Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài này là thiết kế tàu hút bùn, thiết bị đào xới bùn làm việc được với các hệ thống phụ trợ để nâng cao hiệu quả vận tải bùn trong đường ống.. Tóm
Trang 1-
NGUYỄN NGỌC HỌC
THIẾT KẾ TÀU HÚT BÙN VÀ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BƠM BÙN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-
NGUYỄN NGỌC HỌC
THIẾT KẾ TÀU HÚT BÙN VÀ
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BƠM BÙN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS PHAN ANH TUẤN
Trang 3MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7
MỞ ĐẦU 9
1 Lý do chọn đề tài 9
2 Lịch sử nghiên cứu 10
3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 10
4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 10
5 Phương pháp nghiên cứu 10
CHƯƠNG I THIẾT KẾ THÂN TÀU HÚT BÙN 12
1.1 Cấu tạo các bộ phận chính và nguyên lý làm việc của tàu hút bùn 12
1.1.1 Cấu tạo chung 12
1.1.2 Các bộ phận chính của tàu hút bùn 14
1.2 Một số tàu hút bùn tham khảo cho đề tài này 16
1.3 Nguyên lý hoạt động của tàu hút bùn 20
1.4 Yêu cầu thực tế khi sử dụng tàu hút bùn ở Việt Nam 20
1.5 Thiết kế thân tàu hút bùn 21
1.5.1 Kết cấu tàu hút bùn 21
1.5.2 Trang thiết bị trên tàu hút bùn 22
1.5.3 Trang bị động lực cho tàu hút bùn 22
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BƠM BÙN 24
2.1 Những đặc điểm kết cấu chính của bơm bùn 24
2.2 Các phương trình cơ bản 24
2.3 Khả năng hút của bơm bùn 29
Trang 42.4 Một số điều cần chú ý đối với bơm bùn 30
2.4.1 Hệ số hiệu suất 30
2.4.2 Đặc tính năng lượng 30
2.4.3 Bánh công tác 30
2.4.4 Buồng xoắn 31
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ 32
THỐNG VẬN TẢI BÙN TRONG ĐƯỜNG ỐNG 32
3.1 Tính chọn động cơ 32
3.2 Thiết kế bơm bùn 34
3.2.1 Xác định cột áp máy bơm 34
3.2.2 Xác định lưu lượng của bơm bùn 36
3.2.3 Tính toán bánh công tác 36
3.2.4 Thiết kế hình dạng rãnh bánh xe ở tiết diện kinh tuyến 41
3.3 Tính toán buồng xoắn 46
3.3.1 Thiết kế ống tháo 46
3.3.2 Thiết kế phần loe của ống tháo 52
3.4 Tính toán lót kín 53
3.5 Ống dẫn nước 54
CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA ĐỘ BỀN TRỤC BƠM 55
4.1 Tính toán trục bơm 55
4.1.1 Lực tác dụng lên trục tại vị trí lắp khớp nối 55
4.1.2 Lực tác dụng lên bánh công tác của bơm 56
4.2 Kiểm nghiệm trục 62
4.2.1 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi 62
4.2.2 Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh 65
4.3 Tính toán chọn loại ổ lăn 66
4.3.1 Chọn ổ theo khả năng tải động 66
4.3.2 Kiểm nghiệm theo khả năng tải tĩnh 68
4.4 Tính toán chọn then 70
4.4.1 Tính chọn then lắp bánh công tác 71
4.4.2 Then lắp chỗ khớp nối 71
4.5 Khớp nối trục 72
Trang 5CHƯƠNG V QUY TRÌNH LẮP VÀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG 74
TRỤC BƠM BÙN 74
5.1 Quy trình lắp ghép 74
5.1.1 Lắp ghép ổ lăn 74
5.1.2 Lắp gép then 76
5.2 Quy trình công nghệ gia công trục 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85
Trang 6LỜI CAM ĐOAN
Luận văn “Thiết kế tàu hút bùn và tính toán, thiết kế bơm bùn” này được thực
hiện bởi chính tác giả Kết quả trình bày trong tập luận văn này là sự tổng hợp từ những nghiên cứu trong quá trình tác giả theo học khóa đào tạo Thạc sỹ khoa học, chuyên ngành Máy và thiết bị thủy khí tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Trang 7DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
L: Chiều dài tàu
R,r: Bán kính δ: Chiều dày lá cánh ψ: Hệ số chiều dày lá cánh Z: Số cánh bánh công tác p: Hệ số hiệu chỉnh cột áp t: Bước cánh
θ: Góc ở tâm
