Cơ Khí Lưu Chất - Máy Bơm, Trạm Bơm (Phần 2) part 9 ppsx

Tính toán thủy lực bể tháo thẳng dòng Nhiệm vụ tính toán thủy lực bể tháo là: - Xác định độ sâu ngập của miệng ra ống đẩy dưới mực nước thấp nhất trong bể; - Bảo đảm dòng chảy ra khỏ

và giảm lực nâng van, khi lỗ cửa ra có đường kính Dr = 0,6 1,2 m ta lắp thêm đối

trọng, để tốt hơn nữa làm cửa van nắp hình van bướm có bản lề lệch tâm ở miệng ra Khi

dùng van nắp để tránh chân không trong ống khi dừng máy cần đặt ống thông khí từ ống

đẩy chỗ trước van, kích thước ống d = ( 1/5 1/6 ) đường kính ống đẩy

Van ngược: được sử dụng khi đường kính lỗ cửa ra của ống đẩy Dr ≤ 1,2m.Van

ngược có một cánh quay xung quanh một trục cố định với nắp van, khi máy bơm ngừng

làm việc cánh van sẽ đóng kín ngăn không cho dòng nước chảy ngược lại ( Hình 10 -

7,b và 12 - 17 )

Van phẳng hạ nhanh: Khi ống đẩy có đường kính cửa ra lớn hơn 2 m thì nên dùng

loại van phẳng tự động nâng hạ nhanh bằng tời điện ( Hình 12 - 18 ) Loại bể tháo có

van phẳng yêu cầu phải có ngăn trống phía trước van do đó làm tăng thêm kích thước

chiều dài bể tháo Mở máy bơm phải đồng bộ với nâng cửa van, việc nâng van bắt đầu

khi mực nước ở phần trước van ổn định Tuy nhiên thường tốc độ kéo van chậm hơn tốc

độ dâng mực nước trước van, bởi vậy đỉnh tường ngực 2 phải vượt cao hơn mực nước

cao nhất khoảng chừng 0,4 m và là ngưỡng để nước tràn qua khi sự cố cửa van hỏng

Tiết diện lỗ tràn phía trên tường ngực nên lấy bằng 0,7 lần tiết diện ống đẩy

Ngoài ra bể tháo còn có thể dùng van cung, dùng lọai van này sẽ làm cho khối lượng

bể tháo lớn và tăng kích thước bể, do vậy loại này chỉ dùng cho trạm bơm lớn

2 Tính toán thủy lực bể tháo thẳng dòng

Nhiệm vụ tính toán thủy lực bể tháo là:

- Xác định độ sâu ngập của miệng ra ống đẩy dưới mực nước thấp nhất trong bể;

- Bảo đảm dòng chảy ra khỏi ống đẩy ở trạng thái ngập lặng;

- Xác định chiều dài giếng tiêu năng của bể tháo;

- Xác định hình dạng kích thước thềm ra từ giếng tiêu năng;

- Xác định chiều dài đoạn bảo vệ mái và đáy kênh tháo;

- Xác định các kích thước bể tháo hợp lý

Hình 12 - 21 Sơ đồ tính toán thủy lực bể tháo thẳng dòng

Qua thực tế tổng kết cho thấy việc thiết kế bể tháo có một số lời khuyên sau đây:

a - Để tránh sinh các vùng xoáy gây xói lở mái kênh tháo sau bể tháo nên thiết kế

phần ra ống đẩy làm việc đối xứng;

b - Khi bể tháo không có trụ phân chia thì kích thước các xoáy sẽ tăng lên; trụ phân

dòng còn giúp cho việc quản lý trạm bơm thuận lợi khi cần ngăn dòng sữa chữa;

c - Mép trên cửa ra ống đẩy đặt dưới mực nước thấp nhất trong bể ít nhất một độ sâu

bằng ( 3 4 ) Vra

g

2

2 thì điều kiện thủy lực trong bể tốt hơn, nhưng đừng sâu quá;

d - Đoạn ống ra có miệng ra hình chữ nhật ( khi tiết diện ra lớn hơn 2 m2 ) hoặc tròn

( khi tiết diện ra nhỏ hơn 2 m2 ); miệng ra hình chữ nhật sẽ làm giảm chiều dài giếng

tiêu năng 20 % so với miệng ra tròn

e - Thềm ra từ giếng tiêu năng có dạng thẳng đứng sẽ giảm được chiều dài của giếng

tiêu năng, nhưng tổn thất thủy lực qua bể tháo tăng hơn khi có dạng nghiêng, nên làm

mái nghiêng m = 0,5;

g - Đoạn kênh tháo nối tiếp với bể tháo sẽ có vận tốc ở đáy và bờ tăng cao hơn hai

lần vận tốc cho phép, do vậy cần phải bảo vệ mái và đáy kênh tháo chống xói lỡ

Thường lấy độ dài đoạn kênh cần bảo vệ ở ngoài bể tháo một đoạn dài bằng 5 lần độ sâu

lớn nhất trong kênh để vận tốc dòng chảy ở trong kênh đều đặn hơn và xấp xỉ vận tốc

cho phép

* Độ ngập sâu nhỏ nhất của mép trên miệng ra ống đẩy để bảo đảm dòng chảy ra

ngập lặng được xác định theo công thức sau:

ng

g min = 3 4( ) 2

2

Λ , ( m ) và phải ≥ 0,1 m

Trong công thức: Vra

D

= 4Q 0 2

π. , ( m/s ), thường trong khoảng từ 1,5 2 m/s

D0 = ( 1,1 1,2 ) D - đường kính cửa ra ống, D- đường kính ống, ( m )

* Độ sâu nhỏ nhất trong giếng tiêu năng của bể tháo tính theo công thức sau:

gi

H .min= D0+ hgi.min+ p, ( m )

Trong đó p là khoảng cách từ mép dưới miệng ra ống đẩy đến đáy bể Tùy theo cấu

tạo nắp ống đẩy của bể tháo, khi có vật chống rò thì lấy p = 0,2 0,3 m

* Chiều cao thềm ra của giếng tiêu năng được tính theo công thức:

t

h = Hgi.min− kmin, ( m )

Trong đó h mink là độ sâu nhỏ nhất trong kênh, ( m )

* Độ sâu lớn nhất của giếng tiêu năng:

gi

H .max= ht+ k.max, ( m )

Trong đó: h maxk là độ sâu lớn nhất trong kênh, ( m )

* Độ ngập sâu lớn nhất của mép trên miệng ra ống xả:

ng

h .max= Hgi.max− D0− p, ( m )

* Chiều cao phía trong tường bể tháo là:

b

H = Hgi.max+a , ( m )

Trong đó : a là độ cao an toàn, lấy theo bảng sau:

Lưu lượng trạm (m3/s) 1 1 10 10 30 > 30

* Chiều dài giếng tiêu năng tính theo công thức sau:

b

L = k ng h .max, ( m )

Trong đó : k là hệ số phụ thuộc vào dạng của thềm ra khỏi giếng tiêu năng, hình

dạng tiết diện miệng ra ống đẩy, hình dạng và chiều cao của thềm, lấy theo bảng sau:

t

h

D0

k Thềm nghiêng Thềm đứng

Hoặc có thể tra đồ thị bên cạnh để xác định k

Các kết quả tra hệ số k ở trên và tính toán xác định chiều dài giếng tiêu năng trên là ứng

với miệng ra hình tròn, khi miệng ra hình chữ nhật thì rút bớt 20%

* Chiều dài đoạn kênh tháo ( sau bể tháo đối xứng ) cần bảo vệ mái và đáy :

k

L = ( ) max 4 5 k , ( m )

* Khoảng cách giữa các tâm miệng ra ống đẩy:

B =D0+ 2b + d, ( m )

Trong đó : b - khoảng cachs từ mép ống đẩy đến trụ pin, lấy như sau:

loại van tự đóng nhanh b = 0;

loại van nắp cánh bướm b = 0,5 m;

loại nắp ống đẩy có chốt bản lề phía trên b = 0,3 0,4 m

d - chiều dày trụ pin ở bể tháo lấy từ 0,6 0,8 m;

n - số lượng đường ống đẩy nối với bể tháo

III Bể tháo kiểu xi phông

Tính đặc biệt của kết cấu xi phông là phần cuối đường ống đẩy ( trong mặt phẳng

đứng ) có dạng khuỷu cong, khi bơm nước, khuỷu làm việc theo nguyên lý chân không

vì vậy mới có tên gọi là xi phông ( xem Hình 12 - 22 )

Bể tháo xi phông gần đây đã được sử dụng nhiều vì có những ưu điểm sau:

- Không có cửa van và trụ pin ngăn giữa các buồng như những loại khác, do đó

giảm được chiều dài bể, nhất là đối với các trạm bơm lớn điều nầy càng có ý nghĩa;

- Làm việc tự động và bảo đảm an toàn;

- Tổn thất thủy lực tương đối nhỏ

Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của loại này là thiết kế, thi công có nhiều phức tạp,

đòi hỏi chất lượng thi công cao hơn Đối với bể tháo có giao động mực nước lớn thì xi

phông làm việc khó bảo đảm Điều kiện làm việc của xi phông phụ thuộc vào độ chân

không tĩnh lớn nhất trên mực nước bể nhỏ nhất không được quá 6 m và khi máy bơm

làm việc không được rơi vào vùng làm việc không ổn định của máy bơm

Bể tháo xi phông có thể dùng cho các trạm bơm : khi đường kính ống đẩy nhỏ hơn 1

mét nên làm xi phông bằng thép mặt cắt tròn ( hình a ), khi ống đẩy có đường kính lớn

hơn 1 m nên dùng xi phông bằng bê tông cốt thép mặt cắt tròn hoặc đa giác ( hình δ )

Hình 12 - 22 Các sơ đồ bể tháo xi phông

a,δ - xi phông tiết diện tròn và xi phông tiết diện chữ nhật: 1- ống đẩy; 2,5 - nhánh lên

và nhánh xuống; 3- nắp để đặt van phá chân không; 4- họng xi phông; 6- đoạn ra

1 Tính toán thủy lực xác định kích thước bể tháo xi phông

Những chỉ dẫn về bố trí và kích thước bể tháo xi phông như sau:

- Mép trên miệng ra của ống xi phông phải đặt ngập dưới mực nước thấp nhất

trong bể một đoạn tối thiểu a = ( 2 3 ) max2

2

V

g và không nhỏ hơn 0,2 m, trong đó Vmax

là vận tốc lớn nhất chảy ra miệng xi phông ( xem Hình c ở trên );

- Đỉnh dưới họng xi phông phải cao hơn mực nước lớn nhất một khoảng δ = 0,2

0,3 m Khi trong bể có hiện tượng sóng lớn do gió thì có thể lấy lớn hơn;

- Tốc độ trung bình của dòng chảy qua họng xi phông làm bằng thép nhẵn hoặc

bằng bê tông cốt thép nhẵn mặt phải lớn hơn trị số [ V ] =3,4 Rh, ( m/s ) Trong đó

h

R là bán kính thủy lực ở họng xi phông, ( m ).Nếu lấy V < [ V ] mực nước và độ chân

không ở họng xi phông sẽ giảm và tổn thất thủy lực sẽ tăng Đây là một điều kiện để

tính toán xác định kích thước họng xi phông;

- Tốc độ lớn nhất của dòng chảy trong xi phông trong điều kiện bình thường nên

lấy giới hạn 2,5 m/s, có chú ý đến tốc độ tính toán van phá chân không

Khi làm đường ống cong ở đỉnh xi phông ( Hình a trên ) có ma sát nhỏ nhất khi lấy:

r

h

r

h

= + , Với ống ghép gãy khúc ( Hình b trên ) gồm hai đoạn có góc 450 thì ma sát

nhỏ nhất khi r

h = 1,5 ( r là bán kính cong của đường tim đoạn ống cong, thường lấy bằng r = ( 1,5 1,2 ).h Ống xi phông bằng bê tông cốt thép khi chuyển từ ống đẩy tròn

sang ống xi phông hình chữ nhật, tiết diện chữ nhật có tỷ số giữa chiều cao h và bề rộng

b nhỏ hơn 1 ( b/h < 1 ) Để dễ thi công đoạn chuyển tiếp này nên lấy b = D, h = 0,785D

và đoạn dài chuyển tiếp từ hình tròn đường kính D sang chữ nhật nên lấy lớn hơn 1,5D

Một vấn đề cần chú ý khi thi công lắp ráp xi phông là phải bảo đảm đường ống xi

phông thật kín, vì nếu không khí lọt vào sẽ làm cho dòng chảy bị rối và tăng tổn thất

thủy lực bể tháo Lượng không khí trong nước càng tăng thì mực nước và độ chân không

càng giảm làm cho xi phông làm việc như đập tràn, cột nước bơm tăng lên;

- Tốc độ miệng ra xi phông nên lấy 1 1,5 m/s, miệng ra nên làm hình chữ

nhật, từ họng xi phông đến miệng ra nên làm loe trên bình đồ với góc loe 100;

- Ống nối với xi phông không nên đặt quá dốc, thường lấy 15 180để khỏi trượt

- Độ dốc nhánh lên và nhánh xuống của xi phông nếu lấy càng dốc thì tuy giảm

khối lượng nhưng lại tăng tổn thất thủy lực, thường nhánh lên thoải hơn nhánh xuống

Độ dốc nhánh xuống thường lấy 1:1 hoặc nhỏ hơn;

- Khoảng cách từ miệng ra xi phông đến đáy bể tháo theo đường tim nên lấy

bằng ( 0,5 1,25 ) h ( hoặc D0 ) Để tránh va đập dòng nước rơi xuống đáy nên nối tiếp

với đáy một đoạn cong thuận;

- Chiều dài và bề rộng bể tiêu năng của bể tháo xi phông tính toán như bể tháo

thông thường đã trình bày ở trên Chiềìu dài đoạn kênh tháo cần bảo vệ nên lấy lớn gấp

1,5 2 lần bể tháo thông thường vì sự phân bố vận tốc dòng chảy ở đây phức tạp hơn

2 Các loại van phá chân không và nguyên lý làm việc

Van phá chân không là bộ phận bảo đảm cho xi phông cấp nước ( tích chân không )

khi bơm nước và ngắt dòng chảy ngược ( phá chân không ) từ bể tháo về ống đẩy khi

ngừng máy, nếu không có van phá chân không sẽ không ngắt được dòng chảy ngược

Yêu cầu đặt ra đối với van phá chân không:

- Làm việc bảo đảm, bền và thuận lợi;

- Có cấu tạo đơn giản, giá thành hạ;

- Bảo đảm mồi nước nhanh và phá chân không nhanh;

- Tổn thất thủy lực nhỏ nhất;

- Làm việc tự động;

- Đóng kín không cho không khí lọt vào họng xi phông khi đưa nước lên bể tháo

Van phá chân không về nguyên tắc tác động có thể chia ra: loại thủy lực và cơ khí

Mỗi van đều có lỗ để nạp khí vào xi phông ( khi phá chân không ) và tháo khí ra khỏi

ống đẩy ( khi nạp chân không ) Sau đây trình bày hai loại van nói trên

a - Van thủy lực phá chân không

Hình 12 - 23 Các sơ đồ van thủy lực phá chân không

1- ống đo áp, 2 - ống dẫn khí ;3- ống nối

Đây là loại van có kết cấu đơn giản, gồm có: một ống trụ 1 và ống dẫn khí 2 Ống

dẫn khí 2 một đầu đặt vào giữa mặt cắt họng xi phông và đầu khác nhúng vào trong ống

trụ 2 Nguyên tắc hoạt động của van thủy lực phá chân không như ( Hình a ).Van thủy

lực phá chân không làm việc theo nguyên tắc sau đây:

- Khi máy bơm làm việc, nước chảy qua ngưỡng xi phông vào bể tháo Lúc đầu

nước dâng qua ngưỡng của họng xi phông đẩy không khí trong xi phông theo ống dẫn

không khí 2 vào ống trụ 1 và thoát ra ngoài ống trụ, tiếp theo nước cũng theo ống 2 vào

ống trụ làm cho mực nước trong ống trụ dâng lên bịt kín cửa ra của ống 2 ngăn cách

họng xi phông với khí trời, bắt đầu quá trình nạp chân không để tăng khả năng tháo

nước vào bể tháo

- Khi ngừng máy bơm, dòng nước chảy ngược từ bể tháo về ống đẩy, mực nước

trong ống trụ 1 hạ xuống, đến khi thấp hơn miệng ra ống 2 thì không khí bên ngoài ống

trụ 1 theo ống 2 tràn vào họng xi phông, làm cho chân không trong họng xi phông bị

phá Vì mực nước lớn nhất trong bể tháo thấp hơn ngưỡng họng xi phông nên nước

không thể chảy ngược về ống đẩy được, dòng chảy ngược bị chặn đứng

* Các kích thước chủ yếu của van thủy lực này như sau ( xem Hình 12 - 24 ):

+ Tiết diện ống dẫn khí 2 chọn bằng 1,5 % tiết diện họng xi phông và lấy tròn

với đường kính d;

+ Tiết diện ống trụ chọn gấp ( 2 3 ) d Ống trụ đặt trên bệ gắn vào xi phông

Đỉnh ống trụ vượt cao hơn mực nước lớn nhất trong bể tháo từ 0,2 0,3 m Đáy ống trụ

đặt thấp dưới miệng ra ống dẫn khí một đoạn ( 1 2 ) d Tâm ống dẫn khí ở họng xi

phông thấp hơn mép trong đỉnh một đoạn 1,5 d và phải nhô ra đúng mặt cắt II - II

+ Miệng dưới ống dẫn khí đặt ngang cao trình mực nước thấp nhất của bể tháo

khi tốc độ ở họng xi phông V ≤ 1,5 m/s Khi V > 1,5 m/s đặt miệng dưới ống dẫn khí

cao hơn mực nước thấp nhất trong bể tháo một đoạn bằng 0,5Vra

g

2

2

Hình 12 - 24 Sơ đồ tính toán van thủy lực phá chân không

* Xác định mực nước trong ống trụ ( Hình 12 - 24 )û:

Viết phương trình Becnully cho hai mặt cắt II - II ( tại họng xi phông ) và III - III

(tại cửa ra ống đẩy) cho hai trường hợp chảy thuận và chảy ngược:

- Trường hợp chảy thuận để xác định độ dâng nước thuận Zth:

2

2 2

3 2 2

Z Hck Vh th

g

V

g hw th

Mực nước trong ống trụ sẽ dâng lên một độ cao Zthtrên mực nước lớn nhất của bể :

th

Z Z Hch kth h th

V g

2 2

Thay ( * ) vào ( ** ) ta được độ cao dâng trong ống trụ khi chảy thuận:

th

Z

V

g hw th kth

h th V

2 29

- Trường hợp chảy ngược để xác định độ hạ mực nước Zng:

2

2 2

3 2 2

V

g hw ng

V g

Mực nước trong ống trụ hạ thấp một độ cao Zng dưới mực nước lớn nhất trong bể:

ng

V g

2 2

.

Thay ( **' ) vào ( *' ) ta được độ hạ thấp trong ống trụ khi chảy ngược:

ng

Z

V

g hw ng kng

h ng V g

2

2 2

Trong các công thức trên ký hiệu lấy như sau ;

h th

V . , Vh ng. là tốc độ dòng chảy ở họng xi phông khi chảy thuận và ngược;

3

V - tốc độ dòng chảy ở miệng ra ống đẩy; ( m/s );

th

k - là hệ số lợi dụng cột nước lưu tốc khi chảy thuận, lấy kth = 0,7 0,9

kng - là hệ số lợi dụng cột nước lưu tốc khi chảy ngược, lấy kng = 0,4 0,6

Khi biên độ giao động mực nước trong bể tháo ∆h < Zngthì không cần làm ống nối

3, nếu khi ∆h < Zng thì muốn van thủy lực phá được chân không thì phải lắp thêm ống

nối 3 ( xem Hình 12 - 24,δ ) Loại van thủy lực chỉ áp dụng với biên độ giao động mực

nước trong bể tháo trong phạm vi 1 m Muốn dùng loại van này cho mực nước giao

động lớn hơn ta có thể đặt ống trụ trên phao để cùng dịch chuyển theo mực nước Một

số viện nghiên cứu đã đưa ra những biện pháp nâng cao phạm vi sử dụng của van thủy

lực phá chân không, tuy vậy mực nước cũng bị hạn chế bởi độ chân không dưới 6 m

b - Van cơ khí phá chân không

Hình 12 - 25 Sơ đồ van cơ khí phá chân không

1- cánh, 2- tay quay; 3- đĩa chặn; 4- khuỷu họng xi phông

Loại này được dùng với mọi giao đông mực nước trong bể tháo, nhưng phải tuân theo

điều kiện độ chân không tĩnh lớn nhất trong xi phông là 6 m Loại đơn giản nhất như đã

trình bày trên hình Cánh 1 dưới tác động của dòng chảy: khi chảy thuận ( từ trái sang