Nghiên cứu thiết kế chế tạo và lắp đặt máy bơm ly tâm trục đứng tỷ tốc cao

Trong vùng bánh công tác dòng chảy có chuyển động tuyệt đối không ổn định vì chuyển động ở điểm bất kỳ trong hệ toạ độ cố định sẽ thay đổi theo chu kỳ phụ thuộc vào sự thay đổi của áp

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIÊN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP

De He oR oe he oe oe ke ke 2k 2 ae ake ak ak dị tị sỆ sự ake

Dé tai

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VA LAP ĐẶT

MÁY BƠM LY TÂM TRỤC ĐỨNG TỶ TỐC CAO

Chủ trì đề tài: TS Nguyễn Văn Bày

Tham gia thực hiện: K§S Nguyễn Viết Long

KS Lé Anh Tudn

KS Pham Thi Tham

KS Truong Viét Anh

Øz»#- ø#- 0F0 (KR

I ĐẶT VẤN DE

Cùng với các máy bơm kiểu trục ngang, trục đặt nghiêng, máy bơm trục đứng

có nhiều ưu việt và đóng vai trò quan trọng đối với thủy lợi phục vụ nông nghiệp,

công nghiệp và giao thông Trên thế giới, máy bơm ly tâm trục đặt đứng đã và đang

được sử dụng rất rộng rãi kể cả phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp Tuy nhiên, ở Việt nam cho đến nay chủ yếu sử dụng máy bơm hướng trục đứng cột áp thấp Bơm ly tâm trục đứng cột áp cao được lắp đặt 03 tổ máy (từ năm 1932) tại trạm bơm Phù Sa

- tỉnh Hà Tây phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp Những hiểu biết về loại máy bơm này còn rất ít

Điều kiện địa hình thủy văn của rất nhiều hồ chứa và các vùng trung du miền Bắc và khu vực các tỉnh miền Trung thường có độ chênh lệnh mức nước khá lớn Sử dụng các máy bơm ly tâm trục đứng cột áp H = 10+13m với công suất nhỏ N< 20kW

sẽ rất phù hợp với các vùng này

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và lắp đặt máy bơm ly tâm trục đứng sẽ góp

phần làm phong phú sản phẩm bơm phục vụ nông nghiệp và tạo điều kiện áp dụng

các kiểu bơm này cho các ngành công nghiệp, giao thông Đề tài chắc chắn sẽ đem lại hiệu quả cao về kinh tế và ý nghĩa xã hội quan trọng góp phần hỗ trợ vào chương

trình phát triển kinh tế xã hội vùng núi và trung du

II LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BÁNH CÔNG TAC MAY BOM LY TÂM

TỶ TỐC CAO

2.1 Các thông số kỹ thuật ban đầu

Các hồ chứa và vùng trung du đổi núi thường có độ chênh lệch địa hình AZ„ = 8 + 10m, các khoảnh ruộng F = 5 + 25ha Do ảnh hưởng mưa đầu nguồn, mực nước ở các sông suối thay đổi đột ngột và dao động khá lớn AH = 1 + 3m Cần thiết

kế bơm ly tâm tỷ tốc cao với cột áp H = 10 + 13m, công suất động cơ trục đứng

Nạ, = 14 + 20kW, số vòng quay n = 1450v/ph Kết cấu máy bơm phải đảm bảo sao cho công trình trạm bơm đơn giản, có thể xây dựng bằng vật liệu địa phương, giá

thành hạ, dễ lắp đặt và sử dụng

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán bánh công tác bơm ly tâm tỈ tốc cao

2.2.1 Cơ sở lý thuyết chung

Nhiệm vụ của lý thuyết bơm cánh dẫn là nghiên cứu sự trao đổi năng lượng và

các lực tác dụng tương hỗ giữa bánh xe cánh và dòng chảy Trong vùng bánh công

tác dòng chảy có chuyển động tuyệt đối không ổn định vì chuyển động ở điểm bất kỳ

trong hệ toạ độ cố định sẽ thay đổi theo chu kỳ phụ thuộc vào sự thay đổi của áp

suất ở các rãnh bánh công tác Do vậy, tác dụng tương hỗ của dòng chảy và hệ thống cánh của bánh công tác được nghiên cứu trong chuyển động tương đối, còn dòng chất lỏng trong phần ống hút và ống xả máy bơm được xem xét trong chuyển động tuyệt đối

Phương trình Becnuli cho chuyển động tương đối của tia phân tử chất lỏng

không nén được xác định:

32 _ „2

y 2g

Trong tiết diện 1-1 có chuyển động ổn định vừa là tuyệt đối và tương đối

(hình 1a)

: Phương trình Becnuli cho đoạn 1-x

Sự gia tăng năng lượng đơn vị của dòng tia H, tỷ lệ với sự thay đổi mômen

tốc độ của nó (không tính tổn thất thủy lực)

Chuyển từ dòng tia tính tiếp cho toàn bộ dòng chảy cần xác định mômen trung bình của tốc độ (RV,)„; ở tiết diện vào và ra:

Figg = s0, are 7 (RU, }m ]

Xem xét sơ đồ tác dụng tương hỗ của dòng chảy và bánh công tác Sự thay

đổi mômen động lượng đối vị ới dòng ổn định ở bánh xe cánh Q = const, n = const

từ tiết điện 1-1 đến tiết diện 2-2 sẽ là:

(2-5)

M, = A [,.,RY,40- J.ar | (2-6)

Hình 1: Tam giác tốc độ trong máy bơm ly tâm

a Ở cửa vào b ở cửa ra

Sy thay déi mémen déng iugng trong banh céng tac (M,) được cân bằng bở

mômen xoắn của trục bơm M, và các mômen do ma sát (Mạc và Mua)

Nghĩa là, phương trình cơ bản của máy bơm cánh dẫn (trong đó có kiểu bơm ly

tâm) là phương trình Becnuli (2-5) và phương trình các mômen động lượng đối với dòng ổn định trong máy bơm (2-6) và (2-7) Ta có thể xác định cột nước lý thuyết (H,)

và sự gia tăng mômen động lượng của dòng chảy ở vùng bánh công tác theo biểu

thức:

H, = ae ), -(RY,),] (2-8)

Phương trình đơn giản nhất theo lý thuyết dòng tia (phương trình ơle) được xác định với các giả thiết: chất lỏng lý tưởng; số lá cánh là vô hạn (Z; = ©} và tốc độ góc

(œ = const) dùng.để nghiên cứu chuyển động ở vùng bánh công tác bơm ly tâm Do

sự tồn tại của lưu hoàn tốc độ (T = 2ïIRV,) nên xuất hiện không đồng đều của biểu

đồ tốc độ trong rãnh bánh công tác Cột nước lý thuyết của bơm xác định qua trị số lưu hoàn tốc độ ở cửa vào (T;) và cửa vào (T;) bánh công tác:

Qn

Rõ rang, lực nâng của bánh công tác xuất hiện trên các lưu hoàn tốc độ bao

quanh các lá cánh gây ra sẽ là nguồn gốc lý thuyết tạo nên cột áp của máy bom /4/

Cần lưu ý rằng, cột nước tính theo sơ đồ cánh vô hạn {H.) và trị số thí nghiệm của cột nước lý thuyết (H,) có sự khác nhau bởi hệ số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của

số lượng cánh hữu hạn (p):

Hệ số hiệu chỉnh (p) xác định với chế độ làm việc có (RV,,)=0

2.2.2 Phương trình cơ bản tính toán bánh công tác bơm ly tâm

; Phần lớn các trạm bơm phục vụ tưới và tiêu trong nông nghiệp hiện nay đều

lắp bơm ly tâm, bơm hướng trục và một số bơm dòng chéo (hỗn lưu)

Bơm ly tâm làm việc dựa trên nguyên lý tác dụng của lực ly tâm tạo được nhờ bánh công tác quay Sơ đồ bánh công tác bơm ly tâm trình bày trên hình 2a

Trong tất cả các bơm ly tâm, nước chảy vào bánh công tác theo hướng dọc trục với vận tốc tuyệt đối Vạ đến Vụ Với vận tốc đó, nước chảy vào rãnh bánh công tác tiếp tục tăng vận tốc đến trị số V; ở cửa ra Qua rãnh bánh công tác, các phần tử

nước chuyển động phức tạp, vì cùng quay với bánh công tác nên sẽ có vận tốc quay

U va doc theo lá cánh sẽ có vận tốc tương đối W Trong điều kiện thực tế, nghĩa là, với chuyển động của chất lỏng lý tưởng qua bánh công tác với số cánh lớn vô hạn, có

thể cộng hai chuyển động thành chuyển động tuyệt đối của chất lổng với vận tốc V

Dựng quỹ đạo chuyển động như nhau đối với các phần tử Khái niệm về dòng chất lỏng lý tưởng qua bánh công tác được sử dụng để lập phương trình lý thuyết cơ bản cho bơm ly tâm Vận tốc tuyệt đối của nước ở cửa vào và trong rãnh bánh công tác V, xác định từ biểu đổ vận tốc bằng cách cộng hình học vận tốc quay U; và vận tốc

tương đối W; ( hình 2b).

E—¬ Ns

Quỹ đạo trong

chuyển đông tuyệt đối

Hình 2: Sơ đồ chuyển động của chất lỏng trong bơm ly tâm a)

và trong bánh công tác bơm ly tâm b)

Trong tất cả các bơm ly tâm, nước chảy vào bánh công tác theo hưởng dọc trục với vận tốc tuyệt đối Vạ đến V, Với vận tốc đó, nước chảy vào rãnh bánh công tác tiếp tục tăng vận tốc đến trị số V; ở cửa ra Qua rãnh bánh công tác, các phần

tử nước chuyển động phức tạp, vì cùng quay với bánh công tác nên sẽ có vận tốc

quay Ú và dọc theo lá cánh sẽ có vận tốc tương đối W Trong điều kiện thực tế, nghĩa là, với chuyển động của chất lỏng lý tưởng qua bánh công tác với số cánh lớn vô hạn, có thể cộng hai chuyển động thành chuyển động tuyệt đối của chất lỗng với vận tốc V Dựng quỹ đạo chuyển động như nhau đối với các phần tử Khái niệm về dòng chất lỏng lý tưởng qua bánh công tác được sử dụng để lập phương trình lý thuyết cơ bản cho bơm ly tâm Vận tốc tuyệt đối của nước ở cửa vào và trong rãnh bánh công tác V, xác định từ biểu đồ vận tốc bằng cách cộng hình học vận tốc quay U; và vận tốc tương đối W; (hình 2b)

Vận tốc tuyệt đối V; ở cửa ra khỏi bánh công tác xác định bằng cách cộng hình học vận tốc quay U; và vận tốc tương đối W,

Để nước chảy vào khu vực cánh bánh công tác không va, cần thiết kế sao cho dòng chảy không bị gián đoạn Dòng chảy sẽ liên tục không bị gián đoạn khi vận tốc tương đối W, ở cửa vào có hướng gần trùng đường tiếp tuyến với bể mặt phân tử đầu tiên của lá cánh, nghĩa là, trị số góc đặt ð„ của lá cánh ở cửa vào gần với góc tạo bởi hướng của W; và U; Tương tự, có thể xác định góc đặt ở cửa ra J„ trên mép ngoài bánh công tác Các góc của hình bình hành vận tốc œ và œ, giữa các vận tốc Vị và U, cũng như V; và U; xác định hướng của dòng chảy ở cửa vào

Sử dụng định luật thay đổi mômen động lượng đối với dòng ổn định của khối chất lỏng chảy qua rãnh bánh công tác để lập phương trình cơ bản cho bơm ly tâm như đã trình bày ở phần lý thuyết chung(mục 2.2.1)

Nghĩa là, cần đảm bảo các điều kiện giả thiết: số cánh bánh công tác nhiều

vô hạn và mỏng vô cùng; chất lỏng lý tưởng (không nhớt)

Giả sử có lượng nước chứa đầy trong khoảng không gian giữa hai lá cánh

bánh công tác, ở thời điểm ban đầu vị trí của khối nước ở abcd, qua khoảng thời -gian dt vị trí đó thay đổi thành efhg Đặt khối lượng của lớp nước mỏng vô cùng

abfe chảy từ rãnh bánh công tác ra là dm Khối lượng đó sẽ bằng khối lượng chal lỗng cdgh chay vào bánh công tác trong thời gian di

Ở vùng abhg giữa hai lá cánh bánh công tác có mômen khối lượng chuyển

động không thay đổi trong thời gian dt Nghĩa là, sự thay đổi mômen khối lượng

chuyển động của chất lỏng ở rãnh bánh công tác cdgh và khối lượng dm chảy ra khỏi bánh công tác (abfe)

Sự thay đổi của mômen khối lượng chuyển động bằng xung mômen của tất

cả ngoại lực tác động vào chất lỏng nằm ở giữa hai lá cánh bánh công tác trong

thời gian dt

Mômen ngoại lực M có thể viết theo công thức toán học:

M= (nh, cosa, —rV, cosa,) (2-11) Trong trường hợp máy bơm ly tâm làm việc không có tổn thất thì công suất trên trục sẽ truyền toàn bộ cho dòng chảy:

N=?QH, (2-12)

Trong đó: y- Tỷ trọng của chất lỏng

Ø- Lưu lượng bơm

H„- Cột áp lý thuyết của bơm Công suất đó bằng tích của mômen trên trục động cơ và vận tốc góc œ của

Mo = 2 oY, cosa, ~nV, cos@,) (2-15)

Ta sẽ có phương trình Ơle cho công suất lý thuyết của máy bơm ly tâm:

N= 2 uh, cosa, —u,V, cosa, ) (2-16)

Trong đó: „;, = rø,Và u, = nø, là vận tốc quay ở cửa ra và cửa vào; ngoài

ra: V, cosa, =V,, va V,cosa@, =V,, la hinh chiéu của vận tốc tuyệt đối theo hướng

của vận tốc quay của bánh công tác

Có thể viết dưới dạng:

N=!2(,V,,—w 2) & (2-17)

Cét Ap ly thuyét H, ctia bom ly tam xae dinh theo céng thtic:

Cột áp thực của bơm luôn nhỏ hơn cột áp lý thuyết do ảnh hưởng của số cánh

bơm là hữu hạn làm giảm sự ổn định của dòng chảy và sức cản thủy lực tăng lên

Ảnh hưởng của số lá cánh hữu hạn làm giảm cột áp máy bơm tính theo hệ số hiệu chỉnh (k, < 1) Ảnh hưởng của sức cần thuỷ lực làm giảm cột áp biểu thị theo hệ

số hiệu suất thủy lực ru

Khi ấy, công thức tính toán cột áp máy bơm sẽ là:

r„r,- Bán kính mép vào và mép ra của bánh công tác

#_- Hệ số phụ thuộc vào góc đặt cánh ở cửa ra ;:

2.2.3 Các phương pháp tính toán bánh công tác bơm ly tâm

Để tính toán bánh công tác bơm ly tâm thông thường có thể sử dụng một trong

các phương pháp sau :

2.2.3.1 Phương pháp đồng dạng (tương tự hình học)

Phương pháp đồng dạng là phương pháp đơn giản nhất, dựa vào các bơm

mẫu có sẵn hoặc các bơm mô hình có n, tương tự Theo phương pháp này người ta chỉ việc nhân các kích thước của bơm mẫu với một hệ số xác định dựa theo các thông số làm việc của bơm thực và bơm mẫu Để tính toán theo phương pháp này người ta phải có bản thiết kế chuẩn của bơm mẫu hoặc bơm mô hình, đặc tính năng lượng của bơm để dựa vào đó xác định hệ số chuyển đổi Trong trường hợp không có bản thiết kế chuẩn thì rõ ràng là bản thiết kế mới sẽ không đạt yêu cầu về thông số năng lượng cũng như hiệu suất của bơm.

Các kích thước cơ bản của bánh công tác xác định theo phương trình đồn

phép dựng hình thủ công khó lập trình tính toán trên máy vi tính

2.2.3.3 Phương pháp lực nâng

Phương pháp lực nâng là phương pháp được sử dụng rộng rãi ở các nước Tâ

Âu, như ta đã biết, bánh công tác được tính toán bằng phương pháp hai toạ độ tức I bánh công tác phải tính toán cho một số tiết diện từ bầu cánh tới vỏ bơm, thực tế m tiết diện là một prôfin, các prôfin tương ứng với mỗi tiết diện khác nhau sẽ có các h

số lực nâng khác nhau, nếu chọn prôfin khí động thỏa mãn các hệ số lực nâng và lự cản tối ưu thì các tiết diện sẽ có các prôfin dạng khác nhau Nhu vậy khi xâu cánh s khó đảm bảo sự suôn đều của lá cánh Chính vì vậy, trong quá trình thiết kế phải v

và điều chỉnh các thông số nhiều lần tạo ra khó khăn cho việc lập trình và tính toá

trên máy ví tính Phương pháp này có tâi điểm là khối lượng tính toán đơn giản và si dụng các prôfin khí động đã được khảo nghiệm tin cậy, hiệu suất cao; phương phái này sử dụng cho thiết kế bơm có Z nhỏ, việc xác định các thông số prôfin đơn vé

prôfin dẫy cánh rất khó khăn

2.2.3.4 Phương pháp XT1I Z

Phương pháp XTTZ dựa trên giả thuyết là độ cong của đường nhân prôfin œ ảnh hưởng quyết định tới lưu số vận tốc hay do cánh tạo nên, do vậy, cũng ảnl

hưởng quyết định tới lực nâng tác dụng lên prôfin cánh Dựa theo quan hệ của lự:

nâng Cy, với lưu số vận tốc bao quanh prôfin và quan hệ của lực nâng Cy với gó:

đặc trưng cho độ cong cửa prôfin Bạ ta xác định được góc ạ theo các thông số hìn! học và động học của cánh Trong trường hợp này đường nhân của prôfin là một cunc tròn,

2.2.3.5 Phương pháp Bauerdspheldo:

Giả thiết thành phần quay của vận tốc vòng của xoáy liên hợp bị triệt tiêu (œ, : 0) Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để tính toán thiết kế bánh công tác bơn

ly tâm tỉ tốc cao

Dựng đường dòng thế trong tiết diện kinh tuyến của bánh công tác sẽ được

đường dòng S, các đường đẳng thế ø và trường vận tốc V„

Theo điều kiện song song của véctơ xoáy bề mặt lá cánh F, ta có:

SP vớ, +ÊP xe, =0 or iz (2-25)

_O day: 2z - Sự gia tăng theo trục máy bơm

Tiết diện kinh tuyến bề mặt lá cánh F„ trùng với các đường xoáy thành phần đụ; nghĩa là, với các đường œ„+ = const nằm trên mặt phẳng kinh tuyến, ở mặt bằng

Giả sử quy luật ¥,R = f(@) như nhau đối với tất cả các đường dòng Phương

trình đường dòng được tích phân theo hàm đã cho dọc theo các đường dòng:

@R? -V_R

Trong thực tế, tích phân này thường được cho dưới dạng bảng

2.2.3.6 Phương pháp Vôzơnhexenski-Pêkin và Lêxôkhin-Simônôv

Các phương pháp tính toán của Vôzơnhexenski-Pêkin và Lêxôkhin-Simônôv

có nội dung cơ bản giống nhau, theo các phương pháp này tác động của các prôfin lên dòng chất lỏng được thay thế bởi các xoáy phân bố dọc theo đường nhân theo một quy luật xác định Dòng chảy tổng hợp được xác định bằng tổng của dòng song phẳng không nhiễu và dòng xoáy tạo bởi các xoáy phân bố theo đường nhân prôfin, bằng cách xác định đường dòng tổng hợp này sẽ xác định đường nhân của prôfin, đó cũng là profi n cánh có chiều dày mỏng vô cùng Để xác định profi n có chiều dày hữu hạn ta đắp độ dày trên đường nhâh prôfin theo một quy luật xác định, bằng cách chọn các profi n thực nghiệm có đặc tính khí động tốt rồi lấy quy luật phân bố độ dày của nó để làm mẫu chuẩn cho prôfin thiết kế mới

Điều khác nhau chính giữa hai phương pháp là: theo phương pháp Vôzơnhexenski-Pêkin coi đường nhân là một cung tròn khi đó có thể „giải được phương trình tích phân hàm dòng của đường dòng tạo bởi dòng song phẳng không

nhiễu và dòng xoáy tạo bởi các xoáy liên hợp phân bố trên đường nhân của tất cả

các prôñn trong lưới Còn theo phương pháp Lêxôkhin-Simônôv đường nhân của

prôfin là một cung cong bất kỳ xác định bởi dòng song phẳng không nhiễu và các xoáy phân bố trên đường nhân của tất cả các prôfin Trường hợp này không thể giải phương trình tích phân bằng phương pháp giải tích mà phải giải bằng phương pháp gần đúng liên tiếp Vì vây, việc giải phương trình tích phân sẽ rất phức tạp, nhưng đáp lại phương pháp này cho các kết quả phù hợp.,hơn với bản chất dòng chảy

lll TINH TOAN THIẾT KẾ BƠM LY TÂM TỶ TỐC CAO

3.1 Tính toán các thông số cơ bản của bánh công tác bơm ly tâm (Hình 4) 3.1.7 Công suất trên trục bơm N„

N= Nace X Mac (3-1)

k

Trong đó: wM„- Công suất động cơ điện, N„= 14kW

?„- Hiệu suất động cơ, ;;„= 0,90 k- Hệ số dự trữ an toàn, *= 1,15

Trong dé: ?,- Hiệu suất dự kiến của máy bơm, ?,= 0,70

„- Cột nước thiết kế của bơm, H, = 12m

3.7.5 Tính toán tổn thất trong máy bơm ly tâm

Tổn thất trong máy bơm nói chung và bơm ly tâm nói riêng có thể chia làm

04 thành phần: tổn thất thể tích; tổn thất cơ khí, tổn thất do hãm thủy lực và thủy lực Để thuận tiện cho tính toán, có thể xác định tổn thất thủy lực do phanh hãm

thủy lực cùng chung với tốn thất thủy lực bởi lẽ tổn thất do hãm thủy lực chỉ làm

thủy lực cùng chung với tổn thất thủy lực bởi lẽ tổn thất do hãm thủy lực chỉ làm

tăng công suất tiêu thụ mà không làm giảm cột nước của bơm Sự ảnh hưởng tương hỗ nhỏ nhất của các bộ phận dẫn dòng chỉ có được ở chế độ tính toán, trong

đó bảo đảm được chuyển động tương đối trong bánh công tác và chuyển động tuyệt đối trong các bộ phận dẫn dòng của vỏ được ổn định Ở các chế độ khác, rõ ràng là có chuyển động không ổn định và tương ứng với nó là các tổn thất thủy lực Các tổn thất năng lượng trong bơm có thể xem như tổng các tổn thất ở các

bộ phận ở miệng ống hút, qua bánh công tác, bộ phận hướng dòng đến ống xả Nghĩa là, có thể xác định hiệu suất thành phần của bơm thông qua xác định các

3.1.7 Cột nước lý thuyết của bom (H,)

H

" †}ụ

H, = 2 =13,35m 0,899

3.1.8 Đường kính trục tại vị trí lắp bánh công tác của bơm d, (hình 3)

Xác định độ bền xoắn với vị trí ứng suất xoắn cho phép của vật liệu trục [ux]

Hình 3: Các kích thước cơ bẩn của bánh công tác

3.1.9 Đường kính bầu bánh công tác

d, =1,9d,

0

(3-12)

d, =1,9x34 = 65am

3.1.10 Tốc dộ dòng cháy ở cửa vào của bánh công tác (Vạ)

Có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm Tốc độ dòng chảy ở cửa vào:

3.1.11 Đường kính ngoài của cửa vào của bánh công tác (Dạ)

Trong đó V'„¿ là thành phần kinh tuyến của tốc độ dòng chảy ở cửa vào

bánh công tác trước khi tiết diện bị co hẹp do lá cánh gây ra, nghĩa là không tính

ảnh hưởng của chiều dày lá cánh đối với dòng chảy Trong trường hợp này có thể

chon V’,,, = Vp = 2,78m/s [4] Do vay:

0,065

4, =—————_— * 48mm

23,14 x 0,080 x 2,78

3.1.15 Tốc độ vòng ở cửa vào bánh công tác

Để triệt tiêu thành phần tốc độ (Vụ, = 0) cần phải thiết kế tiết diện kinh tuyến

của bánh công tác sao cho tốc độ (Vạ) thay đổi đều đặn ở thành phần cửa vào bánh công tác Tốc độ vòng ở cửa vào bánh công tác (U;):

3.1.16 Thành phần kinh tuyến của tốc độ có tính tới sự lệch dòng (V„.„)

Vy =k, XV, =k, xV¥, (3-19) Trong đó: k,— Hệ số lệch dòng (hệ số co hẹp của tiết diện), k, = 1,15

V_, =1,15x 2,78 = 3,20m/s

3.1.17 Tốc độ tương đối của dòng chảy ở cửa vào

Trước khi vào bánh công tác thành phần tốc độ (V' ut) có tác dụng làm giảm

cột của bơm Để nâng cao cột nước của bánh công tác cần phải thiết kế rãnh sao cho V'„; = 0 Khi đó, tốc độ tuyệt đối của dòng chảy (V',) ở cửa vào của bánh công tác sẽ nằm trên mặt phẳng kính tuyến và V', = V¡ Tốc độ tương đối của dòng chảy ở cửa vào bánh công tac (W’,) xác định theo V', và U; từ tam giác tốc độ (Hình 1) Hướng của tốc độ (W";) xác định nhờ góc '

3.7.18 Góc nghiêng lá cánh

Chiều dày lá cánh và số lượng cánh hữu hạn làm lệch dòng chảy nhưng

không làm thay đổi mômen động lượng của chất lỏng Khi đó, ta có Vua = Vì¡ và Vịo = Vạ (ở đây “0” chỉ rõ tốc độ tương ứng với điều kiện đòng chảy không va ở cửa vào bánh công tác)

Góc nghiêng của cánh tương ứng với dòng chảy không va tại cửa vào bánh

công tác:

V, Lan 1gB, EB, U, = —t = K, x U, (3-20) 3-20

2,78 Khi dé: tgB, SB ro = = 1,15x—— = 0,2633 1a -

Bry = 14°45"

3.1.19 Gde déng chảy bao lá cánh

Dòng liên tục bao quanh các lá cánh tốc đệ tương đối (W;) của dòng chảy

sau khi vào khu vực cánh sẽ có hướng trùng với tiếp tuyến của lá cánh tại cửa vào ngược chiều với tốc độ vòng (U,) tạo thành góc (B,):

Để xác định ảnh hưởng của số lá cánh hữu hạn tới cột nước tính toán (H¿) ta

cần biết các kích thước của bánh công tác Đường kính mép ra của các cánh bánh

cong tác (D,) xấc định theo phương pháp gần đúng Đối với dòng vào bình thường

ta có biểu thức tính cột nước lý thuyết:

2

H, =n og ye £ “Tr, 1 (3-22)

14

Trị số của tốc độ vòng ở cửa ra bánh công tác (tính với gần đúng thứ nhất)

Thành phần kinh tuyến của tốc độ tuyệt đối ở cửa ra của bánh công tác

không tính ảnh hưởng của sự lệch dòng do có số cánh hữu hạn (V'„;):

2a x— xb,

2

ne 0,065 3,14 x 0,239 x 0,045

3.1.24 Thanh phan kinh tuyến có ảnh hưởng do lệch dòng

=193m/s

Trong đó: K,—Hés6 léch dòng ở cửa ra của bánh công tác, K; = 1,07

„ạ= L1 x1,93 = 2,12m/s

Khi đó: sin Ø; = sin 239 xI15x 252 = 02977

Nghia là, hệ số điều chỉnh cho số cánh hữu hạn của bánh công tác dat 23,4 % cột

nước máy bơm

3.1.28 Cột nước ứng với số cánh vô hạn

H, =(14+-0.234)x 13,35 = 16,47

16

3.1.29 Tốc độ vòng ở cửa ra của bánh công tác tính gần đúng lần thứ 2

số theo tính toán gần đúng lần thứ hai để nghiên cứu và tính tiếp theo

Máy bơm ly tâm trục đứng lắp với động cơ điện N = 14kW, số vòng quay n= 1450v/ph với cột nước thiết kế Hụ„ = 12,0m ký hiệu của máy bơm là 7LTĐ-21 Trong đó: 7 - Đường kính ngoài cửa cánh ở cửa vào bánh công tác giảm đi 25

lần ( làm tròn số)

LT - Ly tâm

Ð - Trục đứng

21 - Hệ số tỷ tốc giảm đi 10 tần (làm tròn số) 3.2 Tính toán thiết kế bánh công tác với các cánh có hai độ cong

Bánh công tác của bơm có hệ số tỷ tốc nạ > 100 thường có các lá cánh hai

độ cong Thiết kế hình dạng rãnh bánh công tác trong trường hợp này bằng cách

tính gần đúng Trong lần gần đúng thứ nhất biên dạng cánh ở tiết diện kinh tuyến

có thể tính toán như đối với bánh công tác có đạng cánh hình trụ Tiếp đó, dựng

biểu đồ tốc độ theo chiều dài dòng tia trung bình và hiệu chỉnh uốn lượn của đường cong tính toán khi cần thiết

Trong thực tế, phương pháp tính đơn giản dựa trên dòng đồng tốc độ tại tiết diện kinh tuyến, trong đó các tốc độ của dòng chảy ở các tiết diện vuông góc với đường dòng sẽ là một hằng số Bề mặt của cánh tính cho từng đường dòng riêng

biệt sao cho bảo đảm được đều từ tiết điện này đến tiết điện kia (Hình 4) UP

ee te ee

TBE Tổ Ley ok " ¬

17

; Hình 4 Dựng tiết diện kinh tuyến của bánh công tác

Phương trình vi phân của tiết diện cách có hai độ cong xác định:

dS

igh Góc bao toàn phần của cánh tính qua tích phân:

Trong đó tốc độ kinh tuyến theo đường dòng và pháp tuyến vuông góc với nó

Trong đó: m - Hệ số tính đến tỷ lệ của bản vẽ

10° - Hệ số chuyển đổi diện tích từ mm? sang m°

n - Số dòng tia của dòng chảy

Trị số bước cánh của bánh công tác xác định:

^ Khi tính toán, có thể chia chiều dài làm đường dòng làm (12 + 14) phần đều nhau và tính từ điểm có bán kính R, Chiểu dày lá cánh (6,) đối với tất cả các

đường dòng đều lấy như nhau, khi đó:

cosy;

Trong đó trị số 1 lấy từ bản vẽ Vì tại tiết diện ngoài cùng của cánh vuông

góc với đường dòng (y; = 0) nên ta cố õs; = õ;

Các đường kính D; và góc B; ở mép ra cần chọn sao cho tốc độ tương đối theo chiều rộng của cánh là không đổi (W; = consÐ) Chiều dày lá cánh thay đổi mồng đều về phía mép

Tính toán các toạ độ 6, = f(s) va k = f;,(s) của các điểm theo đường cong

trung bình của lá cánh ở tiết điện dòng chảy theo bảng số liệu ở mỗi điểm trên

đường trung đặt chiều dày (f) Dựng đường viền cánh như một đường bao cong Chiều dày của mép vào và mép ra của cánh cần bảo đảm điều kiện công nghệ

đúc, gia công và độ bền (Hình 5)

Kết quả tính toán theo bảng số liệu không trình bày trong báo cáo này

3.3 Tính toán miệng hút của bơm

Miệng hút là một bộ phận của phần dẫn dòng thuộc vỏ máy bơm có nhiệm

vụ đưa nước từ bể hút đến cưả vào của bánh công tác, do vậy nó có ý nghĩa quan trọng đối với hiệu suất, chất lượng xâm thực và đặc tính năng lượng của bơm

Miệng hút cần đảm bảo:

19

Dòng chảy đối xứng với trục nhằm tạo khả năng phân bố vận tốc đều nhất trước cửa vào, tạo được chuyển động tương đối ổn định trong bánh công tác Loại trừ dòng quẩn (V„o = 0) hay giá trị ban đầu của mômen tốc độ bằng không

được coi là cơ sở chủ yếu tính toán cột nước máy bơm [4]

- Bién-déi tri s6 tốc độ từ giá trị ở miệng hút đến giá trị khi vào bánh công tác đạt -_ tổn thất nhỏ nhất Với các chế độ làm việc khác với chế độ tính toán bình thường trong miệng hút có xuất hiện dòng chảy ngược và tạo nên đòng xoáy đọc trục làm ảnh hưởng

xấu đến phân bố vận tốc và áp lực trong ống Để đảm bảo dòng ổn định cần thiết

kế miệng hút có vận tốc tăng dần từ miệng hút tới cửa vào bánh công tác (khoảng

15 + 20%)

Trong thực tế đang sử dụng rộng rãi miệng hút thẳng dạng côn và dạng

cong với dòng chảy dẫn từ bên cạnh vào bánh công tác (kiểu vành khăn, xoắn ốc,

nửa xoắn ốc)

Miệng hút kiểu côn hở theo trục là đơn giản nhất, đảm bảo mômen tốc độ ở

cửa vào bánh công tác bằng không và có khả năng triệt tiêu xoáy đọc trục khi phụ

tải nhỏ đảm bảo ổn định dòng chảy tốt nhất Do vậy đem lại hiệu quả cao nhất

Chiều dài miệng hút được xác định:

2tg 2

2 Trong đó : D, - Đường kính miệng hút

3.4 Tính toán ống xả

Sau khi ra khỏi bánh công tác, dòng chảy theo hệ thống ống dẫn thoát ra ngoài Ống xả máy bơm có nhiệm vụ:

20