УДК 621.646.94 ГРНТИ 52.01.84
В.М. Оверко, В.П. Овсянников – кандидаты техн. наук, доценты, Донецкий Национальный технический университет, г. Донецк, Украина; 
А.Ф. Папаяни – инж., АОЗТ НПО «Хаймек», г. Донецк, Украина.

ЗАЩИТА ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК С ПОГРУЖНЫМИ НАСОСАМИ

Приведены методика и результаты исследований гидравлического удара в шахтных водоотливных установках с погружными насосами, предложен способ оптимизации параметров специального обратного клапана. Показана эффективность предложенного метода защиты.

В настоящее время в Донбассе идет широкая компания по закрытию угольных шахт. Важнейшим моментом при этом является эффективная организация водоотливного хозяйства. Наиболее перспективной в этих условиях считается схема водоотлива с погружными насосами, которая позволяет полностью вывести обслуживающий персонал из-под земли. Проекты подобных водоотливов разработаны институтом «Донгипрошахт» для закрывающихся шахт «Миусская» госпредприятия «Торезантрацит», шахт № 6 «Красная Звезда» и № 9 «Капитальная» госпредприятия «Донецкуголь» - на базе насосов АМПШ севастопольского завода «Молот», а также для шахт «Объединенная» госпредприятия «Торезантрацит» и «Октябрьская» госпредприятия «Донецкуголь» - на базе насосов немецкой фирмы «Pleuger», поставщиком которых на украинский рынок является донецкое предприятие АОЗТ НПО «Хаймек». Аналогичные проекты разрабатываются и институтом «Луганскгипрошахт» для закрывающихся шахт Луганской области. 
Одним из первых был введен в эксплуатацию водоотлив с погружными насосами на шахте «Черноморка» ГП «Лисичанскуголь». При этом погружной насос фирмы «Pleuger» PN82-20 расположен на глубине примерно 440 м и качает воду по восьмидюймовым трубам разной толщины с поверхностным участком длиной около 120 м. На конце трубопровода запроектирована задвижка с электроприводом, а сразу за насосом - обратный клапан. По технологии организации рабочего процесса пуск насоса осуществляется на закрытую задвижку, которая сразу же после включения насоса начинает медленно открываться. Перед отключением насосного агрегата предусматривается плавное закрытие задвижки. Эксплуатация водоотлива с соблюдением данной технологии проходила некоторое время вполне удовлетворительно. Но при аварийном обесточивании двигателя в установке возникли существенные продольные колебания трубопроводного става, приведшие к разрушению опорных подшипников насосного агрегата и другим поломкам. Единственно возможной причиной случившегося может быть гидравлический удар.
Целью проведенных исследований является разработка эффективной защиты от гидравлических ударов водоотливных установок с погружными насосами.
Для достижения данной цели разработана программа расчета переходных процессов в напорных трубопроводах водоотливных установок, предложено устройство для уменьшения гидравлического удара и исключения колебательных процессов, показана его эффективность в конкретных условиях.
В результате анализа существующих методов борьбы с гидроударами для защиты от опасных колебательных процессов предложено использовать специальный обратный клапан, способный пропускать определенное количество воды, когда он находится в закрытом положении [3]. Данный эффект может быть достигнут либо с помощью отверстия в тареле либо с помощью обводного канала (байпаса) с заданным гидравлическим сопротивлением. Место установки такого клапана – примерно в средней части вертикального участка трубопровода требует уточнения в ходе решения оптимизационной задачи. Кроме того, необходимо учесть, что в верхней части трубопровода на его изгибе изготовителем рекомендовано установить вантуз. Для выбора параметров специального обратного клапана и определения места его установки была разработана имитационная модель динамических процессов в напорном трубопроводе водоотливной установки и решена соответствующая задача оптимизации.
Как известно большинство технических задач, связанных с изучением неустановившегося течения жидкости в трубах с высокой точностью могут быть рассмотрены в рамках одномерной модели [2]. При этом неустановившееся течение жидкости по конструктивному участку трубопровода описывается системой гиперболических уравнений в частных производных. Это уравнение движения и уравнение неразрывности потока:
, 				(1)
где  - распределение избыточного давления на i-м участке трубопровода;
- координата сечения i-го участка трубопровода;
 - общая длина i-го участка трубопровода;
t – время;
- площадь сечения i-го участка трубопровода участка;
 - диаметр i-го участка трубопровода;
 - распределение расхода жидкости на i-м участке;
- удельное сопротивление участка трубопровода ;
- коэффициент гидравлического трения на i-м участке трубопровода; 
- плотность жидкости;
g - ускорение свободного падения;
- средняя скорость распространения ударной волны по i-му участку трубопровода;
 - удельное приращение геометрической высоты i-го участка трубопровода.
Как показано в работе [2] скорость распространения ударной волны  определяется из выражения:
,		(2)
где - объемный модуль упругости жидкости;
 - средняя толщина стенок трубопровода;
 - средний диаметр трубопровода; 
 - модуль упругости материала стенок трубопровода.
Существует много эмпирических формул для расчета коэффициентов гидравлического трения. Наиболее часто используется формула Альтшуля [2]:
,					(3)
где  - шероховатость стенок трубопровода i-го участка;
 - число Рейнольдса.
Эта и другие подобные ей формулы найдены путем обработки экспериментальных данных полученных при изучении установившегося течения жидкости. Для их использования в случае нестационарных течений Христианович ввел гипотезу квазистационарности в соответствии, с которой напряжение трения жидкости о стенки трубы при неустановившемся течении зависит только от мгновенной средней в сечении скорости. Эта гипотеза и была использована при построении имитационной модели, которая применена для определения параметров специального обратного.

2

1

4

3

5

Для рассматриваемой водоотливной установки шахты «Черноморка» количество конструктивных участков трубопровода i принимаем равным 5 [1]. Вертикальный участок трубопровода разобьем на две части, причем 
,		(4)
где - геометрическая высота. 
,,Соответственно , и, наконец, , ,. Расчетная схема водоотлива шахты «Черноморка» cо специальным обратным клапаном показана на рисунке 1.
Для решения системы уравнений (1) необходимо определить граничные и начальные условия [2].

Рис. 1 - Расчетная схема водоотливной установки.1,2..5 – номера конструктивных участков

Будем рассматривать переходные процессы в трубопроводе водоотливной установки шахты «Черноморка» при внезапном, мгновенном отключении насоса. То есть, в момент временен , в соответствии с параметрами водоотливной установки, расход по всей длине трубопровода равен а начиная с момента  			       (5)
Таким образом ,		   (6)
,				(7)
					(8)
.					(9)
Граничные условия в трубопроводе водоотливной установки шахты «Черноморка» определяются системой уравнений:
точки соединения конструктивных участков-
,				(10)
точка установки специального обратного клапана-
,			(11)
	где , - сопротивление специального обратного клапана, причем , а , 
- диаметр специального отверстия в тарели специального обратного клапана.
В случае использования байпаса  - гидравлическое сопротивление байпаса.
Установленный в конце второго участка вантуз определяет граничные условия вида:
			(12)

В конце напорного трубопровода величины давления и расхода связаны соотношением:
.		(13)
Систему уравнений (1) с граничными условиями (5),(10),(11),(12),(13) и начальными условиями (6),(7),(8),(9) с учетом (2),(3) можно решить методом характеристик, который является универсальным способом решения нелинейных уравнений гидравлического 
Рис. 2 - График изменения давления (Па) в начальном сечении трубопровода без средств защиты от гидроударов

удара [2]. В результате может быть найдена величина максимального давления в трубопроводе за время переходного процесса как функция независимого параметра и координаты точки установки специального обратного клапана, то есть от величин и с учетом ограничения (4).

Рис. 3 - График изменения давления (Па) в начальном сечении трубопровода со специальным обратным клапаном 

Таким образом, решив оптимизационную задачу:

с ограничениями:

был найден оптимальный диаметр отверстия в тарели специального обратного клапана для предотвращения гидравлических ударов на водоотливной установке шахты «Черноморка» - и точка его установки -
Анализ представленной диаграммы (рис. 2) показывает, что внезапное обесточивание привода насоса приводит к высокоамплитудным продолжительным колебаниям давления, которые вполне могут привести к продольным колебания трубопроводного става, что вызовет ударные нагрузки между подвижными элементами насосного агрегата. 
Применение специального обратного клапана позволяет полностью исключить колебательный процесс в нижней части трубопровода (рис. 3). Разовое повышение давления за специальным обратным клапаном (рис. 4) представляется неопасным по амплитуде и не сможет вызвать колебания всего трубопровода. Применение разработанной модели позволяет определить наиболее эффективную величину отверстия в тареле специального обратного клапана или гидравлическое сопротивление байпаса и уточнить наивыгоднейшее расположение самого клапана при различных параметрах водоотливных установок. Критерием оптимизации параметров специального обратного клапана является минимизация максимального давления в трубопроводе, что обеспечивает практически отсутствие колебательных явлений в переходном режиме.

Рис. 4 - График изменения давления (Па) за специальным обратным клапаном 

Выводы: предложенная система защиты от гидравлических ударов позволяет эффективно устранить колебательные явления и повышения давления в водоотливной установке с погружными насосами, а рассмотренная методика расчетов и оптимизации параметров специального обратного клапана является универсальным подходом к решению задачи защиты водоотливных установок с погружными насосами.

Список источников:
1.	Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учебник для вузов М. Недра, 1987. – 270с.
2.	Фокс Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах. - М.: Энергоиздат, 1981. –248 с.
3.	Г.М. Тимошенко, В.М. Оверко, В.П. Овсянников, Ю.А. Артамонов О возможности предотвращения гидравлических ударов в шахтных водоотливных установках с помощью обратных кланов. Деп. в УКРНИИНТИ 21стр. 27.05.85 № 11329