Bơm, quạt cánh dẫn

Phân loạia Theo nguyên lý tác dụng Ỉ3ơm, quạt được phân thành hai loại chủ yếu: —Bơm, quạt cánh dẫn thực hiện trao đổi năng lượng với dòng chất lòng chuyển động qua máy nhờ tác dụng lực

GS.TS LÊ DANH LIÊN

BƠM, QUẠT CÁNH DẪN

GS TS LÊ DANH LIÊN

BƠM, QUẠT CÁNH DẨN

NHÀ XUÁT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI

Bản quyền thuộc về trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Mọi hình thức xuất bản, sao chép mà không có sự cho phép bằng vãn bàn cùa trường là vi phạm pháp luật.

Mã số: 128 - 20I 4/CXB/6I - OÌ/BKHN

Iỉiẻn mục trén \u âí ball pỉìẩm của Thư viện Quốc gia Việt Nam

Lô Danh Liên

Bơm, quạt cánh dẫn / Lê Danh Liên - H : Bách khoa Hà Nội, 2014 - 420tr.; 24cm

LỜI NÓI ĐÀU

Môn học Bơm, quạt cánh dẫn là một trong các môn học chính cùa ngành đào tạo Máy và Tự động thủy khí Đẻ phục vụ cho công tác đào tạo theo tín chi và góp phần nâng

cao chất lượng đào tạo, tác già biên soạn và xuắt bản giáo trình Bơm, quạt cánh dẫn làm

tài liệu học tập chính thức cho sinh viên ngành Máy và Tự động thủy khí.

Giáo trình này cỏ thể dùng làm tài liệu học tập và tham khảo cho sinh viên các ngành Cơ khí, Xây dựng, Máy Năng lượng và một số ngành khác Giáo trình cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho các cán bộ kỹ thuật làm những công việc lien quan tới các máy bơm, quạt là các thiết bị được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân.

Để đáp úng yêu cầu nâng cao chắt lượng đào tạo và tham khảo cho sinh viên, cán bộ kỹ thuật làm việc trong các lĩnh vực ngành nghề liên quan, tác giả đã cố gắng giơi thiệu nhừng kiến thức cơ bàn, các phương pháp tính toán thiết ké được ứng dụng trong thực tế sản xuất và những kết quả nghiên cứu gần đây nhất.

Tác giả chân thành cám ơn sự dóng góp ý kiến quý báu cúa các bạn đồng

nghiệp, các thầy cô giáo trong Bộ môn Máy va Tụ động thủy khí, Viộn Cơ khí Động

lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Ban Biên tập Nhà xuất bản Bách Khoa - Hà Nội cho việc in ấn và xuất bản giáo trình này.

Vì thời lượng cỏ hạn và là tài liệu xuất bản lần đầu tiên nên giáo trình chẳc chẳn khỏng tránh khỏi sai sót Chủng tồỉ rất mong nhận được nhieu ý kiến đỏng góp cùa bạn đọc.

Mọi ý kiến xin gửi về Bộ môn Máy và Tự động thủy khí, Viện Cơ khí Động lực, Trường Dại học Bách Khoa Hà Nội, số 1 - Đại cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội.

Tác giả

GS TS Lê Danh Liên

MỤC LỤC

LỜI NÓI D人u 3

CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM C ơ BẢN VÈ BƠM, QUẠT CẢNH DẢN …13 1.1 Định nghĩa và phân lo ại 13

1.1.1 Định nghĩa 13

1.1.2 Phân loại 14

1.2 Cac thông số làm viẹc cơ bản của bơm, q u ạ t 16

1.2.1•しưu lượng 16

1.2.2 Cột áp 16

12 .0 v^ong suất và hiẹu suất của bơm, quạt 17

1.3 Cong dụng và lĩnh vực sử dụng ciía bcrni， q u ạt 19

CHƯƠNG 2 C ơ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BƠM, QUẠT CÁNH D Ả N 22

2.1 Giỏi thiệu c h u n g 22

2.2 Sơ đồ két cấu và nguyên lý tác dụng của bơm quạt cánh a a n 23

2.2.1.Sơ đồ két cấu của bơm quạt cánh dán 23

2.2.2 Nguyên lý tác dụng của bơin, quạt cánh dẫn 24

2.3 Cac lý thuyét cơ nan về bơm, quạt cánh d ẫ n 25

2.4 Phương trình cơ bản cua máy cánh a a n 27

2.5 Ảnh hirong cua số cánh dẫn hữu hạn toi cột áp của m á y 33

2.6 Ảnh hưởng của chiều dày cánh dẫn tói sự phân bố vận tốc CIỈ9 clòng chất lỏ n g 37

2.7 Ảnh hưỏTìg ciia két cấu cánh dẫn toi cột áp của bom và q u ạ t 39

2.7.1 Anh hường của góc P| 40

2.7.2 Ảnh hường của góc P2 40

2.8 Hệ số phản lực cua cánh d ẫ n 45

2.9 ^ ọ t áp thực ciia hơm quạt cánh d ẫ n 46

2.10 Đuờng đặc tính của boin, quạt cánh d ẫ n 47

2.10.1 Đường đặc tính lý thuyết Hitoo- Qu của bơm, quạt cánh d ẫ n 47 2.10.2 Đường đặc tính làm việc lý thuyết (H - Q) của bơm, quạt cánh dẫn 49

CHI ONG 3 LUẬT TUƠNG TỤ TRONG BƠM, ỌUẠT CANH DÁN,

m $ N TƯỢNG XÂM THỤC V 入 ĐIÈU KIỆN TƯƠNG T ự

XÂM T H Ụ C 52

3.1 Oiều kiện tưong tự 52

3.1.1 Điều kiẹn tương tự hình học 52

3.1.2 Điều kiẹn tương tự động h ọ c 53

3.1.3 Đicu kicn tương tự động lực 53

3.2 Cac phuơng trình tưong tự của bom, quạt cánh aan 55

3.2.1 Phương trinh tương tự lưu lượng 55

3.2.2 Phương trinh tương tự cột á p 56

3.2.3 Phương trình tương tự công su ấ t 57

3.2.4 Hộ số vận tố c 58

3.3 Số vòng quay đặc trưng cùa boTìi, quạt cánh dẫn và phân loại 60

3 3 1 vòng quay đặc trưng của bánh công tác của bơm 60

3.3.2 Số vòng quay aạc trưng của bánh công tác của q u ạt 61

3.3.3 Pnan loại bánh công tác theo số vòng quay đặc trưng 03

3.4 Ftiẹn tuựng xâm thực trong bơm 64

3.4.1 Bàn chất vật lý của hiẹn tượng xâm thực 64

3.4.2 Cột áp hút và chicu cao hút của bơm 66

3.4.3 Đieu kiẹn tương tự xâm thực và hệ số xâm thự c 70

3.4.4 Biện pháp ngan ngừa và giam xâm thực 75

CHƯÍTNG 4 BƠM LY T Â M 77

4 1 Ket cấu và nguyên lý làm viẹc của b(rm ly tâm 77

4.2 Phần loại honi ly tâ m 79

4.3 Phưoiig trình cột áp và lun luơng cúa bơm ly tâm 81

4.3.1 Cột áp cùa bơm ly tâm 81

4.3.2 Lưu lượng của bơm ly tâ m 81

4.4 Ton thất và hiệu suất trong bơm ly tâm 82

4.4.1 Tổn thất cơ khí 82

4.4.2 Tổn thất lưu lượng 84

4.4.3 Tổn thất thủy lực 88

4.5 Dường đặc tính thực nghiệm của b(rm ly tâm 91

4.5.1 Thí nghiệm xây dựng đường đặc tính thực nghiệm của bơm ly tâm 91 4.5.2 Các dạng đường đặc tính thực nghiệm của bơm ly tâm 96

4.6 Các đường đặc tính tương đối và các đường đặc tính không thứ nguyên của bơm ly tâm 99

4.7 Đưòng đặc tính xâm thực của bom ly tâm 101

4.8 Lực tác dụng lên bánh công tác của boiìi ly tâm và cân bằng lực 103

4.8.1 Trọng lực và lực quán tính 103

4.8.2 Lực hướng trục tác dụng lẽn bánh công tác của bơin ly tâm và cân bằng lực 105

4.8.3 Lực hướng kính tác dụng lẽn bánh công tác cùa bam ly tâm và cân bằng lực 112

4.9 Những vấn đề liên quan đén việc sử dụng b(mi ly tâ m 115

4.9.1 Các yêu cầu đối với việc chọn và sử dụng b ơ m 115

4.9.2 Biộn pháp thay đổi thông số hình học của bánh công tác đáp ímg nhu cầu sử dụng bơm 117

4.9.3 Những sự cố thường xày ra trong quá trình vận hành bơm và nguyên nhân 118

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT KẺ SÁNH CÔNG TẢC CỦA BƠM LY T Â M 120

5.1 Tính toán thiết kế bánh công ỉác của bom ly tâm dạng cánh trụ 120

5.1.1 Tính toán các thông số làm việc cơ bản cùa bánh công tá c 120

5.1.2 Tính các kích thước vào chính của bánh công tá c 122

5.1.3 Tính các kích thước ra chính cùa bánh công tác 125

5.1.4 Xây dựng tiết diện kinh tuyến của bánh công tá c 129

5.1.5 Tính toán xây dựng biên dạng cảnh bánh công tác bơm ly tâm dạng cánh trụ 130

5.2 Tính toán xẳy dựng biên dạng cánh bánh công tác bom ly ỉâm dạng cánh cong hai ch iều 132

5.2.1 Phương pháp xây dụng đường dòng đẳng tố c 133

5.2.2 Phương pháp xây dựng đường dòng đẳng th ế Ị 35 5.2.3 Xây dựng biên dạng cánh bánh công tác bơm ly tâm dạng cánh cong hai chiều bằng phương pháp điểm 138

5.2.4 Xây dựng biên dạng cánh bánh công tác bơm ly tâm dạng cánh cong

hai chiều bằng phương pháp Bauersfelđơ 139

5.2.5 Xây dựng biên dạng cánh bánh công tác bơm ly tâm dạng cánh cong hai chiều bằng phưomg pháp biến hình bảo giác (BHBG) 141

5.2.6 Ví dụ tính toán thiết kế bánh cỏng tác ly tâm cánh tr ụ 150

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THIẾT KÉ c ơ CÁU DẢN DÒNG CỦA BƠM LY T Â M 158

6.1 Két cấu, công dụng và tính toán cơ cấu dẫn dòng r a 158

6 1 1 Kct cấu, công đụng cùa ca cấu dẫn dòng ra 158

6.1.2 Đặc tính của cơ cắu dẫn dòng xoắn 162

6.1.3 Chuyồn động cùa chất lỏng trong buồng xoắn 164

6.1.4 Quan hệ của lưu lượng chất lỏng qua các tiết diện của buồng xoắn với góc bao của tiết diện 165

6.1.5 Lưu lượng chất lòng chày rua tiết diện buồng xoắn có hình dạng bất k ỳ 166

6.1.6 Tính buồng xoắn theo quy luật rVu = co n st 168

6.1.7 Tính toán máng dẫn dòng cánh 170

6.2 Ket cấu, công dụng và tính toán cơ cấu dân dòng v ào 175

6 2 1 Kết cấu và công d ụ n g 175

6.2.2 rinh toán cơ cấu dẫn dòng vào nửa xo ắn 178

CHUÔNG 7 BƠM HƯỚNG TRỤC VÀ HƯỚNG C H É O 181

7 1 Ket cấu và lìỊỊiiyên lý làm việc ciía hơm hirớng true 181

7.2 Lưới thắng các prôphin, tam giác vận tốc của dòng chất lỏng ở lốỉ vào và lối ra cúa bánh công tá c 184

7.2 1 Lưới thẳng các prôphin 184

7.2.2 Tam giác vận tốc của dòng chất lòng ờ lổi vào và lối ra cùa bánh công tác 185

7.3 Lưu số vận tốc bao quanh prôphin trong lư ói 186

7.4 Lực nâng tác dụng lên prôphin lưới trong chảy bao của dòng chất lỏng lý tưỏTig, định lý Giu-cốp-ski về lực nâng 187

7.5 Lực nâng tác dụng lên prôphỉn lưới trong chảy hao của dòng

chất lỏng thực 190

7.6 Dặc tính khí động lực học của cánh d o n 191

7.7 Cột áp của boTĩì hưóìig trục 195

7.7.1 Phương trình cơ bản của máy cánh dẫn áp dụng đổi với bơm hướng trục 195

7.7.2 Sự phân bố cột áp theo bán kính 196

7.8 Quan hệ gỉữa cột áp của bơm vói lưu số vận tấc và đặc tính khí động của cánh 199

7.8.1 Quan hệ giữa cột áp với lưu số vận tốc bao quanh prôphin cánh 199

7.8.2 Quan hệ giữa cột áp với đặc tính khí động của cán h 200

7.9 Hiệu suất ciìa lirói cánh 201

7.10 Tổn thất và hiệu suất trong bcmi hướng trục 201

7.10.1 Tổn thất cơ khí 202

7.10.2 Tổn thất lưu lượng 202

7.10.3 Tổn thắt và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục 202

7.11 Đưòng đặc tính thực nghiệm cua boin hướng trụ c 203

7.11.1 Đường đặc tính làm việc 203

7.11.2 Đường đặc tính tồng hợp của bơm hướng trục 205

7.12 Hiện tượng xăm thực và chọn số vòng quay làm việc cho phép của bơm hưứng trụ c 206

7.12.1 Hiện tượng xâm thực trong bơm hướng trụ c 206

7.12.2 Xác định số vòng quay làm việc giới hạn của bcym hưcýng trục 208

7.13 Lực hướng trục tác dụng lên rôto trong b(nn hướng trục 209

7.14 Cơ cấu dẫn dòng ra của bơm hướng trục 210

7.15 Bơm hưứng chéo 212

7.15.1 Các khái niệm cơ bản và các sơ đồ kết cấu của bơm 212

7.15.2 Cột áp cùa bánh công tác hướng chéo 214

7.15.3 Dạng đường đặc tính cột áp của bơm hướng chéo 215

CHƯƠNG 8 TÍNH TOÁN THIẾT KÉ BƠM HƯỚNG TRỤC V 入 BƠM

HƯỚNG CH ÉO 216

8.1 Khái quát về các phưoìig pháp tính toán thiết kế cánh tronp boTTầ hướng trục 210

8.2 PhircmíỊ pháp lụ-c nâng tính toán thièt kế cánh cong tác và cành hướng dòng của hom hu-ớng trục 218

8.2.1 Cơ sờ lý thuyết cùa phương pháp 218

8.2.2 Tính toán bánh công tác bơm hướng trục theo phương pháp lực nâng 220 8.2.3 Tính cánh hướng dòng của bơm hướng trục 226

8.2.4 Ví dụ tính bánh công tác và cánh hướng dòng của bơm hướng trục theo phương pháp lực nâng 228

8.3 Phương pháp vỏzơnhexenskỉ - Pêkin tính toán thiết kế cánh công tác và cánh hirứng dòng của berm hướng trục 232

8.3.1 Cơ sờ lý thuyết của phương pháp 232

8.3.2 Nội dung tính toán bánh công tác bơm hướng trục theo phương pháp Vôzơnhexenski- Pêkin 236

8.3.3 Tính cánh hướng dòng bơm hướng trục theo phương pnap Vôzơnhcxenski- Pêkin 245

8.3.4 Ví dụ tính bánh công tác và cánh hướng dòng bơm hướng trục theo phưcmg pháp phương trình tích phân của Vôzơnhcxenski - Pekin 247

8.4 Tính toán thiết kế cánh công tác và cánh hướng dòng của boìii hướng ch éo 258

8.4.1 Xác định hình dạng tiết diộn kinh tuyến bánh công tác hướng chco 258 8.4.2 Phương pháp thièt kc banh công tác vóâ viẹc sử dụng tổng hợp phương pháp dòng tia và phương pháp chia lươi 259

8.4.3 Phương pháp thiet kế bánh công tác hướng chéo sử dụng lươi thẳng động học các prôphin 261

8.4 4 1 inh toán và thiet kế cơ cấu dẫn dòng r a 263

CHƯƠNG 9 BƠM X O Á Y 264

9 1 KẾt cấu và nguyên lý làm việc của bơm xoáy 264

9.1.1 Giơi thiẹu chung về bơm xoáy 264

9.1.2 Bơm ly tâm xoáy 266

9.2 Các thông số làm việc của hom xoáy 269

9.3 Các đưong đặc tính của hơm xoáy 273

9.3.1 Đường đặc tính lý thuyết 273

9.3.2 Đường đặc tính thực nghiệm của bơm xoáy 274

CHƯƠNG 10 BƠM， QUẠT L入 M VIỆC TRONG HỆ THÓNG VÀ DIÈU CHỈNH BƠM, QUẠT 276

10.1 Dieu kiẹn làm viẹc của bom, quạt trong hệ thống 276

10.1.1 Lưu lượng yêu cầu của lươi 276

10.1.2 Cột áp của lưới 277

10.2 Dieu chinh ché độ làm việc cua bom, quạt cánh dẫn 281

10.2.1 Điều chỉnh bằng tiết lưu 281

10.2.2 Đieu chinh bằng thay doi số vòng quay làm viẹc của bơm (quạt).282 10.2.3 Điều chinh bằng cách quay các cánh dẫn xung quanh trục của nỏ 283

10.3 Sự làm việc on định của boin trong hệ thống 284

10.4 Bom và quạt làm viẹc ghép trong hộ thống 287

10.4.1 Bơm (quạt) ghép song song 2X7 10.4.2 Bơm (quạt) ghép nối tiếp 291

10.5 ủng dụng luật tương tự đé xác định ché độ làm viẹc m o i 293

10.5.1 Xác định dương đặc tính làm viẹc mơi của bơm, quạt ứng với số vòng quay làm việc mới 293

10.5.2 Xây dựng đường bieu dicn các chc độ làm vice tương tự 294

10.5.3 Xác định số vòng quay làm viẹc của bơm (quạt) ứng VƠI điem làm vice cho trước 294

10.6 Chọn bom theo các điều kiện làm viộc cho trước 295

CHƯƠNG 1 1 KÉT CÁU VÀ TÍNH BẺN CÁC C H m É T CỦA B Ơ M 301

11.1.Ket cấu của mộỉ số loại bơm cánh 301

11.1.1 Bơm thông dụ n g 301

11.1.2 Bơm g iến g 307

11.1.3 Bơm năng lượng 310

11.1.4 Bơm dầu m ò 314

11.1.5 Bơm hóa chất 316

11.1.6 Bcrm chắt lòng lẫn tạp chất 319

11.1.7 Bơm hướng trục 324

11.2 Tính hen các chi tiết của bom 326

11.2.1 Vỏ xoắn 326

11.2.2 Vỏ bơm hai lórp và vò phân đoạn của bơm nhiều cấp 328

11.2.3 Các thanh vít của nắp bơm phía đấy và tấm đ ệ m 331

11.2.4 Nẳp bơm phía đẩy 337

11.2.5 Khâu nối mặt bích 339

11.2.6 Tính toán các chi tiết vò cùa bơm phân đ o ạn 341

11.2.7 Trục b ơ m 346

11.2.8 Bánh công tá c 352

11.3 Đệm lót trong b o m 357

11.3.1 Đệm lót trục 357

11.3.2 Đệm lót bánh công tá c 365

CHƯƠNG 12 QUẠT LY T 入 M VÀ QUẠT HƯỚNG T R Ụ C 366

12.1 Khái niộm chung VC q u ạt 366

12.2 Kết cấu, nguyên lý làm việc và phân loại quạt ly tâm 367

12.2.1 Ket cấu và nguyên lý làm viẹc 367

12.2.2 Phân loại quạt ly tâ m 368

12.2.3 Một số các kct cấu đặc trung cùa quạt ly tâm được sàn xuất ờ Lien Xô trước đây 371

12.3 KẾt cấu, nguyên lý làm viẹc và phân loại quạt huóng trục 376

12.3.1 Két cấu và nguyên lý làm việc 376

12.3.2 Phân loại quạt hướng trục 378

12.3.3 Một số két cấu đặc trưng cùa quạt hưerng trục được sàn xuàt ờ Liên Xô trước đây 381

12.4 Cac thông số làm viẹc cơ bản của quạt ly tâm và hướng trụ c 383

12.4.1 Cột áp của quạt ly tâ m 383

12.4.2 Cọt áp cùa quạt hương trục 386

12.4.3 Lưu lượng của quạt 388

12.4.4 L ong suất và hiệu suất cùa quạt 390

12.5 Tổn thất trong quạt ly tâm và hưÓTìg t r ụ c 391

12.5.1 Tồn thất trong quạt ly tâ m 391

12.5.2 Tồn thất trong quạt hướng trục 395

12.6 Đưòng đặc tính cúa q u ạ t 397

12.6.1 Đường đặc tính áp suất của quạt 398

12.6.2 Đường đặc tính công suất của quạt 400

12.6.3 Đường đặc tính hiệu suất 401

12.6.4 Đường đặc tính tồng h ợ p 402

12.7 Đieu chinh lưu 丨ượng ctía q u ạ t 403

12 /.1 Đieu chinh lưu lượng cùa quạt bang phương pháp thay đoi số vòng quay làm việc 403

12.7.2 Đieu chmh lưu lượng cùa quạt bằng phương pháp tiet lư u 404

12.7.3 Điều chinh lưu lượng bằng các cánh hướng đặt trước bánh công tác 405 12.7.4 Điều chinh lưu lượng cùa quạt bằng cách quay các lá cánh cùa bánh công tác 406

12.7.5 Điều chỉnh lưu lượng cùa quạt bàng phương pháp hon họp 406

12.8 Ảnh hưong của các tạp chất cơ khí trong chất khí toi sự làm viẹc của q u ạ t 407

12.9 So sánh quạt ly tâm và quạt hướng trụ c 409

12.10 Chọn quạt cho hệ thống theo các điều kiện làm việc cho tr ư ớ c 410

12.10.1 Phương pháp chọn q u ạ t 410

12.10.2 Ví d ụ 412

TÀI LIỆU THAM KHẢO 418

Chuông 1 CÁC KHÁI NIỆM Cơ BÀN VÈ BƠM, QUẠT CÁNH DĂN

1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

áp suất mà máy ncn tạo được cho dòng khí.

Dựa vào cột áp - năng lượng dự trừ máy tạo được cho dòng khí, người ta phân biệt:

Quạt - là những máy vận chuyền chất khí và tạo được cột áp toàn phần cho

dòng khí tới 1500 mm cột nước (tương đương 1500 kG/m2 hay 14700 N/m2).

Nhừng máy tạo được cột áp toàn phần cho dòng khí từ 1500 mm cột nước tới

3500 mm cột nước và làm việc không kèm theo làm lạnh nhân tạo gọi là máy thổi Còn nhừng máy tạo được cột áp toàn phần cho dòng khí lớn hơn 3500 mm cột nước, cỏ bậc nén e > 3,5 và làm việc luôn phải kèm theo làm lạnh nhân tạo bằng không khí hay bằng nước thì gọi là máy nén.

Cả hai loại bơm và quạt đều thuộc loại máy thủy lực Đó là loại máy làm việc dựa trên cơ sờ trao đổi năng lượng với dòng chắt lỏng chuyển động qua máy theo các nguyên lý của thủy lực học và cơ học chắt lông.

13

1.1.2 Phân loại

a) Theo nguyên lý tác dụng

Ỉ3ơm, quạt được phân thành hai loại chủ yếu:

—Bơm, quạt cánh dẫn thực hiện trao đổi năng lượng với dòng chất lòng chuyển động qua máy nhờ tác dụng lực tương hỗ giữa hệ thống cánh dẫn với dòng chất lỏng Năng lượng cùa dòng chất lòng trao đồi với máy gồm hai thành phần: động năng (V2/2g) và áp năng (p/y) Hai thành phần này có lien quan mật thiết với nhau Trong quá trình làm việc của máy, sự biển đồi động năng bao giờ cũng kèm theo sự biến đổi

áp năng và ngược lại.

Bơm, quạt cánh dẫn bao gồm các loại bơm, quạt ly tâm, hướng trục, hướng chco

và bơm xoáy Bộ phận làm việc chính của bơm, quạt là bánh công tác (hình 1.1 và 1.2) Bánh công tác có chuyển động quay nên còn gọi là rôto Bánh công tác gồm có các lá cánh gắn giữa hai đĩa của bánh công tác hoặc gắn len bầu cánh.

Dòng chất lỏng chuyền động qua bánh công tác là dòng liên tục, vận tốc và áp suất cùa dòng chất lỏng không thay đối đột ngột Trong ché độ làm việc ồn định thì lưu lượng, áp suất của máy là hằng sổ (không thay đổi theo thời gian).

- Bơm, quạt thể tích thực hiện trao đổi năng lượng với dòng chất lỏng chuyền động qua máy theo nguyên lý chèn ép chất lòng trong một thề tích kín dưới áp suất thủy tĩnh Năng lượng của dòng chất lỏng trao đổi với máy chủ yếu là thành phần áp năng (p/y), còn thành phần động năng không đáng kc.

Hình 1.1 Sơ đồ bơm ly tâm (a) và đặc tính làm việc của bơm (b)

Bơm, quạt thể tích bao gồm các loại bơm pittông, bơm rôto, bơm rôto-pittông

và quạt số 8 (quạt Root) Bộ phận làm việc chính cùa máy là pittông hoặc rôto (hình 1.3 và 1.4) có chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay hoặc vừa chuyển động tịnh tiến vừa chuyền động quay (trong bơm rôto-pittông).

Dòng chất lỏng chuyển động qua máy là dòng không liên tục, lưu lượng và áp suất thay đổi theo thời gian Mức độ không đều của lưu lượng và áp suất phụ thuộc vào kết cấu cùa máy.

Ngoài ra còn một số loại bơm đặc biệt khác không thuộc hai loại trên, làm việc theo nlìừng nguyên lý khác nhau như bơm phun tia, bơm nước va, bơm dùng khí nén Các loại máy này cỏ hiệu suất và tính năng kỹ thuật thấp, vì vậy phạm vi sử dụng chúng trong công nghiệp bị hạn ché.

Trục

Cánh hướng

Bánh công tác

Óng hút

Hình 1.2 Sơ đồ bom hướng trục (a) và đặc tính làm việc của bom (b)

Hình 1.3 Sơ đồ kết cấu bom pittông

b) Theo dạng chảt long vạn

chuyển

Bơm, quạt có các loại:

- Bơm vận chuycn nước sạch.

- Bơm vận chuyển hỗn hợp

nước với chắt bột và chất ran.

- Bơm vận chuyển dầu mỏ và

các sản phẩm cùa dầu mò.

- Bơm vận chuyền các dung

dịch hóa chất, kim loại lòng

一 Quạt lưu thông khí.

- Quạt vận chuyền các loại hạt.

1.2 CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC c ơ BẢN CỦA BƠM, QUẠT

Các thông số làm việc cơ bản của bơm, quạt là những sổ liệu kỹ thuật biểu thị khả năng và đặc tính làm việc của máy Đó là các thông số lưu lượng, cột áp, công suất

và hiệu suât của chúng.

1.2.1 Lưu lượng

- Là lượng chắt lòng hoặc khí mà bơm, quạt vận chuyển được trong một đơn vị tnơi gian.

Lưu lượng đo bằng đơn vị trọng lượng gọi là lưu lượng trọng lượng Lưu lượng

đo bằng đơn vị thể tích gọi là lưu lượng thể tích hay lưu lượng khối Lưu lượng trọng lượng ký hiệu lả G, đơn vị kG/s, kG/ph, T/h Lưu lượng thể tích ký hiệu là Q, đơn vị là l/s, l/ph, mVs, mVph, mVh Giữa G và Q liên hệ với nhau bằng biểu thức:

Nếu bò qua rò ri qua các khe hở thi lưu lượng trọng lượng tính ở điều kiẹn hút

và đây như nhau (đoi VƠI cà bơm và quạt) Lưu lượng thê tích ờ điều kiẹn hút và đấy chỉ như nhau khi chất lòng không bị nén (p = const).

Lưu lượng cùa bơm và quạt phụ thuộc vào kích thước hình học, vào vận tốc chuyển động của bộ phận làm việc và vào tính chất thủy lực của hệ thống trong đó bơm làm việc.

1.2.2 Cột áp

- Là năng lượng mà bơm, quạt cung cấp cho 1 kG chất lỏng khi vận chuyển qua máy Noi cách khác, cột áp là hiẹu năng lượng đơn vị cùa dòng chất lỏng khi vào và ra khoi máy.

í^ọt áp được đo bang đơn vị kGm/kG (= m cột chất lòng) Tìr bieu thức này, về mặt hình học, ta cỏ thể xem cột áp như chieu cao dâng của 1 kG chất lòng do có năng lượng máy cung cắp.

Dựa theo sơ đồ (hình 1.6), ta xác định được cột áp cùa máy như sau:

Năng lượng đơn vị ở tiết diện vào là:

Theo định nghĩa ta cỏ cột áp lý thuyết băng:

e2 _ e 1= P l - P l + g 2V L T ^ V + z 2 _ z ,.

nén hoặc ít bị nén, khi đó Ỵi= Ỵ 2, a là hệ số phân

bố vận tốc theo tiết diện Coi ai = a ： =1 ta có:

P2 - P i

Y

v22 - v,2 2g

Hình 1.6 Sơ đồ làm viẹc của bơm

thuyết của máy;

HỊtt = ^ ~ — + z 2 - Z| gọi là cột áp tĩnh lý thuyẽt của máy.

Y Đối với chất lỏng không chịu nén (hoặc chất khí bị nén không đáng kể), ta có quan hệ p = Ỵ H.

p là áp suất toàn phần máy tạo nên, đó là năng lượng máy cung cấp cho l m3 chất lòng hoặc chắt khí.

Áp suất mà quạt tạo được cho dòng khí được đo bằng mm cột nước (tương đương với l kG/m: hay 9,81 N/m2).

1.2.3 Công suất và hiệu suát của bo»m, quạt

Để cung cấp năng lượng cho dòng chất lỏng chuyển động qua các máy bơm,

Công suất máy nhận được của động cơ gọi là công suất tiêu thụ hay công suất trên trục, ký hiệu là Ntr, còn công suất mà dòng chất lỏng nhận được khi vận chuyển qua mảy gọi là công suất hữu ích và được ký hiệu là Nhi (hay N) Công suất hữu ích cùa bơm, quạt được xác định bằng công thức chung sau:

a) Tổn thắt thủy lực A N ịị- là phần năng lượng tiêu hao đổ khắc phục các càn trở

thủy lực gây ncn bời ma sát của dòng chất lòng và các cản trờ CỊ1C bộ khi dòng chất

lòng chuyển động qua máy Ta có:

Trong đỏ yQHti = Nt| gọi là công suất thủy lực của dòng chắt lòng.

Như vậy tồn thất cột áp AH đặc trưng cho tổn thất thủy lực cùa máy Vì vậy hiộu

suất thủy lực r|ti còn được ký hiệu Dang r|H.

b) Tổn that lull lượrĩg ANn - là phần năng lượng ueu hao do rò ri chất lòng từ

vùng co ap suất cao tơi vùng cỏ áp suất thấp của máy hoạc ra ngoai Ta có:

(1.3)

(1.4)

Trong đó AQ là lưu lượng rò ri của chất lỏng.

r〇n thất lưu lượng được đánh gia bằng hiẹu suàt lưu lượng ì*|ii：

= YQi,H,t - ỵAQH„ = Q, - AQ =1 _ AQ

Trong đó yQitHit = N|t gọi là công suất lý thuyết của dòng chất lỏng, bàng hiệu

cùa công suất trên trục và tổn thất công suất cơ khí.

Như vậy lưu lượng rò ri đặc trưng cho tổn thất lưu lượng trong máy Vì vậy hiệu

suất lưu lượng T||Ị còn ký hiệu bằng r|Q.

c) Tổn that cơ khí ANck - là phần năng lượng tieu hao do có các loại ma sát

trong ổ trục, ổ đệm, ma sát giừa các DỢ phận chuycn động và không chuyển động, giừa

các bộ phận chuyền động với chất lỏng tĩnh Tồn thất cơ khí được đánh giá bằng hiệu

Công suất trcn trục Ntr trừ đi phần tồn thất cơ khí ANck chính là công suàt lý

thuyết (yQitHit) cùa dòng chất lỏng Vì vậy ta cũng cỏ thể viết:

nCk Nit _ yQitHi

ANck

Hiệu suất toàn phần của máy là tỷ số giữa công suất hữu ích mà dòng chất lỏng nhận được khi chuyổn động qua máy với công suất trên trục của máy, nỏ đánh giá hiệu suất sừ dụng năng lượng của máy:

N yQH

N t Ntr

Q.,H,( ^ Q QitH|t Qit

H ỴQitHỊt Hít* N ư

(1.8)

Như vậy, hiệu suất toàn phần của máy bơm, quạt bằng tích của hiệu suất lưu lượng, hiệu suất thủy lực và hiệu suất cơ khí.

1.3 CÔNG DỤNG VÀ LĨNH v ự c s ử DỤNG CỦA BƠM, QUẠT

Bơm, quạt có ứng dụng rất rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, trong công nghiệp, nông nghiệp cũng như trong đời sống.

Bơm có rất nhiều loại khác nhau, chúng được dùng để vận chuyền mọi loại chất lòng như chất lòng đặc, chất lòng có độ nhớt lớn, chất lỏng nóng, chất lỏng dễ bay hơi , kề cá các hỗn hợp nước với chất rấn Trong các loại bơm thì bơm ly tâm được dùng phồ biến nhất.

Trong công nghiệp, bơm ly tâm được dùng để cấp nước cho các nhu cầu kỹ thuật của nhà máy như cấp nước cho nồi hơi ưong các nhà máy nhiệt điện, cấp nước cho các hộ thống làm mát và cho các nhu cầu vệ sinh công nghiệp.

Bơm ly tâm còn được dùng trong công nghiệp khai thác mỏ và xây dimg đế hút nước từ những giếng sâu, hút các hỗn hợp nước với đất và vận chuyền các hỗn hợp nước với chất rắn nghiền nhỏ.

Trong công nghiệp dầu mỏ, bơm ly tâm được dùng để hút dầu từ dưới giếng và vận chuyển các sàn phẩm của dầu mỏ Ngày nay việc vận chuyển dầu mò theo đường ống được sử dụng khá phổ biến với các khoảng cách rất xa tới hàng nghìn km.

Thực tế tính toán và sừ dụng cho thấy ràng, việc vận chuyển theo đường ống kinh tể hơn rất nhiều so với các phương tiện vận chuyển khác Do hiệu quả kinh tế cao cùa việc vận chuyên tlieo đường ống người ta đang nghiên cửu sử dụng các hệ thống đương ống để vận chuyền các loại nguyên vật liệu hạt rời và các hàng hóa khác.

Trong công nghiệp hóa chắt, bơm ly tâm cũng được ứng dụng rất rộng rãi để vận chuycn các dung dịch hỏa chắt như axit, kiềm, muối Trong nông nghiệp và đời sống, bơn ly tâm được dùng để tưới, tiêu, cung cấp nước cho thành phố, cho các nhu cầu cùa đời sống.

Bơm hướng trục có lun lượng lớn và áp suất nhỏ, được sử dụng chủ yếu trong nông nghiệp đề tưới tiêu Bơm hướng trục cũng được dùng trong công nghiệp để cấp nưcc cho nồi hơi có lưu lượng lớn và áp suất không lớn lắm Trong công nghiệp đóng tàu bơin hướng trục là một trong số các thiết bị phụ cùa tàu thủy, được dùng chủ yếu trorg các hệ thống tuần hoàn làm lạnh và tiêu nước trong tàu.

19

Mỗi loại bơm có các thông số làm việc (Q,H) xác định Phạm vi làm việc của chúng được giới hạn bởi các thông số làm việc đó Dựa vào các thông sổ làm việc, người ta xây dựng trong hệ tọa độ lôgarit biểu đồ phạm vi sử dụng của các loại bơm khác nhau (hinh 1.7).

Nhin trẽn biểu đồ ta thấy, bơm pittông được sử dụng trong phạm vi:

Hiệu suất của chúng, với cùng giá trị cột áp, không kém hiệu suất cùa bơm pittông Ngày nay, do đã hoàn thiện được các phương pháp thiết kế và chế tạo bơm

cánh dẫn nên chúng được sử dụng rộng rãi cả với áp suất cao tới 3.500 m cột nước và

cỏ thổ hơn nừa.

Dựa vào biểu đồ phạm vi sử dụng bơm, căn cứ vào các thông số làm việc (Q, H),

ta chọn được các loại bơm thích hợp cho việc tính toán, thiết kể và sử dụng bơm.

Ọuạt cỏ hai loại chủ yếu là quạt ly tâm và quạt hướng trục Quạt ly tâm tạo được

áp suất cao, có lưu lượng nhò và vừa Quạt ly tâm (một miệng hút) có phạm vi làm việc như sau:

Quạt hướng trục được sir dụng rộng rãi đề thông giỏ và làm mát Nó được dùng đề làm mát các bộ phận máy móc và thiet bị bị nung nóng khi làm việc (động

cơ điện, động cơ đốt trong và các thiết bị tòa nhiệt khác) và để cấp gió cho các lò đốt nhiên liệu công suất nhỏ Quạt hướng trục còn được dùng để thông gió và làm mát các phân xưởng.

Trong đời sống hàng ngày, quạt hướng trục được sử dụng chủ yếu vào mục đích

hạ nhiệt độ trong phòng, thông gió và làm mát.

21

Chuong 2

Cơ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BƠM, QUẠT CÁNH DẴN

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Bonn, quạt cánh dẫn bao gồm các loại bơin, quạt ly tâm, hướng trục, hướng chéo

và bơm xoáy Ngày nay bơm, quạt cánh dẫn, đặc biệt là bơm, quạt ly tâm có ứng dụng rất phổ biến trong thực tế sản xuất và đời sống.

Bonm, quạt cánh dẫn được sử dụng phổ biến như vậy vì chúng có nhiều ưu điểm:

- Kết cấu đơn giàn, chắc chẳn, gọn nhẹ, dỗ chế tạo, giá thành hạ, làm việc tin cậy, cỏ hiệu suất cao và vận hành thuận tiện.

- Phạm vi sử dụng rộng, lưu lượng và cột áp thay đổi trong phạm vi lớn (xem hình 1.7).

- Rôto của máy có thể quay với vận tốc lớn, từ 300 đến 3000 vg/phút Trong trường hợp đặc biệt, vận tốc quay của rôto cỏ thề đạt tới 7550 vg/ph Vì vậy rôto có thể nối trực tiếp với các động cơ có vận tốc quay lớn như động cơ điện, tua bin hơi, tua bin khí

- Dòng chất lỏng chuyẻn động qua máy là dòng liên tục nên lưu lượng và áp suất khi máy làm việc ổn định, không dao động.

- ít nhạy cảm với bụi bần và các hạt cứng, vì vậy chúng có thể dùng đề vận chuyển mọi loại chất lỏng khác nhau, kể cả các hỗn hợp nước với chất rắn, các chất lỏng đặc, chất lỏng có độ nhớt lớn và chất lòng dễ bay hơi.

Bảng 2.1 dưới đây giới thiệu các thông số (đặc tính) cùa một số loại bơm lớn.

Bảng 2.1 Đặc tính của một số loại hrym ló»n

2.2 S ơ ĐÒ KÉT CÁU VÀ NGUYÊN LÝ TÁC DỤNG CỦA BƠM QUẠT CÁNH DÁN

2.2.1 Sơ đồ kết cấu của bơm quạt cánh dẫn

Sơ đồ kết cấu cùa một số loại bơm, quạt cánh dẫn điển hình được giới thiệu trên các hình 1 1 ,1.2, 2.1,2.2 và 2.3 Bộ phận làm việc chủ yếu của chúng là bánh công tác chuyền động quay.

Bánh công tác lắp trcn trục tạo thành rôto của máy Rôto được đặt trong vò cố định gọi là stato v ỏ của bơm và quạt có thể được nối với ống hút và ống đẩy.

Bánh công tác 1 của bơm (quạt) ly tâm (hình 1.1 và 2.1) gồm có các đĩa cánh, đũa trước và đĩa sau (có thể chi có đĩa sau) cùng với các lá cánh gan giữa hai đĩa (hoặc chi gắn lên đĩa sau) Bánh công tác được lắp trcn trục bằng then hoặc bàng bu lông.

Vò 2 của bơm (quạt) ly tâm cỏ dạng xoẳn ốc, nó tạo thành máng dẫn xoắn (buồng xoắn) cỏ hình dạng phù hợp với đường dòng Máng dẫn xoắn làm nhiệm vụ dẫn chất lòng sau khi ra khỏi bánh công tác vào ống đẩy, sao cho tổn thất sinh ra trong chuyển động cùa dòng chất lòng là nhò nhất.

Nhiệm vụ của ống hút và ống đẩy cũng là dẫn chất lỏng vào và ra khỏi máy sao cho tồn thắt sinh ra trong chuyển động của dòng chất lòng là nhò nhất Trong bơm nhiều cấp, bộ phận dẫn dòng vào cỏ dạng nửa xoắn (xem hình 6.1ld).

Hình 2.1 Sơ đồ bơm ly tâm

Bánh công tác l của bơm (quạt) hướng trục (hình l 2 và 2.2) gồm có các lá cánh gắn trên bầu cánh (moay ơ).

Bánh công tác được lắp trên trục 3 bằng then và bu lông, thường bổ trí công sôn trẽn trục Trục của bơm (quạt) có thể bố tri nằm ngang hoặc thẳng đứng Dòng chất lỏng sau khi ra khỏi bánh công tác chuyển động qua bộ phận dẫn hướng trước khi vào ống đầy.

23

Bộ phận dẫn hướng bao gồm các

cánh hướng 2 bắt động, một đầu gán vào

vò, đầu kia gắn vào moay ơ (bầu cánh)

Các cánh hướng làm nhiệm vụ nắn thẳng

dòng (khử thành phần chuyển động xoáy

của chất lòng) sau khi ra khòi bánh công tác.

Trong moay ơ của bộ dẫn hướng

được đặt ồ đờ chịu tải hướng kính để khử

dao động ngang cùa rôto trong quá trình

làm việc.

Vò của bơm (quạt) thường là một

ống hình trụ, được gắn với ống hút và ống

đẩy Ống cong chuyển tiếp 5 dẫn dòng sau

khi ra khòi cánh hướng tơi ong đẩy Ống

hút 4 và ống đẩy làm nhiệm vụ dẫn đòng

vào và ra khỏi máy Động cơ dẫn động

bơm (quạt) có thề đặt trong hoặc ngoài vò

tùy theo kết cấu của chúng. Hình 2.2 Sơ đồ bcrni hường trụcBơm xoáy (hình 2.3) có

bánh công tác 2 tương tự như bánh

công tác của bơm ly tâm, gồm có

đirợc láp trên tr\ic và bố trí giữa

hai ồ trục Vò bơm 1 ờ phần cung

AB tạo thành rãnh hình xuyên,

thông VƠI ong hút và ống đẩy để

dẫn chất lòng vào và ra khỏi bơm

Gờ chắn 3 ngăn không cho chất

lòng thông giữa đường đẩy vả hút. Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo cùa bơm xoáy

2.2.2 Nguyên lý tác dụng của bơm, quạt cánh dẫn

Nguyên lý tác dụng cùa bơm, quạt cánh dẫn cũng là nguyên lý tác dụng của máy thủy lực cánh dẫn nói chung Đó là sự tác dụng tương hỗ giữa các cánh dẫn với đòng chất lòng chảy bao cánh.

Khi bánh công tác quay, các cánh dần tác động lẻn dòng chất lỏng và truyền cơ năng cho dòng chất lòng.

Trong bánh công tác của máy cánh dẫn, động năng của dòng chắt lòng thay đôi rất lớn Ớ bộ phận dẫn dòng ra, một phần động năng biến thành áp năng để hạn ché tồn thât của dòng chất lòng khi vận chuyển trong đường ống.

Trong bánh công tác cùa của bơm, quạt ly tâm dòng chất lòng chày bao cánh dẫn chuyển động ly tâm theo hướng kính, do đó lợi dụng được công của lực ly tâm Trong bánh công tác của bơm, quạt hướng trục dòng chất lòng chày bao cánh giừ một khoảng cách không đồi so với trục, tức là nó chuyển động song song với trục,

do đó không lợi dụng được công của lực ly tâm.

Khi bơm, quạt cánh dẫn làm việc ồn định, bánh công tác của chúng có vận tốc quay không đôi, dòng chất lỏng trong máng dẵn của bánh công tác cũng như trong buồng lưu thông có chuyển động ồn định Vi vậy vận tốc quay của bánh công tác có thể tăng tới giá trị rất lớn (tới hàng ngàn vòng/phút).

2.3 CÁC LÝ THUYẾT c ơ BẢN VÈ BƠM, QUẠT CÁNH DẢN

Hiện nay tồn tại hai lý thuyết cơ bản về máy cánh dẫn, đó là lý thuyết dòng xoáy

Dựa trôn cơ sơ lý thuyct dòng xoáy cùa G iu-cốp-ski, các nhà bác học như Prô-skua-ra, V ô-zơ-nhe-xen-ski, Lê-xỏ-khin đã xây dựng các phương pháp tính toán thiết kế bánh công tác của bơm, quạt cảnh dẫn.

Nội dung của lý thuyết dòng xoáy như sau:

Giả sử chúng ta cỏ một prôphin dạng khí động học đặt trong một dòng chất lỏng phảng tlìC trong không gian không giơi hạn, chúng ta hình dung dòng chảy bao prôphin này gồm hai dòng:

- Dòng chất lòng lý tưởng chảy bao prôphin với vận tốc ở vô cùng làVoo (hình 2.4a).

- Dòng xoáy thuần túy với lưu số vận tốc bằng tổng lưu số cùa các xoáy tạo thành trẽn vòng khép kín của prôphin do tác dụng của lực ma sát (hình 2.4b).

Hình 2.4 Sơ đồ dòng chất lòng chảy bao prôphin cánh

25

Cộng hình học hai chuyền động đó ta có vận tốc ở phía trên prôphin lứn hcm vận tốc ở phía dưới prôphin (hình 2.4c).

Vi dòng chất lòng chảy bao là dòng thế không xoáy nên ta có thề ứru» dụng phương trình Béc-nu-li cho dòng chất lòng Dựa theo phương trình Béc-nu-li

Trong do: V〇c - vận tốc dòng Kliong nhieu;

r - lưu số vận tốc bao quanh prôphin;

p - khoi lượng riêng của chất lỏng.

Trong trường hợp môi trường chất lòng không chuyền động mà prôphin chuyên động thì prôphin sẽ tác dụng lẻn dòng chất lòng một lực đúng bằng lực Py cúa dòng chất lòng tác dụng lên prôphin.

Nhờ có lực tác dụng tương ho đó mà máy (bơm, quạt) cỏ the thực hiẹn được viẹc trao đoi năng lượng VƠI dòng chất lỏng qua máy.

Lý thuyết dòng xoáy phản ánh đúng bản chất vật lý của hiện tượng xảy ra trong chảy bao cánh dẫn Trong trường hợp dòng chảy có chuyến động phức tạp (như trong bơm ly tâm), các kết luận rút ra từ ly thuyết dòng xoáy khá phức tạp, không thuận tiện cho việc sử dụng trong thực tc.

Trong máy hướng trục, dòng chất lòng chuyền động chủ ycu theo phương hướng trục tương đối đơn giản Vì vậy lý thuyết dòng xoáy được sử dụng tương đối phố biến trong vice tính toán, thiết ké bánh công tác của máy.

cong tạo bơi các cánh dẫn và đĩa bánh công tác nên trong thực tế tính toán, người ta không sử dụng lý thuyct dòng xoáy mà dùng lv thuyết dòng tia.

Lý thuyết dòng tia do Viện sĩ O -le lập nên vào năm 1751, được sử dụng rất rộng rãi trong việc tính toán máy cánh dẫn ly tâm, đặc biệt đối với bơm và quạt ly tâm Theo lý thuyết này, dòng chất lòng chày qua các rãnh cong cùa bánh công tác được xem như tập hợp của các dòng nguyên tố như nhau Quỹ đạo chuyền động của moi dòng nguyên tố đó trùng khít với biên dạng cánh aan.

Quỷ đạo chuyển động cùa các phần tử chất lỏng riêng biệt không thay đổi theo thơi gian và trùng VƠI dương dòng Tiep tuyến với đường dòng ờ những aicm tương ứng có cùng phương VƠI vận tốc.

Hình 2.5 là sơ đồ chuyền động của dòng chất lòng qua máng dẫn của bánh công tác theo lý thuyết dòng tia.

Hình 2.5 Sơ đồ chuyển động của dòng chất lỏng qua các máng dẫn của bánh công tác theo thuyết dòng tia

Điều kiện để có dòng chày theo thuyết dòng tia là:

- Số cánh dẫn của bánh công tác nhiều vô cùng và cánh dẫn mòng vô cùng.

- Chất lòng làm việc là chắt lòng lý tường Mỗi phần tử chất lỏng chuyển động qua máng dẫn của bánh công tác đồng thời tham gia hai chuyển động:

+ Chuyển động quay Cline VƠI Danh công tác, gọi là chuyển động theo (hình 2.5a);

+ Chuyền động dọc theo máng dẫn cùa bánh công tác, gọi là chuyển động tương đối (hình 2.5b).

Cộnc hai chuyển động này chúnc ta có chuyển động tuyệt đối của các phần từ chất lòng (hình 2.5c), tức là chuyển động cùa các phần tử chất lòng đối với hệ trục cố định.

2.4 PHƯƠNG TRÌNH c ơ BÁN CỦA MÁY CÁNH DÁN

Phương trình cơ bản của máy cánh dẫn được xây dựng trên cơ sở lý thuyết dòng tia.

Trước khi thành lập phương trinh, ta xét tam giác vận tốc của các phần tử chất lòng chuyền động trong máng dẫn của bánh công tác.

Ta ký hiệu: vận tốc của các phần tử chất lỏng trong chuyển động theo là Ũ，trong chuyển động tương đối là W và trong chuyển động tuyệt đối là V

Vận tổc của các phần tử chất lỏng ở thời điểm bắt đầu vào máng dẫn là ƯỊ, Wj

và Vị, ờ thời đicm vừa ra khỏi máng dẫn là ũ 2 , w2 và v 2 , còn ở thời điềm bất kỳ là

Ũ , W và V (hình 2.6).

27

Hình chiếu của vận tốc V và W trên phương vòng (u) ký hiệu là Vu và wu,

trên phương hướng kính là vm và wm.

Góc giữa vận tốc V với phương u là a , giữa vận tốc W với phương ngược lại của

u là p, p gọi là góc đặt của cánh Giá trị của các vận tốc thành phần vu và vm xác định theo vận tốc V và góc a như sau:

Vận tốc vm có thề xác định được qua kailượng và kích thước kết cấu của máy:

- Đối VƠI máy cánh ơan ly tâm:

Q

m TlDb，với: 7ĩDb = f là diện tích tiết aiẹn vaiông góc với dòng chảy.

( 2 1 )

D và b - dường kính và chiều rộng máng dẫn của bánh công tác tại vị trí xác định vận tốc.

—Đối với máy cánh dẫn hướng trục (Vm = Vz):

D, d là đường kính ngoài của bánh công tác và đường kính bầu cánh.

Đe thành lập phương trình, ta áp dụng định luật biển thiên mômen động lượng đối với khối chất lỏng chuyển động qua máng dẫn của bánh công tác.

Định luật phát biếu như sau:

Biến thiên mômen động lượng của khối chất lỏng chuyển động qua máng dẫn của bánh công tác trong một đơn vị thời gian ứng với trục quay bằng tống mômen của các ngoại lực tác dụng lẽn khối chất lòng chuyền động ứng với cũng trục đó.

Tách một dorm nguyên tố trong dòng

chất lòng chuyển động qua máng dẫn của bánh

công tác (hình 2.7) Trong thời gian dt, khối

lượng cùa dòng nguyên tố chảy vào và ra K h o i

máng đẫn là pdq = dm.

Mỏmcn động lượng của khối chất lòng

nguvên tố đó khi chảy vào bánh công tác là:

Mômcn của ngoại lực tác dụng lên khối chắt lòng nguyên tổ là AM.

Theo định luật biến thiên mômen động lượng, ta có đẳng thức:

^ ― = Qlt - lưu lượng lý thuyết của dòng chất lỏng chuyển động qua bánh

N = yQitHit〇 HỊt00 là cột áp lý thuyết của bánh công tác cỏ số cánh dẫn nhiêu vô cùng và mỏng vô cùng.

-Mặt khác ta có biểu thức tính công suất:

(2.5)

Phương trinh (2.5) gọi là phương trình cơ bản của máy cánh dẫn, nó thict lập mối quan hệ giữa năng lượng cung cấp cho dòng chất lòng và vận tốc của dòng chất lỏng vận chuyển qua bánh công tác.

Phương trình cơ bản đúng với mọi loại máy cánh dẫn như bơm, quạt cánh dẫn, tua bin nước.

Phương trình cơ bản của bơm quạt cánh dẫn do ơ -le tìm ra nên còn được gọi là phương trình ơ -lc

Trong phương trình (2.5), thành phần xoáy của vận tốc tuyệt đối của dòng

chảy ở trước lối vào của bánh công tác vhl được xác định DƠI điều kiện dòng vào của

cỏ giá trị lớn nhất.

Hiện nay nhờ có các công nghệ chế tạo hoàn hảo, người ta đã sản xuất được những bơm ly tâm một cấp có cột áp khá lớn Cột áp của chúng đạt tới 250 -ỉ- 300 m và

có hiệu suất tương đối cao.

Phương trình (2.5) và (2.6) thiết lập mối quan hệ giữa cột áp của máy cánh dẫn (bơm, quạt, tua bin nước) với các thành phần vận tốc u và vu của dòng chất lỏng ờ lối vào và lối ra cùa bánh công tác.

Bây giờ ta xét mối quan hệ giừa cột áp cúa máy cánh dẫn với các thành phần vận tốc u, w và V của dòng chất lỏng ở lối vào và lối ra của bánh công tác.

I ừ tam giác vận tốc AAịBịCị (hình 2.6) ta có:

W!2 = Vj2 + U ? -2 U ,V 1 cosa 丨

Rút ra:

u一Tirong tự ta cỏ:

U 2V2 c o s a 2 = U 2V2u = ° Thay các bicu thưc của UịVịu và U2V2u vào phương trình (2.5), ta được:

22 -H|t;ì0 uト く w丨2-w22 | v22-v丨2

Cột áp của máy cánh dần bao gồm hai thành phan, thế năng và động năng:

Thành phần cột áp tĩnh của máy được tạo nên do có độ tăng áp cùa dòng chất long trong bánh công tác cùa máy cánh dẫn bằng:

31

lư ợ n g tro n g c h u y ể n đ ộ n g tư ơ n g đ o i c ủ a d ò n g c h ấ t lò n g k h ô n g n liơ t v à k n o n g bị nón ờ

tr o n g k h ô n g g ia n q u a y P h ư ơ n g trìn h b ả o to à n n ă n g lư ợ n g , n h ư ta đ ã b iế t tro n g th ù y

T u y n h iê n tr o n g th ự c tế s ố c á n h d ẫ n c ủ a b á n h c ô n g tá c ià c ó h ạ n , c á n h d ẫ n c ỏ

c h iề u d à y v à c h ấ t lò n g là m v iệ c c ó đ ộ n h ớ t, vì v ậ y c ộ t á p th ự c tế c ủ a m á y s ẽ k h á c với

c ộ t áp lý th u y ế t tín h th e o p h ư ơ n g trìn h c ơ bản

33

tru y ề n c h o n ó tr o n g tr ư ờ n g h ợ p á p Hình 2.8 Biểu đồ phân bố vận tốc của

s u ấ t ở p h ía trư ớ c c á n h d ẫ n lớ n h ơ n dòng chất lỏng trong máng dẫn của

á p s u ấ t ờ p h ía s a u bánhc ô n ỡ tác theo thuy^f dòn9 tia

B iể u đ ồ p h â n b ố v ậ n tố c tư ơ n g đ ố i tro n g c á c tiế t d iệ n c ù a m á n g d ẫ n p h ả i có

d ạ n g tư ơ n g tự n h ư trê n h ìn h 2 9 , tứ c là trê n c ù n g m ột b á n k ín h r, v ậ n tố c tư ơ iig đ ó i w

p h ả i tă n g d ằn từ m ặ t trư ớ c c ủ a c á n h d ẫ n n à y tới m ặ t sau c ủ a c á n h d ẫ n k ia (x u ấ t p h á t từ

p h ư ơ n g trin h n ă n g lư ợ n g tro n g c h u y ể n đ ộ n g tư ơ n g đối - d o áp s u ấ t g iả m d ầ n th e o tiết

d iệ n c ủ a m á n g d ẫ n )

V ì d ò n g c h à y tr o n g m á n g d ẫ n là d ò n g liên tụ c , d o đ ó c ỏ sự c h ê n h lệ c h áp s u ấ t v à

v ậ n tố c , tạ o th à n h d ò n g x o á y tr o n g m á n g d ẫ n (h ìn h 2 1 0 )

Hình 2.12 Tam giác vặn tốc cùa dòng chất lòng ở lối ra của bánh công tác,

kể đến ảnh hưởng của số cánh dẩn hữu hạn

T h à n h p h ầ n x o á y v fiu x u ấ t h iệ n k h ô n g là m g iả m c ộ t á p c ù a b á n h c ô n g tá c , s o n g

nó là m tă n g tổ n th á t th ú y lự c v à d o đ ó là m g iả m h iệ u su ấ t c u a b á n h c ô n g tác

Hình 2.11 Tam giác vận tốc của dòng

chất iỏng ờ lối vào của bánh công tác,

>

= 日

>

35

2.6 ẢNH HƯỞNG CÙA CHIỂU DAY CÁNH DẢN TỚI sự

Đ e tă n g h iệ u s u ấ t c ủ a b á n h c ô n g tá c , cầ n p h ả i là m g iả m m ứ c đ ộ p h â n b ố k h ô n g

đ ề u v ậ n tố c c ủ a d ò n g c h ấ t ló n g ở c ả lối v ào và lối ra c ủ a b á n h c ô n g tá c

V ớ i m ụ c đ íc h đ ó , n g ư ờ i ta th ư ờ n g c h é tạ o m c p v à o c ủ a c á n h d ẫ n c ó c h iề u d à y

n h ò v à tiệ n trò n , c ò n m é p ra c ủ a c á n h d ẫ n đ ư ợ c v á t n h ọ n ( x e m h ỉn h 2 1 3 )

Đ ẻ x á c đ ịn h ả n h h ư ờ n g c ù a c h iề u d à y c á n h d ẫ n , ta k h ả o s á t c h u y ể n đ ộ n g c ủ a

d ò n g c h ấ t lò n g q u a m á n g d ẫ n c ù a b á n h c ô n g tác có c á n h d ẫ n v ớ i c h iề u d à y x á c đ ịn h

T rê n h ìn h 2 1 4 , các k ích th ư ớ c có chi số 1 ứ n g v ớ i v ị trí v ào c ủ a m á n g d ẫn , chi số 2

ứ n g v ớ i vị trí ra c ủ a m á n g d ẫ n , chi số 0 ứ n g với vị trí n g a y trư ớ c k h i v à o m á n g d ẫn

a / b /

Hình 2.14 a/ Mặt cắt kinh tuyến (dọc theo trục) và b / mặt cắt ngang

(vuông góc với trục) của bánh công tác

Đ ố i v ớ i c á c b ơ m , q u ạ t ly tâ m hiện c ó , h ộ số K | th ư ờ n g c ỏ g iá trị b à n g 1 , 1 -í- 1,25.

Hình 2.15 Tam giác vận tốc của dòng

chắt lỏng ở lối vào của bánh công

tác, kể đến ảnh hưởng của chiều dày

cánh dẫn

Hình 2.16 Tam giác vận tốc của dòng chất lòng ờ lối ra cùa bảnh công tác kề đến ành hường của chiểu dày cánh dẫn