Đồ án tốt nghiệp thiết kế bơm ly tâm hai cấp hai miệng hút

Bơm cánh dẫn là loại máy thực hiệnviệc trao đổi cơ năng với dòng chất lỏng, biến cơ năng nhận được từ động cơ thành cơ năng của dòng chất lỏng.. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM CÁNH DẪN 1.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU vi

Chương 1 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM CÁNH DẪN 1

1.1 Sự ra đời và phát triển của máy cánh dẫn 1

1.2 Phân loại và phạm vi sử dụng 3

1.2.1 Phân loại theo số vòng quay đặc trưng 3

1.2.2 Theo dạng chất lỏng vận chuyển 4

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của máy bơm ly tâm ở trong và ngoài nước 4

1.3.1 Công dụng và lĩnh vực sử dụng của bơm cánh dẫn 4

1.3.2 Ứng dụng bơm ly tâm trong công nghiệp khai thác 6

1.3.2.1 Bóc đất đá trong khai thác lộ thiên 8

1.3.2.2 Vận chuyển than bùn, than cám, nạo vét đáy moong 9

1.3.2.3 Vận chuyển than kíp lê thương phẩm 10

1.3.2.4 Thoát nước trong khai thác 11

1.3.3 Ưu nhược điểm của bơm ly tâm, vỏ xoắn hai cấp 11

1.3.3.1 Ưu điểm 11

Kích thước hình học nhỏ gọn, kết cấu hai nửa dễ dàng tháo lắp sửa chữa; 11

Làm việc ổn định hơn; 11

Giảm giá thành sản phẩm; 11

Hiệu suất cao 11

1.3.3.2 Nhược điểm 11

Công nghệ gia công phức tạp 11

Đòi hỏi yêu cầu kĩ thuật cao 11

Cánh cấp hai bị ăn mòn nhanh hơn 11

1.3.4 Kết cấu của bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp 12

Chương 2 13

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM LY TÂM VỎ XOẮN, HAI CẤP 13

2.1 Thông số thiết kế bơm của đồ án 13

2.2 Tính toán thủy lực bánh công tác 13

2.2.1 Tính toán các thông số làm việc của bánh công tác 13

2.2.1.1 Xác định số vòng quay đặc trưng của bơm 14

2.2.1.2 Xác định hiệu suất và công suất của bơm 14

2.2.2 Tính các kích thước vào chính của bánh công tác 16

2.2.3 Xác định các thông số ra chính của bánh công tác 20

2.2.4 Thiết kế biên dạng kinh tuyến bánh công tác 27

2.2.4.1: Các phương pháp thiết kế bánh công tác bơm ly tâm 27

2.2.4.1: Tính toán thiết kế biên dạng kinh tuyến bánh công tác 28

Đồ án tốt nghiệp

2.2.5 Tính toán xây dựng biên dạng cánh bánh công tác 32

2.3 Tính toán thiết kế buồng xoắn 52

2.3.1 Kết cấu công dụng của cơ cấu dẫn dòng ra 52

2.3.2 Các đặc điểm của buồng xoắn 53

2.3.3 Đặc tính của cơ cấu dẫn dòng xoắn 53

2.3.4 Chuyển động của chất lỏng trong buồng xoắn 56

2.3.5 Tính toán thiết kế buồng xoắn hình thang quy luật vur = const 57

2.4 Tính toán thiết kế buồng dẫn dòng vào 62

2.4.1 Kết cấu và nhiệm vụ 63

2.4.2 Những ưu điểm khi sử dụng buồng hút nửa vỏ xoắn trong bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp 63

2.4.3 Phân tích khả năng làm việc và chọn các kích thước tính toán thuỷ lực cơ bản của buồng hút nửa vỏ xoắn 64

2.4.4 Tính toán thuỷ lực và xác định các kích thước cơ bản phần dẫn dòng chuyển tiếp từ cấp I sang cấp II trong bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp 72

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC BƠM 76

3.1 Tính sơ bộ kích thước hình học của trục bơm 76

3.1.1 Chọn vật liệu 76

3.1.2 Tính sơ bộ đường kính trục bơm 76

3.1.3 Tính chọn chiều dài trục 77

3.1.4 Các loại tải trọng tác dụng lên trục 78

3.1.4.2 Trọng lượng của trục 78

3.2 Mômen xoắn dẫn động bơm 79

3.3 Tính sơ bộ độ võng tại tiết diện bánh công tác: 79

3.4 Tính toán xác định tốc độ quay tới hạn của trục bơm 80

3.5 Tính phản lực tại các gối đỡ 80

3.6 Xác định moomen tương đương tại các vị trí 81

3.7 Biểu đồ momen 83

3.8 Kiểm nghiệm trục về độ bền 84

3.8.1 Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh 84

3.9 Chọn ổ 87

3.10 Chọn then và kiểm nghiệm bền then 89

Chương 4 60

TÍNH CHUỖI LẮP GHÉP VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BÁNH CÔNG TÁC 60

4.1 Tính chuỗi lắp ghép 60

4.2 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bánh công tác 61

4.2.1 Nguyên công 1: Kiểm tra theo quy trình công nghệ đúc và lấy dấu 61

- Vật đúc không được nứt, khuyết tật, cong vênh, rổ xỉ, rổ khí 61

- Chi tiết được làm sạch trước khi gia công cơ 61

- Rà mũi dò theo chân cánh bánh công tác, lấy sai số trung bình của 7 cánh, xác định tâm của bánh công tác làm chuẩn thô để kẹp chặt, định vị bánh công tác trước khi gia công cơ 61

4.2.2 Nguyên công 2: 62

Bước 1: Kẹp mâm cặp 3 chấu vào Φ102, rà tròn bánh công tác theo tâm đã lấy dấu ở nguyên công 1 62

Bước 2: Tiện thô và tinh các kích thước Φ420; Φ70 và Φ190 đạt dung sai kích

thước 62

Bước 3: Khỏa mặt đầu mặt B đạt kích thước 42mm 62

Và mặt A đạt kích thước 25mm so với mặt B 62

Bước 4: kiểm tra kích thước 62

4.2.3 Nguyên công 3 62

Bước 1: đảo đầu chi tiết, kẹp mâm cặp 3 chấu vào Φ190, rà tròn bánh công tác theo Φ420 và kẹp chặt 62

Bước 2 : tiện thô và tinh các kích thước Φ102 đạt dung sai lắp ghép 62

và Φ70 62

Bước 3 : khỏa mặt đầu mặt C đạt kích thước 88 mm 62

Bước 4: kiểm tra kích thước theo bản vẽ 62

4.2.4 Nguyên công 4: Xọc rãnh then 63

Bước 2: xọc rãnh then theo dấu, kích thước yêu cầu bản vẽ kĩ thuật 63

Hình 4.4 Nguyên công 4 63

4.2.5 Nguyên công 5: cân bằng tĩnh 63

4.2.6 Nguyên công 6 : Kiểm tra 64

4.2.7 Nguyên công 7 : Sơn chống rỉ các bề mặt theo bản vẽ kỹ thuật 64

Danh mục hình ảnh

Hình 2.4.1 Sơ đồ kết cấu và các tiết diện buồng hút nửa vỏ xoắn 64

Hình 2.4.3 Biểu đồ biến đổi tiết diện buồng hút nửa vỏ xoắn 65

Hình2.4.4 Sơ đồ buồng hút nửa vỏ xoắn 65

Đồ án tốt nghiệp

Hình 2.4.5 Sơ đồ nguyên lý tính toán các kích thước tiết diện phần vỏ xoắn của

buồng hút nửa vỏ xoắn 67 Hình 2.4.6: Biên dạng buồng nửa xoắn 72 Hình 2.4.7 mặt cắt dọc bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp 73 Hình 2.4.8 Kênh chuyển tiếp từ cấp I sang cấp II 73 Hình2.4.9 Quy luật biến đổi diện tích theo đường dòng tâm phần chuyển tiếp

74 Hình 2.4.10 Đường tâm và các mặt cắt buồng chuyển tiếp 75

Hình 3.1 Chiều dài các đoạn trục 78 Hình 3.3: Sơ đồ đặt lực 80

83 83 Hình 3.4 Biểu đồ momen 83 Hình 4.1 : sơ đồ chuỗi lắp ghép 60 Hình 4.2 Nguyên công 2 62

63 Hình 4.5 Nguyên công 5 63

Bảng 3.1, Bảng tính toán buồng nửa xoắn 69 Bảng 3.2: tính cho 8 tiết diện cách nhau 1 góc 22,50 70

Bảng 3.1: Các thông số ổ lăn trên trục 88

Đồ án tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU

Máy bơm cánh dẫn nói riêng và các công trình trạm bơm nói chung được sửdụng rất phổ biến trong nền kinh tế quốc dân Bơm cánh dẫn là loại máy thực hiệnviệc trao đổi cơ năng với dòng chất lỏng, biến cơ năng nhận được từ động cơ thành

cơ năng của dòng chất lỏng

Điểm nổi bật của máy bơm là ứng dụng rộng rãi của nó trong nền kinh tế quốcdân, trong công nghiệp, nông nghiệp cũng như trong đời sống

Việc bơm nước thải phục vụ cho các khu công nghiệp và thoát nươc trong khaithác mỏ là vấn đề phức tạp không những ở Việt Nam mà còn ở trên khắp thế giới.Trong thực tế, có thể sử dụng nhiều kiểu bơm khác nhau để phục vụ mục đích trên,tuy nhiên việc sử dụng bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp là giải pháp hợp lý và đem lạihiệu quả tốt hơn cả

Được sự định hướng của PGS-TS Bùi Quốc Thái, em đã nhận đề tài “Tính toán,thiết kế bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp” để làm đồ án Tốt nghiệp chuyên ngành Máy

và tự động thủy khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trong quá trình làm đồ

án do kinh nghiệm thực tế cũng như kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế nên đồ áncủa em chắc chắn còn có nhiều thiếu sót Em kính mong nhận được sự chỉ bảo củacác thầy cô trong bộ môn Máy và tự động thủy khí cũng như sự đóng góp ý kiếncủa các bạn để em hoàn thành đồ án này và đặc biệt là để em bổ sung hoàn chỉnhkiến thức về sau này

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy giáo

PGS-TS Bùi Quốc Thái và sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong bộ môn Máy và

tự động thủy khí đã giúp em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện: Hoàng Quốc Anh

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM CÁNH DẪN 1.1 Sự ra đời và phát triển của máy cánh dẫn

Máy bơm cánh dẫn là loại máy dùng để vận chuyển và cung cấp năng lượngcho dòng chất lỏng Máy bơm làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng của động cơ thànhthủy năng của dòng chất lỏng Bơm là một trong những phát minh sớm nhất trongsuốt chiều dài lịch sử của nền văn minh nhân loại Khoảng 2000 năm trước côngnguyên, người Ai Cập đã phát minh ra chiếc gầu để múc nước Chiếc gầu sử dụngmột cái cần treo dài với một cái gầu ở một đầu cần, và một đầu còn lại là một đốitrọng, hoạt động theo nguyên lý đòn bẩy

Khoảng 200 năm trước công nguyên, nhà phát minh, nhà toán học người người

Hy Lạp tên là Ctesibius đã phát minh ra một máy bơm nước một đầu bơm dùng đểhút không khí nhờ cơ cấu piston và van một chiều, thùng chứa chất lỏng được đặt ởgiữa, các ống đẩy được đặt ở phía trên của thùng chất lỏng Khi không khí được hút

ra sẽ tạo độ chân không làm cho chất lỏng trong thùng chứa theo các đường ống hút

đi lên phía trên Đây cũng là nguyên lý hoạt động của các bơm hiện đại được biếtđến ngày nay

