Đồ án Thiết kế máy thủy luân ( kèm bản vẽ)

Cấu tạo của máy thủy luân được chia ra làm hai bộ phận chính là máy bơm và tuốc bin với nhiệm vụ cũng được phân ra làm hai nhiệm vụ: tuốc bin có nhiệm vụ biến đổi năng lượng của dòng nướ

MỤC LỤC

1 MỤC ĐÍCH Ý NGHĨA KINH TẾ KỸ THUẬT 4

2 SƠ LƯỢC VỀ BƠM VÀ TUỐC BIN 5

2.1 Sơ lược về bơm(Thành) 5

2.1.1 Khái niệm chung 5

2.1.2 Phân loại và chọn bơm 5

2.1.3.Tổng quan về bơm ly tâm 7

2.2 Sơ lược về tuốc bin(Lanh) 9

2.2.1 Sơ lược về tình hình phát triển tuốc bin nước 9

2.2.2 Phân loại và chọn tuốc bin cần thiết kế 10

3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TUỐC BIN(Lanh) 12

3.1 Tổng quan về tuốc bin hướng trục 12

3.1.1 Bánh công tác của tuốc bin 12

3.1.2 Buồng tuốc bin 12

3.1.3 Trục tuốc bin 12

3.1.4 Ống hút 13

3.1.5 Bộ phận hướng dòng 13

3.2 Phương trình sử dụng trong tuốc bin hướng trục 13

3.3 Các đường đặc tính của tuốc bin hướng trục 14

3.3.1 Đường đặc tính tổng hợp chính 14

3.3.2 Đường đặc tính tổng hợp vận hành 15

3.4 Các thông số cơ bản của tuốc bin hướng trục 16

3.4.1 Các thông số quy dẫn 16

3.4.2 Chiều cao hút 19

3.5 Tính toán và thiết kế tuốc bin hướng trục 20

3.5.1 Tính sơ bộ đường kính trục 20

3.5.2 Tính toán và thiết kế BCT 20

3.5.3 Tính toán và chọn hình dạng prôfin cánh 21

3.6 Tính toán chọn biên dạng cánh 29

3.6.1 Kích thước đường dòng 29

3.6.2 Vận tốc vòng 30

3.6.3 Tính thành phần vòng của vận tốc tuyệt đối c1 tại cửa vào của các đường dòng 30

3.6.4 Tính góc β 30

3.6.5 Tính góc vào β1 của các dòng chảy tại các đường dòng 31

3.6.6 Tính góc ra của dòng chảy β2 tại các đường dòng 31

3.6.7 Tính vận tốc tương đối w 31

3.6.8 Bước lưới và chiều dài của cánh 32

3.6.9 Lưới prôfin cánh, hình dạng prôfin 32

3.6.10 Xác định hệ số lực nâng Cy 33

3.6.11 Hệ số lực cản Cx 34

3.6.12 Xác định góc δ 35

3.6.13 Xác định lại góc nâng λ 35

3.6.14 Tính lại góc đặc cánh βz 36

3.7 Tính toán mômen tác dụng lên bánh công tác 36

3.8 Tính toán và thiết kế bộ phận hướng dòng vào 38

3.8.1 Tính toán và thiết kế buồng xoắn 38

3.8.2 Chọn ống hút 40

4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BƠM(Thành) 41

4.1 Lý thuyết tính toán bánh công tác 41

4.1.1 Đồ vận tốc 41

4.1.2 Ảnh hưởng của các thông số hình học cơ bản đến đặc tính kỹ thuật của bơm 43

4.1.3 Đường đặc tính của bơm 46

4.1.4 Đường đặc tính lí thuyết 47

4.1.5 Các tổn thất xuất hiện khi không có điều kiện lí tưởng 48

4.1.6 Đường đặc tính thật của bơm (H – Q) 48

4.2 Tính toán bánh công tác 48

4.2.1 Công suất, hiệu suất và số vòng quay đặc trưng của bơm ly tâm 48

4.2.2 Xác định đường kính trục và bầu 50

4.3 Xác định kích thước mép vào bánh công tác 51

4.3.1 Xác định đường kính mép vào bánh công tác Do 51

4.3.2 Xác định bán kính trung bình mép vào bánh công tác R1 52

4.3.3 Xác định chiều rộng mép vào bánh công tác b1 52

4.3.4 Xác định góc vào bánh công tác β1 52

4.4 Xác định kích thước ra khỏi bánh công tác 53

4.4.1 Các kích thước cơ bản ở mép ra bánh công tác trong trường hợp gần đúng thứ nhất 53

4.4.2 Các kích thước cơ bản ở mép ra bánh công tác trong trường hợp gần đúng thứ hai 55

4.5 Dựng đồ vận tốc 57

4.5.1 Đồ vận tốc khi dòng chảy vào bánh công tác 57

4.5.2 Đồ vận tốc khi dòng chảy ra khỏi bánh công tác 57

4.6 Thiết kế hình dạng rãnh bánh xe ở tiết diện kinh tuyến 59

4.7 Thiết kế hình dạng cánh 60

5 TÍNH TOÁN PHẦN DẪN DÒNG CỦA BƠM(Thành) 66

5.1 Các bộ phận phần dẫn dòng của vỏ 66

5.1.1 Yêu cầu rãnh thoát dòng 66

5.1.2 Chọn rãnh thoát dòng 66

5.2 Thiết kế ống tháo kiểu xoắn 67

5.2.1 Cơ sở lý thuyết 67

5.3 Hiện tượng khí thực và chiều cao hút cho phép 76

5.3.1 Hiện tượng khí thực, cách khắc phục 76

5.3.2 Chiều cao hút cho phép 77

6 THIẾT KẾ TRỤC 79

6.1 Tính các lực tác dụng lên trục tuốc bin – bơm 79

6.1.1 Xác định lực dọc trục tác dụng lên bánh công tác của tuốc bin 79

6.1.2 Tính lực vòng do mômen xoắn gây ra 80

6.1.3 Xác định lực hướng trục của bơm 80

6.1.4 Trọng lượng của các bánh công tác 84

6.1.5 Trọng lượng trục 87

6.2 Kiểm tra bền trục0 88

6.3 Tính và chọn then 91

7 THIẾT KẾ Ổ 92

7.1 Công dụng ổ đỡ chặn 92

7.2 Bôi trơn và ma sát của ổ 92

7.3 Chọn vật liệu lót ổ 92

7.4 Tính và chọn ổ 93

8 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI VẬN HÀNH MÁY THỦY LUÂN 97

8.1 Lắp đặt máy thủy luân 97

8.2 Chạy thử máy 98

8.2.1 Chuẩn bị trước khi chạy thử 98

8.2.2 Chạy thử 99

8.3 Vận hành máy 99

8.3.1.Vận hành bình thường 99

8.3.2 Vận hành khi có sự cố 100

9 MỘT SỐ SỰ CỐ THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH KHẮC PHỤC 100

9.1 Nước không lên khi khởi động máy bắt đầu hoạt động 100

9.2 Lưu lượng bơm giảm mạnh 101

9.3 Cột nước giảm mạnh 101

9.4 Máy bị rung động mạnh 102

9.5 Bơm ra ít nước ở ống đẩy 102

10 BẢO DƯỠNG 102

10.1 Bảo dưỡng thường kỳ 102

10.2 Thay thế phụ tùng mòn hỏng 103

10.3 Đại tu toàn bộ máy 103

11 KẾT LUẬN 104

1 MỤC ĐÍCH Ý NGHĨA KINH TẾ KỸ THUẬT

Nền kinh tế nước ta chủ yếu là nông nghiệp, vì thế nhu cầu nước cho cáccánh đồng vào các vụ mùa là điều tất yếu Với nền công nghiệp phát triển như ngàynay thì việc bơm nước bằng các động cơ điện là thường xuyên Đặc biệt ở các vùngcao nơi có các nguồn nước với lưu lượng lớn nhưng cột áp thấp mà điện lưới chưakéo đến thì lúc này ta có thể lợi dụng các nguồn thủy năng này để có thể bơm nướcvào các cánh đồng

Máy thủy luân là một thiết bị có thể tận dụng được nguồn thủy năng nàythành dòng với lưu lượng thấp nhưng cột áp cao để có thể bơm nước lên các đậpvào các cánh đồng

Cấu tạo của máy thủy luân được chia ra làm hai bộ phận chính là máy bơm

và tuốc bin với nhiệm vụ cũng được phân ra làm hai nhiệm vụ: tuốc bin có nhiệm

vụ biến đổi năng lượng của dòng nước thành cơ năng trên trục quay kéo bơm đểbơm nước

Mục đích của đề tài này là thiết kế máy thủy luân nhằm tính toán thiết kế các

bộ phận chính của máy dựa trên các thông số:

Thông số của tuốc bin: Q = 2 ÷ 3 m3/s; H = 2m

Thông số của bơm: Q = 1 m3/s; H = 5 m

2 SƠ LƯỢC VỀ BƠM VÀ TUỐC BIN

2.1 Sơ lược về bơm

2.1.1 Khái niệm chung

Bơm là máy dùng để di chuyển chất lỏng và tăng năng lượng của dòng chấtlỏng Khi bơm làm việc, năng lượng bơm nhận được từ động cơ sẽ chuyển hóathành thế năng

Bơm được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

Trong nông nghiệp: bơm là thiết bị không thể thiếu để thực hiện thủy lợihóa, chăn nuôi, trồng trọt…

Trong công nghiệp: bơm được sử dụng trong các công trình khai thác mỏ,dầu khí, các công trình xây dựng…

Hiện nay trong kỷ thuật vận chuyển, phát triển xu hướng dùng bơm và đườngống dẫn để vận chuyển các sản phẩm của ngành khai thác mỏ (dầu khí), hóa chất,nguyên vật liệu xây dựng…và đó là phương tiện vận chuyển thuận tiện và kinh tế Trong ngành chế tạo máy, bơm được sử dụng phổ biến, là một trong những bộphận chủ yếu của hệ thống điều khiển và truyền động trong nhiều loại máy móc.2.1.2 Phân loại và chọn bơm

a) Phân loại:

Theo nguyên lý làm việc, bơm đươc chia thành ba loại chủ yếu:

- Bơm cánh dẫn: bơm ly tâm, hướng trục, bơm hướng chéo

- Bơm thể tích: bơm pit tông, bơm rôto và píttông roto

- Ngoài ra còn có những bơm đặc biệt không thuộc hai loại trên như bơmnước va, bơm phun tia v.v…

Theo công dụng, bơm còn được phân loại thành:

- Bơm cấp nước nồi hơi (trong nhà máy nhiệt điện)

- Bơm dầu (trong các hệ thống truyền động thủy lực…)

- Bơm nhiên liệu

- Bơm cứu hỏa

- Bơm hóa chất v.v…

Ngoài ra theo phạm vi sử dụng cột áp hoặc lưu lượng sử dụng, người ta cònchia bơm thành các loại: bơm cột áp cao, trung bình, thấp hoạc bơm có lưu lươnglớn trung bình, nhỏ.

