Giáo trình thiết bị mỏ hầm lò phần 1 trường đh công nghiệp quảng ninh

1 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TS Bùi Thanh Nhu (Chủ biên) ThS Đào Đức Hùng GIÁO TRÌNH THIẾT BỊ MỎ HẦM LÒ DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH 2017 2 BÀI MỞ Đ[.]

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

TS Bùi Thanh Nhu (Chủ biên) ThS Đào Đức Hùng

GIÁO TRÌNH

THIẾT BỊ MỎ HẦM LÒ DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC

(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

QUẢNG NINH - 2017

BÀI MỞ ĐẦU

Khai thác than, khoáng sản, vật liệu xây dựng là một trong những ngành công nghiệp nặng Các công việc trong quá trình khai thác phải được cơ giới hoá nhằm đạt được sản lượng và năng suất cao, đảm bảo an toàn và giảm nhẹ sức lao động cho con người

Giáo trình “ Thiết bị mỏ hầm lò” đề cập những vấn đề chính về các loại thiết

bị công nghệ trong lĩnh vực này, bao gồm giới thiệu công dụng, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phương pháp tính toán chung cũng như các bộ phận chủ yếu của mỗi loại thiết bị

Giáo trình này dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành kỹ thuật mỏ, cũng có thể làm tài liệu học tập và tham khảo cho sinh viên các ngành có liên quan đến khai thác mỏ, xây dựng công trình ngầm và mỏ Giáo trình còn có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ giảng dạy, cán bộ kĩ thuật, kĩ thuật viên công tác trong lĩnh vực khai thác mỏ

Cấu trúc của Giáo trình gồm:

Phần I Máy thủy khí

Phần II Máy khai thác mỏ hầm lũ

Giáo trình này do Tiến sĩ Bùi Thanh Nhu(chủ biên) và Thạc sĩ Đào Đức Hùng giảng viên bộ môn Cơ máy biên soạn

Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại Học công nghiệp Quảng Ninh, lãnh đạo khoa Điện, bộ môn Cơ máy cùng các Phòng, Khoa nghiệp

vụ và các cá nhân đã tạo điều kiện giúp đỡ, động viên để hoàn thành tốt cuốn Giáo trình này Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã cố gắng bám sát đề cương, chương trình môn học đã được phê duyệt, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy môn học này trong nhiều năm, đồng thời có chú ý đến đặc thù đào tạo các ngành của nhà trường Do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn rằng cuốn Giáo trình còn có thiếu sót Rất mong bạn đọc góp ý

Xin chân thành cảm ơn!

Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh

Các tác giả

PHẦN I MÁY THỦY KHÍ Chương 1 KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ THỦY LỰC 1.1 Khái niệm chung về máy và thiết bị thuỷ khí

Máy thuỷ khí là một danh từ chung để chỉ các máy làm việc bằng cách trao đổi năng lượng với dòng lưu thể theo các nguyên lý cơ bản của thuỷ khí động lực học

Nó thường được chia thành hai nhóm:

- Nhóm máy công tác: là các máy cung cấp năng lượng cho dòng lưu thể như máy quạt gió, máy bơn nước, máy nén khí

- Nhóm động cơ công tác ( hay còn gọi là nhóm máy phát lực): loại này nhận năng lượng từ dòng lưu thể như các Tuabin thuỷ lực tại các nhà máy thuỷ điện, các cánh quạt của cối xay gió, các động cơ thuỷ lực

Thiết bị thuỷ khí : là phương tiện truyền dẫn, tích trữ, hay biến đổi năng lượng của dòng lưu thể, như các bình chứa khí nén, các hệ thống ống dẫn, các van khoá trên đường ống dẫn

1.2 Kiến thức cơ bản về thuỷ lực

1.2.1 Phương trình cơ bản của thuỷ lực học

Xét một bình thuỷ tinh đựng nước, tại vị trí điểm A cách mặt thoáng với độ sâu lá h Xung quanh điểm A ta lấy một tiết diện vô cùng bé d chiếu dlên mặt thoáng ta được một hình hộp cũng có đáy trên là d , như hình vẽ 1-1

x y 0

z

d 

A

t

h

p

p

a

Xét các lực tác dụng lên khối chất lỏng này gồm có:

- Lực P0 là áp lực tác dụng lên mặt thoáng do tác dụng của áp suất khí trời:

P0 = pa d ;

- Lực Pt là áp lực thuỷ tĩnh có chiều đẩy khối nước lên: Pt = pt d ;