Trang 8DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.2 Bảng tính lưu lượng buồng xoắn 50
Trang 9Hình 4.3 Sơ đồ tính toán nội lực 60
Hình 4.4 Biểu đồ ứng suất trục bơm 61
Hình 4.5 Sơ đồ đặt lực lên trục bơm 67
Hình 4.6 Ổ lăn 69 Hình 4.7 Then trục bơm 70
Hình 4.8 Khớp nối trục 72
Hình 5.1 Mối ghép ổ lăn 75
Trang 10Hình 5.8 Nguyên công 4 80
Trang 11MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Đất nước ta từ lâu đã được xem là một nước nông nghiệp, ông cha ta đã biết điều tiết nước để phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp, tuy nhiên việc điều tiết nước đó chỉ bằng những trang thiết bị thô sơ, việc vận hành nó chủ yếu dựa vào sức người là chính nên việc điều tiết nước có hiệu quả không cao, dẫn đến làm giảm sản lượng cây trồng Nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa nên khí hậu khắc nghiệt, lũ lụt hạn hán xẩy ra thường xuyên và tạo khó khăn cho việc tưới tiêu cho mùa màng, do các con sông, kênh rạch thường bị bồi dắp của bùn lầy làm ảnh hướng tới công tác thủy nông, tưới tiêu
Bên cạnh đó, việc phát triển giao thông đường thủy cũng rất quan trọng trong việc thúc đẩy giao lưu thương mại giữa các vùng, miền của tổ quốc Việc bồi đắp bùn ở các lòng sông, kênh rạch đã làm cản trở giao thông đường thủy nội địa Ngày nay dưới
sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, người ta đã tạo ra nhiều máy móc trang thiết bị phục
vụ vào việc nạo vét sông ngòi, kênh rạch để đảm bảo phục vụ tốt cho công việc tưới tiêu cũng như đảm bảo mạng lưới giao thông đường thủy nội địa Một trong các thiết bị
nạo vét kênh đó là các tàu hút bùn mà đề tài: “Thiết kế tàu hút bùn và tính toán, thiết
kế bơm bùn” này sẽ đề cập tới
Khác với những tàu hút bùn thông thường dùng phương thức hút bùn lên xe chứa hoặc lên các thùng chứa rồi dùng phương tiện vận tải bùn tập kết đến chỗ đổ bùn, tàu hút bùn được đề cập tới trong đề tài này sẽ dùng hệ thống, thiết bị phụ trợ để trực tiếp hút và đẩy bùn trong đường ống đến nơi xả bùn luôn Bằng thiết kế mới này, chi phí vận tải bùn sẽ được giảm đáng kể
Đề tài là sự kết hợp nghiên cứu trong 2 lĩnh vực chuyên môn chính là chuyên ngành Máy và thiết bị thủy khí và chuyên ngành Kỹ thuật tàu thủy
Trang 122 Lịch sử nghiên cứu
Tàu hút bùn là một trong những tàu chuyên dụng được ngành kỹ thuật tàu thủy đưa vào nghiên cứu, chế tạo tương đối sớm Tuy nhiên, các tàu làm nhiệm vụ hút bùn hiện nay do trong nước thiết kế chưa có sự kết hợp sự vận tải bùn trong đường ống Đề tài này sẽ là sự kết hợp giữa hai chuyên môn chính là chuyên ngành Máy và thiết bị thủy khí và chuyên ngành Kỹ thuật tàu thủy để đưa ra một phương tiện nạo vét bùn làm việc độc lập và hiệu quả
3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn là kết hợp kiến thức về chuyên ngành Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí và kiến thực về chuyên ngành Kỹ thuật tàu thủy để thiết
kế ra một phương tiện nạo vét và vận tải bùn về nơi tập kết độc lập Đối tượng và phạm
vi nghiên cứu của đề tài này là thiết kế tàu hút bùn, thiết bị đào xới bùn làm việc được với các hệ thống phụ trợ để nâng cao hiệu quả vận tải bùn trong đường ống
4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Khác với những tàu hút bùn thông thường dùng phương thức hút bùn lên xe chứa hoặc lên các thùng chứa rồi dùng phương tiện vận tải bùn trung gian tập kết bùn đến chỗ đổ bùn, tàu hút bùn được đề cập tới trong đề tài này sẽ dùng hệ thống, thiết bị phụ trợ để trực tiếp hút và đẩy bùn trong đường ống đến nơi tập kết bùn Bằng thiết kế mới này, chi phí vận tải bùn sẽ được giảm đáng kể Đề tài đưa ra sự tích hợp giữa tàu hút bùn và hệ thống vận tải bùn trên cùng một phương tiện
5 Phương pháp nghiên cứu
Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết về máy thủy khí, lý thuyết về thiết kế tàu thủy và kinh nghiệm thực tiễn trong cương vị kỹ sư thiết kế tàu Tham khảo các loại tàu hút bùn cũng như các hệ thống hút và vận tải bùn trong đường
Trang 13ống để tối ưu hóa trong thiết kế mới này Đây cũng là phương pháp nghiên cứu phổ biến của hai chuyên ngành Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí và Kỹ thuật tàu thủy
Trang 14CHƯƠNG I THIẾT KẾ THÂN TÀU HÚT BÙN
1.1 Cấu tạo các bộ phận chính và nguyên lý làm việc của tàu hút bùn
1.1.1 Cấu tạo chung
Tàu hút bùn hay còn gọi là tàu cuốc là một máy đào và vận chuyển bùn đất (ở dạng hỗn hợp nước – đất, gọi là bùn) theo một quy trình công nghệ liên tục Sơ đồ nguyên lý của tàu hút bùn như trong Hình 1.1 dưới đây
1 Bộ phận xới tơi
2 Khung cần bộ phận xới tơi
3 Cơ cấu dẫn động bộ phận xới tơi(động
cơ điện, hộp giảm tốc)
4 Cáp nâng bộ phận xới tơi
5 Tời của bộ phận xới tơi
Trang 15Nhìn chung tàu hút bùn gồm ba nhóm chi tiết chính:
- Nhóm thứ nhất là nhóm chi tiết chính làm nhiệm vụ thực hiện các quy trình công nghệ cơ bản là xới khuấy đất bùn và vận chuyển hỗn hợp bùn từ vị trí cần nạo vét đến nơi thu gom Cụm chi tiết này có thiết bị xới khuấy đất bùn (gọi là thiết bị sục bùn); ống hút, thiết bị để điều khiển chi tiết sục bùn và miệng hút
- Nhóm thứ hai bao gồm các chi tiết phụ đảm bảo các chi tiết nhóm thứ nhất làm việc tốt Nhóm này có các chi tiết vỏ tàu (có thể kết hợp bè hoặc phao nổi), thiết bị nâng hạ chi tiết sục bùn và miệng hút, máy bơm phụ cấp nước kỹ thuật cho các chi tiết chính của nhóm 1, thiết bị năng lượng và động cơ chạy bơm bùn
- Nhóm thứ ba có các cụm chi tiết nhằm đảm bảo điều kiện bình thường và an toàn giúp thiết bị hút bùn làm việc tốt đạt kết quả cao nhất Cụm này bao gồm cả hệ thống điều khiển, thiết bị đo kiểm tra, thiết bị nâng hạ phụ, thiết bị sưởi ấm, thông gió
an toàn vệ sinh, cứu hỏa và bơm nước thải, thiết bị thông tin liên lạc, tín hiệu …
Tàu hút bùn có cấu tạo phổ biến nhất đang được sử dụng gồm các bộ phận chính: thân tàu (phao nổi), bơm bùn, động cơ chạy bơm, thiết bị đóng cọc, thiết bị làm tơi đất, tời kéo, ống dẫn bùn đặt nổi, thường dùng các thiết bị làm tơi (hay sục bùn) Đối với đất á sét, sét, cát mịn, đất có sỏi thì không phải làm tơi sơ bộ Có thể làm tơi bằng sức nước, không khí áp suất cao hay biện pháp cơ khí Cơ cấu làm tơi cơ giới được chuyển động bằng động cơ điện qua hộp giảm tốc và trục chuyển động Cơ cấu hút và làm tơi được gắn với khung tàu Nâng hạ cơ cấu hút bằng tời cơ khí hoặc thủy lực Thân tàu được chế tạo bằng những bộ phận có thể tách rời nhau, Các phao riêng được nối với nhau bằng những vỉ kéo
Tổ hợp dầm ngang và dầm dọc cấu tạo nên vỏ ngoài của tàu gọi là thân tàu, có ba
hệ thống khung: khung ngang, khung dọc, khung hỗn hợp
Bơm bùn được đặt trong khung hay hầm tàu Bố trí bơm bùn trong hầm tàu sẽ tốt hơn vì chiều cao hút sẽ nhỏ hơn
Trang 16Đường ống dẫn bao gồm ống hút và ống đẩy Ống hút có phần trên mặt nước và phần dưới nước Nó có cơ cấu nối mềm hay khớp cầu để điều chỉnh chiều sâu khai thác bùn cát
Ống có cơ cấu làm tơi và các chi tiết khác theo nó được gắn vào khung nâng Ống xả có phần trên tàu, phần dẫn bùn đặt nổi trên mặt nước và phần trên bờ dẫn tới bãi thải
Phần ống xả đặt nổi bao gồm những đoạn riêng biệt được nối với nhau bằng các
