Chương 4. GIỚI THIỆU VỀ MÁY BƠM LI TÂM
7. Thiết kế cánh quạt và vỏ bơm
7.1. Thiết kế cánh quạt tối ưu:
Thiết kế mô hình cơ sở của cánh quạt:
Hình dạng của mô hình cơ sở được thiết kế nhằm tối ưu hóa hoạt động của cánh quạt. Đường kinh tuyến mặt phẳng của mô hình cơ sở được thiết kế để đáp ứng cho điều kiện hạn chế về hình dạng trong cơ sở dữ liệu của nghiên cứu trước.
Hình 37.Đường kinh tuyến của mô hình cánh quạt
Hình 38. Mô hình cơ bản của cánh quạt
Góc cánh quạt được thiết kế dựa trên lí thuyết vận tốc tam giác:
Hình 39. Mô hình tam giác vận tốc
42
Trong đó:
Vn(h,s) thể hiện vận tốc của trung tâm cánh quạt Un (h,s) thể hiện tốc độ quay của cánh quạt V ( h,s) thể hiện tốc độ tương đối
𝛼 ( h, s): thể hiện góc dòng chảy
Vận tốc trung tâm cánh quạt xác định:
Vn (h,s) = 𝑄
𝐴
Trong đó:
Q là lưu lượng dòng chảy ( m3/s) A là diện tích mặt cắt ngang ( m2)
Tốc độ quay của cánh quạt được xác định:
𝜔 = 𝑁∗𝜋
30
Un( h,s) = 𝜔 ∗ r (h,s) Trong đó:
𝜔 là vận tốc gốc ( rad/s)
Rh là bán kính của bánh xe hoặc rs là vành ngoài.
Góc dòng chảy được xác định:
𝛼 ( h, s) = tan−1 𝑉𝑛( ℎ,𝑠) 𝑈𝑛(ℎ,𝑠)
Các góc dòng chảy đầu vào trung tâm và vành ngoài ( tương ứng là 37o và 21o) của mô hình cơ sở được tính theo lí thuyết tam giác vận tốc. Giá trị góc chảy đầu vào được coi là góc đầu vào (𝛽1(h,s)), các góc tới là từ 10-25o. Góc đầu ra (𝛽2(h,s)) của mô hình cơ bản được xác định dựa trên một nghiên cứu trước đây, giá trị của góc là từ 20-25o cho cả ở trung tâm và vành ngoài.
43
Hình 40. Mặt phẳng phát triển của cánh quạt
Để thiết kế cánh quạt ngoài tính toán vận tốc quay của cánh cần xác định đường kính cánh quạt. Đường kính trung tâm của cánh quạt Do phụ thuộc vào đường kính của trục Ds và chúng phải xấp xỉ để đảm bảo ăn khớp. Đường kính ngoài của trục Dh, được thiết kế lớn hơn Ds từ 5/16 – ẵ inch. Sau khi đó ước lượng DH
và Ds, Do được tính dựa vào lưu lượng dòng chảy Q. Đường kính mép ngoài cánh quạt D1 được tính tương tự như Do đảm bảo cho dòng chảy lưu thông tốt.
Hình 41 . Thiết kế đường kính của cánh quạt Đường kính Do của tâm cánh quạt:
QV A0 0 V0 D DH 0
2 2
4 4
( )
Đường kính D2 của cánh quạt được tính theo công thức:
2 2 2
2
2 (2)(32.2) (60) 12
2 2 1840
(2)( ) H
gH H
D N N
44
Trong đó:
H2 là chiều cao cột áp ở vành ngoài cánh quạt ( ft),
g H U
2
2 2 2
N là tốc độ quay của cánh quạt (rpm) D2 là đường cánh ngoài cánh quạt (inch)
Để giảm hiện tượng rò rỉ nước qua các khe hở giữa cánh quạt vào vỏ, cần thiết kế thêm các vòng đệm lắp vào khe hở.
7.2. Tối ưu hóa trong thiết kế vỏ xoắn ốc:
Lí thuyết cho việc thiết kế vỏ xoắn ốc:
Vỏ xoắn ốc là một dụng cụ tập hợp dòng chảy và nối với một đường ống hình xoắn ốc. Từ khi nó có hình dạng đơn giản, nó dễ dàng được thiết kế và sử dụng phổ biến trong máy bơm li tâm. Khi thiết kế vỏ xoắn ốc, diện tích mặt cắt ngang lớn dần từ đầu lưỡi vào chỗ thoát nước.
Hình 42. Vị trí các góc của một vỏ xoắn ốc
Khi thiết kế các mặt cắt ngang của vỏ xoắn ốc, lí thuyết Stepanoff được dùng.
Trong điều kiện của phương pháp, diện tích mặt cắt ngang đã thay đổi theo góc để duy trì một vận tốc không đổi trong vỏ xoắn ốc. Lí thuyết Stepanoff đã điều chỉnh vận tốc dòng chảy với K không đổi tương ứng với một vận tốc cụ thể.
K = 2.81/ 𝑁𝑠0.32
Vận tốc dòng chảy trong vỏ xoắn ốc với K không đổi:
V = K√2𝑔ℎ
Diện tích mặt cắt ngang tại các khu vực của một vỏ xoắn ốc theo vận tốc:
A(𝜃) = Q* 𝜃/ (V*360)
45
Góc denta được tính theo công thức:
Thiết kế mô hình vỏ xoắn ốc cơ bản:
2 loại vỏ xoắn ốc cho mô hình cánh quạt tối ưu được thiết kế: một loại có khu vực mặt cắt ngang hình tròn và một loại có khu vực hình quạt. Trường hợp mặt cắt hình tròn, hình dạng diện tích mặt cắt bên trong của vỏ xoắn ốc như hình:
Hình 43. Diện tích mặt cắt ngang của mô hình vỏ xoắn ốc loại 1
Hình 44. Diện tích mặt cắt ngang của vỏ xoắn ốc loại 2
Chiều rộng b kết nối với đầu ra của cánh quạt được xác định là 100 mm, bán kính R được kiểm soát phù hớp với diện tích mặt cắt ngang theo lí thuyết Stepanoff.
Chiều rộng b và góc phân kì (𝜃) được xác định cùng một cách, giá trị tương ứng là 100mm và 15o. Thiết kế biến h và R được kiểm soát, để thiết kế các mô hình tương ứng theo lí thuyết Stepanoff.
r
r r
r r
r r
dr
1 1 tan
180 tan
0 180
46