Vào năm 1475, theo Reti, một quân nhân, nhà sử học người Brazil, chiếc máyđầu tiên có những đặc điểm giống như một bơm ly tâm hiện đại là một máy bơmbùn đã xuất hiện trong một luận văn của một kỹ sư người Ý thời kỳ Phục hung tên

là Francesco di Giorgio Martini

Đến năm 1687, một nhà phát minh sinh ra tại Pháp tên là Denis Papin đã thiết

kế và chế tạo bơm ly tâm thực đầu tiên, bơm có cánh thẳng và được sử dụng cho hệthống thoát nước của địa phương

Năm 1738, trong lĩnh vực thủy động lực học, nhà toán học, nhà vật lý học nổitiếng thế giới Daniel Beroulli đã công bố nguyên lý của dòng chất lỏng không nhớt,

đó là sự gia tăng của vận tốc dòng chảy xảy ra theo sự gia tăng của áp suất hoặc thếnăng của chất lỏng một cách tương ứng trong cuốn sách “Hydrodynamica” Nguyên

lý này được áp dụng nhiều loại dòng chảy và được thể hiện qua phương trìnhBernulli nổi tiếng

Cũng trong quãng thời gian này, nhà bác học Leonhard Euler (1707 – 1783)sinh ra tại Thụy Sỹ, mất tại Nga đã nghiên cứu và đưa ra lý thuyết về động lượngnổi tiếng, lý thuyết này đã được ứng dụng để thiết lập nên phương trình cơ bản củamáy thủy lực cánh dẫn.

Phương trình Navier – Stokes được Navier thành lập năm 1822 và sau đó đượcStokes hoàn thiện vào khoảng năm 1845 Phương trình Navier – Stokes là phươngtrình vi phân chuyển động của chất lỏng thực Sự ra đời của phương trình Navier –Stokes đặt dấu mốc quan trọng cho lĩnh vực khoa học về cơ học chất lỏng

Những năm sau đó, nhà vật lý học người Anh Osbone Reynolds (1842-1912) đãcông bố các công trình khoa học về động lực học chất lỏng Công trình thực nghiệmcủa Reynolds tìm ra tổ hợp không thứ nguyên, gọi là số Reynolds (năm 1833) đãđánh dấu một mốc quan trọng trong việc phân định chế độ chuyển động tầng và rối.Phương trình Reynolds là cơ sở để phân tích rối và giải các bài toán dòng rối, ápdụng nhiều cho các thiết kế bơm cánh dẫn hiện đại

Năm 1851, nhà phát minh người Anh John Appold đã giới thiệu đường đặc tínhcủa bơm cánh dẫn

Năm 1851 John Gwynne đệ trình bằng sang chế đầu tiên về bơm ly tâm Nhữngchiếc bơm ly tâm của ông đã được sử dụng cho các hệ thống cấp thoát nước ngaylúc đó, và rất nhiều trong số chúng vẫn có thể được tìm thấy ngày nay trong cácphân xưởng chứa bơm hoặc bảo tàng Vào cuối những năm của thế kỷ XIX,Gwynne đã sản xuất các loại bơm với đầy đủ các kích cỡ sử dụng trong tất cả cácứng dụng công nghiệp, từ những chiếc bơm chạy bằng động cơ điện loại nhỏ tớinhững chiếc có lưu lượng lên đến hang nghìn mét khối trên giờ Công ty của ôngcũng bắt đầu thực hiện nghiên cứu khoa học về bơm, ví dụ như những chiếc bơmbằng sứ dùng cho công nghiệp hóa chất Vào những năm 1930, công ty của ông đãsản xuất đến hàng nghìn các mẫu bơm khác nhau

Trong thời gian đầu của thế kỷ XX, nhà bác học người Nga Joukowski N E(1847-1921) đã sáng lập nên ngành lý thuyết cánh và lý thuyết thủy khí động lựchọc, đã đóng góp quan trọng, cơ bản cho sự phát triển của lĩnh vực máy thủy khícánh dẫn

Nhìn chung, trước thế kỷ XVII, các dạng máy thủy khí nói chung và máy bơmcánh dẫn nói chung còn rất thô sơ Bước sang thế kỷ XIX, các loại tuabin và bơmcánh xuất hiện nhiều với kết cấu có công suất và hiệu suất đáng được ghi nhận Cácnhà phát minh ra máy, thông thường là các kỹ sư Các máy thủy khí cánh dẫn đầutiên được ra đời ở các nước Pháp, Nga, Đức, Anh, Mỹ…Các máy này dần đượchoàn thiện thông qua quá trình sử dụng trong thực tế.

1.2 Phân loại và phạm vi sử dụng

1.2.1 Phân loại theo số vòng quay đặc trưng

Dựa vào số vòng quay đặc trưng ns của bánh công tác, người ta chia bơm cánhdẫn ra thành các loại sau:

Bảng 1.1: Phân loại bánh công tác theo

hướng chéo

Bánh công táchướng trục

= 40÷80 = 80÷150 = 150÷300 = 300÷600 = 600÷1200

= 2,5÷2,0 = 2,0÷1,8 = 1,8÷1,4 = 1,2÷1,0 = 1,0

1.2.2 Theo dạng chất lỏng vận chuyển

Theo dạng chất lỏng vận chuyển, bơm cánh dẫn có các loại sau:

- Bơm vận chuyển nước sạch

- Bơm vận chuyển hỗn hợp nước với chất bột và chất rắn

- Bơm vận chuyển dầu mỏ và các sản phẩm của dầu mỏ

- Bơm vận chuyển các dung dịch hóa chất, kim loại lỏng

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của máy bơm ly tâm ở trong và ngoài nước.

1.3.1 Công dụng và lĩnh vực sử dụng của bơm cánh dẫn

Bơm cánh dẫn có ứng dụng rất rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, trong côngnghiệp, nông nghiệp cũng như trong đời sống

Bơm có rất nhiều loại khác nhau, chúng được dùng để vận chuyển mọi loại chất lỏngnhư chất lỏng đặc, chất lỏng có độ nhớt lớn, chất lỏng nóng, chất lỏng dễ bay hơi…kể

cả các hỗn hợp nước với chất rắn Trong các loại bơm thì bơm ly tâm được dùng phổbiến nhất

Trong công nghiệp, bơm ly tâm được dùng để cấp nước cho các nhu cầu kỹ thuậtcủa nhà máy như cấp nước cho nồi hơi trong các nhà máy nhiệt điện, cấp nước cho các

hệ thống làm mát và cho các nhu cầu vệ sinh công nghiệp

Bơm ly tâm còn được sử dụng trong công nghiệp khai thác mỏ và xây dựng để hútnước từ những giếng sâu, hút các hỗn hợp nước với đất và vận chuyển các hỗn hợpnước với chất rắn nghiền nhỏ

Trong công nghiệp dẩu mỏ, bơm ly tâm được dùng nhiều để hút dầu từ dưới giếng

và vận chuyển các sản phẩm của dầu mỏ Ngày nay việc vận chuyển dầu mỏ theođường ống được sử dụng khá phổ biến và với các khoảng cách rất xa tới hàng nghìnkilômét

Thực tế tính toán và sử dụng cho thấy rằng, việc vận chuyển theo đường ốngkinh tế hơn rất nhiều so với các phương tiện vận chuyển khác Do hiệu quả kinh tếcao của việc vận chuyển chất lỏng theo đường ống, người ta đang nghiên cứu sử

dụng các đường ống để vận chuyển các nguyên vật liệu hạt rời và các hang hóakhác.

Trong công nghiệp hóa chất, bơm ly tâm cũng được ứng dụng rộng rãi để vậnchuyển các dung dịch hóa chất như axit, kiềm, muối…Trong công nghiệp và đờisống, bơm ly tâm được dùng để tưới, tiêu, cung cấp nước cho thành phố, cho cácnhu cầu của đời sống

Bơm hướng trục có lưu lượng lớn và áp suất nhỏ, nó được sử dụng chủ yếutrong nông nghiệp để tưới, tiêu Bơm hướng trục cũng được dùng trong công nghiệp

để cung cấp nước cho nồi hơi có lưu lượng lớn và áp suất không lớn lắm Trongcông nghiệp đóng tàu, bơm hướng trục là một trong số các thiết bị phụ của tàu thủy,được dùng chủ yếu trong các hệ thống tuần hoàn làm lạnh và tiêu nước trong tàu

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 số làm việc,người ta xây dựng trong hệ tọa độ logarit biểu đồ phạm vi ứng dụng của các loại

bơm khác nhau (hình 1.2)

Hình 1.2 Phạm vi sử dụng của các loại bơm khác nhau

Nhìn trên biểu đồ cho thấy, bơm piston được sử dụng trong phạm vi:

Q = 1 ÷ 400 m 3 /h

H = 10 ÷ 10000 mH 2 O

Trong các loại bơm cánh dẫn thì bơm ly tâm có phạm vi sử dụng rộng rãi nhất:

Hiệu suất của chúng, với cùng giá trị cột áp không kém nhiều so với bơmpiston 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 3500 m cột nước

và có thể hơn nữa

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 kế và sử

dụng bơm

1.3.2 Ứng dụng bơm ly tâm trong công nghiệp khai thác.

Với sự phát triển của ngành khai thác mỏ, đòi hỏi tăng công suất các trạm bơm

mỏ Đặc biệt các mỏ khai thác ở tầng sâu đòi hỏi các loại bơm có cột áp lớn

Để đáp ứng nhu cầu khai thác mỏ: Bơm mỏ được nghiên cứu theo các hướngnâng cao hiệu suất bơm đảm bảo chỉ tiêu kinh tế, hoàn thiện kết cấu đơn giản gọnnhẹ dễ sử dụng, các vật liệu chịu mài mòn và ăn mòn hoá học nhằm nâng cao tuổithọ và độ tin cậy làm việc của bơm mỏ

Khoảng 10 năm gần đây với sự trợ giúp của tin học, chương trình hoá các

phương pháp thiết kế về mặt thuỷ lực và kết cấu đã sản xuất được nhiều chủng loạimáy bơm mỏ chất lượng cao phục vụ sản xuất.

Nội dung nghiên cứu bơm mỏ xuất phát từ việc nghiên cứu bản chất môi trường làmviệc của bơm gồm nước mặt chảy vào mỏ qua khe nứt và nước ngầm, các loại chất rắntrong nước, nồng độ kích cỡ, độ cứng của các chất rắn trong dung dịch bơm

Trên cơ sở xác định bản chất nước mỏ được phân ra các loại, nước mềm, nướccứng, nước có độ axit và nước có độ kiềm để xác định vật liệu tương ứng cho cácchi tiết mau mòn thuộc bộ dẫn dòng của các loại bơm mỏ

Vấn đề ăn mòn cơ học (xói mòn) trong bơm mỏ được nghiên cứu theo hướngkết cấu thuỷ lực hợp lý và vật liệu của bộ dẫn dòng được các nước đặc biệt quantâm

Hiện tượng mài mòn và xói mòn do các chất rắn trong nước mỏ gây nên, cường

độ ăn mòn và mài mòn không chỉ phụ thuộc vào nồng độ, kích thước, độ cứng củacác chất trong nước mà còn phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc dòng chảy, hệ số cảnthủy lực ở vùng có hệ số tổn thất cục bộ lớn

Các chi tiết của bơm mỏ thường bị mài mòn và xói mòn là bánh công tác, trục,ống lót, vành mòn, vành làm kín, ống dẫn và vỏ bơm Các dạng ăn mòn và mài mònrất phức tạp và phụ thuộc vào quá nhiều yếu tố

Ngoài việc các chi tiết bơm bị ăn mòn hoá học và xói mòn (ăn mòn cơ học)chúng còn chịu mỏi vì dòng chảy trong bơm với chất lỏng chứa nhiều loại chất rắn cónồng độ khác nhau, kích thước vật rắn cũng khác nhau theo thời gian tạo nên dòngchảy trong bơm không ổn định chịu dao động theo tần số khác nhau của các loạibơm Việc nghiên cứu độ bền mỏi vật liệu phi kim loại dùng cho các loại bơm mỏcũng được các nước chú trọng đầu tư thích đáng về cơ sở vật chất

