Nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt rắn trong dòng hỗn hợp hai pha rắn lỏng đến sự mòn hỏng máy bơm ly tâm sử dụng ở việt nam, phương hướng nâng cao tuổi thọ của chúng

HOÀNG VĂN VĨ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HẠT RẮN TRONG DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG ðẾN SỰ MÒN HỎNG MÁY BƠM LY TÂM SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM, PHƯƠNG HƯỚNG NÂNG CAO TUỔI THỌ CỦA CHÚNG LUẬN V

HOÀNG VĂN VĨ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HẠT RẮN TRONG DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG ðẾN SỰ MÒN HỎNG MÁY BƠM LY TÂM SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM, PHƯƠNG HƯỚNG NÂNG CAO TUỔI THỌ CỦA CHÚNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội 7 - 2008

TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT

-*** -

HOÀNG VĂN VĨ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HẠT RẮN TRONG DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG ðẾN SỰ MÒN HỎNG MÁY BƠM LY TÂM SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM, PHƯƠNG HƯỚNG NÂNG CAO TUỔI THỌ CỦA CHÚNG

CHUYÊN NGÀNH : Máy và thiết bị mỏ, dầu khí

MÃ SỐ : 60.52.12

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Vũ Nam Ngạn

HÀ NỘI - 2008

LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hoàng Văn Vĩ

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG MÒN HỎNG MÁY BƠM

LY TÂM DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG

9

1.2 Các công trình nghiên cứu về hiện tượng mòn hỏng máy bơm bùn và giải pháp khắc phục

17

Chương 2- NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HẠT RẮN TRONG DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG ðẾN SỰ MÒN MÁY BƠM LY TÂM

24

2.1 Cơ sở lý thuyết về sự mài mòn cánh bơm 24 2.2 ðặc ñiểm chuyển ñộng của dòng hỗn hợp hai pha rắn lỏng trong các bộ phận của bơm

30

2.3 Sự phá hủy máy bơm ly tâm do mài mòn thủy lực 39

2.5 Các tổn thất cột nước phụ ở cánh bơm do có các hạt rắn trong dòng hỗn hợp

67

3.3 Ảnh hưởng của tốc ñộ quay ñến sự mòn của bánh công tác 76 3.4 Sử dụng vật liệu có ñộ bền mòn và lớp phủ bảo vệ 81

khi bơm bùn than

14

Hình 1.7 Thân bơm bùn LT8-250 bị thủng tại mỏ Mạo Khê 14 Hình 1.8 Thân bơm ly tâm bị thủng (ñã hàn ñắp) tại mỏ Mạo Khê 15 Hình 1.9 Thân bơm 630m3/h ñược hàn ñắp phục hồi 21 Hình 2.1 Sơ ñồ chảy vòng của dòng chảy xung quanh cánh bơm 27 Hình 2.2 Sơ ñồ tạo dòng xoáy của chất lỏng trong bánh công tác 32

Hình 3.1 Sơ ñồ khảo sát sự ảnh hưởng của dòng chảy rẽ ngoặt

ñến tốc ñộ mài mòn mép ñầu vảo của cánh bơm

58

Hình 3.2 Hình dáng mép ñầu vào của cánh dẫn trước khi mài mòn 60

Hình 3.3 Sơ ñồ xác ñịnh sự ảnh hưởng của góc β11 = β1 của cánh

ñến sự mài mòn mép ñầu vào

65

Hình 3.4 Các tương quan về ñộ mòn tuyến tính của mép vào cánh

bơm theo các tham số [ψeη1P(sinβ11/sin β1)w13t] bằng thực nghiệm

Hình 3.7 ðộ mòn tương ñối về khối lượng theo 1 ñơn vị diện tích

của cánh, với tốc ñộ quay ñặc trưng của bơm

75

Hình 3.8 Tương quan ñộ mòn tương ñối mặt ñầu cánh bơm với

tốc ñộ quay ñặc trưng của bơm

75

Hình 3.9 Bánh công tác bơm huyền phù Hm200 do Viện Cơ khí

Năng lượng và Mỏ - TKV thiết kế

80

Hình 3.10 Bánh công tác bơm huyền phù 8Г-240m3/h chế tạo tại

Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV

83

MỞ đẦU

1 Tắnh cấp thiết của ựề tài

Ở Việt Nam và nhiều nước trên thế giới máy bơm ly tâm ựược sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: khai thác, vận chuyển, chế biến khoáng sản; hóa chất và dầu khắ; bơm cát trong xây dựng; nạo vét các dòng sông, bến cảng, bơm thải xỉ than trong nhà máy nhiệt ựiện; bơm thoát nước ở các hố khoan, đặc ựiểm chung của máy bơm ly tâm sử dụng ở các lĩnh vực nói trên là bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng Do máy bơm phải vận chuyển dòng hỗn hợp có chứa nhiều loại hạt rắn với các tắnh chất khác nhau, nên chúng bị mòn hỏng rất nhanh chóng Tình trạng này ựã gây cho các ựơn vị sử dụng nhiều khó khăn về sản xuất và góp phần làm tăng giá thành sản phẩm Vì vậy, việc nghiên cứu những nguyên nhân và quy luật mòn hỏng máy bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng ựể tìm ra phương hướng và biện pháp nâng cao ựộ bền mòn cho chúng là một yêu cầu cấp thiết

2 Mục ựắch của luận văn

- Nghiên cứu quy luật tác ựộng của các hạt rắn trong dòng chảy hai pha rắn - lỏng gây mòn hỏng máy bơm ly tâm sử dụng ở các mỏ và nhà máy tuyển Việt Nam

- Xác ựịnh nguyên nhân và ựánh giá các yếu tố gây mòn hỏng máy bơm, trên cơ sở ựó ựưa ra các phương hướng và biện pháp ựể nâng cao ựộ bền mòn các chi tiết trong máy bơm

- Góp phần giảm bớt những khó khăn về việc sửa chữa và thay thế thường xuyên các chi tiết máy bơm ựồng thời giảm chi phắ sản xuất cho các

cơ sở nói trên

- đóng góp thêm vào tài liệu tham khảo về công tác nghiên cứu máy bơm bùn ly tâm

3 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt rắn trong dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng ñến sự mòn hỏng máy bơm ly tâm sử dụng ở Việt Nam, phương hướng nâng cao tuổi thọ của chúng

- Nghiên cứu sự mòn hỏng máy bơm ly tâm sử dụng tại các mỏ khia thác than và nhà máy tuyển Việt Nam

4 Nội dung nghiên cứu

- Dựa trên các nguyên lý cơ bản về cơ học, vật lý, cơ học chất lỏng,

và các lực tác dụng lên hạt rắn chuyển ñộng trong chất lỏng, xây dựng cơ sở

lý thuyết về mài mòn cánh bơm

- Phân tích ñặc ñiểm chuyển ñộng của hạt cứng trong bánh công tác Xây dựng một số hệ phương trình ñánh giá ảnh hưởng ñến cột áp lý thuyết của bơm

- Từ các kết quả nghiên cứu của luận văn, kết hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về chống mòn cho máy bơm của các công trình trong và ngoài nước, ñề xuất các phương pháp chống mòn cho máy bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng

5 Phương pháp và nhiệm vụ nghiên cứu của ñề tài

- Khảo sát, nghiên cứu và phân tích các hiện tượng mòn hỏng máy bơm

sử dụng ở Việt Nam khi bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng

- Phân tích kết quả các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

từ trước ñến nay về sự mài mòn các chi tiết máy bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng

- Dựa trên dòng chảy mang hạt rắn, ñưa ra các giả thiết về tác ñộng của hạt rắn gây ra mòn hỏng máy bơm ly tâm

- Từ các thông số dòng hai pha rắn - lỏng, khảo sát và xác ñịnh quy luật mòn hỏng các chi tiết của bơm ly tâm

- Nghiên cứu ñưa ra các phương hướng nâng cao ñộ bền mòn cho các máy bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng nói chung

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ñề tài

Xác ñịnh các yếu tố và nguyên nhân gây mòn hỏng máy bơm ly tâm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng

Khảo sát và ñưa ra các quy luật mòn hỏng máy ly tâm bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng ðề xuất một số phương pháp chống mòn phù hợp với thực tế hiện nay Kết quả nghiên cứu có thể phục vụ cho công tác tính toán thiết kế, lựa chọn, chế tạo máy bơm theo yêu cầu sản xuất

Bố cục luận văn

Luận văn ñược trình bày trong 88 trang A4 Ngoài phần mở ñầu, kết luận

và kiến nghị, …, nội dung chính của luận văn ñược trình bày trong 3 chương:

Chương 1- Tổng quan về các dạng mòn hỏng máy bơm ly tâm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng

Chương 2- Nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt rắn trong dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng ñến sự mòn máy bơm ly tâm

Chương 3- Phương hướng nâng cao tuổi thọ của bơm bùn ly tâm

Lời cảm ơn!

Tôi xin bày tỏ lòng chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn Máy

và thiết bị mỏ, ñặc biệt là thầy TS Vũ Nam Ngạn, phòng ðại học và Sau ñại học - Trường ñại học Mỏ - ðịa chất, lãnh ñạo Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ

- TKV, các bạn ñồng nghiệp ñã giúp ñỡ và tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG MÒN HỎNG MÁY BƠM LY TÂM DÒNG HỖN HỢP HAI

PHA RẮN - LỎNG

1.1 Các dạng mòn hỏng của máy bơm ly tâm

Qua quá trình khảo sát ở một số ñơn vị sử dụng bơm ly tâm, ta có thể thấy các dạng mòn hỏng và tuổi thọ của chúng như sau

1 Công ty Than Hà Tu - TKV

Công ty than Hà Tu - TKV là mỏ khai than bằng công nghệ khai thác lộ thiên Hiện nay, Công ty ñang thực hiện khai thác ở mức -130m, do vậy khối lượng nước chứa tại các moong khai thác là rất lớn, nhất là vào mùa mưa ðể ñảm bảo cho việc khai thác, Công ty sử dụng một số lượng bơm tương ñối lớn

ñể bơm thoát nước moong Tuy nhiên các bơm sử dụng tại ñây có ñặc ñiểm là mòn hỏng rất nhanh Tuổi thọ bình quân các bơm ở ñây khoảng 750 giờ ñến

1500 giờ Chủng loại bơm sử dụng ở ñây tương ñối ña dạng và năng suất của

nó ñến hàng trăm, hàng nghìn m3/h

2 Công ty Than Cọc Sáu - TKV

ðây là 1 trong 5 mỏ lộ thiên lớn ở nước ta, sản lượng than nguyên khai ñến 2 triệu tấn than/năm Hiện tại, Công ty ñang khai thác ở mức -128m, trong những năm tới có thể khai thác ñến mức -350m Máy bơm ñược sử dụng ñể bơm thoát nước; phục vụ công tác khai thác Do mức thoát nước chênh tương ñối lớn, từ -128 lên mức +28, nên các trạm bơm phải bố trí hai cấp Cấp I ñược ñặt trên phao dưới moong, cấp II ñặt cố ñịnh trên các mái dốc

có các vị trí chờ ñể nối ghép phần nổi khi nước trong moong thay ñổi theo mùa mưa và mùa khô Các bơm sử dụng tại mỏ có công suất tương ñối lớn như Д 2000-100 (2000m3/h); Д 1600-90 (1600m3/h); Z-1800-140 (1800m3/h)

3 Công ty than Hà Lầm - TKV

Công ty Than Hà Lầm - TKV là mỏ khai thác than chủ yếu bằng công nghệ khai thác hầm lò Hiện tại, Công ty ñang khai thác tại mức -50m, trong một vài năm tới mở sẽ khai thác xuống sâu mức -150m Ngoài ra Công ty cũng có một số lộ vỉa khai thác lộ thiên Số lượng bơm ly tâm sử dụng tại Công ty là tương ñối lớn, bao gồm các loại bơm, như: 4HДB (120 ÷ 180)m3/h; LTC150; LTC300; LTS110-2B, … Các máy bơm trên ñều là loại dùng ñể bơm nước sạch (không có tạp chất và ăn mòn hóa học) Vì vậy, khi làm việc ở ñây, tuổi thọ của chúng thấp, do môi trường làm việc khắc nghiệt (nước mỏ chứa nhiều tạp chất rắn, nước có tính a xít gây ăn mòn kim loại)

4 Công ty Than Mạo Khê - TKV

Mỏ Mạo Khê là mỏ khai thác hầm lò, hiện nay mỏ ñang khai thác ở mức -150m Ngoài công nghệ khai thác hầm lò, Công ty còn tổ chức khai thác than dạng lộ vỉa Số lượng bơm ly tâm phục vụ cho công tác khai thác than của mỏ là tương ñối lớn và có năng suất lớn (Q = 1250m3/h) Qua quá trình khảo sát, Công ty than Mạo Khê ñang tồn ñọng một số lượng bơm hỏng tương ñối lớn và ña dạng về chủng loại Các loại bơm ly tâm ở ñây chủ yếu là bơm thoát nước và một số loại bơm bùn

Số lượng bơm hỏng ñang tồn ñọng tại kho của Công ty sẽ còn gia tăng Bởi vì ngoài số lượng bơm tương ñối lớn phục vụ công tác khai thác than, Công ty còn ñang sử dụng dây chuyền tuyển nâng cao chất lượng than, với số lượng không nhỏ Qua việc khảo sát, tuổi thọ của bơm dùng tại ñây là rất thấp: khoảng 350 giờ ñến 750 giờ

Hình 1.1 Bơm LT-1250m3/h tại kho của Công ty Than Mạo Khê - TKV

5 Công ty tuyển Than Cửa Ông - TKV

Công ty tuyển Than Cửa Ông - TKV là ñơn vị sàng tuyển, chế biến than lớn nhất ở nước ta, có công suất ñến 11 triệu tấn/ năm Trong các dây chuyền tuyển than, ñặc biệt là công nghệ tuyển bằng huyền phù ñã sử dụng một số lượng lớn bơm ly tâm dùng ñể bơm hỗn hợp tuyển ðặc ñiểm của hỗn hợp huyền phù và than có chứa các hạt cứng có nồng ñộ cao, kích thước hạt phức tạp, khối lượng hạt lớn Sự mòn hỏng của bơm chủ yếu là mòn bánh công tác, vị trí mòn tập trung ở cánh bơm và ñĩa trước Vỏ bơm mòn chậm hơn

6 Một số lĩnh vực khác

Hiện nay, việc khai thác cát trên các dòng sông là tương ñối phổ biến, ở ñây ñã sử dụng các bơm ly tâm ñể hút cát dưới lòng song, bơm trực tiếp lên thuyền hoặc lên các bãi chứa Dòng hỗn hợp ñược bơm ở ñây chủ yếu gồm cát và nước Các bơm ly tâm sử dụng trong lĩnh vực này cũng mòn hỏng rất nhanh

Ngoài ra, một số lượng lớn bơm ly tâm cũng ñược sử dụng vào phục vụ ngành xây dựng Nó dùng ñể hút nước và bùn tại các hố khoan lớn Các bơm

sử dụng trong lĩnh vực này cũng có chung ñặc ñiểm là mòn hỏng rất nhanh

* Một số hình ảnh các dạng mòn hỏng bánh công tác và thân bơm

Hình 1.2 Cánh bơm 160m3/h tại mỏ Hà Tu (ñã mòn hỏng và ñang hàn ñắp lại)

Hình 1.3 Cánh bơm 650m3/h tại mỏ Hà Tu bì mòn ở lối vào của cánh dẫn

Hình 1.4 Cánh bơm 630m3 /h bị vỡ tại mỏ Hà Tu

Hình 1.5 Thân bơm 630m3/h bị mài mòn tại mỏ Hà Tu

Hình 1.6 Bánh công tác máy bơm 30m3/h tại mỏ Cọc Sáu bị mòn khi bơm

bùn than

Hình 1.7 Thân bơm bùn LT8-250 bị thủng tại mỏ Mạo Khê

Hình 1.8 Thân bơm ly tâm bị thủng (ñã hàn ñắp) tại mỏ Mạo Khê

1.1.1 Nhận xét về tình trạng mòn hỏng máy bơm bùn

Máy bơm ly tâm phục vụ công tác khai thác mỏ, thoát nước moong tại các mỏ lộ thiên, lộ vỉa và nước ngầm khi khai thác hầm lò, ở các nhà máy tuyển, khai thác cát tại các dòng sông, bơm thoát nước tại các hố khoan phục

vụ công tác xây dựng, ở Việt Nam có tuổi thọ thấp, các dạng mòn hỏng các chi tiết của bơm rất ña dạng Tuy nhiên, luận văn chỉ giới hạn nghiên cứu một

số dạng mòn hỏng của một số chi tiết sau:

1 Bánh công tác

- Mặt trước các cánh bơm trong bánh công tác bị rỗ, mòn, thủng, trên

bề mặt có nhiều vết xước, cường ñộ mòn chủ yếu ở mép ñầu vào của cánh và mép ra của cánh

- ðĩa phía trước (ở cửa vào) bánh công tác, có hiện tượng vỡ (hình 1.4)

- Ở phần ñĩa trước và ñĩa sau bánh công tác cũng bị mòn, tuy nhiên ñộ mòn ít hơn cánh dẫn

- Một bánh công tác bị mòn gần như hoàn toàn cả cánh dẫn, ñĩa trước

và ñĩa sau (hình 1.6)

2 Thân bơm (vỏ xoắn ốc)

ðây là chi tiết lớn nhất, thân ñược chia làm hai nửa, mỗi nửa ñều chứa buồng hút, buồng xả Toàn bộ bề mặt trong (rãnh xoắn ốc) ñều tiếp xúc với chất lỏng, chịu áp suất cao và chịu mài mòn cơ học và hóa học

- Dạng mòn hỏng thường là rỗ, nứt trên diện rộng, vùng mòn tập trung

ở vùng cửa ra và vùng lưỡi chắn Còn các vị trí khác mòn tương ñối ñều, tuy nhiên mức ñộ mòn ít hơn

1.1.2 Phân tích hiện tượng và nguyên nhân mòn hỏng máy bơm

Qua việc khảo sát và phân tích hiện tượng mòn hỏng các máy bơm ly tâm sử dụng ở Việt Nam, có thể thấy rằng nguyên nhân chủ yếu làm mòn hỏng bánh công tác và vỏ xoắn ốc là do chuyển ñộng tương ñối của các hạt rắn ñến va ñập hoặc trượt trên bề mặt cánh dẫn và vỏ xoắn ốc Trong ñó, một

số hạt chuyển ñộng ñến va ñập, bật nẩy nhiều lần vào bề mặt cánh dẫn, vỏ xoắn ốc gây ra hiện tượng nứt vỡ Một số hạt khác trượt và cọ sát trên bề mặt cánh dẫn, vỏ xoắn ốc cắt xén, mài mòn bề mặt vật liệu cấu tạo chi tiết Kết hợp giữa hai chuyển ñộng va ñập và cọ sát, làm quá trình mài mòn diễn ra nhanh hơn

ðối với loại máy bơm ly tâm 2 miệng hút, một cấp, chúng có ñường kính ngoài khoảng (600 ÷ 700mm), tốc ñộ quay n = 1460vg/ph, tốc ñộ vòng tại mép ra bánh công tác của của dòng hai pha rắn - lỏng bằng:

s m

Rn

30

1460 35 , 0 3 , 0 14 , 3

với tốc ñộ vòng này sẽ làm lực ly tâm lớn; nên ñộng năng của dòng hai pha rắn - lỏng là rất lớn Chính vì vậy tại mép ra các lá cánh, hai ñĩa của bánh công tác thường bị bào mòn rất nhanh Tại mép vào, áp suất thấp và khi dòng hỗn hợp bắt ñầu vào bánh công tác, dòng chảy bị ñổi hướng, từ hướng trục

sang hướng kính và tách ra theo máng dẫn bánh công tác, nên lá cánh thường

bị các hạt rắn bắn phá gây rỗ nứt, mài mòn nhanh hơn

Ở máng xoắn của vỏ, do nước và hạt rắn có trọng lượng riêng khác nhau lên quỹ ñạo chuyển ñộng pha rắn và pha nước không trùng nhau Vì vậy, các hạt rắn sau khi ra khỏi bánh công tác sẽ chuyển ñộng ñến va ñập vào thành chu vi của vỏ Theo chiều chuyển ñộng của dòng chảy mang hạt, càng

ra phía ngoài, số lượng các hạt va ñập và trượt càng lớn Các hạt có kích thước và khối lượng lớn ñến va ñập trước, còn các hạt nhỏ sẽ va ñạp chậm hơn Tại vị trí mép ra vỏ xoắn, quỹ ñạo của dòng chảy bị ñổi hướng, nên các hạt va ñập vào thành vỏ nhiều nhất, vì vậy tại vùng này cường ñộ mòn nhanh hơn

Ngoài ra còn một số nguyên nhân khác gây ra mòn hỏng các máy bơm

ly tâm, như việc lựa chọn máy bơm không phù hợp với ñiều kiện và môi trường làm việc; Chế ñộ làm việc sai lệch với chế ñộ ñịnh mức của máy bơm Một số trường hợp có thể xẩy ra hiện tượng xâm thực, ăn mòn hóa học của dòng hỗn hợp (ñăc biệt là các bơm mỏ) tác ñộng thêm vào, cộng với quá trình mài mòn cơ học sẽ thúc ñẩy nhanh hơn quá trình mòn hỏng bơm

1.2 Các công trình nghiên cứu về hiện tượng mòn hỏng máy bơm bùn và giải pháp khắc phục

1.2.1 Các công trình nghiên cứu về sự mòn hỏng máy bơm bùn

Cho ñến nay, trên thế giới và ở Việt Nam ñã có nhiều công trình nghiên cứu ñánh giá lý thuyết hay thực nghiệm, ñưa ra các giải pháp nhằm giảm sự mòn hỏng máy bơm ly tâm bơm dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng Mỗi tác giả

có một quan ñiểm nghiên cứu và ñánh giá về mức ñộ, nguyên nhân, các yếu

tố gây mòn hỏng máy bơm và ñưa ra các kết quả ñánh giá khác nhau [4; 5; 6; 7; 8]:

- TS Vũ Nam Ngạn - Trường ðại học Mỏ - ðịa chất [6]

+ Xây dựng mô hình vật lý tính toán quỹ ñạo chuyển ñộng của hạt rắn trong bánh công tác và trong vỏ xoắn ốc, lập các hệ phương trình vi phân cho chuyển ñộng của hạt Sử dụng máy vi tính, tính toán, giải các phương tình vi phân với những thông số ñầu vào như: ρh; dh; cv; β1; s

+ Chọn góc vào cánh dẫn (β1) và chiều dầy cánh dẫn (s) ñối với các cỡ máy bơm khác nhau, nhằm mục ñích giảm cường ñộ mài mòn bánh công tác của máy bơm ly tâm dòng hỗn hợp hai pha - rắn lỏng

+ ðưa ra các thông số (ρh; dh; cv) với các ñiều kiện môi trường làm việc

cụ thể vào phương trình quỹ ñạo của hạt rắn ñể tính toán lựa chọn máy bơm bùn phù hợp, sử dụng tại các mỏ

- TS Hoàng Văn Nại - Công ty TNHH Nhà nước một thành viên -

Cơ khí Hà Nội [4]

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp, chịu mài mòn cơ học và ăn mòn hóa học của chất lỏng tại các mỏ khai thác than Quá trình nghiên cứu thực nghiệm của ñề tài:

+ Khảo sát các dạng mòn hỏng của các máy bơm ly tâm sử dụng tại các

mỏ than vùng Quảng Ninh ðề tài tổng hợp các chủng loại bơm, thông số, tuổi thọ và các dạng mòn hỏng

+ Tính toán thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh 01 bơm với các thông số: lưu lượng Q = 800m3/h, cột áp H = 125m, vỏ xoắn hai cấp

+ Tiến hành thử nghiệm, tập hợp ñánh giá, xử lý số liệu và ñánh giá kết quả nghiên cứu

- TS Lương Ngọc Lợi - Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội [5]

Qua việc chọn ñối tượng nghiên cứu và tìm hiểu các nguyên nhân hỏng hóc, các biện pháp nâng cao tuổi thọ của bơm, tác giả ñã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công bơm huyền phù BC-342 (lưu lượng Q = 342m3/h; cột áp H

= 41m; n = 1450vg/ph) với phương pháp công nghệ mới: Bọc cao su bánh công tác Thử nghiệm công nghiệp xác ñịnh ñặc tính thủy lực, tuổi thọ của bơm

+ Tác giả ñã lý luận:

Bọc lót bằng cao su có ưu ñiểm ở chỗ bề mặt làm việc phẳng, chịu mài mòn, chống gỉ tốt và chịu va ñập Trên cơ sở phân tích cơ cấu tác ñộng của hạt rắn vào cao su, ñộ dày tối thiểu lớp cao su xác ñịnh ñược ñộ cứng, ñộ bền của cao su và thành phần cao su ñáp ứng yêu cầu ñó

+ Kết quả nghiên cứu:

Mép vào cánh ñược vê tròn với R = 12mm, chiều dày tối thiểu lớp cao

su δ = 6mm, góc ñặt cánh mép ra β2 = 15o, mép vào β1 = 27o, góc vát mép vào trên tiết diện kinh tuyến α = 20o, số cánh là 4

Tuy nhiên phương pháp này không phù hợp với sản xuất hàng loạt do phải chế tạo khuôn ép

- Nghiên cứu của trường ñại học МИСИ và В В Куйбышева [7]

Xây dựng mô hình thử nghiệm khép kín gồm: thùng chứa nước ñiều chỉnh ñược, 1 bơm ly tâm (lưu lượng 13 lít/ph; cột áp 9,5m; ñường kính bánh công tác 125mm), cùng với các ống nghiệm liên kết với nhau Mô hình thử nghiệm xác ñịnh sự mài mòn bánh công tác:

- Sự mài mòn của mẫu thử (bánh công tác) ñược xác ñịnh theo công

thức 100 %

G

G

∆

, ở ñây ∆G - tổn hao khối lượng của cánh (g), sau khi làm việc

ở khoảng thời gian t (giờ); G - khối lượng ban ñầu của cánh (g) Cường ñộ mài mòn cánh bơm ñược tính theo công thức:

%100

- ðể thực hiện mẫu thí nghiệm sao cho bánh công tác có thể tháo rời ñược Ngoài ra, cánh bơm ñược chế tạo từ 2 vật liệu khác nhau (nhôm, thép CT3) Quá trình thử nghiệm sử dụng cát sông với nồng ñộ thể tích là 45% hạt

có kích thước > 1mm ðể giữ ñược tính chất của dòng hỗn hợp mài mòn cần thiết thì cứ sau 4 giờ phải thay hỗn hợp 1 lần Thí nghiệm ñược thực hiện trong 48 giờ và tháo mẫu ño xác ñịnh tổn hao thể tích và khối lượng Một vài cánh bơm ñược thử nghiệm ñến khi phá hủy hoàn toàn

- Sự thay ñổi cường ñộ mài mòn của mẫu thử phụ thuộc vào nồng ñộ thể tích của hạt có nghĩa là vận tốc mài mòn tỷ lệ thuận với nồng ñộ hạt

- Sự thay ñổi mài mòn từ trạng thái này sang trạng thái khác ñược xác ñịnh bằng tiêu chuẩn sau:

va

vm T

1.2.2 Một số giải pháp khắc phục theo dạng mòn hỏng máy bơm

Do ñặc ñiểm của dòng mang hạt rắn rất phức tạp và ña dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố (kích thước, nồng ñộ, khối lượng riêng, ñộ rắn chắc) của hạt rắn trong dòng chảy, nên mức ñộ và vị trí mòn hỏng rất ña dạng Tùy theo từng mức ñộ và vị trị bị mòn mà ñưa ra các biện pháp khắc phục, nhằm kéo dài thêm thời gian sử dụng bơm, do ñó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế

- ðối với bánh công tác trong quá trình làm việc, có dạng mòn hỏng ở mép ra và mép vào của cánh dẫn Tùy theo mức ñộ mòn, có thể hàn ñắp thêm một lớp kim loại (hình 1.2) làm tăng thời gian sử dụng Tuy nhiên, biện pháp này chỉ mang ý nghĩa giải pháp tạm thời, vì nó chỉ áp dụng cho những bánh công tác có chiều dầy lớn Tại vị trí mòn, chiều dầy lớp kim loại cho phép hàn ñắp, sau khi hàn tại bề mặt hàn ñắp có ñộ nhám rất cao và áp dụng cho những bánh công tác có vị trí mòn cục bộ, thuận lợi cho việc hàn ñắp

- Việc hàn ñắp còn áp dụng ñối với thân bơm Trong vỏ xoắn ốc, khi vị trí bị bào mòn chủ yếu tập trung vào thành chu vi của vỏ (hình 1.9) ðối với một số trường hợp gây mòn thủng thân bơm việc hàn ñược tiến hành hàn ở bên ngoài thân bơm như hình 1.8

Hình 1.9 Thân bơm 630m3/h ñược hàn ñắp phục hồi

- Một số giải pháp khác:

+ ðối với các bơm huyền phù thông thường các thân bơm và bánh công tác người ta chế tạo dầy lên, ñể kéo dài thời gian mòn hỏng

+ Trường hợp khác: Bánh cơng tác người ta mạ tráng một lớp kim loại

cĩ tính chịu mài mịn cao Tuy nhiên khi bị mịn hết lớp kim loại chịu mài mịn thì cường độ phá hủy tiếp theo diễn ra rất nhanh

1.3 Nhận xét chung và nhiệm vụ nghiên cứu

Tĩm lại, từ những vấn đề nghiên cứu ở trên, ta cĩ thể rút ra một số nhận xét sau:

- Vấn đề mịn hỏng các máy bơm ly tâm sử dụng trong các lĩnh vực khai thác, các nhà máy tuyển và một số lĩnh vực khác là rất nghiêm trọng, mang cấp thiết hiện nay, vì vậy cần phải nghiên cứu và cĩ giải pháp khắc phục

- Cĩ nhiều nguyên nhân gây mịn hỏng máy bơm ly tâm, nhưng mịn hỏng do tác động cơ học là yếu tố gây mịn mạnh nhất, nhanh nhất và khi kết hợp với các nguyên nhân mịn do xâm thực, hĩa học càng đẩy nhanh quá trình mịn hỏng bơm ly tâm Bởi vậy việc nghiên cứu khảo sát sự mịn hỏng máy bơm ly tâm do tác động cơ học cĩ một ý nghĩa đặc biệt quan trọng

- Dựa vào 3 thơng số cơ bản của pha rắn ρh; dh; cv ta cĩ thể khảo sát, dự đốn đánh giá được sự mịn hỏng của các máy bơm dịng hỗn hợp hai pha rắn

- lỏng Trên cơ sở đĩ cĩ thể tính tốn thiết kế, lựa chọn máy bơm cho từng điều kiện làm việc cụ thể và đưa ra phương hướng nâng cao tuổi thọ của chúng

Nhiệm vụ cần nghiên cứu của luận văn: Trên cơ sở khảo sát, nghiên cứu đánh giá các dạng mịn hỏng máy bơm ly tâm dịng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng sử dụng tại Việt Nam, cùng với việc tham khảo các cơng trình nghiên cứu khác, cĩ thể đặt ra những nhiệm vụ chủ yếu để tiến hành nghiên cứu theo các bước sau:

- Khảo sát, phân tích cơ sở mài mịn cơ học do các hạt cứng trong dịng hỗn hợp gây lên

- Nêu ra ựặc ựiểm chuyển ựộng của dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng trong các bộ phận của bơm

- đánh giá sự mài mòn thủy lực ựối với bơm ly tâm

- Nghiên cứu cột áp lý thuyết của bơm và tắnh toán bù phần tụt áp khi bơm sử dụng bơm dòng hỗn hợp có chứa các hạt cứng

- Trên cơ sở ựó ựề ra những phương hướng làm tăng tuổi thọ bơm ly tâm sử dụng tại Việt Nam

Chương 2 - NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HẠT RẮN TRONG DÒNG HỖN HỢP HAI PHA RẮN - LỎNG ðẾN SỰ MÒN MÁY BƠM LY TÂM

2.1 Cơ sở lý thuyết về sự mài mòn cánh bơm

Sự mài mòn thủy lực là sự phá hủy các chi tiết của máy bơm do tác ñộng cơ học liên tục của các hạt cứng trong chất lỏng (các hạt này chuyển ñộng tự do và không liên kết với nhau)

Quá trình tác ñộng thủy lực gây mài mòn các chi tiết của bơm là do các hạt cứng va ñập liên tục vào bề mặt chi tiết Trong thời ñiểm va ñập, ñộng năng của các hạt chuyển ñộng làm biến dạng vật liệu của các chi tiết Do bị biến dạng nhiều nên một vài bề mặt chi tiết sẽ bị vỡ ra và tạo thành vết nứt có

ñộ nhám rất lớn Sau nhiều lần va ñập của các hạt cứng làm cho chi tiết bị biến dạng ñàn hồi và cuối cùng là phá hủy bề mặt do sự mỏi vật liệu

Cũng có thể giả thiết rằng, các hạt cứng làm xước bề mặt cánh bơm Khi các hạt cứng này chuyển ñộng dọc theo hướng dòng chảy làm xuất hiện lực ma sát Lực này ñược xác ñịnh bằng ñặc tính thủy ñộng học của dòng chảy và sự tác ñộng lẫn nhau giữa các hạt cứng Sự làm xước bề mặt là do sự bật nẩy nhiều lần và sự va ñập lặp ñi lặp lại của các hạt cứng lên bề mặt chi tiết Như vậy, cường ñộ phá hủy vật liệu phụ thuộc vào năng lượng của các hạt, có nghĩa là phụ thuộc vào khối lượng của chúng và vận tốc chuyển ñộng tương ứng của hạt với bề mặt cánh bơm

Sự mài mòn của bơm sẽ tăng lên rất nhanh nếu trong dòng chất lỏng có các hạt cứng và bơm làm việc trong môi trường nước có tính axít và chịu tác ñộng xâm thực Do hiện tượng bị gỉ, dưới tác dụng ăn mòn hóa học thì trên bề mặt của kim loại ñược tạo một lớp màng ô xít, lớp màng này nhanh chóng bị

phá hủy bởi các hạt mài mòn (hạt cứng) do dòng chảy mang theo Bề mặt của vật liệu ñược làm sạch do bị ăn mòn hóa học dẫn ñến tạo ra một lớp màng ô xít mới và vùng mài mòn mới, làm ñẩy nhanh cường ñộ phá hủy chi tiết máy bơm

ðể xác ñịnh nồng ñộ của các hạt cứng trong hỗn hợp thủy lực, có thể sử dụng công thức sau:

Nồng ñộ thể tích:

o h

o T T

h

W

W

ρρ

ρρε

T

h h

W

W P

ρ

ρερ

Sự mài mòn tấm kim loại do 1 hạt cứng tác ñộng lên bề mặt của nó với cường ñộ I’ tương ñương với ñộng năng của hạt chuyển ñộng bằng [7]:

2'

α - hệ số phụ thuộc vào ñiều kiện chảy vòng vật liệu của hạt và tấm, còn phụ thuộc cả vào hàng loạt những thành phần khác

Số lượng hạt mài (N), tiếp xúc với bề mặt của tấm sau thời gian t có thể xác ñịnh theo công thức sau [7]:

vt

Ở ñây:

β - hệ số phụ thuộc vào ñiều kiện chảy vòng của dòng chảy quanh tấm

và khả năng vận chuyển của dòng chảy

v - vận tốc trung bình của dòng chảy

Cường ñộ mài mòn các tấm sau thời gian t bằng [7]:

2'

2

vt mc N

2

3

2 m v t

I =αβγ εHay:

t v km

a) Cạnh vào b) Bề mặt tạo áp Hình 2.1 Sơ ñồ chảy vòng của dòng chảy xung quanh cánh bơm

Khi các hạt cứng phá hủy 1 ñơn vị khối lượng chi tiết cần phải tiêu phí

q

ws q N

mw

h h

22

2

3 2

2 2

2

Giả sử sau một thời gian t sự mài mòn thể tích của mép vào cánh bơm

là F∆S (F - mặt cắt ngang giữa của cạnh; ∆S - chiều dầy trung bình của lớp vật liệu bị phá hủy), thì công ñể phá hủy một ñơn vị khối lượng ñược tính như sau:

- Công cần thiết ñể phá hủy chi tiết bằng A.F.∆S.ρµ (ρµ - khối lượng riêng vật liệu cánh bơm), khi ñó:

µ

ρ ερ

ργ

2

3 2

S F A st

s A

2

2 2

µρ

ρε

t w A

=

Mặt khác khi hỗn hợp thủy lực chảy vòng quanh mặt làm việc của cánh bơm (hình 2.1b) thì ở gần bề mặt ñược tạo ra một lớp hạt rắn có nồng ñộ Notính theo 1 ñơn vị thể tích Số lượng hạt va chạm nhau ở 1 ñơn vị mặt phẳng, trong 1 ñơn vị thời gian là: Now’β (w’ - vận tốc vòng gần thành của cánh) Năng lượng dự phòng cần thiết ñể phá vỡ bề mặt chảy vòng bằng [7]:

q w

2'

2 2

(2.12) Trong khoảng thơi gian t trên bề mặt của cánh bơm bị phá hủy 1 lớp vật liệu có thể tích ∆S Trong ñó thể tích của vật liệu bị phá hủy ñối với 1 ñơn vị diện tích bề mặt cánh bơm bằng ∆S.1 ðể phá hủy khối lượng vật liệu tương ñương với thể tích này cần phải bỏ ra một công A.ρµ.∆S Trong trường hợp này chiều dầy lớp vật liệu bị mòn sẽ là [7]:

qt w A

w N

f q

Công thức (2.14) cho phép tính gần ñúng vận tốc vòng ở gần mặt cánh bơm tỷ lệ với vận tốc tương ứng tại chỗ của dòng chảy ω, có nghĩa là:

2'

ρ ε λ αβγ

=

hoặc:

qt w A

=

ðây là sự ñánh giá lý thuyết về cường ñộ mài mòn cơ học Trong thực

tế sự mài mòn cơ học các bộ phận làm việc của bơm phức tạp hơn nhiều, do cần có thêm rất nhiều các hệ số hiệu chỉnh số khác

ðể xác ñịnh các hệ số này, hiện tại chưa có các liên kết toán học chính xác Sự thay ñổi nồng ñộ và sự không ñồng nhất các thành phần hạt cứng, áp suất và vận tốc vòng thay ñổi liên tục khi dòng chảy chuyển ñộng qua bơm, chia luồng nước ra thành 1 vài dòng chảy riêng Do dòng chảy tự ñổi hướng ñột ngột và sự phân bố vận tốc dọc theo mặt cắt kinh tuyến không ñều, làm

thay đổi trạng thái làm việc và đặc tính cấu tạo của bơm, tất cả điều này đã làm phức tạp thêm về sự mài mịn thủy lực

Ảnh hưởng của các hệ số mà từ đĩ cĩ thể biết được sự phụ thuộc khối lượng của 1 hạt vào cường độ mài mịn cho phép Các hệ số đĩ là thể tích hạt

q và mật độ ρh Khi mật độ nước ρo bằng 1, khối lượng của hạt cứng bằng [7]:

)1(

6

1)1

k

I = ' 43( ρh − 1 ) ε 3 (2.18)

Cĩ nghĩa là ở một giá trị khối lượng riêng vật liệu đã cho và trong điều kiện độ bền như nhau, cường độ mài mịn cơ học tỉ lệ bậc ba với đường kính của hạt

2.2 ðặc điểm chuyển động của dịng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng trong các bộ phân của bơm [7]

Cường độ mài mịn chi tiết của bơm được xác định bằng tốc độ chuyển động của các hạt cứng trong thời điểm cùng va đập Khi cĩ hỗn hợp thủy lực chảy qua các cơ cấu làm việc của bơm thì vận tốc này cĩ thể tính tỉ lệ với vận tốc tương ứng chảy vịng (w) Như vậy, cần biết về vận tốc của dịng chảy đi vào các bộ phận của bơm, để đánh giá cường độ mài mịn và dự đốn kích thước cĩ thể bị phá hủy

Xác định chính xác giá trị vận tốc và sự phân bố các vận tốc này theo mặt cắt các bộ phận khác nhau của bơm hiện tại chưa thực hiện được, nhưng

ta cĩ thể biết được chỉ số vận tốc trung bình của dịng chảy qua bơm

Vận tốc tương ñối trung bình trong bánh công tác w1 và w2 ñặc trưng cho ñộ mài mòn cánh bơm và các bề mặt khác của bánh công tác Các chỉ tiêu tốc ñộ tương ñối, cần thiết ñể cho các bơm có hình dáng khác nhau và các bơm có vận tốc lớn Chú ý rằng các chỉ tiêu vận tốc không cho phép ta xác ñịnh trước bằng phương pháp giải tích cường ñộ mài mòn thủy lực với ñộ chính xác ñủ ñể tính toán thiết kế bơm, ñiều này giải thích bằng các nguyên nhân sau:

1 Máy bơm làm việc ở các chế ñộ khác nhau, sự thay ñổi chế ñộ làm việc làm cho vận tốc dòng chảy trong các bộ phận khác nhau thay ñổi theo và làm cho ñặc tính của dòng chảy chất lỏng cũng thay ñổi

2 Sử dụng chỉ tiêu vận tốc trung bình ñể xác ñịnh cường ñộ mài mòn thủy lực gặp khó khăn do sự rối loạn cục bộ khác nhau và xuất hiện vòng xoáy Những hiện tượng này cũng xảy ra khi bơm làm việc ở trạng thái tối ưu Tăng ñộng năng của các hạt mài mòn do hệ quả của hiện tượng rối loạn dẫn ñến tăng sự phá hủy bề mặt chi tiết, mặc dù vận tốc trung bình nhỏ Như vậy, trong các bơm ly tâm sự tạo ra dòng xoáy làm tăng sự mài mòn thủy lực, ñiều này kéo theo hàng loạt nguyên nhân Sự ñứt ñoạn dòng chảy ra khỏi bề mặt cánh bơm do ñộng năng khối chất lỏng ở lớp biên (lớp giới hạn) (hình 2.2a) không ñủ, tạo sự xuất hiện dòng xoáy ra

a) b) Hình 2.2 Sơ ñồ tạo dòng xoáy của chất lỏng trong bánh công tác

a - Dòng chảy bị ñứt khỏi bề mặt

và tạo xoáy

cánh nơi nơi chúng ñối tiếp với ñĩa

Dòng xoáy xuất hiện khi chất lỏng chuyển ñộng trong lớp biên trên tường của bánh công tác (trên cạnh), từ vùng có áp suất lớn ñến vùng có áp suất nhỏ giữa cánh bơm ðiều này dẫn ñến sự xuất hiện dòng chảy thứ 2 và ñược gọi là dòng xoáy cuối (hình 2.2b)

Dòng xoáy xoắn tồn tại ở tất cả các trạng thái làm việc của bơm và là nguyên nhân tạo ra rãnh sâu trên mặt hút của cánh bơm Những dòng xoáy tương tự ñược tạo ra tại chỗ nối mặt cắt của cánh bơm với ống lót của bánh công tác

Nguyên nhân tạo ra dòng xoáy là do sự thay ñổi luân chuyển tốc ñộ dòng chảy dọc theo chiều rộng của cánh ðiều này dẫn tới dòng xoáy chạy dọc theo chiều rộng của cánh bơm, dẫn ñến tăng ñộ mài mòn các chi tiết nắn dòng

Cường ñộ tạo dòng xoáy tăng ñột ngột khi bơm làm việc ở trạng thái không tối ưu Vai trò lớn nhất tạo sự phát triển các quá trình không ổn ñịnh là xâm thực

Ta hãy xem chuyển ñộng của hạt cứng (ñược gắn với hệ thống tọa ñộ quán tính) quay cùng với bánh công tác của lơm ly tâm (hình 2.3) Khi xem chuyển ñộng tương ñối của hạt cứng ta ñưa vào lực quán tính FK, lực hướng tâm FT và lực áp suất Wo Vận tốc nước trong chuyển ñộng tương ñối ωo Thành phần pháp tuyến của gia tốc tổng hợp trong chuyển ñộng tương ñối là [7]

r w R

w

a = 2 oΩ −Ω2 cosϕ − o2 / (2.19)

Ở ñây:

Ω - vận tốc góc của bánh công tác

ϕ - góc giữa pháp tuyến (với ñường thẳng dòng chảy) và bán kính véc

tơ của ñiểm ñã cho

r - bánh kính ñộ cong của ñường dòng chảy tại ñiểm ñã cho

Hình 2.3 Sơ ñồ lực tác dụng lên hạt cứng

ðể ñánh giá giá trị gia tốc, ta hãy xem các thông số hình học và ñộng học ở ñầu vào trong giữa rãnh cánh của bơm Д2500-17 Bơm này làm việc ở trạng thái tối ưu: Vận tốc vòng là 11,9m/s, bán kính trọng tâm của mặt cắt R = 0,145mm; vận tốc góc của bánh công tác Ω = 76,4s-1; suy ra từ ñiều kiện ñầu vào không có va ñập cosϕ = 0,324; bánh kính cong của ñường dòng chảy r = 0,145m Khi ñó, theo công thức (2.10) ta nhận ñược gia tốc a = 568m/s2, có nghĩa là gia tốc a lớn hơn khoảng 58 lần so với gia tốc trọng trường Thật vậy,

ở giữa các cánh của bánh công tác, các hạt cứng ở trong trường gia tốc rơi tự

do 1 bậc Dưới ảnh hưởng của gia tốc này, có sự phân ly và phân lớp dòng hạt cứng Các hạt cứng có thể ở trong trạng thái lơ lửng hay không lơ lửng Các hạt cứng có thể không chuyển ñộng cùng vận tốc với dòng chất lỏng và tồn tại ñộng năng, phản ánh về sự mài mòn thủy lực

Sự phân ly các hạt ở giữa các rãnh cánh của bơm ly tâm phụ thuộc vào khối lượng và kích thước của hạt cứng Các hạt to không tham gia vào quá trình chảy rối, các hạt nhỏ có tham gia vào quá trình chảy rối ðể ñánh giá các giá trị giới hạn to nhỏ của hạt cứng có thể xem các sơ ñồ sau (hình 2.4):

Hình 2.4 Sơ ñồ chuyển ñộng của hạt cứng trong máng dẫn cánh của bánh

công tác Giá trị giới hạn ñường kính hạt cứng dh là các hạt chuyển ñộng cùng với chất lỏng, còn hạt to hơn thì không chuyển ñộng cùng Hãy xem các chuyển ñộng dòng hạt cứng trong rãnh (hình 2.4): Giả sử trong lớp 1-1 trong

1 ñơn vị thể tích có chứa Nz hạt, lớp 2-2 cách lớp 1-1 một khoảng cách là l (chiều dài ñường di chuyển) chứa NZ + ∆NZ hạt Cỡ hạt thủy lực lơ lửng trong rãnh có tính cả trường vận tốc là ω Xung vận tốc tiêu chuẩn cục bộ bằng v’

Giả sử rằng quá trình di chuyển của các hạt xảy ra do xung vận tốc v’, còn lắng lại do ñộ hạt ω (hạt to) Trong ñó, giả thiết quá trình làm việc ổn ñịnh, khi ñó ta nhận ñược[7]

( v ' + ω ) NZ = v ' ( NZ + ∆ NZ) (2.20)

Biểu thức này chứng tỏ rằng trong 1 ñơn vị thời gian từ lớp 1-1 chảy ra bao nhiêu hạt thì cũng bấy nhiêu hạt chảy vào lớp 2-2

Từ biểu thức (2.20) suy ra rằng, ñịnh luật phân bố hạt cứng trong mặt phẳng trùng với hướng tác ñộng của trường gia tốc và có dạng:

'

v N

như nhau cần phải có const

tỷ số

'

v

ω

, tỷ số này ñược gọi là tiêu chuẩn ñồng dạng phân bố các hạt cứng

Có thể giả thiết rằng, ảnh hưởng của trường gia tốc trong rãnh làm việc giữa các cánh lớn hơn gia tốc của lực hấp dẫn (biểu thức 2.19) thì trong trạng thái hỗn hợp chỉ còn lại các hạt có kích thước nhỏ Ta biết rằng ñộ thô thủy lực ω của hạt có ñường kính d, chuyển ñộng dưới ảnh hưởng của trường gia tốc a, ñược xác ñịnh bằng biểu thức sau [7]:

246

2 2

C a

d

o o

Hệ số lực cản chính diện C của hạt có thể lấy gần ñúng theo ñịnh luật Cтoкca bằng [7]:

d v

v d

C

ωω

2424

Re - chỉ số Râynon

ν - ñộ nhớt ñộng học

Từ biểu thức (2.22) ta có ñộ thô thủy lực của các hạt nhỏ sẽ là:

a v

d

o

o h

18

2ρ

ρρ

ðể cho các hạt có kích thước giới hạn thì tiêu chuẩn phân bố các hạt tương tự sẽ có dạng:

const vv

a d v

Tp o

o h Tp

=

−

=

'18'

2

ρ

ρρ

ω

Ở ñây:

ωTp - ñộ thô của hạt có kích thước giới hạn

Xung tiêu chuẩn tỷ lệ với vận tốc trung bình của hạt cứng ωcp ở giữa các cánh của rãnh, có nghĩa là v’ = αωcp (ở ñây α - là hệ số tỷ lệ giữa xung vận tốc và vận tốc trung bình)

Nếu tính rằng trong dạng hình học của các bơm tương tự về mặt hình học, tốc ñộ của dòng chảy tỷ lệ với ñại lượng nD, còn gia tốc tỷ lệ với ñại lượng n2/D (ở ñây: D là ñường kính bánh công tác), tỷ số a/ωcp tỷ lệ với n và

có [7]:

αρ

ρρρ

ρρ

v

n d vv

a

o

o h Tp

o

o h

18'

18

2 2

−

=

−

(2.25) Biểu thức (2.24) có thể viết ở dạng sau:

const v

n d v

Tp o

o h

α ρ

ρ ρ ω

18'

2

, từ ñây:

o Tp

Tp

v v

n d

ρρ

ρω

18

Trong tài liệu [9] ñã ñánh giá gần ñúng các giá trị ở biểu thức (2.26) Nếu như, bình thường ta nhận thấy rằng xung vận tốc có khoảng 10 ÷ 15% từ vận tốc trung bình của dòng chảy (α = 0,15) thì từ biểu thức (2-26) ta có:

'

15,018

v v

n

o h

o

ρ ρ

26,1

Vận tốc chuyển ñộng của hạt ở rãnh giữa cánh của bánh công tác có thể chỉ là gần ñúng, bởi vì không thể tính ñược tất cả các thành phần làm ảnh hưởng ñến ñặc tính chuyển ñộng của hạt Ngoài ra phương trình vi phân chuyển ñộng của hạt cứng trong ñó có cả lực cản thủy lực, phụ thuộc vào bình phương vận tốc (v2) chỉ có thể giải ñược bằng phương pháp gần ñúng

Hình 2.5 Tam giác vận tốc của chất lỏng và hạt rắn trong dòng chảy hỗn hợp Dựa vào sự khảo sát lực cản chính diện, xuất hiện khi các hạt cứng chuyển ñộng theo quỹ ñạo riêng và giả thiết rằng ở ñầu vào của bánh công tác

ñộ chênh lệch giữa vận tốc tương ñối của các hạt cứng và chất lỏng ∆w1 = 0, còn ở ñầu ra từ bánh công tác sẽ là ∆w2 = w2T – w20 Theo tài liệu [10] ñã dựng ñược tam giác vận tốc trung bình của dòng chất lỏng và các hạt cứng ở mép ra bánh công tác (hình 2.5) Trong ñó, góc ra của dòng chất lỏng β20 và quỹ ñạo của hạt cứng β2T liên kết với nhau theo biểu thức sau ñây:

20 20

2 2

+ β20 - góc ra của dòng chất lỏng

+ β2T - góc ra của các hạt cứng

Thật vậy:

20 2 20

2

1

1cos

, nên cos β2T < cos β20, có nghĩa là những hạt cứng

có ñường kính d >h dTp chuyển ñộng theo quỹ ñạo cong nhiều hơn so với

quỹ ñạo dòng chất lỏng

Các hạt có ñường kính lớn ở của vào bánh công tác có xu hướng va chạm vào mép vào của cánh Sau khi và ñập, một số hạt làm cong mép ñầu vào và rơi vào máng dẫn từ hướng mặt phẳng làm việc của cánh, còn 1 số hạt khác rơi vào mặt sau Do va ñập của các hạt mài lớn ở mép ñầu vào của cánh, nên chuyển ñộng tịnh tiến của chúng tạm ngừng lại Trong thời gian rất ngắn chúng quay cùng với mép ñầu vào của cánh, sau ñó trượt trên bề mặt cánh gây mài mòn cánh bơm

2.3 Sự phá hủy máy bơm ly tâm do mài mòn thủy lực [7]

ðặc tính mài mòn tất cả các chi tiết của bơm ly tâm có thể chia ra làm 2 nhóm:

Nhóm thứ nhất gồm: Bánh công tác, vỏ xoắn ốc và cửa ra, mà các bộ phận này bị mài mòn nhiều nhất

Khi các hạt rắn rơi vào môi trường nước ñang bơm, thì các chi tiết phải chịu thêm tác ñộng va ñập Cường ñộ mài mòn lớn nhất là cánh của bánh công tác, mặt bên trong của ñĩa, mặt vỏ xoắn ốc trong vùng thiết diện tính toán và cửa ra Ống hút chịu sự mài mòn ít hơn