giới thiệu cơ sở lý thuyết về máy cánh dẫn và bơm ly tâm

Hiện nay thì việc sử dụng bơm li tâm ngày càng rộng rãi do u điểm của nó so với cac loại bơm cánh dẫn khac đó là no không đòi hỏi công trình trạm phức tạp.. Định nghĩa: Bơm là loại máy d

Lời nói đầu

Những thiết bị nâng nớc đầu tiên cơ bản là phục vụ cho nhu cầu tới Cách đây rất lâu đã xuất hiện những thiết bị thô sơ đó nh bánh xe nớc có gầu ở thế kỷ thứ hai trớc công nguyên ngời ta đã hình dung ra bơm piston có hai ngành

Đi theo cùng thời gian và sự phát triển của xã hội, trong đó có sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu sống của con ngời Từ những chiếc bơm xuất hiện lần đầu tiên cho tới nay đã đợc cải tiến và phát triển, và nhiều loại bơm mới đợc phát minh Các loại máy vận chuyển chất lỏng (bơm) luôn cần trong cuộc sống con ngời Đợc phục vụ trong nhiều lĩnh vực nh nâng cao điều kiện sống, trong nông nghiệp, thuỷ lợi, công nghiệp, xây dựng Với nhu cầu luôn đợc quan tâm của nhiều nhà khoa học

kỹ thuật để thích nghi và phù hợp với nhu cầu xã hội

Gần với cuộc sống con ngời nhất là các loại bơm phục vụ cho việc cấp nớc sạch tiêu dùng, đa

n-ớc lên toà nhà cao ốc, một nhu cầu không thể thiếu của con ngời Các máy vận chuyển nn-ớc đó là: bơm ly tâm, bơm hớng trục, bơm piston, bơm hớng chéo, bơm tâm trục

Bơm li tâm là bơm đợc sử dụng rộng rãi trong cuộc sống, gần nh xuất hiện hầu hết trong các gia đình để phục vụ cuộc sống, đó là những loại bơm công suất nhỏ

Trong các nhà máy cấp nớc việc cần bơm tạo ra lu lợng lớn và cột áp cao đã đợc đáp ứng đó là bơm chìm Hiện nay thì việc sử dụng bơm li tâm ngày càng rộng rãi do u điểm của nó so với cac loại bơm cánh dẫn khac đó là no không đòi hỏi công trình trạm phức tạp

ở đồ án này ta giới thiệu cơ sở lý thuyết về máy cánh dẫn và bơm ly tâm (phần I ) Bởi việc thiết kế bơm chìm kiểu ly tâm thực chất cũng là tiến hành thiết kế bơm ly tâm nhng phần kết cấu lam kín phức tạp hơn mà thôi.Tiến hành tính toán thiết kế bơm chìm kiểu ly tâm, giải quyết đợc lu lợng lớn hơn nhng kết tổng thể không lớn do công trình nhà trạm không phức tạp nh các loại bơm khác

Vì đây là đồ án môn học, còn hạn chế về thời gian nên đồ án còn nhiều thiếu sót và cha đi sâu nghiên cứu để nâng cao hiệu suất bơm

Mong sự đóng góp quí báu của các thầy cô và bạn bè để em từng bớc nâng cao kiến thức về máy cánh dẫn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bùi Quốc Thái đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đồ án này

Ngày 8/12/2002

Sinh viên :Đặng Trung Kiên

1 Khái niệm chung về máy bơm

I Định nghĩa:

Bơm là loại máy dùng để vận chuyển và cung cấp năng lợng cho dòng chảy chất lỏng

Bơm làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng của động cơ thành thế năng, động năng và nhiệt năng của dòng chất lỏng

Kỹ s A.A.Xablukôv (1783- 1857 ) ngời Nga năm 1838 đã sử dụng máy quạt ly tâm do ông phát minh năm 1832 để làm máy bơm ly tâm

II Chức năng :

Bơm đợc sử dụng rất rộng rãi Ngoài việc cấp nớc dân dụng và kỹ nghệ, bơm còn đợc dùng để tới, tiêu, tích năng lợng nớc, cấp nớc giao thông Bơm ở trạm nhiệt điện, tiêu thuỷ, công nghệ hoá chất, dầu khí, và nhiều lĩnh vực trong công nghiệp khác

III Cơ sở lý thuyết của bơm quạt cánh dẫn.

1 Nguyên lý tác dụng của bơm cánh dẫn.

Nguyên lý tác dụng của bơm, quạt cánh dẫn đó là sự tác dụng lực tơng

hỗ giữa các cánh dẫn với dòng chất lỏng chảy bao cánh

Khi bánh công tác quay các cánh dẫn tác động lên dòng chảy và truyền cơ năng cho dòng chảy

2 Các lý thuyết cơ bản về bơm cánh dẫn.

2.1 Lý thuyết dòng xoáy ( Giucôpski)

- Cho khả năng tính toán bằng toàn học lực nâng tác dụng lên profin cánh

- Giả sử chúng ta có một profin dạng khí động lực học đất trong một dòng chất lỏng phẳng thế trong không gian không giới hạn ta hình dung dòng chảy bao profin này gồm hai dòng:

+ Dòng chất lỏng lý tởng chảy bao profin với vận tốc ở vô cùng

+ Dòng xoáy thuần tuý với lu số vận tốc bằng tổng lu số của các xoáy tạo thành trên vòng

Dựa vào phơng trình Béc nu li đối với dòng chất lỏng ta xác định lực nâng bằng phơng trình của Jucôpski :

P   *V *L* 

Trong đó:

 : Khối lợng riêng của chất lỏng.

L : Chiều dài cánh



V : Vận tốc dòng không bị nhiễu

 : Lu số vận tốc bao quanh profin

2.2 Lý thuyết dòng tia (Euler) : Sử dụng trong bơm ly tâm

- Dòng chất lỏng chảy qua các rãnh cong của bánh công tác có chuyển

động rất phức tạp, đợc xem nh tập hợp của các dòng nguyên tố nh nhau, quỹ

đạo của mỗi dòng nguyên tố đi trùng khít với biên dạng cánh dẫn

- Điều kiện để có dòng chảy theo thuyết dòng tia

+ Số cánh dẫn nhiều vô cùng và chiều dày mỏng vô cùng + Chất lỏng làm việc là chất lỏng lý tởng Mỗi một phân tử chất lỏng chuyển động qua máng dẫn của bánh công tác tham gia đồng thời hai chuyển động:

Chuyển động theo

Chuyển động tơng đối

3 Phơng trình cơ bản của máy cánh dẫn:

- Phơng trình cơ bản của máy cánh dẫn đợc xây dựng trên cơ sở của lý thuyết dòng tia

- Để lập phơng trình ta áp dụng định luật biến thiên momen động lợng

đối với khối chất lỏng chuyển động qua máng dẫn của bánh công tác

 *dq  dm

- Phơng trình euler:

Hu U2*C2u g U1*C1u

Phơng trình trên gọi là phơng trình cơ bản của máy cánh dẫn và thiết lập quan hệ giữa năng lợng cung cấp cho dòng chất lỏng và vận tốc của dòng chất lỏng vận chuyển qua bánh công tác

- Trờng hợp có lợi nhất cho cột áp của bánh công tác khi C1v= 0 ( d1= 900 ), ta

có phơng trình:

HuU2*g C2u

- Viết lại phơng trình (*)

g

C C g

W W g

U U Hu

2 2

2

2 1

2 2

2 2

2 1

2 1

2













= HutHud

Trong đó :

g

W W g

U U Hu

2 2

2 2

2 1

2 1

2









g

C C d

Hu

2

2 1

2

2 





4 Số vòng quay đặc trng:

Số vòng quay đặc trng là số vòng quay của bánh công tác của một bơm mẫu đồng dạng Trong chế độ làm việc tơng tự có hiệu suất thuỷ lực và hiệu suất thể tích nh bơm thực, đồng thời tạo đợc cột áp Hm= 1m, có công suất hữu ích Nhi= 1m.1 và vận chuyển chất lỏng có trọng lợng riêng m  1000kg/m3

m H

H s  m  1

1

1m

N

N S  M 

s m Q

m

M







 



4

3 2

3 3 , 65 * * 075

, 0

*

H

Q n H

Q n



IV Bơm ly tâm:

Bơm ly tâm là loại bơm đợc sử dụng thông dụng nhất để vận chuyển chất lỏng Bơm ly tâm có hiệu suất tơng đối cao, các bơm ly tâm cỡ lớn có hiệu suất đạt tới   78  92 % Bơm có kết cấu đơn giản, chắc chắn và vận hành thuận tiện Và có chỉ tiêu kinh tế cao ( giá thành thấp)

1 Phân loại:

+ Theo cột áp :

- Bơm cột áp thấp : H< 20 m

- Bơm cột áp thấp trung bình : H = 20  62 m

- Bơm cột áp cao : H > 60 m

+ Theo số bánh công tác lắp trên trục

- Bơm 1 cấp

- Bơm nhiều cấp

+ Theo số dòng chảy vào bơm

- Bơm 1 miệng hút

- Bơm 2 miệng hút

+ Theo bố trí của trục:

- Bơm trục ngang

- Bơm trục đứng

- Bơm trục xiên

+ Theo dạng chất lỏng vận chuyển:

- Nớc sạch

- Hoà chất

- Bùn

2 Tính toán thiết kế bơm li Tâm

Nội dung:

Thiết kế bơm ly tâm :

N = 3,12 (KW)

H = 30( m)

Q = 30 (m3/h) = 0,833.10-3 ( m3/s)

2.1 Xác định các thông số của bơm

2.1.1 Xác định số vòng quay của bơm :

n = 2950 ( vg/ph)

Ta chọn số vòng quay đặc trng của bơm:

4 3

3

4

3

30

10 833 , 0

* 2950

* 65 , 3

*

* 65 ,





H

Q n

n S

= 76,68 (vg/ph);

2.1.2 Xác định các hiệu suất:

Đờng kính tính đổi tại mép vào bánh công tác:

3 3 3

3

833 , 0

* 10

* 3 , 4

* 10

* ) 5 , 4 4



n

Q

D td

= 63,685 (mm) Hiệu suất thuỷ lực tính toán:

2 2

1 (lg 63 , 785 0 , 172 )

42 , 0 1

) 172 , 0 (lg

42 , 0 1













d tl

D

Hiệu suất thể tích ( tính sơ bộ):

964 , 0 68 , 76

* 68 , 0 1

1

* 68 , 0 1

1

3

2 3













S

Q

n



Ta có :





* 102

*

*Q H

N 

chọn sơ bộ hiệu suất cơ khí c=0,96

) ( 12 , 3 7866 , 0

* 102

30

* 833 , 0

*



Do có:

CK Q

tl  



  * * = 0,85.0,964.0,96 = 0,7866

2.1.3 Chọn động cơ điện:

Công suất của động cơ:

Nđc = k * N

Hệ số dự trữ công suất : k = 1,1

 Nđc= 1,1 * 3,12 = 3,432 ( KW) Theo sổ tay chọn động cơ điện: K132S2 có :

N = 4( KW) n = 2950 vg/ph

2.2 Xác định các thông số cơ bản của bánh công tác:

2.2.1 Xác định đờng trục và bầu:

Chọn thép làm trục là thép 45 có :   = 20 Mpa

Do đó, đờng kính trục bánh công tác :

  16 28

, 15 2950

12 , 3 2950

d tr

Đờng kính bầu sơ bộ : db = ( 1,2 1,25) dtr

 chọn db = 1,25 d0 = 1,25 *16 = 20 (mm)

2.2.2 Xác định kích thớc mép vào bánh công tác :

Lu lợng tính toán của bánh công tác Q’ lớn hơn lu lợng Q một lợng bằng tổn thất thể tích Do đó:

s m Q

Q

Q

/ 644 , 8 964 , 0

10 33 ,

'











Đờng kính mép vào của bánh công tác:

mm

m d

D

D 2lqd b2 0 , 06364 2 0 , 075 2 0 , 0658 66

Cuối cùng:

s m d

D

Q V

b

/ 543 , 2 ) 02 , 0 066 , 0 (

* 14 , 3

10 64 , 8

* 4 )

(

*

4

2 2

3 2

2 0

'













Chọn : r D 33mm

2

66 2

0

1   

V’ m1= V0 = 2,543 m/s

) ( 0158 , 0 543 , 2

* 033 , 0

* 14 , 3

* 2

339 , 0

*

*

1 1

'