Sử dụng máy bơm cánh dẫn trong khai thác mỏ nói chung và khai thác than nóiriêng có nhiều công đoạn khác nhau, mỗi công đoạn phải sử dụng những loại máy bơmchuyên dùng khác nhau để đảm bảo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong khai thác

1.3.2.1 Bóc đất đá trong khai thác lộ thiên

Các nước tiên tiến, để khai thác lộ thiên người ta sử dụng các loại máy bơmnước sạch có áp suất lớn và lưu lượng lớn để bắn phá thông qua vòi phun tăng ápbóc đất đá Điển hình như Cộng Hoà Liên Bang Đức, Đan Mạch thường sử dụngcác loại máy bơm ly tâm một cấp của hãng Grundfos có áp suất đến 100m và lưulượng đến 1.000m3/h Trên hình 1.1 là kết cấu chung của máy bơm CM-4 do hãngGrundfos - Đan Mạch chế tạo có áp suất lớn và lưu lượng lớn trong hệ thống tăng

áp khai thác lộ thiên

Hình 1.3 Máy bơm dãy CM- 4 do Grundfos - Đan Mạch chế tạo

Tại các nước thuộc hệ thống xã hội chủ nghĩa cũ, điển hình là Liên Xô cũthường dùng các loại máy bơm cánh dẫn nhiều tầng cánh có lưu lượng trung bìnhsong cột áp lại cực cao đạt tới 1.900m như dãy bơm hệ HC mà không qua hệ thốngtăng áp Đặc thù của loại máy bơm này là tốc độ quay cao, máy gọn nhẹ Hệ thốngkhai thác bắn phá đất đá gọn nhẹ, song công nghệ chế tạo phức tạp, đặc biệt là vậtliệu và công nghệ cân bằng Rôto của bơm Trên hình 1.2 là kết cấu điển hình củadãy bơm hệ HC do Liên Xô cũ chế tạo thường được sử dụng như một thiết bị có ápsuất lớn để bóc đất đá tại các mỏ lộ thiên

Hình 1.4 Kết cấu điển hình của dãy bơm hệ HC do Liên Xô cũ chế tạo.

1.3.2.2 Vận chuyển than bùn, than cám, nạo vét đáy moong

Đây là loại máy bơm chuyên dùng có kết cấu đặc biệt, ví dụ dãy bơm cát có kýhiệu HΠ do Liên Xô cũ chế tạo thì liên kết giữa thân bơm và vỏ bơm ở dạng bản lề

để dễ tháo lắp khi bơm dung dịch có nồng độ lớn Đặc biệt biên dạng cánh bơm có

bề dầy ở cửa ra lớn hơn nhiều so với cửa vào do hạt rắn quá nhỏ (cát, sa khoáng nhưthiếc, vàng) thường bào mòn ở cửa ra nhiều hơn Kết cấu này nhằm nâng cao tuổithọ của bơm Trên hình 1.3 là kết cấu điển hình của dãy bơm cát có lưu lượng và ápsuất không lớn nhưng cho phép bơm dung dịch chất lỏng có nồng độ γ cao

Hình 1.5 Kết cấu điển hình của dãy bơm cát HΠ do Liên Xô cũ chế tạo

Khi nạo vét bùn, vận chuyển than cám, thích hợp hơn sử dụng bơm bùn điển hìnhnhư dãy bơm P, Γp Đặc điểm của loại bơm này là vỏ tròn đều, hai lớp để dễ thay thếkhi mòn hỏng Biên dạng cánh có kết cấu cửa vào dầy hơn nhiều so với cửa ra để phùhợp với chất rắn trong dung dịch bơm có kích thước lớn và nhọn sắc Trên hình 1.4 làkết cấu điển hình của dãy bơm bùn dạng P do Liên Xô cũ chế tạo

Hình 1.6.Kết cấu điển hình của dẫy bơm bùn P do Liên Xô cũ chế tạo thường sử

dụng để nạo vét bùn và vận chuyển than cám tại các mỏ than.

1.3.2.3 Vận chuyển than kíp lê thương phẩm

Đây là lĩnh vực khá phổ biến ở các nước như Mỹ, Nga, Nhật Bản ngày này Yêucầu của việc vận chuyển là than cục lớn, không bị vỡ vụn trong quá trình vận chuyển.Với yêu cầu này ở ngoài nước thường sử dụng các loại bơm xoáy tự do Khả năngcủa các loại máy bơm này có thể bơm được các loại hạt rắn có kích thước lớn nhấtbằng 80% kích thước ống xả của bơm Nguyên lý làm việc của nó là nhờ dòng xoáy

tự do Trong bơm truyền năng lượng (cơ năng) từ bánh công tác cho chất lỏng và chấtrắn thông qua lực ma sát Với nguyên lý này chất rắn trong chất lỏng hầu như khôngtiếp xúc với cánh bơm và ít tiếp xúc với vỏ xoắn, bảo đảm thoát nhanh và không bị

vỡ vụn khi đi qua bơm Do quá nhiều ưu điểm như vậy nên các loại máy bơm nàycòn sử dụng để vận chuyển thực phẩm như cá, khoai tây, cà rốt, v.v… Trên hình 1.7

là sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm xoáy tự do loại CBH do Mỹ, Thuỵ Điển vàCộng Hoà Liên Bang Đức chế tạo

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm xoáy tự do loại CBH

1.3.2.4 Thoát nước trong khai thác

Trong khai thác than dù là hầm lò hay lộ thiên, việc thoát nước đảm bảo sảnxuất là điều không thể thiếu được Đặc biệt nước tại các moong khi khai thác lộthiên và nước ngầm khi khai thác hầm lò thông thường có tính ăn mòn hoá học vàmài mòn cơ học Các loại máy bơm sử dụng ở công đoạn này có yêu cầu rất đặc biệtnhư: Lưu lượng lớn, áp suất cao, làm việc ổn định, tuổi thọ cao và dễ thay thế cácchi tiết mau mòn hỏng

Thông thường các nước trên thế giới sử dụng hai loại máy chính là:

- Máy bơm li tâm hai miệng hút

- Máy bơm li tâm vỏ xoắn hai hoặc bốn cấp

Sử dụng máy bơm cánh dẫn trong khai thác mỏ nói chung và khai thác than nóiriêng, các nước phân ra các công đoạn như sau:

- Cung cấp nước sạch, bóc đất đá ở các mỏ lộ thiên thường dùng máy bơm nướcsạch có cột áp từ một vài chục mét đến một vaì trăm mét, lưu lượng trung bình;

- Vận chuyển than bùn than cám thường sử dụng các loại bơm bùn cát:

- Vận chuyển các loại than kíp lê ngày nay sử dụng các loại bơm xoáy tự do;

1.3.3 Ưu nhược điểm của bơm ly tâm, vỏ xoắn hai cấp

• Công nghệ gia công phức tạp

• Đòi hỏi yêu cầu kĩ thuật cao

• Cánh cấp hai bị ăn mòn nhanh hơn

1.3.4 Kết cấu của bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp

Hình 1.10 Kết cấu bơm ly tâm vỏ xoắn, hai cấpTrong đó:

3 - ống lót trục 14 - Bánh công tác quay trái

5 - Nửa khớp nối bên bơm 16 - ống chặn trục

6 - Bích ép túp 17 - Đai ốc hãm

7 - Đường nước làm kín và mát túp 18 - Trục bơm

10 - Bánh công tác quay phải 21 - Then

11 - Vành phân cánh 22 - Then bánh công tác

Chương 2

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM LY TÂM VỎ XOẮN, HAI CẤP

2.1 Thông số thiết kế bơm của đồ án

Các thông số kỹ thuật của tổ máy bơm nước thải bao gồm:

Cột nước bơm: H = 120mH2O

Lưu lượng: Q = 200 m 3 /h = 0,0056 m 3 /s

Số vòng quay: n = 1450 v/ph

2.2 Tính toán thủy lực bánh công tác

Bánh công tác là chi tiết quan trọng nhất của bơm ly tâm Các cánh dẫn củabánh công tác trực tiếp làm nhiệm vụ trao đổi năng lượng với dòng chất lỏngchuyển động qua máy

Bánh công tác của bơm ly tâm được tính toán thiết kế theo phương pháp tương

tự hoặc phương pháp tính toán lý thuyết Trong đó việc tính toán thiết kế theophương pháp tương tự cho kết quả đáng tin cậy Theo phương pháp này các bánhcông tác mới được thiết kế tương tự hình học với các bánh công tác có chỉ tiêu nănglượng và xâm thực tốt

Trong trường hợp không có bơm mẫu ta cần tính toán thiết kế bánh công táctheo phương pháp tính toán thiết kế lý thuyết Trong đồ án này, với mục đíchnghiên cứu và tham khảo, em đã lựa chọn phương pháp tính toán theo lý thuyết đểthiết kế bánh công tác của tổ máy bơm chìm nước thải

2.2.1 Tính toán các thông số làm việc của bánh công tác

Cánh công tác của bơm ly tâm có hai dạng chính: dạng cánh trụ tương ứng số

vòng quay đặc trưng n s thấp (n s = 60 ÷ 100 v/ph) và dạng cánh cong không gian(cong hai chiều) tương ứng số vòng quay ns lớn (ns > 100v/ph).

Do đặc trưng kết cấu khác nhau nên việc tính toán, thiết kế cũng có những điểmkhác nhau Song khi tính toán thiết kế bánh công tác với cả hai loại cánh trên đều cóphần tính chung, đó là phần tính các thông số làm việc cơ bản và các thông số kếtcấu chính của bánh công tác và xây dựng mặt cắt kinh tuyến của nó

Dưới đây em sẽ trình bày các phần tính toán các thông số làm việc của bánhcông tác bơm của đề tài:

2.2.1.1 Xác định số vòng quay đặc trưng của bơm

- Lưu lượng của bơm: Q = 200 m 3 /h = 0,0056 m 3 /s

- Chọn sơ bộ số vòng quay trên trục động cơ là 1450 vg/ph ta tính được số vòng

quay đặc trưng của bơm là :

n s = = 3/4

3, 65.1450 0, 056 60

s

2.2.1.2 Xác định hiệu suất và công suất của bơm

- Hiệu suất của bơm:

η B = η Q η H η ck

Trong đó :

η Q : Hiệu suất lưu lượng của bơm

η H : Hiệu suất thủy lực của bơm

η ck : Hiệu suất cơ khí của bơm

- Hiệu suất lưu lượng của bơm :

Sơ bộ η Q được xác định theo công thức (4.5) Tl [1] :

Từ đó ta có lưu lượng tính toán của bánh công tác :

0,056

0,05830,96

2.2.2 Tính các kích thước vào chính của bánh công tác

Các kích thước vào chính của bánh công tác (hình 2.1) đó là đường kính vào D 0,

đường kính mép vào cánh D 1 , chiều rộng cánh b 1 và góc đặt cánh β 1 ở lối vào Cáckích thước vào chính của bánh công tác được xác định sao cho tổn thất thủy lực củadòng chảy ở cửa vào là nhỏ nhất và chất lượng xâm thực tốt nhất

Hình 2.1 Tiết diện kinh tuyến bánh công tác có cánh dẫn dạng trụ

Để xác định đường kính lối vào D 0 của bánh công tác trước tiên ta cần xác định vận tốc dòng chảy ở lối vào v 0 Vận tốc dòng chảy ở lối vào của bánh công tác đượcxác định theo công thức tương tự của Rut-nhép, theo công thức (5.3) TL [2] :

v 0 = (0,06 ÷ 0,08)

Trong đó:

- Q lt là lưu lượng lý thuyết trung bình của bơm (m s ) 3/

- n blà số vòng quay trên trục của bơm (vòng/phút)

Đường kính trục d tr được tính sơ bộ bằng :

Với bơm trục suốt, theo công thức (5.5) TL [2] :

Đường kính lối vào :

lt b

Q V

π

Đường kính bố trí mép vào của bánh công tác bơm :

Với bánh công tác có n s thấp (n s < 100) với chất lượng xâm thực trung bình, cánh

dẫn có dạng trụ, đường kính bố trí mép vào bánh công tác của bơm có giá trị bằng:

D 1 = (0,9 ÷ 1)D 0 = D 1 = (0,9 ÷ 1).180 = (162÷ 180) mm

- Chọn D 1 = 180 mm

- Vận tốc kinh tuyến trung bình lối vào bánh công tác được xác định :

Với bơm n s thấp (chất lượng xâm thực trung bình):

Hình 2.2: Tam giác vận tốc lối vào

- Góc dòng vào không va được xác định theo công thức (5.8) TL [2]:

tgβ 1,0 =

Trong đó K 1 là hệ số chèn dòng ở lối vào, K 1 = 1,10÷1,15 Lấy K 1 =1,15

Vận tốc vòng tại lối vào được xác định theo công thức :

=> β 1,0 = 14,94 0

- Góc đặt cánh ở lối vào :

β 1 = β 1,0 + δ Trong đó δ = (3 0 ÷10 0 ) gọi là góc va trong chảy bao cánh Chọn δ = 9,06 0 ta

được β 1 = 25 0

2.2.3 Xác định các thông số ra chính của bánh công tác

Các kích thước ra chính của bánh công tác đó là đường kính D 2 , chiểu rộng b 2 và góc đặt cánh β 2 ở lối ra

Đường kính D 2 của BCT được xác định từ phương trình cơ bản của máy cánh

dẫn :

H lt = H T =

- Vận tốc kinh tuyến tại lối ra của BCT được xác định theo quan hệ với vận tốc

kinh tuyến tại lối vào Với bơm có n s < 100:

v ’ m2 = (0,8 ÷ 1,1)

- K 2 : Hệ số chèn dòng ở lối ra, K 2 = (1,05 ÷ 1,1) Sơ bộ chọn K 2 = 1,1

- được chọn theo quan hệ với ns theo đồ thị hình 2.3 do dòng tương đối

giữa các lá cánh là dòng dip-phu-zơ

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của vào ns

Với ns = 58,095, kết hợp với các kết quả thực nghiệm, chọn = 1,4

Từ đó tính được

' 2

V K

Hình 2.4 Tiết diện ngang của bánh công tác bơm ly tâm dạng cánh trụ

- Tính lại đường kính lối ra BCT :

Từ tam giác vận tốc lối ra :

Hình 2.5: Tam giác vận tốc lối ra có xét đến ảnh hưởng của số cánh dẫn hữu hạn

Ta có : v 2u = u 2 – v m2 cotgβ 2

Do đó :

U D

lt m

3,14.180.sin 25 .sin

K

Z D

3,14.420.sin 26, 65 .sin

K

Z D

Các hệ số K 1 và K 2 tính lại thỏa mãn điều kiện sai khác so với bước tính sơ bộ

<5% nên ta lấy chúng làm kết quả cuối cùng.

- Vận tốc tương đối của dòng chảy ở cửa vào và cửa ra của bánh công tác được

xác định theo công thức (4.22b) và (4.22c) TL [1]:

' 1

β

2.2.4 Thiết kế biên dạng kinh tuyến bánh công tác

2.2.4.1: Các phương pháp thiết kế bánh công tác bơm ly tâm

Bánh công tác là chi tiết quan trọng nhất của bơm ly tâm Các cánh dẫn củabánh công tác trực tiếp làm nhiệm vụ trao đổi năng lượng với dòng chất lỏngchuyển động qua máy

Để thiết kế một bánh công tác của bơm ly tâm người thiết kế thường chia bánhcông tác thành hai mặt cắt là cặt cắt thẳng đứng ( tiết diện kinh tuyến hay hình chiếucánh trên mặt phẳng hình chiếu cạnh) và mặt cắt ngang ( là hình chiếu cánh trênmặt phẳng hình chiếu bằng ) Để bắt đầu xây dựng mặt cắt kinh tuyến hay tiết diệnkinh tuyến của bơm ly tâm ta áp dụng các công thức tính toán thông số vào ra dựatrên các số liệu đã có trước như : lưu lượng, cột áp, số vòng quay vv

Sau khi đã tính toan xong các thông số vào ra của bánh công tác ta tiến hànhxây dựng biên dạng tiết diện kinh tuyến bánh công tác bằng phương pháp biên thiêndiện tích dựa trên bề rộng và vận tốc vào ra Phương pháp này dựa trên sự biếnthiên diện tích với vận tốc kinh tuyến thay đổi đều từ mép vào đến mép ra,từ đó ta

có các đường tròn là bề rộng bánh công tác tại các điểm được xét,sau đó tiến hànhđắp các đường tròn trên một đường cong Đường cong này có thể là đường trungbình hoặc nằm trên một đĩa cánh, để xây dựng đường cong , ta có hai cách Cáchthứ nhất là ta áp dụng tính tương tự từ các bơm mẫu, nếu không có bơm mẫu thì ta

có thể tự xây dựng và áp dụng phương pháp thử và thử lại cho đến khi đạt được tiếtdiện kinh tuyến yêu cầu Sau khi đã xây dựng xong tiết diện kinh tuyến là tiến hànhxây dựng hình chiếu của bánh công tác trên mặt phẳng hình chiếu bằng Đối vớiphần này có khá nhiều phương pháp để thiết kế nhưng có hai phương pháp chính làphương pháp điểm được áp dụng với cánh trụ và phương pháp biến hình bảo giácđược áp dụng với bánh công tác có cánh là cánh cong không gian Với phương phápđiểm, ta tiến dành xây dựng đường nhân Profin, sau đótiến hành đắp độ dày trênđường nhân đó, ta được biên dạng cánh Với phương pháp biến hình bảo giác sẽ

khò khăn hơn, trước tiên ta phải xây dựng đường dòng trên tiết diện kinh tuyến,cóhai phương pháp xây dựng là đường dòng đẳng tốc và đường dòng đẳng thế Saukhi xây dựng xong, dựa trên các đường dòng và các đường vuông góc ta xây dựnglưới biến hình bảo giác, trên lưới biến hình bảo giác ta xây nhưng các đường nhânProfin cánh cho từng tiết diện, tiến hành đắp độ dày cho từng đường nhân ta đượcProfin cánh hoàn chỉnh.

Các cách trên có thể gọi là phương pháp tính toán lý thuyết Một phương phápnữa là phương pháp tính toán tương tự là phương pháp tính toán bằng cách chọn các

số liệu theo các loại bơm mẫu đã có sẵn

Với số vòng quay đặc trưng thấp (n s = 60 ÷ 100 v/ph) nên em chọn phươngpháp tính toán cánh là phương pháp điểm cho mặt chiếu bằng và phương pháp tínhtoán lý thuyết cho tiết diện kinh tuyến

2.2.4.1: Tính toán thiết kế biên dạng kinh tuyến bánh công tác

Bánh công tác của bơm thường được thể hiện bằng hai tiết diện: Tiết diện kinhtuyến (hình chiếu trong mặt phẳng chứa trục – hình chiếu đứng) và tiết diện ngang(hình chiếu trong mặt phẳng vuông góc với trục – hình chiếu bằng)

Tại tiết diện kinh tuyến không thể hiện mặt cắt của lá cánh với các mặt phẳng điqua trục Mép vào và mép ra của lá cánh được dựng trong tiết diện này theo phépchiếu tròn, tức là : Mỗi điểm của mép cánh được quay xung quanh trục bánh côngtác cho tới khi gặp mặt phẳng chiếu này

Mặt cắt kinh tuyến được xây dựng trên các thông số hình học và thông số làmviệc của bơm gồm:

Đường kính vào bơm : D 0 = 180 mm

Đường kính và chiều rộng bánh công tác ở lối vào:

D 1 = 180 mm ; b 1 = 36 mm

Đường kính và chiều rộng bánh công tác ở lối ra:

D 2 = 420 mm ; b 2 = 19 mm Lưu lượng tính toán: Q lt = 0,058 m 3 /s

Vận tốc kinh tuyến của dòng chảy ở cửa vào và cửa ra :

= 2,865 m/s ; = 2,292 m/s

Thực tế yêu cầu biên dạng kinh tuyến của bơm cần được tính toán sao cho đảmbảo yêu cầu lưu thông lưu lượng cần thiết mà không bị tách thành Để đảm bảođược điều kiện này, cần thiết duy trì quy luật biến đổi đều của vận tốc kinh tuyến Chiều rộng tiết diện kinh tuyến thỏa mãn phương trình liên tục:

b i =

Trong đó, r i là bán kính tương ứng với chiều rộng b i và vận tốc tương đối Vận tốc tương đối được chọn theo quy luật biến đổi từ mép vào đến mép ra theoquy luật chọn là đường cong lõm xuống Ta xây dựng được đồ thị biến thiên vận tốckinh tuyến = f(R) thể hiện trên hình 2.6 Chiều rộng bánh công tác tại các điểm tương ứng được cho trong bảng 2.1 :

Hình 2.6 : Đồ thị biến thiên vận tốc kinh tuyến

Tiết diện Bán kính ri Chiều rộng bi Vận tốc kt v’mi

Bảng 2.1 : Giá trị vận tốc kinh tuyến theo bán kính

Từ các kết quả tính toán trên ta tiến hành xây dựng mặt cắt kinh tuyến của bơm

Đối với bơm đang thiết kế có n s = 58,095 bánh công tác có dạng trụ, do vậy đườngtrung bình của máng dẫn lấy gần với hướng kính

Tại các điểm bán kính r i ta vẽ các vòngtròn có đường kính b i, sau đó vẽ đường

2.2.5 Tính toán xây dựng biên dạng cánh bánh công tác

Bơm thiết kế có n s = 58,095, do vậy cánh bánh công tác có dạng trụ Tiết diện

cánh dạng trụ của bánh công tác được xây dựng trong mặt cắt ngang cho một đườngdòng với chiều dày được xây dựng trong mặt cắt ngang cho một đường dòng vớichiều dày δ của cánh Để xây dựng tiết diện cánh trước tiên ta xây dựng đường nhân(đường trung bình) của tiết diện, sau đó đắp độ dày trên đường nhân ta sẽ nhậnđược hình dạng profil của tiết diện

Đối với bơm ly tâm cánh trụ, đường trung bình thường được xây dựng theophương pháp tích phân hình học (phương pháp điểm) Sơ đồ xây dựng tiết diện

ngang của bánh công tác được trình bày trong hình 2.8

Hình 2.8 Sơ đồ xây dựng tiết diện ngang bánh công tác

Đối với bánh công tác cánh trụ, tiết diện cánh ở hình chiếu bằng có thể coi như tiếtdiện thực của cánh Khi đó phương trình vi phân đường trung bình của tiết diện códạng:

Suy ra:

Nếu tích phân phương trình này nằm trong phạm vi từ R1 đến R2 ta nhận được gócbao toàn phần của cánh trong mặt phẳng chiếu bằng Theo công thức (5.18)[1]:

Để xác định góc β trong hàm dưới dấu tích phân, ta xét biểu thức tính hệ số chèn

Chiều dày profil thường có giá trị δ = 5 ÷ 10mm

Tích phân được thực hiện bằng phương pháp số gần đúng và được cho dướidạng bảng Để thực hiện tích phân trên ta cần cho quan hệ biến đổi của các đại

lượng δ, và W theo bán kính r từ R 1 đến R 2 Tương ứng với mỗi điểm i (~r i) ta