CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC COMPOSITE VÀ KẾT CẤU CÁNH BƠM NƯỚC CHUYÊN DỤNG
I.2 Kết cấu và yêu cầu kỹ thuật chế tạo cánh bơm nước chuyên dụng
I.2.1 Xây dựng bản vẽ kết cấu cánh bơm
I.1.2.2 Tính toán độ bền cho cánh bơm chế tạo bằng vật liệu composite
Vì đây là loại bơm cánh dẫn gần giống với chân vịt làm việc trong môi trường nước chảy rối chịu tác động của lực thủy động và lực khối lượng- lực ly tâm và trọng lượng- tác dụng lên rất phức tạp; các lực tác dụng lên cánh bao gồm lực đẩy dọc trục, lực tiếp tuyến tác dụng lên toàn bộ bề mặt và lực ly tâm tác dụng lên toàn bộ thể tích của cánh. Dưới tác dụng của các lực này trên cánh và trên phần củ của cánh xuất hiện các trạng thái ứng suất phức tạp bao gồm ứng suất uốn, kéo, nén, xoắn.
Lực tác dụng lên cánh bơm là lực phân bố rất phức tạp cho nên rất khó xác định được biên độ và quy luật phân bố của áp lực; lực tác dụng lên cánh bơm được xấp xỉ gần đúng sao cho áp dụng thuận tiện phương pháp phần tử hữu hạn; đồng thời có thể mô tả được tình trạng chịu lực của cánh bơm một cách phù hợp nhất có thể.
-49-
Mặc dù lực tác dụng lên cánh bơm rất phức tạp nhưng tại mỗi phần tử diện tích cánh được phân ra thành ba thành phần vuông góc với nhau: lực ly tâm, lực hướng trục, lực tiếp tuyến.
Để xác định được tình trạng chịu lực của cánh bơm sử dụng phương pháp phần tử hửu hạn với sự trợ giúp của máy tính để tính. Hiện nay, có rất nhiều phần mềm tính toán độ bền chi tiết cơ khí bằng phương pháp phần tử hửu hạn như SolidWork, Unigraphics….
Phương pháp này cần xác định: Mô hình tính toán cánh bơm dưới dạng khối rắn đúngvới các thông số hình học (phần mềm Cad) và xác định đúng lực tác dụng lên cánh bơm: Coi lực hướng trục và lực tiếp tuyến tác dụng lên cánh bơm phân bố theo hệ tọa độ trụ.
Cánh bơm khi làm việc chịu tác động của hai loạilực chính là lực tiếp tuyến Pu và lực dọc trục Pz, các lực tác động lên cánh bơm là lực phân bố theo bán kính nên sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềnSolidWork2007, bằng cách rời rạc hoá gần đúng chia cánh ra thành 3 vùng có bán kính khác nhau :
+ Vùng thứ nhất có bán kính r từ12 mm đến25 mm.
Hình 21 :Áp suất phân bố Pz dọc theo trục cánh bơm trong hệ toạ độ trụ.
Hình 22:Áp suất phân bố Putheo phương trong hệ toạ độ trụ.
.d ocu -tra c .d ocu -tra c
+ Vùng thứ hai có bán kính r từ25 mm đến45 mm.
+ Vùng thứ ba có bán kính r từ45 mm đến52,8 mm.
Các lực tác dụng lên mỗi vùng của cánh bơm là lực phân bố có giátrị là hằng số trên mỗi vùng.
Các công thức được dùng để tính toán lực Pu, Pz như sau Hệ số tỷ tốc tính theo công thức: nS=
75 1000 . .3/4
H Q
n = 3,65.3/.4 H
Q
n (1) Trong đó n (vòng/phút), Q (m3/s)
Lượng xoáy vận tốc một cánh:
Γ1 1 2 2 . . . 2
. . . 2
. . . . 2 .
. .
2 K nD
Z g Z
n D n K g Z
H g
H tl tl
H
(m2/s) (2)
Trong đó H1- cột nước lý thuyết của bơm không kể tổn thất thuỷ lực Bước của lưới cánh t
Z r . 2
(với r là bán kính của tiết diện trụ) (3) Vận tốc theo của cánh khi cánh quay: u = .r (4) Hệ số cột áp KH = 2 2
.D n
H (n tính bằng vòng/s) (5)
Hệ số lưu lượng KQ= 3 .D n
Q (n tính bằng vòng/s) (6) Áp suất tác dụng lên cánh bơm theo phương u phân bố theo bán kính cánh r: PU= ρ.Γ1.vZ (N/m) (7)
Áp suất tác dụng lên cánh bơm theo phương z phân bố theo bán kính cánh r: PZ= ρ.Γ1.W∞U(N/m) là hằng số (8)
Trong đó: W∞U = .r-vu2/2= .r-Γ1.Z/4r (9) Với vu2 tính bằng công thức vu2=
r H g
. .
(10) Như vậy PZ phụ thuộc vào bán kính r
Vz=
) 1 .(
. . 4
d2
D n KQ
(11) Hoặc nếu biết lưu lượng Q thì VZ=
) 1 ( .
4
2
2 d
D Q
(m3/s) (12)
-51-
Với d là tỷ số bầu d = Dm/Db (13) Bảng 7: Bảng tính lực tác dụng lên cánh bơm
Đại lượng Đơn vị Trị số
Bán kính r mm 12 25 45 52.8
Hiệu suất thuỷ lực theo mẫu 0,90 0,88 0,87 0,86
Tốc độ quay n vòng/phút 2900 2900 2900 2900
Tốc độ quay n vòng/giây 48,3 48,3 48,3 48,3
Đường kính mút cánh D mm 105.6 105.6 105.6 105.6
Đường kính bầu cánh mm 50 50 50 50
Tỷ số bầu d 0,5 0,5 0,5 0,5
Hiệu suất toàn bộ của bơm 0, 55 0,55 0,55 0,55
Mật độ chất lỏng ρ Kg.s2/m4 9,81 9,81 9,81 9,81
Số cánh Z 3 3 3 3
Lưu lượng Q m3/giờ 95.26 95.26 95.26 95.26
Cột áp H m 2 2 2 2
Omega () (Rad/s) 303,69 303,69 303,69 303,69
Vận tốc VZ m/s 2,90 3,01 3,01 3,01
Vận tốc W∞U m/s 7,42 10,68 13,56 16,65
Lượng xoáy vận tốc 1 cánh Γ1 m2/s 0,15 0,15 0,15 0,15 Lực vòng Putác dụng lên từng
diện tích hình vành khăn
N 42.8 40.8 45.8
Lực hướng trục Pz tác dụng lên từng phần cánh vành khăn
N 109.3 144.9 206.8
.d ocu -tra c .d ocu -tra c
b. Tính toán độ bền cho cánh bơm
Xác định điều kiện biên: Coi phần nắn dòng gần đúng như bản phẳng được gắn vào phần củ cánh, thìở vùng gốc cánh sát với củ có độ cứng cao nhất nên coi biến dạng tại vùng củ cánh bằng không, do vậy điều kiện biênở đây là chuyển vị tại gốc cánh bằng không.
Áp dụng cho vật liệu composite có các thông số cơ tính sau:
Vật liệu: vật liệu composite 40% mat + 60% nhựa (1,8% chất xúc tác) Khối lượng riêng:ρ = 1,53g/cm3
Mô đun đàn hồi kéo: EK = 2506 (Mpa).
Độ bền kéo: σbk= 47,84 (Mpa).
Môđun đàn hồi uốn: EU = 6613(Mpa).
Độ bền uốn: σbu= 144,8 (Mpa).
Hệ số poisson: μ = 0,304.
-53-
Hình 23: Kết quả phân tích chuyển vị của cánh bơm theo phương pháp phần tử hữa hạn bằng phần mềmSolidWork 2007
Chuyển vị lớn nhất ở mép cánhtại vị trí X = -26.4 mm Y = 45.7261 mm Z = 21 mm
là khá nhỏ ( 0,559 mm), biến dạng này là cho phép đối với cánh bơm.
.d ocu -tra c .d ocu -tra c
►Kết quả phân tích ứng suất theo thuyết bến 3 bằng phần mềm SolidWork7.0
Hình 24: Kết quả phân tích ứng suất của cánh bơm theo phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềmSolidWork7.0
Ứng suất lớn nhất ở gốc cánh tại tọa độ (-14.402 mm, 24.945 mm, 12.1029 mm)
là 23.07 (N/mm2)Ứng suất này nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất kéo vàứng suất uốn cho phép của vật liệu compozite dùng chế tạo cánh bơm.
I.2.2 Yêu cầu kỹ thuật chế tạo cánh bơm nước chuyên dụng