Trừ những bơm chuyên dùng trong hệ thống truyền động thủy lực, thôngthường trong kỹ thuật có ba loại bơm được sử dụng rộng rãi: bơm ly tâm, bơmhướng trục và bơm pit tông

Trên hình 2.1 là biểu đồ phân bố phạm vi sử dụng của các loại bơm

Hình 2-1 Phạm vi sử dụng của các loại bơm

100001000

10010

Số vòng quay: 730 ÷ 6000v/ph.

Kết cấu nhỏ gọn, chắc chắn, làm việc tin cậy

Hiệu suất  của bơm tương đối cao:  = 0,65 ÷ 0,90

Chỉ tiêu kinh tế tốt (giá thành tương đối rẽ)

Từ những ưu điểm trên so với các loại bơm khác nên ta chọn bơm ta thiết kế máythủy luân là bơm ly tâm

2.1.3.Tổng quan về bơm ly tâm

2.1.3.1 Khái niệm:

- Bơm ly tâm thuộc loại bơm cánh dẫn và được dùng phổ biến nhất trong cácloại bơm Bơm làm việc theo nguyên tắc ly tâm có sự dẫn hướng của cánh dẫn đểđưa chất lỏng chuyển động qua bánh công tác (BCT) từ tâm ra ngoài

- Bơm ly tâm trong máy thủy luân ta thiết kế là loại bơm ly tâm một cấp mộtcửa vào

2.1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm ly tâm:

Ø110 H7 f7 Ø140 H7 k6 Ø240 H7

Ø135 H8 h9

1 2 3 4 5

8

Hình 2.2 Sơ đồ kết cấu bơm ly tâm

1.Bộ phận hướng dòng; 2.BCT của bơm;3.Trục bơm;

4.Vòng làm kín; 5.Ổ bi đỡ chặn; 6.Đai ốc hãm; 7.Đệm; 8.Bộ phận dẫn dòng ra Nguyên lý làm việc:

Bơm muốn làm việc được cần mồi cho thân bơm trong đó có BCT và ống hútđược điền đầy chất lỏng

Bơm làm việc theo nguyên lý cánh dẫn: Khi BCT quay làm cho chất lỏngtrong rãnh cánh quay theo, lực ly tâm làm cho chất lỏng chuyển động và dồn từtrong ra ngoài theo các máng dẫn, đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn Do cấu tạo

của rãnh cánh của BCT hướng chất lỏng thành dòng đưa chất lỏng từ tâm vàobuồng xoắn nhờ đó làm giảm áp suất (hoặc tạo độ chân không) ở đầu vào BCT dothiếu chất lỏng và làm tăng áp suất (hoặc tạo áp suất dư) ở đầu ra BCT Do quá trình

đó diễn ra liên tục nên chất lỏng từ bể hút luôn luôn chuyển động vào BCT theo ốnghút và ra khỏi BCT vào bể đẩy theo ống đẩy tạo thành dòng liên tục khi bơm hoạtđộng

2.1.3.3 Cấu tạo các bộ phận chính trong bơm ly tâm:

Ống hút: Nó dùng để dẫn chất lỏng từ bể hút vào bơm và được nối với bộ

phận dẫn dòng vào khi lắp bơm vào hệ thống (nếu đường kính ống hút và bộ phậndẫn dòng vào có kính thước khác nhau thì phải thông qua ống nối có dạng côn đểgiảm tổn thất cục bộ)

Bộ phận dẫn dòng vào: Nó có dạng côn thu dần, mục đích để tạo trường vậntốc ổn định khi chất lỏng đi vào rãnh cánh để giảm tổn thất thủy lực

Buồng xoắn (hay bộ phận dẫn dòng ra): Nó có tiết diện thay đổi dần có nhiệm

vụ dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra bộ phận dẫn dòng ra 7 và tạo trường vận tốc ổnđịnh (thường là không đổi) Đôi khi có cánh hướng dòng để giảm tổn thất

Bánh công tác: Nó là bộ phận quan trọng nhất của bơm bao gồm ba phần (đĩatrước, đĩa sau và các cánh dẫn) cố định với nhau tạo thành các rãnh cánh (nó đượcchế tạo bằng phương pháp đúc hoặc hàn)

Phớt làm kín: Nó có nhiệm vụ hạn chế sự rò rỉ chất lỏng và dẫn nhiệt sinh ra

2.2 Sơ lược về tuốc bin

2.2.1 Sơ lược về tình hình phát triển tuốc bin nước

Trong quá trình đấu tranh và cải tạo thế giới tự nhiên, loài người đã sớm biết

sử dụng các động cơ nước Ở Ấn Độ, vào khoảng 1000 năm trước công nguyên đã

có những trạm thủy lực Nhìn chung các động cơ nước bấy giờ chưa phải là các tuốcbin có kết cấu hoàn thiện như ngày nay mà là các bánh xe nước với các dạng: bánh

xe nước tác động dưới (sử dụng động năng dòng nước), bánh xe nước tác động giữa

và trên (lợi dụng thế năng dòng nước)

Các bánh xe nước nói trên ngày nay vẫn còn được sử dụng ở một số nước.Bánh xe nước có cấu tạo đơn giản nhưng vì số vòng quay rất nhỏ (khoảng 4 ÷ 10vg/ph) nên kết cấu rất cồng kềnh, hiệu suất thấp Động cơ nước đầu tiên làm việctheo nguyên lí tác động phản lực của dòng nước do Bekeca người Anh (1745) vàXênhêra người Hunggari (1750) sáng chế Kết cấu loại động cơ này còn rất thô sơnên hiệu suất chỉ đến 30 ÷ 40% Đến năm 1826 một giáo sư Pháp tên là Budena đãtìm ra loại động cơ mới được gọi là tuốc bin Loại động cơ này cũng có đầy đủ các

bộ phận như các bộ phận của tuốc bin phản lực thường dùng hiện nay Nhưng hìnhdạng cánh BCT còn quá thô sơ và hiệu suất thấp nên vẫn chưa được ứng dụng trongthực tế Trên cơ sở tiếp tục cải tiến tuốc bin của mình, khoảng thời gian 1827 –

1834 Budena đã chế tạo loại tuốc bin li tâm có bộ phận hướng nước của tuốc bingồm các cánh hướng nước cố định vòng quay BCT Lưu lượng được điều chỉnh nhờvan hình trụ đặt giữa bộ hướng nước và BCT

Từ đầu thế kỉ 19 các tuốc bin hiện đại có cấu tạo hoàn chỉnh đã thay thế chobánh xe nước và các động cơ nước trên Những tiến bộ trong lĩnh vực nghiên cứu vàchế tạo tuốc bin phát triển rất nhanh, thời kì sau đó các tuốc bin hiện đại được xuấthiện Tuốc bin tâm trục do kĩ sư Francis (người Pháp) chế tạo năm 1830 Cùng vớiviệc nghiên cứu phát minh loại tuốc bin phản lực, năm 1880 Pelton sáng chế ra tuốcbin xung lực Đến năm 1900 bộ phận hướng nước của tuốc bin này được cải tiếnthành vòi phun và van kim giống như tuốc bin gáo ngày nay

Tuốc bin cánh quat xuất hiện năm 1918, đến năm 1919 tuốc bin cánh quay rađời Đồng thời năm 1918 tuốc bin xung lực 2 lần do Banki phát minh Từ giữa thế

kĩ 19 đến nay ngành sản xuất tuốc bin phát triển rất nhanh

2.2.2 Phân loại và chọn tuốc bin cần thiết kế

Tuốc bin thường làm việc ở phạm vi cột nước H = 2 ÷ 2000m ứng với các trị

số lưu lượng khác nhau Để sử dụng một cách hiệu quả năng lượng dòng nước đặctrưng bởi các tổ hợp cột nước và lưu lượng khác nhau cần có đủ các tuốc bin khácnhau về cấu tạo, kích thước cũng như quá trình làm việc của chúng

a) Theo cách sử dụng năng lượng dòng nước:

1 1

2 2T

Phương trình sử dụng năng lượng dòng nước:

g

v v

p p z z

H

2

.

2 2

2 1 1 2 1 2 1

1

p p z

z    : cột áp tĩnh Ht

g

v v

Tuốc bin sử dụng cột áp tĩnh và cột áp động là tuốc bin phản lực Gồm có các loạisau: tuốc bin tâm trục, hướng trục, hướng chéo

b) Theo cột nước

Chia ra làm 2 loại: H = 2 ÷ 400m; H = 200 ÷ 2000m

Trong đó: H = 2 ÷ 70m thường sử dụng tuốc bin hướng trục

H = 10 ÷ 400m sử dụng tuốc bin tâm trục

H = 200 ÷ 2000m sử dụng tuốc bin gáo

c) Theo công suất

3.1 Tổng quan về tuốc bin hướng trục

Tuốc bin hướng trục có hai loại: cánh quạt và cánh quay Hướng chảy vào, raBCT theo phương dọc trục Tuốc bin hướng trục được sử dụng cho cột nước thấp từ

2 ÷ 70m Tuốc bin hướng trục có các bộ chính sau:

Hình 3-1 Cấutạo tuốc bin1-Ống hút, 2-BCT, 3- Bộ phậnhướng dòng,4- Buồng xoắn,5- Cơ cấu điềuchỉnh, 6- Trục

3.1.1 Bánh công tác của tuốc bin:

Gồm 3 ÷ 10 cánh được gắn chặt với bầu BCT có nhiệm vụ trực tiếp nhậnnăng lượng từ dòng chảy và biến nó thành cơ năng làm quay BCT, sau đó làm quaytrục tuốc bin được gắn chặt với nó

Cánh BCT của tuốc bin cánh quạt có 2 kiểu: đúc cùng với bầu và đúc rời gắngvào bầu

3.1.2 Buồng tuốc bin:

Có tác dụng dẫn nước đều đặn vòng quanh bộ phận hướng nước của tuốcbin

4

3.1.5 Bộ phận hướng dòng:

Bộ phận năy có tâc dụng sau:

- Hình thănh hướng dòng chảy nhất định ở trước BCT

- Điều chỉnh lưu lượng đi qua tuốc bin

3.2 Phương trình sử dụng trong tuốc bin hướng trục

- Phương trình cột âp:

Ta có phương trình Ơle cho mây cânh dẫn:

) (

1

2 2 1

1c u u c u

u g

H   (3.1)Thường thì chất lỏng đi ra BCT theo phương bân kính nín c2 u2 (α = 90o)

 c2u = 0

Nín u c u

g

- Lưu lượng tuốc bin thiết kế không thay đổi

3.3 Câc đường đặc tính của tuốc bin hướng trục

Đường đặc tính của tuốc bin biểu thị mối quan hệ câc thông số đặc tính củatuốc bin tức lă biểu thị tổng hợp tính chất lăm việc của tuốc bin gọi lă đường đặctính tổng hợp

(c1,u1,w1,p1)

(c2,u2,w2,p2) (c3,p3)

p - đường đo áp thật

đường đo áp lý thuyết

(c0,p0) 0

Đường đặc tính tổng hợp vận hành.

