máy bơm ly tâm hướng trục

Bơm hướng trục làm việc theo nguyên lý sau: Chất lỏng chuyển động qua bánh công tác theo các mặt trụ đồng tâm với trục bơm, nghĩa là vận tốc vòng tại lối vào và lối ra của bánh công tác

Chương 4 BƠM HƯỚNG TRỤC

I- Nguyên lý làm việc:

I.1 Cấu tạo và nguyên lý làmviệc:

Bơm hướng trục thường được dùng trong nông nghiệp và công nghiệp khi cần bơm chất lỏng với lưu lượng lớn, cột áp bé Số vòng quay ns > 600v/ph, phạm vi sử dụng thông thường của bơm hướng trục là:

Q = 0,1 ÷ 25 m3/s H = 4 ÷ 20 m cột nước

Hình bên là sơ dồ cấu tạo một bơm hướng trục trục đứng

Bơm gồm có bánh công tác hình khối trụ có các cánh dẫn (1) mặt cong gắn trên bầu cánh, số cánh từ 3 ÷ 6 cánh phân bố đều trên bầu Các cánh có thể gắn cứng trên bầu cánh hoặc có thể quay được để điều chỉnh góc độcánh cho phù hợp với yêu cầu làm việc Bánh công tác lắp chặt với trục (2) tạo nên phần động của bơm

Vỏ bơm có hình trụ rỗng gắn với phần uốn cong (4) để tiện bố trí các bộ phạn dẫn động trục bơm Phía trên của phần trụ rỗng có gắn các cánh dẫn hướng (3) để nắn dòng chảy khi vừa ra khỏi bơm

H 5.1 p66

Sơ đồ kết cấu bơm hướng trục

Bơm hướng trục làm việc theo nguyên lý sau: Chất lỏng chuyển động qua bánh công tác theo các mặt trụ đồng tâm với trục bơm, nghĩa là vận tốc vòng tại lối vào và lối ra của bánh công tác ứng với 1 bán kính r nào đó sẽ bằng nhau:

u1 = u2 = u = ω.r Như vậy, do mặt cong của cánh dẫn ,1 phần tử chất lỏng sẽ có chuyển động xoắn ốc dọc trục theo chiều đi lên Để giảm thành phần chuyển động quay của chuyển động xoắn này, tại cửa ra của bánh công tác người ta sử dụng 1 bộ phận dẫn hướng dạng cánh nhằm mục đích nắn thẳng dòng chảy Góc độ và biên dạng cánh dẫn hướng phải phù hợp với dòng chảy tại cửa ra của bánh công tác

Giả sử diện tích măt cắt ướt của dòng chảy ở lối vào và lối ra của bánh công tác bằng nhau và thành phàn vận tốc cm của dòng chảy làî không đổi, cm là thành phần vận tốc hướng trục, có phương song song với trục:

c1m = c2m = cm

I.2 Phương trình cơ bản của bơm hướng trục:

Từ tam giác vận tốc ở lối vào và lối

ra, ta nhận thấy với bơm hướng trục thì:

u1 = u2 = u = ω.r

H 5.2 p66 DNA

Hình 2 Chất lỏng chuyển động qua bơm hướng trục

H5.3 p66 DNA

Hình 3 Tam giác vận tốc trong bơm hướng trục

c1u= 0 (ở lối vào của bánh công tác chất lỏng chưa có thành phần chuyển động quay)

Vậy phương trình cơ bản của bơm hướng trục là:

Hl u cg u

∞ = ⋅ 2

Hoặc:

Hl∞ = c22 −gc12 + w12 −gw22

Nhận xét:

- Cột áp bơm hướng trục không có thành phần do lực ly tâm u2 gu

2

12 2

−

tham dự, đối với bơm ly tâm thành phần này là thành phần chủ yếu để tạo nên cột áp cho bơm, do đó mà bơm hướng trục có cột áp bé so với bơm ly tâm

- Cột áp tĩnh của bơm hướng trục chỉ do độ chênh lệch giữa w1 và w2, tức là do độ mở rộng của các máng dẫn trong bánh công tác tạo nên bằng cách giảm chiều dày cánh ở lối ra Điều này gây tổn thất phụ trong bánh công tác vì lực quán tính của dòng chảy trong máng dẫn thay đổi lớn Để giảm tổn thất phụ đó, các cánh dẫn thường phải gia công chính xác và có độ bóng bề mặt cao (∇5 ÷ ∇7) (trong bơm ly tâm thường w1 = w2)

- Để dòng chất lỏng qua bánh công tác bơm hướng trục được cân bằng thì cánh dẫn phải có kết cấu sao cho bất cứ dòng nguyên tố nào qua bánh công tác tại bán kính r nào đó đều nhận được cột áp như nhau, nghĩa là phương trình cột áp của bánh công tác phải đảm bảo là hằng số với mọi giá trị của bán kính r

Vậy:

H

g H u

l ∞ = 1 ⋅ 2u = ∀ ⇒ ⋅ 2u = ⇒ 2u = ⋅ l∞

Như vậy ta thấy khi r tăng dần thì u tăng và do đó c2u giảm dần

Từ tam gíac vận tốc ta có: (c2u)r = (u - cm.ctg β2)r

Mà (u)r = cm.(ctg β1 )r

⇒ (c2u)r = cm.(ctg β1 - ctg β2)r

l ∞ = 30π⋅⋅ ⋅ m ⋅ ⋅ β2 − β1 r Vậy để Hl∞ là hằng số với mọi giá trị của bán kính r thì:

r (ctg β1 - ctg β2)r = const Kết luận:

- Bánh công tác của bơm hướng trục chỉ tạo được cột áp > 0 khi (ctg β1 - ctg β2)r>0, nghĩa là tại mọi bán kính r của bánh công tác ta phải có góc ra lớn hơn góc vào (β2>β1), nghĩa là mặt cánh dẫn không pgải là mặt cánh phẳng mà là mặt cong Trị số của β1 và β2 khác nhau càng nhiều thì độ cong của cánh càng lớn nếu 2 bơm hướng trục có cột áp và kích thước như nhau, bơm nào có số vòng quay làm việc lớn hơn thì cánh dẫn của bơm đó có độ cong bé hơn

- Từ điều kiện

r (ctg β1 - ctg β2)r = const

ta thấy các cặp giá trị β1 , β2 không phải là hằng số mà thay đổi theo bán kính, ở sát bầu cánh (r nhỏ nhất) thì (ctg β1 - ctg β2) là lớn nhất nghĩa là độ cong cánh sẽ lớn nhất và độ cong giảm dần từ trong ra ngoài theo phương hướng kính Như vậy cánh là 1 mặt cong 3 chiều trong không gian (dạng xoắn vỏ đỗ)

Cắt 1 cánh của bánh công tác bằng các mặt cắt hình mặt trụ đồng tâm I, II, III, IV, V rồi trải các profil cánh cắt được ra trên 1 mặt phăíng, ta thấy được sự thay đổi độ cong và hình dạng của profil cánh

I.3 Cột áp thực của bơm hướng trục :

H = ηH Hl∞

ηH= 0,75 ÷ 0,92 Trong tính toán gần đúng cột áp thực được xác định theo công thức:

H K

U g H

= 12 ⋅ 22

Trong đó U = ω.R : vận tốc vòng tại bán kính lớn nhất của bánh công tác

KH =0 0244, ⋅ns2 3

I.4 Lưu lượng của bơm hướng trục:

Q c= m⋅π⋅ D −d

2 2 4 Với D: Đường kính ngoài của bánh công tác

d: Đường kính bầu lắp cánh của bánh công tác

H5.4 p 68DNA

Hình 4

cm: Vận tốc hướng trục của dòng chảy qua bơm, có thể tính gần đúng theo công thức:

cm =Kc⋅ 2gH

Kc = 0,0055.ns2/3

II- Đường đặc tính của bơm hướng trục:

Đường đặc tính của bơm hướng trục nhận được bằng cách đo đạc các thông số khi bơm làm việc với n=const, muốn tìm đường đặc tính làm việc của bơm với số vòng quay n’, ta dùng phương pháp tương tự để suy ra từ đường đặc tính tại số vòng quay n

Với bơm hướng trục có cánh dẫn điều chỉnh được, các đường đặc tính được xây dựng với các góc độ khác nhau của cánh dẫn

- Đường đặc tính H(Q) có độ dốc lớn, nhất là ở 2 đầu Cột áp lớn nhất khi lưu lượng bằng 0 tức là đóng hoàn toàn khóa trên đường ống đẩy, lúc này cột áp là Ho lớn gấp (1,5 ÷ 2) lần cột áp của bơm ở chế độ thiết kế (ηmax)

- Đường đặc tính công suất của bơm cũng tương tự như đường H(Q), Công suất đạt cực đại khi Q=0 và có giá trị bằng (1,5 ÷ 2) lần công suất của bơm ở chế độ thiết kế Nguyên nhân là khi lưu lượng trong bánh công tác nhỏ sẽ xuất hiện dòng chảy theo phương bán kính từ trong ra ngoài tạo nên xoáy ở buồng chứa bánh công tác, dòng xoáy này có cường độ lớn nhất khi Q=0 Do ảnh hưởng của dòng xoáy mà cột áp và công suất của bơm tăng khi lưu lượng giảm về 0

- Phạm vi làm việc tối ưu (η lớn) của bơm hướng trục tương đối hẹp, khi bơm làm việc với lưu lượng khác lưu lượng thiết kế không nhiều lắm thì hiệu suất bơm đã giảm rất nhiều

Kết luận:

- Khi khởi động bơm hướng trục nên mở hết khóa trên đường ống đẩy để đạt lưu lượng lớn, công suất khởi động sẽ không đòi hỏi quá lớn

H 5.5, H5.7 p70

Đường đặc tính của bơm hướng trục

- Không nên điều chỉnh bơm bằng khóa vì phạm vi điều chỉnh sẽ rất hẹp, nên sử dụng các phương pháp điều chỉnh sau:

+ Điều chỉnh số vòng quay làm việc của bơm khi sử dụng động cơ có nhiều cấp vòng quay hoặc dùng biến tốc thủy lực để thay đổi số vòng quay của bơm khi số vòng quay của động cơ vẫn không đổi

+ Dùng bánh công tác có thể điều chỉnh cánh để thay đổi góc độ của cánh, phương pháp này cho phép bơm có thể làm việc ở hiệu suất cao ở mọi chế độ Chỉ áp dụng cho bơm có kích thước và công suất lớn vì cơ cấu điều chỉnh góc độ cánh rất phức tạp và đắt tiền

III- Tính toán các kích thước chính của bơm hướng trục:

- Đường kính bầu cánh d và đường kính ngoài D của bánh công tác thường liên hệ theo tỉ số sau:

ν = Dd =0 4 0 8, ÷ , Vận tốc hướng trục cm được xác định theo lưu lượng:

D n

m =

− = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

⋅ ⋅

4

π

Với kϕ = cm/ubầu = 0,6 ÷ 1

Từ đó suy ra:

k n

≈

⋅ − ⋅

,

ν ν ϕ

- Đường kính bầu: d = ν.D

- Chiều dài cánh được xác định:

l= D d−2