Thiết kế kỹ thuật bơm nước sử dụng thủy năng của suối, dẫn động kiểu tua bin phục vụ sản xuất nông nghiệp vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa

--- ĐẶNG NGỌC TUYỀN THIẾT KẾ KỸ THUẬT BƠM NƯỚC SỬ DỤNG THỦY NĂNG CỦA SUỐI, DẪN ĐỘNG KIỂU TUA BIN PHỤC VỤ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG MIỀN NÚI TỈNH KHÁNH HÒA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUY

NGHIỆP VÙNG MIỀN NÚI TỈNH

KHÁNH HÒA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

NHA TRANG - 07/2013

-

ĐẶNG NGỌC TUYỀN

THIẾT KẾ KỸ THUẬT BƠM NƯỚC SỬ DỤNG THỦY NĂNG CỦA SUỐI, DẪN ĐỘNG KIỂU TUA BIN PHỤC VỤ SẢN XUẤT NÔNG

NGHIỆP VÙNG MIỀN NÚI TỈNH

KHÁNH HÒA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CHẾ TẠO MÁY Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS PHẠM HÙNG THẮNG

NHA TRANG - 07/2013

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ, tên sinh viên: Đặng Ngọc Tuyền Lớp : 51CT

Chuyên Ngành : Chế Tạo Máy MSSV : 51131824

Tên đề tài: “Thiết kế kỹ thuật bơm nước sử dụng thủy năng của suối, dẫn động

kiểu tua bin phục vụ sản xuất nông nghiệp vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa”

Số trang: 100 Số chương: 3 Số tài kiệu tham khảo: 10

Hiện vật: 2

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận:

Nha Trang, ngày 20 tháng 6 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS Phạm Hùng Thắng

ĐIỂM CHUNG

Bằng số Bằng chữ

Họ, tên sinh viên: Đặng Ngọc Tuyền Lớp : 51CT

Chuyên Ngành : Chế tạo máy MSSV : 51131824

Tên đề tài: “Thiết kế kỹ thuật bơm nước sử dụng thủy năng của suối dẫn động

kiểu tua bin phục vụ sản xuất nông nghiệp vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa”

Số trang: 100 Số chương: 3

Số tài kiệu tham khảo: 10 Hiện vật: 2 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Nha Trang, ngày … tháng… năm 2013

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày … tháng năm 2013

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

LỜI CÁM ƠN 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BƠM NƯỚC SỬ DỤNG THỦY NĂNG VÀ NHU CẦU TƯỚI NƯỚC CHO SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG MIỀN NÚI TỈNH KHÁNH HÒA 3

I TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU TƯỚI NƯỚC CHO SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG MIỀN NÚI TỈNH KHÁNH HÒA 3

1 Sản xuất nông nghiệp ở vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa 3

2 Tình hình phân bố nước theo hệ thống sông suối ở vùng miền núi Khánh Hòa 4

3 Nhu cầu tưới nước cho sản xuất nông nghiệp vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa 4

II TỔNG QUAN VỀ BƠM NƯỚC SỬ DỤNG THỦY NĂNG 6

1 Khái niệm chung về bơm nước sử dụng thủy năng 6

2 Giới thiệu chung về bơm va do viện Thủy lợi thiết kế và chế tạo 7

3 Giới thiệu về bơm thủy luân do viện Thủy lợi thiết kế chế tạo 8

4 Giới thiệu về bơm xoắn ốc 10

5 Yêu cầu cơ bản về thiết kế chế tạo bơm thủy năng phục vụ sản xuất nông nghiệp của vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa 12

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ KỸ THUẬT BƠM THỦY NĂNG 13

I YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA BƠM THỦY NĂNG 13

II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 13

1 Phân tích các phương án thiết kế hiện hành 13

2 Xây dựng phương án thiết kế 17

III TÍNH TOÁN CÁC CHI TIẾT CƠ BẢN 18

A TÍNH TOÁN TUA BIN 18

1 Tính chọn kiểu tuabin và các thông số cơ bản của tua bin 18

2 Kiểm tra sức bền nén lên bề mặt cánh tua bin 19

3 Kiểm tra bền cho cánh tại mặt cắt nguy hiểm 21

C TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG TĂNG TỐC 23

1 Xác định các thông số động học và động lực học trên các trục 23

2 Chọn vật liệu chế tạo và phương pháp nhiệt luyện 24

D TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC 29

1 Thiết kế trục 1 29

2 Thiết kế trục 2 38

E THIẾT KẾ GỐI ĐỠ TRỤC 46

1 Chọn loại ổ lăn 46

2 Tính ổ lăn trên trục 1 46

3 Tính chọn ổ lăn trên trục 2 48

4 Chọn cách bôi trơn cho ổ 50

F TÍNH TOÁN HỆ THỐNG DẪN NƯỚC VÀ BỆ MÁY 50

1 Xây dựng hệ thống đập ngăn dòng 51

2 Tính toán hệ thống đường ống dẫn nước vào buồng xoắn 52

3 Tính toán và thiết kế hệ thống buồng xoắn 53

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH 56

I QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRỤC TUA BIN 56

1 Xác định dạng sản xuất 56

2 Phân tích chi tiết gia công 57

3 Chọn dạng phôi và phương pháp chế tạo phôi 58

4 Thiết kế quy trình gia công trục tua bin 58

5 Xác định lượng dư và kích thước trung gian 70

6 Xác định chế độ cắt 82

II QUY TRÌNH CHẾ TẠO BUỒNG XOẮN 105

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 108

I KẾT LUẬN 108

II ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1-1: Suối tại xã Phước Đồng – Nha Trang 5

