Для усунення нестійкого режиму, який може виникнути при експлуатації турбомашини, необхідно:

1. Збільшить частоту обертання, так щоб характеристика турбомашини прийняла вигляд кривої 4 з одною точкою III перетину з характеристикою мережі 2 (при цьому окружна швидкість колеса, повинна бути в допустимих межах);

2. Збільшити кількість послідовно з'єднаних коліс, так щоб характеристика турбомашини прийняла вигляд кривої 5 з однією точкою IV перетину з характеристикою мережі 2.

Усунути нестійкий режим зміни характеристики мережі не можна, так як турбомашини, в конкретних випадках працюють з визначеною геометричною висотою подачі.

Для забезпечення стійкої роботи при виборі турбомашини необхідно дотримувати випадки 0,9...0,95 (1.7)

де Но - напір турбомашини при подачі, рівної нулю.

Для відцентрових турбомашин, працюючих без геометричної висоти подачі (наприклад, вентилятор), робочий режим повинен бути стійкий, так як характеристика вентиляційної мережі виходить з початку координати осей. Однак й тут можуть мати місто недопустимі режими на спільну вентиляційну мережу.

При встановленні з осьовим вентилятором, навіть при його сумісній роботі на вентиляційну мережу, можливо нестійкі режими. На мал. 2.1. показані характеристики осьової турбомашини (вентилятора) при різноманітних кутах встановки лопастей робочого колеса. Ці характеристики на відміну від характеристик відцентрових турбомашин мають сідлоподібну форму особливо при кутах встановки лопастей більше 20^о. При характеристиці 1 осьової турбомашини і характеристиці зовнішньої мережі робочий режим стійкий, так як він визначається однією точкою І перетину характеристик 1 І 2 (продуктивність і тиск зображується відповідно абсцисою і ординатою точки 1 та кривою І).

При збільшенні опору зовнішньої мережі (крива 3) робота турбомашини буде нестійкою - переріз вказаних характеристик відбудеться в декількох точках. Небезпека появи нестійкої роботи осьових турбомашин зростає при паралельній роботі осьових вентиляторів. При кутах встановленя лопастей вище 20° забезпечити паралельну роботу на спільну вентиляційну мережу осьових вентиляторів практично важко.

Нормальним робочим режимом осьових турбомашин потрібно вважати режими, розміщені в право від вершини горба В с ординатою Н_max. У ряді випадків ця робоча

частина характеристики при кутах встановлених лопастей робочого колеса вище 20? недостатньо для нормальної роботи осьових вентиляторів за весь термін служби їх в шахтних випадках. При цьому при виборі осьових вентиляторів часто орієнтуються на їх характеристики, що відповідають (по можливості) меншим кутом встановлення лопастей за звичай в мережах 20-30°. В осьових вентиляторах для місцевого провітрювання шляхом збереження постійного, порівнянно неважкого, кута встановлення лопастей робочого колеса забезпечує характеристика зображена кривою 4.

Нестійка робота осьового вентилятора є характеристикою І на мережу є характеристикою 3 (див. мал.1.2.) можна усунути засобами описаними, прийнятими до відцентрових турбомашин і, окрім цього: зменшенням кута встановки лопастей (характеристика 5) і зменшенням отру вентиляційної мережі (характ. 2). Характеристики вентилятора і мережі при цьому будуть перетинатися тільки в одній точці, тобто робочий режим буде стійким. Для конкретних умов роботи на зовнішню мережу, характеристика, яка строїться згідно з формулою (1.3) і (1.2), за заводськими дійсними індивідуальними характеристиками турбомашин можна підібрати турбомашину, яка забезпечує потрібні подачі і напір, являється вигіднішою у відношенні к.к.д., а отже мінімуму споживання енергії за весь термін експлуатації турбоустановки. Корисна поужність (кВт) турбомашини - потужність, яка повідомляється рідині, що подається (без числення всіх втрат, які мають місце при цьому).

N_n= (1.7), де Q - подача турбомашини, м³/с; Н - тиск турбомашини, Па.

Потужність турбомашини: N= (1.8), де ɳ - к.к.д. турбомашини. Ця потужність при безпосередньому з'єднані валів двигуна і турбомашини являється потужністю на валу двигуна у випадку між цими валами передачі для покращення потужністю двигуна виразу знаменнику (1.8) потрібно підставити значення к.к.д.. передачі n враховуючи в ній.

Формула (1.8) застосування для визначення потужності двигуна вентилятора, оскільки тиск, розвиваючого вентилятора виражено в Па. Для насосів напір яких вимірюється в м. вод. ст.: N= , де P - густина води кг/м³. Характеристика Q - вимірюється по точкам, ординати яких утримуються як відношення при різних подачах корисної потужності N_n до потужності турбомашини. Потужність турбомашини визначається шляхом вимірювання електричними приборами потужності на клеммах двигуна і на к.к.д. передачі (70).

Закони пропорційності і коефіцієнту швидкого руху турбомашини.

На основі формул (24)-(26) [Л.1]

Дві турбомашини однієї серії, тобто геометрично подібні мають робочі колеса діаметром D₂ і D₂′, з однаковими кутами установки лопастей і працюючи частотою обертання П і П″на зовнішню мережу з однаковими мережами, з однаковими характеристиками, мають подібні режими, при яких Q, Н і N однакові. У зв'язку (40)-(42) при постійній щільності рідини отримуємо слідуючі закони пропорційності для подібних турбомашин

Q= (1.9) H= (1.10) N= (1.11)

При різних щільностях рідини в праву частину виразів (1.13) і (1.14) потрібно підставляти множник: а= (1.15)

Закони пропорціональності були експериментально встановленні академіком А. Рато і теоретично підтверджені акад. А.П. Германом.

Для однієї і тієї турбомашини (D₂=const), працюючий на зовнішню мережу постійного еквівалентного отвору, закони пропорційності формулюються так: подача турбомашини прямо пропорційна частоті обертання робочого колеса, (1.16) напір, створений турбомашиною, прямо пропорційно частоті обертання в другій степені = ;

потужність турбомашини прямо пропорційна частоті обертання третій степені = ; = (1.16)

Закони пропорційності не поширюються на турбомашину працюючу з геометричною висотою подачі, на що вказує акад. А.П. Германом. Крім цього, при цих законах значення к.к.д. приймати незмінним, а це невірно, так як із зміненням режиму роботи змінюється к.к.д. Отже, при великих змінах закони прямо пропорційності несправедливі.

В шахтній практиці частота обертання змінюється в порівняно невеликих межах, у зв'язку з цим розходження між результатами по цим законам і дійсним значенням невелике і їм можна зневажити.

Турбомашина тільки за абсолютною величиною напору і подачі не дає повного уявлення про особливості конструкції турбомашин, так як одна і та ж турбомашина розвиває різні подачі і напори у зв'язку з частотою обертання вала і умов роботи. Для більш доскональної класифікації турбомашин введено поняття "коефіцієнт швидкохідності". Коефіцієнт швидкохідності називають частотою обертання умовної турбомашини, геометрично подібній розглядаємо і розміри якої підібрані так, що при напорі Н_S її подача рівна Q_S.

Для умов і реальної турбомашини на основі рівняння (1.12) і (1.13) можна записати (1.17 і 1.18)

Розв'язуючи систему рівняння (1.17) і (1.18) відносно, отримуємо: n_S=n

Для вентиляторів приймають Q_S=1 м³/с і Н_S=30 Па, для насосів Q_S=0,075 м³/с і Н_S=1м.вод.ст.

Отже для вентиляторів: n_S=12,9n (1.19)

для насосів: n_S=3,65n (1.20)

В формулах (1.19), (1.20) величина n в об/мін., а Q - в м³/с, Н - в да Па (для вентиляторів) і м. вод. ст. (для насосів).

Для спрощення в формулі (1.19) коефіцієнт 12,9 змінять на одинадцять. При розрахунках n_S приймають робочий режим одноступінчатої турбомашини при максимальному к.к.д.

Коефіцієнт швидкохідності n_S, зв'язуючи в єдину залежність основні геометричні і

фізичні параметри турбомашин, являється критерієм класифікації турбомашин по швидкохідності.