矿山机电《流体机械》复习题及参考答案

H f Q
(%)
f Q
H s (m)
Hs f Q
0
2）特性曲线的特点：
Qe
Q(m3 h)
功率特性曲线在零流量时功率最低， 随着流量的增大而逐渐增大； 扬程特性随着流量的增大单调减小； 效率特性曲线在某个流量下具有最大值；允许吸上真空度随流量的增大而减小。 3）离心式水泵关闭出口闸阀情况下启动的原因：零流量时功率最低，易于启动。 7、绘制轴流式通风机的实际特性曲线（风压、功率、效率） ，并说明每条线的特点。 1）轴流式通风机的实际特性曲线 （1）如下图所示，分为特性曲线上有凹凸区域的轴流式通风机和特性曲线上无凹凸区域的离心式通风机。
3
8、写出排水管路的特性方程式，解释每一项的意义，并说明水泵传递给水的能量在排水过程中用于哪几 个方面？绘出排水管路的特性曲线。 （1）排水管路的特性方程式： H H c RT Q （m）
2
（2）各项的意义：H－需要水泵传递给水的压头，m；H c
2 5
H x H p －测地高度，H x －吸水高度，H p
《矿山机电》 “流体机械”部分作业及复习题参考答案要点
基本理论、概念、原理、问答、计算
一、问答题
1、对煤矿井下固定式排水设备有哪些要求？对矿用主通风设备有哪些要求？ 1）对煤矿井下固定排水设备的要求（煤矿安全规程） （1）井下主排水设备应有工作水泵（ n1 台，20h 内排出矿井 24h 的正常涌水量） 、备用水泵（ n2 70% n1 ， 工作和备用水泵的总能力应在 20h 内排出矿井 24h 的最大涌水量）和检修水泵（ n3 25% n1 ） 。可据水文 地质条件情况在主泵房内预留一定数量水泵的安装位置。 （2）必须有工作和备用水管（排水能力） （3）配电设备应同工作、备用和检修水泵相适应，并能够同时开动工作和备用水泵；主泵房的供电线路 不得少于两条回路，每一条回路应能担负全部负荷的供电。 （4）工作的水泵机组必须工作可靠。 （5）主排水设备应有预防涌水突然增加致使设备被淹没的措施。 （6）较高的运行效率。 （7）尽量采用体型小的泵，以减小泵房尺寸，结构上应适于在井下安装、拆卸、运输和维修。 （8）电气设备应是防爆型的（KB，Ex） 。 2）对矿用主通风设备的要求 （1）必须安装在地面，装有风机的井口必须封闭严密； （2）必须装备两部同等能力的通风机，一台工作，一台备用。必要时，备风机必须能够在 10 分钟内启动； （3）要有两条专用供电线路； （4）必须装有使风流反向的装备或具备反风的能力，能在 10 分钟内改变巷道中的风流方向，反向后的风 量应不小于正常风量的 40％。 （5）装有主通风机的出风井口必须安装防爆门，其面积不得小于该井断面积，并且必须正对风井风流方 向； （6）主通风机因检修、停电或其他原因需要停风时，必须制定停风措施，经总工程师批准； （7）安装在工业广场内或城镇居民区的通风设备，若噪音超过国家标准【工业企业厂界环境噪声排放标 准（GB 12348—2008）】 ，应进行综合治理； （8）整个系统应有较高的效率； （9）尽可能采用自动控制装置。
5
（2）工况参数：由工况点做一垂线与各特性曲线的交点的值。
14、绘图说明风机的工况点是怎样确定的？ 将通风机的压头特性曲线与通风网路特性曲线绘在同一坐标图中，两条曲线的交点即是通风机工作时的工 况点。 15、什么是水泵的汽蚀现象（汽蚀现象是如何发生的）？有哪些危害？如何防止汽蚀的发生？ 水泵在运转时，若由于某些原因而使泵内局部位置的压力降到低于水在相应温度的饱和蒸汽压时，水 就会发生汽化，从水中离析出大量汽泡。随着水的流动，低压区的这些汽泡被带到高压区时，会突然凝聚， 汽泡重新凝结后，体积突然收缩，便在高压区出现空穴。 于是四周的高压水以很大的速度去填补这种空穴， 这时产生巨大的水力冲击。此时水的动能变为弹性变形能，由于液体变形很小，根据观察资料表明冲击变 形形成的压力可高达几百兆帕。在压力升高后，紧接着弹性变形能又转变成动能，此时压力降低，这样不 断循环往复，直至把冲击能转变成热能等能量耗尽为止。当这种汽泡产生在金属表面时，就会破坏金属表 面。液体以这种方式对固体表面产生的破坏现象称为汽蚀。 汽蚀时，产生的冲击频率很高，每分钟可达几万次，并集中作用在微小的金属表面上，而瞬时局部压 力又可达几十兆帕到几百兆帕。由于叶轮或壳体的壁面受到多次如此大的压力后，引起塑性变形和局部硬 化，并产生金属疲劳现象，使其钢性变脆，很快会产生裂纹与剥落，直至金属表面形成蜂窝状的孔洞。汽 蚀的进一步作用，可使裂纹相互贯穿，直到叶轮或泵壳蚀坏和断裂。这就是汽蚀的机械剥蚀作用。 液体产生的汽泡中，还夹杂有一些活泼气体（如氧气） ，借助汽泡凝结时所释放出的热量，对金属起 化学腐蚀作用。 在高温、高压之下，水流会产生一些带电现象。过流部件因汽蚀产生温度差异，过流部件的冷端与热 端形成电偶而产生电位差，从而对金属表面发生电解作用(即电化学作用)，金属的光滑层因电解而逐渐变 得粗糙。表面光洁度破坏后，更加速机械剥浊。在机械剥蚀、化学腐蚀和电化学等共同作用下，就更加快 了金属损坏速度。这里还需要提及一点，当水中泥砂含量较高时，由于泥砂的磨蚀，破坏了水泵过流部件 的表层，当其中某些部位发生汽蚀时，则有加快金属蚀坏的作用。 汽蚀发生时，周期性的压力升高和水流质点被彼此间的撞击以及对泵壳、叶轮的打击，将使水泵产生 强烈的噪音和振动现象。 其振动可引起机组基础或机座的振动。 当汽蚀振动的频率与水泵固有频率接近时，
6Leabharlann 能引起共振，从而使其振幅大大增加。 在产生汽蚀的过程中，由于水流中含有大量汽泡，破坏了液体的正常流动规律，因而叶轮与液体之间 的能量交换的稳定性遭到破坏，能量损失增加，从而引起水泵的流量、扬程和效率的迅速下降，甚至出现 断流状态。 为了防止水泵汽蚀，必须对吸水高度加以限制——不能超过“允许吸上真空度” 。 16、水泵启动和停止的步骤。为什么在启动水泵之前要向泵腔和吸水管内灌注引水？为什么离心式水泵要 在关闭出口闸阀的情况下启动（轴流式风机要在部分或完全开启闸门的情况下启动）？ 1）泵的启动 （1）检查水泵等设备是否有机械故障。 （2）向泵腔及吸水管内注引水，并把腔内气体全部排出。 （3）关闭出口闸阀。 （4）送电，使泵运转。 （5）水泵达到额定转速后，逐渐将闸阀开启到适当开度。 在启动水泵之前要向泵腔内注引水的目的：在泵入口形成需要的真空度、润滑、冷却。 水泵要在关闭出口闸阀的情况下启动：离心泵在零流量时轴功率最小，启动电流最小，电动机不易过载， 便于启动。 2）泵的停止：先关闭出口闸阀、真空泵和压力表的旋塞而后停机。防止发生水击。 17、轴流式通风机为何开闸门启动？离心式通风机为何关闸门启动？ 1）轴流式通风机开闸门启动的原因 （1）轴流式通风机的功率特性曲线为一波浪线，开闸门时功率不一定最大，而关闸门时不一定最小； （2）一般轴流式通风机的轴承位于风筒内部，关闸门起动时由于涡流致温度升高，影响轴承的润滑从而 对轴承造成伤害。 2）离心式通风机开闸门启动的原因：当流量为零时功率最小，关闸门时起动电流小、对电网的冲击也小。 18、保证水泵正常工作的条件有哪些？ (1) 稳定工作条件： 0.9 ~ 0.95 H 0 H c (2) 经济工作条件： 85 ~ 90 max ，工况点位于工业利用区内。 (3) 不发生汽蚀的条件：水泵实际安装吸水高度 H x 不得大于水泵允许安装的几何高度 H x ：
2 8
Q
2 Q bQ 2 R 2 2F 2F
2

2F 2
。
（3）通风机输给空气的压头（全压）用于三个方面： ①克服进风井和出风井的高差 z ，需要的风压为 g z （Pa） ； ②补偿气流离开系统时的动能损失，动能损失为 H d
－排水高度； RT －管路阻力系数， s m ； Q －管路中的流量（m3/s） 。 （3）水泵传递给液体一定的能量，用来克服液体在管路中流动时的流动阻力损失（沿程阻力损失达西公 式计算、局部阻力损失） 、管路进出口的高差（位差）以及系统出口的动能损失。 （4）排水管路的特性曲线如下图：
排水管路特性曲线 9、排水管路的特性方程求解 扬程为 400m， 管路测地高度 Hc=320m。 求此时的网路特性方程式。 举例： 已知水泵运行时流量为 280m3/h， 解：根据排水管路特性方程式并代入已经数据得到
1
2、离心式水泵的工作原理，单吸多级分段式离心式水泵的主要组成部件。 （1）工作原理：在叶轮旋转作用下，在水泵叶轮入口出形成真空度，在吸水井水面和泵入口截面压差作 用下将水吸入水泵，水流经水泵叶轮时获得能量，该能量（扬程）用于克服排水高度、克服流经排水管路 时的沿程损失和局部损失，并用来补偿管路出口的动能损失。 （2）主要组成部件：叶轮、中段（含导水圈和返水圈） 、进水室、出水室、平衡盘、泵轴、密封装置及支 撑装置组成。 3、离心式水泵的主要工作参数：流量、扬程、有益功率、轴功率、效率、转速、允许吸上真空度； 通风机的主要工作参数：风量、风压、有益功率、轴功率、效率、转速。 尤其要注意：水泵的扬程和通风机的风压的定义、单位、有益功率的表达式。 水泵扬程 H：单位重量液体通过水泵所获得的能量，单位 m。 风机风压 H：单位体积空气从风机中获得的能量，单位 Pa。
280 400 320 RT 3600
解出 RT 得
3
2
RT 1.02 10 h 2 / m5 ，RT=0.48395s2/m5
故排水管路阻力特性方程为
H 320 1.02 10 Q ， H 320 0.48395Q
2
3
2
10、轴流式和离心式通风机分别由哪些主要部件组成？ （1）轴流式通风机主要由叶轮(含轮毂与叶片)、导叶、集流器、流线体、扩散器、外壳、轴承座、底座及 主轴组成。 （2）离心式通风机主要由叶轮、蜗壳、集流器、前导器、主轴及底座等部件组成。 11、分别写出通风网路静压和全压特性方程式，解释每一项的意义，并说明风机传递给气体的总能量（全 压）在通风过程中用于哪几个方面？绘出通风网路特性曲线。