V r H

Q b

m







Chọn sơ bộ hệ số co hẹp của tiết diện 1 : k1=1,12

Vm1= K1*V’ m1=1,12*2,543=2,85 (m/s)

) / ( 16 , 10 033 , 0

* 30

2950

* 14 , 3

* 30

*



28051 , 0 16 , 10

85 , 2

1

1 0

,

U

V

tg M

 1,0 = 15,67o

Lấy 1,0 = 230, ta có góc tới :  = 1 - 1,0



 = 23 – 15,67 = 7,330

2.2.3 Xác định kích thớc ra khỏi bánh công tác

Tơng tự nh lu lợng thì cột áp tính toán của bánh công tác

) ( 3 , 35 85 , 0

30

H

tl









Giả thiết: vu2 0,5 ở trờng hợp gần đúng thứ nhất

Ta có:

) / ( 315 , 26 5

, 0

3 , 35

* 81 , 9

* 9 2

1

V

H U

u







m

U

76 , 308

315 , 26 2



Lờy V’ m2= V ’

m1 = 2,543(m/s)

Chọn K2= 1,07

1 , 1

1

2







1

' 2 1

2 2

1 1

2 sin * * * sin

m

m V

V K

K







* 1 0 , 4106

1 , 1

07 , 1

* 1 , 1

* 3953 ,



2 = 24,240

Số cánh bánh công tác

2

24 , 24 23 sin

* 33 22 , 85

33 22 , 85

* 5 , 6 2

sin

*

* 5 ,

1 2

1





















r r

r r Z

 6 (cánh)  lấy z = 6 cánh

Ta có:

 = (0,550,65) + 0,6 sin 2

= (0,550,65) + 0,6 sin 24,240 = (0,810,91)

Chọn  = 0,80

66063 , 0 22 , 85

66 1

1

* 6

85 , 0

* 2 1

1

*

2

2 2

2 1



































r r z

 H=(1+p)*H1=(1+0,385)*35,3=58,6(m)

Vm2 = K2*V’

m2 = 1,1*4,40 = 4,84 (m/s)

ở lần gần đúng thứ hai:



















tg

V tg

V

2 2

2

2

2 2

2 2





= 9 , 81 * 58 , 6 27 , 188 ( / )

24 , 24

* 2

72 , 2 24

, 24

* 2

72 ,

0

tg











r U 0 , 088m

766 , 308

88 , 27 2

*



 D* = 2*r* = 2 * 0,088 = 0,176 (m) = 176 mm

Sai số tơng đối của đờng kính bánh công tác

% 2 , 3 2 , 85

2 , 85 88

% 100

*

2 2

* 2



D

D D D

D2< 5% Sai số của đờng kính D2 nhỏ hơn, ta có thể bỏ qua không cần tính lại

Các thông số kết cấu ở lối vào và lối ra của bơm:

D1 = 66 mm b1= 16,5 mm

D2 = 176 mm b2 = 6,15 mm

dtr = 16 mm db = 20 mm

1 = 230 2 = 24,2410

D0 = 66 mm z = 6 cánh

2.3 Xây dựng mặt cắt kinh tuyến bánh công tác:

Để xây dựng mặt cắt kinh tuyến bánh công tác ta cần xác định chiều rộng bi của bánh công tác ứng với bán kính Ri của tiết diện

Chiều rộng bi của bánh công tác xác định

mi i

lt i

V D

Q b

*

*





Trong đó :

Qlt: lu lợng lý thuyết của bơm

Vmi : vận tốc của dòng chảy trong tiết diện kinh tuyến, biến thiên theo quy luật tuyến tính từ vận tốc V’ m1 ở lối vào  vận tốc V ’ m2 ở lối ra.