3.3.1 Đường đặc tính tổng hợp chính

Đường đặc tính tổng hợp chính là đường biểu thị quan hệ giữa các thông sốqui dẫn =f(nI1, QI1) hoặc =f(nI1, NI1), khi đường kính bánh công tác D1 và cộtnước H không đổi Nhưng thông thường các đại lượng n, Q và N được tính đổithành các đại lượng quy dẫn n1

I, Q1

I và N1

I bằng các công thức tương tự Do đóđường đặc tính tổng hợp chính là đường biểu thị quan hệ =f( n1

độ n1

I và Q1

I ngoài các đường đồng hiệu suất η còn có các đường đồng độ mở a0,đồng hệ số khí thực σ, đường đồng góc đặt cách φ, đường đồng hệ số tỷ tốc ns.Đường đồng hiệu suất φ có trị số tăng dần từ trong ra ngoài

Mỗi một kiểu tuốc bin được chế tạo hoặc đã nghiên cứu xong, nhà máy chếtạo hoặc viện nghiên cứu sẽ cho một đường đặc tính tổng hợp chính Đường đặctính này được xây dựng bằng hàng loạt thí nghiệm mô hình Đó là tư liệu quantrọng vào bậc nhất để tìm hiểu đặc tính của từng kiểu tuốc bin, là cơ sở để vẽ cácđường đặc tính tổng hợp vận hành của tuốc bin cùng kiểu nhưng có đường kính vàcột nước hoặc số vòng quay khác nhau, đồng thời cũng là tư liệu chính để lựa chọncác kiểu tuốc bin cho trạm thủy điện

Hình 3-2 Đường đặc tính chính của tuốc bin

3.3.2 Đường đặc tính tổng hợp vận hành

Đường đặc tính tổng hợp chính chỉ biểu thị đặc tính của tuốc bin có D=1(m),H=1(m) Nhưng khi vận hành trong các trạm thuỷ điện lại có các đường kính bánhcông tác và cột nước rất khác điều kiện trên Hơn nữa tuốc bin buộc phải làm việcvới số vòng quay không đổi, nhưng lưu lượng, công suất, và cột nước lại luôn thayđổi Do đó để tiện việc tìm hiểu quan hệ giữa các thông số đặc tính của tuốc bintrong vận hành người ta dùng đặc tính vận hành

Đường đặc tính tổng hợp vận hành biểu thị quan hệ giữa cột nước và công suất(hoăc lưu lượng) với hiệu suất khi đường kính bánh công tác D1 và số vòng quay nkhông đổi tức là η=f(N, H) hoặc η=f(Q, H) khi D1 =const và n=const

Thực tế đường đặc tính tổng hợp vận hành gồm một họ đường cong đồng hiệu suất

η được vẽ trong hệ tọa độ (N, H) hoặc (Q, H) Trên đường đặc tính vận tổng hợpvận hành ngoài các đường đồng hiệu suất còn có các đường đồng chiều cao hút Hs(hoặc các đường đồng hệ số thực σ), các đường đồng độ mở a0, đường đồng góc đặccánh φ, đường hạn chế công suất tuốc bin và đường công suất lớn nhất của máyphát Nói chung trong thực tế thường dùng đường đặc tính tổng hợp vận hànhη=f(N, H) hơn đường η=f(Q, H) và trên đó chỉ cho các đường đồng Hs và hạn chếcông suất

Hình 3-3.Đường đặc tính tổng hợp vận hành

190 170

150 130

110 90

70 50

3.4 Các thông số cơ bản của tuốc bin hướng trục

3.4.1 Các thông số quy dẫn

- Ta có công suất tính toán trên trục của tuốc bin:

Trong đó: g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2

ηT: hiệu suất tuốc bin, ηT = 0,85 ÷ 0,95 chọn sơ bộ ηT = 0,87

162

Hình 3-5 Tuốc bin mô hình CQ20/510

757473

72 7170

Q'1(l/s)n'1(vg/ph)

Hình 3-4 ĐĐTTHC của tuốc bin CQ20/150

Q

Q D

tt I

33 , 1 2 2 , 1

3 '.

Chọn D1 = 1,4m

- Số vòng quay trên trục của tuốc bin:

ph vg D

H n

4 , 1

2 135 '.

1







3.4.2 Chiều cao hút:

Chiều cao hút Hs của tuốc bin là khoảng cách từ mép ra cao nhất của bánh công tácđến mực nước hạ lưu Chiều cao hút được xác định theo công thức

) ( 900

3.5 Tính toán và thiết kế tuốc bin hướng trục

3.5.1 Tính sơ bộ đường kính trục

Trục tuốc bin là một chi tiết rất quan trọng, có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từBCT của tuốc bin đến BCT của bơm Do đó vật liệu chế tạo cần có độ bền cao, dễchế tạo và có thể nhiệt luyện được Với yêu cầu trên ta chọn thép C45 làm trục chotuốc bin cần thiết kế

- Tính sơ bộ đường kính trục:

) ( 3

n

N C

4 , 1 14 , 3

3.5.3.1 Khảo sát sự chảy bao quanh prôfin cánh của dòng chất lỏng

a) Sự chảy bao quanh hình trụ tròn

Hình 3-7 Chảy bao hình trụ bằng dòng phẳng lý tưởng song song với trục x.

Dòng chất lỏng chảy bao hình trụ tròn xem như dòng phẳng song song (đồngnhất) của chất lỏng lý tưởng có thể nhận được bằng cách cộng dòng này với dòng

lưỡng cực đặt ở gốc tọa độ (hình 3-7) Mômen lưỡng cực trong trường hợp này phải

có giá trị sao cho một trong các đường dòng của tổng dòng chảy là một đường trònbán kính bằng bán kính của hình trụ Khi đó vận tốc trên đường tròn bằng:

Trong đó: c: Vận tốc dòng chảy tới

θ: Góc ở tâm, tính từ trục x đến điểm mà ta quan sát trên đường bao

Ở các điểm dòng chảy bị phân đôi ( điểm vào A, điểm ra B) thì vận tốc bằng 0.Vận tốc đạt giá trị cực đại ở các điểm phình C và D, ở các điểm đó vận tốc lớn gấpđôi so với vận tốc ở vô cực:

Từ (3.6) ta thấy vận tốc trên đường bao và áp lực đối xứng so với cả 2 trục toạ

độ, khi đó tổng áp lực trong trường hợp này sẽ bằng 0

đoạn so với trục x Ở điểm phình phía trên điểm C vận tốc sẽ lớn hơn so với khichảy bao không có xoáy, còn điểm D thì vận tốc bé hơn Khi đó áp lực ở điểm Dtăng lên còn ở điểm C áp lực giảm đi Lực nâng khi đó xuất hiện có chiều hướng lêntheo trục y, tức là vuông góc với hướng vận tốc c, lực này càng lớn khi điểm phânchia dòng chảy dịch chuyển càng xa so với trục x, mà sự dịch chuyển đó tỷ lệ với trị

số của vận tốc dòng chảy tới và cường độ chuyển động xoáy, tức là lượng xoáy vậntốc  Ta có trị số lực nâng trên một đơn vị chiều dài của hình trụ được xác địnhbằng biểu thức:

F =  c. (với : khối lượng riêng dòng chảy) (3.8)Nếu như đã cho trước c thì sự dịch chuyển của điểm A và B so với trục x chỉphụ thuộc vào cường độ dòng xoáy:

sinαo =





c a.

.

Mà ta gọi đó là hàm biến hình Sự biến đổi từ mặt phẳng z đến mặt phẳng ζnhư thế rất có lợi vì khi biết thế phức của dòng chảy trong mặt phẳng ζ và chảy baotương ứng đã được nghiên cứu Khi đã biết hàm biến hình thì ta có thể xác định dểdàng việc chảy quanh một profin dạng cánh trong mặt phẳng z trong trường hợp

này vùng ngoài xung quanh profin được biến đổi thành vùng ngoài xung quanh mộtđường tròn, còn trị số và hướng vận tốc ở xa vô cùng trên cả hai mặt phẳng đềuđược giữ nguyên Khi đó lượng xoáy vận tốc xung quanh profin và vòng tròn và do

đó cả lực tác dụng lên chúng đều bằng nhau

Giá trị hàm biến hình (3.11) cho khả năng xác định sự tương ứng của các điểm

ở 2 đường bao prôfin và vòng tròn, tức là khi tính vận tốc của các điểm trên vòngtròn thì ta tìm được giá trị của vận tốc ở các điểm tương ứng trên prôfin

Chảy bao prôfin có mép ra nhọn bằng dòng chất lỏng lý tưởng có thể chỉ xãy ra khiđiểm nhọn là điểm hội tụ dòng chảy Điều đó sẽ xác định được đại lượng đơn trị củalượng xoáy vận tốc xung quanh prôfin khi hướng và trị số vận tốc ở xa vô cực đãbiết Khi biến hình bao giác của prôfin thành đường tròn, điểm B trên prôfin cầnphải tương ứng với một điểm trên đường tròn, vì chỉ có điểm đó có vận tốc mớibằng 0 Điểm B và B’ gọi là những điểm đặc biệt vì ở đó tính chất cơ bản của biếnhình bao giác là bảo toàn góc đã bị phá hoại Điểm B có góc bằng (2 --), với -

là góc vuốt nhọn của prôfin, còn ở điểm B’ có góc bằng 

Hình 3-10 Những điểm đặc biệt của biến hình.

Từ hình 2-7 ta thấy lượng xoáy vận tốc xung quanh hình trụ khi đã cho hướng

c (tức là góc αo) sẽ bằng 0 nếu như điểm B0 là điểm hội tụ của dòng chảy Tương

tự như vậy điểm hội tụ cũng ở điểm B’ nếu như hướng c (tức là góc αo) thay đổi đimột đại lượng εo, còn lượng xoáy vận tốc thì bằng 0 Trong trường hợp này vận tốc

ở xa vô cùng sẽ nằm dưới một góc α - εo = αo góc này xác định hướng chảy baokhông xoáy quanh hình trụ khi điểm hội tụ B’ đã cho

Nếu như khi cho trước hướng c và quay prôfin đi một góc α thì điểm hội tụtrên hình trụ sẽ dịch chuyển sang điểm B tức là góc αo = α Góc α giữa hướng vậntốc ở vô cực và hướng không có xoáy gắn liền với mỗi profin cho trước, được gọi làgóc tới khí động, còn  được gọi là góc tới là góc giữa hướng vân tốc ở vô cực c

và dây cung ngoài của prôfin (tiếp tuyến với đường bao của prôfin)

Từ sự khảo sát giá trị của thế phức ở các điểm đặc biệt B và B’ với các điềukiện là vận tốc ở điểm B bằng 0, ta có thể nhận được công thức để xác định trị sốlượng xoáy vận tốc:

c) Chảy bao quanh bản phẳng

Ta xem bản phẳng là một prôfin đơn giản nhất Từ hàm số biến hình (3.11): z =

(ζ) ta có thể lấy cho một dãy prôfin lý thuyết dưới dạng:

) (

Trong mặt phẳng ζ bản phẳng là một prôfin đơn giản nhất, ta có:

Khi đó lượng xoáy vận tốc xung quanh bản phẳng với điều kiện mép ra của

nó là điểm hội tụ của dòng chảy sẽ bằng:

Thay công thức ( 3.17 ) vào ( 3.8) ta được công thức tính lực nâng:

Hình 3-11 Chảy bao quanh bản phẳng.

Ta thấy lực nâng F phụ thuộc kích thước a và giá trị vận tốc ở vô cực c.Thông thường hướng trục x lấy theo hướng vận tốc c, khi đó lực nâng sẽ hướngtheo trục y Gọi Cy: là hệ số lực nâng, tức là tỉ số giữa lực nâng F và cột áp vận tốccủa dòng chảy tới

Cy = c l.

2 1

p 2

Từ hàm biến hình (3.13): z = 21 (ζ +



2 a

) ta thấy với các giá trị của ζ khácnhau thì kết quả của việc biến hình vòng tròn thành những prôfin sẽ khác nhau.Lượng xoáy vận tốc quanh cung tròn:

2 sin(

c a

Trên hình (3-12) dây cung của profin chính là đoạn nối 2 đầu của cung có chiềudài: l = 2c.

Hình 3-12 Cung và bản phẳng tương đương

Từ công thức (3.21) khi α = - 2 thì  = 0 Đối với cung tròn hướng nàytrùng với đường thẳng đi qua điểm giữa cùa cung và mép ra của nó Từ đó ta có thểxem bản phẳng tương đương là bản phẳng mà khi chảy bao bằng dòng chảy có vậntốc c thì lượng xoáy vận tốc và lực nâng tác dụng lên nó giống như khi chảy baomột cung hay profin tương ứng cũng bằng chính dòng chảy đó

Khi đó chiều dài của bản phẳng tương đương có thể tìm được như sau:

2 cos

2 2

c l

(3.22)

Hệ số lực nâng Cy:

c c

c a c

c

p

22

1

)2sin(

2

22

0 2

) 2

Đối với các cung hay prôfin có độ cong bé, khi đó β nhỏ nên cos

Từ công thức (3.35) nếu hướng vận tốc c trùng với dây cung tức làα=0 thì khi đó:

Cy = 2 sin( 2 ) chỉ phụ thuộc vào góc β

3.6 Tính toán chọn biên dạng cánh

3.6.1 Kích thước đường dòng

Khi thiết kế BCT ta phải phân tích dòng chảy ở cửa vào và cửa ra của BCTphải như thế nào để đảm bảo hiệu suất thủy lực của tuốc bin Thực nghiệm cho thấynếu dòng chảy thõa mãn hai điều kiện sau đây thì hiệu suất thủy lực cao nhất:

- Điều kiện chảy vào không bị va

- Chảy ra khỏi BCT theo phương pháp tuyến Tuy nhiên tuốc bin ta thiết kế làtuốc bin hướng trục nên dòng nước chảy ra theo phương pháp tuyến nên ta khôngcần xét điều kiện này

Dòng nước chảy vào BCT được gọi là không bị va nếu vận tốc tuyệt đối ở đóluôn bằng vận tốc tuyệt đối ở cửa ra của cánh hướng nước, còn phương của vận tốctương đối w1 trùng với tiếp tuyến của phần tử cánh ở mép vào của nó Như vậy:

3

D 

= 0 , 95 ( )

2

5 , 0 4 , 1

60

.



Khi đó:

utb =

60

.n D tb



60

95 , 0 140 14 , 3

.

u

g H

c u 

Mà u1 = u2 = utb

s m

96 , 9

81 , 9

tgβi =

2

ui i

m

c u

c

 (3.37) Tại đường dòng trung bình của cánh:

tgβ =

21

1

u tb

m

c u

c

2

82 , 2 96 , 6

05 , 1





β =10,71 = 10o42’

c1u u1

w1

c1m

c1

w2 c2w

s m

c

71 , 10 sin

05 , 1 sin

3.6.8 Bước lưới và chiều dài của cánh

Bước lưới t được xác định theo công thức:

Từ các thông số tọa độ của dạng prôfin ta vẽ được dạng prôfin ứng với dòng nguyên

tố trung bình Sau đó đo tại prôfin trung bình của cánh ta xác định được giá trị ymax

Khi đó chiều dày ymax tại đường dòng trung bình được xác định:

Fu - Lực vòng gây ra chuyển động quay (song song với trục lưới)

Fz - Lực dọc trục tác dụng vào đường hút (vuông góc với trục lưới)

YP - Lực nâng của dòng chất lỏng thực tác dụng lên cánh bánh công tác

H c

m

w u

H c g

cos 2

71 , 12 cos(

79 , 6 96

,

6

2 sin 2 05 , 1 81 , 9 2

0 2

0



Cy = L.t = 0 , 335

76 , 0

75 , 0 034 , 0

75 , 0 0085 , 0



Dạng prôfin tại đường dòng được chọn theo [4]:

Đường dòng trung bình của cánh: dạng prôfin được chọn theo 622

-6

0,1 -2

0,2

0,5 0,4

0,6 0,7

1,1

480

622 436

Hình 3-15 Quan hệ giữa Cy và Cx

Tại dòng nguyên tố trung bình:

 actg00,,0085034 1,430 1025'

C

C actg y

3.7 Tính toán mômen tác dụng lên bánh công tác

Khi tính toán độ bền của các bộ phận tuốc bin hướng trục ta phải xác định lực tácdụng lên cánh bánh công tác Giá trị các lực đó, khi thiết kế chỉ cho bánh công tác

có thể đánh giá một cách gần đúng, và chỉ cho chế độ làm việc tính toán Ở các chế

độ khác không phải chế độ tính toán các lực ấy có thể xác định nhờ những thínghiệm đặc biệt

Khi làm việc bánh công tác chịu: Áp lực của chất lỏng

Áp lực của chất lỏng gây chuyển động quay của BCT Khi tác dụng lên BCT đượcphân ra thành 2 thành phần: Fu gây ra chuyển động quay của BCT và Fz tác dụng lên

ổ đỡ của trục đồng thời tác dụng lên BCT tại tiết diện nguy hiểm

* Tính mômen uốn

Mômen uốn do dòng chảy bao tác dụng lên cánh gồm có các thành phần Mu,

và Mz gây nên bới các thành phần Rz và Ru của lực nâng cánh Thành phần mômenuốn Mz xung quanh trục song song với trục quay của bánh công tác được tạo nên dotác dụng của thành phần quay của áp lực Ru, đại lượng của nó được xác định bằng:

dMz = Ru ( ri - r )dri = ρ.ca l ( ri - r )dri (3.46)Trong đó: ri: Bán kính ở tiết diện bất kỳ mà ta tính

r: Bán kính bầu hay bán kính tiết diện gốc.

Tích phân phương trình (3-28) trong giới hạn bề rộng cánh ta được giá trị Mz

2 [ )

(

2 2

r R r r R c dr r r

R

r

i i

2 1 2

2

2

2

D n k Z

g z

n

D n k g Z

H g

H tl tl

1

1

41

1

4

d D n k d

D

D n k

2 2

D n k k Z

2 2 1 2 3 1

2

D n D n

H D

n

Q Z

H Q

tl .

2

.

87 , 20 3 9810

c

u

4

.2

2

3

3 2 [ 2

r

R d r r R Z r

rR R

( 2

3

3 2 [

2

1

2

3 3

d d d R

Z d

)

1ln1

(.83

32[.8

2 1 2 2

3 3

1

D n

d d d H g d

d Z

4 , 1 140 14 , 3

087 ).

357 , 0

1 ln 357 , 0 357 , 0 1 (

2 81 , 9 8 3

357 , 0 357 , 0 3 2 4

.

8

) 4

Fz



a b

Hình 3-17 Sơ đồ tác dụng của các thành phần mômen

uốn do áp lực chất lỏng gây ra

3.8 Tính toán và thiết kế bộ phận hướng dòng vào

Bộ phận hướng dòng vào gồm có: buồng xoắn, bộ phận hướng dòng

3.8.1 Tính toán và thiết kế buồng xoắn.

Buồng tuốc bin có nhiệm vụ đưa nước vào BCT sau khi dẫn nước qua bộ phậnhướng dòng sao cho tổn thất thủy lực ở buồng tuốc bin và bộ phận hướng dòng là

bé nhất

Buồng tuốc bin phải đảm bảo được các yêu cầu sau:

- Dẫn nước đều đặn lên chu vi các cánh hướng dòng để tạo nên dòng chảyđối xứng với trục tuốc bin

- Tổn thất thủy lực trong buồng và đặc biệt trong bộ phận hướng dòng nhỏnhất

- Buồng tuốc bin có kích thước nhỏ và kết cấu đơn giản

a) Chọn buồng tuốc bin:

Theo số liệu đề cho thì đây là loại tuốc bin cở nhỏ nên ta chọn buồng tuốc bin

là buồng hở chữ nhật dùng cho tuốc bin trục đứng

b) Tính buồng tuốc bin:

c.) Thiết kế bộ phận hướng nước.

Nước sau khi qua buồng tuốc bin sẽ vào stato tuốc bin rồi vào bộ phận hướngnước Tuy nhiên đối với tuốc bin cỡ nhỏ thì stato và bộ phận hướng nước là một kết

cấu chung gọi là cánh hướng nước cố định và nước từ buồng tuốc bin chảy qua cáccánh hướng nước cố định vào BCT.

Đối với tuốc bin mô hình thì ống hút được thiết kế là loại ống hút cong Gồm

có 3 đoạn: đoạn chóp, đoạn khuỷu cong và đoạn mở rộng nằm ngang

Tuy nhiên đối với loại máy thủy luân này thì ta chọn loại tuốc bin có ống hút

có đoạn chóp

4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BƠM

4.1 Lý thuyết tính toán bánh công tác