Kỹ thuật thủy khí (thuỷ khí động lực ứng dụng) ts nguyễn bốn, 148 trang

Kü thuËt thuû khÝ - Ch−¬ng I Mét số tính chất vật lý chất lỏng 1-1 Đối tợng, phơng pháp nghiên cứu môn học ứng dụng I.Đối tợng: Môn học Thuỷ khí động lực ứng dụng, đợc gọi Cơ học chất lỏng ứng dụng hay gọi cách gần Thuỷ lực Đối tợng nghiên cứu môn học chất lỏng Chất lỏng hiểu theo nghĩa rộng, bao gåm chÊt láng ë thĨ n−íc - ChÊt láng kh«ng nén đợc ( Khối lợng riêng không thay đổi) vµ chÊt láng ë thĨ khÝ - ChÊt láng nÐn đợc ( Khối lợng riêng thay đổi const ) Để tiện cho việc nghiên cứu, nh theo sù ph¸t triĨn cđa khoa häc, ng−êi ta chia chÊt láng thµnh chÊt láng lý t−ëng hay lµ chÊt láng không nhớt chất lỏng thực, gọi chất lỏng nhớt (độ nhớt 0) Chất lỏng tuân theo quy luật lực nhớt Niu-Tơn chất lỏng Niu-Tơn Còn chất lỏng không tuân theo quy luật ngời ta gọi chất lỏng phi Niu-Tơn, nh dầu thô chẳng hạn Thuỷ khí động lực nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng Thông thờng giáo trình, ngời ta chia thành ba phần: - Tĩnh học chất lỏng: nghiên điều kiện cân chất lỏng trạnh th¸i tÜnh Chương 1: Mở đầu -3- Kü thuËt thuû khÝ - - §éng häc chất lỏng: nghiên cứu chuyển động chất lỏng theo thời gian, không kể đến nguyên nhân gây chuyển động - Động lực học chất lỏng: nghiên cứu chuyển động chất lỏng tác dụng tơng hỗ với vật rắn Cụ thể phải giải toán sau đây: Xác định phân bố vận tốc, áp suất, khối lợng riêng nhiệt độ chất lỏng Xác định lực tác dụng tơng hỗ chất lỏng vật rắn xung quanh Vị trí môn học: nhịp nối môn khoa học bản(Toán, Lý ) với môn kỹ thuật chuyên ngành Phơng pháp nghiên cứu - Dùng phơng pháp sau đây: - Lý thuyết: Sử dụng công cụ toán học, chủ yếu nh toán giải tích, phơng trình vi phân Chúng ta gặp lại toán tử vi phân quen thuộc nh−: gradient: grad p = i divergent: divv = rotor: i ∂ rot v = ∂x Vx To¸n tư Laplas: = = Đạo hàm toàn phần: p p ∂p + j +k ∂z ∂x ∂y ∂v x ∂v y ∂v z + + ∂z ∂x ∂y j ∂ ∂y Vy k ∂ ∂z Vz ∂2 ∂2 ∂2 + + ∂x x ∂y ∂z V ( x, y , z ) : dV ∂V ∂V ∂x ∂V ∂y ∂V ∂z = + + + dt ∂t ∂x ∂t ∂y ∂t ∂z ∂t Chương 1: Mở đầu -4- Kü thuËt thuû khÝ - Và sử dụng định lý tổng quát học nh định lý bảo toàn khối lợng, lợng, định lý biến thiên động lợng, mômen động lợng, ba ®Þnh lt trao ®ỉi nhiƯt (Fourier), vËt chÊt (Fick), ®éng lợng (Newton) - Phơng pháp thực nghiệm: dùng số trờng hợp mà giải lý thuyết, nh xác định hệ số cản cục - Bản thực nghiệm: kết hợp lý thuyết thực nghiệm Ưng dụng: - Thuỷ khí động lực có ứng dụng rộng rÃi ngành khoa học, kỹ thuật nh giao thông vận tải, hàng không, khí, công nghệ hoá học, vi sinh, vật liệu chúng có liên quan đến chất lỏng: nớc khí 1-2 Sơ lợc lịch sử phát triển môn học Thuỷ khí động lực biểu thị liên hệ chặt chẽ khoa học yêu cầu thực tế Nông nghiệp đà đòi hỏi thuỷ lợi phát triển sớm nh kênh đào, đập nớc, đóng thuyền, bè xin nêu số nhà bác học quen thuộc mà qua thấy phát triển môn học Tên tuổi Acsimet (287-212, trớc công nguyên) gắn liền với thuỷ tĩnh-lực đẩy Acsimet Nhà danh hoạ ý Lêôna Đơvanhxi (1452-1519) đa khái niệm lực cản chất lỏng lên vật chuyển động Ông muốn biết chim lại bay đợc Nhng phải 400 năm sau, Jucopxki Kutta giải thích đợc: lực nâng Hai ông L.