Hình 1-3: Suối tại Ninh Thượng – Ninh Hòa 6

Hình 1-4: Cấu tạo bơm va 7

Hình 1-5: Bơm va 8

Hình 1-6: Bơm thủy luân 9

Hình 1-7: Cấu tạo bơm bánh xe xoắn ốc 10

Hình 1-8: Bơm bánh xe xoắn ốc 11

Hình 2-1: Bơm thủy luân 14

Hình 2-2: Bơm xoắn ốc 14

Hình 2-3: Bơm thủy năng sử dụng bánh răng tăng tốc 15

Hình 2-4: Bơm thủy năng sử dụng bộ truyền bánh đai tăng tốc 16

Hình 2-5: Bơm thủy năng sử dụng bộ truyền bánh răng tăng tốc 18

Hình 2-6: Mô hình mô phỏng cánh tua bin trên phần mềm Pro Engineer 20

Hình 2-7: Sơ đồ chịu lực của bánh công tác tua bin 20

Hình 2-8: Sơ đồ chịu lực của bánh công tác tua bin hướng trục 22

Hình 2-9: Sơ đồ chịu lực của cánh tua bin 22

Hình 2-10: Sơ đồ mặt cắt chịu lực nguy hiểm nhất của lá cánh tua bin 22

Hình 2-13: Sơ đồ tính toán trục tua bin 33

Hình 2-14: Sơ đồ phác thảo kết cấu trục 2 39

Hình 2-15: Sơ đồ tính toán trục 2 40

Hình 2-16: Sơ đồ tính toán lực 41

Hình 2-17: Cấu tạo ổ bi đỡ chặn 48

Hình 2-18: Mô hình xây dựng hệ thống bơm thủy luân 51

Hinh 2-19: Xây dựng hệ thống đập ngăn dòng 52

Hình 2-20: Buồng tua bin kiểu hở hình xoắn ốc 54

Hình 3-1: Bản vẽ phôi 58

Hình 3-2: Bản vẽ đánh số 59

Hình 3-3: Sơ đồ gá đặt 61

Hình 3-5: Dao tiện ngoài thân cong 62

Hình 3-6: Mũi khoan tâm 63

Hình 3-7: Hình vẽ dao tiện mặt trụ ngoài 66

Hình 3-8: Dao tiện ren 67

Hình 3-9: Dao phay rãnh then 69

Hình 3-10: Đá mài 70

Hình 3-11: Khung buồng xoắn ốc 106

Hình 3 -12: Buồng xoắn 107

DANH MỤC VIẾT TẮT

Ký hiệu Diễn giải

1

LỜI NÓI ĐẦU

Từ hàng ngàn năm qua nước ta cơ bản là một nước nông nghiệp, trong đó việc thâm canh trồng trọt là hoạt động chính Nước ta có địa hình đa dạng nhiều sông, suối ở những độ cao khác nhau Bên cạnh đó khí hậu nhiệt đới gió mùa với

4 mùa khác nhau, nên lượng mưa và độ ẩm khác nhau Do vậy việc tưới tiêu cho trồng trọt là nhu cầu quan trọng hàng đầu để có được những vụ mùa bội thu

Với đặc trưng của các vùng núi, vùng cao của tỉnh Khánh Hòa, có nhiều các dòng suối tự chảy, vấn đề đặt ra dùng nước của những dòng suối đó để phục

vụ sản xuất cho đồng bào Để góp phần giúp cho người nông dân tăng hiệu quả canh tác và giảm thiểu chi phí sản xuất, Khoa Cơ khí trường Đại học Nha Trang

đã giao cho em thực hiện đề tài: “Thiết kế kỹ thuật bơm nước sử dụng thủy năng của suối dẫn động kiểu tuabin phục vụ sản xuất nông nghiệp vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa” Đây cũng là cơ hội tốt cho sinh viên chế tạo máy

sắp tốt nghiệp tổng hợp lại tất cả kiến thức đã học ở trường Đại học và làm quen với công việc của một kĩ sư chế tạo máy trong lĩnh vực thiết kế chế taọ máy công tác Đề tài gồm các nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về bơm nước sử dụng thủy năng và nhu cầu tưới nước cho sản xuất nông nghiệp vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa

Chương 2: Thiết kế kỹ thuật bơm nước

Chương 3: Thiết kế chế tạo các chi tiết điển hình

Kết luận và đề xuất

Tài liệu tham khảo

Trong thời gian thực hiện đề tài, em đã cố gắng học hỏi, tìm hiểu tài liệu tham khảo, khảo sát thực tế và sự giúp đỡ và chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn, đến nay đề tài đã được hoàn thành Nhưng do năng lực và sự hiểu biết còn hạn chế, nên nội dung của đề tài không thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo chân thành của các thầy cô giáo và các bạn để cho đề tài được hoàn thiện hơn

hiện thành công đề tài này

Nha Trang tháng 07 năm

2013

Sinh viên thực hiện

Đặng Ngọc Tuyền

3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BƠM NƯỚC SỬ DỤNG THỦY NĂNG VÀ NHU CẦU TƯỚI NƯỚC CHO SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG MIỀN NÚI TỈNH KHÁNH

