bài giảng thủy lực va máy thủy lực

PHẦN I: THỦY LỰC CHƯƠNG MỞ ðẦU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔN HỌC Thủy lực máy thuỷ lực môn khoa học ứng dụng, nghiên cứu quy luật cân bằng, chuyển ñộng chất lỏng ứng dụng quy luật ñó giải toán tính toán thiết kế công trình liên quan ðồng thời trang bị cho sinh viên kiến thức số loại máy thuỷ lực thông dụng Cơ sở lý luận thủy lực học vật lý, học lý thuyết, học chất lỏng lý thuyết Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp chặt chẽ phương pháp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm Thủy lực Máy thủy lực CHƯƠNG MỞ ðẦU 1.2 MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG Tính liên tục Tính có khối lượng trọng lượng Khối lượng riêng: Trọng lượng riêng: ∆M ρtb = ∆V γ = ρ ρg ðối với nước nhiệt ñộ 40C áp suất atm: ρ = 1000 kg/m3 γ = 9810 N/m3 Tỷ trọng, tỷ khối: δ = ρ/ρΝ = γ/γΝ Thủy lực Máy thủy lực Tính thay ñổi thể tích thay ñổi nhiệt ñộ hay áp suất a) Do thay ñổi áp suất: ∆V βp = − V ∆p βp - hệ số co thể tích thay ñổi áp suất Khi p = 1÷ 500 at t = ÷ 200C thì: βp = 5.10-5 (cm2/KG) b) Do thay ñổi nhiệt ñộ: ∆V βt = V ∆t Với ñiều kiện áp suất bình thường, ñối với nước: t = 4÷100C: βt = 14.10-5(1/t0) t =10÷200C: βt = 15.10-5(1/t0) Tùy theo β chất lỏng ñược chia thành chất lỏng chịu nén không chịu nén: β = (ρ = const): chất lỏng không chịu nén β ≠ (ρ ≠ const): chất lỏng chịu nén Thủy lực Máy thủy lực Tính nhớt chất lỏng Thể sức dính phần tử phần tử chất lỏng hay chất lỏng với chất rắn τ = ±µ du dn µ: Hệ số nhớt (ñộ nhớt) N.s/m2 Poazơ (P), 1P = 0.1Ns/m2 Ngoài hệ số nhớt ñộng lực dùng hệ số nhớt ñộng học ν = µ/ρ (m2/s, Stốc St) 1St=1cm2/s µ ≠0: Chất lòng thực µ = ρ =const: Chất lỏng lý tưởng Thủy lực Máy thủy lực 1.3 LỰC TÁC DỤNG VÀ ỨNG SUẤT Lực khối: Là lọai lực thể tích tác ñộng lên tất phần tử chất lỏng nằm khối chất lỏng mà ta xét Lực mặt: Là ngoại lực tác dụng lên bề mặt thể tích chất lỏng ta xét tác dụng lên bề mặt nằm khối chất lỏng ta xét Ứng suất: tác ñộng lực tác dụng tạo ứng suất ñiểm chất lỏng gồm ứng suất pháp ứng suất tiếp ñược thể tenxo ứng suất: σx τxy τxz τyx σy τyz τzx τzy σz Thủy lực Máy thủy lực CHƯƠNG II THỦY TĨNH HỌC 2.1 ÁP SUẤT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH ur p = lim ω →0 ur P ω P - áp lực p - áp suất thủy tĩnh Tính chất áp suất thủy tĩnh Áp suất thủy tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực hướng vào diện tích Áp suất thủy tĩnh ñiểm chất lỏng theo phương Thủy lực Máy thủy lực 10 2.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CÂN BẰNG ƠLE z dz p dx px2 pdx p+ x2 M dy dx x y Thủy lực Máy thủy lực 11 Thiết lập phương trình Gọi p - áp suất thủy tĩnh F(Fx,Fy,Fz) - lực khối ñơn vị Cân lực tác dụng lên khối chất lỏng theo phương ta ñược phương trình vi phân cân Ơle tĩnh:  ∂p  Fx − ρ ∂ x =   ∂p =0  Fy − ρ ∂y   ∂p =0  Fz − ρ ∂z  ( − 1) Thủy lực Máy thủy lực 12 ðiều kiện cân bằng: Nhân phương trình hệ (2-1) riêng biệt với dx, dy, dz cộng vế với vế ta có: ∂p ∂p   ∂p (Fx dx + Fy dy + Fz dz) −  dx + dy + dz  = ρ  ∂x ∂y ∂z   ∂p ∂p ∂p   dx + dy + dz  = dp ∂y ∂z   ∂x dp Hay : (Fx dx + Fy dy + Fz dz) − = (2 − 2) ρ Nhận xét: Vế phải phương trình (2-2) vi phân toàn phần hàm p Như vậy, phương trình có nghĩa vế trái phải vi phân toàn phần hàm số ñó Thủy lực Máy thủy lực 13 Vay (Fx dx + Fy dy + Fz dz) = d(− U) (2 − 3) Lực khối thỏa mãn phương trình (2-3) gọi lực khối Khi ñó: dU + dp =0 ρ (2 − 4) Mặt ñẳng áp, mặt ñẳng thế: Mặt ñẳng áp mặt mà ñiểm ñó có áp suất giữ giá trị không ñổi (p=const) Mặt ñẳng mặt mà ñiểm ñó hàm giữ giá trị không ñổi (U=const) Như từ phương trình (2-4) nhận thấy chất lỏng trạng thái cân mặt ñẳng áp ñồng thời mặt ñẳng Thủy lực Máy thủy lực 14 Thủy lực Máy thủy lực 103 Nguyên lý làm việc Trước làm việc phải mồi bơm cho thân bơm ống hút ñầy chất lỏng Bánh công tác quay, phân tử chất lỏng bánh công tác ảnh hưởng lực ly tâm bị dồn từ ngoài, chuyển ñộng theo máng dẫn ñi vào ống ñẩy với áp suất cao hơn, ñây trình ñẩy ðồng thời, lối vào bánh công tác tạo nên vùng có áp suất chân không tác dụng áp suất bể chứa lớn áp suất lối vào bơm, chất lỏng bể chứa liên tục bị ñẩy vào bơm theo ống hút ðây trình hút bơm Quá trình hút ñẩy bơm trình liên tục, tạo nên dòng chảy liên tục qua bơm 6 7 9 Po Po 5 8 Thủy lực Máy thủy lực 104 Lý thuyết bơm ly tâm a Phương trình Như phương trình MTL cánh dẫn, bơm ly tâm người ta thiết kế cho α1 = 900, phương trình có dạng: H LT u 2c 2u = g (1 − 1) U2 C2 α2 W1 C1 α1 W2 R2 R1 U1 Thủy lực Máy thủy lực 105 b Cột áp thực tế Cột áp tính theo công thức ứng với giả thiết MTL Trong thực tế giả thiết ñó không thoả mãn Do ñó, cột áp thực tế phải nhỏ cột áp trên: H = εz.ηH.HLT (1-2) εz – hệ số kể ñến số canh dan bánh công tác có hạn, εz ≈0,8 ηH – hiệu suất cột áp (ηH = 0,70 – 0,90) c Lưu lượng bơm ly tâm Lưu lượng lý thuyết: QL = Cm π.D.b (2-6) Lưu lượng thực tế: Q = ηQQL (2-7) Cm – Hình chiếu vận tốc tuyệt ñối c lên phương vuông góc với u D, b - ñường kính bề rộng bánh công tác ηQ - hiệu suất lưu lượng, ηQ = 0,95 – 0,98 Thủy lực Máy thủy lực 106 ðường ñặc tính bơm ly tâm Các quan hệ: H = f1(Q); N = f2(Q); η = f3(Q) biểu thị ñặc tính làm việc bơm: Biểu diễn dạng phương trình gọi phương trình ñặc tính; biểu diễn dạng ñồ thị ñường ñặc tính Các ñường ñặc tính xây dựng từ tính toán gọi ñường ñặc tính tính toán Nếu xây dựng từ thực ño gọi ñường ñặc tính thực nghiệm ðường ñặc tính H = f1(Q) ñường ñặc tính quan trọng gọi ñường ñặc tính n = const: gọi ñường ñặc tính làm việc n ≠ const: gọi ñường ñặc tính tổng hợp Công dụng ñường ñặc tính: biết ñược cách tổng quát ñặc tính làm việc bơm, cho phép ta mở rộng phạm vi làm việc sử dụng hợp lý chế ñộ làm việc khác bơm Thủy lực Máy thủy lực 107 Xây dựng ñường ñặc tính thực nghiệm bơm: H; N; Luu luong ke ;[Hck] K2 K CK AK H N Bom η [Hck] Q Sơ ñồ thí nghiệm ðường ñặc tính thực nghiệm Thủy lực Máy thủy lực 108 ðiểm làm việc ñiều chỉnh bơm ly tâm ðiểm làm việc: Giao ñường ñặc tính bơm ñường ñặc tính hệ thống ñiểm làm việc H H H n(B) DDT bom n(A) hw A A Ha B A B hw DDT he thong Q ðiểm làm việc Q ðiều chỉnh khóa Q ðiều chỉnh số vòng quay ðiều chỉnh bơm: Thủy lực Máy thủy lực 109 2.2 BƠM PITÔNG Máy thủy lực thể tích Máy thuỷ lực thể tích thực trao ñổi lượng với chất lỏng theo nguyên lý nén chất lỏng thể tích kín áp suất thuỷ tĩnh MTL thể tích gồm ba dạng: Dạng Pittong, dạng Roto dạng Pittong - Roto Bất kỳ MTL thể tích làm việc thuận nghịch Các thông số máy thủy lực thể tích a Lưu lượng: tổng thể tích làm việc máy ñơn vị thời gian QL = qL.n (2-1) qL – lưu lượng riêng máy chu kỳ làm việc n – số chu kỳ ñơn vị thời gian QL – lưu lượng trung bình lý thuyết Thủy lực Máy thủy lực 110 b) Áp suất: cột áp MTLTT ñược tạo nên chủ yếu thay ñổi áp suất tĩnh chất lỏng chuyển ñộng qua máy, ñó thường dùng áp suất ñể biểu thị khả tải máy ðối với MTLTT có chuyển ñộng tịnh tiến, áp suất làm việc p tác dụng lên pittông tạo nên áp lực P: P = p.S (2-2) S: diện tích làm việc mặt pittông ðối với MTLTT có chuyển ñộng quay, áp suất làm việc p tác dụng lên rôto tạo nên mômen quay M: M = kM.p (2-3) kM số ñối với máy ñịnh phụ thuộc vào kết cấu kích thước máy, gọi hệ số mômen Hệ số mômen kM suy từ công thức tính công suất lý thuyết bỏ qua tổn thất: kM = qL 2π (2 − 4) Thủy lực Máy thủy lực 111 c) Hiệu suất công suất Hiệu suất toàn phần máy thủy lực ñược xác ñịnh theo công thức chung, ñối với MTL tổn thất thủy lực tương ñối nhỏ nên thường cho ηH ≈ 1, ñó: η = ηQ.ηC (2-5) Công suất làm việc bơm thường ñược xác ñịnh thông số thủy lực: NB = γ.Q.H p.Q = η η (2 − 6) Công suất làm việc ñộng thường ñược xác ñịnh thông số khí: - Với chuyển ñộng tịnh tiến: Nð = P.v (2-7) P: áp lực pittông v: vận tốc pittông - Với chuyển ñộng quay: Nð = M.ω (2-8) M: mômen quay trục ω: vận tốc góc Thủy lực Máy thủy lực 112 Bơm Pittông a) Kết cấu: b) Nguyên lý hoạt ñộng c) Lưu lượng bơm Lưu lượng trung bình lý thuyết: QL = q.n S.L.n = 60 60 ( − 9) A B Lưu lượng trung bình thực tế: Q = ηQ.QL (2-10) • Lưu lượng tức thời: Qt = S.v (2-11) S - diện tích Pitong L - hành trình Pitong n - số vòng quay cấu quay, v/ph v - tốc ñộ Pitong L Thủy lực Máy thủy lực 113 Nhận xét: Qua phần phân tích tính toán ta thấy suất bơm pittông ñiều chỉnh ñược biện pháp sau: Thay ñổi số vòng quay trục ñộng cơ, thay ñổi số chu kỳ làm việc bơm ñơn vị thời gian Thay ñổi diện tích làm việc pit tông cấu ñặc biệt Thay ñổi chiều dài bước di chuyển nén (s) cách thay ñổi chiều dài làm việc tay biên truyền ðiều chỉnh khoá (tiết lưu) ñể tháo bớt chất lỏng từ buồng ñẩy buồng hút bơm Thủy lực Máy thủy lực 114 Thủy lực Máy thủy lực 115 Thủy lực Máy thủy lực 116 Thủy lực Máy thủy lực 117 [...]... S2 P2 = η.P1 S1 η - Hiệu suất máy, η < 1 Thủy lực và Máy thủy lực 21 Thủy lực và Máy thủy lực 22 Thủy lực và Máy thủy lực 23 2.4 ÁP LỰC CHẤT LỎNG LÊN THÀNH PHẲNG Áp lực lên thành phẳng là tổng hợp của các lực song song và cùng chiều Gọi áp lực tổng hợp là Ta cần xác ñịnh ñộ lớn và ñiểm ñặt của P Thủy lực và Máy thủy lực 24 1 Xác ñịnh ñộ lớn của áp lực Giả sử một hình có diện tích S nằm trong mặt phẳng... áp lực Biểu ñồ phân bố áp suất Biều ñồ phân bố áp lực Thủy lực và Máy thủy lực 19 6 ðịnh luật Pascal Hay p1 = p0 + γh p2 - p1 = p' p2 = (p0 +p') + γh Áp suất do ngoại lực tác ñộng trên bề mặt chất lỏng ñược truyền ñi nguyên vẹn tới mọi ñiểm trong chất lỏng P1 P2 po po + p' Thủy lực và Máy thủy lực 20 P1 P2 Kích thủy lực P1 P2 = p' S2 = S2 > P1 S1 Hay S2 P2 = η.P1 S1 η - Hiệu suất máy, η < 1 Thủy lực. .. tích Sx Thủy lực và Máy thủy lực 30 2 Áp lực theo phương thẳng ñứng: Pz = γ V (5-2) trong ñó: V - vật thể áp lực Pz mang giá trị dương khi áp lực có xu hướng ñi xuống và Pz mang giá trị âm khi áp lực có xu hướng ñi lên 3 Áp lực tổng hợp: - Trị số: P = Px2 + Pz2 (5 − 3) - ðiểm ñặt: ñi qua tâm của diện tích chịu lực S và tạo với phương nằm ngang một góc α có:` Pz tgα = Px Thủy lực và Máy thủy lực (5 −... s2 u1 A B A' B' u2 Thủy lực và Máy thủy lực 37 2 Với toàn dòng chảy Tích phân biểu thức (2-1) ta ñược: Q = V.S (2-2) trong ñó: Q - lưu lượng toàn dòng, m3/s V - lưu tốc trung bình, m/s S - diện tích mặt cắt ngang, m2 Thủy lực và Máy thủy lực 38 3.3 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ðỘNG CHO CHẤT LỎNG LÝ TƯỞNG z dz p dx px2 pdx p+ x2 M dy dx x y Thủy lực và Máy thủy lực 39 Gọi: p - áp suất thủy ñộng tại tâm... dòng nguyên tố trên một mặt cắt hữu hạn tạo thành dòng chảy chất lỏng Thủy lực và Máy thủy lực 35 5 Mặt cắt ướt, chu vi ướt, bán kính thủy lực Mặt cắt ướt: Chu vi ướt: Bán kính thuỷ lực: R = S/P 6 Lưu lượng và lưu tốc trung bình Lưu lượng nguyên tố: dQ = u.dS Q = ∫ u.dS Lưu lượng: S Lưu tốc trung bình: Q V= = S Thủy lực và Máy thủy lực ∫ u.dS S S 36 3.2 PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC 1 Với dòng nguyên tố: Áp... 3 + Biểu ñồ dạng hình tam giác: a AD = 3 Thủy lực và Máy thủy lực 28 2.5 ÁP LỰC CHẤT LỎNG LÊN THÀNH CONG Thủy lực và Máy thủy lực 29 Lấy trên AB một phân tố diện tích dS, ở ñộ sâu h khi ñó: dP = γhdS Phân tích dP ra làm 2 thành phần dPx, dPz: dPx = dP cosα (1) (2) dPz = dP sinα Tích phân (1) và (2) sẽ ñược áp lực theo phương ngang và phương thẳng ñứng: 1 Áp lực theo phương ngang: Px = γhcx.Sx (5-1)...2.3 CÂN BẰNG TRONG TRƯỜNG TRỌNG LỰC 1 Phương trình cơ bản thủy tĩnh z po zo h z M g x y Xét lực khối là trọng lực tác ñộng lên khối chất lỏng khi ñó: Fx = Fy = 0, Fz = -g Thay các lực khối ñơn vị vào phương trình Ơle tĩnh trên ta có: Thủy lực và Máy thủy lực 15 z+ p =C γ (3 − 1) (3-1) gọi là phương trình cơ bản thủy tĩnh dạng 1 hay quy luật phân bố ASTT Thay z = zo, p =... thoáng của cột chất lỏng ñó: h = p/γ Thủy lực và Máy thủy lực 17 4 Ý nghĩa: Về mặt hình học z: cao ñộ vị trí p/γ : ðộ cao áp suất Kết luận: Tổng cao ñộ vị trí và ñộ cao áp suất là không thay ñổi Về mặt năng lượng z: Vị năng ñơn vị p/γ: Áp năng ñơn vị Kết luận: Tổng vị năng ñơn vị và áp năng ñơn vị là không thay ñổi Thủy lực và Máy thủy lực 18 5 BIỂU ðỒ ÁP SUẤT - ðỒ ÁP LỰC Từ công thức (3-2) biểu diễn sự... cùng nhỏ, áp lực nguyên tố dP tác ñộng lên dS là: dP = p.dS với p = p0 + hγ Tích phân biểu thức trên ta sẽ ñược áp lực tổng hợp P của chất lỏng lên diện tích S là: P = pc.S = (p0 + hcγ).S (4-1) Nếu mặt thoáng của chất lỏng tiếp xúc với khí trời thì: pc = hcγ và áp lực dư Pd lên diện tích S là: Pd = γ.hc.S Thủy lực và Máy thủy lực (4-2) 25 2 Xác ñịnh ñiểm ñặt của áp lực Áp dụng ñịnh lý Vanrinhông: “Mômen... 2 Рu ? ng dтng Рu ? ng dтng t1 Qu? d?o Qu? d?o t2 Chuyển ñộng không ổn ñịnh t1 t2 Chuyển ñộng ổn ñịnh Thủy lực và Máy thủy lực 33 3 Quỹ ñạo và ñường dòng Quỹ ñạo: Phương trình quỹ ñạo: dx dy dz = = = dt Ux Uy Uz (1 − 1) ðường dòng: Phương trình ñường dòng: dx dy dz = = Ux Uy Uz Thủy lực và Máy thủy lực (1 − 2) 34 4 Ống dòng, dòng nguyên tố chất lỏng, dòng chảy Qua tất cả các ñiểm của một ñường cong ... + p' Thủy lực Máy thủy lực 20 P1 P2 Kích thủy lực P1 P2 = p' S2 = S2 > P1 S1 Hay S2 P2 = η.P1 S1 η - Hiệu suất máy, η < Thủy lực Máy thủy lực 21 Thủy lực Máy thủy lực 22 Thủy lực Máy thủy lực. .. ñường thẳng: J = hw/l Thủy lực Máy thủy lực 46 u12 2g Duon Duon g g na ng ap p1 hw u22 2g γ τ z1 p2 γ z2 Mat chuan nam ngang Thủy lực Máy thủy lực 47 Thủy lực Máy thủy lực 48 3.5 PHƯƠNG TRÌNH... τzx τzy σz Thủy lực Máy thủy lực CHƯƠNG II THỦY TĨNH HỌC 2.1 ÁP SUẤT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH ur p = lim ω →0 ur P ω P - áp lực p - áp suất thủy tĩnh Tính chất áp suất thủy tĩnh Áp suất thủy tĩnh tác