Ơle (1707-1783) D.Becnuli (1700-1782) ngời đà đặt sở lý thuyết cho thuỷ khí động lực, tách khỏi học lý thuyết để thành ngành riêng Hai ông ngời Thuỵ Sĩ, sau đợc nữ hoàng Nga mời sang làm việc Viện hàn lâm khoa học Pêtêcbua Tên tuổi Navie Stôc gắn liền với nghiên cứu chất lỏng thực Hai ông đà tìm phơng trình vi phân chuyển động từ năm 1821 đến năm 1845 Nhà Chương 1: Mở đầu -5- Kü thuËt thuû khÝ - bác học ngời Đức L.Prandtl đà sáng lập lý thuyết lớp biên (1904), góp phần giải nhiều toán động lực học Nửa cuối kỷ này, thuỷ khí động lực phát triển nh vũ bÃo với nhiều gơng mặt sáng chói, kể nớc ta 1-3 Một số định nghĩa tính chất lý chất lỏng Khối lợng riêng trọng lợng riêng Khối lợng M chất lỏng đợc đặc trng khối lợng đơn vị thể tích w gọi khối lợng riêng hay khối lợng đơn vị: = M (kg / m ) ƯW Tơng tự, trọng lợng riêng = G ( N / m ; kG / m ) W Träng l−ỵng vËt cã khèi l−ỵng kg cã thÓ coi b»ng 9,8N ; 1kG ≈ 10N = 1daN Ta cã mèi liªn hƯ: γ =ρg; g = 9,8 m/s2 Tỷ trọng tỷ số trọng lợng riêng chất so với trọng lợng riêng n−íc ë nhiƯt ®é to=4oC δ= γ γ n,4 , 2.ChÊt láng cã mét sè tÝnh chÊt dÔ nhËn biÕt sau Tính liên tục: vật chất đợc phân bố liên tục không gian Tính dễ di động biểu thị chỗ: ứng suất tiếp (nội ma sát) chất lỏng khác có chuyển động tơng đối lớp chất lỏng Tính nén đợc: thể tích W chất lỏng thay đổi áp suất tác dụng áp suất p nhiệt độ t thay đổi Ta có hệ số nén đợc: p = − dW (m / N ) W dp Chương 1: Mở đầu -6- Kü thuËt thuû khÝ - βT = dW (1 / K ) W dT Mô đuyn đàn hồi: E = , khả chống lại biến dạng chất lỏng Bảng 1-1:Khối lợng riêng, trọng lợng riêng, tỷ trọng số chất tt Tên gọi Nớc KLR, TLR Tỷ trọng Nhiệt áp r,kg/m3 ,N/m3 độ 0C suất,at 6867 0,7 16 15 1000 9810 Xăng 700 Thuỷ ngân 13.550 132.9255 13,55 Sắt 7.800 76.518 7,8 Cån 800 7848 0,8 D©u madut 900 0,9 Kh«ng khÝ 1,127 8829 11,77 1,127.10-3 27 Tính nhớt giả thuyết Newton: Tính nhớt tính cản trở chuyển động chất lỏng Ta nghiªn cøu tÝnh nhít dùa trªn thÝ nghiƯm cđa Newton Có hai phẳng (H.1-1): Tấm dới II cố định; Tấm I có diện tích S chuyển động dới tác dụng ngoại lực F Giữa có líp máng chÊt láng h Sau ®ã mét thêi gian đó, I chuyển động với vận tốc tơng đối v // với II Chương 1: Mở đầu -7- Kü thuËt thuû khÝ - n I u II H.1-1 ThÝ nghiệm cho ta thấy phân tử chất lỏng dính chặt vào I di chuyển với vận tốc u, phần tử dính chặt vào II không chuyển động Vận tốc phân tử lỏng phẳng tăng theo quy luật tuyến tính tỉ lệ với khoảng cách II (H.1-1) Newton giả thiết chất lỏng chuyển động, chảy thành lớp vô mỏng với vận tốc khác nhau, trợt lên Giữa lớp chất lỏng chuyển động tơng xuất lực ma sát Đó lực ma sát trong, gọi lực nhớt: T = S ; øng suÊt tiÕp: τ =μ du ; dn (1.1) μ hệ số phụ thuộc vào chất lỏng hai phẳng, đặc trng cho tính nhớt gọi hệ số nhớt động lực độ nhớt động lực Trong du/dn gradient vận tốc theo phơng n vuông góc với dòng chảy u Những chất lỏng tuân theo (1.1) gọi chất lỏng Newton nh ®· nãi ë trªn Chương 1: Mở đầu -8- Kü thuËt thuû khÝ - μ= Từ (1.1) rút Nếu lấy S =1 đơn vị; T du S dn du = đơn vị tơng ứng với lực Đơn vị dn đo μ hƯ SI lµ N.s/m2; hƯ CGS lµ poa-zơ: P; 1P = 10-1N.s/m2 Ngoài , dùng hệ số nhớt động hoc = / biểu thức có liên quan tới chuyển động Đơn vị đo ν hƯ SI lµ m2/s, hƯ CGS lµ: Stốc: St; 1St = 10-4m2/s Các hệ số thay đổi theo nhiệt độ áp suất Nhìn chung chất lỏng giảm nhệt độ tăng tăng áp suất tăng; chất khí tăng nhiệt độ tăng giảm áp suất tăng Ví dụ: Bảng 1- 2:Độ nhớt động học cđa mét sè chÊt t, 0C ν, St N−íc 20 0,0001 Dỗu PS-46 30 46 Dầu: IC-30, 50 30 Không khí 27 13,94.10-11 Ngoại lực tác dụng lên chất lỏng đợc chia thành loại: - Lực mặt lực tác dụng lên chất lỏng tỉ lệ với diện tích mặt tiếp xúc (nh áp lực: P=p.S, lực ma sát: T=.S,) - Lực khối lực tác dụng lên chÊt láng tØ lƯ víi khèi l−ỵng (nh− träng lùc: G=mg, lùc qu¸n tÝnh: Fqt=m.a,…) Chương 1: Mở đầu -9- Kü thuËt thuû khÝ Ch−¬ng II TÜnh häc chÊt láng TÜnh häc chÊt lỏng hay thuỷ tĩnh học nghiên cứu quy luật cân chất lỏng trạng thái tĩnh Ngời ta phân làm trạng thái tĩnh: Tĩnh tuyệt đối - chất lỏng không chuyển động so với hệ toạ độ cố định gắn liền với trái đất; Tĩnh học tơng đối - chất lỏng chuyển động so với hệ toạ độ cố định, nhng chúng chuyển động tơng đối Nh vậy, chất lỏng thực lý tởng Chơng chủ yếu nghiên cứu áp suất áp lực chất lỏng tạo nên 2-1 áP suất thuỷ tĩnh Định nghĩa: áp suất thuỷ tĩnh ứng suất gây ngoại lực tác dụng lên chất lỏng trạng thái tĩnh H.2.1 Để thể rõ khái niệm áp suất thuỷ tĩnh chất lỏng, ta xÐt I thĨ tÝch chÊt láng giíi h¹n bëi diện P A tích (H.2-1) Tởng tợng cắt khối P chất lỏng băng mặt phẳng AB, chất B lỏng phần I tác dụng lên phần II qua mặt cắt Bỏ I mà giữ II II trạng thái cân phải thay tác dụng I lên II lực P gọi áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên mặt Chương2.Tĩnh học chất lỏng - 10 - Kü thuËt thuû khÝ áp suất trung bình ptb = P ω ΔP Δω → Δω p M = Lim Còn áp suất điểm M: Đơn vị áp suất: N/m2 = Pa (Pascal) 1at = 9,8.104N/m2 = 104kG/m2 = 10mH2O = 10T/m2 = 1kG/cm2 1bar=105.N/m2, MPa=106 N/m2 Ap suất đơn vị véc tơ Hai tÝnh chÊt cđa ¸p st thủ tÜnh a p suất thuỷ tĩnh luôn tác dụng thẳng góc hớng vào mặt tiếp xúc (H.2-2) b p suất thuỷ tĩnh điểm theo phơng Cã thĨ chøng minh b»ng c¸ch xÐt khèi chÊt láng hình mặt có cạnh dx, dx, dz vô nhỏ bé nh hình vẽ Khi thể tÝch ΔW=dx.dy.dz ≠ th× r r r r px ≠ p y ≠ pz ≠ p Khi ΔW=dx.dy.dz→ th× px = p y = pz = p (2.1) 2-2 Phơng trình vi phân cân chất lỏng- Phơng trình ơ-Le tĩnh (1755) Phơng trình biểu diễn mối quan hệ ngoại lực tác dụng vào phÇn tư chÊt láng víi néi lùc sinh (tức áp suất thuỷ tĩnh p) Chương2.Tĩnh học chất lỏng - 11 - Kü thuËt thuû khÝ XÐt mét phÇn tư chất lỏng hình hộp có cạnh dx, dy, dz // x, y, z (H.2-3) Trọng tâm M(x,y,z) chịu áp suất thuỷ tĩnh p(x,y,z) Lực mặt tác dụng lên hình hép gåm c¸c lùc ¸p st thủ tÜnh t¸c động mặt (áp lực) Theo phơng ox áp lùc tõ hai phÝa sÏ lµ ∂p ⎞ ⎛ Px = ⎜ p + dx ⎟dydz ∂x ⎠ ⎝ ∂p ⎞ ⎛ P' x = ⎜ p − dx ⎟dydz ∂x ⎠ ⎝ vµ mX = Xdxdydz Lực khối theo phơng ox là: m = dxdydz; Víi z Px/ M F Px y x hinh2-3 LËp điều kiện cân phân tử chất lỏng hình hộp dới tác dụng lực khối áp lực Hình chiếu lực lên trục x: x =P' x − Px + mX = (2-2) Thay vào (2-2) ta đợc: Chương2.Tĩnh học chất lỏng - 12 - Kü thuËt thuû khÝ R= 80 ω = = 2,675m χ 29,9 Tính C theo công thức Pavơlôpxki ta đợc C = 48,80 m/ s VËy K = ωC R = 80 48,80 2,675 = 6340m2/s Vµ: Q = K i = 6340 0,00025 = 100,2 m /s VÝ dô 2: Xác định kích thớc kênh hình thang (b,h); cho mặt cắt lợi thủy lực, chi biết: chiều rộng đáy b = 1,2m, hƯ sè m¸i m = 1,5, hƯ sè nh¸m n = 0,025, độ đốc đáy i = 0,0004 lu lợng Q = 1m 2/s Giải: Ta có: K= Q = i = 50m / s 0,0004 V× mặt cắt lợi thủy lực nên tính theo công thác (10-5) hay bảng (10-1) Theo bảng (10-1) m = 1,5 th× β = 0,606 Víi , m, n đà biết K phụ thuộc h; ta cho số giá trị h, tính K = C R tơng ứng Kết ghi lại b¶ng sau: B¶ng 10.2 h(m) ω(m ) R (m) C (m0+5/s) K(m2/s) 0,9 0,8 0,7 2,700 2,295 1,92 1,575 0,5 0,45 0,40 0,35 35,60 35,00 34,30 33,60 68 54 41,7 31,3 Từ số liệu bảng (7-2) ta vẽ đờng cong K = f (h) tìm đợc ứng với K = 50m2/s h = 0,87m (H.77) 10.5 Tính toán thủy lực cho dòng chảy không áp kênh (máng) kín 10.5.1 Đặc điểm dòng chảy không áp kênh kín Chơng10:Dòng chảy không áp kªnh - 136 - Kü tht thủ khÝ Ta thờng gặp dòng chảy không áp kênh, máng kín, cống ngầm thoát nớc thành phố, đờng hầm xuyên qua núi đờng ống dẫn nớc lớn Mặt cắt ngang kênh tùy theo yêu cầu sử dụng mà có hình dạng khác nhau, nhng tất kín (H.10-6) H.10-6 Lý thuyết thực nghiệm chứng minh đợc dòng chảy kênh kín có lu lợng lớn chảy không áp (tức không ngập mặt cắt kênh) chảy có áp Ví dụ kênh mặt cắt hình tròn có Qmax độ sâu h kênh 95% đờng kính Vmax h 81% đờng kính 10.5.2 Phơng pháp tính toán Cơ sở để tính toán dòng chảy không áp kênh kín công thức (10-2b) (10-4) Nhng biểu thức tính , , R thờng phức tạp nên việc sử dụng công thức phiền phức Ví dụ với trờng hợp tơng đối đơn giản hình (H.1079) Khi h > D th×: ω= (ϕ - sin ϕ) D 2; χ= ϕD H.10-7 Chơng10:Dòng chảy không ¸p kªnh - 137 - Kü tht thủ khÝ R= ⎛ sin ϕ ⎞ ⎜1 − ⎟ D ϕ ⎟⎠ ⎜⎝ Trong ®ã góc tâm Để việc tính toán đợc đơn giản ngời ta đà làm sẵn bảng tính đồ thị Cho mặt cắt kênh kín đó, gọi: H: chiều cao kênh h: độ sâu dòng chảy W,K: đặc trng vận tốc đặc trng lu lợng khi: h < H W 0, K đặc trng vận tốc đặc trng lu lợng khi: h = H Nếu tính C theo công thức Pavơlôpxki xem y không đổi h thay đổi rõ ràng tỉ số a= K W phụ thuộc độ sâu tơng đối K0 W0 h mà không phụ thuộc hệ số nhám kích thớc tuyệt đối mặt H cắt Thờng đặt: K = f1 (a) = A K0 W = f2 (b) = B W0 Cã thÓ tính trớc để lập bảng hay vẽ thành biểu đồ quan hệ cho loại mặt cát Hình 10-21 cho đờng biểu diễn A, B mặt cắt hình tròn Với biểu đồ đó, ta cần tính W0, K0 có trị số W, K ứng với độ sâu h khác nhau, mà giải đợc toán dòng chảy không áp kênh kín cách đơn giản Để tính toán nhanh chóng hơn, ngời ta tính sẵn W0, K loại mặt cắt víi hƯ sè nh¸m th−êng dïng 10.5.3 VÝ dơ: Chơng10:Dòng chảy không ¸p kªnh - 138 - Kü tht thủ khÝ Xác định đờng kính ống tròn bê tông cốt thép cho a= h ≤ 0,8 BiÕt Q = 3m 2/s; i = 0,004; H n = 0,013 Gi¶i: Víi a = 0,8, ta Phụ lục 7-3 H.21 PL, ta đợc A = VËy: K0 = K Q = = = 47,4 m /s A A i 0,004 Mặt khác ta cã: πd ⎛ d ⎞ ⎛ d ⎞ 1/ K = ω0C0 R0 = ⎜ ⎟ n ⎝4⎠ 1/ ⎜ ⎟ ⎝4⎠ = πd / 4n3 16 = 47,4 m 3/s Giải phơng trình ta đợc d = 1,3m Vì ống thờng đúc sẵn với đờng kính định nên cần tìm phụ lục giá trị K0 lớn gần giá trị vừa tính trªn Ta cã K = 71,0m3 /s, øng víi ống có đờng kính d = 1,5m W = 40,1m/s Nếu lấy d lớn lên nh độ sâu tơng đối a thay đổi, đó: A= K Q = = ≈ 0,666 K K i 71 0,004 Tra Phô lôc 7-3 H.21PL tìm đợc a = 0,60 B = 1,07, độ sâu dòng chảy là: h = AH = 0,6 1,5 = 0,9m vận tốc trung bình là: v = W i = BW0 i = 1,07 40,1 0,004 = 2,58m/s 10.6 VËn tèc cho phÐp kªnh Trong thiết kê cần ý tới tất vấn đề có ảnh hởng đến việc sử dụng kênh, để điều kiện bình thờng (và điều kiện phát triển mở rộng sản xuất) giữ đợc lu lợng mức nớc kênh dùng chế độ thiết kế Chơng10:Dòng chảy không áp kênh - 139 - Kü thuËt thuû khÝ Muốn việc lựa chọn hình dạng mặt cắt để kênh không bị sụt lở, phải ý khống chế vận tốc chảy kênh phạm vi Vì v lớn gây xói lở lòng kênh, ngợc lại vận tốc nhỏ gây tợng bồi lắng kênh Để không gây xói nh không lắng vận tốc v dòng chảy kx lớn vận kênh phải nhỏ vận tốc lín nhÊt kh«ng xãi vmax kl tèc nhá nhÊt kh«ng l¾ng vmin ; kl kx vmin < v < vmax Vận tốc lớn không xói vận tốc mà không dòng chảy đạt tới trị số mặt cắt ngang kênh không bị xói lở Vận tốc lớn không xói phụ thuộc vào loại vật liệu làm kênh, độ sâu nớc số lợng hạt dòng chảy mang theo Với số lợng hạt lơ lửng dòng chảy đà cho không kl muốn sinh bồi lắng vận tốc chảy không đợc nhỏ vmin kl số vận tốc chảy mà không sinh bồi lắng kênh vmin vận tốc nhỏ kl vmin thờng đợc tính công thức thực nghiệm, nhng gần kl ®óng cã thĨ lÊy vmin < 0,6m/s kl nhá qu¸ 0,3m/s Đối với kênh có nớc không nên lấy vmin để tránh mọc rêu Chơng10:Dòng chảy không áp kênh - 140 - Kỹ thuật thuỷ khí Chơng XI Máy thuỷ lực v trạm 11-1 Khái Niệm chung máy thuỷ lực Máy thuỷ lực thiết bị dùng để trao đổi lợng với chất lỏng qua theo nguyên lý thuỷ lực học nói riêng học chất lỏng nói chung Ví dụ:bơm,dùng ụông để vận chuyển chất lỏng; tuabin nhận lợng dòng nớc để biến thành kéo máy làm việcNgày máy thuỷ lực đợc dùng phổ biến nhiều lĩnh vực sản xuất nh sinh hoạt.Có thể nói hầu nh không ngành kỹ thuật không s dụng máy thuỷ lực VàI nét lịch sử máy thuỷ lực Máy thuỷ lực thô sơ đà có từ thời cổ xa.Guồng nớc loại máy thuỷ lực đầu tiên,lợi dụng lợng dòng nớc sôgn suối để kéo cối xay lơng thực đa nớc vào kênh tới ruộng, đợc dùng Trung Quốc,ấn độkhoảng 3000 năm trớc Trớc kỷ 17, nói chung máy máy thuỷ lực thô sơ loại(chủ yếu loại guồng nớc dụng cụ đơn giản để vận chuyển nớc từ thấp lên cao).MÃi ®Õn thÕ kû 18 vµ sau nµy míi cã nhiỊu nhà bác học nghiên cứu cách khoa học hình dạng kết cấu cảu máy thuỷ lực từ sau xuất nhiều loaị phong phú Năm 1640 nhà vật lý học ngời Đức Otto-Herich đà sáng chế bơm pittong để bơm khí nớc để dùng công nghiệp Nhà bác học nga Lômônôsop (1711-1765) ngời dùng lý luận học chất lỏng để cải tạo kết cấu guồng nớc từ ngàn xa, nâng cao hiệu suất, công suất guồng để dùng sản xuất công nghiệp thêi bÊy giê Máy thuỷ khí - 141 - Kỹ thuật thuỷ khí Trong năm 1751-1754, Ole (1707-1783) đà viết lý thuyết tuabin nớc nói riêng máy thuỷ lực cánh dẫn nói chung làm sở để 50 năm sau, Phuôcnâyrôn (pháp) chế tạo thành công tuabin nớc 1831 Xablucot (Nga) sáng chế bơm ly tâm Cùng với đôì máy nớc cuối kỷ 18 phát minh tuabin nớc bơm lytâm đầu kỷ 19 bớc nhảy lớn lịch sủ máy lợng Về sau nhiều nhà khoa học lớn Giucõpki (1847-1921), Traplghin (1869-1942), Pơrôtskuađà sáng tạo lý thut vỊ dßng chÈy bao quanh hƯ thèng cánh dẫn, hoàn chỉnh lý thuyết máy thuỷ lực cánh dẫn Đặc biệt 50 năm gần lý thuyết thuỷ khí động lực phát triển mạnh có nhiều thành tựu to lớn việc áp dụng thành phát minh lĩnh vực máy thuỷ lực vô phong phú Ngày máy thuỷ lực có nhiều loại với nhiều kiểu khác đợc dùng lĩnh vực công nghiệp Để đáp ứng yêu cầu lợng ngày lớn công nghiệp đại ngời ta đà chế tạo đợc tuabin nớc cỡ lớn có công suất tới 500.000 KW lớn hơn.Việc ứng dụng truyền động thuỷ lực ngày nhiều ngành chế tạo máy góp phần cao tiêu kỹ thuật, kinh tế máy móc đáp ứng phần yêu cầu tự động hoá ngày cao kỹ thuật Ơ nớc ta, từ lâu đời nhân dân lao động đà biết dùng nớccối già gạo, dùng sức nớc để phục vụ sản xuất nông nghiệp, nhng dới ách thống trị phong kiến đế quốc, khoa học kỹ thật nớc ta bị kìm hÃm nhiều Từ cách mạng tháng đến khoa học kỹ thuật nớc ta phát triển mạnh mẽ.Việc chế tạo việc sử dụng máy móc ngày nhiều lĩnh vực phục vụ sản xuất, chiến đấu sinh hoạt, có nhiều loại máy thuỷ lực.Hiện nớc ta đà có nhiều nhà máy sản xuất loại Máy thuỷ khí - 142 - Kỹ thuật thuỷ khí máy thuỷ lực thông dụng nh loại bơm, tuabin nớc Để bớc đầu phục vụ công thuỷ lợi hoá, khí hoá, điện khí hoá đất nớc 11-2 Phân loại m¸y thủ lùc Ta biÕt r»ng bÊt kú mét dòng chất lỏng chuyển động tiềm năng lợng nhấ định; tác dụng máy thuỷ lực trao đổi (nhận cho) lợng với dòng chất lỏng chuyển động qua để kéo máy làm việc vận chuyển chất lỏng Theo tính chất trao đổi lợng với chất lỏng máy thuỷ lực đợc chia làm hai loại: Loại máy thỷ lực tiếp thu dòng chảy chất lỏng để kéo máy làm việc khác có tác dụng nh động gọi động thuỷ lực (nh tuabin nơc,.các loại động thuỷ lực máy công cụ) Ngợc lại, loại máy thuỷ lực dùng cho chát lỏng để tạo lên áp suất vận chuỷển chất lỏng đợc gọi bơm (nh loại bơm, quạt) Trong kỹ thuật có máy thuỷ lực làm việc nh động cơ, làm việc nh bơm gọi máy thuỷ lực thuận nghịch Theo nguyên lý tác dụng máy thuỷ lực với dòng chất lỏng trình làm việc, ngời ta chia máy thuỷ lực thành nhiều loại khác nhau, nhng chủ yếu có hai loại: -Máy thuỷ lkực cánh dÉn -M¸y thủ lùc thĨ tÝch Trong m¸y thủ lùc cánh dẫn, việc trao đổi lợng máy với chất lỏng đợc thực lợng thuỷ động dòng chất lỏng chuyển động qua máy Dòng chảy qua máy thuỷ lực cánh dẫn dòng liên tục.Trên bánh công tác có gắn nhiều cánh để dẫn dòng chảy gọi cánh dẫn Biên Máy thuỷ khí - 143 - Kỹ thuật thuỷ khí dạng góc độ bố trí cánh dẫn ảnh hởng trực tiếp đến thành phần vận tốc dòng chảy nên có ý nghĩa quan trọng việc trao đổi lợng máy với dòng chảy Có thể nói máy thuỷ lực cánh dẫn dùng cánh dẫn để trao đổi lợng với chất lỏng Nói chung lợng dòng chất lỏng trao đổi với máy thuỷ lực cánh dẫn gồm có hai thành phần: động ( P V2 ) áp ( ) Hai thành 2g phần lợng lợng thuỷ động dòng chảy qua máy tạo nên, có liên quan mật thiết với nhau.Trong trình làm việc máy, biến đổi động kéo theo biến đổi áp Máy thuỷ lực cánh dẫn có tính kỹ thuật cao, tiêu kinh tế tốt phạm vi sử dụng rộng rÃi nên đợc dïng rÊt phỉ biÕn M¸y thủ lùc thĨ tÝch thùc trao đổi lợng với chất lỏng theo nguyên lý nÐn chÊt láng mét thĨ tÝch kÝn d−íi áp suất tĩnh Nh lợng trao đỏi m¸y thủ lùc thĨ tÝch víi chÊt láng p cã thành phần chủ yếu áp ( ) thành phần động năng(của phần tử chất lỏng chuyển động qua máy ) không đáng kể nên có gọi máy thuỷ lực thể tích máy thuỷ lực thuỷ tĩnh Loại máy thuỷ lực thể tích có nhiều u điểm phạm vi sử dụng cần có áp suất cao lu lợng nhỏ đợc dùng nhiều ngành chế tạo máy Ngoài có loại máy thuỷ lựckhác không thuộc hai loại máy làm việc theo nguyên lý khác nh bơm phun tia, bơm nớc vaPhần lớn loại máy thuỷ lực có suất tính kỹ thuật thấp so với máy thuỷ lực cánh dẫn thể tích, phạm vi sử dụng chúng công nghiệp bị hạn chế Trong kỹ thuật đại, ngành chế tạo máy tự động hoá sư dơng nhiỊu trun ®éng thủlùc Trun ®éng thủ lùc tổ hợp cấu Máy thuỷ khí - 144 - Kỹ thuật thuỷ khí thuỷ lực (gồm máy thuỷ lực) để truyền từ phận dẫn động đến phận công tác, biến đổi vận tốc, lực,momen biến đổi dạng hay quy luật chuyển động Theo nguyên lý làm việc, truyền động thuỷ lực đợc chia làm hai loại: -truyền động thuỷ ®éng, -trun ®éng thủ tÜnh Trong trun ®éng thủ động việc truyền phận máy chủ yếu đợc thực động dòng chất lỏng.Truyền động thuỷ động có hai loại:khớp nối thuỷ lực biến tốc thuỷ lực, thờng đợc dùng nhiều ngành khí động lực vận chuyển Còn truyền động thuỷ tĩnh việc truyền phận máy chủ yếu đợc thực áp dòng chất lỏng, thờng dùng cho máy thuỷ lực thể tích nên gọi truyền động thuỷ tĩnh truyền động thuỷ lực thể tích.Truyền động thuỷ tĩnh có nhiều dạng khác đợc dùng phổ biến ngành chế tạo máy hệ thống điều khiển tự động Để hình dung tổng quát phân loại máy thuỷ lực hÃy xem sơ đồ phân loại máy thuỷ lực kèm theo có ghi máy thuỷ lực truyền ®éng thuû lùc Máy thuỷ khí - 145 - Kỹ thuật thuỷ khí Bảng 11-1 Theo Năng lợng p/g V2/2g Cho NL -Bơm, quạt, máy thổi ly -Bơm, máy nén khí tâm pítton Nhận -Bơm thuỷ lực roto -Bơm màng -Bơm, quạt hớng trục -Bơm trục vít -Tuabin ly tâm, TB hớng -xylanh thủ lùc tÞnh NL trơc tiÕn -Tua bin khÝ -Động thuỷ lực -Bơm xoáy tự Theo nghĩa Trao đổi quay Cho nhận Loại khác -Truyền động thuỷ động -Truyền động thuỷ tĩnh -Bơm nớc va, bơm tia, thuỷ luân 11-3 cáC THÔNG Số CƠ BảN M¸Y THUû LùC Máy thuỷ khí - 146 - Kỹ thuật thuỷ khí Cét ¸p Cét ¸p thùc tÕ cđa m¸y thủ lực độ chênh lợng đầu cuối máy: bơm: Hb = er- ev , đối víi tua bin: Ht = ev - er Cét ¸p lý thuyÕt: Hlt = H/ηH (11-1) (11-1’) (11-2) ηH hiệu suất thuỷ lực máy, đặc trng cho tổn thất xoáy ma sat máy Lu lợng Lu lợng thực qua ống đẩy Q < Qn phần nhỏ Q chảy trở lối vào bánh công tác rò rỉ Để đánh giá tổn thất lu lợng, Q = ngời ta đa vào hệ số lu lợng Q Qlt (11-3) Q < phụ thuộc vào chất lợng phận lót kín (Q=0,95ữ0,98) Công suất: Là lợng chất lỏng trao đổi với máy đơn vị thời gian Công suất thuỷ lực công suất có ích bơm công suất vào tua bin: N tl = víi: γQH 1000 (kW ) , (11-4) (N/m3), Q(m3/s), H(mH2O) Công suất trục bơm công suất vào bơm công suất cđa tua bin: Nt= Mω, (11-5) HiƯu st: đánh giá tổn thất lợng trình máy trao đổi lợng với chất lỏng: Máy thuỷ khí - 147 - Kỹ thuật thuỷ khí ηb = N tl N η tb = t Nt N tl (11-6) Cã ba loại tổn thất nên có ba loại hiệu suất: cột áp, khí lu = HCQ lợng: (11-7) Trong C-là hiệu suất khí đăc trng cho tổn thất ma sát khí đĩa bánh công tác, vòng làm kín Công suất động để kéo bơm: Nđc > N Bốn thông số bơm vừa nêu có liên quan mật thiết với nhau, kỹ thuật mối liên quan đợc biểu diễn đồ thị, gọi đờng đặc tính mà ta xem tài liệu tham khảo Độ cao hút cho phép Viết phơng trình Becnuli cho - v - v (hình 10 -3): p1 p v α v v 2v = hs + + + h wd γ γ 2g a) h scp p p v α v v 2v = [h s ] = − − − h wd γ γ 2g (11-8) p1 p v − = h ck - cột áp hút bơm h s = h s max = p1 γ suy ra, nÕu p1 = pa th× hsmax= 10m cét n−íc b) Khi biết hck tính [hs] theo điều kiện không xảy xâm thực: (do bốc chất lỏng gây nên) Điều kiện tránh xâm thực p v v v 2v p bh + ≥ + Δh γ γ 2g Máy thuỷ khí - 148 - Kỹ thuật thuỷ khí pbh - áp suất bÃo hoà (là áp suất mà chất lỏng sôi nhiệt độ định); h - cột áp chống xâm thực Mặt khác, theo (10-3) p v α v v 2v p s + = − h s − h wd γ 2g γ → [h s ] ≤ ps p − ( bh + Δh + h wh ) γ γ Theo Rót nhÐp: Δh ≥ 10( n(vßng/ph) Q(m3/s) n Q 43 ) C C = 800 ữ 1000 11- Trạm máy thuỷ lực Sơ đồ bố trí trạm máy thuỷ lực, ví dụ tram bơm nh H.11-2 - Cách tính cột áp thực tế Bơm làm việc hƯ thèng ®−êng èng p r − p v v 2r − v 2v + (bá qua tæn thÊt b¬m) H = e r − e v = (z r − z v ) + γ 2g zr − zv = y pr = pa + pd p v = p a − p ck suy p d + p ck v 2r − v 2v H=y+ + 2g γ cho èng hót b»ng èng ®Èy → v r = v v ; y bá qua → H = p d + p ck γ Khi kh«ng có số liệu đo dợc bơm làm việc (pd,pck, ) mà có số liệu yêu cầu hệ thống bơm làm việc (p1, p2, h ), th× cã thĨ tÝnh H nh− sau: Máy thuỷ khí - 149 - Kỹ thuật thuỷ khí ViÕt ph−¬ng trình Béc-nu-li cho 1-1 v -v: e1 = ev + hwh → ev=e1 - ewh cho r - r - 2: er = e2 + hwđ H = e r − e v = e − e1 + h wd + h wh p − p α v 22 − α v 12 H=h+ + + h wh + h wd 2g Nh cột áp yêu cầu bơm để khắc phục: độ dâng cao h (độ chênh mặt thoáng), độ chênh áp suất mặt thoáng; độ chênh động mặt thoáng tổn thất lợng ống hút ống đẩy Có thể viết: H = Ht + Hđ Kết cấu cánh dẫn có ảnh hởng định đến H (xem tập 2[6]) Máy thuỷ khí - 150 - ... -Chương3 Động học chất lỏng - 41 - Kỹ thuật thuỷ khí -ch−¬ng IV động lực học chất lỏng Trong chơng ta nghiên cứu quy luật chuyển động. .. trình Ơle động F− ρ gradp = du dt ( 4-8 ) d¹ng lămb? ?- grômêca: Phơng trình Ơle động ( 4-8 ) biểu diễn chuyển ®éng tỉng qu¸t cđa chÊt láng Chương 4-? ?ộng lực học chất lỏng 45 Kỹ thuật thuỷ khí ... Ơle tĩnh ( 2-3 ) Trong môi trờng chuyển động, ta khảo sát phân tố hình hộp chất lỏng với vận tốc u (hình 4-1 ) đây, lực mặt gồm áp lực P ,và lực Chng4-ng lc hc cht lỏng 42 Kỹ thuật thuỷ khí