- Lực Acsimet tác dụng đẩy khối chất lỏng này lên, trị số của nó bằng trọng lượng cột chất lỏng đang xét :

G =  g. W = .h d

Hình 1.1 Các thành phần lực tác dụng

Trong đú :  - Là khối lượng riờng của chất lỏng

g – Gia tốc trọng trường( g = 9,81 N/m2)

W = h.d - là thể tớch của khối chất lỏng;

Ngoài ra cũn cỏc lực tỏc dụng theo phương ox, oy nhưng cỏc lực này cựng phương, cựng độ lớn và ngược chiều nờn tự triệt tiờu

Vỡ khối nước ở trạng thỏi cõn bằng nờn xột tổng hợp lực theo phương oz ( phương thẳng đứng) ta cú:

0

Thay cỏc thành phần lực trờn vào biểu thức (*) ta được:

pt d - pa d - .h d = 0;

Hay là

h p

Đõy là phương trỡnh cơ bản của thuỷ tĩnh học, ta cú thể phỏt biểu thành lời như sau: Áp suất thuỷ tĩnh tại một điểm bất kỳ trong lũng chất lỏng bằng ỏp suất trờn mặt thoỏng (p0) cộng với trọng lượng cột chất lỏng cú diện tớch đỏy bằng một

đvdt; và chiều cao là từ điểm đang xột đến mặt thoỏng ( h ) của chất lỏng

1.2.2 Mặt chuẩn, vận tốc trung bỡnh, phương trỡnh liờn tục của dũng chảy

+Mặt chuẩn: Là một mặt phẳng nằm ngang bất kỳ được chọn làm gốc,

để nghiờn cứu cỏc mặt cắt khỏc của dũng chảy Mặt chuẩn cú thể chọn bất kỳ

nhưng nờn chọn làm sao để dễ tớnh toỏn nhất, và thường chọn là mặt thoỏng của chất lỏng

+ Vận tốc trung bỡnh: Là tỷ số giữa lưu lượng và mặt diện tớch mặt cắt ướt

của dũng chảy, ký hiệu là: v, đơn vị: m/s; m/phỳt



Q

v  ; Trong đú: Q – lưu lượng của dũng chảy (m3/h),

- diện tớch mặt cắt ướt (m2)

+ Phương trỡnh liờn tục của dũng chảy: xột dũng

chảy qua đoạn ống cú tiết diện thay đổi, như hỡnh vẽ

Gọi Q là lưu lượng nước chảy qua ống, ta cú:

2

Q  , Mặt khỏc xột với từng đoạn ống lại cú:

1 1

2 2

Q 

Suy ra, ta cú phương trỡnh:

2 2 1

 v

 



Hình 1.2 Nuớc chảy trong ống có tiết diện thay đổiHỡnh 1.2 Nước chay trong ống cú tiết diện thay đổi

tan

1 2 2

Phát biểu: tích số giữa diện tích mặt cắt ướt với vận tốc trung bình của một

dòng chảy là một hằng số

1.2.3 Các dạng năng lượng của dòng chảy, phương trình Becnuli

a Các dạng năng lượng của dòng chảy: Như hình vẽ ( Hình- 1.3)

- Vị năng và tỷ vị năng: Vị năng tại một mặt cắt là năng lượng của dòng chảy, sinh ra do sự chênh lệch vị trí của mặt cắt đó so với mặt chuẩn Vị năng chính là độ cao hình học của mặt cắt đó so với mặt chuẩn Vị năng tính cho một đơn vị trọng lượng của chất lỏng được gọi là tỷ vị năng, ký hiệu là : z , đơn vị: m

- Áp năng tỷ áp năng: là năng lượng tạo nên áp suất cho dòng chảy Nếu tính cho một đơn vị trọng lượng của chất lỏng được gọi là tỷ áp năng, ký

hiệu là tỷ số:



p

, đơn vị: m

- Động năng và tỷ động năng: là phần năng lượng làm cho chất lỏng chuyển động với vận tốc là v Động năng tính cho một đợn vị trọng lượng của chất lỏng được gọi là tỷ động năng, ký hiệu:

g

v

2

2

b) Phương trình Becnuli

Becnuli là nhà bác học người Nga,

ông đã nghiên cứu sự chuyển động

của chất lỏng và tìm ra được quan

hệ giữa vận tốc, áp suất và độ cao

hình học của chất lỏng Quan hệ đó

được biểu diễn bằng một phương

trình được gọi là phương trình

Becnuli

+ Phương trình Becnuli đối với chất

lỏng lý tưởng:

Như ta đã biết chất lỏng lý tưởng là chất lỏng không có tính nhớt, hay nói cách khác là chúng không có nội ma sát trong quá trình chuyển động, vì vậy không sinh ra tổn hao năng lượng trong quá trình chuyển động từ mặt cắt này đến mặt cắt khác, nghĩa là thành phần hw = 0, khi đó đường biểu diễn năng lượng (đường năng E) là đường E-E’( như hình vẽ- Hình 1.3 ở trên)

Tại mặt cắt 1- 1’ các thành phần năng lượng gồm có: vị năng( z1), áp năng (

1

p ), động năng (

g

v

2

2

1 ) Tại mặt cắt 2- 2’ các thành phần năng lượng là: vị năng(

z2), áp năng (

2

p ), động năng (

g

v

2

2 2

)

Do không có tổn hao năng lượng, nên tổng các dạng năng lượng tại một mặt cắt bất kỳ là một hằng số, hay:

H×nh 1.3 C¸c d¹ng n¨ng luîng cña dßng ch¶y

w h

2

z

2

p



2

v 2

g

2

2 g

1 2

1

z1

O' O

E

E' E

2'

2

1 1'

p v

Hình 1.3 Các dạng năng lượng của dòng chảy

const g

v p z g

v p z g

v p

n   















2

2 2

2 2

2 2 2

2 1 1

+ Phương trình Becnuli với chất lỏng thực tế

Trên thực tế thì bất cứ chất lỏng nào cũng có tính nhớt, vì vậy trong quá trình chuyển động xuất hiện nội ma sát, gây ra tổn hao năng lượng của dòng chất lỏng chuyển động Do đó, khi dòng chất lỏng chuyển động từ mặt cắt 1-1’ đến mặt cắt 2-2’ sẽ bị tổn hao một phần năng lượng, giả sử là hw

Phương trình Becnuli viết cho chấtlỏng thực là:

2 1

2 2 2 2

2 1 1 1

2



g

v p z g

v p z



Trong đó: hw- Là tổn thất năng lượng khi dòng chất lỏng chuyển động từ mặt cắt 1-1’ đến mặt cắt 2-2’

Câu hỏi bài tập chương 1

1 Phương trình cơ bản của thuỷ lực học?

2 Mặt chuẩn, vận tốc trung bình, phương trình liên tục của dòng chảy?

3 Các dạng năng lượng của dòng chảy, phương trình Becnuli?

Chương 2 MÁY BƠM NƯỚC 2.1 MÁY BƠM NƯỚC LY TÂ M

2.1.1 Cấu tạo

Máy bơm nước đầu tiên do nhà vật lý người Pháp Denis Papin thiết kế năm

1869 Từ đó máy bơm nước ly tâm được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành kinh tế quốc dân Ngày nay, về cấu trúc nó được phát triển rất đa dạng để đáp ứng các nhu cầu bơm các loại chất lỏng khác nhau

Trong ngành công nghiệp mỏ, máy bơm ly tâm giữ vai trò quan trọng, làm nhiệm vụ thoát nước cho các hầm lò, các công trường mỏ lộ thiên nhằm đảm bảo

an toàn cho người và thiết bị trong quá trình khai thác Bên cạnh đó bơm còn cấp nước cho các thiết bị làm mát bằng nước, dập bụi, làm sạch thiết bị và cấp nước sinh hoạt Cấu tạo chung của máy bơm nước ly tâm được thể hiện trên hình vẽ Hình 2.1

1 - Trục của máy bơm;

2 - Bánh công tác;

3 - Cánh quạt của bánh công tác( cánh dẫn);

4 - Vỏ bơm;

5 - Van một chiều;

6 - Hộp lọc nước;

7 - Đoạn ống đẩy gắn liền với vỏ bơm;

8 - Van một chiều;

9 - Khoá diều chỉnh năng suất, áp suất;

10, 11- Ống và khoá để mồi nước cho bơm khi trên đường ống đẩy có nước

12 – Đường ống đẩy

13 – Ống và khoá để xả nước khi sửa chữa

14 – Phễu mồi nước nằm ngay trên vỏ bơm

M - Áp kế đo áp suất ở cửa đẩy của máy bơm,

B - Chân không kế, đo độ chân không ở cửa hút của máy bơm,

Hh - Chiều cao hút nước của máy bơm, là khoảng cách từ mặt nước trong bể hút đến tâm trục máy bơm, (m)

Hđ - Chiều cao đẩy nước của máy bơm, là khoảng cách từ tâm trục máy bơm đến tâm đường ống đẩy nằm ngang cao nhất Nếu trường hợp máy bơm – bơm nước vào một bể chứa mà mực nước trên mặt thoáng cao hơn miệng đường ống đẩy, thì chiều cao đẩy nước là khoảng cách từ tâm trục máy bơm đến mặt thoáng của bể xả

HH – Chiều cao thoát nước hình học của máy bơm và:

HH = Hh + Hđ , (m)

B

H

H

H

®

H

h

1 2

3 4

5

6 7 8

10 11

12

13

9

14

H×nh 1.4 CÊu t¹o cña hÖ thèng m¸y b¬m nuíc ly t©m

Hình 2.1 Cấu tạo cơ bản của hệ thống máy bơm nước ly tâm

2.1.2 Nguyên lý làm việc của máy bơm nước ly tâm

Để trình bày nguyên lý làm việc của máy bơm nước ly tâm, ta xét sơ đồ nguyên lý của máy bơm nước như hình vẽ 2.2

Trước khi cho máy bơm nước ly tâm làm việc ta phải mồi đầy nước cho máy bơm Việc mồi nước có thể thực hiện bằng hai phương pháp: trực tiếp hoặc gián tiếp Mồi nước trực tiếp là đổ nước trực tiếp qua van mồi số 14 nằm ngay trên vỏ bơm (phương pháp này thường chỉ áp dụng cho các máy bơm có công suất nhỏ); Mồi nước gián tiếp (khi trên đường ống đẩy có nước) bằng cách mở khoá số 10 để cho nước từ đường ống đẩy chảy vào bơm Cả hai phương pháp trên được coi là mồi đủ nước, khi nước chảy qua van mồi số 14 thành dòng liên tục, không có lẫn bọt khí Hiện nay, ở các trạm bơm có công suất lớn, quan trọng người ta thường máy bơm phụ để thực hiện mồi nước cho các bơm chính

Khi động cơ máy bơm làm việc, chuyển động quay từ trục động cơ được truyền đến bánh công tác của máy bơm Khi bánh công tác quay cùng với trục, sẽ làm xuất hiện lực ly tâm trong các máng dẫn của bánh công tác ( BCT), chất lỏng trong BCT dưới tác dụng của lực ly tâm đó sẽ bị văng từ trong ra ngoài, do đó tạo thành một khoảng trống có áp suất rất thấp( áp suất chân không) ở cửa vào s của BCT Dưới tác dụng của áp suất trên mặt thoáng bể hút, nước được nén qua hộp lọc, qua đường ống hút rồi vào chiếm chỗ ở cửa BCT, sau đó đi vào BCT rồi lại bị văng ra ngoài theo máng cánh dẫn, đi theo phần ống mở rộng ra phía cửa đẩy, tạo nên một vùng có áp suất cao để đi ra đường ống đẩy, cứ thế tạo thành một dòng chảy liên tục đi từ bể hút qua ống hút, qua máy

bơm đi ra đường ống đẩy, lên bể chứa

Trong quá trình chất lỏng bị văng từ trong

cửa hút ra phía ngoài BCT, chất lỏng tham gia

chuyển động tương đối dọc theo cách dẫn với vận

tốc tiếp tuyến w, chuyển động tròn quay theo BCT

với tốc độ u và chuyển động tuyệt đối với vận tốc

c Các thành phần vận tốc được biểu thị trên các

tam giác vận tốc hình 2.3, với:

c uw

Trong đó - được gọi là góc cấu trúc của BCT, là góc hợp bởi véc tơ vận tốc u

và véc tơ vận tốc w; - là góc hợp bởi vận tốc vòng u và vận tốc tuyệt đối c

2.1.3 CHIỀU CAO HÚT NƯỚC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU CAO HÚT NƯỚC TỚI CHẾ ĐỘ CÔNG TÁC CỦA MBN

2.1.3.1 Chiều cao hút nước lý thuyết

1 Các giả thuyết

S S



H×nh 2.2 Nguyªn lý lµm viÖc cña m¸y b¬m nuíc ly t©m







1

2

3 3

4 4

w2

2

2

1

c

1

u

1

w

r2

r1



2

H×nh 1.6 Tam gi¸c vËn tèc

ë cöa vµo - ra cña BCT

Hình 2.3.Tam giác vận tốc ở cửa vào – ra của BCT

+ Giếng hút đủ lớn, để trong quá trình máy bơm nước làm việc mực nước trong giếng hút không đổi, nghĩa là coi vận tốc chuyển động của nước trên bề mặt giếng hút bằng không

+ Nước là chất lỏng lý tưởng, vì vậy có thể coi không có tổn thất trong quá trình chuyển động

+ Số cánh dẫn của BCT là nhiều vô cùng, bề dầy của cánh dẫn vô cùng bé,

để dòng chảy trong các máng dẫn là dòng nguyên tố và không có sự mở rộng hoặc thu hẹp đột ngột tiết diện dòng chảy, nên có thể bỏ qua tổn thất năg lượng

2 Các định nghĩa

+ Chiều cao hút nước của máy bơm: là khoảng cách theo phương thẳng đứng từ mặt nước trong giếng hút tới tâm của trục máy bơm, ký hiệu Hh , đơn vị là:

m

+ Chiều cao đẩy nước của máy bơm: Là khoảng cách theo phương thẳng đứng từ tâm của trục máy bơm tới tâm đường ống đẩy nằm ngang cao nhất, đơn vị là: m

+ Chiều cao thoát nước hình học: Là khoảng cách thẳng đứng từ mặt nước trong giếng hút đến tâm đường ống đẩy nằm ngang cao nhất, hay chính là tổng chiều cao hút nước và chiều cao đẩy nước, ký hiệu là HH , đơn vị: m

3 Phương trình chiều cao hút nước lý thuyết

Để xác định phương trình chiều cao hút nước lý thuyết của MBN, ta xét hình

vẽ 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán chiều cao hút nước của MBN ly tâm

Do giả thiết nước là chất lỏng lý tưởng nên dòng chảy không có tổn thất năng lượng, ta áp dụng phương trình định luật Becnuli viết cho dòng chảy của chất lỏng

lý tưởng, trước hết ta chọn:

- Mặt chuẩn là mặt 0- 0 trùng với mặt nước trong bể hút

- Chọn mặt cắt ướt thứ nhất 1-1 trùng với mặt chuẩn 0- 0; mặt cắt ướt thứ hai

là 2 -2, đi qua cửa hút của máy bơm

Viết phương trình định luật Becnuli cho dòng chảy của chất lỏng lý tưởng, khi chuyển động từ mặt cắt 1 -1 đến mặt cắt 2 -2 ( với giả thiết hw = 0):

v p z g

v p z

2 2

2 2 2 2

2 1 1



Từ các giả thuyết và cách chọn các mặt cắt, mặt chuẩn như trên ta suy ra:

+ Tại mặt cắt 1-1: Z1 = 0, p1 = pa , v1 = 0;

+ Tại mặt cắt 2-2: Z2 = hh, p = p2 , v = v2

Thay vào phương trình (2.1) ta được:

g

v p H

p

h a

2

2 2







Suy ra:

g

v p p

h

2

2 2







Nhận xét:

- Khi mặt thoáng của nước trong giếng hút tiếp xúc trực tiếp với khí trời, thì

độ lớn của hh chỉ phụ thuộc vào giá trị

2

p

và

g

v

2

2 2

Trong đó, yếu tố

g

v

2

2 2

phụ thuộc

vào cấu tạo của từng bơm và tốc độ quay n của máy bơm Còn giá trị

2

p

thì phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ quay, chiều cao đặt bơm, độ kín khít của đường ống hút

- Từ biểu thức (2.4), ta suy ra giá trị chiều cao hút nước lớn nhất( hh max) đạt được khi

2

p

= 0 và

g

v

2

2 2

= 0, khi đó chiều cao hút nước lớn nhất theo lý thuyết của MBN, để máy bơm có thể làm việc được là:

Hh Max =

a

p

) / ( 10 81 , 9

) / ( 10 81 , 9

1

3 3

2 4





m N

m N g

at

2.1.3.2 Chiều cao hút nước thực tế của MBN

Do các giả thuyết lý tưởng không thực hiện được, nên dòng chảy của nước trong BCT có tổn hao năng lượng, vì vậy chiều cao hút nước thực tế của bơm bao giờ cũng nhỏ hơn 10 m, thật vậy:

2 1

2 2

2

0   



g

v H

p

TT

Người ta đã đưa ra công thức thực nghiệm, để tính chiều cao hút nước thực tế của MBN như sau:

]

10 [

8 , 0

3 4

0 

















C

Q n H

p

TT

Trong đó: