Nghiên cứu tính toán mô phỏng và khảo sát thiết kế vi bơm hướng trục

23 2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp Vôzơnhexenski-Pêkin ...26 2.3 Tính toán thiết kế phần dẫn dòng vi bơm hướng trục theo phương pháp Vôzơnhexenski-Pêkin ...33 2.3.1 Xác định các thôn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Đỗ Thành Công

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT

THIẾT KẾ VI BƠM HƯỚNG TRỤC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC (KỸ THUẬT)

KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

Hà Nội – Năm 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Đỗ Thành Công

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT

THIẾT KẾ VI BƠM HƯỚNG TRỤC

Chuyên ngành : KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 TS TRƯƠNG VIỆT ANH

2

Hà Nội – Năm 2011

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 10

1.1 Tổng quan về vi bơm 10

1.2 Vi bơm cánh dẫn 13

1.3 Vài nét về các nghiên cứu vi bơm trong và ngoài nước 19

1.4 Hoạt động của tim người 19

1.5 Vấn đề nghiên cứu 22

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VI BƠM HƯỚNG TRỤC 23

2.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế 23

2.1.1 Các phương pháp thiết kế bơm hướng trục 23

2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp Vôzơnhexenski-Pêkin 26

2.3 Tính toán thiết kế phần dẫn dòng vi bơm hướng trục theo phương pháp Vôzơnhexenski-Pêkin 33

2.3.1 Xác định các thông số của vi bơm hướng trục 33

2.3.2 Tính độ mau tối thiểu cho phép [L/T] của lưới cánh bánh công tác 36

2.3.3 Tính cung mỏng của profin cánh bánh công tác 37

2.3.4 Tính cung tương đương của profin cánh bánh công tác 38

2.3.5 Tính toán cánh hướng vi bơm hướng trục 39

2.3.6 Tính lưới cung mỏng của cánh hướng 41

2.3.7 Tính cung tương đương của profin cánh hướng 42

2.5 Ứng dụng SolidWorks xây dựng kết cấu dẫn dòng bơm hướng trục 43

2.6 Kết luận 48

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG SỐ VI BƠM HƯỚNG TRỤC 49

3.1 CFD và Máy thuỷ lực 49

3.2 Căn bản lí thuyết tính toán trong Ansys Fluent 52

3.3 Xây dựng mô hình tính toán mô phỏng trong Fluent 54

3.4 Kết quả mô phỏng 58

3.4.1 Đặc tính bơm mô phỏng 59

3.4.2 Ảnh hưởng khe hở thủy lực giữa bánh công tác và vỏ bơm: 66

3.4.3 Dòng chảy trong bơm: 68

3.4.4 Lực hướng trục tác dụng lên BCT trong quá trình hoạt động: 69

3.5 Ảnh hưởng độ nhớt tới dòng chảy trong bơm 70

3.6 Kết luận 73

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VI BƠM HƯỚNG TRỤC VỚI HIỆU CHỈNH L/T 74

4.1 Tính toán thiết kế và xây dựng mô hình 74

4.2 Tính toán mô phỏng số và kết quả 75

4.2.1 Xây dựng mô hình bài toán 75

4.2.2 Điều kiện biên và thông số khảo sát 76

4.2.3 Kết quả mô phỏng 77

4.3 Xây dựng hệ thống thực nghiệm khảo cứu mô hình vi bơm hướng trục 91

4.3.1 Sơ đồ hệ thống, phương pháp thí nghiệm 91

4.3.2 Kết quả đo đạc các đường đặc tính thực nghiệm vi bơm 95

4.3.3 Kết luận: 98

4.4 Kết luận 99

CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 102

Phụ lục chương 2 102

Phụ lục chương 4: 111

Bài báo khoa học………111

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Đỗ Thành Công

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

k1, k2 Hệ số chèn dòng tại lối vào và lối ra của bánh công tác -

tb

∆w Vận tốc trung bình của khối chất lỏng dọc theo mép ra

C2m0 Thành phần vận tốc kinh tuyến của chất lỏng tại lối ra

C1m, C2m Thành phần vận tốc kinh tuyến của chất lỏng tại lối

C1u, C2u Thành phần vận tốc tuyệt đối của dòng chảy tại lối vào

C1n, C2n Thành phần vận tốc tuyệt đối của pha nước tại lối vào

u2 Thành phần vận tốc theo tại lối ra của bánh công tác m/s

V Vận tốc chuyển động tuyệt đối m/s

mH2O

E Nhiệt dung riêng của chất lỏng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thông số một số mẫu vi bơm hướng trục thương mại: 16

Bảng 2 1: Thông số phần dẫn dòng vi bơm 43

Bảng 2 2: Thông số vi bơm trường hợp số cánh bánh công tác Z=3 48

Bảng 2 3: Tính độ mau tối thiểu cho phép của lưới cánh bánh công tác 102

Bảng 2 4: Tính cung mỏng của Profil BCT 102

Bảng 2 5: Tính cung tương đương của profincánh bánh công tác 103

Bảng 2 6: Tính độ mau của lưới profin cánh hướng 104

Bảng 2 7: Tính lưới cung mỏng của cánh hướng 105

Bảng 2 8: Tính cung tương đương của profincánh hướng 106

Bảng 2 9: Tọa độ tương đối profin VIGM 420 106

Bảng 2 10: Tính độ mau tối thiểu cho phép của lưới cánh BCT Z=3 107

Bảng 2 11: Tính cung mỏng của Profil BCT Z=3 107

Bảng 2 12: Tính cung tương đương của profin cánh BCT Z=3 108

Bảng 2 13: Tính độ mau của lưới profin cánh hướng, BCT Z=3 109

Bảng 2 14: Tính lưới cung mỏng của cánh hướng, BCT Z=3 110

Bảng 2 15: Tính cung tương đương của profincánh hướng, BCT Z=3 111

Bảng 3 1: Thông số các trạng thái mô phỏng 56

Bảng 3 2: Các trường hợp khác 57

Bảng 3 3: Kết quả trường hợp Z=6, đắp độ dày profin theo mẫu VIGM 420 60

Bảng 3 4: Kết quả trường hợp Z=6 đắp độ dày profin đều 61

Bảng 3 5: Kết quả trường hợp Z=3, đắp độ dày profin theo mẫu VIGM 420 62

Bảng 3 6: Kết quả trường hợp Z=3, đắp độ dày đều 63

Bảng 3 7: Kết quả trường hợp Z=3, đắp độ dày đều, khe hở BCT và vỏ bằng 0 64

Bảng 3 8: Thông số bơm mô phỏng tại điểm thiết kế 65

Bảng 3 9: Lực hướng trục tác dụng lên bánh công tác 69

Bảng 3 10: Thông số làm việc của bơm ở các độ nhớt khác nhau 71

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1: Vi bơm siêu nhỏ 10

Hình 1 2: Phân loại vi bơm 11

Hình 1 3: Vi bơm dạng hướng trục 14

Hình 1 4: Vi bơm hướng chéo 14

Hình 1 5: Vi bơm li tâm 15

Hình 1 6: Kết cấu vi bơm hướng trục dạng điện từ 18

Hình 1 7: Cấu tạo tim người 20

Hình2 1: Sơ đồ lưới profin mỏng vô cùng và phân bố xoáy trên đường nhân 27

Hình2 2: Biểu đồ quan hệ∆α= f(T0,β0) 28

Hình 2 3: Biểu đồ quan hệ L* =f(T0, β∞) 31

Hình 2 4: Đồ thị để 32

Hinh 2 5: Biểu đồ quan hệ KHtu = f(ns) 34

Hình 2 6 : Biểu đồ quan hệ d b = f(K Htu) 35

Hình 2 7 :Tam giác vận tốc tại các tiết diện 37

Hình 2 8 : Xây dựng profin cánh trên mặt phẳng 44

Hình 2 9: Biên dạng profin trên các tiết diện trụ 45

Hình 2 10: Bánh công tác 3D xây dựng 45

Hình 2 11: Bảng thiết kế bánh công tác, cánh hướng bơm hướng trục ứng dụng Solidworks 46

Hình 2 12: Cánh hướng 3D xây dựng 46

Hình 2 13: Vi bơm hướng trục với Z=6, đắp độ dày đều 47

Hình 2 14: Trường hợp số cánh Z=3, đắp độ dày theo mẫu và đắp độ dày đều 48

Hình 3 1: Sơ đồ tính toán trong ANSYS FLUENT 51

Hình 3 2: Các dạng lưới trong MESHING 52

Hình 3 3: Mô hình khối chất lỏng trường hợp Z=6, đắp profin mẫu VIGM 420 54

Hình 3 4: Mô hình sau chia lưới 55

Hình 3 5: Biểu đồ lưu lượng lối ra bơm trong quá trình mô phỏng 58

Hình 3 6: Biểu đồ giá trị lưu lượng trung bình 58

Hình 3 7: Đặc tính bơm trường hợp Z=6, profin đắp theo mẫu VIGM 420 60

Hình 3 8: Đặc tính bơm trường hợp Z=6, profin đắp độ dày đều 62

Hình 3 9: Đặc tính bơm trường hợp Z=3, profin đắp theo mẫu VIGM 420 63

Hình 3 10: Đặc tính bơm trường hợp IV 64

Hình 3 11: Đặc tính bơm trường hợp Z=3, profin đắp độ dày đều khe hở 0 65

Hình 3 12: Dòng chảy ngược qua khe cánh BCT và vỏ bơm 67

Hình 3 13: Dòng chảy trong bơm Z=3, khe hở lí tưởng bằng 0 67

Hình 3 14: Dòng chảy trong bơm trường hợp I, III 68

Hình 3 15: Phân bố áp suất tĩnh bụng cánh và lưng cánh 68

Hình 3 16: Biểu đồ quan hệ PZ - Qb 70

Hình 3 17: Biểu đồ ảnh hưởng độ nhớt tới thông số bơm 71

Hình 3 18: Dòng chảy rối trong lưới cánh hướng 72

Hình 3 19: Phân bố trường áp suất tĩnh khi thay đổi độ nhớt chất lỏng làm việc 72

Hình 4 1: Các trường hợp hiệu chỉnh 75

Hình 4 2: Phân bố lưới tính toán 3D của mô hình vi bơm 76

Hình 4 3: Các vùng xoáy không gian trong lưới cánh bánh công tác 78

Hình 4 4: Các vùng xoáy không gian trong lưới cánh hướng 78

Hình 4 5: Sự tương tác dòng chảy lên bánh công tác 80

Hình 4 6: Ảnh hưởng của số cánh đến góc cản dòng ngược 80

Hình 4 7: Phân bố áp suất trên bơm 81

Hình 4 8: Phân bố vận tốc trên mặt cắt dọc trục 83

Hình 4 9: So sánh tiết diện lưu thông trên mặt cắt dọc trục 83

Hình 4 10: Hệ số tiết diện lưu thông A% phụ thuộc vào số cánh Z 83

Hình 4 11: Quan hệ số cánh Z và thông số H, Q của các mẫu bơm 85

Hình 4 12: Quan hệ số cánh Z và lực dọc trục 86

Hình 4 13: Các trường hợp dòng chảy qua khe hở thuỷ lực của bánh công tác 87

Hình 4 14: Dòng chảy ngược khe hở thuỷ lực tạo xoáy mép biên BCT (δ =3,5%)88 Hình 4 15: Quan sát xoáy mép vào cánh và mép biên bằng quỹ đạo đường dòng khi có khe hở và không có khe hở thuỷ lực 88

Hình 4 16: Vận tốc dòng ngược phát động xoáy tại mép vào cánh và mép biên khi có khe hở và không có khe hở thuỷ lực 90

Hình 4 17: Ảnh hưởng của khe hở thuỷ lực tới thông số làm việc của bơm 90

Hình 4 18:Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 92

Hình 4 19: Đặc tính H – Q của mẫu bơm hướng trục 96

Hình 4 20: So sánh kết quả thực nghiệm 2 mô hình ở mức n = 6000 v/ph 97

Hình 4 21: Đặc tính H – Q của mẫu bơm Z=2, dải tốc độ n < 6000 97

MỞ ĐẦU

Bơm siêu nhỏ ( Vi bơm ) với kích thước millimet và độ chính xác cỡ µm đã và đang được ứng dụng và phát triển nhiều trên thế giới Phạm vi sử dụng rộng rãi từ việc làm mát chíp điện tử, điều chỉnh vi luợng các hệ thống điều chế thuốc, hoá chất trong lĩnh vực y sinh… Trong y tế vi bơm được sử dụng để truyền dẫn máu, hay được cấy ghép vào cơ thể như một tim nhân tạo hoặc hỗ trợ tuần hoàn máu… Hiện các dạng bơm này nước ta đều phải nhập nước ngoài, nên giá thành cao, không tự chủ về công nghệ Trong khi nhu cầu thực tế là rất lớn

Luận văn đi vào hướng nghiên cứu mới trong nước ta về phát triển ứng dụng vi bơm trong các lĩnh vực kỹ thuật cần truyền dẫn vi lượng như trong y tế, công nghiệp dược phẩm, hoá chất

Là đề tài luận văn thạc sĩ đầu tiên về vấn đề thiết kế vi bơm cánh dẫn, luận văn này tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng những thông số trong tính toán thiết kế vi bơm hướng trục như: số cánh bánh công tác Z; chiều dày cánh; khe hở thuỷ lực Từ

đó làm cơ sở lựa chọn tối ưu hóa trong thiết kế vi bơm hướng trục trên cơ sở phương pháp thiết kế truyền thống bơm hướng trục kích cỡ lớn

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vi bơm

Mặc dù bất kỳ loại máy bơm cỡ nhỏ nào đều được gọi là micropump - vi bơm, tuy nhiên một định nghĩa chính xác hơn cho vi bơm là các bơm với các kích thước chức năng trong phạm vi micromet Vi bơm đầu tiên được đưa ra năm 1975, tuy nhiên vi bơm hoàn chỉnh đầu tiên lại do Jan Smits and Harald Van Lintel công bố năm 1980 Mở đầu cho thời đại của vi bơm Ngày nay đã hình thành một nền công nghiệp lớn trong lĩnh vưc này với các tên tuổi lớn như Air Dimensions, IDEX Health & Science, Nikkiso, Xavitech… Các vấn đề như thu nhỏ kích thước tổng thể của thiết bị, chi phí và độ chính xác định lượng ngày càng được nâng cao Dưới đây

là hình ảnh của một mẫu vi bơm nhỏ nhất hiện nay

Hình 1 1: Vi bơm siêu nhỏ

Vi bơm bao gồm hai dạng cơ bản là vi bơm dạng cơ khí và vi bơm dạng phi cơ khí Dạng cơ khí sẽ có thiết bị dẫn động như roto, piston,cánh, màng… Nó có thể được dẫn động bằng các nguyên tắc điện dung, điện, nhiệt, từ, khí nén… Những dạng phi cơ khí, bơm sẽ hoạt động dựa trên các nguyên lí điện – thủy động, điện – thẩm thấu, điện hóa hay dòng siêu âm Dạng bơm này chưa được ứng dụng rộng rãi

Đi vào dạng bơm cơ khí nó đã và đang được ứng dụng rộng rãi Các bơm được chia làm 02 loại chính: bơm thể tích và bơm cánh dẫn

Hình 1 2: Phân loại vi bơm

Năng lượng chuyển hóa trong bơm thể tích được đặc trưng bởi sự chiếm chỗ chất lỏng theo chu kì hoạt động của bộ phận công tác Trong bơm cánh dẫn, năng lượng đẩy chất lỏng được tạo ra nhờ tương tác giữa cánh bánh công tác và chất lỏng Nói chung, ưu điểm của bơm cánh dẫn là cho lưu lượng dòng chảy lớn và áp lực nhỏ, còn bơm thể tích phù hợp với việc tạo ra áp lực lớn trong khi lưu lượng dòng nhỏ Mỗi dạng vi bơm lại có những đặc điểm riêng có thể áp dụng phù hợp trong các lĩnh vực khác nhau

Phạm vi ứng dụng của vi bơm ngày càng mở rộng, như làm mát cho các hệ thống chip điện tử, điều chỉnh vi lượng trong các hệ thống điều chế thuốc, hóa chất, và đặc biệt trong lĩnh vực y học Các máy vi bơm đã bắt đầu xuất hiện ở các bệnh viện hiện đại nhất của Viêt Nam trong 1 vài năm gần đây, là thiết bị chuyên dụng và cũng là quả tim trong các hệ thống điều trị bệnh nhân chạy thận nhân tạo, tiếp truyền máu, trợ tim…

*Ưu nhược điểm của vi bơm ứng dụng trong y sinh

Trong lĩnh vực y sinh, bơm thể tích có ưu điểm tốt, thường được sử dụng khoảng vài giờ Ưu điểm chính của nó là hoạt động đơn giản, chi phí thấp , độ tin cậy cao nhưng nhược điểm là gây sự phá vỡ các tế bào thành phần máu Bơm máu bằng bơm cánh dẫn có một số lợi thế lí thuyết và thực nghiệm hao phí trong máu thấp hơn, kích thước nhỏ hơn, giảm được sự phá vỡ tế bào, giảm mất máu, giảm những biến chứng thần kinh và thời gian chăm sóc đặc biệt ngắn hơn so với các loại khác, thời gian sử dụng có thể lên đến vài ngày nếu cần thiết Vì thế, sử dụng tim phổi nhân tạo bằng máy bơm cánh dẫn ngày càng mở rộng thị trường, đặc biệt là ở Hoa

Kỳ

Một tim nhân tạo được định nghĩa là một máy bơm máu thay thế giải phẫu và chức năng của một quả tim tự nhiên.Tim nhân tạo thay thế được cho trái tim tự nhiên mà không có biến chứng trong nhiều tháng hoặc năm cuối thì chưa tồn tại Cho đến nay tim nhân tạo đã được cấy ghép cho bệnh nhân có thể hoạt động tốt vài

tháng trong khi chờ tim thật để cấy ghép , có những trường hợp có thể hoạt động tốt

hơn một năm

Trong suốt vài thập kỉ vừa qua, máy trợ tim được sử dụng là thiết bị trị liệu trong quá trình chữa chứng bệnh suy tim Nhiệm vụ chính của chúng là duy trì máu lưu thông và vì thế cung cấp oxy đủ cho các cơ quan và tế bào hoạt động bình thường khi mà quả tim tự nhiên không cung cấp đủ cho cơ thể sử dụng

Các máy trợ tim (thiết bị hỗ trợ lưu thông) hiện đại là kết quả của sự vận dụng các nguyên tắc bơm khác nhau từ động mạch chủ (IABP) tim nhân tạo (TAH), theo các chỉ dẫn lâm sàng rõ ràng Thời gian sử dụng có thể khác nhau từ vài giờ,vài ngày,vài tuần,hoặc là mãi mãi.Vì vậy, sự chỉ định thời gian sử dụng và sự lựa chọn máy thích hợp cũng quan trọng như sự thiết kế chính nó.Vấn đề khác được xem xét

là chất lượng cuộc sống, sự ổn định tin cậy và lợi nhuận

Nếu như vi bơm dạng thể tích tạo ra lưu lượng nhỏ và áp suất lớn thì vi bơm dạng cánh quay tạo ra lưu lượng lớn và áp suất nhỏ, cũng chính vì đặc điểm này mà khi sử dụng vi bơm loại thể tích vào trong lĩnh vực y sinh cụ thể là trong lĩnh vực bơm máu thì nó gây ra sự tổn thương về máu gây ra sự vỡ của các tế bào máu Vi bơm loại cánh dẫn ít gây tổn thương cho máu, kích thước nhỏ kết cấu đơn giản,làm kín dễ dàng, thể tích điền đầy ít, sự thay đổi dễ dàng hiếm khi gây ra sự phá vỡ tế bào bên cạnh đó nó có độ chống đông máu thấp Chính vì những ưu điểm này mà ngày nay có nhiều nghiên cứu sử dụng vi bơm quay cho lĩnh vực y sinh

Theo hướng nghiên cứu của đề tài sẽ đi về lĩnh vực vi bơm cánh dẫn Cũng như các dạng bơm cánh dẫn thông thường ta vẫn sử dụng, theo hình dạng vi bơm cánh dẫn cũng được chia thành 3 loại chính: bơm hướng trục, bơm ly tâm và bơm hướng chéo

Các bơm dạng này đã được thương mại hóa đưa vào sử dụng những năm gần đây Ta có thể thấy một số loại:

Các mẫu vi bơm hướng trục như : HemôPump, Jarvik 2000, DeBakey, HeartMate II, ….Ví dụ ở hình 1.3

Hình 1 3: Vi bơm dạng hướng trục

Các mẫu vi bơm hướng chéo như : VentrAssist, HeartQuest, DeltaStrem, HIA Microdiagonal…Ví dụ ở hình 1.4

Hình 1 4: Vi bơm hướng chéo

Các mẫu vi bơm li tâm như : Biopump, Capiox SP, Delphin, Isoflow, Gyro Pump, Vienna Centrifugal, … Ví dụ ở hình 1.5

Biopump Gyro Pump Capiox SP

Hình 1 5: Vi bơm li tâm

Nói chung, bơm cánh dẫn thích hợp nhất đối với mạch có lưu lượng chảy cao tối

đa là 20l/phút tại áp lực nhỏ hơn 500mmHg Các thiết kể bơm ly tâm phù hợp nhất khi cần áp lực cao và lưu lượng dòng thấp, trong khi máy bơm hướng trục phù hợp với yêu cầu lưu lượng cao, áp lực thấp Phân loại đơn giản về khả năng của các mẫu thiết kế máy bơm là tiêu chuẩn hóa đối với kích thước bơm, bơm ly tâm có đường kính tới 60mm còn bơm hướng trục có đường kính nhỏ tới 6mm Thực tế, lợi thế của máy bơm cánh dẫn là tổn hại trong máu thấp, kích thước và thể tích nhỏ hơn, chất lượng vận chuyển tốt không bị phá vỡ tế bào máu, làm việc với hàm lượng chất chống đông thấp hơn vì thế bệnh nhân ít bị xuất huyết hơn Do có kích cỡ nhỏ, bơm cánh dẫn cho phép cấy dưới da giống như có khả năng vận chuyển vào trong các thiết bị phức tạp hơn

Vi bơm ly tâm có thể cho áp lực cao đến 500mmHg sử dụng cho các máy trợ tim hay phổi với một đường kính lớn hơn đáng kể Bơm hướng trục phù hợp hơn bơm ly tâm khi cần tạo ra lưu lượng lớn và áp lực thấp Vì vậy, bơm ly tâm thường được sử dụng trong lưu thông vận chuyển máu từ bên ngoài thân thể, trong khi bơm hướng trục sẽ phù hợp hơn làm thiết bị hỗ trợ tim trực tiếp hay làm máy truyền dịch

Vi bơm hướng trục – Đặc điểm và kết cấu:

Vi bơm hướng trục làm việc trong dải ns cao , kích thước bơm nhỏ cỡ vài mm đến 15-20mm, bơm làm việc với số vòng quay lớn có thể vài nghìn hay lên tới hàng

trăm nghìn vòng / phút, công suất bơm cỡ vài W đến vài chục W, lưu lượng thông thường của bơm khoảng 1,5-8 l/ph , áp suất có thể đạt được tới 100mmHg, hiệu suất dạng bơm này thấp thường khoản 10 ÷ 40% Đã có nhiều thiết kế vi bơm hướng trục được đưa vào thực tiễn Bảng 1.1 dưới đây liệt kê thông số một số mẫu vi bơm hướng trục đã thương mại hóa trên thị trường và cũng rất hiệu quả

Bảng 1.1: Thông số một số mẫu vi bơm hướng trục thương mại:

L/ph

n vg/ph

và cũng cần chú ý tới ảnh hưởng của độ nhớt trong bơm

Vi bơm hướng trục kích thước nhỏ, yêu cầu làm kín cao thường sử dụng kết cấu dạng bơm điện từ hay bơm liên trục Với dạng bơm liền trục thì phải làm kín bằng các phương pháp đặc biệt như làm kín bằng các vật liệu tổng hợp, bằng vật liệu kim loại yêu cầu gia công siêu chính xác các bề mặt Hiện nay kết cấu bơm điện từ được ứng dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm của mình Bơm điện từ có kết cấu cơ bản:

Hình 1 6: Kết cấu vi bơm hướng trục dạng điện từ

1 Ống vào 2 Gối đỡ lối vào 3 Cuộn dây từ đỡ 4 Cuộn dây stato

5 Roto- BCT 6 Gối đỡ lối ra 7 Ống ra 8 Cáp 9 Vỏ bơm

Bánh công tác đồng thời là roto làm bằng vật liệu có từ tính được đỡ 2 đầu bởi gối đỡ 2 có cánh lối vào và gối đỡ lối ra 6 có cánh hướng dòng ra Dòng điện cấp cho cuộn dây 3 tạo ra từ trường giữ cho roto tự do trên 2 đệm từ trường Ngoài ra trên bơm có gắn các cảm biến kiểm tra khe hở hướng kính, khe hở hướng trục để đảm bảo điều khiển 2 cuộn dây từ 3 cho roto ở vị trí phù hợp Tiếp theo dòng điện được cấp cho cuộn dây dẫn động Stator Sinh ra từ trường cảm ứng làm quay roto Bánh công tác được gắn trực tiếp lên roto nên quay theo vận chuyển chất lỏng qua bơm Bằng việc thay đổi dòng điện qua cuộn cảm có thể thay đổi tốc độ quay của bơm

Ưu điểm của bơm từ kiểu kín:

Không cần làm kín phần roto và phần chứa nó Đệm từ của bánh công tác:

- Giảm chi phí bảo dưỡng do không mòn giảm thời gian chết

- Không yêu cầu bôi trơn, sử dụng ngay môi chất để bôi trơn

- Ít phát sinh nhiệt trong quá trình hoạt động

- Làm sạch, khử trùng dễ dàng

- Dải làm việc rộng, sự rung động và kích thước nhỏ

Điều khiển bằng dòng điện nên độ chính xác cao, lấy tín hiệu vào là áp suất điều khiển tốc độ qua đó điều khiển lưu lượng

*Nhược điểm:

Đòi hỏi trình độ cao về chế tạo và độ chính xác cao

Độ chính xác của chi tiết quyết định sự hoạt động của bơm, nếu bị kẹt có thể sẽ không hoạt động

Vật liệu làm chi tiết phải đảm bảo không gây ảnh hưởng đến chất lượng của máu, có giá thành cao

Luận văn dựa theo nghiên cứu trong đề tài cấp bộ B2008-01-199 “Nghiên cứu công nghệ, thiết kế, chế tạo vi bơm kiểu hướng trục ứng dụng trong kỹ thuật y sinh” Đây là đề tài đầu tiên trong nước nghiên cứu về lĩnh vực này Ở các nước tiên tiến như Nhật Bản, Mỹ, EU đều quan tâm đưa ra các mẫu sản phẩm tối ưu, hạ thấp giá thành để có thể đáp ứng nhu cầu phục vụ hàng triệu bệnh nhân về tim mạch, bệnh nhân cần cấp cứu cũng như các bệnh liên quan đến hệ tuần hoàn máu

Do vi bơm ở kích thước rất nhỏ, đặc tính và phương pháp thiết kế cũng như công nghệ chế tạo đều là những vấn đề đang rất được quan tâm và cần giải quyết trong tương lai gần Chất lượng thiết kế, hiệu suất và cũng như đặc đỉểm thủy lực dòng chảy như xoáy, xâm thực đều tác động làm giảm tuổi thọ của thiết bị vi bơm cũng như hiệu suất máy Các vấn đề này đang được nhiều nhà khoa học quan tâm

1.4 Hoạt động của tim người

Cấu trúc chức năng của tim

Tim người là một bộ phận quan trọng trong cơ thể người nó nằm ở giữa của nồng ngực, nó thường bị trễ xuống mặt bên trái vì bên trái tức là tâm thất trái hoạt động mạnh hơn Và do đó phổi trái thường nhỏ hơn phổi bên phải vì phần bên phải trái tim người lớn hơn bên trái Tim người được bao quanh bởi một túi màng và bao quanh nó là phổi, màng tim gồm hai phần màng có thớ, một cái màng lớn tách chúng ra gọi là van tim

Đối với người bình thường khối lượng của tim là 250 – 350 gam nhưng đối

với bệnh nhân bị phồng tim thì khối lượng của nó khoảng 1000g, gồm bốn ngăn với

hai ngăn trên là tâm nhĩ và hai ngăn dưới là tâm thất Tim trái chứa máu động mạch,

tim phải chứa máu tĩnh mạch Mỗi nửa tim lại chia làm hai buồng là tâm nhĩ và tâm

thất

Giữa tâm nhĩ và tâm thất có van nhĩ thất, gọi là van hai lá ở nửa tim trái và

van ba lá ở nửa tim phải Với tim người thì các van đều nằm trên một đường thẳng

và theo thứ tự từ phải qua trái chúng được gọi là van ba lá, và van hai lá

Giữa tâm thất và động mạch chủ, động mạch phổi có van tổ chim (tức van

bán nguyệt) Các van đảm bảo cho máu đi theo một chiều từ tâm nhĩ đến tâm thất và

từ tâm thất sang động mạch, có như vậy mới đảm bảo chức năng tuần hoàn máu

Hình 1 7: Cấu tạo tim người Một số đặc điểm hoạt động của tim

Chu trình hoạt động của máu trong tim, dưới sức hút của tâm thất phải máu

được hút lên tâm thất phải và nhờ sự co bóp của tâm thất phải và van ba lá máu

được đưa tới tâm nhĩ trái qua phổi và đến tâm nhĩ và đến tâm nhĩ trái và cuối cùng

là tâm thất trái và đi nuôi cơ thể Trong quá trình hoạt động tim co bóp liên tục theo

chu kì mỗi lần như thế gọi là một nhịp tim Nhịp tim thường là 72 nhịp trên phút vì

vậy mỗi chu kì của tim mất 0,8s nó chia cho quá trình hút và đẩy như sau:

Hoàn thành quá trình đẩy 0.4s

Khi mà nhịp tim tăng giai đoạn hoàn thành của quá trình đẩy gắn lại, trường

hợp này xảy ra trong khi con người hoạt động mạnh, dùng chất kích thích thuốc

hoặc cafee Nhịp tim giảm trong quá trình ngủ, nghỉ ngơi

Một chu kỳ vận chuyển máu của tim chừng 0.8s với nhịp đập 75 lần/phút

Lưu lượng của tim

Lưu lượng tim còn gọi là thể tích phút là lượng máu tim bơm vào động mạch

trong 1 phút Lưu lượng tim bình thường lúc nghỉ khoảng 4 – 6l/phút, trường hợp

gắng sức có thể đến 25l/phút

Lưu lượng của tim là thể tích của dòng máu từ tim đi trên đơn vị thời gian

nó phụ thuộc và các thông số sau: (a) Thể tích cửa ra và (b) Nhịp tim

Lưu lượng Q = thể tích một nhịp × nhịp tim

Lúc nghỉ ngơi 6,6 l/ph = 110cm3 /nhịp × 60 nhịp/ph

Sau khi lao động 40 l/ph = 2000 cm3/nhịp × 200 nhịp/ph

Hoặc theo công thức tính qua hàm lượng oxi:

Lưu lượng tâm thất trái =

Vi vậy thể tích hay nhịp tim có thể tăng lưu lượng ra của vi bơm trong thiết

bị hỗ trợ tim

Áp suất vào tại tĩnh mạch phải: 80 mm Hg

Áp suất ra tại cung động mạch chủ: 120 mm Hg

1.5 Vấn đề nghiên cứu

Luận văn đi vào giải quyết các vấn đề chính bao gồm:

- Tính toán thiết kế thủy lực vi bơm hướng trục dựa trên cơ sở phương pháp thiết kế Vôzơnhexenski-Pêkin, và có những hiểu chỉnh tối ưu cho thiết kế với vi bơm

- Xây dựng mô hình tính toán số và mô phỏng số dòng chảy trong vi bơm, đánh giá các thiết kế

- Nghiên cứu ảnh hưởng số cánh Z trong vi bơm

- Nghiên cứu ảnh hưởng khe hở thủy lực trong vi bơm

- Khảo sát thực nghiệm đặc tính làm việc của vi bơm

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VI BƠM HƯỚNG TRỤC

2.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế

Chuyển động của chất lỏng và tác dụng tương hỗ của nó với các bộ phận của bơm là đối tượng của lí thuyết bơm cánh dẫn Ta cần biết những định luật xác định các hiện tượng đó, cho phép đưa ra được các phương pháp tính toán thủy lực và độ bền của bơm Nghiên cứu chuyển động của chất lỏng trong bơm cần xuất phát từ cơ

sở cơ học chất lỏng và các nghiên cứu thí nghiệm , thực nghiệm sản xuất Mỗi lí thuyết chỉ tương ứng với một sơ đồ đơn giản hóa nào đó của đối tượng thực tế Sự đúng đắn của lí thuyết sẽ được kiểm tra bằng cách so sánh các kết luận rút ra một các logic từ lí thuyết với các số liệu do thực nghiệm có được.Vì vậy lí thuyết không thể phát triển mà không có thực nghiệm, đồng thời việc tổng hợp các số liệu thực nghiệm không thể không có lí thuyết Trong thực tế tính toán thiết kế các loại máy cánh dẫn, thường tồn tại nhiều phương pháp khác nhau để tính toán thiết kế các bộ phận của máy có cùng chức năng, nhưng cấu tạo lại khác nhau Các phương pháp tính toán đều là tính toán gần đúng, mỗi phương pháp chỉ đúng cho một nhóm nào

đó của hệ thống cánh có hình dáng hình học xác định Để sử dụng tốt lí thuyết và các phương pháp tính toán khác nhau cần phải biết các giới hạn có trong cơ sở của

lí thuyết Cơ sở lí thuyết của bơm cánh gồm có những quy luật trực tiếp rút từ những luận đề cơ sở của cơ học chất lỏng Như nhờ phương trình mômen động lượng mà xác định công do bánh xe công tác truyền cho chất lỏng, đó là đối tượng của phương trình cơ bản của máy cánh dẫn; cũng như nghiên cứu dòng chất lỏng lí tưởng ở trong phần dẫn dòng của bơm dựa trên cơ sở tổng hợp phương trình Becnuli trong chuyển động tuyệt đối và tương đối …

2.1.1 Các phương pháp thiết kế bơm hướng trục

Để tính toán bánh công tác và hướng dòng bơm hướng trục người ta có thể sử

dụng một trong các phương pháp sau:

- Phương pháp tương tự hình học

- Phương pháp một tọa độ

- Phương pháp lực nâng

- Phương pháp XTΓZ

- Phương pháp phương trình tích phân của Vôzơnhexenski-Pê kin

- Phương pháp phân bố xoáy trên cung mỏng của Lêxôkhin-Simônôv

- Phương pháp các điểm kỳ dị của Lêxôkhin

Phương pháp tương tự hình học: là phương pháp thiết kế đơn giản nhất dựa

vào các mẫu bơm có sẵn hoặc các mẫu bơm mô hình có ns tương đương Theo phương pháp này chỉ phải nhân các kích thước bơm mẫu với một hệ số dựa theo các thông số làm việc của bơm thực và bơm mẫu

Phương pháp một tọa độ: việc tính toán đơn giản hơn, song cần phải ứng dụng

biến hình bảo giác trên mặt phẳng để xây dựn profin và lưới cánh Profin cánh thiết

kế theo phương pháp này có thể đảm bảo được góc vào và góc ra phù hợp với đặc tính dòng chảy Song khi sử dụng phương pháp này đòi hỏi người thiết kế phải có kinh nghiệm chọn một số thông số ban đầu của lưới cánh

Phương pháp lực nâng: dựa trên cơ sở xác định lực nâng tác dụng lên profin

theo định luật Giucôpski Dựa vào đặc tính khí động lực học của các profin có sẵn, chọn frofin có hệ số lực nâng tương ứng với hệ số lực nâng tính toán Từ đó xây dựng được bánh công tác của bơm

Phương pháp XTΓZ: dựa trên giả thiết là độ cong của đường nhân profin có

ảnh hưởng quyết định tới lưu số vận tốc hay cột áp do cánh tạo nên, do vậy cũng ảnh hưởng quyết định tới lực nâng tác dụng lên profin cánh Dựa trên quan hệ của lực nâng Cy với lưu số vận tốc bao quanh profin Г và quan hệ của lực nâng với góc đặc trưng cho độ cong của profin βo, ta xác định được góc βo theo các thông số hình học và động học của cánh Trong trường hợp này đường nhân của profin cành là

một cung tròn Để nhận được profin có độ dày ta đắp độ dày trên đường nhân theo một quy luật xác định dựa theo các profin mẫu có đặc tính khí động tốt

Phương pháp phương trình tích phân của Vôzơnhexenski-Pêkin và phương pháp phân bố xoáy trên cung mỏng của Lêxôkhin-Simônôv có nội dung cơ bản

giống nhau Theo các phương pháp này, tác động của profin lên dòng chất lỏng được thay thế bởi các xoáy phân bố dọc theo đường nhân theo một quy luật xác định Dòng chảy tổng hợp được xác định bằng tổng của dòng song phẳng không nhiễu và dòng xoáy tạo bởi các xoáy phân bố dọc theo đường nhân profin

Bằng cách xác định đường dòng tổng hợp này ta sẽ xác định được đường nhân của profin, đó cũng là profin cánh có chiều dày mỏng vô cùng Để xác định profin

có chiều dày hữu hạn, ta đắp độ dày trên đường nhân profin theo một quy luật xác định Thông thường người ta chọn các profin thực nghiệm có đặc tính khí động tốt rồi lấy quy luật phân bố độ dày của nó để làm mẫu chuẩn cho profin thiết kế mới Điều khác nhau chính giữa hai phương pháp là:

- Theo phương pháp phương trình tích phân của Vôzơnhexenski-Pêkin coi đường nhân là một cung tròn Khi đó có thể giải được phương trình tích phân hàm dòng của đường dòng tạo bởi òng song phẳng không nhiễu và dòng xoáy tạo bởi các xoáy hỗn hợp phân bố trên đường nhân của profin trong lưới

- Còn theo phương pháp phân bố xoáy trên cung mỏng của Simônôv, đường nhân của profin là một cung cong bất kì xác định bởi dòng song phẳng không nhiễu và các xoáy phân bố trên đường nhân của tất cả các profin Trong trường hợp đó không thể giải phương trình tích phân bằng phương pháp giải tích mà phải giải bằng phương pháp số gần đúng liên tiếp Việc giải các phương trình này trở nên đơn giản hơn khi ta ứng dụng công nghệ số vào giải

Lêxôkhin-Phương pháp các điểm kỳ dị của Lêxôkhin:Phương pháp tính toán cánh có độ dày hữu hạn tương tự như phương pháp phân bố xoáy trên cung mỏng của Lêxôkhin-Simônôv, theo phương pháp này tác động của profin cánh lên dòng chất lỏng được thay thế bởi các xoáy nguồn và tụ phân bố tạo các điểm trên đường nhân

profin

Đường dòng khép kín của dòng tổng hợp tạo bởi dòng song phẳng không nhiễu

và các dòng phụ tạo bởi xoáy, nguồn và tụ sẽ là chu tuyến profin

Phương pháp tính toán này khá phức tạp, thường chỉ sử dụng trong tính toán thiết

kế tuabin thủy lực hướng trục

Chọn phương pháp thiết kế :

Trong các phương pháp thiết kế trên, tôi sử dụng phương pháp Pêkin để thiết kế bơm mô hình Hiện nay phương pháp Vôzơnhexenski-Pêkin là phương pháp được dùng rất phổ biến trong ngành chế tạo bơm vì các bơm tính toán theo phương pháp này đều có chất lượng và độ tin cậy cao

Vôzơnhexenski-2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp Vôzơnhexenski-Pêkin

Để xây dựng cánh công tác và cánh dẫn hướng người ta phải tính toán xây dựng các profin cánh ở các tiết diện khác nhau của lá cánh Các tiết diện này được tạo bởi các mặt trụ đồng tâm cắt các lá cánh Trải các tiết diện này ra trên mặt phẳng

và kéo dài về hai phía ta sẽ có lưới thẳng vô tận của các profin

Trong phương pháp của Vozonhexenski - Pekin đường nhân của các profin là các cung tròn, có thể coi như các profin có chiều dầy mỏng vô cùng

Tác động của các đường nhân này lên dòng chất lỏng chảy bao được thay bằng các xoáy với cường độ γ(s) phân bố trên đường nhân (hình 2-1)

Lưu số vận tốc trên phân tố đường nhân ds xác định bằng:

dΓ = (Wx - Wy) ds = γ(s) ds; (2-1) Lưu số vận tốc theo chu tuyến profin:

T x y dT

Hình2 1: Sơ đồ lưới profin mỏng vô cùng và phân bố xoáy trên đường nhân

Trong chảy bao profin có chiều dầy mỏng vô cùng, đường nhân profin có thể xem như đường dòng tổng hợp của chuyển động tương đối Vì vậy, hàm dòng tại điểm M bất kỳ của đường nhân được xác định bằng tổng hàm dòng của dòng song phẳng không nhiễu ψo và hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy liên hợp ψ1 Ta có:

Trong đó: t - Toạ độ điểm khảo sát,

r(s,t) - Khoảng cách từ điểm khảo sát của profin tới điểm A- tại đó có phân bố xoáy dΓ

Trong chảy bao profin, hàm dòng của dòng không nhiễu ψo xác định bởi vận tốc trung bình Wtb Hàm dòng ψ1 là hàm dòng tổng cộng của tất cả các xoáy phân

bố trên tất cả các profin trong lưới Vì vậy cần phải tích phân hàm dòng dψ1 không chỉ theo đường nhân profin từ 0 tới l mà còn theo trục lưới từ + ∞ tới - ∞ Khi đó ta có:

ds y y T sh x x T s

t t

L

) ( )

( sin ln ) ( 2

1 ) ( )

(

0

0

2 0

Phương trình tích phân này được sử dụng để xác định hàm xoáy γ(s) Các điều kiện biên để giải phương trình này là:

- Trong chảy bao đuôi profin γ(L) = 0,

- Trong chảy bao không va mép vào profin γ(0) = 0

Chảy bao không va mép vào prôphin được xem như chảy bao, trong đó dòng không nhiễu hướng song song với dây cung profin

Do ảnh hưởng của các profin kề nhau, góc vào không va đối với các profin trong lưới sẽ lệch so với góc đặt βl của dây cung một giá trị bằng: ∆α = βl - βtb.

Trong trường hợp chung ∆α = f(T,βl,βo) Với βo là góc đặc trưng cho độ cong của profin Với góc đặt của profin βl < 30o, góc ∆α chỉ phụ thuộc vào góc βo

Hình 2-2:(tiếp) Biểu đồ để xác định góc va ∆ α ứng với các độ cong β khác nhau 0

Giải phương trình hàm dòng (2-3) ở trên với các giá trị khác nhau của bước lưới tương đối To=T/L, góc đặt cánh β∞ và góc đặc trưng cho độ cong của profin βo cho thấy rằng, hàm L*( To, β∞) = Γλ/(WtbLβo) ít phụ thuộc vào góc βo Với các giá trị βo nhỏ, đại lượng (WtbLβo) tỷ lệ với lưu số Γλ Trên hình (hình 2-3) là các đường cong để xác định giá trị hàm L* phụ thuộc vào bước lưới tương đối To ứng với các giá trị β∞ khác nhau của prôphin trong lưới

Hình 2 3: Biểu đồ quan hệ L* =f(T 0 , β∞ )

Để tính toán lưới cánh theo phương pháp Vozonhexenski - Pekin, cần xác định sơ bộ trước các thông số kết cấu chính của phần dẫn dòng và các tam giác vận tốc Trước khi xây dựng đường nhân profin hoàn chỉnh cần phải tính bổ sung độ cong kể tới ảnh hưởng của chiều dầy của profin sao cho đặc tính tổng hợp của lưới profin có độ dầy sai khác không nhiều so với đặc tính của lưới tính toán Giá trị độ cong bổ sung cho profin có thể xác định theo biểu đồ (hình 2.4)

Hình 2 4: Đồ thị để xác định bổ sung

độ cong tính tới ảnh hưởng của chiều dầy profin

Trên đồ thị: ∆f = ∆f/L - độ cong tính bổ sung thêm của cung tương đương so với cung tính toán; ∆f = ftđ - ftt; C = δmax/L - độ dầy tương đối max của profin, θ2 =

90o - β2 - góc tạo bởi phương của vận tốc W2 và trục lưới z,

β2 = arctg(Wz/W2u)

Đại lượng ∆fliên hệ với độ cong của cung bằng:

C L o

Chiều dài cung tương đương và bán kính cong của cung tương đương sẽ được xác định bằng các biểu thức:

Ltđ = 0,0175 Lβtđ/sinβtđ; (2-9)

Rtđ = L/2sinβtđ; (2-10) Cung tương đương chính là profin có chiều dầy mỏng vô cùng hay là đường nhân của profin

Để nhận được profin có độ dầy ta dùng quy luật phân bố độ dầy của các prôphin mẫu có đặc tính động học tốt và dựa vào chiều dầy σmax chọn trước ta "đắp"

độ dầy cho cung tương đương Xâu các profin lại với nhau theo quy luật xác định ta

sẽ nhận được cánh hoàn chỉnh của bánh công tác

Vôzơnhexenski-Pêkin

2.3.1 Xác định các thông số của vi bơm hướng trục

Các thông số làm việc cơ bản:

-γmáu=1060kg/m3

-Lưu lượng Q = 5 l/ph = 1.10-4m3/s

- Cột áp H = 20mm Hg =0,27197 m H2O

-Số vòng quay n = 6000 vg/ph

Số liệu tính toán chọn ban đầu gồm các thông số:

- Hiệu suất chung của bơm: η ; b

- Hiệu suất thuỷ lực: η ; tl

- Hiệu suất lưu lượng: ηQ;

- Hệ số dự trữ công suất: K;

- Cột áp yêu cầu: H;

- Số tiết diện tính toán: N td;

- Bán kính tương đối của các tiết diện tính toán: R i;

- Hệ số phân bố vận tốc hướng trục: K Zi;

- Hệ số chèn dòng: K cdi;

- Chiều dầy tương đối max của các tiết diện: δmaxi;

Hệ số dự trữ công suất K lấy bằng 1,1 - 1,15

Như vậy ta chọn sơ bộ các thông số như sau:

- ηdc=0,9 - n =6000 v/ph

- ηb=0,6 - H =0,27197 mH2O

- ηtl =0,85 - N td =5

- ηQ= 0 , 85 - Q =1.10-4m3/s

- K = 1,1

* Xác định các thông số làm việc cơ bản ban đầu của vi bơm hướng trục

- Số vòng quay đặc trưng của bơm:

272 , 0

10 1 6000 65 , 3 65

, 3

4 / 3

4 4

n s

Dựa vào số vòng quay n s =600÷1800 ta chọn bơm hướng trục

+Tính đường kính trục bơm:

Trước hết ta tính công suất động cơ:

- Công suất bơm theo yêu cầu (hiệu suất bơm ηb = 0,6 )

=

Htu

K

Hình 2 6 : Biểu đồ quan hệ d b = f(K Htu)

Tra theo biểu đồ hình 2.6 ta được d b=0,55

Mặt khác ta có thể tính tỉ số bầu trung bình theo công thức:

; 577 , 0 3172

, 96 5 8 , 26

8 ,

4 2 /

b

V

Q D

Đường kính bánh công tác sau khi xác định xong cần phải kiểm tra theo điều kiện không xảy ra xâm thực:

60 4 10 1 3 60

=

nD

Q Q K

; 139 , 0 3 014 , 0 2 6000

2 60 272 , 0 2 2

2 60

=

D n

H H K

Các thông số quy dẫn được sử dụng để tính toán thay cho các thông số thực

Để bơm tạo được các thông số làm việc theo yêu cầu thì tất cả các tiết diện trừ tiết diện gốc sẽ tính với cột áp H p = 1 , 1H lt

2.3.2 Tính độ mau tối thiểu cho phép [L/T] của lưới cánh bánh công tác

Để xác định độ mau [ ]L / T i ta cần tính các thông số:

- Vận tốc dòng chảy theo phương hướng trục:

Q b

cd Z Zi

d D

K QK V

gH V

V

tgβ1 = ;

- Góc ra của dòng chảy:

2

Ui i

Zi i

V U

V tg

−

=

0 1

0 2

0 β β

Độ mau cho phép của lưới cánh ở tiết diện biên [L / T]bien còn được xác định theo đồ thị Khauel [L/T]= f(K tu)

Các giá trị [ ]L / T ở tiết diện biên tìm được theo các biểu đồ ở trên cần so sánh với các giá trị [L / T]bienxác định theo biểu thức:

[L T/ ]bien tu, = 5,95K Htu

và cần lấy giá trị lớn nhất trong các giá trị đã chọn

Kết quả tính cho phần này cho trong bảng 2.3 phụ lục

Tam giác vận tốc tại các tiết diện

Hình 2 7 :Tam giác vận tốc tại các tiết diện 2.3.3 Tính cung mỏng của profin cánh bánh công tác

Trong bước tính này cần tính các thông số:

- Số cánh bánh công tác:

Trong đó :

Thay số vào ta được Rtb= 0,0056 m , αgốc=35,052o , αbiên=19,39o

R

T = 2π ;

- Chiều dài dây cung profin:

ct i i i i i

Z T

L R T

L T

ω

Lưu số vận tốc của profincánh:

ct lt

gH Z

V arctg

2.3.4 Tính cung tương đương của profin cánh bánh công tác

Trong phần này ta sẽ tính các thông số sau:

- Gia số độ cong của cung tương đương do ảnh hưởng của chiều dầy prôfin:

) ,

i i

L f c