Chương 2: MÁY THỦY LỰC CÁNH DẪN potx

Trong máy thủy lực cánh dẫn việc trao đổi năng lượng giữa máy với chất lỏng được thựchiện bằng năng lượng thủy động của dòng chất lỏng qua máy.. Máy thủy lực cánh dẫn bao gồm các loại bơ

Chương 2 MÁY THỦY LỰC CÁNH DẪN

2.1 Khái niệm cơ bản về MTL cánh dẫn

2.1.1 Khái niệm chung

Trong lịch sử phát triển của máy thủy lực thì máy thủy lực cánh dẫn ra đời tương đốimuộn, nhưng hiện nay nó được dùng phổ biến nhất và phạm vi sử dụng ngày càng được mở rộng

Trong máy thủy lực cánh dẫn việc trao đổi năng lượng giữa máy với chất lỏng được thựchiện bằng năng lượng thủy động của dòng chất lỏng qua máy

Máy thủy lực cánh dẫn bao gồm các loại bơm và động cơ cánh dẫn như bơm li tâm, bơmhướng trục, các loại tua bin nước, …

Bộ phận quan trọng và điển hình nhất của máy thủy lực cánh dẫn là bánh công tác Bánhcông tác được cấu tạo bằng các bản cánh (thường có dạng mặt cong) gọi là cánh dẫn và các bộphận cố định chúng Bánh công tác cánh dẫn ghép chặt với trục, khi làm việc quay trong môitrường chất lỏng

Bánh công tác bơm quay được trong chất lỏng là nhờ động cơ bên ngoài và trong quátrình đó do có các cánh dẫn mà cơ năng của động cơ truyền được cho chất lỏng, tạo nên dòngchảy liên tục qua bánh công tác Chênh lệch năng lượng thủy động của chất lỏng ở lối ra và lốivào (trước và sau) của bánh công tác chính bằng cơ năng của bơm đã truyền cho chất lỏng (nếukhông kể tới tổn thất)

Chuyển động quay của bánh công tác tua bin (động cơ thủy lực cánh dẫn thường gọi làtua bin thủy lực) thì trái lại được thực hiện do thế năng và động năng của dòng chất lỏng liên tụctác động lên các cánh dẫn Nếu không kể tới tổn thất thì chênh lệch năng lượng thủy động củadòng chảy ở lối vào và lối ra của bánh công tác chính bằng cơ năng mà bánh công tác nhận đượccủa dòng chất lỏng

Biên dạng và góc độ bố trí cánh dẫn trong trong bánh công tác có ảnh hưởng trực tiếp đếncác thông số (vận tốc, áp suất , …) của dòng chảy nên chúng có ý nghĩa rất lớn đến tính năng làmviệc của máy

Phương chuyển động của chất lỏng qua bánh công tác tùy thuộc vào kết cấu và biên dạngcủa cánh dẫn

Theo phương chuyển động của dòng chất lỏng từ lối vào đến lối ra của cánh dẫn, bánhcông tác cánh dẫn được chia thành các loại sau:

- Bánh công tác li tâm hoặc hướng tâm: chất lỏng chuyển động trong bánh công tác từ tâm rangoài hoặc từ ngoài vào tâm theo hướng kính

- Bánh công tác hướng trục: chất lỏng chuyển động qua bánh công tác theo phương song song vớitrục

- Bánh công tác tâm trục hoặc trục tâm: chất lỏng chuyển động qua bánh công tác theo hướngtâm rồi chuyển sang hướng trục hoặc ngược lại

- Bánh công tác hướng chéo: chất lỏng chuyển động qua bánh công tác không hướng tâm, khônghướng trục mà hướng chéo (xiên)

Quỹ đạo chuyển động của các phần tử chất lỏng qua bánh công tác cánh dẫn rất phức tạp,nhưng để đơn giản trong tính toán, người ta giả thiết rằng:

+ Dòng chảy qua bánh công tác bao gồm các dòng nguyên tố như nhau

+ Quỹ đạo chuyển động tương đối của các phần tử chất lỏng trong bánh công tác theo biên dạngcánh dẫn

Các điều kiện để có dòng chảy giả thiết trên là:

+ Bánh công tác có số cánh dẫn nhiều vô cùng và mỗi cánh dẫn mỏng vô cùng (không có chiềudày)

+ Chất lỏng làm việc là chất lỏng lý tưởng (không có độ nhớt)

Với các giả thiết trên, chuyển động tuyệt đối của mỗi phần tử chất lỏng qua bánh công tác

có thể phân tích thành hai chuyển động đồng thời: chuyển động theo (quay tròn cùng bánh côngtác) và chuyển động tương đối (theo biên dạng cánh dẫn)

Chuyển động của các phần tử chất lỏng qua bánh công tác được đặc trưng bằng các vậntốc:

: góc giữa w và u theo hướng ngược lại biểu thị góc bố trí của cánh dẫn

Hình 2.1: Dòng nguyên tố chất lỏng chuyển động qua BCT máy li tâm

2.1.2 Phương trình cơ bản của MTL cánh dẫn

Xét một dòng nguyên tố trong khối chất lỏng chuyển động qua bánh công tác của bơm litâm, dòng nguyên tố có lưu lượng dQ, động lượng của nó tại mặt cắt (1-1) là:

L = dl2 – dL1 = .dQ(c2.R2.cos2 - c1.R1.cos1) (2-5)

Vì đã giả thiết các dòng nguyên tố chảy qua bánh công tác như nhau, nên biến thiên mômen độnglượng của toàn bộ khối chất lỏng chuyển động qua bánh công tác bằng tổng các biến thiênmômen động lượng của các dòng nguyên tố:

L = .dQ(c2.R2.cos2 - c1.R1.cos1)

L = .Q(c2.R2.cos2 - c1.R1.cos1) (2-6)Trong đó Q là lưu lượng chất lỏng chảy qua bánh công tác (chính bằng lưu lượng lýthuyết của bơm)

Gọi M là mômen do ngoại lực tác dụng lên trục quay, tức là mômen quay của trục thì:

M = L = .Q(c2.R2.cos2 - c1.R1.cos1) (2-7)Đối với bánh công tác của tuabin thì mômen động lượng của dòng chảy giảm theo chiều dòngchảy từ lối vào đến lối ra của bánh công tác Tính tương tự như trên ta có:

M = .Q(c1.R1.cos1 - c2.R2.cos2) (2-8)Vậy đối với máy thủy lực cánh dẫn nói chung, phương trình mômen có dạng tổng quát:

M = .Q(c2.R2.cos2  c1.R1.cos1) (2-9)(Hàng dấu trên đối với bơm, hàng dấu dưới đối với tuabin)

Qua phương trình (2-9) ta thấy cơ năng của máy thủy lực cánh dẫn trao đổi với chất lỏngliên quan mật thiết với các thông số động học của dòng chảy và kích thước, kết cấu cánh dẫn củabánh công tác

c

H ( 2 2cos2 1 1cos1).1

Trong thực tế còn nhiều vấn đề liên quan tới sự chuyển động của chất lỏng trong bánhcông tác mà hiện nay lý thuyết chưa giải quyết được cặn kẽ, nhất là việc tính toán các tổn thất củadòng chảy qua máy Bởi vậy, trong nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thủy lực nói chung và cácmáy thủy lực cánh dẫn nói riêng, phải điều chỉnh các kết quả tính toán bằng các số liệu thựcnghiệm thu được qua các thí nghiệm với máy thu nhỏ gọi là mô hình Để có thể suy được kết quảthực nghiệm trên các máy mô hình cho các máy thực cần có điều kiện là các máy phải tương tự.

2.1.3.1 Các tiêu chuẩn tương tự

a) Tiêu chuẩn tương tự hình học

Hai máy N (thực) và M (mô hình) tương tự hình học thì chúng phải đồng dạng, nghĩa làcác góc độ bố trí cánh dẫn phải bằng nhau và các kích thước tương ứng phải tỷ lệ với nhau, kể cả

độ nhấp nhô bề mặt

(, )M = (, )N

const l

l b

b D

D

N

M N

M N

1 gọi là tiêu chuẩn hình học

b) Tiêu chuẩn tương tự động học

Hai máy thủy lực tương tự động học khi các tam giác vận tốc tương ứng của dòng chảyqua hai máy đó đồng dạng, nghĩa là tỷ lệ giữa các vận tốc tương ứng phải bằng nhau

const c

c w

w u

u

v N

M N

M N

v gọi là tiêu chuẩn tương tự động học

c) Tiêu chuẩn tương tự động lực

Hai máy tương tự động lực khi tỷ lệ của các lực tác dụng lên các phần tử tương ứng củahai bánh công tác hoặc của hai dòng chảy bằng nhau:

const P

P

p N

p gọi là tiêu chuẩn tương tự động lực

Muốn có tiêu chuẩn tương tự động lực thì trạng thái chảy của dòng chất lỏng trong haimáy phải như nhau, nghĩa là có cùng số Râynôn

Trong trường hợp dòng chảy trong hai máy rơi vào khu vực bình phương sức cản thì tổnthất thủy lực không phụ thuộc vào trị số Re mà phụ thuộc vào độ nhấp nhô tương đối của các bềmặt chi tiết Khi đó đòi hỏi hai máy phải đảm bảo điều kiện tương tự về độ bóng bề mặt chi tiết,nghĩa là chúng phải tương tự hình học một cách tuyệt đối

1.2.3.2 Các quan hệ tương tự của máy thủy lực cánh dẫn

Ta nghiên cứu quan hệ giữa các thông số cơ bản của hai máy thủy lực tương tự

a) Lưu lượng

Lưu lượng dòng chảy qua bánh công tác cánh dẫn bất kỳ nào cũng có thể tính theo côngthức:

Q = cm..D.b (2-16)

b là chiều rộng của máng dẫn ứng với đường kính D của bánh công tác

cm là hình chiếu vận tốc tuyệt đối lên phương thẳng góc với phương của u

Hình 2-2Theo kết cấu bánh công tác cánh dẫn, chiều rộng b tỷ lệ với đường kính D nên có thể viết:

và cm cũng tỷ lệ với vận tốc u:

n D u

2

n D

D

Q



3

Hoặc

N

M N

M N

M N

M

n

n n

n D

D Q

Q

.

3 1

1 2

1 2 2 2 1

2

1 2

1 2

2 2 2 1

1 1 2 2 1

.

60 1

1

)

( 1

n D u

c R

R u

c g

H

u

c R

R u

c u g H

c u c u g H

u u

u u

u u

Suy ra: const

1

2 2

M N

M N

M

n

n n

n D

D H

H

Đối với cánh công tác tua bin, lập luận như trên ta cũng được kết quả như phương trình (2-22).Vậy tỷ số cột áp của hai máy thủy lực cánh dẫn tương tự tỷ lệ bậc hai với tỷ số đường kính bánhcông tác và tỷ số vòng quay

c) Công suất

Theo (1-8) ta có thể viết:

N

M N

M N

M N

M

H

H Q

Q N

1

3 5

.

M N

M N

M N

M N

M

n

n n

n D

D N

d) Mômen

Tỷ số mômen quay của hai máy có thể viết:

N

N M

M N

M

N

n n

N M

M

Thay (2-23) vào ta được:

2 5

1

2 5

.

M N

M N

M N

M N

M

n

n n

n D

D M

* Từ (2-23) có:

Ntl

tl const n

Nhận xét: hệ số công suất thủy lực chính bằng công suất của bánh công tác máy thủy lực cánh

dẫn trao đổi với dòng chất lỏng khi bánh công tác có D = 1m; n = 1 v/ph và trọng lượng riêngchất lỏng  = 1N/m3

* Từ (2-24) có:

const n

Nhận xét: hệ số mômen thủy lực chính bằng mômen quay của bánh công tác máy thủy lực cánh

dẫn truyền cho chất lỏng khi bánh công tác có D = 1m; n = 1 v/ph và trọng lượng riêng chất lỏng

 = 1N/m3

2.1.4 Số vòng quay đặc trưng

Để việc sử dụng, thiết kế chế tạo máy thủy lực được thuận tiện và kinh tế, giống như cácsản phẩm công nghiệp khác, máy thủy lực cánh dẫn cũng được tiêu chuẩn hóa Mỗi loại máy thủylực cánh dẫn sản xuất ra được chia thành nhiều nhóm, trong cùng một nhóm các máy này đều cóđặc tính làm việc và hiệu suất như nhau, nghĩa là chúng tương tự với nhau Để đặc trưng cho mộtnhóm, người ta dùng máy mẫu tượng trưng (mô hình) và quy định máy mô hình có các thông sốsau:

Hs = 1m cột chất lỏng

ns : số vòng quay trong 1 phút

s : hiệu suất có lợi nhất

Bất kỳ máy nào chế tạo ra cũng phải tương tự với máy mô hình cùng hệ thống Các thông số làmviệc của máy đó và máy mô hình quan hệ với nhau theo luật tương tự

Từ (2-20) và (2-22) ta có:

n

n Q

.

3 1



2 2

Thay giá trị Hs và Qs và biến đổi được:

4 3

65,3

H

Q n

Hoặc theo (2-23) ta có:

3 5

ta cũng được

4 5

.167,1

H

N n

Với H (m), Q (m3/s), n (v/ph), N (KW)

Muốn biết một máy thủy lực cánh dẫn nào đó thuộc nhóm của máy mô hình nào, người tadùng số vòng quay ns tính theo công thức (2-32) hoặc (2-34) để phân biệt nên thường gọi ns là sốvòng quay đặc trưng

Vậy số vòng quay đặc trưng ns của một máy thủy lực cánh dẫn không phải là số vòngquay thực của máy đó, mà là số vòng quay của máy mô hình tương tự có các thông số ghi ở (2-29)

Số vòng quay đặc trưng có ý nghĩa rất lớn trong việc tính toán thiết kế và sử dụng máythủy lực cánh dẫn

2.2 Bơm li tâm

2.2.1 Phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm li tâm

a) Phân loại

Bơm li tâm thuộc loại bơm cánh dẫn, được phân theo các loại sau:

* Phân loại theo cột áp của bơm:

- Bơm cột áp thấp: H < 20 m cột nước

- Bơm cột áp trung bình : H = (20  60) m cột nước

- Bơm cao áp: H > 60 m cột nước.

Hình 2.3: Bơm li tâm trục ngang

* Phân loại theo số bánh công tác lắp nối tiếp trong bơm:

- Bơm có một bánh công tác gọi là bơm một cấp Cột áp của bơm một cấp bị hạn chế bởi sốvòng quay và sức bền của cánh dẫn, nên thường không vượt quá 100 m cột nước

- Bơm có nhiều bánh công tác lắp nối tiếp gọi là bơm nhiều cấp Cột áp của bơm nhiềucấp gần bằng tổng số cột áp của các bánh công tác có trong bơm, còn lưu lượng của bơm là lưulượng của một bánh công tác

Hình 2.4 Bơm li tâm nhiều cấp

* Phân loại theo cách dẫn chất lỏng vào bánh công tác:

- Bơm có bánh công tác hút chất lỏng từ một phía gọi là bơm một miệng hút (bơm côngxôn) Với cách hút chất lỏng từ một phía, lưu lượng của bơm bị hạn chế, ngoài ra còn gây nên lựchướng trục trong bơm

- Bơm có bánh công tác hút chất lỏng từ hai phía gọi là

bơm hai miệng hút Bánh công tác của bơm hai miệng hút được

xem như hai bánh công tác của bơm một miệng hút có cùng

kích thước ghép lại với nhau, do đó lưu lượng bơm tăng gấp đôi

còn cột áp vẫn không đổi Ngoài ra với cách hút chất lỏng từ hai

phía đối xứng sẽ không gây ra lực hướng trục trong bơm, có

điều kiện bố trí bơm ở giữa hai gối đỡ trục, làm tăng thêm độ

bền vững

b) Cấu tạo

Xét về mặt cấu tạo, bơm li tâm của bất kỳ loại nào cũng bao gồm các bộ phận chủ yếu sau: Trụcbơm 1, bánh công tác 2, các bản lá 3, thân bơm 4, ống hút 5, ống phun 6, ống loa 7, lưới hút 8,khoá đổ chất lỏng vào bơm 9 (hình 2.4)

Ở những chỗ trục xuyên qua vỏ bơm người ta đặt những vòng lót để giữ kín không chochất lỏng chảy ra ngoài cũng như ngăn không khí xâm nhập vào bơm

Bánh công tác thường được đúc liền với các bản lá bằng thép, gang hoặc đồng Nó có cấu tạohút một phía hoặc hai phía Số bản lá trong bánh công tác tuỳ thuộc vào loại bơm li tâm khácnhau mà có thể có từ 2 đến 12

Thân bơm hầu hết đúc theo hình xoắn ốc để cho chất lỏng thoát raa từ bánh công tác vào ốngphun được êm dịu Buồng xoắn ốc nối liền với ống loa 7, tại đây vận tốc chất lỏng giảm xuốngcòn trong buồng xoắn ốc chất lỏng chuyển động với vận tốc không đổi, nhưng tiết diện củabuồng tăng dần, do đó lưu lượng của dòng chất lỏng thay đổi dần theo

8 5

6 9

8 5

Hình 2.5

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo bơm li tâm

Để tiện việc theo dõi hoạt động của bơm, người ta lắp chân không kế trên ống hút và áplực kế trên ống phun Ngoài ra trên ống phun còn có khoá điều chỉnh năng suất và cột áp củabơm; hoặc có thể lắp thêm trên ống phun một khoá bảo hiểm hay một bộ phận đặc biệt dùng đểđiều hoà áp lực, không cho áp lực tăng lên khi xảy ra hiện tượng nước va

c) Nguyên lý hoạt động

Bơm li tâm làm việc dựa vào sự tác dụng tương hợp giữa chất lỏng chuyển động cùng với bánhcông tác của bơm Trước khi cho bơm vận hành người ta đổ chất lỏng vào bơm qua lỗ 9 Khi chấtlỏng đã đầy thân bơm thì đóng khoá (lỗ) 9 Động cơ làm việc dẫn đến chuyển động quay củabánh công tác Dưới tác dụng của lực li tâm chất lỏng trong bơm chuyển động theo các rãnh giữâcác bản lá của bánh công tác hướng từ tâm ra Nhờ đó trong bánh công tác tạo nên chân không vàchất lỏng từ ngoài theo ống hút chảy vào khoang của bánh công tác Tại đây dưới tác dụng củalực li tâm một chu kỳ chuyển động mới của chất lỏng được bắt đầu Như vậy trong chuyển độngquay đều của bánh công tác sẽ có sự chuyển động liên tục của chất lỏng trong bơm và qua ốngphun

Vấn đề quan trọng đặt ra trong chế tạo bơm li tâm là làm thế nào để dòng chất lỏng khivào và ra khỏi bánh công tác chịu sức cản ít nhất Trong trường hợp ngược lại sẽ gây nên tổn thấtnăng lượng lớn và làm giảm hiệu suất của bơm

2 2.2 Lý thuyết cơ bản của bơm li tâm

Trong chuyển động của bánh công tác, dưới tác dụng của lực li tâm chất lỏng đã nhậnđược một phần năng lượng Để xác định phần năng lượng này, người ta giả thiết rằng bánh côngtác có số bản lá nhiều vô kể và chất lỏng được phân đều theo các rãnh cực bé kề nhau nên dòngchất lỏng chuyển động trong mỗi rãnh riêng biệt đó có thể xem như tia dòng nguyên tố

Do đó chuyển động của chất lỏng qua bánh công tác sẽ có ba thành phần vận tốc sau:

- Vận tốc tiếp tuyến U: là vận tốc chuyển động của chất lỏng cùng với bánh công tác; vận tốc U phụ thuộc vào bán kính của bánh công tác.

- Vận tốc tương đối W: là vận tốc của chất lỏng đối với bản lá theo hướng từ tâm ra.

- Vận tốc tuyệt đối C: là tổng hợp của hai thành phần vận tốc tương đối và vận tốc tiếp

tuyến

Ta hãy khảo sát chuyển động của chất lỏng theo một trong những tia nguyên tố giữa haibản lá kề nhau của bánh công tác (hình 2.1)

Ký hiệu U 1, W 1 và C 1 lần lượt là các vận tốc: tiếp tuyến, tương đối và tuyệt đối của chất

lỏng ở lối vào của bánh công tác, còn U 2 , W 2 , C 2 là các vận tốc tương ứng khi ra khỏi bản lá, tacó:

1 1

1

2 1

2 1

2

1 C U 2 C U cos 

2 2

2

2 2

2 2

Thành phần hướng tâm của vận tốc tuyệt đối tại lối ra:

Thành phần tiếp tuyến của vận tốc tuyệt đối tại lối ra:

2 là góc tạo bởi véc tơ vận tốc tiếp tuyến và véc tơ vận tốc tương đối tại lối ra của bánh công tác

Các góc  và  đặc trưng cho hình dạng của các bản lá nên được gọi là các góc của bảnlá;  và  phải có trị số thích hợp để cho dòng chất lỏng vào và ra khỏi các bản lá của bánh côngtác chịu sức cản thuỷ lực bé nhất, liên tục và êm dịu

Cho rằng chuyển động của chất lỏng qua bánh công tác của bơm là liên tục và không cóchấn động Như vậy vận tốc chuyển động của chất lỏng trong ống hút trước chỗ vào bánh công

tác bằng vận tốc tuyệt đối C 1 và trực tiếp sau khi qua nó, còn vận tốc tuyệt đối C 2 tại chỗ ra khỏibánh công tác bằng vận tốc của dòng chảy sau khi ra khỏi nó để vào ống phun

Viết phương trình Becnuli không tính đến sức cản thuỷ lực cho hai tiết diện tại điểm 1 và

điểm 2, đồng thời biểu thị áp suất tại các điểm tương ứng đó là P 1 và P 2, ta có:

g

C P H

g

C P

2

2 2 2

2 1

1 

 : là tỷ năng của chất lỏng tại chỗ vào của bánh công tác;

g

C P

2

2 2

2 

 : là tỷ năng của chất lỏng tại chỗ ra của bánh công tác.

H T: tỷ năng mà chất lỏng thu được trong chuyển động của nó qua bánh công tác do tácdụng của lực li tâm

Từ (5-34) rút ra:

g

C C P P

HT

2

2 1

2 2 1

g

W P A g

W P

2 2

2 2 2

2 1

Cần xác định năng lượng A Như đã biết, lực li tâm (P lt ) tác dụng lên một vật thể chuyển

động quay được tính bằng công thức:

r

u m

Plt  . 2 ,Hay là Plt  2 r m, với  r = u.

Nếu tính cho một đơn vị trọng lượng chất lỏng (tức

r g dr r g A

.

2 1

2 2 2 2

2

2 1

W W A g

W W P P

2 2

2

2 1

2 2

2 2

2 1

2 2

2 1 1

W W g

C C

HT

2 2

2

2 1

2 2

2 2

2 1

2 1

Từ (2-45) cho thấy cột áp lý thuyết của bơm với số bản lá vô định sẽ có trị số lớn hơn khi

1 = 90 0 , ta có:

g

C U g

C U

cos

C 2u - hình chiếu của C 2 lên phương u 2

Trên thực tế do có sức kháng thuỷ lực ở trong bơm và do số bản lá trong bánh công tác cóhạn, nên các phần tử chất lỏng không chuyển động theo đúng những quỹ đạo tính toán Vì vậycột áp thực do bơm tạo nên được tính theo công thức:

K g

C U

K - Hệ số tổn thất cột áp do các phần tử chất lỏng chuyển động không theo đúng những

quỹ đạo tính toán

Cho rằng hiệu số áp suất giữa hai mặt cắt của bản lá là không đổi theo bề dài thì hệ số K

có thể tính bằng công thức của Pfleyder:

2 11

1

2 1

1

r

r z



Với n - số vòng quay của bánh công tác (v/ph),

D 2 - đường kính ngoài của bánh công tác (m)

Thường trong thiết kế bơm người ta chọn:

C 2 = 0,75U 2 ; D 2 = (1,5  2,5)D 1 và C 1 = (2  3)m/s.

2.2.3 Đường đặc tính của bơm li tâm