流体机械课程设计题目：矿井排水设备选型设计1概述2设计的原始资料开拓方式为立井，排水高度为342m ，正常涌水量为655m 3/h ；最大涌水量为850m 3/h ；持续时间60d 。

矿水PH 值为中性，重度为10003N/m 3，水温为15℃。

该矿井属于高沼气矿井，年产量为5万吨。

3排水方案的确定在我国煤矿中，目前通常采用集中排水法。

集中排水开拓量小，管路敷设简单，管理费用低，但由于上水平需要流到下水平后再排出，则增加了电耗。

当矿井较深时可采用分段排水。

涌水量大和水文地质条件复杂的矿井，若发生突然涌水有可能淹没矿井。

因此，当主水泵房设在最终水平时，应设防水门。

在煤矿生产中，单水平开采通常采用集中排水；两个水平同时开采时，应根据矿井的具体情况进行具体分析，综合基建投资、施工、操作和维护管理等因素，经过技术和经济比较后。

确定最合理的排水系统。

从给定的条件可知，该矿井只有一个开采水平，故可选用单水平开采方案的直接排水系统，只需要在2343车场附近设立中央泵房，就可将井底所有矿水集中排至地面。

4水泵的选型与计算根据《煤矿安全规程》的要求，主要排水设备必须有工作水泵、备用水泵和检修水泵。

工作水泵的能力应能在20h 内排除矿井24h 的正常涌水量（包括充填水和其他用水）。

备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%，并且工作水泵和备用水泵的总能力，应能在20h 内排出矿井24h 的最大泳水量。

检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。

水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况在主水泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另增设水泵。

排水管路必须有工作和备用水管。

工作水管的能力应能配合工作水泵在20h 内排完24h 的正常涌水量。

工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20h 内排出矿井24h 的最大涌水量。

水泵必须排水能力计算正常涌水期h m q q Q z z B /7866552.12.120243=⨯===最大涌水期h m q q Q /10208502.12.120243max max max =⨯===式中B Q ——工作水泵具备的总排水能力，3/m h ；max Q ——工作和备用水泵具备的总排水能力，3/m h ；z q ——矿井正常涌水量，3/m h ； max q ———— 矿井最大涌水量，3/m h 。

水泵所需扬程估算由于水泵和管路均未确定，无法确切知道所需的扬程，所以需进行估算，即385m 0.94342H H gsyB =+==η式中 B H ——估算水泵所需扬程，m ；sy H ——侧地高度，即吸水井最低水位至排水管出口间的高度差，一般可取sy H =井底与地面标高差+4（井底车场与吸水井最低水位距离），m ； g η——管路效率。

当管路在立井中铺设时，g η=～；当管路在斜井中铺设，且倾角α>30o时,g η=～；α＝30o ～20o 时，g η＝～；α＜20o 时，g η＝～。

水泵的型号及台数选择水泵型号的选择根据计算的工作水泵排水能力，初选水泵。

从水泵产目录中选取D450-60×11型号泵，流量550～400 m 3/h 额定扬程594～。

则：水泵级数的确定0.65594385H H i i B ===取i =1级 式中 i ——水泵的级数；i H ——单级水泵的额定扬程，m 。

水泵台数确定工作泵台数1.32594786Q Q n e B 1=≥=取n 1=2备用水泵台数n 2≥=×2=和n 2≥Q max /Q e -n 1=1020/594-1= 取n 2=2 检修泵数n 3≥ n 1=×2=，取n 3=2 因此，共选5台泵。

5管路的选择管路趟数及泵房内管路布置形式根据泵的总台数，选用典型五泵两趟管路系统，一条管路工作一条管路备用。

正常涌水时，两台泵向一趟管路供水；最大涌水时，四台泵同时工作就能达到20h 内排出24h 的最大涌水量，故从减少能耗的角可采用两台泵向两趟管路供水，从而可知每趟管路内流量Q e 等于两台泵的流量。

管材的选择由于井深远大于200m ，确定采用无缝钢管。

排水内径0.374m～0.3092.2～1.55940.0188v Q 0.0188v 36004Qd ppp====π式中p d ——排水管内径，m ；Q ——排水管中的流量，3/m h ；p v ——排水管内的流速，通常取经济流速p v ＝１.５～２.２（ｍ／s ）来计算。

从表1－１预选Φ351×８无缝钢管，则排水内径p d =（351-2×8）mm = 335mm表1-1热轧无缝钢管 （YB231-70）壁厚验算p 0.5d 1C δ⎛⎫≥+ ⎪ ⎪⎝⎭式中 p d ——所选标准内径，cm ；z σ——管材许用应力。

焊接钢管z σ=60MPa ，无缝钢管z σ=80MPa ；p ——管内水压，考虑流动损失，作为估算0.011p a B =H MP ；C ——附加厚度。

焊接钢管0.2C cm =，无缝钢管0.1~0.2C cm =。

0.8cm0.780.111-2960.0111.3-803710.0110.48035.50.5≤=+⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⨯+⨯= 所选标准壁厚应等于或略大于按上式计算所得的值。

吸水管壁厚不需要验算。

因此所选壁厚合适。

吸水管径据根选择的排水管径，吸水管选用Φ377×８无缝钢管。

6工况点的确定及校验 管路系统管路布置参照图1-2所示的方案。

这种管路布置方式任何一台水泵都可以经过三趟管路中任意一趟排水，排水管路系统图如1-2所示。

图1-2泵房管路布置图估算管路长度L p =排水管长度可估算为：H sy +（40～50）m=346+（40～50）m=（386～396）ｍ 取L p =390m ，吸水管长度可估算为L x =7m 。

管路阻力系数R 的计算 沿程阻力系数吸水管 λx = 0.3dx021.00.30.3510.021= = 排水管 λp =0.3p d 021.0=0.0210.30.335= 0.0292 局部阻力系数 吸、排水管及其阻力系数分别列于表1-3、表1-4中附件名称 数量 局部阻力系数 底阀 1 90。

弯头 1 异径管 14.094xζ=∑表1-4排水管附件及局部阻力系数][454521)1(8p p p p p x x x x x d d l d d l g R ξλξλπ∑+++∑+=()}⎥⎦⎤⎢⎣⎡++⨯++⨯⎩⎨⎧⨯=454520.335120.41210.3353750.02920.3514.0940.35170.02889.818π=式中 R ——管路阻力系数，25/s m ；x l 、p l ——吸、排水管的长度，m ； x d 、p d ——吸、排水管的内径，mx λ、p λ——吸、排水管的沿程阻力系数，对于流速v ≥s ，其值可按舍维列夫公式计算，即0.30.021d λ=xζ∑、pζ∑——吸、排水管附件局部阻力系数之和，根据排水管路系统中局部件的组成，见表1-3、1-4。

管路特性方程新管25212661 3.87110sy KRQ Q -H =H +=+⨯⨯⨯ 旧管2522266 1.7 3.87110syKRQ Q -H =H +=+⨯⨯⨯式中 K ——考虑水管内径由于污泥淤积后减小而引起阻力损失增大的系数，对于新管K=1，对挂污管径缩小10%，取K=，一般要同时考虑K=1和K=两种情况，俗称新管和旧管。

绘制管路特性曲线并确定工况点根据求得的新、旧管路特性方程，取8个流量值求得相应的损失，列入表1-5中。

表1-5管路特性参数表Q/（m 3·h -1） 200 250300350400450500550H 1/mH 2/m利用表1-5中各点数据绘制出管路特性曲线如图1-7所示，新、旧管路特性曲线与扬程特性曲线的交点分别为M 1和M 2，即为新、旧管路水泵的工况点。

由图中可知：新管的工况点参数为Q M1=810m 3/h,H M1=346m,ηM1=,Hs M1=,N M1=498KW ；旧管的工况点参数为Q M2=795 m 3/h ，H M2=352m,ηM2=,Hs M2=,N M2=492KW ，因ηM1、ηM2均大于，允许吸上真空度Hs M1=，符合《规范》要求。

校验计算排水时间的验算管路挂污后，水泵的流量减小，因此应按管路挂污后工况点流量校核。

正常涌水时，工作水泵1n 台同时工作时每天的排水小时数h M 2010795265524Q n 24q T 21z z ≤=⨯⨯==最大涌水期，工作水泵1n 、2n 台同时工作时每天的排水小时数max max 12)2242465015.120((11)516M q h h h n n Q +⨯T ===≤+⨯即实际工作时，只需4台水泵同时工作即能完成在20h 内排出24h 的最大涌水量。

经济性校核工况点效率应满足η1M =≥ηmax ≥×=， η2M =≥。

稳定性校核H sy =346≤=×1×676=608m 式中0H ——单级零流量扬程，m 。

由D450-60×11型水泵特性曲线图可知0H =608m经济流速校核排水管中流速122532/ 1.68/9009000.335M x x Q v m s m s d ππ===⨯⨯ 吸水管中流速s m 1.530.351900532d 900Q v 22x M1p =⨯⨯==ππ吸、排水管中的流速在经济流速之内，故满足要求。

注：吸、排水管的经济流速通常取～s吸水管高度校核[][]21125418x x SM x M x x l x Q g d d ζλπ⎛⎫∑+H =H -+ ⎪⎝⎭254287 4.09415325.470.02923.149.810.3350.33536005.470.824.65m⎛⎫+⎛⎫=-⨯⨯+⨯ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭=-= 式中 [H SM1] = H SM1-（10-h a ）-（） =（）-（） = 注:a h ——不同海拔高度ｚ时大气压值见表［］ｍ；n h ——不同水温ｔ时的饱和蒸汽压力值［］ｍ；实际吸水高度H x =4m ＜[H x ]，吸水高度满足要求。

电机功率计算11136001000M M M d dH Q K N ηγ⨯⨯='1070kw 0.836001000346810100031.1=⨯⨯⨯⨯⨯=式中d K ——电动机容量富余系数，一般当水泵轴功率大于100KW 时，取d K =；当水泵轴功率为10～100KW 时，取d K =～。

水泵配套电机功率为N d =1250KW ，大于计算值，满足要求。