Thuyết minh đồ án Máy Cánh Dẫn

Các phương pháp tính toán Bơm Hướng Trục Để tính toán bánh công tác và hướng dòng bơm hướng trục hướng trục người ta có thể sử dụng một trong các phương pháp sau - Phương pháp tương tự

Mục Lục

Mục Lục 1

Đề Tài : 3

Lời Nói Đầu 4

Chương I : Tổng Quan Thiết Kế Bơm Hướng Trục 5

1 Bơm Hướng Trục lưu lượng lớn 5

2 Các phương pháp tính toán Bơm Hướng Trục 5

2.1 Phương pháp tương tự hình học 5

2.2 Phương pháp một tọa độ 5

2.3 Phương pháp lực nâng 5

2.5 Phương pháp phương trình tích phân của Vôzơnhexenkin – Pêkin 6

2.6 Phương pháp phân bố xoáy của Lêxôkhin – Ximônôv 6

2.7 Phương pháp các điểm kì dị Lêxôkhin 7

3 Phương pháp thiết kế cánh của Voznhexenski-Pekin 7

2.1 Cơ sở lý thuyết 7

Chương II : Tính Toán Thiết Kế Bơm 15

1 Tính chọn các thông số cơ bản 15

2 Tính toán lưới cánh bánh công tác 19

2.1 Tính Toán Độ Dày Của Lưới Profin Cánh Bánh Công Tác 19

2.3 Tính Toán Cung Tương Đương Của Profin Cánh Bánh Công Tác 24

2.4 Xây dựng profin có độ dày 25

3.4 Xây Dựng Profin Có Độ Dày : 33

Chương III : TÍNH TOÁN BỂN TRỤC VÀ BÁNH CÔNG TÁC 36

TÍNH TOÁN BỀN TRỤC VÀ BÁNH CÔNG TÁC : 36

5.1 TÍNH TOÁN BỀN TRỤC 36

5.1.1 Kết cấu trục 36

5.1.2 Các lực tác dụng lên trục 36

5.1.3 Tính ứng suất 38

KẾT LUẬN 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

Lời Nói Đầu

Bơm ngày nay không còn xa lạ với người dân, chúng ta đã quá quen thuộc vớihình ảnh chiếc máy bơm hàng ngày từ máy bơm dùng bơm nước trong các hộ giađình, máy bơm phục vụ công tác thủy lợi trong ngành nông nghiệp, cho đến nhữngmáy bơm trong hệ thống cấp thoát nước cho thành phố, ngoài ra không thể không

kể tới những máy bơm trong hệ thống thủy lực …

Với những yêu cầu khác nhau nên việc nhu cầu chế tạo những bơm phù hợp vớiyêu cầu của thực tế như bơm hướng trục, bơm ly tâm, bơm piston, bơm hỗn lưu với những loại bơm khác nhau còn chia ra các loại theo các tiêu chí cột áp, lưulượng,… Vì vậy những loại bơm khác nhau cũng có cách chế tạo khác nhau cũngnhư yêu cầu kĩ thuật khác nhau Từ bỏ đặt ra là chúng ta phải đầu tư, nâng cấp, sửachữa và thay thế các bơm Quan trọng nhất là phải tự chế tạo được các loại bơmnhằm giảm chi phí và áp dụng rộng rãi hơn

Việt Nam là một nước nông nghiệp, cùng với hệ thống sông ngòi và các hệ thốngcấp thoát nước trong thành phố Nhu cầu sử dụng Bơm Hướng Trục ngày càngtăng Với ưu điểm là bơm có lưu lượng lớn, cột áp không quá thấp nên Việc chế tạocũng như sửa chữa, nâng cấp ngày càng cao

Với tình hình này trong đồ án môn học này em được giao đề tài “ Tính toán, thiết kế

Mặc dù được sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Bùi Quốc Thái và các thầy các côtrong bộ môn nhưng do còn thiếu kinh nghiệm thực tế trong quá trình thực hiện chắcchắn em còn những sai xót rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để em cóthể hoàn thiện đồ án của mình

Hà Nội, ngày 10 tháng 1 năm 2014 Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viênTrần Ngọc Dược

Chương I : Tổng Quan Thiết Kế Bơm Hướng Trục

1 Bơm Hướng Trục lưu lượng lớn

Bơm hướng trục là loại bơm được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp, cũngnhư trong các hệ thống cấp thoát nước trong thành phố , chủ yếu yêu cầu bơm cầncột áp thấp và lưu lượng lớn

2 Các phương pháp tính toán Bơm Hướng Trục

Để tính toán bánh công tác và hướng dòng bơm hướng trục hướng trục người ta

có thể sử dụng một trong các phương pháp sau

- Phương pháp tương tự hình học

- Phương pháp một tọa độ

- Phương pháp lực nâng

- Phương pháp XTTZ

- Phương pháp phương trình tích phân của Vozonhexenski – Pekin

- Phương pháp phân bố xoáy của Lexonkhin- Ximonov

- Phương pháp các điểm kỳ dị của Lêxonkhin

2.1 Phương pháp tương tự hình học

tương tự Theo phương pháp này chỉ cần nhân các kích thước của bơm mẫuvới 1 hệ số xác định dựa vào các thong số làm việc của bơm thực và bơmmẫu

- Nhược điểm : để tính toán thiết kế theo phương pháp này thì cần phải có bảnthiết kế chuẩn của bơm mẫu hoặc mô hình kết hợp với các đường đặc tínhnăng lượng để xác định hệ số chuyển đổi nếu không có bản thiết kế chuẩn thìbản thiết kế mới sẽ không đạt được các thông số làm việc của bơm

2.2 Phương pháp một tọa độ

- Ưu điểm : Là phương pháp thiết kế đơn giản có hiệu quả Prôfill cánh đảmbảo góc vào góc ra của cánh phù hợp với với đặc tính dòng chảy nên được sửdụng khá rộng rãi

- Nhược điểm : Đòi hỏi người thiết kế phải có kinh nghiệm trong việc lựa chọncác thông số hình học ban đầu của lưới cánh Không những vậy việc thiết kếlưới cánh chỉ có thể thực hiện bằng phương pháp thủ công khó lập trình.

2.3 Phương pháp lực nâng

- Ưu điểm : Là phương pháp sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Bánhcông tác được tính toán cho một số tiết diện từ bầu cánh đến vỏ bơm Phươngpháp này có đặc điểm là khối lượng tính toán đơn giản, sử dụng các profill tincậy có hiệu suất cao

- Nhược điểm : Trên thực tế mỗi tiết diện là một profill, các profill khác nhau

sẽ có hệ số lực nâng khác nhau, nếu chọn các profill khí động thỏa mãn hệ sốlực nâng, lực cản tối ưu thì các tiết diện có profill khác nhau Khi xâu cánhkhó đạt được đảm bảo sự xuôn đều của cánh, chính vì vậy trong quá trìnhthiết kế phải vẽ và điều chỉnh các thông số này nhiều lần gây khó khăn choviệc lập trình

Là phương pháp dựa trên giả thiết là độ cong của đường nhân profill cóảnh hưởng quyết định tới lưu số vận tốc hay cột áp do cánh tạo nên, do vậycũng ảnh hưởng quyết định đến lưu số vận tốc hay cột áp cũng như lực nângtác dụng lên profill cánh Dựa vào quan hệ của hệ số lực nâng Cy với lưu sốvận tốc bao quanh profill và quan hệ đặc trưng của hệ số lực nâng Cy với góc

số hình học và động học của cánh Trong trường hợp này profill là một cungtròn Đây là một phương pháp khá khó, nó được sử dụng rộng rãi trong cácnhà máy chế tạo cánh ở Liên xô

2.5 Phương pháp phương trình tích phân của Vôzơnhexenkin – Pêkin

Là phương pháp được sử dụng phổ biến ở lien xô cũ để thiết kế bơmhướng trục phương pháp V – P coi đường nhân là một cung tròn, khi đó cóthể giải được phương trình tích phân của hàm dòng của đường dòng tạo rahàm song phẳng không nhiễu và dòng xoáy tạo bởi các lien hợp phân tố trênđường nhân của các profill trong lưới theo phương pháp này, tác động củaprofill lên dòng chất lỏng được thay thế bởi xoáy phân bố dọc đường nhântheo 1 quy luật xác định Dòng chảy tổng hợp được xác định bằng tổng dòng

song phẳng và dòng xoáy tạo bởi các xoáy dọc theo đường nhân profill, do đóprofill có chiều dày mỏng vô cùng Để xác định chiều dày profill ta đắp độdày trên đường nhân theo một quy luật xác định bằng cách chọn các profillthực nghiệm có đặc tính khí động tốt rồi lấy quy luật phân bố độ dày của nó

để làm mẫu chuẩn cho profill thiết kế mới

2.6 Phương pháp phân bố xoáy của Lêxôkhin – Ximônôv

Phương pháp L – S coi đường nhân profill là một cung cong bất kì xácđịnh bởi dòng song phẳng không nhiễu và các xoáy phân bố trên đường nhâncủa tất cả các profill, trường hợp này không thể giải phương trình tích phânbằng phương pháp giải tích mà phải giải bằng phương pháp số gần đúng Nhưvậy việc giải phương trình tích phân khá phức tạp nhưng phương pháp nàycho kết quả phù hợp với bản chất dòng chảy Theo phương pháp này tác độngcủa profill lên dòng chảy được thay thể bởi các xoáy dọc theo đường nhânprofill Bằng cách xác định dòng tổng hợp ta xác định được đường nhânprofill, đó cũng là profill có chiều dày mỏng vô cùng.Ta dắpđộ dày bằng cáchchọn các profill thực nghiệm có đặc tính khí động tốt rồi lấy quy luật phân bố

độ dày của nó để làm mẫu chuẩn cho profill thiết kế mới

2.7 Phương pháp các điểm kì dị Lêxôkhin

Là phương pháp tính toán cánh có độ dày hữu hạn tương tự phương nháp

L – S Theo phương pháp này, tác động của các profill được thay thế bởi các xoáy,nguồn và tụ phân bố tại các điểm trên đường nhân profill Đường cong khép kín củadòng tổng hợp bởi dòng song phẳng và các dòng xoáy, nguồn và tụ sẽ là chu tuyếnprofill.Phương pháp này khá phức tạp, khối lượng tính toán lớn

Hai phương pháp xoáy trên cung mỏng L – S và phương pháp các điểm kì dị củaLexokhin được sử dụng chủ yếu để tính toán tua bin hướng trục, vì tua bin có côngsuất lớn đòi hỏi có độ chính xác để đạt hiệu suất cao

Phương pháp phương trình tích phân của Vôzơnhexenski – Pekin là một phươngpháp được dùng phổ biến trên thế giới và ở Nga, đáng tin cậy và có kết quả tốt.phương pháp này hiện đang được dùng phổ biến nhất trong nghành chế tạo bơm, vìdạng tính toán cuối cùng của nó đơn giản, các bơm tính toán theo phương pháp này

đều có chất lượng cao Vì vậy phương pháp này sẽ được chọn để thiết kế bơmhướng trục cho đồ án Máy thuỷ lực cánh dẫn này.

3 Phương pháp thiết kế cánh của Voznhexenski-Pekin

2.1 Cơ sở lý thuyết

Nguyên tắc tính toán hệ thống cánh máy thuỷ lực loại hướng trục nhờ giảiphương trình tích phân chảy bao lưới các cung mỏng, đã được giáo sư trường đạihọc bách khoa Leningrat (nay là Xanhpetecpua) có tên là I.N Voznhexenxki lập nênvào năm 1930 – 1935, sau đó dưới sự lãnh đạo của ông V.F Pekin, A.F Lexokhin

và I.A.Ximonov đã tiếp tục nghiên cứu Hiện nay, phương pháp Voznhexenxki –Pekin được N.A Koloconxov chỉnh lí lại là phương pháp được dùng phổ biến nhấttrong nghành chế tạo bơm, vì dạng tính toán cuối cùng của nó đơn giản, các bơmtính toán theo phương pháp này đều có chất lượng cao

Sự phức tạp trong việc nghiên cứu dòng chảy qua lưới profin là do ảnh hưởngtương hỗ của tất cả các profin Khi làm việc, xung quanh mỗi một lá cánh của lưới,

có một lượng xoáy vận tốc Sự tác dụng tương hỗ giữa lưới Profin với dòng songphẳng ở vô cực, trong lần tính gần đúng lần thứ nhất có thể thay bằng sự tác dụngtương hỗ của các điểm xoáy được phân bố trên đường nhân của profin Nói chung,

khác với lượng xoáy xung quanh một profin đơn độc

ta bỏ qua ảnh hưởng do chiều dày của các profin gây ra

Để xây dựng cánh bánh công tác và cánh dẫn hướng phải tính toán xây dựng cácprôfin cánh ở các tiết diện khác nhau của lá cánh Các tiết diện này được tạo bởi cácmặt trụ đồng tâm cắt các lá cánh Trải các tiết diện này ra trên mặt phẳng và kéo dài

về hai phía ta sẽ có lưới thẳng vô hạn của các prôfin

Trong phương pháp của Voznhexenski - Pekin đường nhân của các prôfin là cáccung tròn một bán kính, coi như các prôfin có chiều dày mỏng vô cùng Tác dụngcủa các đường nhân này lên dòng chất lỏng chảy bao được thay bằng các xoáy với

(1)

Lưu số vận tốc theo đường nhân prôfin:

(2)Trong chảy bao prôfin có chiều dày mỏng vô cùng, đường nhân prôfin có thể xemnhư đường dòng tổng hợp của dòng song phẳng không nhiễu và dòng cảm ứng tạobởi các xoáy phân bố trên đường nhân tất cả các profin Vì vậy, hàm dòng ở tại mộtđiểm bất kỳ nào đó của cung đơn độc (hình 1) nằm cách đầu mút của nó một khoảngcách là t được xác định bằng biểu thức:

Trong đó hàm dòng của các điểm xoáy của cung:

1 1 0

( )( )

2 ln ( , )

s ds t

tương đối trung bình hình học trong lưới w∞

Hình 1 Sơ đồ lưới prôfin mỏng vô cùng và phân bố xoáy trên đường nhân

Bên trong dấu tích phân cần thay hàm dòng của dòng cảm ứng tạo bởi các xoáyphân bố trên cung cho trước và được xác định theo công thức

Bằng hàm dòng phức tạp hơn của dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy liên hợp nằm trêntất cả các cung của lưới (hình 1)

Trong đó:

điểm s trên cung thứ k của lưới

Tổng vô cùng của các lôgarit có thể thay bằng tích vô cùng trong dấu lôgarit mà tích

đó lại có thể biểu thị bằng hàm lượng giác Cuối cùng, hàm dòng trong trường hợp

xác định bằng biểu thức

Ký hiệu biểu thức trong căn là K2, ta có

Ngoài ra

Đáp số chung của phương trình tích phân (8) dưới dạng thông số là

Thay vào phương trình (2-54) ta được

dùng định đề Traplưgin thể hiện qua công thức (4)

Khi đó

Cuối cùng biểu thức (2-55) có dạng

Công thức (12) là đáp số của phương trình tích phân

Theo đề nghị của I.N Voznhexenxki, hai ông V.F.Pekin và N.A Koloconxov đãhoàn thành hệ thống tính toán chảy bao lưới của các cung với điều kiện phụ

Điều kiện như thế được gọi là vào không va, và được viết bằng biểu thức

Điều kiện này sẽ làm cho chất lượng xâm thực và năng lượng của cánh bánh côngtác tốt hơn và sẽ giảm nhẹ công việc tính toán đi rất nhiều.

Khi đó đáp số của phương trình (8) có dạng

Giải các phương trình hàm dòng ở trên với các giá trị khác nhau của bước lưới

rằng, hàmL*(T/L,α) =Γ1/(Wtb,L,βo)ít phụ thuộc vào gócβo Với các giá

giá trịαkhác nhau của profin trong lưới

Khiα< (350– 400),gần đúng có thể coi rằngDachỉ phụ thuộc vàoT0vàβo

Hình 2: Biểu đồ xác định góc va

Để tính toán lưới cánh theo phương pháp Vonznhexenski - Pekin, cần xác định sơ

bộ trước các thông số kết cấu chính của phần dẫn dòng và các tam giác vận tốc.Trước khi xây dựng đường nhân prôfin hoàn chỉnh cần phải tính bổ sung độ congkhi kể tới ảnh hưởng của chiều dày của prôfin sao cho đặc tính tổng hợp của lướiprôfin có độ dày sai khác không nhiều so với đặc tính của lưới tính toán Giá trị độcong bổ sung cho prôfin xác định theo biểu đồ ở hình 4

so với cung tính toán

VớiDf = ftđ- ftt: Độ congtính bổ sung thêm của cung tương đương so với cung tínhtoán

´

C=dmax/L: Độ dày tương đối lớn nhất của prôfin

q2= 90o-b2:Góc tạo bởi phương của vận tốcW2và trục lướiz

Hình 3 Các đường cong biểu diễn quan hệ phụ thuộc của L* vào bước lưới tương đối T/L

và góc đặt của prôfin

Hình 4 Đồ thị xác định bổ sung độ cong tính tới ảnh hưởng của chiều dày profil

Để nhận được prôfin có độ dày ta dùng quy luật phân bố độ dày của các profin mẫu

cung tương đương

Xâu các prôfin lại với nhau theo quy luật xác định ta sẽ nhận được lá cánh hoànchỉnh

Chương II : Tính Toán Thiết Kế Bơm

Tính toán thiết kế bánh công tác và cánh hướng dòng bơm hướng trục chia làm 4bước sau :

1 Xác định các thông số tính toán ban đầu của bơm

2 Tính cánh bánh công tác

2.1 Tính toán độ dày của lưới profin cánh bánh công tác

2.2 Tính toán lưới cung mỏng cánh bánh công tác

2.3 Tính toán cung tương đương của profin cánh bánh công tác

2.4 Xây dựng profin có độ dày

3 Tính cánh hướng dòng

3.1 Tính toán độ dày của lưới profin cánh bánh công tác

3.2 Tính toán Lưới cung mỏng cánh hướng

3.3 Tính toán cung tương đương của profin cánh bánh công tác

3.4 Xây dựng profin có độ dày

dc b

N H

K Q





( Kw )Trong đó :

Bảng 1: Hệ số công suất

C.suất trục bơm

(kW) < 2 2 - 5 5 - 10 10 - 50 50 - 100 >100Với động cơ điện

(kW) 1,8 1,5 - 1,25 1,25 -1,15 1,15 - 1,10 1,10 - 1,05 1,05Với máy nổ (kW) 1,8 1,3 1,20 -1,15 1,15 -1,12 1,12 -1,10 1,10

+ Chọn K =1,05

Suy ra cột áp của bơm là:

200.0,8

5,69,81 9,81.1,05.2,78

dc b

N H

K Q



(m)

3,65 3,65.285 2,78

4765,6

Kiểm tra điều kiện không xâm thực :

5,6

0,147 (285 / 60) 1,3

H

H K

n D

Tra đồ thị 8.2 với n s = 476 ; ta có K H tu 0,217 => KH < KHtư => thoả mãn

10000

0,266 60.285.1,3

Q

Q K

n D

Để đảm bảo bơm tạo được các lưu lượng như yêu cầu, cột áp tính toán của tất cảcác tiết diện trừ tiết diện gốc sẽ được lấy bằng Hlt,t = (0,7÷1,1).Hlt,0 :

- Ứng với cột áp Htt = H = 5,6 (m) :

' 285.1,3

156,65,6

I

nD n

H

(v/ph)

2,78

0,6971,3 5,6

I

Q Q

I

nD n

I

Q Q

5 1 3

1 3 2

5 3 4

580640400

2 Tính toán lưới cánh bánh công tác

2.1 Tính Toán Độ Dày Của Lưới Profin Cánh Bánh Công Tác

+ Để xác định độ mau L T/  ta cần tính các thông số :

Vận tốc dòng chảy theo phương hướng trục

2 2

4 .(1 )

z cd Zi

QK K V

1 1

T K

.D

T Z

i i

R n

U 

Vận tốc xoáy ở lối ra của bánh công tác

2

i

U

tl i

g H V

Zi i

V tg

Độ mau cho phép của lưới cánh ở tiết diện biên L T/ 

biên còn được xác định theo đồquan hệ phụ thuộc L T/ 

biên = f (K tu ) (Hình 8.12)Giá trị L T/ 

L T/ 

biên xác định bằng biểu thức :

L T/ bien tu,

= 5,95.K tu

Và cần lấy giá trị lớn nhất trong các giá trị đã chọn

Dựa vào giá trị L T/ 

biên đó, ta cần tra các giá trị L T/  thích hợp tại các tiết diệncòn lại

2.2 Tính toán Lưới Cung Mỏng Cánh Bánh Công Tác

Trong bước tính này cần tính các thông số :

Bước lưới mỗi tiết diện :

1 1

2

ct

R T

1 1

1 2 .i

Z U

V ctg