HÒA

I TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU TƯỚI NƯỚC CHO SẢN XUẤT NÔNG

NGHIỆP VÙNG MIỀN NÚI TỈNH KHÁNH HÒA

1 Sản xuất nông nghiệp ở vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa

Tỉnh Khánh Hòa ở về phía khu vực duyên hải Nam Trung Bộ của Việt Nam, phía Bắc giáp ba huyện Sông Hinh, Đông Hòa và Tây Hòa của tỉnh Phú Yên, phía Tây giáp hai huyện M'Drăk và Krông Bông của tỉnh Đắk Lắk, phía Nam giáp huyện Bác Ái và Thuận Bắc của tỉnh Ninh Thuận, phía Tây Nam giáp huyện Lạc Dương của tỉnh Lâm Đồng, phía Đông giáp Biển Đông Tỉnh lỵ của Khánh Hòa là thành phố Nha Trang, cách Thành phố Hồ Chí Minh 447 km và cách thủ đô Hà Nội 1.278 km đường bộ Khánh Hòa có diện tích tự nhiên là 5.197 km² Phần đất liền của tỉnh nằm kéo dài từ tọa độ địa lý 12°52’15" đến 11°42’50"

vĩ độ Bắc và từ 108°40’33" đến 109°27’55" kinh độ Đông Là một tỉnh nằm sát dãy núi Trường Sơn, đa số diện tích Khánh Hòa là núi non, miền đồng bằng rất hẹp, chỉ khoảng 400 km², chiếm chưa đến 1/10 diện tích toàn tỉnh Miền đồng bằng lại bị chia thành từng ô, cách ngăn bởi những dãy núi ăn ra biển Do đó để

đi suốt dọc tỉnh phải đi qua rất nhiều đèo như đèo Cả, đèo Cổ Mã, đèo Chín Cụm, đèo Bánh Ít, đèo Rọ Tượng, đèo Rù Rì

Là tỉnh có địa hình thuận lợi, đường bờ biển trải dài, với nguồn tài nguyên thủy sản phong phú, rất thuận tiện cho việc khai thác đánh bắt cững như nuôi trồng thủy hải sản… Bên cạnh những huyện giáp biển Khánh Hòa còn có những huyện nằm sâu trong đất liền Đa phần các huyện này đều có địa hình đồi núi thấp nên thế mạnh của các vùng này không phải là phát triển nuôi trồng và đánh bắt thủy sản mà thế mạnh là trồng cây nông nghiệp và cây công nghiệp

4

Đất nông nghiệp ở Khánh Hòa có 81,8 nghìn ha, trong đó có 54,4 nghìn

ha đất canh tác, 8,2 nghìn ha trồng cây lâu năm, còn lại 19,2 nghìn ha trồng cây hàng năm như lúa, ngô, sắn, mía, cà phê, hồ tiêu v.v…

2 Tình hình phân bố nước theo hệ thống sông suối ở vùng miền núi Khánh

Hòa

Khánh Hòa là tỉnh có thời tiết vừa chịu sự chi phối của khí hậu nhiệt đới gió mùa vừa mang tính chất khí hậu đại dương nên tương đối ôn hòa Nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 26oC, có khoảng hơn 300 ngày nắng Lượng mưa dao động từ 1000mm đến 2000mm, tập trung từ tháng 9 đến tháng 12 với hơn 70% cả năm

Miền núi tỉnh Khánh Hoà gồm hai huyện Khánh Sơn và Khánh Vĩnh và một số xã thuộc các huyện Cam Ranh, Ninh Hoà và Vạn Ninh với diện tích tự nhiên khoảng 290.500ha, chiếm 63,5% diện tích toàn tỉnh Với đặc trưng là vùng núi, vùng cao có nhiều sông suối nhưng dốc và ngắn, vào mùa mưa thì hung dữ, đến mùa khô thì lượng nước bốc hơi lớn dễ gây hạn hán Dó đó để đảm bảo cho việc tưới tiêu thì cần phải xây dựng đập chứa nước, thuận tiện cho việc bơm tưới

3 Nhu cầu tưới nước cho sản xuất nông nghiệp vùng miền núi tỉnh Khánh

Ta thấy được rằng, mức nước cũng như tốc độ dòng chảy của suối vào mùa mưa và mùa nắng là hoàn toàn khác nhau, về mùa mưa nước nhiều và chảy

5

mạnh, mùa nắng suối cạn, tốc độ dòng chảy chậm, để tăng dòng chảy của suối về mùa nắng ta phải tiến hành ngăn dòng để trữ nước

Một số hình ảnh về dòng suối ở xã Phước Đồng Nha Trang

Hình 1-1: Suối tại xã Phước Đồng – Nha Trang

Hình 1-2: Suối tại Nam Cát Tiên – Khánh Sơn

6

Hình 1-3: Suối tại Ninh Thượng – Ninh Hòa

Với việc canh tác nhỏ lẻ, sản xuất nông nghiệp phân tán với quy mô trang trại hộ gia đình thì nhu cầu tưới tiêu cho cây trồng là không lớn nhưng lại phải thường xuyên Để góp phần cho người nông dân tăng hiệu quả canh tác và giảm thiểu chi phí sản xuất Trước tình hình đó, trường Đại học Nha Trang đã

giao đề tài: ” Thiết kế kỹ thuật bơm nước sử dụng thủy năng của suối, dẫn động kiểu tua bin phục vụ sản xuất nông nghiệp vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa” Nhưng nếu đầu tư máy bơm có công suất lớn thì sẽ rất lãng phí so với yêu

cầu thực tế, hơn nữa lại rất khó khăn trong việc quản lý Do vậy để đảm bảo tốt cho việc tưới tiêu phù hợp với sản xuất thì chỉ nên thiết kế bơm nước sử dụng thủy năng có công suất nhỏ

II TỔNG QUAN VỀ BƠM NƯỚC SỬ DỤNG THỦY NĂNG

1 Khái niệm chung về bơm nước sử dụng thủy năng

Công nghệ bơm thủy năng hay còn gọi là bơm tuốc bin đã được áp dụng từ những năm 70 trên địa bàn các tỉnh miền núi nước ta Qua một thời gian

sử dụng công nghệ đã chứng tỏ nhiều ưu điểm như dễ vận hành, giá thành rẻ rất thích hợp cho miền núi, đặc biệt là vùng sâu, vùng xa chưa có điện lưới Bơm thủy năng là một thiết bị gồm bơm và tuốc bin Năng lượng của nước sẽ làm quay cánh tuốc bin qua bộ phận tăng tốc sẽ làm quay cánh bơm và đưa nước lên cao so với các loại bơm truyền thống thì bơm thủy năng có nhiều ưu điểm nổi bật

là nó không sử dụng năng lượng truyền thống như điện, than, dầu v.v…nó sử

7

dụng nguồn năng lượng tái tạo dùng sức nước để bơm nước Một ưu điểm nữa là kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ ứng dụng các nguồn sông suối miền núi, điều này rất phù hợp với tình hình thực tế

2 Giới thiệu chung về bơm va do viện Thủy lợi thiết kế và chế tạo

a Nguyên lý làm việc

Bơm va (hay còn gọi là bơm nước va) là một thiết bị bơm nước lên cao bằng cách dùng hiệu ứng nước va, trực tiếp biến năng lượng cột nước thấp thành năng lượng cột nước cao (tối đa tới 130m) Dùng loại máy bơm này, người

sử dụng có thể đưa nước từ sông suối lên phục vụ cho các vùng đất dốc (có độ cao 30- 80m) Bơm va có 10 bộ phận chính sau: đường ống nước vào, cụm van 1 chiều, cửa làm vệ sinh máy, bình tích áp, đường ống bơm lên, cụm van va, cần khởi động, đế máy và thân bơm va Hiện có 4 loại bơm va chính có ký hiệu: HBIL 840, HBIL 630, HBIL 420 và BV 2000

Hình 1-4: Cấu tạo bơm va

Về nguyên lý hoạt động, khi chưa khởi động, nước từ bể áp lực theo đường ống áp lực vào bình điều áp, rồi ép không khí lại với áp lực ban đầu bằng

áp lực thuỷ tĩnh Để khởi động, chỉ cần ấn cho van mở ra, dưới tác động của đầu

8

nước, nước sẽ trào ra khiến lưu lượng nước qua cửa van tăng dần Khi tốc độ đạt đến mức độ nhất định, nước kéo van va lên, van va đóng lại và trong hệ thống van va sẽ xảy ra hiện tượng nước va Lúc này, áp lực tăng lên, van được mở để đẩy nước ra, nước theo quán tính và áp lực chảy vào bình điều áp ép không khí lại, nước sẽ theo đường ống đẩy dâng lên và chảy ra bể xả Cứ như vậy, sau một thời gian, ở pha âm van đẩy đóng lại, van va mở ra, nước trào ra và tốc độ chảy trong đường ống tăng dần Khi tốc độ đạt đến mức nhất định, van va đóng lại, van đẩy mở ra và quá trình được lặp lại tự động theo một chu kỳ nhất định

Giá thành khá cao so với các loại bơm tự chảy khác

Chế tạo phức tạp hơn so với các bơm tự chảy khác

Phải xây ngăn dòng chảy để tạo lực đẩy

Phù hợp với dòng suối sâu

3 Giới thiệu về bơm thủy luân do viện Thủy lợi thiết kế chế tạo

a Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm

9

Bơm thuỷ luân (hay còn gọi là bơm tuabin) Loại bơm này thực chất là một thiết bị gồm bơm và tua-bin, trong đó cánh bơm và cánh tua- bin được lắp đặt trên cùng một trục, năng lượng của nước làm quay cánh tua- bin, kéo theo cánh bơm cũng quay và đưa nước lên cao Tua-bin của bơm thuỷ luân là loại tua- bin hướng trục, ly tâm Ngoài những nguyên lý trên, bơm thuỷ luân có một số ưu điểm chính: tua- bin và bơm là một khối thống nhất, nội dung một trục nên tiết kiệm được cơ cấu truyền chuyển động mà kết cấu rất chặt chẽ Do máy bơm làm việc ở trong nước nên tiết kiệm được các thiết bị và thủ tục mồi nước ban đầu, hơn nữa vì máy bơm không có quá trình hút nước, do đó máy rất ít bị hư hỏng Công suất trục của máy bơm được thiết kế bằng công suất trục của tua- bin, nên khi làm việc, nếu phụ tải của máy bơm thay đổi, bộ phận trong tua- bin sẽ tự động điều chỉnh tốc độ cho phù hợp Còn về bản chất, tua- bin và máy bơm giống như máy phát điện và động cơ điện, đây là đặc điểm rất phù hợp cho việc lắp đặt máy móc trên địa hình các tỉnh miền núi Bơm có khả năng đưa nước lên độ cao 10-15m

Hình 1-6: Bơm thủy luân

Cấu tạo: Bao gồm các cụm chính

- Cụm tuabin hướng trục – bánh công tác tua bin - buồng tua bin

- Cụm bơm ly tâm – bánh công tác bơm - buồng bơm

- Cụm ổ bi, ổ bạc đỡ trục

10

Nguyên lý làm việc: Bơm thủy luân thường làm việc ngập dưới nước

Nước chảy qua tua bin làm quay bánh công tác tua bin đồng thời làm quay bánh công tác bơm ly tâm (do nối liền trục) – bơm quay tạo sức ly tâm đưa nước lên cao

b Ưu và nhược điểm của bơm

- Ưu điểm:

Lưu lượng lớn

Dễ vận hành Thích hợp với những dòng suối dốc và nhỏ

- Nhược điểm:

Giá thành khá cao so với các loại bơm tự chảy khác Chế tạo phức tạp hơn so với các bơm tự chảy khác Phải ngăn dòng chảy để tạo lực đẩy

Bảo trì khó và tốn kém

4 Giới thiệu về bơm xoắn ốc

a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 1-7: Cấu tạo bơm bánh xe xoắn ốc

Máy bơm gồm các bộ phận: bánh xe bơm, cuộn ống, vòng xoắn ốc, gầu múc, khung bơm, bàn đạp quay bơm, trục bơm, phao nổi, gối đỡ đầu trục bơm, ống khít quay (đây là bộ phận liên kết để chuyền nước từ trục bơm vào ống dẫn

11

nước lên cao) Máy bơm có hình dáng giống như guồng nước (từng được người dân vùng cao sử dụng để đưa nước lên ruộng) nhưng trên guồng máy bơm gắn thêm các cuộn ống nước xếp hình xoắn ốc

Hình 1-8: Bơm bánh xe xoắn ốc Nguyên lý hoạt động: Đặt xuống suối, guồng tự quay theo sức đẩy của

nước, mỗi vòng sẽ lấy một lượng nước và không khí vào ống cuộn Cứ theo các vòng quay của guồng, lượng nước và không khí liên tục đi vào ống sẽ dồn ép tạo

ra áp suất lớn nhất ở vòng quay cuối cùng, đẩy nước phụt qua ống xả lên cao Trục bơm luôn quay còn ống dẫn nước lên cao phải cố định; ống khít quay được cấu tạo đặc biệt để nước tuy dưới áp suất lớn nhưng không bị phụt rỉ ra ngoài Vỏ ống khít quay làm bằng thép hoặc nhựa, các bộ phận liên kết được chế tạo bằng cao su, đồng, thép không gỉ; hai ổ bi là loại có chất lượng cao, ngăn được nước không vào bi, không phải bơm mỡ

b Ưu và nhược điểm

- Ưu điểm:

Cột áp cao

Dễ vận hành

Thích hợp với nhiều địa hình

Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

12

Kinh phí thấp vì có thể chế tạo bằng những vật liệu rẻ tiền như gỗ, tre… Tính cơ động cao

- Nhược điểm:

Lưu lượng thấp hơn bơm va và bơm thủy luân

To, cồng kềnh hơn các loại trên

5 Yêu cầu cơ bản về thiết kế chế tạo bơm thủy năng phục vụ sản xuất

nông nghiệp của vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa

Thông qua đặc điểm của các dòng suối tự chảy cũng như địa hình và yêu cầu tưới tiêu của các huyện vùng núi tỉnh Khánh Hòa ta đưa ra được cách chọn loại bơm sử dụng năng lượng dòng suối tự chảy tốt nhất, phù hợp nhất:

Giá thành bơm rẻ, vì người dân ở các khu vực miền núi thường có kinh tế khó khăn

Dễ lắp đặt, sử dụng và bảo trì, vì trình độ người dân còn hạn chế và các thiết bị kỹ thuật ít

Bơm phải có khả năng đưa được nước lên cao và lưu lượng ổn định

⇒ Từ các yêu cầu trên chúng ta có thể chọn được loại bơm sử dụng năng lượng dòng suối phù hợp nhất đó là bơm thủy năng

13

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ KỸ THUẬT BƠM THỦY

NĂNG

I YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA BƠM THỦY NĂNG

Để phù hợp với điều kiện tự nhiên của con suối vùng núi Khánh Hòa với vận tốc ≤ 1 , 2m / s, nhu cầu tưới tiêu của người dân và đường xá giao thông chật hẹp, gây khó khăn cho quá trình vận chuyển bơm, ta thiết kế kỹ thuật của bơm nước bằng năng lượng dòng suối sao cho thiết bị đạt được những thông số kỹ thuật sau:

- Lưu Lượng : Q > 10 m3/h

- Cột áp : H > 15 m

II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1 Phân tích các phương án thiết kế hiện hành

1.1 Bơm thủy luân của viện thủy lợi

1

2 3 4

Lưu lượng cao > 10m3/h

Công suất lớn, thích hợp cho cấp nước sạch, tưới vườn đồi, tưới ruộng bậc cao, diện tích tới vài chục hecta tại những nơi xa vùng điện lưới

Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, công tác quản lý vận hành đơn giản, tuổi thọ cao

Thích hợp với những dòng suối dốc và nhỏ

- Nhược điểm:

Cột áp khá thấp( h<10m) Giá thành khá cao so với các loại bơm tự chảy khác

Chế tạo phức tạp hơn so với các bơm tự chảy khác

Phải ngăn dòng chảy để tạo lực đẩy

Bảo trì khó và tốn kém

1.2 Bơm xoắn ốc

Hình 2-2: Bơm xoắn ốc

Lưu lượng rất nhỏ Q < 200m3/ngày

To, cồng kềnh hơn các loại trên

1.3 Bơm theo kết cấu tua bin – bộ truyền bánh răng tăng tốc – bơm

li tâm

4

5

1 2 3

Hình 2-3: Bơm thủy năng sử dụng bánh răng tăng tốc

1- Tua bin

2- Buồng xoắn

3- Bánh răng chủ động

Lưu lượng lớn, tương đương với bơm điện

Thích hợp với nhiều địa hình

Kinh phí thấp

Hiệu suất tương đối cao vì sử dụng bộ truyền bánh răng

- Nhược điểm:

Làm việc có tiếng ồn lớn

Không truyền được các trục xa nhau

1.4 Bơm theo kiểu kết cấu tuabin – bộ truyền bánh đai tăng tốc – bơm li

tâm

4

1 2

Lưu lượng lớn, tương đương với bơm điện

Thích hợp với nhiều địa hình

Làm việc êm dịu, không có tiếng ồn

Kết cấu đơn giản, phù hợp với điều kiện kinh tế

Phải có thêm bộ phận căng đai để điều chỉnh độ căng

2 Xây dựng phương án thiết kế

Qua những phân tích ở trên và tình hình thực tế của các huyện miền núi, nên em đã quyết định chọn phương án thiết kế bơm thủy năng theo kiểu:

“Tuabin – bộ truyền bánh răng tăng tốc – bơm li tâm”

18

4

5

1 2 3

Hình 2-5: Bơm thủy năng sử dụng bộ truyền bánh răng tăng tốc

III TÍNH TOÁN CÁC CHI TIẾT CƠ BẢN

A TÍNH TOÁN TUA BIN

1 Tính chọn kiểu tuabin và các thông số cơ bản của tua bin

Hiện nay trên thị trường có hai loại kiểu tua bin do Trung Quốc sản xuất

đó là kiểu tuốc bin cánh gáo dùng cho máy ngồi thích hợp với những nơi nguồn nước có lưu lượng nhỏ và có cột áp cao và loại tua bin cánh quạt dùng cho máy đứng thích hợp với những nơi nguồn nước có lưu lượng chảy lớn nhưng cột áp thấp Qua những phân tích ở trên và tình hình sông suối ở vùng miền núi Khánh Hòa thì ta tiến hành chọn theo mô hình tua bin cánh quạt dùng cho máy đứng là phù hợp hơn cả Theo đó tua bin sẽ được chế tạo bằng cách hàn các cánh vào bầu bằng vật liệu là thép không gỉ SUS 420

Các thông số cơ bản của tua bin cánh quạt:

- Đường kính ngoài của tua bin: D =116(mm)

- Đường kính của bầu: dbầu = 30(mm)

- Chiều cao của bầu h = 52(mm)

Giới hạn bền: [ ] 450 ( / 2 )

mm N

b =

Giới hạn chảy: [ ] 205 ( / 2 )

mm N

ch =

2 Kiểm tra sức bền nén lên bề mặt cánh tua bin

Vì cột nước tua bin thấp nên về mặt khí thực, bánh công tác cũng không chịu ảnh hưởng nhiều, để đảm bảo tính kinh tế, vật liệu và công nghệ chế tạo phải lựa chọn sao cho giá thành sản phẩm thấp nhất mà vẫn đảm bảo yêu cầu về

kỹ thuật, độ bền của sản phẩm

Lực tác dụng lên bánh công tác theo lý thuyết tính toán rất phức tạp, nó gồm hai thành phần chính là lực quay tạo ra mô men quay Pu và lực dọc trục Pz

N P R

P

800 046 , 0

30 500

21

Nên ta sẽ tính được lực dọc trục: P z =P u tan( 45o) =P u = 129 , 75N

Lực tác dụng lên cánh tua bin được tính: P =P u /cos(45o)=183,5N

Lực P là thành phần gây ra áp suất tác dụng lên bề mặt cánh Vậy ứng suất sinh ra trên bề mặt cánh được xác định theo công thức:

cánh nén

S

P

=

σVới Scánh: là tổng diện tích bề mặt cánh

Cánh tua bin có hình dạng phức tạp, việc xác định chính xác diện tích bề mặt của cánh là rất khó Do đó ta tính diện tích bề mặt cánh bằng cách đo trực tiếp trên bề mặt cánh rùi tính diện tích Theo như tính toán giá trị về diện tích bề mặt cánh ta nhận được: S1cánh = 2255(mm2) Vậy diện tích Scánh = 4.S1cánh = 9020(mm2)

9020

5 ,

mm N S

P

cánh nén = = =

ch

n = σ = =

σVới n = 3 là hệ số an toàn

Ta thấy: 0 , 02 ( / 2 ) [ ] 68 , 33 ( / 2 )

mm N mm

nén = < σ =

bin chịu được sức bền nén

3 Kiểm tra bền cho cánh tại mặt cắt nguy hiểm

P Pu

Pz

22

Hình 2-8: Sơ đồ chịu lực của bánh công tác tua bin hướng trục

Các lực được phân tích và tính toán như trên

Các lá cánh chịu lực đều nhau: P1 = P/4 = 45,975N

Coi lá cánh là một dầm công xôn chịu lực P1 tại điểm xa nhất với:

mm d

D r

Hình 2-9: Sơ đồ chịu lực của cánh tua bin

Cánh tua bin được hàn kiểu chữ K với bầu, ta sẽ kiểm tra bền tại vị trí mối hàn Gỉa thiết mặt cánh vuông góc với trục bầu, mặt cắt nguy hiểm nhất tại vị trí mối hàn sát bầu cánh có kích thước là:

y

z

Hình 2-10: Sơ đồ mặt cắt chịu lực nguy hiểm nhất của lá cánh tua bin

h = 2(mm): Độ dày trung bình của tiết diện cánh

b = 45(mm): Chiều dài trung bình của mối hàn tiết diện sát bầu

Mô men lớn nhất tại mặt cắt sát bầu:

) ( 925 , 1976 43

975 , 45

23

2 1 2

2

2 1 2

=

bh

P hb

M

P

M τσσ

) / ( 1 , 3 45

2

975 , 45 4 45

2

9 , 1976 6

2 2

2

2 1 2

σ

7 , 1

205 9 , 0

9 , 0 9

,

'

mm N s

Với s = 1,7 hệ số an toàn tính cho mối hàn

Vậy đảm bảo điều kiện bền: [ ]'

max σ

B CHỌN BƠM LY TÂM

Do địa hình ở vùng miền núi cao, do đó muốn đưa nước lên cao thì phải

sử dụng bơm li tâm đa cấp Đây là loại bơm li tâm đa cấp do công ty Daphovina sản xuất và được sử dụng rộng rãi trên thị trường cả nước Do vậy ta chọn bơm li tâm đa cấp này với các thông số như sau:

- Lưu lượng : Q = 12 m3/h

- Cột áp : H = 15 m

- Tốc độ vòng quay: n = 2700(vg/ph)

C TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG TĂNG TỐC

Công suất trên trục của tua bin là: P= 0,5KW

nđm = 800 (v/p): Số vòng quay của tua bin

Tỷ số truyền của bánh răng tăng tốc:

296 , 0

Chế độ làm việc: Quay một chiều, làm việc một ca tải trọng va đập nhẹ, 1 năm làm việc 300 ngày, một ca làm việc 8 giờ, số năm làm việc là 3 năm

1 Xác định các thông số động học và động lực học trên các trục

a) Tốc độ quay trên các trục:

n đm = 800 (vg/ph): tốc độ quay trên trục 1

24

296 , 0

b) Công suất trên các trục

Công suất trên trục 1: P1 = 0,5 KW

Công suất trên trục 2: P2 = P1ηolanη = 0,5*0,99*0,97 = 0,48 KW br

Hiệu suất bánh răng và ổ lăn là: ηolan = 0,99 ÷ 0,995; η = 0,97 ÷ 0,99 br

c) Mô men xoắn trên các trục

Nmm n

P

800

5,010.55,910

Nmm n

P

2700

48,010.55,910

2 Chọn vật liệu chế tạo và phương pháp nhiệt luyện

Đây là bộ truyền chịu tải trọng nhỏ nên ta dùng thép tôi cải thiện để chế tạo bánh răng, và do chu kì làm việc của bánh răng nhỏ lớn hơn chu kì làm việc của bánh răng lớn nên bánh răng nhỏ sẽ phải có độ cứng cao hơn Do đó ta chọn thép C45 được tôi cải thiện Theo [1, trang 58, bảng 29] ta có:

Giới hạn bền: 750 850 ( / 2 )

mm N

b = ÷

Giới hạn chảy: 450 ( / 2 )

mm N

ch =

Bánh lớn: HB1 = 210 HB

Bánh nhỏ: HB2 = 240HB

25

2.1 Xác định ứng suất cho phép

a) Ứng suất tiếp xúc cho phép [ ] [ ] '

N No tx

σ

6 '

tđ

o N

N

N

K = : Hệ số chu kì ứng suất tiếp xúc

Trong đó: No = 107 Theo [1, trang 62, bảng 30] - Số chu kì cơ sở của đường cong mỏi tiếp xúc

Ntđ: Số chu kì ứng suất tương đương

Bánh răng chịu tải trọng tĩnh: Ntđ = N = 60.u.n.t

Với u = 1 số lần ăn khớp của bánh răng trong 1 vòng quay

t = 8.1.300.3 = 7200h - tổng số giờ làm việc của bánh răng

2 tx No K N N mm

b) Ứng suất uốn cho phép

Bánh răng quay một chiều, ứng suất trong răng sẽ thay đổi mạch động:

[ ]

σ

σσ

K n

u

.

) 6 , 1 4 , 1 ( ÷ −1 "

26

8 , 1

=

σ

K : Hệ số tập chung ứng suất ở chân răng

m tđ N

N

N

K" = 0 : Hệ số chu kì ứng suất uốn

N0 = 5.106: Số chu kì cơ sở của đường cong mỏi uốn

Ntđ: Số chu kì ứng suất tương đương được xác định như trên

m = 6 bậc của đường cong mỏi uốn

10 56 , 34

10 5

6

7

6 6

N

N K

44 , 0 10 956 , 65

10 5

6

7

6 6

N

N K

Ứng suất uốn cho phép của bánh lớn và bánh nhỏ:

8 , 1 5 , 1

49 , 0 300 4 , 1

4 ,

"

1 1

K n

σ

σσ

8 , 1 5 , 1

44 , 0 300 4 , 1

4 ,

2 1

K n

σ

σσ

i

A

A sb tx

76,582700.15,0

48,0.3,1.456.296,0

10.05,1)1296,0(

10.05,1)1

2 6 3

2

2 6

≥

ψσ

2.5 Chọn cấp chính xác chế tạo bánh răng

27

Để chọn cấp chính xác chế tạo bánh răng ta cần xác định giá trị vận tốc vòng V:

)/(79,3)1296,0(10.6

800.76,582)1(10.6

210

1 4

1 1

s m i

An n

d

+

=+

55 , 1 76 ,

K

K A

80 2 )

1 (

2

+

= +

=

i m

Z m

c) Chiều rộng bánh răng:

) ( 12 80 15 , 0

28

2.8 Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng

Sức bền uốn của răng được kiểm tra theo công thức:

[ ]u

u

Znb ym

Trong đó: y: hệ số dạng răng xác định theo [1, trang 67, bảng 36]

Với bánh răng lớn:

1 2

2 6

1 1 2 1

1 6

12 800 62 2 5 , 0

5 , 0 55 , 1 10 1 , 19 10

1 , 19

mm N mm

N b

n Z m y

2 6

2 2 2 2

2 6

12 2700 18 2 36 , 0

48 , 0 55 , 1 10 1 , 19 10

1 , 19

mm N mm

N b

n Z m y

KN

u

σ

Vậy bánh răng đảm bảo sức bền uốn

2.9 Định các thông số hình học chủ yếu của bộ truyền

Tên thông số Bánh răng lớn Bánh răng nhỏ

Mô đun ăn khớp pháp

m = 2

Đường kính vòng chia dc dc1 = m.Z1 = 124 dc2 = m.Z2 = 36

Đường kính vòng lăn

M F

1

1 2

N tg

tg F F

D TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC

1 Thiết kế trục 1

Trục là chi tiết máy dùng để truyền mômen xoắn các chi tiết máy lắp trên

nó đến các chi tiết máy khác

Thiết kế trục các thông số cần thiết là: ứng dụng, điều kiện làm việc và tải trọng tác dụng lên trục Để xác định các kích thước chủ yếu của trục có thể tiến hành theo các bước sau:

5,010.55,910

.55,

1

1 6

)/(63);

/(300

)/(260);

/(600

2

2 2

2 2

mm N HB

mm N mm

N

mm N mm

N

ch

k b

σσ

T d

τ

n

N C

d sb ≥

Trong đó: T1 – mômen xoắn truyền trên trục 1 [Nmm]

[τx] - ứng suất xoắn cho phép [N/mm2]

[τx] = 20 [N/mm2]; C =130 Thay số vào ta có:

75,5968

2,

Để xác định chiều dài từng đoạn của trục ta chọn kích thước như sau:

Hình 2-11: Sơ đồ để xác định khoảng cách của trục tua bin.

l3: Chiều dài của bầu tua bin có l3 = 52(mm)

l4: Chiều dài của ren chọn l4 = 30(mm)

31

Vậy khoảng cách giữa tâm hai ổ bi: l5 = B + 2l1 +Br = 74(mm)

Khoảng cách từ tâm ổ bi đến tâm tuabin: l6 = l2 +B/2 +l3/2 = 411(mm)

Tổng chiều dài của trục L = l2 +l3 +l4 + l5 + B = 548(mm)

Hình 2-12: Sơ đồ tính toán trục tua bin

1.4 Xây dựng sơ đồ tính toán trục

- Lực dọc trục do tua bin sinh ra được tính ở trên là Pz = 129,75N

- Trọng lượng của bánh công tác không đáng kể nên bỏ qua

- Trọng lượng của trục được tính theo công thức:

L

d V

G t

4

2

πγ

= )

/ (

m kg

=

γ : Khối lượng riêng của thép

L = 560(mm)

N kg

L

d V

4

02 , 0 56 , 0 7850 4

.

2 2

Tuy nhiên khi tính toán trục thì ta chỉ xét các thành phần lực gây ra mô

men xoắn và uốn Các thành phần lực khác thì không xét, các lực ta xét tác dụng

lên trục là: