chương 1 mở đầu - sơ lược về các loại máy thủy khí

Chương 1 Mở đầu 3 tiết1-1 Sơ lược về máy thủy khí : Máy thủy khí là loại máy làm việc bằng cách trao đổi năng lượng với dòng chất lỏng chảy qua máy theo các nguyên lí của thủy khí động l

Chương 1 Mở đầu 3 tiết

1-1 Sơ lược về máy thủy khí :

Máy thủy khí là loại máy làm việc bằng cách trao đổi năng lượng với dòng chất lỏng chảy qua máy theo các nguyên lí của thủy khí động lực học và cơ học chất lỏng nói chung Ngày nay máy thủy khí thường gặp rộng rãi trong sản xuất cũng như trong sinh hoạt như Bơm , Turbine , Quạt ,Máy nén

Khoảng 3000 năm trước đây, đã xuất hiện một hình thức máy thủy lực thô sơ là guồng nước, lợi dụng năng lượng dòng nước trên sông suối để quay guồng kéo các cối xay hoặc đưa nước vào kênh tưới ruộng

Đến thế kỉ 18 về sau, các nhà bác học bắt đầu nghiên cưú hình dạng, kết cấu của máy thủy khí và từ đó xuất hiện nhiều loại phong phú Ngày nay để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng lớn của công nghiệp hiện đại, người ta đã chế tạo các Turbine nước có công suất hơn 500.000 kW

1-2 Phân loại: Có các cách phân loại sau:

I - Theo tính chất trao đổi năng lượng với dòng chất lỏng qua máy : Bất cứ dòng chất lỏng nào cũng đều tiềm tàng một năng lượng nhất định và máy thủy khí làm việc bằng cách trao đổi năng lượng với dòng chảy qua máy để vận chuyển chất lỏng hoặc kéo các máy khác làm việc.Ta phân loại như sau:

1) Loại máy thủy khí tiếp thu năng lượng của dòng chất lỏng để biến năng lượng chất lỏng thành cơ năng kéo các máy khác làm việc, ta gọi là động cơ thủy lực vì nó có tác dụng như 1 động cơ Loại này có thể kể: Turbine nước, các động cơ thủy lực dùng trong máy công cụ hoặc các bộ truyền động thủy lực thể tích, động cơ gió

2) Loại máy thủy khí truyền cơ năng cho dòng chất lỏng để tạo nên áp suất cho chất lỏng hoặc vận chuyển chất lỏng , ta gọi là bơm, quạt hoặc máy nén

Bơm: vận chuyển chất lỏng ở dạng nước ( chất lỏng không nén)

Quạt : vận chuyển chất lỏng ở dạng khí nhưng vẫn coi chất khí là không nén được vì áp suất nén <= 1500 kG/m2

Máy thổi: vận chuyển chất lỏng ở dạng khí với áp suất nén (1500 ÷ 3500) kG/m2 Máy nén : vận chuyển chất lỏng ở dạng khí với áp suất nén > 3500 kG/m2 , không thể bỏ qua tính nén được của chất khí, làm lạnh bằng không khí hoặc nước

II- Phân loại theo nguyên lý tác dụng của máy với dòng chất lỏng trong quá trình làm việc:

Chủ yếu có hai loại:

1) Máy cánh dẫn: Dòng chất lỏng qua máy là liên tục, bộ phận làm việc chủ yếu là bánh công tác có chuyển động quay, bánh công tác bao gồm 1 mayơ có gắn các cánh dẫn là các bản cánh để dẫn dòng chảy

Việc trao đổi năng lượng trong máy cánh dẫn thực hiện được nhờ tác dụng lực tương hổ giữa hệ thống cánh dẫn và dòng chất lỏng

Năng lượng trao đổi bao gồm :

Động năng: v2/2g Thế năng : z + p / γ

Sự biến đổi động năng của dòng chảy sẽ kèm theo sự biến đổi thế năng và ngược lại

Ví dụ: Dòng chất lỏng qua hệ thống cánh dẫn của 1 bơm sẽ được cung cấp năng lượng, năng lượng này có tác dụng khắc phục những tổn thất trong hệ thống, đồng thời làm tăng động năng và thế năng của dòng chất lỏng

Máy cánh dẫn được sử dụng rộng rãi vì có tính năng kỹ thuật cao, chỉ tiêu kinh tế tốt Tóm lại đặc điểm của loại máy này là:

Dòng chất lỏng qua máy liên tục

Vận tốc và áp suất của dòng chất lỏng không thay đổi đột ngột, ở 1 chế độ làm việc ổn định thì lượng chất lỏng chuyển động qua máy trong 1 đơn vị thời gian là hằng số

2) Máy thể tích:

Việc trao đổi năng lượng với dòng chất lỏng được thực hiện theo nguyên lý chèn ép chất lỏng trong 1 thể tích kín dưới tác dụng của áp suất thủy tĩnh

Năng lượng chủ yếu mà dòng chất lỏng trao đổi với máy là thế năng, còn thành phần đọng năng của dòng chất lỏng chuyển động qua máy thì thay đổi không đáng kể, do đó còn gọi là máy thủy tĩnh

Loại máy này có các ưu điểm sau: làm việc với áp suất cao, lưu lượng nhỏ, được dùng nhiều trong ngành chế tạo máy, bơm dầu, các hệ thống truyền động dầu ép

Nhược điểm của loại máy này là dòng chất lỏng chuyển động qua máy không liên tục, lưu lượng và áp suất thay đổi theo thời gian, mức độ thay đổi phụ thuộc vào từng loại máy, trong thực tế ta cố gắng giảm độ dao động này càng nhièu càng tốt

Ở trên ta đã phân loại các máy thủy khí, trong kỹ thuật hiện đại người ta còn kết hợp các

cơ cấu thủy lực tạo thành 1 tổ hợp các cơ cấu thủy lực để truyền cơ năng từ bộ phhạn dẫn động đến bộ phân công tác, ta gọi là truyền động thủy lực Có 2 loại:

- Truyền động thủy động: là sự kết hợp làm việc giữa 1 bơm và 1 turbine Bơm nhận cơ nưng của bộ phận dẫn độngvận chuyển chất lỏng cung cấp cho turbine, Turbine nhận năng lượng của dòng chảy mà bơm cung cấp để biến thành cơ năng quay Turbine và truyền chuyển động cho bộ phận công tác Như vậy trong truyền động thủy động việc truyền cơ năng giữa các bộ phận máy chủ yếu là được thực hiện bằng năng lượngk của dòng chất lỏng

- Truyền động thủy tĩnh: thường dùng các máy thủy lực thể tích, sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển tự động, các máy ép thủy lực, cần trục

Ta có thể tóm tắt sự phân loại các máy làm việc với chất lỏng dạng nước bằng 1 bảng sau:

Hình dưới là biểu đồ phân bố phạm vi sử dụng của các bơm hướng trục, ly tâm và piston thông dụng:

MÁY THỦY LỰC

Máy cánh dẫn Máy thể tích Máy thủy lực khác

Bơm cánh dẫn Đcơ cánh dẫn Bơm và Đcơ thể tích

Bơm

ly

tâm

Bơm

hướng

trục

Turbine phản lực

Turbine xung lực

Bơm và Động cơ piston

Bơm và Động cơ piston roto

Bơm và Động cơ roto

Bơm xoáy

Bơm phun tia

Truyền động thủy động Truyền động thể tích

Khớp nối

thủy lực

Biến tốc thủy lực

TĐTLTT có chđộng tịnh tiến

TĐTLTT có chđộng quay

TĐTLTT có chđộng tùy động

1-3 Các thông số cơ bản của máy thủy khí:

Các thông số làm việc của máy thủy khí là những số liệu kỹ thuật biểu thị khả năng làm việc vàì đặc tính làm việc của máy Khảo sát hặc thiết kế 1 máy thủy khí là phải biết được các thông số làm việc này Một máy thủy khí nói chung có 4 thông số cơ bản sau:

1) Lưu lượng Q:

Định nghĩa: lưu lượng là lượng chất lỏng qua máy trong 1 đơn vị thời gian.Có 2 loại lưu lượng :

Lưu lượng trọng lượng: ký hiệu G, đơn vị [KG/h]

Lưu lượng thể tích : ký hiệu Q, đơn vị [m3/h]; [l/s]

Vì chất lỏng chuyển động qua máy có khối lượng riêng là γ nên ta có quan hệ :

γ Q = G Một máy thủy khí làm việc có 2 quá trình trong 1 chu ky;ví dụ xét 1 bơm:

Hút chất lỏng từ bể chứa vào máy

Đẩy chất lỏng trong máy vào bể đẩy

Nếu bỏ qua rò rỉ giữa các bộ phận máy thì lượng chất lỏng hút vào bằng lượng chất lỏng

Nếu bỏ qua sự nén được của chất lỏng thì: γh = γđ ⇒ Qh = Qđ

Lưu lượng Q phụ thuộc kích thước hình học của máy, vận tốc chuyển động của bộ phận làm việc và chất lượng chế tạo máy (ảnh hưởng đến rò rỉ)

Qlt: lưu lượng lý thuyết, có thể tính được từ kết cấu, kích thước, tốc độ làm việc (vận tốc quay của bánh công tác, vận tốc tịnh tiến của piston trong xilanh)

Q = Qlt - ∆ Q: lưu lượng thực;

∆ Q: lưu lượng tổn thất do rò rỉ.

2) Cột áp: H

Khả năng trao đổi năng lượng của máy với dòng chất lỏng làm việc được thể hiện bằng mức chênh lệch năng lượng đơn vị ( năng lượng của 1 đơn vị trọng lượng chất lỏng) ở 2 mặt cắt trước và sau máy, ta gọi đó là cột áp của máy

Định nghĩa 1: Cột áp của máy thủy khí là năng lượng mà 1 đơn vị trọng lượng chất lỏng trao đổi với máy khi vận chuyển qua máy

Định nghĩa 2: Cột áp của máy thủy khí là hiệu năng lượng đơn vị của dòng chảy khi vào và ra khỏi máy

Ký hiệu : H Đơn vị: m cột chất lỏng

Xét 1 bơm như hình vẽ, dòng chất lỏng từ bể chứa theo đường ống hút , qua mặt cắt A vào bơm, chất lỏng được cung cấp năng lượng và qua mặt cắt B ra khỏi bơm

Tại mặt cắt A cách mặt chuẩn 1 đoạn ZA, dòng chất lỏng có áp suất pA và vận tốc vA

Dòng chất lỏng qua bơm được cung cấp năng lượng, tại mặt cắt ra B cách mặt chuẩn 1 đoạn ZB, dòng chất lỏng có áp suất pB và vận tốc vB

Theo định nghiã về cột áp ta có:

( )

ltt ltd



















Cột áp ở trên gọi là cột áp lí thuyêt vì chưa tính đến tổn thất , cột áp lí thuyết bao gồm cột áp lí thuyết tĩnh (chênh lệch áp năng và vị năng) và cột áp lí thuyết động (chênh lệch động năng)

3) Công suất và hiệu suất:

Công suất thủy lực: Ntl

Xét 1 máy thủy khí, ví dụ xét 1 bơm, có cột áp H và lưu lượng Q, trọng lượng riêng của chất lỏng là γ Như vậy toàn bộ năng lượng mà bơm truyền cho chất lỏng trong 1 đơn vị thời gian là:

Ntl = γ.Q.H Vậy ta có định nghĩa: Công suất thủy lực là năng lượng mà chất lỏng trao đổi với máy trong 1 đơn vị thời gian

Công suất trên trục: Ntr

Nếu máy làm việc không có tổn thất thì công suất trên trục của máy chính bằng công suất mà máy trao đổi với chất lỏng Trong thực tế khi máy làm việc luôn có tổn thất, phải tốn 1 phần công suất trên trục để khắc phục tổn thất này Do đó công suất trên trục sẽ khác công suất thủy lực

Gọi η <1 : hiệu suất của máy thủy khí

+ Nếu máy là bơm:

Ntr = Nηtl + Nếu máy là động cơ thủy lực :

Dòng chất lỏng cung cấp cho đc thủy lực 1 công suất thủy lực là Ntl = γ.Q.H

Động cơ nhận năng lượng của dòng chất lỏng, biến thành cơ năng cho máy công tác và khắc phục phần năng lượng tiêu hao cho tổn thất , do đó công suất trên trục động cơ thủy lực là:

Ntr = η Ntl

Hiệu suất η :

Xét sự làm việc của 1 máy thủy khí, ta thấy luôn có 1 phần công suất tiêu hao để khắc phục tổn thất năng lượng trong qua strình làm việc Các tổn thất đó có thể kể như sau:

a) Tổn thất thủy lực: (tổn thất cột áp)

Là năng lượng tiêu hao để khắc phục tổn thất dọc đường và các tổn thất cục bộ khi dòng chất lỏng chuyển động qua máy Đánh giá bằng hiệu suất ηH

Goi Hlt là cột áp lý thuyết của máy

∆H là tổn thất thủy lực của dòng chất lỏng qua máy

∆NH = γ.Q ∆H Hiệu suất thủy lực được định nghĩa:

Q H

H H

b) Tổn thất lưu lượng :

Do điều kiện làm việc và chất lượng chế tạo, khi làm việc máy thủy khí bao giờ cũng bị rò rỉ tữ vùng có áp suất cao đến vùng có áp suất thấp hoặc rò rỉ ra ngoài, do đó sẽ có 1 phần lưu lượng bị mất mát đưa đến sự mất mát một phần năng lượng Phần năng lượng tiêu hao để khắc phục năng lượng mất mát do rò rỉ trong 1 thời gian được đánh giá qua hiệu suất lưu lượng ηQ

Gọi ∆Q là lượng chất lỏng rò rỉ trong 1 đơn vị thời gian, công suất tiêu hao sẽ là

∆Nll = γ.∆Q.Hlt Hiệu suất lưu lượng ηQ được định nghĩa:

Q H

Q Q

1 Trong công thức trên γ.Qlt.Hlt là công suất lý thuyết của dòng chảy , tức là công suất trong điều kiện hoàn toàn lý thuyết (không có tổn thất thủy lực và không có rò rỉ)

c) Tổn thất cơ khí :

Một máy làm việc bao giờ cũng có những chi tiết máy chuyển động tương đối với nhau,

vì vậy mà có 1 phần năng lượng của máy bị tiêu hao để khắc phục những ma sát giữa các bộ phận chuyển động và không chuyển động (ổ trục, các đệm lót )

Phần năng lượng tiêu hao này được đánh giá bằng hiệu suất cơ khí ηm

Gọi ∆Nm là công suất tiêu hao do tổn thất cơ khí:

Công suất trên trục bơm sẽ là:

Ntr = γ.Qlt.Hlt + ∆Nck

tr

ck tr

N

N N

d) Hiệu suất toàn phần η:

Xét trường hợp 1 bơm:

Ta đã có định nghĩa:

N

Q H N

Q H

Q H

Q H N

Q Q

H H

Q H N

tl

lt lt

lt lt tr

Vậy : η η η η= Q⋅ H⋅ m

Khi xét phần này ta coi chất lỏng là không nén nên γ = const

1- 4 Hiện tượng xâm thực - Chiều cao hút cho phép:

I - Hiện tượng xâm thực trong máy thủy khí: Ta biết 1 chất lỏng ở 1 nhiệt độ nhất định sẽ bay hơi dưới 1 áp suất nhất định gọi là áp suất bay hơi bão hòa tại nhiệt độ đó, kí hiệu pbh

Máy thủy khí luôn làm việc với chất lỏng, ở nhiệt độ làm việc của chất lỏng, khi áp suất trong chất lỏng bằng áp suất bay hơi bão hòa thì chất lỏng sẽ bốc hơi, tạo thành nhiều bọt khí trong dòng chảy Dòng chảy đi về vùng có áp suất cao hơn (p > pbh), các bọt khí sẽ ngưng tụ thành các giọt chất lỏng có thể tích nhỏ hơn nhiều so với thể tích bọt khí, tạo nên những vùng không gian trống trong dòng chảy Chất lỏng sẽ lập tức xô vào điền đầy vùng không gian trống đó với vận tốc rất cao tạo nên sự tăng đột ngột áp suất tại đó Nếu hiện tượng này xảy ra ở vỏ bơm hoặc bề mặt bánh công tác thì sẽ tác động lên bề mặt kim loại gây tróc rỗ bề mặt và phá hỏng các bộ phận làm việc

Nếu hiện tượng xảy ra trong lòng chất lỏng thì sẽ gây những sóng va đập truyền đến bề mặt chi tiết và phá hoại chúng

Tóm lại hiện tượng xâm thực làm hư hỏng bánh công tác và các chi tiết khác đồng thời làm giảm hiệu suất, cột áp và lưu lượng của máy Khi hiện tượng xâm thực phát triển mạnh, máy có thể bị ngưng hoạt động hoàn toàn Như vậy xâm thục là 1 yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của máy thủy lực Hoàn toàn không cho máy thủy lực làm việc lâu ngay cả trong khu vực có hiện tượng xâm thực không lớn lắm vì tác dụng phá hoại của nó

II- Cột áp hút và chiều cao hút cho phép của bơm:

Chiều cao hút là cao trình giữa trục bánh công tác và mặt tự do của bể hút, tức là bể chứa mà từ đó bơm lấy chất lỏng Nếu bơm nằm ở dưới mực chất lỏng (khi bơm chất lỏng nóng) thì chiều cao hút trở thành âm và gọi là độ dâng Một trong những phương pháp giảm chiều cao hút là sử dụng kết cấu có trục đứng và đặt bánh công tác ở điểm thấp nhất của trạm

Trong quá trình hút chất lỏng, bánh công tác phải tạo độ chênh áp suất nhất định giữa miệng hút của bơm và mặt thoáng bể hút Độ chênh áp suất này gọi là cột áp hút của bơm, nhờ nó mà chất lỏng chảy từ bể hút vào bơm

Hh = p1 −pv

γ với pv : áp suất tại cửa vào.

Nếu p1 bằng áp suất khí trời pa thì cột áp hút chính là cột áp chân không tại cửa vào của bơm

Hh = Hck = pa −pv

γ

Phương trình Ber cho 2 măt cắt: măt cắt 1-1 và măt cắt tại cửa vào cho ta:

2

γ

Như vậy cột áp hút của bơm dùng để:

- Khắc phục chiều cao hút Zh

- Khắc phục tổn thất trên đường ống hút

- Tạo động năng cần thiết cho dòng chảy tại miệng vào của bơm

Trong trường hợp p1= pathì khả năng hút tối đa của bơm ứng với khi p2=0 là Hhmax=Hckmax= pa/γ =10m cột nước Trong thực tế cột áp suất hút lớn nhất của bơm (khi p1= pa không bao giờ đạt tới 10m cột nước vì áp suất tại miệng vào của bơm khi nhỏ đến bằng áp suất bay hơi bão hòa của chất lỏng thì đã xảy ra xâm thực Để tránh hiện tượng xâm thực thì trong các tài liệu kỹ thuật của bơm đều qui định cột áp chân không cho phép [Hck] và điều kiện để bơm làm việc không xâm thực là :

[ ]

2

γ

Từ đó ta suy ra chiều cao hút cho phép của bơm là:

H 3.4 p32 DNA

[ ] [ ]Z H v

h = ck − 2v2 −∑ h Nếu tài liệu kỹ thuật không cho giá trị [Hck] thì chiều cao hút của bơm sẽ xác định theo điều kiện không xảy ra xâm thực: áp suất toàn phần tại lối vào của bơm phải lớn hơn áp suất bay hơi bão hòa của chất lỏng ứng với nhiệt độ làm việc:

g

p

h

2

∆H là cột áp dự trữ chống xâm thực

pbh xác định theo nhiệt độ làm việc, đối với nước ta có:

pbh

Ta co từ phương trình Ber: pa Z p vg h

h

∆h xác định từ thực nghiệm, phụ thuộc vào số vòng quay và lưu lượng của bơm:







10

4

Với n: số vòng quay trong 1 phút

Q: lưu lượng tính bằng m3/s

C = 800 ÷ 1000: hệ số phụ thuộc vào đặc điểm kết cấu của bơm