Bài tập và đồ án môn học máy bơm và trạm bơm

Lời nói đầu uốn "Bài tập và đồ án môn học" do Bộ Môn Máy bơm và Trạm bơm trường Đại học Thuỷ Lợi biên soạn dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên các ngành thuỷ lợi, các hệ chính quy v

Bé m«n m¸y b¬m vμ tr¹m b¬m

BÀI TẬP VÀ ĐỒ ÁN MÔN HỌC M¸Y B¥M Vµ TR¹M B¥M

Biên soạn: NGUYỄN CÔNG TÙNG

Nhµ xuÊt b¶n Tõ ®iĨn B¸ch khoa

Hµ Néi - 2006

Mục lục

Trang

Lời nói đầu 7

Phần thứ nhất: Các bài tập áp dụng 9

Phần thứ hai: Các bài tập mẫu 21

Bài tập số 1 .23

Bài tập số 2 .26

Bài tập số 3 .27

Bài tập số 4 .45

Bài tập số 5 .55

Phần thứ ba: Đề tài đồ án môn học trạm bơm 63

Phần thứ tư: Hướng dẫn thiết kế đồ án môn học trạm bơm .73

A Bố trí tổng thể công trình trạm bơm .75

B Chọn lưu lượng thiết kế cho trạm bơm .76

C Thiết kế kênh .77

D Tính toán các loại cột nước cho trạm bơm .80

E Chọn máy bơm, động cơ và máy biến áp 82

F Xác định các cao trình đặt máy bơm 88

G Thiết kế nhà máy bơm 88

H ống đẩy .109

I Thiết kế bể hút 110

K Thiết kế bể tháo .111

Phần phụ lục: .115

Phụ lục 1: Độ cao áp lực khí trời phụ thuộc cao trình nơi đặt trạm bơm 117 Phụ lục 2: áp lực bốc hơi của các chất lỏng phụ thuộc nhiệt độ 117

Phụ lục 3: Tính tổn thất cột nước của đường ống .117

Phụ lục 4: .124

Phụ lục 5: Các hình vẽ tham khảo .125

Lời nói đầu

uốn "Bài tập và đồ án môn học" do Bộ Môn Máy bơm và Trạm bơm

trường Đại học Thuỷ Lợi biên soạn dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên các ngành thuỷ lợi, các hệ chính quy và tại chức của trường

C

Cuốn sách gồm 4 phần chính và 1 phần phụ lục:

Phần thứ nhất bao gồm các đề bài tập mà sinh viên cần phải vận dụng các kiến thức đã học được để thực hiện nhằm hiểu sâu hơn về đặc tính làm việc của máy bơm và trạm bơm

Phần thứ hai là các bài tập đã được giải sẵn có tính chất làm mẫu để sinh viên tham khảo khi làm bài tập hay đồ án thiết kế môn học cũng như

đồ án tốt nghiệp

Phần thứ ba là các đề tài Đồ án môn học

Phần thứ tư nhằm hướng dẫn cho sinh viên đặc biệt là sinh viên tại chức làm đồ án môn học về trạm bơm, đồng thời cũng cung cấp thêm cho sinh viên một số kiến thức cụ thể mà trong giáo trình không có điều kiện trình bày đầy đủ

Phần phụ lục gồm các bảng tra cứu một số số liệu cần thiết cho tính toán thiết kế

Cuốn bài tập và đồ án môn học máy bơm và trạm bơm do giảng viên chính Nguyễn Công Tùng biên soạn, GS PTS Hoàng Lâm Viện, PTS Lê Chí Nguyện hiệu đính và được Bộ Môn Máy Bơm và Trạm Bơm đóng góp

ý kiến

Người biên soạn

GVC Nguyễn Công Tùng

PhÇn thø nhÊt

C¸c bμi tËp ¸p dông

Hình 1-1: Sơ đồ bố trí tổ máy bơm

Đề 2

Một tổ máy bơm được lắp như hình 1-2 Động cơ nối trực tiếp với máy bơm không qua thiết bị truyền động, đường kính chỗ vào và chỗ ra máy bơm D1 = 1100mm; D2 = 900mm

Khi máy bơm làm việc người ta đo được lưu lượng Q = 1,2m3/s Số đo trên chân không kế thứ nhất HCK = 2,8m và chân không kế thứ hai H'CK = 1,35m

ηt: Hiệu suất của tổ máy ηt = ηb ηđc ηtrd

ηtrd: Hiệu suất truyền động ở đây động cơ và bơm nối cứng nên ηtrd = 1,0

Hình 1-2: Sơ đồ bố trí tổ máy bơm

Đề 3

Một máy bơm có đường kính chỗ vào D1 = 250mm, đường kính chỗ ra D2 = 200mm đặt ở cao trình (hình 1-3) Zđm = +8,0m, bơm nước từ bể hút có cao trình Zh = +10,0m lên bể tháo có mực nước Zt = +60m

1) Để đo áp lực ở chỗ vào 1 và chỗ ra 2 của máy bơm người ta lắp loại đồng hồ gì? Vì sao?

2) Nếu vị trí đồng hồ như hình vẽ; số đo trên đồng hồ 1 là 3,0kg/cm2 và đồng hồ 2

là 60 kg/cm2 Lưu lượng đo được Q = 250 l/s Tính cột nước bơm

Hình 1-3: Sơ đồ bố trí tổ máy bơm Hướng dẫn:

Câu 2: Cần chú ý đến vị trí đo của các đồng hồ 1 và 2

Đề 4

Một máy bơm có đường đặc tính như hình vẽ (hình 1-4)

1) Máy bơm đó là loại máy bơm gì? Vì sao?

2) Giải thích các đường quan hệ trên biểu đồ Các đường quan hệ đó biểu thị các tính năng gì?

Hình 1-4: Đường đặc tính máy bơm 28B-12, n = 600 v/f

3) Nếu cột nước cần là H = 60m, máy bơm sẽ bơm được lưu lượng bằng bao nhiêu? Công suất và hiệu suất bơm bằng bao nhiêu?

4) Nếu cột nước cần là H1 = 65m, H2 = 50m thì Q1, Q2, N1, N2, η 1, η2 bằng bao nhiêu? Từ đó nêu nhận xét về các đường đặc tính máy bơm trên

1) Máy bơm BП-60 trên là loại máy bơm gì?

2) Hãy giải thích các đường quan hệ trên biểu đồ đường đặc tính

3) Khi cột nước bơm H = 6,5m Máy bơm phải làm việc với góc độ cánh quạt nào

để có hiệu suất lớn nhất Trong trường hợp đó các thông số Q, N, η bằng bao nhiêu? 4) Với góc cánh quạt θ = 160, khi cột nước H thay đổi H = 3, 4, 5, 6, 7, 8 m thì Q,

N, η bằng bao nhiêu? Vẽ biểu đồ quan hệ đó N = f(Q), η = f (Q) và cho nhận xét 5) Vẽ phạm vi làm việc của máy bơm để cho η ≥ 75%; N≤ 95 kW

Hướng dẫn:

Phạm vi làm việc của máy bơm để cho η ≥ 75%; N ≤ 95 kw là vùng được giới hạn bởi các đường η = 75% và N= γ.Q.H=9

η 5kW

Hình 1-5: Đường đặc tính máy bơm BΠ-60

Đề 6

Đường đặc tính máy bơm OB5-47, n = 960 v/ph biểu thị ở hình 1-6

1) Khi cần bơm với cột nước Hyc = 8,5m; Qyc = 0,88 m3/s thì góc cánh quạt máy bơm sẽ được chọn bằng bao nhiêu?

2) Nếu trạm bơm có cột nước thiết kế Htk = 8,0m, lưu lượng trạm thiết kế Qtk = 5m3/s Phải dùng bao nhiêu máy bơm loại OB5-47 và góc cánh quạt bằng bao nhiêu là thích hợp?

3) Vẽ phạm vi làm việc của máy bơm để cho η ≥ 80%; N ≤ 100 kW

Hình 1-6: Đường đặc tính máy bơm OB5-47

2) Vẽ họ đường đặc tính H = f(Q), η = f(Q) và ΔH = f(Q) ứng với góc cánh quạt θ =

n: số vòng quay trong 1 giây (v/s)

D: đường kính bánh xe cánh quạt của máy bơm

kế

HTK = 8,0m; cột nước lớn nhất Hmax = 9,5m; cột nước nhỏ nhất Hmin = 6,5m Tổn thất trong ống hút sơ bộ lấy bừng Htoh = 0,50 Nhiệt độ nước t0 = 250C Độ dìm bánh xe cánh quạt yêu cầu hsyc = -1 (m)

ống hút bằng thép, đường kính Dh = 300 mm, dài Lh = 20 m, trên đó có lắp một van đáy (D = Dh) kiểu cánh bướm có lưới chắn rác, một cút cong 900 (R = Dh) (bỏ qua tổn thất co hẹp từ ống hút vào máy bơm)

Hình 1-9: Đường đặc tính máy bơm 10Д-6

2) Nếu máy bơm trên đã đặt ở cao trình Zđm = 365m Kiểm tra khi làm việc với mực nước Zh = 360m máy bơm có khả năng sinh ra khí thực không?

Đề 11

Một máy bơm kiểu 12Д-13, n = 1450 v/ph có đường đặc tính biểu thị ở hình 1-8 ống hút bằng thép dài 20m có đường kính Dh = 350mm Trên đường ống hút có lắp một van đáy có lưới chắn rác, một cút cong 600 và một cút cong 300

ống đẩy bằng thép dài Lđ = 300n, đường kính Dđ = 300mm có lắp một van thẳng, một van 1 chiều, hai cút cong 300 Miệng ra ống đẩy có lắp nắp bản lề trên Dra = 400mm 1) Tìm điểm công tác của máy bơm khi mực nước bể tháo Zt = +45m, mực nước

Vẽ lại đường đặc tính H = f(Q), η = f(Q) và xác định công suất trục bơm N

3) So sánh hai cách điều chỉnh trên và cho nhận xét

Hướng dẫn:

Câu 1: Dùng phương pháp điều chỉnh bằng van trên đường ống đẩy thì đường H =

f(Q) sẽ không thay đổi Từ đó xác định cột nước bơm và các thông số khác theo Qyc

Câu 2: Vẽ đường η = f(Q) theo giả thiết hiệu suất của các điểm tương ứng nằm

Đề 13

Hình 1-10: Sơ đồ lắp song song

Dùng hai máy bơm 10 Д-6 ở đề 10 làm việc

chung trên một đường ống đẩy (ghép song song)

- Tổn thất cột nước ở ống đẩy chung (đoạn MN) ht MN = 167Q2

1) Vẽ đường đặc tính khi làm việc chung hai máy bơm 10 Д-6 khi lắp đặt như trên

2) Tìm điểm công tác chung và điểm công tác riêng của hai máy bơm

Hướng dẫn:

Câu 1: Vẽ đường đặc tính làm việc chung theo trình tự sau:

- Vẽ đường đặc tính ống nước đoạn OM: HOM = ZM - ZH + 89Q2

- Tìm cột nước bơm tại M(HM) bằng cách lấy đường đặc tính H = f(Q) trừ đường

HOM = f(Q) : HM(Q) = H(Q) - HOM(Q)

- Giữ nguyên tung độ HM, cộng hoành độ Q sẽ vẽ được đường đặc tính làm việc chung: HM (I+II) = f(Q)

Câu 2: Tìm điểm công tác chung:

- Vẽ đường đặc tính đường ống đẩy chung:

HMN = Zt -ZM + 167Q2

- Điểm cắt nhau của hai đường HMN = f(Q) và HM(I+II) = f(Q) là điểm công tác chung

PhÇn thø hai

C¸c bμi tËp mÉu

bμi tập số 1

Đề: Xác định cột nước toàn phần H của máy bơm theo các số liệu dưới đây:

a % Lưu lượng của máy bơm Qb = 60 l/s

V V h

2 bh

2 bt ms

ư + ΣTrong công thức trên:

- hđh: cột nước địa hình của máy bơm có giá trị bằng hiệu số giữa hai cao trình mực nước ở bể tháo và bể hút

hđh = ∇bt -∇bh = 70 - 26 = 44m

-Σhms: tổng tổn thất cột nước vì ma sát trên đường ống hút và ổng đẩy của máy bơm (bao gồm tổn thất cục bộ và tổn thất dọc đường)

Σhms = Σhmsoh + Σhmsđ

a) Tổn thất trên đường ống hút bao gồm:

1 Tổn thất qua van đáy có lưới chắn rác:

hc1 = ξ 12

đ

V 2gVan đáy có đường kính Dđ = 300 mm nên ξđ = 3,7 [1]

Vt tốc độ chảy qua van đáy:

V 2g ξ

Tổng tổn thất trên đường ống hút:

∑hmsoh = hc1 + hc2 + hd = 0,14 + 0,084 + 0,216 = 0,44m

b Tổn thất trên đường ống đẩy bao gồm:

hc2 =

2 2 c

V 2g ξ

D 1

hd = Error!x l x Q2 = 0,00631 x 0,2 x 602 = 4,543m Tæng tæn thÊt trªn ®−êng èng ®Èy:

2- Hệ số công suất của động cơ cosϕ = 0,89

3- Hiệu suất của động cơ ηđc = 90,6%

4- Động cơ nối trực tiếp với máy bơm ηtr = 1

Vì động cơ nối trực tiếp với trục máy bơm nên công suất tại trục của máy bơm cũng bằng Nb = Nđc = 31,8 kW

2) Hiệu suất của máy bơm xác định theo công thức:

hq

% b tr

N 100 N

Ntr: Công suất tại trục của máy bơm Ntr = Nb = 31,8 kW

Nhq: Công suất hiệu quả của máy bơm, xác định theo công thức:

Nhq = 9,81 x Q x H (kW) Theo sơ đồ lắp máy bơm ở hình 2-2 thì cột nước H của máy bơm xác định theo công thức:

Với

3 ak

ak

ck ck

xD 3,14x0, 25 4xQ 4x0,13

1 Đảm bảo cung cấp đúng theo lưu lượng thiết kế và cột nước thiết kế (điểm công tác nằm trên đường đặc tính Q ∼ H)

2 Làm việc ở khu vực có hiệu suất cao nhất

3 Đảm bảo chống được khí thực tốt nhất

4 Vốn đầu tư xây dựng trạm ít nhất (kích thước máy bơm gọn nhẹ)

5 Tiền quản lý hàng năm ít nhất (dễ sửa chữa, công suất nhỏ)

6 Được chế tạo hàng loạt (giá tiền mua máy sẽ giảm)

Dưới đây là những thí dụ trình bày cách chọn và cách xử lý khi chọn loại máy bơm có trạm bơm

Thí dụ 1:

- Cột nước thiết kế HTK = 30 m

- Lưu lượng thiết kế QTK = 70 l/s

chọn một trong hai loại máy bơm sau:

(G: trọng lượng máy bơm có thể tìm thấy trên bảng số liệu kỹ thuật máy bơm)

b) Theo biểu đồ sản phẩm (hình 2-18) ta lại chọn được loại máy bơm 5H ДB có

số vòng quay n = 1450 v/ph Điểm công tác của máy bơm đó sẽ là:

29+ Máy bơm 8K-12 có hiệu suất lớn hơn 12%, công suất trục nhỏ hơn 20,3%; chiều cao chân không cho phép của máy bơm lớn hơn 1,5m, trọng lượng máy bơm nhẹ hơn

91 kg, kích thước sẽ nhỏ hơn, giá thành xây dựng sẽ giảm đi

+ Máy bơm 5HДB có nắp mở ngang nên tháo, lắp dễ dàng, nước chảy vào bánh

xe công tác bằng hai cửa ở hai phía nên phản lực ở dọc trục được trung hoà, ít hư hỏng nhưng giá thành đắt hơn

đều nằm ngoài đường đặc tính Q ∼ H của mỗi loại máy bơm

Hình 2-5: Đường đặc tính của máy bơm li tâm hai cửa nước

vào 10Д-6, n = 1450 v/ph

Để làm giảm bớt yêu cầu này ta có thể:

1 Giảm bớt số vòng quay n của máy bơm, nhưng không nên giảm quá nhiều vì sử dụng động cơ công suất lớn làm việc với tải trọng nhẹ sẽ không kinh tế

2 Gọt đường kính bánh xe công tác của máy bơm (chỉ sử dụng cho máy bơm li tâm với mức độ gọt cho phép)

→ Mức độ gọt lớn nhất phụ thuộc vào tỷ tốc ns của máy bơm

Hình 2-6: Đường đặc tính của máy bơm li tâm hai cửa nước

vào 12 Д - 9, n = 1450 v/ph

Trong thí dụ này chúng ta dùng phương pháp gọt đường kính bánh xe công tác của máy bơm 10Д - 6 để máy bơm đó cung cấp chính xác lưu lượng và cột nước thiết kế

mà đề bài đã yêu cầu:

a) Trước hết phải tính đường kính bánh xe công tác cần thiết (sau khi gọt) tỷ lệ % gọt và vẽ lại đường đặc tính ứng với đường kính mới của máy bơm 10Д - 6; n = 1450 v/ph

Từ kí hiệu máy bơm Liên Xô (cũ) 10Д - 6 ta có:

Như vậy cho phép gọt đường kính bánh xe công tác của máy bơm 10Д-6

c) Vẽ lại đường đặc tính của máy bơm 10Д-6, n = 1450 v/ph ứng với đường kính mới Dg = 417 mm Sử dụng các công thức gần đúng sau để vẽ lại đường đặc tính máy bơm:

N

i N i N 0, 73N N

Q

- Máy bơm có ns = 60 v/ph, mức độ gọt 10,3% nên hiệu suất sẽ giảm đi 1%

- Vì số vòng quay của máy bơm không đổi (n = 1450 v/ph) mà ta chỉ gọt đường kính ở cửa ra của bánh xe công tác nên không làm tăng hoặc giảm áp lực ở cửa vào của bánh xe, do đó cột nước chân không cho phép [H]CK của máy bơm không thay

đổi Kết quả tính lại đường đặc tính của máy bơm ghi ở bảng dưới:

Dựa vào kết quả trong bảng ta sẽ vẽ được đường đặc tính mới của máy bơm

10Д-6, n = 1450 v/ph, Dg = 417 mm trình bày bằng đường chấm (hình 2-5)

Trên các biểu đồ sản phẩm ta thấy không có một loại máy bơm nào thoả mãn các

số liệu thiết kế trên Trong trường hợp này ta phải chọn máy bơm ở gần điểm thiết kế nhất làm mẫu, rồi hoặc thay đổi số vòng quay n hoặc gọt bánh xe công tác để máy bơm đáp ứng được yêu cầu thiết kế Nếu áp dụng phương pháp thay đổi số vòng quay

n thì nên chọn máy bơm nào chỉ cần giảm số vòng quay xuống một chút, vì trong trường hợp này không cần phải có sự thoả thuận của nhà máy chế tạo máy bơm và độ bền, còn trường hợp tăng số vòng quay thì phải được sự thoả thuận của nhà máy

Trong bài này chúng ta chọn máy bơm 10Д - 9 có số vòng quay n = 1450 v/ph làm máy bơm mẫu, sau đó giảm số vòng quay để máy bơm 10Д - 9 cung cấp đủ lưu lượng thiết kế QTK = 100 l/s và cột nước thiết kế HTK = 30 m (loại máy bơm này tra trên biểu đồ sản phẩm hình 2 - 18)

Trước hết phải tìm số vòng quay mới và vẽ lại đường đặc tính tương ứng với số vòng quay đó cho máy bơm 10Д-9

Khi thay đổi số vòng quay thì các đường đặc tính của máy bơm sẽ thay đổi tuân theo định luật đồng dạng, biểu thị bằng các hệ thức sau:

33n: Số vòng quay của máy bơm mẫu n = 1450 v/ph

- nTK: Số vòng quay mới cần phải tìm để máy bơm đáp ứng đ−ợc yêu cầu thiết kế

Từ công thức đồng dạng trên có thể xác định:

tk tk tk

Qi, Hi, Ni, [HCKi] là lưu lượng, cột nước, công suất và độ cao chân không cho phép của máy bơm mới 10 Д-9 có số vòng quay NTK = 1450 v/ph

in = Error! = 0,835;

2 n

i = 0,70;

3 n

i = 0,58 Kết quả tính toán ghi ở bảng dưới

[HCK] (m)

η (%)

Qi(l/s)

Hi(m)

Ni(kW)

[HCKi] (m)

η (%)

Hình 2-7: Đường đặc tính của máy bơm ly tâm hai cửa nước vào 10 Д-9

Điểm công tác của máy bơm 10 Д-9 ; n = 1210 v/ph là:

KH = Error!; Kq = Error!; KΔh = Error!

Trong công thức đó:

n': Số vòng quay của bánh xe trong 1 giây

D: Đường kính bánh xe công tác của máy bơm (m)

KH, Kq, KΔh hệ số cột nước, hệ số lưu lượng và hệ số độ dư khí thực

H, Q, Δh là cột nước, lưu lượng, độ dư khí thực cho phép của máy bơm cần phải tính toán

Hình 2-8: Đường đặc tính không thứ nguyên của máy bơm hướng trục OII3

Dựa vào các công thức trên ta xác định các công thức H, Q và Δh cho máy bơm OΠ3 - 145; n = 428 v/ph và vẽ đường đặc tính kỹ thuật của máy bơm đó

Giả thiết hiệu suất η không thay đổi, để vẽ được dễ dàng không bị nhầm lẫn ta lấy

Kq, KH ở giao điểm của η với đường KH ∼ Kq và giao điểm của KΔ h với đường KH ∼

Kq của từng góc nghiêng cánh quạt θ Kết quả tra và tính toán ở bảng 4a, 4b, 4c, 4d Theo số liệu của hai bảng 4c, 4d vẽ lên cùng một biểu đồ ta sẽ được đường đặc tính kỹ thuật có thứ nguyên của máy bơm OΠ3 - 145, n = 428 v/ph (hình 2-9)

Đường đặc tính không thứ nguyên của máy bơm OΠ3

làm máy bơm mẫu có điểm công tác ứng với hiệu suất cao nhất ηmax = 0,87 là QmA =

HmA = 13m; nm = 585 v/ph đường kính bánh xe công tác Dm = 0,87 m

Dựa vào công thức của định luật đồng dạng tính các tham số cơ bản của máy bơm mới như vòng quay n, đường kính bánh xe công tác và vẽ đường đặc tính kỹ thuật của máy bơm mới đó

Q = 3 x iD

i n x Qmi = 1,193 x 0,76 x Qmi = 1,29 Qmi

H = 2 x x HD

η = 1 - (1 - ηmi) x 0,98 Trong các công thức trên:

Q, H, Δh, η là lưu lượng, cột nước, độ dư khí thực cho phép và hiệu suất của máy bơm mới OΠ2-104, n = 445 v/ph Qmi, Hmi, Δhmi, ηmi là lưu lượng, cột nước, độ dư khí thực cho phép và hiệu suất của máy bơm mẫu OΠ2-87, n = 585 v/ph

Hình 2-10: Đường đặc tính kỹ thuật của máy bơm hướng trục đứng

OΠ2 - 87, n = 585 v/ph