cơ cấu nối mềm đảm bảo việc di chuyển của tàu và ống trên mặt nước được bình thường Tính an toàn của phần ống nổi có ỹ nghĩa quan trọng đối với sự làm việc của
cả tàu Để tránh hiện tượng làm hỏng chỗ nối của các ống xả phải có hai khớp cầu nối các ống
Trên thực tế đang sử rất nhiều các loại máy hút bùn khác nhau với kích cỡ và chủng loại khác nhau Có thể chia chúng thành hai loại chính: Tàu hút bùn phục vụ xây dựng, khai thác mỏ và tàu hút bùn nạo vét đáy kênh phục vụ giao thông, thủy lợi
1.1.2 Các bộ phận chính của tàu hút bùn
- Bộ xới tơi: có 2 loại bộ xới tơi
+ Bộ xới tơi kiểu ống hút: Dùng dòng nước áp suất lớn để điều chỉnh hút đất bị xới ở giữa có dạng chỏm cầu
+ Bộ xới tơi kiểu tang phay: Hình dạng kích thước và vị trí của lưỡi phay trong không gian phải thích hợp để có thể cắt và gom đất vào cửa hút là lớn nhất Kích thước của lát cắt ở vùng hút không được quá lớn Tang phay quay tự do đối với cửa hút, không gây tổn thất thủy lực đối với cửa hút, khi tang phay làm việc với đất dính bám và bùn lầy thì tang phay không được nhập hết kích thước của nó
- Công dụng: Dùng để cắt làm tơi và gom đất vào cửa của ống hút, trộn với nước tạo thành hỗn hợp bùn
- Chọn bộ phận xới tơi tuỳ thuộc vào từng loại đất
Trang 17+ Đất xói lở ( cát , đất phù sa…) dùng bộ xới tơi kiểu ống hút
+ Đất bền chắc dùng bộ xới tơi kiểu phay thường dùng là dàn xới dao phay 5 cánh biên dạng rằng cưa Hình 1.2 biểu diễn một số kiểu lưỡi cắt điển hình
Hình 1.2 Một số kiểu lưỡi cắt
- Ống hút:
+ Công dụng: Nối bộ phân xới tơi với ống hút của bơm bùn
+ Sử dụng nối bằng ống mềm hoặc khớp cầu Đường kính ống hút dựa vào lưu lượng của bơm để chọn và độ lớn của hạt bùn
- Bơm bùn:
+ Đối với loại tàu hút bùn thì loại bơm chủ yếu dùng để hút bùn là bơm ly tâm do vậy khi làm việc với bùn thì các bộ phận mà đặc biệt là cánh công tác
bị mòn nhanh.Do đó phải chọn vật liệu chịu mài mòn để chế tạo
+ Là bộ phận tiêu hao năng lượng nhất, nó quyết định toàn bộ các thông số của tàu
- Ống đẩy:
Một phần đặt trên tàu hút, còn phần lớn đặt trên phao nổi hoặc giá treo làm nhiệm vụ vận chuyển hỗn hợp bùn đến vị trí đổ Giữa các ống đẩy được nối với nhau bằng khớp cầu
Trang 18Đường kính của ống được xác định dựa vào lưu lượng của bơm bùn Sức bền của ống đẩy dùng để xác định áp suất phía trong ống đẩy
- Cơ cấu di chuyển khi làm việc (tời cáp neo 11 ,12 và 13)
Đảm bảo cho bộ xới tơi cắt đất và gom đất vào ống hút Hiệu quả làm việc của tàu hút phụ thuộc rất nhiều vào cơ cấu di chuyển khi làm viêc
Chọn cơ cấu di chuyển dựa vào công dụng, năng suất của tàu cũng như tính chất cơ
lý của đất khi nạo vét bùn thì dùng hệ thống cọc cáp
- Cơ cấu nâng hạ khung cần bộ phận xới tơi:
1.2 Một số tàu hút bùn tham khảo cho đề tài này
Qua một số tài liệu của các công ty thiết kế và khai thác tàu thì ở Việt Nam chúng ta hiện nay có 3 loại tàu chủ yếu được sử dụng để thi công nạo vét sông, kênh, cảng, biển Tàu do Nga sản xuất, tàu do Hà Lan sản xuất và một số tàu cải tiến của Việt Nam sản xuất Dưới dây là một số đặc điểm kỹ thuật của các tàu hút bùn kể trên
* Tàu Hà Lan
+ IHC BEAVER – 1600
- Kích thước cơ bản của tàu:
Chiều dài tổng thể của cả gian phay 33,20 m
Chiều dài phao tàu 22,00 m
Chiều rộng tàu 7,95 m
Chiều cao tàu 15,50 m
Trang 19Kích thước phao chính ( 13,00m x 2,95m x 2,44m )
Kích thước phao phụ ( 20,00m x 2,44m x 2,44m )
Mớn nước của tàu ( khi chứa nhiên liệu ) : 1,5m
Chiều sâu đào lớn nhất 14,00 m
Đường kính trong của ống hút 550 mm
Đường kính trong của ống xả 500 mm
Trọng lượng khô của tàu 150 tấn
- Bơm bùn:
Kiểu bơm IHC – 1250 – 275 – 500 ( 2 vỏ bơm )
Tốc độ bơm bơm bùn 465 v/phút
Công suất trục bơm 835 KW ( 1140 )
Truyền động bơm bởi động cơ Diezen Caterpllr 3512 DI – TA công suất 876 KW (1195cv – 1600 v/phút qua hộp số bánh răng, lượng tiêu hao nhiên liệu riêng 207 g/KWh)
- Động cơ phụ (dao phay, tời cọc):
Động cơ Điezen Caterpllr 3406 DI – TA công suất 300 KW (408cv) 1800 v/phút ứng với lượng nhiên liệu riêng 195g/KWH
kiểu IHC - 1445 - 170 - 5 cánh hình lưỡi cưa ở biên dạng cắt đất
Công suất trục phay 170Kw ( 230 cv)
Đường kính dao phay: 1455 mm
Tốc độ dao phay: 30 v/phút
- Tời dịch chuyển:
Trang 20Tời nâng cần lực kéo cáp : 100 KN
Tời biên lực kéo cáp : 90 KN
Tốc độ tời nâng cần : 20m/phút
Tốc độ tời kéo biên : 20m/phút
Đường kính tang tời 445 mm
Đường kính cáp kéo tời biên +tời nâng cần : 24mm
Cáp tời đều được truyền động bằng thuỷ lực
Trang bị cáp cho 1 tời biên 100m và neo có trọng lượng là 720Kg
ở chiều sâu đào lớn nhất là 30 m
ở chiều sâu đào nhỏ nhất là 38m
- Cần cẩu trang bị trên boong
Trang 21Chiều dài của tàu (có dàn phay) 15m
Chiều dài của tàu (không có dàn phay) 13m
Chiều rộng tàu 5,7 m
Chiều cao tàu 5,2m
Kích thước phao chính ( 1,3,m x 1,1m x 3,2m )
Kích thước phao phụ ( 15m x 1,0m x 1,25m )
Mớn nước của tàu ( khi chứa nhiên liệu ) 0,5m
Chiều sâu đào lớn nhất 4,5 m
Đường kính trong của ống hút 320 mm
Đường kính trong của ống xả 300 mm
Trọng lượng khô của tàu 60 tấn
- Thông số chính:
Thân tàu gồm 3 phao (1 phao chính, 2 phao phụ ): các phao này có thể vận chuyển bằng đường bộ, đường sắt hoặc đường thuỷ và khi thì công được lắp gép với nhau bằng các liên kết ngàm phía đáy tàu và liên kết bu lông phía mặt boong, ở thân chính lắp đặt động cơ , bơm bùn , hệ thống điện,
Hệ dao xới và các máy công trình phục vụ thi công
- Động cơ chính:
Động cơ Liên Xô 3 12
Công suất – vòng quay 300HP/1500 RPM
Số chế tạo
Ngày suất xưởng
Máy phát điện xoay chiều 63,7 Kw
- Hệ thống điện , tời dịch chuyển
Hệ thống điện ắc quy 12v – 200Ah
Động cơ điện tời dịch chuyển 4,5 kw
Tời nâng cần lực kéo cáp 2,8 kw
Trang 22Dàn bơm xói thuỷ lực gồm 02 bộ công suất bơm Q50 x 2 (50 lít phút )
Dàn dao xới dao phay 5 cánh biên dạng răng cưa cắt đất công suất động cơ 40
kw
1.3 Nguyên lý hoạt động của tàu hút bùn
Dùng bộ phận xới tơi (có thể là bộ xới tơi kiểu ống hút hoặc bộ xới tơi kiểu tang phay tùy thuộc vào từng cấp đất) để cắt làm tơi và gom đất vào cửa của ống hút, trộn với nước tạo thành hỗn hợp bùn với nồng độ 10% - 20% Sau đó nhờ hệ thống bơm bùn, hỗn hợp bùn sẽ được đưa vào ống hút tới các ống đẩy và vận chuyển tới nơi cần
đổ
1.4 Yêu cầu thực tế khi sử dụng tàu hút bùn ở Việt Nam
Lựa chọn phương án thiết kế tàu hút bùn cần chú ý các thông số kỹ thuật như khoảng cách và chiều cao địa hình phải đưa bùn lên, chiều sâu của lớp bùn dưới nước, công suất cho máy sục bùn, chiều rộng của rãnh, đặc tính của bùn, chiều rộng của kênh rạch … Nghiên cứu đầy đủ và thiết kế, chế tạo liên hợp thiết bị hút bùn phù hợp với điều kiện ở Việt Nam là đề tài tương đối mới, phức tạp Đề tài nghiên cứu này được
Trang 23giới hạn ở thiết kế tàu hút bùn và nghiên cứu về cơ sở lý thuyết tính toán máy bơm bùn
và hệ thống, thiết bị phụ trợ để vận tải bùn trong đường ống
1.5 Thiết kế thân tàu hút bùn
Trên cơ sở phân tích về tàu hút bùn đang sử dụng ở Việt Nam, kết hợp với lý thuyết thiết kế tàu thủy và khả năng công nghệ của các nhà máy đóng tàu Việt Nam, tác giả đã thiết kế thân tàu hút bùn với các thông số chính như sau:
• Chiều dài thiết kế: 49,1 mét
Trang 241.5.2 Trang thiết bị trên tàu hút bùn
- Thiết bị lái: Hai bánh lái dạng lưu thể, trục lái dạng 3 gối đỡ, truyền động lái dùng lái thuỷ lực với máy lái khoảng 1 Tm
- Thiết bị neo: Tàu được trang bị 2 neo mũi loại neo HALL mỗi neo 500 Kg Xích neo 2 sợi loại xích φ28 ÷ φ31 Máy kéo neo là loại máy neo điện
- Thiết bị chằng buộc thiết kế thoả mãn yêu cầu quy phạm
- Thiết bị tín hiệu (đèn hiệu, vật liệu và tín hiệu âm thanh) Thiết kế thoả mãn quy tắc tránh va chạm trên biển (bao gồm đèn hành trình xanh, đỏ, đèn hiệu, bố trí trên cột đèn) đèn mũi, đèn đuôi
- Thiết bị cứu sinh: Trang bị cứu sinh phao bè, trang bị đủ phao tròn, phao áo cá nhân
- Thiết bị thông tin vô tuyến trang bị phù hợp cho tàu
- Thiết bị đóng mở cửa đất: Hệ thống đóng mở cửa đất thực hiện bằng tời điện đặt
ở boong mũi
1.5.3 Trang bị động lực cho tàu hút bùn
- Máy chính lai chân vịt dùng loại máy Đông Phong do Trung Quốc sản xuất
Trang 25Trên cơ sở đã thiết kế phần thân tàu hút bùn, các bản vẽ đường hình dáng, bố trí chung, kết cấu cơ bản được tác giả cung cấp cùng luận án này
Trang 26CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ BƠM BÙN
2.1 Những đặc điểm kết cấu chính của bơm bùn
Hệ thống bơm trên các tàu hút bùn là các bơm ly tâm có khả năng chuyển tải các hỗn hợp nước với đất (bùn) Bơm bùn là các máy chính trong liên hợp tàu hút bùn
và nó tiêu thụ tới 90% năng lượng chung cung cấp cho cả tàu Bơm bùn khác máy bơm
ly tâm cho nước sạch bình thường là ở chỗ bơm bùn được tính toán đảm bảo khả năng thoát của các vật lạ có kích thước khá lớn, đặc biệt tính toán sao cho sự ăn mòn các chi tiết giảm được nhiều nhất Nghĩa là, về nguyên lý chung cho thiết kế bơm bùn có nhiều điều không phù hợp với lý thuyết bơm ly tâm Do đó, hiệu suất của bơm bùn thường thấp hơn so với bơm nước sạch Thay nước sạch bằng hỗn hợp nước - đất (bùn) dẫn đến sự khác nhau của các đường đặc tính làm việc của bơm bùn so với bơm nước sạch Đến nay, vẫn chưa có lý thuyết chặt chẽ tính toán bơm bùn Bởi vậy, sự khác biệt trên chỉ được xác định theo phương pháp gần đúng
2.2 Các phương trình cơ bản
Máy bơm bùn, tương tự như các bơm cho nước sạch khác, được đặc trưng bởi
ba thông số cơ bản: Q - Lưu lượng; H - Cột áp và N - Công suất
Sự truyền cơ năng của động cơ (dùng để làm quay bánh công tác máy bơm bùn) cho dòng hỗn hợp bùn được thực hiện trong quá trình bùn chảy qua các rãnh quay tạo bởi các lá cánh bánh công tác Chuyển động của bùn trong các rãnh bánh công tác rất phức tạp bao gồm chuyển động tương đối và chuyển động theo Chuyển động tương đối là chuyển động tương ứng với bánh xe quay Chuyển động theo là chuyển động của chính bánh công tác và các lá cánh Như vậy chuyển động tuyệt đối của mỗi phần tử chất lỏng qua bánh công tác có thể phân tích thành hai chuyển động đồng thời Chuyển động theo (quay tròn cùng bánh công tác) chuyển động tương đối (theo biến dạng cánh
Trang 27dẫn) Chuyển động của các phần tử chất lỏng qua bánh công tác được đặc trưng bởi các vận tốc Hình 2.1 miêu tả các thành phần vận tốc của chất lỏng trong bánh công tác
Hình 2.1 Các thành phần vận tốc chất lỏng trong bánh công tác
c: Vận tốc tuyệt đối
u: Vận tốc vòng (của chuyển động theo) có phương thẳng góc với hướng kính
w: Vận tốc tương đối có phương tiếp tuyến với biến dạng cánh dẫn
α: Góc giữa vectơ u và c
bao giờ cũng đi qua tâm của bánh công tác gọi là thành phần hướng kính)
Phương trình cơ bản của bánh công tác (phương trình Ơle) với số cánh mỏng và lớn vô cùng
g
Cos c u Cos c
u2 2 α2− 1 1 α1
(2.1) Kinh nghiệm đối với bơm bùn bánh công tác có kết cấu lối vào hay bộ phận dẫn hướng vào sao cho dòng chất lỏng ở lối vào của máng dẫn chuyển động theo hướng
Trang 28kính nghĩa là vectơ c vuông góc với vectơ u Tương đương với góc đặt α1 = 900
g g
Cos c u
2 2 2
Hình 2.2 Tam giác vận tốc chất lỏng trong bánh công tác
Đối với bùn ta có thể tính toán cột áp lý thuyết:
u
c
c c
g
u c
2
2 2
Trang 29Quan hệ giữa các cột áp lý thuyết của máy bơm bùn khi làm việc với môi trường
2
2
1
Dựa trên cơ sở nghiên cứu chuyển động của hạt chất cứng (cát) của dung dịch bùn
ở các rãnh bánh công tác bơm bùn có thể rút ra một số kết luận:
Đặc trưng chuyển động của các hạt cứng của dòng dung dịch bùn trong bánh công
-Tỷ số các tốc độ chuyển động của các hạt cứng và chất lỏng cũng là hàm số của
tuyến của tốc độ chuyển động của hạt cứng và nước bùn sẽ gần bằng nhau
tuyến các hạt cứng và chất lỏng có thể nhận bằng 1
Nghĩa là, có thể sử dụng cột áp lý thuyết biểu thị bằng mét cột nước của bùn và của nước như nhau:
Các chế độ tương tự của chuyển động của dung dịch bùn trong các máy bơm bùn
hạt cứng trong bánh công tác phụ thuộc vào kích thước của chúng
Trong thực tế, số cánh là hữu hạn do đó các hạt cứng chuyển động không theo các
số hiệu suất thuỷ lực xác định tổn thất thuỷ lực trên bánh công tác và buồng xoắn)
Trang 30Trị số của ηt1 phụ thuộc vào kết cấu, chất lượng chế tạo và mức độ mòn của bơm Hiện nay, đối với các máy bơm bùn có số cánh hữu hạn và hình dạng buồng xoắn ống xả chưa thật hoàn hảo về mặt thuỷ lực hệ số hiệu suất thuỷ lực thường là:
công tác không ảnh hưởng của sự chèn dòng
Tương tự tính lưu lượng theo tiết diện vào của bánh công tác:
Cột áp của bơm làm việc với dung dịch bùn sẽ được xác định theo cột áp lý thuyết:
Trong đó:
chưa được xác dịnh bằng lý thuyết mà phải qua công thức thực nhiệm
n
b
H
bơm
Hệ số α xác định sự ảnh hưởng của kết cấu
Trang 312.3 Khả năng hút của bơm bùn
Cơ năng từ động cơ truyền cho bơm bùn có thể phân ra thành phần hút và phần đẩy, năng lượng tiêu hao ở phần đẩy xác định bởi kích thước và vận tốc quay của bánh công tác và có thể biến đổi trong phạm vi rộng Năng lượng ở phần hút giới hạn trong việc chuyển tải dung dịch bùn Chính vì vậy, vấn đề khả năng hút đóng vai trò rất quan trọng đối với máy bơm bùn Chiều cao hút (chân không ) cho phép khi máy bơm làm việc với môi trường bùn xác định theo chiều cao hút chân không cho phép của bơm ở môi trường nước sạch:
γ
γγ
Ở đây :
- Ht: Áp suất nhỏ nhất tại điểm cao nhất của vòng tròn tại cửa bánh công tác
Chiều cao hút chân không có thể xác định theo trị số của chiều cao hút địa hình
Trang 32Tính chiều cao hút cho điều kiện của môi trường của dung dịch bùn ta xác định chiều cao hút của bơm bùn
Các tổn thất trong bơm bùn có thể chia làm 3 loại: Thuỷ lực, thể tích và cơ khí
2.4.2 Đặc tính năng lượng
Đặc tính năng lượng của bơm bùn là các đồ thị biểu diễn quan hệ giữa cột áp, công
với số vòng quay không đổi (n = const)
Trong thực tế tổn thất trong bơm bùn không thể xác định bằng lý thuyết Do vậy các đường đặc tính thường được xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm
2.4.3 Bánh công tác
Cũng như bất kỳ bơm ly tâm nào, bánh công tác bơm bùn là chi tiết quan trọng nhất chuyển đổi cơ năng quay thành năng lượng của dòng dung dịch bùn Bánh công tác của bơm bùn cần đảm bảo:
1) Tổn thất ít nhất khi truyền năng lượng dòng chảy của dung dịch bùn
2) Khả năng chống mài mòn tốt
3) Tiết diện rãnh giữa các lá cánh là lớn nhất và đều từ phía bầu đến mép cánh
4) Kết cấu đơn giản, dễ tháo lắp và nối ghép với trục đảm bảo độ bền
Trang 332.4.4 Buồng xoắn
Tiết diện thoát của buồng xoắn bơm bùn không được phép nhỏ hơn tiết diện thoát của bánh công tác Tiết diện đó cần được tính toán và lựa chọn theo kích thước các hạt cứug trong dung dich bùn Điều đó dẫn đến việc chọn hình dạng buồng xoắn bơm bùn khác xa hình dạnh tính toán ở chế độ tối ưu
Kinh nhiệm thực tế chỉ rõ rằng buồng xoắn bơm bùn có hình dạng gần với vành khăn là tốt nhất Lựa chọn chính xác hình dạng buồng xoán sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu mài mòn và làm tăng hiệu quả của bơm bùn Yêu cầu đối buồng xoắn của bơm bùn rất cao: Làm giảm tổn thất thuỷ lực, tăng độ bền, kết cấu đễ thay thế và sửa chữa, giá thành rẻ Kết cấu buồng xoắn của bơm bùn rất phức tạp vì đặc thù phải chịu mài mòn, khả năng thông thoát tốt Đối với các bơm bùn cỡ lớn còn phải đặc biệt lưu
ý đến vấn đề làm mát ép túp, buồng xoắn đúc bằng vật liệu chịu mòn, đúc không liền khối để đễ tháo lắp, sữa chữa và thay thế Hướng của phần ra của buồng xoắn cần được lựa chọn chính xác phụ thuộc vào loại dung dịch bùn
Trang 34CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ
THỐNG VẬN TẢI BÙN TRONG ĐƯỜNG ỐNG
3.1 Tính chọn động cơ
Chọn động cơ điện để dẫn động bơm là giai đoạn đầu tiên trong quá trình tính toán thiết kế máy Trong trường hợp dùng hộp giảm tốc và động cơ biệt lập, việc chọn đúng loại động cơ ảnh hưởng rất nhiều đến việc lựa chọn và thiết kế hộp giảm tốc cũng như khả năng làm việc của bơm Muốn chọn đúng loại động cơ cần hiểu rõ đặc tính và phạm vi sử dụng của từng loại đồng thời cần chú ý đến các yêu cầu làm việc cụ thể của thiết bị cần được dẫn động
Trong các loại động cơ điện ta nhận thấy động cơ điện ba pha không đồng bộ rôto ngắn mạch có các đặc điểm sau: Kết cấu đơn giản, giá thành tương đối thấp, dễ bảo quản, làm việc tin cậy, có thể mắc trực tiếp vào lưới điện ba pha không cần biến đổi dòng điện
Nhưng nó lại có nhược điểm: Hiệu suất và hệ số công suất thấp (so với động cơ
ba pha đồng bộ), không điều chỉnh được vận tốc (so với động cơ điện một chiều và động cơ ba pha không đồng bộ rô to dây cuốn)
Nhờ có nhiều ưu điểm cơ bản trên, động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ rô
to ngắn mạch được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp Để dẫn động các thiết bị vận chuyển, băng tải, xích tải, thùng trộn ta sử dụng loại động cơ này
Để chọn động cơ ta tiến hành theo các bước sau đây:
- Tính công suất cần thiết của động cơ;
- Xác định sơ bộ số vòng quay đồng bộ của động cơ;
- Dựa vào công suất và số vòng quay đồng bộ kết hợp với các yêu cầu về quá tải, mômen mở máy và phương pháp lắp đặt động cơ để chọn kích thước động cơ phù hợp với yêu cầu thiết kế
Trang 35Đặc thù với địa hình kênh rạch và sông ngòi ở Việt Nam Nên phải nghiên cứu
và thiết kế loại bơm bùn lắp với động cơ Điezen với công suất tương đối lớn N =120 Kw.Số vòng quay n ≈ 1465 v/p
Ta xác định công suất tính toán trên trục bơm của động cơ:
dc
sd dc
K
K
Ta có :
2,1
7,0
v/p Nên ta sử dụng hộp giảm tốc 1 cấp để có tốc độ trên trục bơm là 750 v/p
.ηol2 ηb
ηol - hiệu suất của một cặp ổ lăn: ηol = 0,97
Các giá trị hiệu suất tra bảng 2-3 trang 19, tài liệu [1]
Trang 36thái tĩnh sang trạng thái động, tổn thất cột áp do ma sát, xoáy dòng khi dòng chảy qua
côn, ống đàn hồi, khớp nối …
L γ
2
2 + ∑ξ
g
V h
2
2 (3.4) Trong đó:
Trang 375.32,0
52,
L
γ
.2
Trang 382,5.3,0
9.76 m Vậy tổn thất phần ống xả:
H
N
.81,9
17.81,9
9,0.6,
Trang 39329,0
π
5
329,0
Trang 40D2 = 76,5.
750
17.5,76
- Chiều rộng rãnh dẫn của bánh công tác (b):
Theo kinh nghiệm của Nga và Nhật, ta có: