Chương II.Khái niệm chung về bơm 18 CHƯƠNG II : KHÁI NIỆM CHUNG VỀ BƠM 2.1- ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 2.1.1- Đònh nghóa Bơm là máy để tạo ra dòng chất lỏng. Hay nói cách khác, bơm là máy dùng để di chuyển chất lỏng và tăng năng lượng của dòng chất lỏng. Khi bơm làm việc năng lượng mà bơm nhận được từ động cơ sẽ chuyển hoá thành thế năng, động năng và trong một chừng mực nhất đònh thành nhiệt năng của dòng chất lỏng. Vậy bơm là loại máy thuỷ lực dùng để biến đổi cơ năng của động cơ thành năng lượng để vận chuyển chất lỏng hoặc tạo nên áp suất cần thiết trong hệ thống truyền dẫn thuỷ lực. 2.1.2- Phạm vi sử dụng Bơm được sử dụng rộng rãi trong nhiều lãnh vực: Trong nông nghiệp:bơm là thiết bò không thể thiếu để thực hiện thuỷ lợi hoá chăn nuôi trồng trọt. Trong công nghiệp: bơm được sử dụng trong các công trình khai thác mỏ, quặng dầu hay các công trình xây dựng. Hiện nay trong kỹ thuật vận chuyển, phát triển xu hướng dùng bơm và đường ống dẫn để vận chuyển các sản phẩm của ngành khai thác mỏ ( quặng dầu), hoá chất, nguyên vật liệu xây dựng, … và đó là phương tiện vận chuyển thuận lợi và kinh tế. Trong ngành chế tạo máy, bơm được sử dụng phổ biến, nó là một trong những bộ phận chủ yếu của hệ thống điều khiển và truyền động thuỷ lực trong máy. 2.1.3- Phân loại a. Theo nguyên lý làm việc và cấu tạo của bơm (tương tự như phân loại ở trên) b. Theo công dụng: Bơm cấp nước nồi hơi ( trong các nhà máy nhiệt điện) Bơm dầu ( trong các hệ thống truyền động thuỷ lực) Bơm nhiên liệu Bơm cứu hoả Bơm hoá chất… c. Theo phạm vi cột áp và lưu lượng sử dụng: Người ta chia bơm thành các loại: bơm có cột áp cao, trung bình hoặc thấp; bơm có lưu lượng lớn, trung bình hoặc nhỏ. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 19 Trong kỹ thuật có 3 loại bơm được sử dụng rộng rãi là bơm ly tâm, bơm hướng trục và bơm piston. Biểu đồ phân bố phạm vi sử dụng của các loại bơm thông dụng trên được thể hiện trên hình 2.1 Hình 2.1 – Phạm vi sử dụng của các loại bơm thông dụng 2 2 - CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CƠ BẢN Hình 2.2 – Sơ đồ hệ thống bơm H,m 10000 100 10 1000 10000 10 100 Q, m 3 /h Bơm hướng trục Bơm ly tâm Bơm piston 1000 1 P 4 K 2 z h y z đ z Bể chứa ống đẩy ống hút p 1 = p a Bể hút Bơm Động cơ AK CK K 1 1 1 2 3 3 4 4 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 20 Bơm bao giờ cũng làm việc trong một hệ thống đường ống. Để biết rõ công dụng, quá trình làm việc và các thông số cơ bản của bơm, ta nghiên cứu sơ đồ thiết bò của một bơm làm việc trong hệ thống đơn giản trên hình 2.2 Khi bơm làm việc, chất lỏng từ bể hút qua lưới chắn rác theo ống hút đi vào bơm. Sau khi qua bơm, chất lỏng được bơm cấp cho năng lượng chảy vào ống đẩy để lên bể chứa. Từ bể chứa chất lỏng được phân phối về các nơi tiêu thụ. Trong hệ thống truyền động thuỷ lực, chất lỏng sau khi ra khỏi bơm có áp suất cao, qua bộ phận phân phối đi vào động cơ thuỷ lực để thực hiện các chuyển động của những cơ cấu làm việc. Bơm có 5 thông số làm việc cơ bản: lưu lượng Q, cột áp H, công suất N, hiệu suất và cột áp hút cho phép [H CK ]. Ta sẽ lần lượt nghiên cứu các thông số này. 2.2.1- Lưu lượng Là lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển được trong một đơn vò thời gian. Tuỳ thuộc đơn vò đo có 3 loại lưu lượng: lưu lượng thể tích Q có đơn vò đo là m 3 /s, l/s, m 3 /h…; lưu lượng khối lượng M có đơn vò đo là kg/s, kg/h, g/s…; lưu lượng trọng lượng G có đơn vò đo là N/s, N/h, kG/s,… Lưu lượng của bơm được xác đònh bằng các dụng cụ đo trung bình lắp trên ống đẩy như ống Venturi, lưu lượng kế kiểu màng chắn hoặc các dụng cụ đo trung bình bằng thùng lường hoặc cân đặt ở cuối ống đẩy. Các loại dụng cụ đo này chỉ xác đònh được giá trò trung bình của lưu lượng trong một đơn vò thời gian nào đó. 2.2.2- Cột áp: ký hiệu H (m) Là năng lượng đơn vò mà bơm truyền được cho chất lỏng. Từ sơ đồ hệ thống làm việc của bơm (hình 2.2), ta có: H = e ra - e vào = e 3 - e 2 g2 vp z g2 vp yzH 2 22 h 2 33 h g2 vvpp yH 2 2 2 323 (2.1) Trong đó: p 2 , p 3 – là các áp suất tuyệt đối CKa2 p p p ; AKa3 p p p p CK , p AK – là trò số áp suất đọc được trên chân không kế và áp kế. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 21 Do đó: CKAK23 p p p p Công thức tính cột áp của bơm sẽ thành: g2 vvpp yH 2 2 2 3CKAK (2.2) Trong hệ thống bơm ta lấy hệ số hiệu chỉnh động năng = 1 vì dòng chảy trong hệ thống bơm có tiết diện ống nhỏ và vận tốc nước lớn người ta thường coi là dòng chảy rối và được gọi là dòng chảy rối kích thước bé. Nếu đường kính ống hút và đường kính ống đẩy bằng nhau và không trích lưu lượng trên đường ống đẩy thì v 2 = v 3 và khoảng cách y có thể bỏ qua ( y 0 ) thì trò số cột áp có thể xác đònh bằng các trò số đọc được của áp kế và chân không kế lắp ở miệng vào và ra của bơm: CKAK p p H (2.3) Khi không có các số liệu đo được cụ thể của bơm đang làm việc như p CK , p AK … mà chỉ có các số liệu yêu cầu của hệ thống làm việc như p 1 , p 4 , z … ta có thể tính cột áp yêu cầu của bơm theo các giá trò năng lượng ở bể hút và bể chứa như sau: Viết phương trình năng lượng Bernoulli cho mặt cắt (1-1) và (2-2): wh 2 22 h 2 11 h g2 vp z g2 vp (2.4) Hay wh 2 2 h 2 112 h g2 v z g2 vpp (2.5) h wh – tổng tổn thất năng lượng ở ống hút. Từ đây ta thấy, nếu p 1 = p a và v 1 nhỏ thì áp suất ở miệng vào của bơm p 2 < p a tức là p 2 phải được đo bằng chân không kế. Phương trình năng lượng Bernoulli cho mặt cắt (1-1) và (2-2) còn được viết đơn giản là: wh21 h e e hay wh12 h e e Tương tự ta viết phương trình năng lượng Bernoulli cho mặt cắt (3-3) và (4-4): wd 2 44 d 2 33 h g2 vp z g2 vp (2.6) Hay wd 2 4 d 2 343 h g2 v z g2 vpp (2.7) h wđ – tổng tổn thất năng lượng ở ống đẩy. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 22 Ta thấy, thường g2 v 2 3 nhỏ hơn wd 2 4 d h g2 v z rất nhiều nên p 3 > p 4 ; nếu p 4 = p a thì p 3 > p a tức là áp suất ở miệng ra của bơm phải được đo bằng áp kế. Phương trình năng lượng Bernoulli cho mặt cắt (3-3) và (4-4) còn được viết đơn giản là: wd43 h e e Thay e 2 và e 3 vào phương trình cột áp, ta có: wh1wd423 h e h e e e H w14wdwh14 h e e h h e e Hay w 2 1 2 414 14 h g2 vvpp zzH w 2 1 2 414 h g2 vvpp zH (2.8) h w = h wh + h wđ – tổng tổn thất năng lượng trong hệ thống. Từ công thức (2.4) ta thấy cột áp yêu cầu của bơm dùng để khắc phục: Chênh lệch độ cao hình học giữa mặt thoáng bể chứa và bể hút, còn gọi là độ cao dâng z Độ chênh áp suất trên mặt thoáng bể chứa và bể hút 14 p p Độ chênh động năng giữa bể chứa và bể hút g2 vv 2 1 2 4 Tổn thất năng lượng trong hệ thống đường ống h w . Cột áp của bơm làm việc trong một hệ thống cũng chính là cột áp của hệ thống. Các thành phần z và 14 p p là những đại lượng không thay đổi đối với một hệ thống cho trước, do đó: 14 t p p zH gọi là cột áp tónh của hệ thống (2.9) Còn các số hạng g vv 2 2 1 2 4 và h w là những đại lượng thay đổi theo lưu lượng của hệ thống, tức là phụ thuộc vận tốc dòng chất lỏng trong ống, do đó: w 2 1 2 4 d h g2 vv H - gọi là cột áp động của hệ thống (2.10) Vậy: H = H t + H đ (2.11) Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 23 Nếu biểu diễn bằng đồ thò phương trình cột áp của hệ thống (2.8) ta sẽ được đường cong biểu thò đặc tính làm việc của hệ thống gọi là đường đặc tính của hệ thống hay còn gọi là đường đặc tính lưới. Hình 2.3 – Đường đặc tính lưới 2.2.3- Công suất và hiệu suất Theo (1.6) ta có công thức tính hiệu suất thuỷ lực của bơm là: QH GH N tl (2.12) - khối lượng riêng của chất lỏng, tính bằng N/m 3 Q - lưu lượng của bơm, m 3 /s H - cột áp toàn phần của bơm, m Muốn tạo được N tl ( còn gọi là công suất có ích) thì trục bơm phải có công suất lớn hơn, vì trong khi làm việc bơm phải tiêu hao một phần năng lượng để bù vào các tổn thất thuỷ lực và tổn thất ma sát giữa các bộ phận làm việc của bơm, … QH N N tl (2.13) < 1 là hiệu suất toàn phần của bơm, % Hiệu suất là: N QH N N tl (2.14) Khi chọn động cơ để kéo bơm, cần phải chọn công suất của động cơ N đc lớn hơn công suất tại trục N để đề phòng trường hợp quá tải và bù vào tổn thất do truyền động từ động cơ đến bơm. N đc = k.N (2.15) H đ 0 Q H,m Q, m 3 /s H t H đ = kQ 2 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 24 k > 1 – hệ số an toàn phụ thuộc từng loại bơm, động cơ và công suất làm việc. 2.2.4- Cột áp hút và chiều cao hút cho phép Khả năng làm việc của bơm phụ thuộc rất nhiều vào quá trình hút của bơm. Trong quá trình bơm hút chất lỏng, bánh công tác phải tạo được độ chênh áp nhất đònh giữa miệng hút của bơm và mặt thoáng của bể hút. Độ chênh áp này gọi là cột áp hút của bơm, nhờ nó mà chất lỏng chảy từ bể vào bơm. Hình 2.4 – Sơ đồ lưới trên đường ống hút 21 h p p H (2.16) p 1 , p 2 - áp suất ở mặt thoáng của bể hút và lối vào của bơm Nếu p 1 = p a ( áp suất khí trời) thì cột áp hút bằng cột áp chân không tại lối vào của bơm. 2a CKh p p HH (2.17) Thay phương trình (2.4) vào phương trình trên ta có: w 2 2 h 21 h h g2 v z pp H (2.18) Ta thấy cột áp hút của bơm dùng để khắc phục chiều cao hút z h , tổn thất trên ống hút h w và tạo nên động năng cần thiết của dòng chảy ở miệng vào của bơm v 2 2 /2g. Suy ra cột áp hút tuỳ thuộc vào trò số áp suất trên mặt thoáng của bể hút mà áp suất này lại có giới hạn nhất đònh. Trường hợp p 1 = p a theo công thức (2.18) ta thấy khả năng hút tối đa của bơm ứng với khi áp suất p 2 = 0 là: z h 2 2 p a 1 1 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 25 OmH10 p HH 2 a maxCKmaxh Vậy điều kiện để bơm làm việc được là: maxCKw 2 2 hh Hh g2 v zH (2.19) Thực tế cột áp hút của bơm khi p 1 = p a không bao giờ đạt được đến 10 mH 2 O vì áp suất ở miệng ra của bơm khi nhỏ đến một mức nào đó bằng áp suất hơi bão hoà của chất lỏng tại nhiệt độ làm việc thì sẽ gây ra hiện tượng xâm thực trong bơm. Hiện tượng xâm thực Khi chất lỏng ở một nhiệt độ nhất đònh sẽ sôi và bốc hơi bão hoà dưới một áp suất nhất đònh. p suất này gọi là áp suất hơi bão hoà p bh . Bảng áp suất hơi bão hoà của nước: Nhiệt độ, t o C 0 10 20 30 40 60 80 100 120 m, p bh 0,06 0,12 O,24 0,48 0,75 2,03 4,83 10,33 20,2 Như vậy ở một nhiệt độ nào đó, khi áp suất trong chất lỏng bằng áp suất hơi bão hoà p bh thì chất lỏng sẽ sôi, tạo nên nhiều bọt khí trong dòng chảy. Các bọt khí này bò dòng chảy cuốn vào những vùng có áp suất p > p bh , sẽ ngưng tụ lại đột ngột thành những giọt chất lỏng có thể tích nhỏ hơn rất nhiều so với thể tích của bọt khí. Do đó trong dòng chảy xuất hiện những khoảng trống cục bộ, thu những phần tử chất lỏng xung quanh xô tới với vận tốc rất lớn, làm cho áp suất tại đó đột ngột tăng lên rất cao, có khi tới hàng ngàn atmôtphe. p suất cục bộ này có thể làm rỗ bề mặt kim loại, phá hỏng các bộ phận làm việc của máy. Hiện tượng này gọi là hiện tượng xâm thực, thường xảy ra trong các máy thuỷ lực có áp suất nhỏ, nhiệt độ cao. Nhất là ở nơi chất lỏng có vận tốc và áp suất thay đổi đột ngột. Khi hiện tượng xâm thực xảy ra, dòng chảy bò gián đoạn, gây tiếng động bất thường và máy bò rung nhiều, lưu lượng, cột áp và hiệu suất của máy bò giảm đột ngột. Hiện tượng xâm thực kéo dài sẽ làm các bộ phận làm việc của máy bò phá hỏng. Để tránh hiện tượng xâm thực, cần thoả mãn điều kiện: bh2 p p Cho nên để tránh hiện tượng xâm thực, đối với từng loại bơm được sản xuất ra, trong các tài liệu kỹ thuật đều có ghi cột áp chân không cho phép [H CK ] ứng với p a = 1 at và t = 20 o C. Điều kiện để bơm có đầy đủ khả năng hút là: Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 26 CKw 2 2 hh Hh g2 v zH (2.20) Vậy chiều cao hút cho phép của bơm là: w 2 2 CKh h g2 v Hz (2.21) Nếu không có giá trò [H CK ] thì [z h ] phải được tính theo điều kiện không xảy ra hiện tượng xâm thực. Ta biết rằng, điều kiện để không xảy ra hiện tượng xâm thực là cột áp toàn phần tại lối vào của bơm, nơi có áp suất nhỏ nhất, nguy hiểm nhất phải lớn hơn áp suất hơi bão hoà của chất lỏng tại nhiệt độ làm việc. Ta có: h p g2 vp bh 2 22 (2.22) h – cột áp chống xâm thực Mặt khác, từ công thức (2.4), ta có: wh a 2 22 hz p g2 vp Thay vào biểu thức trên ta có chiều cao hút cho phép của bơm là: w bha h hh pp z (2.23) Cột áp chống xâm thực h được xác đònh bằng thực nghiệm, nó phụ thuộc vào số vòng quay và lưu lượng của bơm. Theo Rutđơnhep, ta có: 3 4 C Qn 10h (2.24) n – số vòng quay trong một phút của bánh công tác Q – lưu lượng tính bằng m 3 /s C – hệ số phụ thuộc vào đặc điểm kết cấu của bơm, có giá trò thay đổi trong khoảng 800 1000. C lấy giá trò càng lớn thì điều kiện chống xâm thực của bơm càng tốt. BÀI TẬP Bài II-1 Một máy bơm nước tiêu hao một công suất trên trục N = 66 kW, hiệu suất = 81%, lưu lượng Q = 500m 3 /h và cột áp chân không cho phép của bơm [H CK ] = 5,5 m Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 27 Tính chiều cao hút cho phép của bơm [Z h ], biết hệ số tổn thất trên đường ống hút h = 5 và đường kính ống hút và ống đẩy bằng nhau D 1 = D 2 = 250mm. Tính cột áp và áp suất tại cửa ra của bơm. Hình 2.5 Giải: 1) Chiều cao hút cho phép của bơm tính theo công thức: g v g v HZ h h h CKh 22 22 ; bỏ qua tổn thất dọc đường và lấy dấu “=” Vận tốc trên đường ống hút được tính theo lưu lượng và vận tốc: 2 4 h h D Q v Với Q = 500m 3 /h = 0,139 m 3 /s ; D h = D 1 = 250mm = 0,25m thay vào: s/m, ,. , . v h 832 250 13904 2 hay m, ,. , g v h 40 8192 832 2 22 Vậy chiều cao hút là: m , , . , , Z h 134054055 2) Từ công thức tính công suất trên trục: QH N hay Q N H Cột áp của bơm là: m2,39 139,0.10.81,9 81,0.10.66 H 3 3 3) p suất tại cửa vào của bơm tính từ phương trình Bernoulli tại mặt cắt trên mặt thoáng của bể hút và mặt cắt tại lối vào bơm: g v g vp Z p hh a 22 2 2 2 22 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh [...]... niệm chung về bơm Chương TP HCM http://www.hcmute.edu.vn 28 p2 pa v2 v2 Z h 2 h 2 10 3,1 0,4 5.0,4 4,5m 2g 2g Hay p3 p2 v2 v2 p3 p2 2 Từ công thức: H y 3 2g Vậy áp suất tại cửa ra củ a bơm là: p3 p H 2 39 ,2 4,5 43,7 m Đáp số : [Zh ] = 3,1m ; H = 39,2m ; p2 43,7m Bài II -2 Một bơm tiêu hao mộ t công suấ t trên trụ c N = 76 kW, bơm nước từ bể... về bơm Chương TP HCM v2 v2 B A 0 2g http://www.hcmute.edu.vn 29 vì đường kính ống hút và ống đẩy bằn g nhau H 40 14 0 10 64 m + Lưu lượng: Từ công thức tính công suấ t: N Ta có: Q QH N 76 10 3 0,76 0,0 92 m 3 / s 92l / s H 9,81.10 3.64 Đáp số : H = 64m ; Q = 92 l/s Bài II-3 Bơm ly tâm đặ t với độ cao hút z h 3,795m , tổn thấ t trong ố ng hút h wh 1,505m h Min 2 p3... chênh giữ a 2 Chi H P uat T y th bể z = 40m am K h Su p Tính lưu lượng và cộ t áp củ aong DHBiết hiệu suấ t củ a bơm 76% , tổ n thấ t toàn bộ bơm u © Tr trong hệ thống lưới h w rg10m , đường kính ống hút và ống đẩy bằ ng nhau i ht y Cop Hình 2. 6 Giải: + Phương trình đườ ng đặc tính lưới: Hz pB pA v2 v2 A B hW 2g p B p A p AK p CK 14m ; Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn... 5,8m , hiệ u suấ t củ a bơm = 80 % Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT II.Khái niệm chung về bơm Chương TP HCM http://www.hcmute.edu.vn 30 Hình 2. 8 Hướng dẫn :Tính cô ng suất của động cơ theo cô ng thức sau: Nđc = k.NB , trong đó k = 1,05 h Min Đáp số : Nđc = 28 2 kW Chi P Ho uat T y th am K u ph DH S g ruon t©T h yrig Cop Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn... Chi 74,7m p suấ t toà n phần ở miệng ra P Ho 2g uat T y th am K h Xá c đònh cộ t áp củ a bơm và tổn DH tStrên đường ống đẩy Biế t độ cao giữ a 2 bể chứ a thấ u p g ruo n HT = 68m; đườn g kính ốn g hú t và đườn g kính ống đẩy bằn g nhau t©T h yrig Cop Hình 2. 7 Đáp số : H = 80m ; h wh 10,495m Bài II-4 Xá c đònh công suấ t củ a mộ t động cơ kéo bơm, lưu lượng Q = 400l/s có độ cao hút z h = 3,5 . TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 28 Hay m,,.,, g v g v Z pp hh a 54405401310 22 2 2 2 22 Từ công thức: 23 2 2 2 323 pp g2 vvpp yH Vậy. TP. Ho Chi Minh Chương II.Khái niệm chung về bơm 26 CKw 2 2 hh Hh g2 v zH (2. 20) Vậy chiều cao hút cho phép của bơm là: w 2 2 CKh h g2 v Hz (2. 21) Nếu không. g2 vp z g2 vp yzH 2 22 h 2 33 h g2 vvpp yH 2 2 2 323 (2. 1) Trong đó: p 2 , p 3 – là các áp suất tuyệt đối CKa2 p p p ; AKa3 p p p p CK ,