giới thiệu cơ sở lý thuyết về máy cánh dẫn và bơm ly tâm

Đồ án môn học Lời nói đầu Những thiết bị nâng nớc phục vụ cho nhu cầu tới Cách lâu xuất thiết bị thô sơ nh bánh xe nớc có gầu kỷ thứ hai trớc công nguyên ngời ta hình dung bơm piston có hai ngành Đi theo thời gian phát triển xã hội, có phát triển khoa học kỹ thuật nhu cầu sống ngời Từ bơm xuất lần đợc cải tiến phát triển, nhiều loại bơm đợc phát minh Các loại máy vận chuyển chất lỏng (bơm) cần sống ngời Đợc phục vụ nhiều lĩnh vực nh nâng cao điều kiện sống, nông nghiệp, thuỷ lợi, công nghiệp, xây dựng Với nhu cầu đợc quan tâm nhiều nhà khoa học kỹ thuật để thích nghi phù hợp với nhu cầu xã hội Gần với sống ngời loại bơm phục vụ cho việc cấp nớc tiêu dùng, đa nớc lên nhà cao ốc, nhu cầu thiếu ngời Các máy vận chuyển nớc là: bơm ly tâm, bơm hớng trục, bơm piston, bơm hớng chéo, bơm tâm trục Bơm li tâm bơm đợc sử dụng rộng rãi sống, gần nh xuất hầu hết gia đình để phục vụ sống, loại bơm công suất nhỏ Trong nhà máy cấp nớc việc cần bơm tạo lu lợng lớn cột áp cao đợc đáp ứng bơm chìm Hiện việc sử dụng bơm li tâm ngày rộng rãi u điểm so với cac loại bơm cánh dẫn khac no không đòi hỏi công trình trạm phức tạp đồ án ta giới thiệu sở lý thuyết máy cánh dẫn bơm ly tâm (phần I ) Bởi việc thiết kế bơm chìm kiểu ly tâm thực chất tiến hành thiết kế bơm ly tâm nhng phần kết cấu lam kín phức tạp mà thôi.Tiến hành tính toán thiết kế bơm chìm kiểu ly tâm, giải đợc lu lợng lớn nhng kết tổng thể không lớn công trình nhà trạm không phức tạp nh loại bơm khác Vì đồ án môn học, hạn chế thời gian nên đồ án nhiều thiếu sót cha sâu nghiên cứu để nâng cao hiệu suất bơm Mong đóng góp quí báu thầy cô bạn bè để em bớc nâng cao kiến thức máy cánh dẫn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bùi Quốc Thái tận tình bảo giúp đỡ em trình hoàn thành đồ án Ngày 8/12/2002 Sinh viên :Đặng Trung Kiên Lớp Máy Thuỷ Khí K43 Đồ án môn học Khái niệm chung máy bơm I Định nghĩa: Bơm loại máy dùng để vận chuyển cung cấp lợng cho dòng chảy chất lỏng Bơm làm nhiệm vụ biến đổi động thành năng, động nhiệt dòng chất lỏng Kỹ s A.A.Xablukôv (1783- 1857 ) ngời Nga năm 1838 sử dụng máy quạt ly tâm ông phát minh năm 1832 để làm máy bơm ly tâm II Chức : Bơm đợc sử dụng rộng rãi Ngoài việc cấp nớc dân dụng kỹ nghệ, bơm đợc dùng để tới, tiêu, tích lợng nớc, cấp nớc giao thông Bơm trạm nhiệt điện, tiêu thuỷ, công nghệ hoá chất, dầu khí, nhiều lĩnh vực công nghiệp khác III Cơ sở lý thuyết bơm quạt cánh dẫn Nguyên lý tác dụng bơm cánh dẫn Nguyên lý tác dụng bơm, quạt cánh dẫn tác dụng lực tơng hỗ cánh dẫn với dòng chất lỏng chảy bao cánh Khi bánh công tác quay cánh dẫn tác động lên dòng chảy truyền cho dòng chảy Các lý thuyết bơm cánh dẫn 2.1 Lý thuyết dòng xoáy ( Giucôpski) - Cho khả tính toán toàn học lực nâng tác dụng lên profin cánh - Giả sử có profin dạng khí động lực học đất dòng chất lỏng phẳng không gian không giới hạn ta hình dung dòng chảy bao profin gồm hai dòng: + Dòng chất lỏng lý tởng chảy bao profin với vận tốc vô + Dòng xoáy tuý với lu số vận tốc tổng lu số xoáy tạo thành vòng Dựa vào phơng trình Béc nu li dòng chất lỏng ta xác định lực nâng phơng trình Jucôpski : P = * V * L * Trong đó: Lớp Máy Thuỷ Khí K43 Đồ án môn học : Khối lợng riêng chất lỏng L : Chiều dài cánh V : Vận tốc dòng không bị nhiễu : Lu số vận tốc bao quanh profin 2.2 Lý thuyết dòng tia (Euler) : Sử dụng bơm ly tâm - Dòng chất lỏng chảy qua rãnh cong bánh công tác có chuyển động phức tạp, đợc xem nh tập hợp dòng nguyên tố nh nhau, quỹ đạo dòng nguyên tố trùng khít với biên dạng cánh dẫn - Điều kiện để có dòng chảy theo thuyết dòng tia + Số cánh dẫn nhiều vô chiều dày mỏng vô + Chất lỏng làm việc chất lỏng lý tởng Mỗi phân tử chất lỏng chuyển động qua máng dẫn bánh công tác tham gia đồng thời hai chuyển động: Chuyển động theo Chuyển động tơng đối Phơng trình máy cánh dẫn: - Phơng trình máy cánh dẫn đợc xây dựng sở lý thuyết dòng tia - Để lập phơng trình ta áp dụng định luật biến thiên momen động lợng khối chất lỏng chuyển động qua máng dẫn bánh công tác * dq = dm - Phơng trình euler: Hu = U * C 2u U * C1u g Phơng trình gọi phơng trình máy cánh dẫn thiết lập quan hệ lợng cung cấp cho dòng chất lỏng vận tốc dòng chất lỏng vận chuyển qua bánh công tác - Trờng hợp có lợi cho cột áp bánh công tác C1v= ( d1= 900 ), ta có phơng trình: Hu = U * C 2u g - Viết lại phơng trình (*) Lớp Máy Thuỷ Khí K43 Đồ án môn học 2 U U 12 W12 W22 C C12 Hu = + + 2g 2g 2g = Hut + Hud Trong : Hu = Hud = U U 12 W12 W22 + 2g 2g C C12 2g Số vòng quay đặc trng: Số vòng quay đặc trng số vòng quay bánh công tác bơm mẫu đồng dạng Trong chế độ làm việc tơng tự có hiệu suất thuỷ lực hiệu suất thể tích nh bơm thực, đồng thời tạo đợc cột áp Hm= 1m, có công suất hữu ích Nhi= 1m.1 vận chuyển chất lỏng có trọng lợng riêng m = 1000kg / m H s H m = 1m N S N M = 1m.1 S M = 1000 KG / m QS = 0,015m / s nS = n * Q 0,075H = 3,65 * n * Q H IV Bơm ly tâm: Bơm ly tâm loại bơm đợc sử dụng thông dụng để vận chuyển chất lỏng Bơm ly tâm có hiệu suất tơng đối cao, bơm ly tâm cỡ lớn có hiệu suất đạt tới = 78 ữ 92% Bơm có kết cấu đơn giản, chắn vận hành thuận tiện Và có tiêu kinh tế cao ( giá thành thấp) Phân loại: + Theo cột áp : - Bơm cột áp thấp : H< 20 m - Bơm cột áp thấp trung bình : H = 20 ữ 62 m - Bơm cột áp cao : H > 60 m Lớp Máy Thuỷ Khí K43 Đồ án môn học + Theo số bánh công tác lắp trục - Bơm cấp - Bơm nhiều cấp + Theo số dòng chảy vào bơm - Bơm miệng hút - Bơm miệng hút + Theo bố trí trục: - Bơm trục ngang - Bơm trục đứng - Bơm trục xiên + Theo dạng chất lỏng vận chuyển: - Nớc - Hoà chất - Bùn Tính toán thiết kế bơm li Tâm Nội dung: Thiết kế bơm ly tâm : N = 3,12 (KW) H = 30( m) Q = 30 (m3/h) = 0,833.10-3 ( m3/s) 2.1 Xác định thông số bơm 2.1.1 Xác định số vòng quay bơm : n = 2950 ( vg/ph) Ta chọn số vòng quay đặc trng bơm: nS = 3,65 * n * Q H = 3,65 * 2950 * 0,833.10 30 = 76,68 (vg/ph); 2.1.2 Xác định hiệu suất: Đờng kính tính đổi mép vào bánh công tác: Lớp Máy Thuỷ Khí K43 Đồ án môn học D1td = (4 ữ 4,5) *10 * Q 0,833 = 4,3 *10 * n 2950 = 63,685 (mm) Hiệu suất thuỷ lực tính toán: ntl = 0,42 0,42 = =0,85 (lg D1+d 0,172) (lg 63,785 0,172) Hiệu suất thể tích ( tính sơ bộ): Q = 1 + 0,68 * n S = + 0,68 * 76,68 = 0,964 Ta có : N= *Q * H 102 * chọn sơ hiệu suất khí c =0,96 N= 1000 * 0,833 * 30 = 3,12( Kw) 102 * 0,7866 Do có: = tl * Q * CK = 0,85.0,964.0,96 = 0,7866 2.1.3 Chọn động điện: Công suất động cơ: Nđc = k * N Hệ số dự trữ công suất : k = 1,1 Nđc= 1,1 * 3,12 = 3,432 ( KW) Theo sổ tay chọn động điện: K132S2 có : N = 4( KW) n = 2950 vg/ph 2.2 Xác định thông số bánh công tác: 2.2.1 Xác định đờng trục bầu: Lớp Máy Thuỷ Khí K43 Đồ án môn học Chọn thép làm trục thép 45 có : [ ] = 20 Mpa Do đó, đờng kính trục bánh công tác : d tr = 150.3 N 3,12 =3 = 15,28( mm ) = 16 2950 2950 Đờng kính bầu sơ : db = ( 1,2 ữ1,25) dtr chọn db = 1,25 d0 = 1,25 *16 = 20 (mm) 2.2.2 Xác định kích thớc mép vào bánh công tác : Lu lợng tính toán bánh công tác Q lớn lu lợng Q lợng tổn thất thể tích Do đó: Q' = Q Q = 8,33.10 = 8,644m / s 0,964 Đờng kính mép vào bánh công tác: D0 = D lqd + d b2 = 0,06364 + 0,075 = 0,0658m = 66( mm ) Cuối cùng: V0 = 4Q ' * 8,64.10 = = 2,543m / s * ( D0 d b2 ) 3,14 * (0,066 0,02 ) D0 66 = = 33mm 2 Vm1= V0 = 2,543 m/s Chọn : r1 = b1 = Q' 0,339 = = 0,0158(m) ' H * r1 * Vm1 * 3,14 * 0,033 * 2,543 Chọn sơ hệ số co hẹp tiết diện : k1=1,12 Vm1= K1*Vm1=1,12*2,543=2,85 (m/s) U = * r1 = tg1,0 = *n 3,14 * 2950 * r1 = * 0,033 = 10,16(m / s) 30 30 VM 2,85 = = 0,28051 U 10,16 Lớp Máy Thuỷ Khí K43 Đồ án môn học 1,0 = 15,67o Lấy 1,0 = 230, ta có góc tới : = - 1,0 = 23 15,67 = 7,330 2.2.3 Xác định kích thớc khỏi bánh công tác Tơng tự nh lu lợng cột áp tính toán bánh công tác H1 = H 30 = = 35,3(m) tl 0,85 vu2 0,5 trờng hợp gần thứ Giả thiết: Ta có: U2 = r2 = * H1 Vu 9,81 * 35,3 = 26,315(m / s ) 0,5 = U 26,315 = = 0,085225m 308,76 Lờy Vm2= Vm1 = 2,543(m/s) Chọn K2= 1,07 =1,1 Ta có sin = sin * ' K Vm * * ' K1 Vm1 = 0,3953 * 1,1 * 1,07 *1 = 0,4106 1,1 = 24,240 Số cánh bánh công tác Z = 6,5 * r2 + r1 85,22 + 33 23 + 24,24 + * sin * sin = 6,5 * r2 r1 85,22 33 (cánh) lấy z = cánh Ta có: = (0,55ữ0,65) + 0,6 sin = (0,55ữ0,65) + 0,6 sin 24,240 = (0,81ữ0,91) Lớp Máy Thuỷ Khí K43 Đồ án môn học Chọn = 0,80 P= * z r r 2 = * 0,85 * 66 85,22 = 0,66063 H=(1+p)*H1=(1+0,385)*35,3=58,6(m) Vm2 = K2*Vm2 = 1,1*4,40 = 4,84 (m/s) lần gần thứ hai: V V U = m2 + m2 2tg 2tg 2 + 9H = r2* = 2,72 2,72 + * tg 24,24 + 9,81 * 58,6 = 27,188(m / s ) * tg 24,24 U2 27,88 = = 0,088m 308,766 D*2= 2*r*2 = * 0,088 = 0,176 (m) = 176 mm Sai số tơng đối đờng kính bánh công tác D2 = * D2 D2 88 85,2 *100% = = 3,2% D2 85,2 D2< 5% Sai số đờng kính D2 nhỏ hơn, ta bỏ qua không cần tính lại Các thông số kết cấu lối vào lối bơm: D1 = 66 mm b1= 16,5 mm D2 = 176 mm b2 = 6,15 mm dtr = 16 mm db = 20 mm = 230 = 24,2410 D0 = 66 mm z = cánh 2.3 Xây dựng mặt cắt kinh tuyến bánh công tác: Để xây dựng mặt cắt kinh tuyến bánh công tác ta cần xác định chiều rộng bi bánh công tác ứng với bán kính Ri tiết diện Chiều rộng bi bánh công tác xác định Lớp Máy Thuỷ Khí K43 Đồ án môn học bi = Qlt * Di * Vmi Trong : Qlt: lu lợng lý thuyết bơm Vmi : vận tốc dòng chảy tiết diện kinh tuyến, biến thiên theo quy luật tuyến tính từ vận tốc Vm1 lối vào vận tốc Vm2 lối 2.3.1 Xây dựng đờng dòng đẳng tốc buồng dẫn dòng bơm ly tâm: 2.3.3.1 Chia đờng dòng cửa vào cửa buồng dẫn dòng: a) cửa vào buồng dẫn dòng: Chia thành dòng thành phần giới hạn mặt dòng a-a, b-b, c-c, d-d, e-e Đờng dòng: a-a : Ra Đờng dòng : b-b : Rb Đờng dòng: c-c : Rc Đờng dòng: d-d : Rd Đờng dòng: e-e : Re b) cửa buồng dẫn dòng: Toạ độ điểm đờng dòng : R = 88 mm 2.3.3.2 Vẽ sơ bộ: 2.3.3.3 Tính toán hiệu chỉnh đờng dòng đẳng tốc tính vận tốc tiết diện kinh tuyến đờng dòng: Việc tính toán hiệu chỉnh đờng dòng đẳng xuất phát từ phơng trình tích phân xác định lu lợng chất lỏng qua tiết diện vuông góc với đờng dòng: n n l l Qi = Vmi * * Ri * i = * Vmi * Ri * i i : khoảng cách đờng dòng gần đờng đẳng tốc n Tích phân Ri * i đợc xác định phơng pháp số Dựa theo gia số i ta e hiệu chỉnh đợc vị trí đờng dòng cho tỉ số : i/i < (3ữ5) % Vận tốc kinh tuyến Vmi đợc xác định theo lu lợng Qtl tổng tích số : Ri*i Lớp Máy Thuỷ Khí K43 10 Đồ án môn học Vmi = Qlt n * Ri * i l Sơ đồ đờng dòng buồng dẫn dòng biểu đồ phân bố vận tốc nh hình vẽ Tính toán hiệu chỉnh đờng dòng đẳng tốc buồng dẫn dòng bơm ly tâm cho phụ lục 2.3.3.4 Xác định góc góc dòng chảy tiết diện cánh ứng với đờng dòng.(đợc tính toán bảng 6và 7) 2.3.3.5 Xây dựng biên dạng BCT: ta sử dụng phơng pháp biến hình bảo giác dựa sở góc vào đờng dòng đợc xác định từ trớc góc ôm đợc chọn sẵn ứng với tiết diện Góc ôm tiết diện cạnh mặt dòng Tiết diện a-a b-b c-c 0 80 80 800 Góc ôm d-d 800 80 e-e Trình tự xây dựng lới biến hình bảo giác mặt trụ đợc trải mặt phẳng Trên lới trụ xây dựng đờng nhận profin đắp độ dày cho profin Độ dày profin cánh đợc chọn thay đổi từ ữ mm cho tiết diện Sau phép biến hình bảo giác ngợc ta xác định đợc mặt trớc mặt sau cánh hình chiếu đứng chiếu Dựa vào vẽ cung ta xây dựng đợc vẽ chế tạo cánh bánh công tác Lớp Máy Thuỷ Khí K43 11 Đồ án môn học 2.4 Tính toán thiết kế phần dẫn dòng bơm 2.4.1 Tính toán thiết kế buồng xoắn: Buồng xoắn đợc tính toán thiết kế cho mô men vận tốc vòng dòng chất lỏng chuyển động buồng xoắn có giá trị số: R*VU = const Với qui luật đảm bảo điều kiện biến phần động thành buồng xoắn, nhng quan trọng điều kiện đối xứng qua trục dòng chảy Buồng xoắn đợc thiết kế có tiết diện hình thang, góc loe tiết diện không đổi Để thiết kế trớc tiên ta tính chọn đờng kính D3 chiều rộng b3 thành buồng xoắn 2.4.2 Đờng kính vào D3 buồng xoắn: Với mục đích giảm kích thớc chiều rộng bơm, đờng kính D3 đợc chọn bằng: D3 = ( 1,03ữ 1,05 ) D2 Ta chọn D3=184mm 2.4.1.2 Chiều rộng buồng xoắn lối vào b3 b3 = b2 + 0,05 D2 = 59 + 0,05*176 = 15( mm) Để giảm kích thớc chiều rộng bơm chọn chiều rộng b3 = (1,5ữ1,7) b2 2.4.2 Góc nghiêng thành buồng xoắn: Thông thờng góc nghiêng thành buồng xoắn phía lấy 10 ữ 130 Tuy nhiên để giảm kích thớc theo chiều rộng bơm lấy tăng thông thờng Lấy góc nghiêng với độ nghiêng 0,4, nh ta có góc nghiêng 21,80 2.4.3 Tính tiết diện buồng xoắn: Với: X gH 9,81 * 35,3 = = = 1,12m / s 308,76 Ta lập bảng để tìm tiết diện buồng xoắn ( phụ lục 2) Lớp Máy Thuỷ Khí K43 12 Đồ án môn học Tính buồng xoắn từ bán kính r chiều rộng b3 tăng dần bán kính lên với khoảng ri =0,01 ta đợc ri, bi ứng với tiết diện tăng lên lu lợng Qi Ta tăng ri Qi> = 0,333 (m3/s) Lu lợng tiết diện tăng lên khoảng ri đợc xác định theo công thức sau: Qi = Bi = Với Bi +1 = k3 = Bi + Bi +1 * ri * k bi ri bi +1 ri + X Hình chiếu buồng xoắn: Chia tổng lu lợng Q thành phần Q = 8,333.10 = 1,0416.10 (m / s ) bán kính tám điểm đợc chia góc = 3600 ta đợc ri ( vào đồ thị Q-R) Ta có bảng: Stt r b B= b r Bi + Bi +1 Q = i Bi + Bi +1 r Qi = Q 92 15 0,163 97 15 0,155 0,159 0,00089 0,00089 104 19 0,182 0,169 0,000946 0,001836 Lớp Máy Thuỷ Khí K43 13 Đồ án môn học 109 23 0,211 0,197 0,0011 0,002936 114 27 0,237 0,224 0,00125 0,004186 119 31 0,261 0,249 0,00139 0,005576 124 35 0,282 0,272 0,00152 0,007096 129 39 0,302 0,292 0,00164 0,008763 2.4.3 Tính ống loe: Từ mặt cắt có tiết diện hình thang dẫn qua ống loe biến đổi dần tiết diện hình thang thành hình tròn Có góc loe = 90 để biến phần động thành áp Đờng kính ống loe: Dol = Với: 4Q * Vra Vra = 0,194 * gH = 0,194 * * 9,81 * 35,3 = 5,1m / s Dol = * 8,333.10 = 0,0456(m) 3,14 * 5,1 Lớp Máy Thuỷ Khí K43 14 Đồ án môn học Mục Lục Lời Nói đầu Khái Niệm chung máy bơm Tính toán thiết kế bơm li tâm 2.1 Xác định thông số bơm 2.2 Xác định thông số bánh công tác 2.3 Xây dựng mặt cắt kinh tuyến bánh công tác 2.4 Tính toán thiết kế phần dẫn dòng bơm Các bảng tính toán Lớp Máy Thuỷ Khí K43 15 6 10 13 18