粗糙对矿用排水泵轴功率的影响分析_水泵轴功率计算公式
【摘要】矿用排水泵是矿山排水设备的重要组成成分之一，用于将采矿过程中随时涌入的矿井水排除。本文通过对矿井排水管路流动阻力损失的分析，说明了流动阻力损失与粗糙度之间的关系，并由矿用排水泵的扬程、有用功率、轴功率与流动阻力损失间的函数方程，反映出粗糙对矿用排水泵轴功率的影响。指出了矿山排水系统在使用中应当注意的问题，并提出了相应的处理措施。
【关键词】矿用排水泵;粗糙度;流动阻力损失;轴功率
The Coarseness Uses The Influence Analysis That The Catchment Pumps Stalk Power on Mineral
CＨＥＮ Yang1LＩ Zheng1HＡＮ Zhi-ting2
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining & TechnologyXuzhou221116China；
2. School of Mines, China University of Mining & TechnologyXuzhouJiangsu221116)
【Abstract】Mine drainage way through the loss of flow resistance, the flow resistance shows the relationship between loss and roughness by mine drainage pump in the head, useful power, shaft power and the flow resistance between the loss function equation, reflecting the rough on mine drainage pump power of. That the mine drainage system in use should be noted and put forward corresponding measures to deal with.
【Key words】Pump;Roughness;Flowed head loss;Efficiency
0.引言
矿山排水设备是矿山建设和生产中不可缺少的大型设备，它负责将采矿过程中随时涌入的矿井水排除，对矿井的生产、安全和经济效益都有着重要的影响。矿山排水设备主要由矿用排水泵和矿井排水管路组成，两者的性能直接影响着整个排水设备运行的经济安全性。矿用排水泵是煤矿单机连续运行时间最长、耗电量最大的设备之一。然而，随着使用年限的增加，矿用排水泵的轴功率也会随之增加，导致用电量的增加，降低了经济性能。本文针对矿井排水管路的粗糙度对矿用排水泵轴功率的影响作用进行了分析，指出了矿山排水设备在使用中存在的问题并提出了治理措施。
1.粗糙对流动阻力损失的影响
1.1 绝对粗糙度与相对粗糙度
绝对粗糙度是指管道固体壁由于加工条件及运行的影响，总是或多或少的粗糙不平，粗糙突出的平均高度称为绝对粗糙度。相对粗糙度是专指管壁粗糙凸起高度（绝对粗糙度）e与管道直径d的比值，即。
图1矿井排水管内壁粗糙度
如上图1所示，排水管路的绝对粗糙度为e，随着使用年限的增加，管路内壁上沉积的污垢厚度e也会增加，引起管路的相对粗糙度增大。
1.2 流动阻力损失的产生与构成
实际流体在流动过程中，其总能量沿着流动方向逐渐减小。这是因为流体本身具有粘性，在流动的过程中有内摩擦力产生；流道边界不可能完全光滑，流体与边界间也要产生摩擦力；同时流动过程中还会有流道的形状、流动方向的变化与其它障碍，这些都会使流体在流动过程中受到阻力，这种阻力称为流动阻力[1]。流体流动就需克服这些阻力，从而使一部分能量转化为不能做功的热能而损失掉，使流体总总量沿流动方向逐渐减小。这种由流动阻力所引起的能量损失称为流动阻力损失。流动阻力损失一般可以使用流动阻力表示。
流体在管路中流动时所受流动阻力主要包括两部分：
（1）直管阻力――流体流进一定管径的直管时，因流体内摩擦而产生的阻力即h：
h=・・ （1）
式中：――沿程阻力系数；
l――管路长度，m；
d――管道直径，m；
v――管道中水流的平均速度，m/s
（2）局部阻力――流体流经管路中的管件（如图2所示）、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所产生的阻力即h：
h=・（2）
式中：――局部阻力系数
图2常见管件
因此，流动阻力损失h=h+h
即： h=・・+・（3）
1.3 粗糙对流动阻力系数的影响
1.3.1 沿程阻力系数
由均匀流沿程水头损失的量纲分析和尼古拉兹实验[2]可以得知=g(,Re)，在排水设备安装调试完成之后，管路长度、管路直径、管路中水流的平均速度、管路局部阻碍的形状都已经确定，因此雷诺数Re基本确定。沿程阻力系数?姿与相对粗糙度有函数关系，随着相对粗糙度的增加，沿程阻力系数逐渐增大。
1.3.2 局部阻力系数
局部阻力系数[3]=f(,,Re)，由于弯管几何特征参数与雷诺数Re基本确定，局部阻力系数受相对粗糙度影响较大，随着相对粗糙度的增加，局部阻力系数随之增大。
1.4 粗糙对排水管道中水流速度的影响
由流体流动的连续性方程可知，排水流量Q一定时，管道中水流的速度与管道的过水断面呈反比关系，即：
Q=v・A （4）
式中：A――管道的过水断面，m
由图1可以看出，随着排水管道相对粗糙度的增加，管道的过水断面A减小。而排水流量Q保持恒定，则排水管道中水流的平均速度加大。
综合粗糙对流动阻力系数及管道中水流速度的影响作用，随着排水管道粗糙度的增加，流动阻力系数（包括沿程阻力系数和局部阻力系数）和水流的平均速度都有不同程度的增加，由公式（3）可得，流动阻力损失也逐渐增加。
2.矿用排水泵功率分析
2.1 矿用排水泵扬程的变化
矿用排水泵的扬程H又称压头，是指水泵能够扬水的高度，单位是m。排水泵的总扬程包括吸水扬程、排水扬程和所有的管道水头损失，如下所示：
H=H+H++h （5）
式中：H――排水泵的排水高度，m；
H――排水泵的吸水高度，m
矿用排水泵在设计完成后，排水高度和吸水高度均为定值，由公式（5）可得，其扬程H随着流动阻力损失h的增加而增加。
2.2 矿用排水泵功率的变化
设矿用排水泵的有用功率为N，其计算公式为：
N= ・H・Q（6）
式中： ――水的比重，N/m
由公式（6）可以看出，随着矿用排水泵的扬程H增加，排水泵的有用功率N也增加。又由排水泵轴功率N与有用功率N间的关系：
N=（7）
式中：――电机轴的传动效率。
可以发现，矿用排水泵轴功率也在逐渐增加。
3.治理措施
3.1在排水管道选择方面尽量选用适用于矿山建设、粗糙度较小的管材，如高密度聚乙烯（HDPE）双重壁管材
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 高密度聚乙烯双重壁管材是以低压高密度聚乙烯为原料，是一种应用于市政工程、工矿企业等领域的新型管材，具有耐化学腐蚀性、高韧性、密度小、重量轻且粗糙系数较小等特点[4]。高密度聚乙烯双重壁管材因具有独特的性能和特点，使它在诸多管材中脱颖而出，倍受人们的青睐，适合于地质条件差、工期紧的工程。
3.2在管道中安装必要的过滤装置
通过在管道中安装过滤装置，可以有效避免对排水管路有明显阻碍作用的物质进入排水管路中，但要对过滤装置进行及时清理以防止排水管理出现堵塞的现象。
3.3采用表面处理技术来改善排水管道内表面的粗糙度，如根据水仓中水质的变化，针对性地加入去污剂
利用去污剂可以有效分解沉积在排水管路内壁面的物质，从减小或延缓管内粗糙的形成。
3.4在管道中投放减阻剂减小流体在输送过程中所受阻力
减阻剂多为水溶性或油溶性的高分子聚合物，它作为一种降低流体在输送时所受阻力的化学助剂，能显著提高管内流体的流动性、改善流变性能，起到节能降耗提高输量的作用[5]。
将减阻剂加入到排水管道以后，减阻剂呈连续相分散在水中，靠本身特有的粘弹性，分子长链自然伸展呈流状，其微元直接影响流体微元的运动。来自流体微元的径向作用力作用在减阻剂微元上，使其发生扭曲，旋转变形。减阻剂分子间的引力抵抗上述作用力反作用于流体微元，改变流体微元的作用方向和大小，使一部分径向力被转化为顺流向的轴向力，从而减少了无用功的消耗，宏观上得到了减少摩擦阻力损失的效果。
3.5加强排水管路的日常维护
矿山排水管路一旦投入运行，往往与矿山使用年限相同。因此，对矿井排水管路需要进行日常维护。在日常维护中及时发现排水管路中的问题，对于影响排水管路粗糙度的现象进行及时处理。
4.结语
本文通过分析指出矿井排水管路随着使用年限的增加，管路内壁沉积的污垢厚度逐渐增大，引起流动阻力损失的增大，导致克服增大的流动阻力损失所需要的排水泵扬程增大，最终造成排水泵轴功率的增加、耗电量加大、矿山经济效益降低。针对这种情况，本文提出选用粗糙度小的新型排水管路、安装过滤装置、投放减阻剂、加强日常维护等措施来防止矿井排水管路粗糙度的增加，抑制矿用排水泵功率增大、提高经济性能，在矿山使用年限内，最大限度的降低管路的费用。■
【参考文献】
［１］王维新.流体力学.煤炭工业出版社，1986.
［２］程度科学技术大学水力学教研室.水力学（上册）.人民教育出版社，1979.
［３］贺益英,赵彭裙,孙淑卿,毛世民.弯管局部阻力系数的试验研究.水利学报，2003.
［４］郝建忠,谭永成.高密度聚乙烯双重壁管材在工程中的应用.中外建筑，2003.
［５］严格.减阻剂对管道关键点的影响.科技创新导报，2009.
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