Методология расчётов гидродинамических параметров шахтных автоматизированных стационарных установок с центробежными нагнетателями

Э. К. Никулин , И. В. Ковалёва, К. Н. Маренич 
МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЁТОВ 
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 
ШАХТНЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ 
СТАЦИОНАРНЫХ УСТАНОВОК 
С ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАГНЕТАТЕЛЯМИ 
Монография 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
202 

Рекомендовано к печати учёным советом 
ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический  
университет» (протокол № 1 от 01.04.2022 г.) 
УДК 622.53  
ББК 33+34.7 
Н65 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., проф., главный научный сотрудник ГУ «Автоматгормаш  
им. В. А. Антипова» Силаев В. И.; 
д. т. н., проф., зав. кафедрой «Энергомеханические системы» 
ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет»  
Кононенко А. П. 
  
 
 
 
 
 
 
 
Никулин, Э. К.  
Н65  
Методология расчётов гидродинамических параметров шахтных автоматизированных стационарных установок с центробежными нагнетателями : монография / Э. К. Никулин , И. В. Ковалёва, К. Н. Маренич. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 124 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1697-9 
 
Дан анализ конструкций, типовых технологических схем электромеханических 
систем с лопастными турбомашинами радиального типа (насосы, углесосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.). Рассмотрены факторы, влияющие на работу данного технологического оборудования, особенности и условия функционирования шахтных стационарных установок. Представлены методы расчёта гидродинамических параметров и 
исследования состояний данных электромеханических систем, рассмотрены принципы 
и технические средства их автоматизации. 
Для научных работников и специалистов, работающих в области создания, модернизации и эксплуатационного сопровождения автоматизированных электромеханических систем с лопастными машинами радиального типа, включая шахтные стационарные установки. Может быть полезно студентам технических вузов. 
 
УДК 622.53  
ББК 33+34.7 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1697-9 
”  Никулин Э. К. , Ковалёва И. В., Маренич К. Н., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 5 
1. ШАХТНЫЕ СТАЦИОНАРНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ 
УСТАНОВКИ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАГНЕТАТЕЛЯМИ  ..................... 6 
1.1. Общие сведения, конструктивные и компоновочные 
решения 
.............................................................................................................. 6 
1.2. Основные параметры центробежных нагнетателей  
и факторы, влияющие на их работу 
............................................................... 11 
1.3. Основные гидравлические характеристики  
центробежных нагнетателей 
и способы задания этих характеристик 
......................................................... 14 
1.4. Технологические особенности и условия функционирования  
шахтных стационарных установок ................................................................ 15 
1.5. Цель и постановка задачи регулирования.  
Задачи исследований ...................................................................................... 15 
2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СХЕМЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ 
ШАХТНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ УСТАНОВОК 
......................................... 17 
2.1. Анализ типовых технических схем и процессов на основе 
электромеханических установок с центробежными нагнетателями  ......... 17 
2.2. Обзор существующих способов регулирования  
и средств контроля .......................................................................................... 25 
2.2.1. Существующие способы регулирования ............................................ 25 
2.2.2. Существующие средства контроля 
...................................................... 55 
2.3. Обоснование принятых технических решений для реализации 
поставленных задач 
......................................................................................... 60 
3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ 
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ЛОПАСТНЫМИ 
ТУРБОМАШИНАМИ РАДИАЛЬНОГО ТИПА .......................................... 63 
3.1. Методика подбора эмпирических формул для математического 
описания статических характеристик отдельных звеньев и объектов 
регулирования ................................................................................................. 63 
3.2. Подбор эмпирических расчетных формул 
............................................. 64 
3.2.1. Подбор формул для гидравлических расчетов лопастных 
турбомашин радиального типа ...................................................................... 64 
3.2.2. Подбор эмпирических формул для расчетов местных  
сопротивлений дросселирующих органов  ................................................... 65 
3.3. Методика определения коэффициентов статической  
характеристики вентиляторной установки ................................................... 67 
3 

3.4. Математическое исследование динамического процесса разгона 
потока воздуха в вентиляционной сети при пуске вентиляторной 
установки ......................................................................................................... 70 
3.5. Исследование динамических характеристик водоотливной  
установки в пусковом режиме ....................................................................... 74 
3.5.1. Общая постановка проблемы и задач исследования 
.......................... 74 
3.5.2. Решение задач и результаты исследований ........................................ 75 
3.6. Математическое описание основных звеньев системы 
автоматического регулирования водоотливной установки.. 
3.6.1. Постановка задач исследования 
........................................................... 80 
3.6.2. Решение задач и результаты исследований ........................................ 81 
3.7. Условия устойчивой работы обратного клапана в 
пусковом режиме водоотливной установки  ................................................ 90 
3.8. Анализ способов организации работы водоотливных установок  
в соответствии с графиком нагрузки на энергосистему шахты  ................. 92 
3.9. Анализ гидравлических защит шахтных водоотливных  
установок  ........................................................................................................ 96 
3.10. Особенности определения величины и места 
повреждения вертикального участка напорного 
трубопровода  .................................................................................................. 98 
3.10.1. Методика определения утечки  
.......................................................... 98 
3.10.2. Теоретические основы определения параметров  
утечки  ............................................................................................................ 100 
3.11. Исследования динамических характеристик 
гидротранспортных установок  
.................................................................... 104 
3.11.1. Общие сведения о специфике работы шахтных 
гидротранспортных установок  
.................................................................... 104 
3.11.2. Гидротранспортная установка как объект регулирования  ........... 106 
3.11.3. Математическое описание отдельных звеньев объекта 
................. 111 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
............................................................................. 121 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Эффективная работа горного предприятия в значительной степени 
определяется надёжностью, ресурсом и функциональностью шахтных 
стационарных установок. К этому классу оборудования относятся вентиляторные, водоотливные, гидротранспортные и компрессорные установки, 
основными функциональными элементами которых являются центробежные нагнетатели. Как правило, это оборудование отличается высоким 
уровнем мощностей электроприводов, сложностью конструкции, распределённостью в пространстве электромеханических и гидродинамических 
параметров, наличием многочисленных внешних факторов воздействия.  
В связи с этим, в вопросах эксплуатации шахтных стационарных установок, их автоматизации первостепенное значение приобретает проблематика расчёта их гидродинамических параметров в стационарных и переходных режимах, исследования их состояний в конкретных условиях эксплуатации. 
 Характерной особенностью шахтного стационарного электромеханического оборудования является наличие в его составе нагнетателей одного класса, относящегося к лопастным турбомашинам радиального типа 
и имеющим единую теоретическую основу. Благодаря этому установки 
обладают сходственными статическими характеристиками нагнетателей и 
внешних напорных сетей, а также идентичными принципом действия и 
конструктивно-компоновочными решениями. В монографии обоснован 
общий подход к исследованию статических и динамических параметров 
рассматриваемых объектов при синтезе систем автоматического регулирования с использованием единого математического аппарата для описания физических явлений, происходящих в отдельных звеньях и системе в 
целом. На основе детальной характеристики конкретных типов оборудования и системного обобщения характеристик, действующих возмущающих и управляющих факторов вниманию читателей представлена методология расчётов гидродинамических параметров шахтных автоматизированных стационарных установок с центробежными нагнетателями. 
Авторы выражают искреннюю благодарность Лавшонок Е.Ю. и Шалёной С.В. – инженерам кафедры «Горная электротехника и автоматика 
им. Р.М. Лейбова» Донецкого национального технического университета 
за помощь в оформлении данной книги. 
 
5 

1. ШАХТНЫЕ СТАЦИОНАРНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ 
УСТАНОВКИ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАГНЕТАТЕЛЯМИ 
 
1.1. Общие сведения, конструктивные и компоновочные  
решения 
 
Лопастные нагнетатели радиального типа – вентиляторы, насосы, 
углесосы и компрессоры – являются основными машинами, применяемыми в шахтных стационарных установках [1–4]. Конструктивная схема таких нагнетателей (рис. 1.1) состоит из трёх основных узлов: рабочего колеса 1, подвода 2 и отвода 3. Рабочее колесо выполняет функцию преобразователя механической энергии, развиваемой двигателем, в гидравлическую. Генерированная гидравлическая энергия обусловливает появление 
разности напоров (в насосах, углесосах) или давлений (в вентиляторах и 
компрессорах), под действием которой жидкость (газ) – движется в проточной части машины и внешней сети.  
3
1
7
3
2
4
6
5
1
Рисунок 1.1. Схема компоновки лопастных нагнетателей радиального типа 
 
Назначение подводов и отводов – преобразовывать энергию путем 
изменения соотношения между её потенциальной и кинетической составляющими. Рабочее колесо рассматриваемых турбомашин конструктивно 
выполнено по единой схеме, содержащей  коренной 4 и покрывной 5 диски, между которыми жестко закреплены профильные лопатки 6, благодаря 
которым при вращении колеса происходит закручивание потока жидкости 
(газа), что приводит к приращению как скоростного, так и статического 
напоров. Подвод выполняется в виде конфузора, в котором на выходе 
6 

скорость потока увеличивается, статический напор преобразуется в скоростной. Отвод выполняется в виде спирального кожуха 3 и диффузора 7, 
в котором происходит преобразование скоростного напора в статический, 
за счёт которого обеспечивается транспорт жидкости (газа) по внешней 
сети. 
6
1
2
7
5
8
9
3
4
 
Рисунок 1.2. Схема компоновки центробежного вентилятора 
 
Шахтные центробежные нагнетатели имеют две компоновочные 
схемы: I – с консольным расположением рабочих колес на валу ротора и  
II – с расположением рабочих колес на валу между подшипниковыми 
опорами. Компоновочную схему I имеют: вентиляторы одностороннего 
всасывания (ВЦ-11М, ВШУ-16, ВЦП-16, ВЦ-25) и одноступенчатые углесосы (У900-90, У900-180, 10У-4, 12У-6, У450-120). Компоновочную схему 
II имеют вентиляторы двухстороннего всасывания (ВЦД-16, ВЦД-31,5. 
ВЦД-40. ВЦД-47, ВЦПД-8УМ) и крупные вентиляторы одностороннего 
всасывания (ВЦ-31,5 и ВЦ3-32), а также двухступенчатые углесосы 
(14УВ-6, HSP-430), все секционные насосы ЦНС главного и вспомогательного водоотлива, турбокомпрессоры (К500-61-1, К 250-61-2, ЦК-135/8 
и ЦК-115/9). В конструктивном плане рассматриваемые нагнетатели кроме основных узлов, отмеченных выше (рис. 1.1), содержат ряд дополнительных технических элементов, характерных для машин определенного 
назначения. Так, центробежные вентиляторы (за исключением вентилятора ВЦД-47), один из которых показан на рис. 1.2, снабжены осевыми 
направляющими аппаратами ОНА 2, установленными на стороне всасывания между подводом 1 и рабочим колесом 4. Кроме отмеченных позиций на рис. 1.2 показаны: 3 – конический входной патрубок; 5 – ступица 
7 

2
3
4
11
9
n
n
n
n
12
10
8
n
5
6
7
рабочего колеса; 6 – спиральный корпус; 7 – главный вал вентилятора;  
8 – лопатки ОНА; 9 – поворотное устройство лопаток; ĬНА – угол установки лопаток ОНА при регулировании производительности вентилятора. 
Вентиляторы двухстороннего всасывания имеют по направляющему 
аппарату с каждой стороны. Направляющие аппараты служат для регулирования производительности и давления вентилятора. Лопатки ОНА 
плоские, имеют форму сектора с возможностью поворота на угол ĬНА от 
0° до 110°. При угле установки 90° лопатки полностью открывают доступ 
воздуха ко всасу рабочего колеса. Вентилятор ВЦД-47 не имеет ОНА, а 
изменение производительности осуществляется путём изменения скорости вращения его вала средствами регулируемого электропривода. Центробежные секционные насосы, применяемые для шахтного водоотлива, 
дополнительно снабжены разгрузочными дисками (рис. 1.3), устанавливаемыми после последнего колеса со стороны нагнетания и предназначенными для устранения осевого сдвига ротора в сторону всасывания.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.3. Упрощенная конструктивно-функциональная схема  
двухколесного насоса типа ЦНС: 
1 – всасывающий патрубок; 2, 4 – рабочие колеса; 3, 5 – направляющие аппараты;  
6 – нагнетательный патрубок; 7 – разгрузочное устройство; 
8 – рабочий вал насоса; 9, 10 – подшипниковые опоры; 11 – соединительная муфта;  
12 – дренажная трубка 
 
Центробежные гидротранспортные нагнетатели – углесосы (рис. 1.4), 
грунтовые насосы и землесосы, предназначенные для подачи в шахту технологической воды; транспортирования гидросмесей по горизонтальным, 
8 

наклонным и вертикальным выработкам, а также по пересеченной местности на поверхности шахт, в конструктивном отношении имеют много общего с насосами водоотлива. Отличительной особенностью углесосов является более широкое рабочее колесо 1 для пропускания кусков угля (породы) крупностью до 100 мм и более. Кроме того, в состав углесосов входит бронедиск 5, закрепленный на внутренней стороне крышки корпуса 4 
и служащий для защиты от абразивного износа колеса и корпуса углесоса. 
Для уменьшения осевого усилия на радиально-упорный подшипник и 
снижение давления на сальниковое уплотнение 6, например в углесосе 
10У-4, предусмотрены на заднем диске рабочего колеса два разгрузочных 
отверстия, которые соединяют полость высокого давления за рабочим колесом со всасывающей стороной посредством специальной разгрузочной 
трубки 7. Кроме отмеченных позиций на рис. 1.4 показаны: 2 – лопатки 
рабочего колеса; 3 – главный вал углесоса; 8 – входной патрубок; 9 – 
диффузор; 10 – фланец диффузора для соединения с трубопроводной сетью. 
7
1
5
1
2
4
6
9
3
8
4
10
 
Рисунок 1.4. Схема компоновки углесоса одноступенчатого 
 
Конструкция и аэродинамические характеристики турбокомпрессоров К-500-61-1 (рис. 1.5), К-250-61-2 и К-250-61-1 подобны. Каждый из 
них представляет собой одноцилиндровую центробежную машину, состоящую из корпуса, ротора, диафрагмы, двух промежуточных холодильников Х, подшипников, повышающего редуктора Р и синхронного электро9 

двигателя ДК. Входная ступень компрессора посредством трубопровода 1 
подсоединена к воздушному фильтру Ф, через который атмосферный воздух поступает в первую ступень компрессора. Компрессор имеет шесть 
ступеней сжатия; рабочие колеса объединены в три секции, по два колеса 
в каждой. В каждой ступени диаметры колес одинаковы, а от ступени к 
ступени – разные и уменьшаются от I до III. Внутри корпуса установлены 
диафрагмы и диффузоры. С помощью диафрагм внутренняя камера корпуса делится на ступени давления, диффузоры предназначены для изменения направления движения воздуха, поступающего в следующее рабочее колесо после прохода через обратный направляющий аппарат и повышения давления воздуха за счёт его кинетической составляющей. Ротор 
снабжён специальными дисками (думмисами) [4], частично разгружающими ротор от осевого сдвига и уменьшения усилия на радиальноупорные подшипники компрессора. Кроме отмеченных позиций, на  
рис. 1.5 показаны: 2 – трубопровод подачи горячей воды на промежуточные холодильники; 3 – трубопровод отвода холодной воды от холодильников; 4 – управляемые задвижки на сбросном воздухопроводе 5 и на 
напорном воздухопроводе 6, подающем сжатый воздух потребителям; 
АПУ – антипомпажное устройство. 
Турбокомпрессор ЦК-115/9 представляет машину с внешним охлаждением без направляющих аппаратов со спиральным отводом воздуха 
после каждой ступени и наружным перепуском воздуха из ступени в ступень. В первом корпусе компрессора – две ступени, во втором – четыре. 
Компрессор состоит из секций низкого и высокого давления, соединенных 
между собой зубчатой муфтой. Между компрессором и электродвигателем установлен повышающий редуктор, соединенный с ними зубчатыми 
муфтами. Воздух охлаждается в двух промежуточных и одном концевом 
охладителях. Рабочие колеса двух роторов – одностороннего всасывания; 
осевые усилия, в роторах незначительны за счет встречного расположения 
входных сторон рабочих колес. Компрессор ЦК-135/8 конструктивно аналогичен компрессору ЦК-115/9 и отличается передаточным отношением 
редуктора и некоторыми параметрами (производительность, давление  
и др.). 
 
 
 
 
 
 
 
10