Bơm Động Cơ Roto máy nén khí

Bơm - Động cơ Roto 1 . Khái niệm : Dùng rộng rãi trong ngành chế tạo máy và động lực , bộ phận chính trao đổi năng lợng với chất lỏng là roto có chuyển động quay với vận tốc không đổi tạo nên dòng chảy tơng đối đều trong máy. p ( áp suất ) làm việc trong máy roto cao hơn máy cánh dẫn nhng thấp hơn máy piston 15020p lv = at Ưu điểm : - Kết cấu đơn giản , kích thớc gọn nhẹ . - Có tuổi bền cao , chắc chắn . - Làm việc tin cậy, có thể làm việc với số vòng quay lớn hơn so với bơm piston . - Công suất trên 1 đơn vị trọng lợng của máy lớn. Nh ợc điểm : - Không điều chỉnh đợc lu lợng khi n = const . 2 . Bơm và động cơ bánh răng : I . Khái niệm : 1 . Kết cấu và nguyên lý làm việc : Bơm bánh răng thờng dùng trong truyền động thuỷ lực và trong các hệ thống bôi trơn. Kết cấu của bơm gồm 2 bánh răng ăn khớp với nhau, loại đơn giản nhất là 2 bánh răng bằng nhau ăn khớp ngoài, dạng răng thân khai, số răng từ 8 đến 12 răng do đó thờng phải dịch chỉnh góc để tránh sự cắt chân răng. 2 bánh răng đợc đặt trong vỏ bơm, vỏ bơm có đờng dẫn nối với ống hút và đờng dẫn nối với ống đẩy . Nguyên lý làm việc : Bánh răng chủ động (1) gắn liền trên trục chính của bơm, bánh răng (1) quay kéo theo bánh răng bị động (2) quay theo. Tại buồng A , các răng ở vị trí ra khớp, khoảng trống A (thể tích buồng A) tăng lên , áp suất trong buồng A giảm tạo nên độ chênh áp ở buồng A và mặt thoáng bể hút, chất lỏng đi từ bể hút lên buồng A. Buồng A đợc gọi là bọng hút. Bánh răng quay, các răng đa chất lỏng chuyển động từ buồng A lên buồng B theo chiều vòng theo vỏ bơm. 1 Tại buồng B , các răng vào khớp làm thể tích chứa chất lỏng trong buồng B giảm, chất lỏng bị chèn ép, dồn vào ống đẩy (5) với áp suất cao. B đợc gọi là bọng đẩy. Nhận xét: - Quá trình hút và đẩy diễn ra liên tục - Cột áp (áp suất chất lỏng) do bơm tạo ra phụ thuộc vào áp suất yêu cầu. - Nếu không có khe hở giữa đỉnh răng và vỏ bơm, giữa mặt đầu bánh răng và vỏ bơm thì áp suát làm việc có thể lớn vô cùng. Trong thực tế do có sự rò rỉ chất lỏng nên áp suất làm việc của bơm sẽ bị hạn chế, nếu áp suất quá lớn thì chất lỏng sẽ rò rỉ hết qua khe hở và lu lợng bằng 0 . Để hạn chế bơm không làm việc khi áp suất vợt quá một giá trị áp suất nào đó , ta bố trí van an toàn trên đờng ống đẩy . Khi áp suất yêu cầu ở đờng ống đẩy vợt quá giá trị cho phép thì van sẽ tự mở để chất lỏng thoát về bể hút hoặc bọng hút . 2 . Phân loại bơm bánh răng : a ) Bơm nhiều bánh răng : Thờng dùng nhất là 3 bánh răng ăn khớp với nhau. Lu lợng của nó gấp đôi lu lợng của bơm 2 bánh răng cùng kích thớc. Bánh răng chủ động đợc bố trí ở giữa, có số bánh răng nhiều hơn 2 bánh bị động từ 1 đến 3 răng để cho lu lợng của 2 bơm ghép lệch pha nhau làm giảm sự dao động lu lợng và áp suất . b ) Bơm bánh răng nhiều cấp : Số cấp n 2 , mục đích để tăng áp suất mà bơm tạo đợc . Chất lỏng từ buồng đẩy của cặp bánh răng 1 sẽ vào buồng hút của cặp bánh răng 2 và cứ tiếp tục đợc tăng áp suất. Lu lợng Q 321 QQ >> do rò rỉ qua các cấp , ở mỗi cấp đều có bố trí van an toàn để điều chỉnh áp suất và lu lợng ở mỗi cấp . c ) Bơm 2 bánh răng ăn khớp trong : Mục đích là để tăng độ cứng , vững của bơm , bơm có kết cấu nhỏ gọn hơn . Loại bơm 2 bánh răng ăn khớp trong này chỉ dùng trong trờng hợp đặc biệt vì chế tạo phức tạp và giá thành đắt . 3 . Các thông số làm việc : - p (áp suất) làm việc : ngành chế tạo máy : p = 15 30 at 2 ngành hàng không : p = 100 200 at - Lu lợng : Q = ph l 500400 ph l 5000Q max = - Số vòng quay : n = ph v 30001500 max n =12000 ph v 15000 - Hiệu suất : maxQ = 0,95 0,96 = 0,87 0,90 II. Lu lợng: 1 . Lu lợng trung bình: Giả thiết: - Chất lõng điền đầy rãnh răng - Thể tích rãnh răng bằng thể tích răng (V ranh >V rang ) . Gọi Z là số răng của bánh răng chủ động, V là thể tích của 1 rãnh răng. Trong 1 vòng quay của br chủ động (1), bánh răng (1) gạt thể tích chất lỏng ZV, bánh răng (2) cũng gạt thể tích chất lỏng ZV. Do đó lu lợng riêng của bánh răng là : ZV2q = mb2 Z2 D hb 2 t V * == Nên Z bD2 m2DbhDbq 2 === Trong đó D:bán kính vòng chia (vòng tròn trung bình giữa vòng đỉnh và vòng chân) b :bề rộng bánh răng h :chiều cao của răng m :môđun của bánh răng L u l ợng lý thuyết trung bình là : 3 nqQ lt = Z nbD2 Q 2 lt = Mặt khác vì rangranh VV > nên thay 5,3 = Z nbD7 Q 2 lt = Nếu số răng của 2 bánh răng khác nhau thì lu lợng sẽ tính theo số liệu bánh răng chủ động vì n đcơ chính là số vòng quay của bánh răng chủ động . Với bánh răng dịch chỉnh thì : )cosmRR(bn2Q o 22 1 2 2lt = Trong đó 2 R : bán kính vòng đỉnh 1 R : bán kính vòng chân o : góc ăn khớp ( 20 0 ) L u l ợng thực của bơm : ltQlt QQQQ == rori Q là lu lợng rò rỉ qua 2 con đờng : + khe hở giữa đỉnh răng và vỏ bơm + khe hở giữa mặt đầu bánh răng và vỏ bơm ( quan trọng nhất ) 96,095,0 maxQ = Giá trị Q xác định bằng thực nghiệm , phụ thuộc vào : + độ lớn của các khe hở + cấp chính xác gia công + độ cứng vững của bánh răng + kết cấu bơm 2 . Momen quay và lu lợng tức thời : Xét 2 bánh răng đang tiếp xúc tại A , phía trên điểm A, áp suất tác dụng là p d , phía dới điểm A áp suất tác dụng là p h : độ chênh áp p = p d - p h tác dụng vào mặt răng, sinh lực cản tạo ra momen cản trong bơm . 4 - Xét bánh răng chủ động : Mặt răng A :A A' 1 : chịu p h . A A // 1 : chịu p d . Mặt răng B : chịu p h . Vậy 2 mặt răng A , B chịu lực không cân bằng tại phần AA'' 1 gây ra momen cản ngợc chiều với chiều quay của trục . - Xét bánh răng bị động : Mặt răng A :A A / 2 : chịu p h .(từ A đến đỉnh) A A // 2 : chịu p d .(Từ a đến chân) Mặt răng C : chịu p day Vậy 2 mặt răng AC chịu lực không cân bằng gây momen cản ngợc chiều quay của trục . + Tính momen cản tác dụng lên bánh răng chủ động ( 1 ) A , B : Từ A đến đỉnh răng chịu lực không cân bằng , còn các cặp mặt răng khác áp suất gây áp lực triệt tiêu từng đôi một . Ta có : Lực F = p .b.(R 2 - x ) Cánh tay đòn 2 xR h 2 + = Momen cản tác dụng bánh răng chủ động (1) là : M = 1 p .b( R 2 - x ) 2 xR 2 + M 1 = bp 2 1 ( R 22 2 x ) +Tính momen cản tác dụng lên bánh răng bị động (2) : M 2 = p .b.( yR 2 ) 2 yR 2 + M 2 = bp 2 1 ( R 22 2 y ) Ta có : hd ppp = + Momen cản tác dụng lên trục bơm : M = M 21 M+ 5 M= ( ) [ ] 222 2 yxR2 2 1 b.p + x , y xác định từ sơ đồ ăn khớp x 2 + y 2 = 2R 2 + 2( k 2 + C 2 ) = 2( R 2 + l 2 ) M = p .b.(R 2 2 - R 2 - l 2 ) Đối với bánh răng thông th ờng : R 2 = R + m Nên M = p b( 2Rm + m 2 - l 2 ) M phụ thuộc vào khoảng cách l, là khoảng cách từ điểm ăn khớp A đến tâm ăn khớp O , l thay đổi theo thời gian . l = l max M min = p .b.( 2Rm + m 2 - l 2 max ) l = 0 M max = p .b.( 2Rm + m 2 ) Vậy có sự dao động momen quay ảnh hởng đến sức bền và điều kiện làm việc của bơm. Công suất của bơm : N = M = QH = p Q Vậy Q = p N = p M Thay trị số của M vào công thức tính lu lợng Q ta có lu lợng tức thời: Q = b( 2Rm + m 2 - l 2 ) Do l thay đổi nên lu lợng Q của bơm dao động có chu kỳ từ Q max Q min . Biên độ dao động này phụ thuộc vào khoảng cách l , do đó phụ thuộc vào số răng Z và hệ số trùng khớp . Công thức xác định biên độ dao động : A = 2 2 Z 2 R 2 0 b Trong đó 6 Rk2kRC 222 ++ =+= 222 )kR(Cx =++= 222 )kR(Cy Rk2kRC 222 +++ + : hệ số trùng khớp + R o : bán kính vòng cơ sở Để đánh giá mức độ dao động lu lợng của bơm bánh răng ta dùng hệ số dao động lu lợng : = tb minmax Q QQ Công thức gần đúng : ( bơm bánh răng trụ ) =1,25 Z cos 2 : góc ăn khớp = 20 o ( bánh răng tiêu chuẩn ) . So với bơm piston thì mức độ dao động lu lợng của bơm bánh răng nhỏ hơn nhiều . 3 . Biện pháp khắc phục dao động l u l ợng : - Dùng bánh răng có số răng Z lớn ( ) , nhợc điểm là sẽ làm tăng đờng kính bánh răng . - Dùng bánh răng nghiêng: toàn bộ chiều dài răng không vào và ra khớp cùng một lúc mà vào và ra khớp từ từ . Điều này làm cho lu lợng của bơm dao động ít hơn, bơm làm việc êm hơn, hệ số dao động Q phụ thuộc góc nghiêng của răng và bề rộng b của bánh răng . Nhợc điểm của bánh răng nghiêng là xuất hiện lực dọc trục , góc nghiêng càng lớn thì lực dọc trục càng lớn do đó bị hạn chế ( nằm trong khoảng từ 20 đến o 30 ) và làm việc với áp suất p nằm trong khoảng từ 3 đến 5 at . - Dùng bánh răng chữ V : bánh răng chữ V là 2 bánh răng nghiêng ngợc chiều nhau nên khử đợc lực chiều trục , vì vậy góc nghiêng có thể tăng lên 30 đến 45 o , làm việc với p từ 20 đến 40 at . Nhợc điểm của bánh răng chữ V là kết cấu phức tạp , chế tạo đắt tiền . Ngời ta khắc phục bằng cách đặt 2 cặp bánh răng nghiêng đối xứng trên cùng một trục . III . Hiện t ợng chất lỏng bị nén ở chân răng : Không phải toàn bộ chất lỏng trong rãnh giữa 2 răng đều đợc đa vào bọng đẩy mà một phần đợc giữ lại ở chân răng khi bánh răng ăn khớp .Nếu giữa các mặt răng khi ăn khớp không có khe hở thì chất lỏng này sẽ bị nén lại khi cặp răng vào khớp . Hiện tợng này sẽ ít hơn trong trờng hợp có nhiều cặp răng ăn khớp cùng một lúc , tức là hệ số trùng khớp < 1 . 7 Bản chất hiện t ợng : Khi 2 răng bắt đầu vào khớp , 1 phần chất lỏng bị giữ lại trong chân răng và trong quá trình vào khớp sẽ bị nén ở trong chân răng nếu không có khe thoát ra . Trong trờng hợp có 2 cặp răng vào khớp cùng một lúc , không gian mà chất lỏng chiếm chỗ trong chân răng lớn hơn do đó chất lỏng ít bị nén so với tr- ờng hợp một cặp răng vào khớp . Khi bị nén thể tích chất lỏng chiếm chổ đạt giá trị nhỏ nhất và áp suất chất lỏng lúc đó là lớn nhất . Khi ra khớp thể tích không gian tăng nhanh , áp suất giảm nhanh ( có thể đến áp suất chân không ) . Sự tăng giảm áp suất theo chu kỳ gây ra ứng suất mạch động , ảnh hởng đến sức bền của răng và ổ trục . Đồng thời nhiệt độ của chất lỏng tăng nhanh khi bị nén , chất lỏng có thể bốc hơi gây ra hiện tợng xâm thực trong máy và làm cho dầu bị biến chất . Các biện pháp khắc phục : - Làm rãnh thoát phía trong thành vỏ bơm ngang vị trí ăn khớp của 2 răng thông với bọng hút hay bọng đẩy . Với phơng pháp này thì khe hở giữa mặt đầu bánh răng và vỏ bơm tăng do đó lợng chất lỏng rò rỉ sẽ tăng , hiệu suất lu lợng giảm . - Khoan lỗ ở chân răng thông với buồng hút hoặc bọng đẩy . - Sử dụng bánh răng nghiêng hay bánh răng hình chữ V . Khi một đầu răng bắt đầu vào khớp thì đầu kia đã ra khớp , do đó không tạo nên không gian kín . IV . Tổn thất và hiệu suất trong bơm bánh răng : 1 . Tổn thất thuỷ lực : - Do ma sát của chất lỏng với các bản mặt làm việc . - Do tổn thất dọc đờng và tổn thất cục bộ trong chuyển động từ ống hút đến ống đẩy . Tổn thất thuỷ lực có giá trị nhỏ và thờng đợc bỏ qua . 2 . Tổn thất l u l ợng : Q = 0,7 0,9 - Do rò rỉ chất lỏng từ khoang áp suất thấp đến khoang áp suất cao và rò rỉ ra ngoài , sự rò rỉ này diễn ra theo 2 con đờng : + Mặt đầu răng và vỏ bơm :70% 80% rò rỉ . + Đỉnh răng và vỏ bơm Nếu tăng khe hở mặt đầu 0,1 mm thì Q giảm 20% 8 Nếu tăng khe hở đỉnh răng 0,1 mm thì Q giảm 0,25% Giảm khe hở mặt đầu bằng cách dùng đĩa rự lực hay tự chỉnh , luôn luôn điều chỉnh khe hở làm khe hở có giá trị nhỏ nhất . - Do chất lỏng không điền đầy rãnh răng trong quá trình làm việc do lực ly tâm làm chất lỏng văng ra + Nếu p lytam > p hut thì chất lỏng sẽ không đièn đầy rãnh răng đợc , do đó hạn chế vận tốc vòng của đỉnh răng v 6 s m 8 và tăng áp suất hút bằng cách đặt bơm thấp hơn mực chất lỏng ở bể hút hoặc tăng áp suất bể hút . + Để tăng khả năng điền đầy , ta chọn kết cấu thích hợp của ống hút và ống đẩy : d 8 1 hut vòng bao bánh răng v = 2 hut 3 s m - Tổn thất rò rỉ giảm khi độ nhớt chất lỏng tăng lên nhng độ nhớt tăng thì chất lỏng lại khó điền đầy các rãnh răng . - Hiện tợng chất lỏng không điền đầy các rãnh răng còn gây ra dao động áp lực trong bơm , khi bánh răng quay đến vùng có áp suất cao dòng chất lỏng có áp suất cao sẽ tràn vào rãnh răng gây va đập áp lực . 3 . Tổn thất cơ khí : - Do ma sát giữa bánh răng và vỏ - Do ma sát giữa các bản mặt làm việc của răng với nhau . - Do ma sát trong ổ đệm và ổ trục Nếu vật liệu cặp ma sát là khác nhau thì tổn thất cơ khí nhỏ : = ck 0,8 0,95 Hiệu suất toàn phần : Qck = =0,6 0,85 V . Sự ảnh h ởng của lực ly tâm đến sự làm việc của bơm : Lực ly tâm làm cho chất lỏng không điền đầy rãnh răng . Biểu thức xác định áp suất ly tâm là : P g2 UU 2 c 2 d l = = 22 c 2 d )rr( g2 Trong đó : 9 + r d , r c : bán kính vòng tròn chân răng và đỉnh răng . Do ảnh hởng của lực ly tâm , áp suất tuyệt đối ở buồng hút là p h p l có thể giảm đến giá trị nhỏ hơn p bh gây ra xâm thực . Nh vậy p h phải đủ lớn để dới ảnh hởng của áp suất ly tâm thì chất lỏng phải điền đầy rãnh răng và không xảy ra xâm thực . = dh pp h g2 v 2 h g2 v 2 i Trong đó + h : chiều cao đặt bơm có thể lớn hoặc nhỏ hơn 0 . + v h : vận tốc ở lối vào của bơm . + x p : lợng d áp suất để dự trữ chống xâm thực . Phơng trình trên thể hiện điều kiện làm việc của bơm để không xảy ra xâm thực . Nếu không thoả mãn điều kiện trên thì phải tăng p a để tăng áp suất ở lối vào của bơm . VI . Tải trọng tác dụng lên ổ trục : Khi làn việc bơm chịu tác dụng của các lực : - Lực hớng kính gây độ chênh áp p = hd pp - Lực gây nên bởi momen quay của trục B . Những lực này truyền lên ổ trục nên ổ trục chịu tác dụng trực tiếp . 10 hp d g2 v ( 2 h ) g2 v 2 i xbhl pPp + . nhng thấp hơn máy piston 15020p lv = at Ưu điểm : - Kết cấu đơn giản , kích thớc gọn nhẹ . - Có tu i bền cao , chắc chắn . - Làm việc tin cậy, có thể làm việc với số vòng quay lớn hơn so với. : 9 + r d , r c : bán kính vòng tròn chân răng và đỉnh răng . Do ảnh hởng của lực ly tâm , áp suất tuyệt đối ở buồng hút là p h p l có thể giảm đến giá trị nhỏ hơn p bh gây ra xâm thực . Nh vậy