Đang tải... (xem toàn văn)
Một số loại máy thuỷ lực khác.Chúng tôi đã xây dựng chi tiế t nội dung để mong muốn cuốn sách được dùng làm tài liệu giúp sinh viên các ngành Cơ khí của các trường đại học kỹ thuật học t
TS PHÙNG VĂN KHƯƠNG - ThS NGƯT PHẠM VĂN VĨNH LỜI NÓI ĐẦU Thuỷ Ịực và máy thuỷ lực là một môn học rất cần thiết cho sinh viên ngành Cơ khí của các trường đại học kỹ thuật Cuốn sách này được biên soạn trên cơ sở đề cương môn học thuỷ lực và máy thuỷ lực dùng làm giáo trình giảng day sinh viên các chuyên ngành Cơ khí ô tô, Máy xây dựng, Cơ giới hoá, Đẩu máy toa xe, Cơ điện tử, Trang thiết bị lạnh, Máy động lực, Tàu điện và Metro (tàu điện ngầm) của trường đại học Giao thông vận tải Cuốn sách có hai phần: Phần thứ nhất - Thuỷ lực do TS Phùng Văn Khương biên soạn, gồm 8 chương: Chương 1 Mở đầu Chương 2 Động học chất lỏng Chương 3 Tĩnh học chất lổng Chương 4 Cơ sở động lực học chất lỏng Chương 5 Tổn thất năng lượng trong dòng chảy Chương 6 Dòng chảy qua lỗ và vòi - Dòng chảy không dừng trong ống - Hiện tượng va đập thuỷ lực Chương 7 Tính toán thuỷ lực đường ống Chương 8 Lực tác động lên vật ngập trong Chat lỏng chuyển động Phần thứ hai - Máy thuỷ lực do ThS NGƯT Phạm Vằn Vĩnh biên soạn gồm 6 chương: Chương 9 Khái niệm chung về máy thuỷ lực và máy thuỷ lực cánh dẫn Chương 10 Khái niệm chung về bơm Chương 11 Bơm ly tâm Chương 12 Bơm hướng trục Chương 13 Máy thuỷ lực thể tích Chương 14 Một số loại máy thuỷ lực khác Chúng tôi đã xây dựng chi tiết nội dung để mong muốn cuốn sách được dùng làm tài liệu giúp sinh viên các ngành Cơ khí của các trường đại học kỹ thuật học tập và một phần phục vụ cho các lớp cao học,'kỹ SƯ thiết kế và những người nghiên cứu Trong cuốn sách, ngoài phẩn lý thuyết được trình bày ngắn gọn, chúng tôi đã đưa vào một số bài tập có lời giải hoặc đáp số để người đọc tự kiểm tra sự tiếp thu lý thuyết của mình 3 Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Công ty c ổ phần Sách Đại học và Dạy nghề NXB Giáo dục đã tạo mọi điểu kiện để cuốn sách này đến tay bạn đọc Trong quá trình biên soạn, dù đã có nhiều cố gắng nhưng cuốn sách chắc chắn không thể tránh khỏi những khiếm khuyết Các tác giả rất mong nhận được các góp ý của bạn đọc để lần tái bản sau cuốn sách hoàn thiện hơn Mọi góp ý của bạn đọc xin gửi vể Công ty c ổ phần Sách Đại học và Dạy nghề, 25 Hàn Thuyên - Hà Nội CÁC TÁC GIẢ 4 PHẨN THỨ NHẤT T_HUV lự• c Chương 1 MỞ ĐẨU 1.1 GIỚI THIỆU MÔN HỌC, Đ ố l TƯỢNG NGHIÊN cứu VÀ NỘI DUNG CỦA THUỶ Lực HỌC Như chúng ta đã biết,'nước là nguồn gốc của sự sống, ở đâu có nưốc ở đó có sự sống Ngay từ ngày mới xuất hiện trên Trái Đất, con người đã biết tìm mọi phương pháp để bắt nước phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất, đồng thời con người cũng tìm các biện pháp để chế ngự, giảm thiểu các tai hoạ mà nước gây ra Như vậy nước là đối tượng nghiên cứu đầu tiên của thuỷ lực học Chính thuỷ lực học đã giúp con người nắm bắt được các quy luật chi phối nước ỏ trạng thái đứng yên và chuyển động Khi sản xuất ngày càng phát triển, đối tượng nghiên cứu của thuỷ lực học cũng ngày càng tăng Đối tượng nghiên cứu của thuỷ lực học gồm tất cả các chất có thể chảy được (còn gọi là chất lưu) ví dụ như xăng, dầu, các chất khí, kim loại nấu chảy như gang lỏng, các hỗn hợp chất lỏng trộn với chất cứng (nước có chứa phù sa), các chất khí trộn với chất cứng (không khí với xi măng) Tóm lại, đối tượng nghiên cứu của thuỷ lực học là chất lỏng và chất khí không bị nén Hay nói cách khác, thuỷ lực học chính là một phần của cơ học chất lỏng ứng dụng hay cơ học chất lỏng kỹ thuật Cơ học chất lỏng đi sâu vào lý thuyết, khảo sát các bài toán có tính chất tổng quát hơn dựa trên các công cụ của toán học cao cấp Còn thuỷ lực học nghiên cứu các bài toán cụ thể, dòng chảy chủ yếu là một chiều và thiên về thực nghiệm và ứng dụng Thuỷ lực học nghiên cứu các quy luật cân bằng và chuyển động cơ học của chất lỏng, các lực tương tác giữa chất lỏng với các vật thể ngập trong nó Cơ sở lý luận của thuỷ lực học là vật lý, cơ học lý thuyết, cơ học chất lỏng lý thuyết Bản thân thuỷ lực lại là cơ sở để nghiên cứu các môn kỹ thuật chuyên môn như cấp thoát nưóc, thông gió, xây dựng công trình thuỷ lợi, giao thông, thuỷ năng, thuỷ điện, chế tạo máy, truyền động thuỷ lực, nhiệt học, động cơ Thuỷ lực là một môn kỹ thuật cơ sở Cơ học vật rắn đã nghiên cứu và đưa ra bôh định luật cơ bản: định luật bảo toàn khôi lượng, định luật bảo toàn năng lượng, định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn mômen động lượng Do đặc thù chuyển động của chất lỏng khác với chuyển động của vật rắn cho nên trong thuỷ lực học sẽ lập lại bấn định luật đó và áp dụng bôn định luật này để giải quyết các bài toán liên quan đến chuyển động chất lỏng mà thực tiễn đề ra 5 1.2 MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ c ơ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 1.2.1 Tính liên tục Thuỷ lực học nghiên cứu các trạng thái cân bằng và chuyển động cơ học vĩ mô của chất lỏng, không nghiên cứu đến quy mô phân tử (đã có môn thuỷ động lực học phân tử nghiên cứu), vì vậy chất lỏng được coi như một môi trường liên tục, đồng chất, đẳng hướng Các yếu tô' thuỷ lực như vận tốc, áp suất là các hàm sô" liên tục và đạo hàm cũng liên tục Lực liên kết giữa các phần tử chất lỏng rất nhỏ, vì thế chất lỏng có tính di động cao, tính chống lực kéo và lực cắt rất yếu Nhưng chất lỏng có tính chống nén rất lốn (coi như chất lỏng không nén được) Chất khí khác chất lỏng ỏ tính nén được Tuy vậy trong điểu kiện áp suất và nhiệt độ của chất khí thay đổi ít có thể coi chất khí là không nén được (tức khối lượng riêng của chất khí không đổi) thì có thê áp dụng một số quy luật cân bằng và chuyển động của chất lỏng cho chất khí 1.2.2 Chất lỏng có khối lượng và trọn g lượng Chất lỏng có khôi lượng Gọi thể tích chất lỏng là V(m3) có khối lượng là M (kg) thì tỷ số: p = -ụ- (kg/m3) (1- 1) được gọi là khô"i lượng riêng hoặc khối lượng đơn vị của chất lỏng (hoặc mật độ của chất lỏng) Trọng lượng riêng của chất lỏng ký hiệu là y: Y = pg (N/m3) (1-2) Đơn vị của Ỵcòn có thể là kG/m3, T/m3 ở đâyg là gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2 Tỷ trọng của chất lỏng, ký hiệu 5là tỷ số giữa trọng lượng riêngcủa chất lỏng và trọng lượng riêng của nưóc ở 4°C: ô = (1-3) Y h 2o Một số người nhầm lẫn giữa trọng lượng riêng và tỷ trọng, cần lưu ý Dưới đây giới thiệu tỷ trọng và trọng lượng riêng của một số chất lỏng thường dùng BẢNG 1.1 TRỌNG LƯỢNG RIÊNG CỦA MỘT s ố CHẤT THƯỜNG DÙNG Tên chất lỏng Tỷ trọng 6 Trọng lượng riêng Y (N/m3) Nhiệt độ t°c Nước thường Nước biển 1,00 9.810* 4°c Dầu hoả 1,02 + 1,03 10.000 + 10.100 Xăng máy bay 0,79 Ỷ0,82 7.750 +8.040 4°c Xăng thường Dầu nhờn 0,65 6.380 15°c Dầu mazút 0,7+ 0.75 6.870 +7.360 15°c Thuỷ ngân 0,89+ 0,92 8.730 + 9.030 15°c 0,89+ 0,94 8.730 +9.220 15°c 13,546 15°c 132.890 20°c 6 1.2.3 Tính nén của chất lỏng Khi áp suất tác động lên chất lỏng thay đổi thì làm cho th ể tích chất lỏng thay đôi, đó là tính nén được của chất lỏng, nó được đặc trưng bời hệ số nén P: P = - - ^ ( m 2/N ) (1-4) V dp Trong đó: V(m3) - thể tích ban đầu của chất lỏng p (N/ m2) —áp suất ban đầu Lấy dấu trừ (-) để cho p > 0 vì < 0 dp Số nghịch đảo của 0: E = — (N / m2) (1-5) gọi là mô đun đàn hồi thể tích Nước ở nhiệt độ từ 0°c đến 20°c có p = 4,75 xlO~10m2/N Khi nhiệt độ tăng đến 100°c, áp suất đến 500at thì p giảm từ — xlO-6 m2/N 210 đến — X 10 (i m2/N 250 Vì sự thav đổi thể tích theo áp suất của chất lỏng rất bé nên trong thuỷ lực học người ta coi chất lỏng là không nén được (p = const) trừ trường hợp giải thích hiện tượng va đập thuỷ lực thì phải kể đến tính nén của chất lỏng ( p* const) 1.2.4 Tính nhớt của chất lỏng I.2.4.I Giả th iết N iutơn Ta lấy 1 bình trong đó có dầu nhờn chẳng hạn, rồi cho vào bình 1 cái thước Khi rút thước lên ta thấy dầu nhờn bám theo Sở dĩ dầu bám và chuyển dộng theo được là vì dầu có tính nhốt Chính do tính nhớt này mà khi có chuyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng với nhau và giữa chất lỏng với thành lòng dẫn thì sinh ra lực nội ma sát hay là lực nhớt Sau đây sẽ trình bày giả thuyết Niutơn về lực nhớt Cho hai tấm phẳng A và B nằm song song và cách Hlnh 1.1 nhau một khoảng cách khá nhỏ là h, giữa 2 tấm có chất lỏng Tấm B cố định, cho tấm A trượt từ trái qua phải dưới tác động của ngoại lực F (hình 1.2) Sau một khoảng thời gian, tấm phẳng A diện tích s sẽ chuyển động đểu với vận tốc tương đôi V Điều này chứng tỏ 7 tấm phẳng A bị lực ma sát cản trở, lực ma sát Fms này đối đẳng với ngoại lực F Đo vận tốc V và khoảng cách h, Niutơn tìm ra công thức: Fms = p S ^ (1- 6) h Trong đó hệ sô' tỷ lệ ịi chỉ phụ thuộc vào chất lỏng nằm giữa 2 tấm Quan sát kỹ ta nhận thấy các phần tử chất lỏng dính chặt vào tấm A cũng di chuyển theo tấm A với vận tốc V, còn các phần tử chất lỏng dính chặt vào tấm B thì không chuyển động Niutơn cho rằng khi chất lỏng chuyển động thì tạo thành từng lớp, lớp trên chuyển động nhanh hơn lớp dưối, lớp sát tấm A chuyển động với vận tốc V và vận tốc này giảm dần theo quy luật đường thẳng và bằng không tại điếm B Như vậy, do tính nhớt khi có chùyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng với nhau thì sinh ra lực ma sát gọi là lực nội ma sát (vì xảy ra trong nội bộ chất lỏng) Tính nhớt là một trong những tính chất vật lý quan trọng nhất của chất lỏng NƠ! làm cản trở chuyển động và làm tiêu hao một phần năng lượng tiềm tàng trong chất lỏng Năng lượng tiêu hao này biến thành nhiệt năng không thu hồi được Một cách tổng quát, giả thiết Niutơn được phát biểu như sau: "Khi có chuyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng với nhau thì sinh ra lực nhớt, ứng suất tiếp của nó tỷ lệ với đạo hàm của vận tốc theo phương thẳng góc vối hương dòng chảy", tức là: x = ±ịx— (1-7) dn Trong đó hệ sô' tỷ lệ p đặc trưng cho tính nhốt được gọi là hệ số nhớt động lực hoặc độ nhớt động lực — - građien vận tốc theo phương n thẳng góc vối hương dòng chảy, dn Lực nhốt sẽ bằng: T = tS (1-8) Với: s - diện tích tiếp xúc giữa 2 lớp chất lỏng Ns * Đơn vị đo hệ số nhớt p trong hệ SI là —7 ; trong hệ CGS p được đo băng đơn m vị Poazơ (ký hiệu: P): 1P = 0,1 Ns/ m2 Ngoài hệ số’nhớt động lực p, người ta còn dùng hệ>số nhớt động học v: (1-9) Đơn vị đo v là Trong hệ CGS, đơn vị đo v là Stôc (ký hiệu: St) s lS t - lcm 2/s = 10~4m2/s Hệ sô' nhớt p và V phụ thuộc áp suất và nhiệt độ Đôi với chất lỏng, | i và V đồng biến với áp suất, nghịch biến với nhiệt, độ 8 1.2.4.2 Ảnh hưởng của n h iêt dô tới độ nhớt Hệ sô" nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng N hiệt độ ảnh hưởng lớn trong khu vực nhiệt độ thấp Mổì liên hệ giữa nhiệt độ và độ nhớt có thể biểu diễn bằng quan hệ sau: M- = l^()e (1- 10) Trong đó: p, \x0—độ nhớt động lực ở t và t0 độ X - hệ sô"tỷ lệ, đốĩ với dầu ? = (0,02 -ỉ- 0,03) Hoặc với dầu, hệ sô" nhớt ịi được biểu diễn bằng công thức gần đúng sau: 20 (1-11) Ht= iho(— )K t Trong đó: |it - hệ số"nhớt ở t°c p.20—hệ sô"nhớt ở 20°c K - số’ mũ tuỳ thuộc loại dầu, ví dụ: trong khoảng từ 10°c đến 70°c dầu công nghiệp 12 có K = 1,63, dầu công nghiệp 20 có K =1,88 Đối với nước, ta có thể dùng công thức Poazơ để tính h ệ s ố nhớt động V phụ thuộc vào t°C: 0,01775 _ 2; ,, 10N V = -— - - cm / s (1-12) 1+ 0,0337t + 0,00022t2 Vói không khí, hệ sô' nhớt động lực có thể tính theo công thức: ịi= 17,0 V1+ 0,003665 (l + 0,0008t)2 x l06Ns/m2 (1-13) Ta nhận xét: pnUâc> Pkhóngkh( nhưng Vkhôngkhí^ ^nườc• I.2.4.3 Ảnh hưởng của áp su ất tới độ nhớt Khi áp suất tăng trong khoảng từ 0 đến (300 Ỷ 400)at, hệ số nhớt tăng với áp suất gần theo quy luật đường thẳng, áp suất cao hơn nữa thì hệ sô" nhớt tăng theo đường cong, ví dụ: vối dầu khoáng sản khi áp suất táng từ 0 đến 150at, hệ sô nhót tăng 17 lần Vói áp suất 400at, hệ sô" nhớt tăng hàng trăm lần Với áp suất từ (15.000 + 20.000)at, các dầu biến thành chất rắn Sự biến đổi của V và p có thể biểu diễn bằng công thức: Vp —v(l+Kp) (1-14) ở đây: V - hệ sô' nhớt khi áp suất bằng áp suât khí trời pa K- hệ sô'phụ thuộc vào loại dầu, dầu nhẹ K= 0,002, dầu nặng K= 0,003 p - áp suất tính bằng at Trong thực tế, vói các dầu khoáng sản dùng trong hệ thông truyền động khi P * ( 0 t 500)at có thể dùng công thức thực nghiệm: Vp —(l+0,003p)v (1-15) Trong các hệ thống truyền động thường có các khe rò rỉ Lưu lượng rò rỉ sẽ tăng khi có áp suất tăng Nhưng khi áp suất tăng thì hệ sô' nhớt cũng tăng cho nên lại hạn chế lưu lượng này Vì vậy phải xét kỹ sự biến đổi độ nhớt khi áp suất tăng 9 I.2.4.4 Đo độ nhớt Tuỳ theo độ nhớt của chất lỏng bé hơn hay lớn hơn độ nhớt của nước mà người ta dùng các dụng cụ khác nhau để đo độ nhớt Dưới đây giới thiệu dụng cụ đo độ nhớt Engơle để đo độ nhớt lớn hơn độ nhốt của nước Dụng cụ (hình 1.3) gồm 1 bình chứa chất lỏng cần xác định độ nhớt dưới đáy có gắn vòi tháo có nút đóng mỏ Bình này được đặt trong bình 2 đựng nước có thể điều chỉnh nhiệt độ Muôn xác định độ nhớt của một chất lỏng ở nhiệt độ nào đó, ta rót vào bình (1) 200cm3 chất lỏng qua lỗ đó và giữ đúng nhiệt độ cần thiết Tháo nút và đo thời gian chảy t2 của 200cm3 chất lỏng qua lỗ Độ nhớt Engơle, ký hiệu °E là tỷ số sau: °E =^- (1-16) t, Trong đó: tj - thòi gian chảy hết của 200cm3 nưốc cất ở nhiệt độ 20°c chảy qua lỗ ỏ bình (1), tj « (50 4-'52)s Khi biết độ nhớt Engơle °E, muốn biết độ nhớt động v (Stốc) ta dùng công thức gần đúng sau: V = 0 ,0 7 3 1 ° E -0^ 631 (1-17) E Ngoài độ nhổt Engơle, các nước khác còn dùng các độ nhốt khác như Mỹ dùng giây Xê bôn "S, Anh dùng giây Redut" R, Pháp dùng độ Bachê °B Quan hệ giữa các °E, “S, “R, °B với v cho ở bảng sau: BẢNG 1.2 Tên đdn vị Kỷ hiệu Trị số tính bằng stốc (cm2/s) V Độ Engơle (Liên Xô cũ) °E “S n 0,0631 Giây Xêbôn (Mỹ) “R Giây Redut (Anh) °B 0,0731°E - — - — Độ Bachê (Pháp) E 1,80 0,00220"s - - 1— "S 1 72 0,00260" R - - 1— "R 48,5 °B I.2.4.5 Chất lỏng N iutơn và không Niutơn Phần lớn các chất lỏng gặp trong thực tế lực nhốt của nó tuân theo giả thiết Niutơn Chất lỏng đó được gọi là chất lỏng Niutơn 10 Ngoài ra ta cũng gặp các chất lỏng mà lực nhớt của nó không tính được theo giả thuyết Niutơn, ví dụ như: sơn, nhựa bitum, chất dẻo Trong giáo trình này không nghiên cứu các loại chất lỏng đó 1.2.5 Tính giãn nở vì nhiệt Khi nhiệt độ chất lỏng thay đổi thì thể tích chất lỏng thay đổi Hệ số giãn nở do nhiệt Pt biểu thị sự biến đổi tương đôi của thể tích chất lỏng V ứng với nhiệt độ tăng lên là 1°C: Pt= 1 AV (1-18) V At Tương tự như trên ta có thể suy ra sự thay đổi khối lượng riêng: p = Po (1-19) l + P,At Trong đó p và p0 là khôi lượng riêng ứng với nhiệt độ t° và t°0 Thực nghiệm chứng tỏ rằng ở điều kiện áp suất bình thường thì ứng vói: t = (4+10)°c có pt = 0,00014 t = (10 + 20)°c có pĩ = 0,0015 t= 1 0 0 °c có p' = 0,00070 Như vậy, dưới tác dụng của nhiệt độ, chất lỏng trong “Thuỷ lực học” coi như không giãn nở, song trong “ Khí động lực học” thì ngược lại 1.2.6 Sức căng mặt ngoài và hiện tượng mao dẫn Sức căng mặt ngoài là tính chất chịu được lực kéo không lón lắm tác động lên mặt tự do phân chia chất "X im lỏng với chất khí hoặc trên mặt tiếp xúc giữa chất lỏng với mặt vật rắn, đó Nước Thuỷ ngân cũng là đặc trưng chủ yếu của chất lỏng tạo thành hạt rắn Nguyên nhân Hình 1.4 Hình 1.5 của hiện tượng này là lực hút phân tử trong nội bộ chất lỏng Trên bề mặt của chất lỏng tiếp xúc với không khí hầu như không có lực hút phân tử, vì vậy các phân tử trên bề mặt sẽ bị kéo vào và tạo nên ứng suất bổ sung trên bề mặt chất lỏng Như vậy, sức căng mặt ngoài có khuynh hướng làm giảm nhỏ diện tích mặt tự do và làm cho mặt tự do có một độ cong nhất định Do sức căng mặt ngoài mà giọt nước hay giọt dầu có dạng hình cầu Nếu cắm 1 ống có đường kính nhỏ vào chậu nưốc thì mức nước trong ống dâng cao hơn mặt nước tự do ngoài chậu một ít (hình 1.4) Nếu chất lỏng là thuỷ ngân thì ngược lại, mực thuỷ ngân trong ông lại thấp hơn bên ngoài (hình 1.5) Đó là hiện tượng mao dẫn do tác dụng của sức căng mặt ngoài gây nên Độ chênh h có thể xác định theo công thức sau: 11