2.3.1 Xây dựng đờng dòng đẳng tốc trong buồng dẫn dòng của bơm ly tâm:

2.3.3.1 Chia đờng dòng ở cửa vào và cửa ra của buồng dẫn dòng: a) ở cửa vào của buồng dẫn dòng:

Chia thành 4 dòng thành phần giới hạn bởi các mặt dòng a-a, b-b, c-c, d-d, e-e

Đờng dòng: a-a : Ra

Đờng dòng : b-b : Rb

Đờng dòng: c-c : Rc

Đờng dòng: d-d : Rd

Đờng dòng: e-e : Re

b) ở cửa ra của buồng dẫn dòng:

Toạ độ điểm ra của các đờng dòng : R = 88 mm

2.3.3.2 Vẽ sơ bộ:

2.3.3.3 Tính toán hiệu chỉnh các đờng dòng đẳng tốc và tính vận tốc tiết diện kinh tuyến của đờng dòng:

Việc tính toán hiệu chỉnh các đờng dòng đẳng xuất phát từ phơng trình tích phân xác định lu lợng chất lỏng qua 1 tiết diện bất kỳ vuông góc với đờng dòng:





n

l i i mi n

l

i i mi

i : khoảng cách giữa 2 đờng dòng gần nhau trên đờng đẳng tốc

Tích phân 

n

e

i i

R *  đợc xác định bằng phơng pháp số Dựa theo gia số i ta

hiệu chỉnh đợc vị trí các đờng dòng sao cho tỉ số : i/i < (35) %

Vận tốc kinh tuyến Vmi đợc xác định theo lu lợng Qtl và tổng các tích số : Ri*i



l

i i

mi

R

Qlt V



2

Sơ đồ đờng dòng trong buồng dẫn dòng và biểu đồ phân bố vận tốc nh hình vẽ 1 và 2

Tính toán hiệu chỉnh đờng dòng đẳng tốc trong buồng dẫn dòng của bơm ly tâm cho trong phụ lục

2.3.3.4 Xác định góc và góc ra của dòng chảy tại các tiết diện cánh ứng với mỗi đờng dòng.(đợc tính toán trong bảng 6và 7)

2.3.3.5 Xây dựng biên dạng của BCT:

ta sử dụng phơng pháp biến hình bảo giác dựa trên cơ sở các góc vào

và ra của đờng dòng đã đợc xác định từ trớc và góc ôm đã đợc chọn sẵn ứng với mỗi tiết diện

Góc ôm của các tiết diện cạnh tại các mặt dòng.

Trình tự xây dựng lới biến hình bảo giác trên mặt trụ đợc trải ra trên mặt phẳng Trên lới trụ xây dựng đờng nhận profin và đắp độ dày cho profin

Độ dày của các profin cánh đợc chọn thay đổi từ 3  5 mm cho mọi tiết diện Sau đó bằng phép biến hình bảo giác ngợc ta xác định đợc mặt trớc và mặt sau lá cánh trên hình chiếu đứng và chiếu bằng Dựa vào các bản vẽ cung ta xây dựng đợc bản vẽ chế tạo cánh bánh công tác

2.4 Tính toán thiết kế phần dẫn dòng ra của bơm.

2.4.1 Tính toán thiết kế buồng xoắn:

Buồng xoắn đợc tính toán thiết kế sao cho mô men vận tốc vòng của dòng chất lỏng chuyển động trong buồng xoắn có giá trị là hằng số:

R*VU = const

Với qui luật này sẽ đảm bảo điều kiện biến một phần động năng thành thế năng ngay trong buồng xoắn, nhng quan trọng hơn là điều kiện đối xứng qua trục của dòng chảy

Buồng xoắn đợc thiết kế có tiết diện hình thang, góc loe của tiết diện không đổi Để thiết kế trớc tiên ta tính chọn đờng kính D3 và chiều rộng b3 của thành buồng xoắn

2.4.2 Đờng kính vào D 3 của buồng xoắn:

Với mục đích giảm kích thớc chiều rộng bơm, đờng kính D3 đợc chọn bằng:

D3 = ( 1,03 1,05 ) D2

Ta chọn D3=184mm

2.4.1.2 Chiều rộng buồng xoắn ở lối vào b 3

b3 = b2 + 0,05 D2 = 59 + 0,05*176 = 15( mm)

Để giảm kích thớc chiều rộng của bơm có thể chọn chiều rộng

b3 = (1,51,7) b2

2.4.2 Góc nghiêng thành buồng xoắn:

Thông thờng góc nghiêng thành buồng xoắn về một phía lấy bằng 10  130 Tuy nhiên để giảm kích thớc theo chiều rộng của bơm có thể lấy tăng hơn thông thờng

Lấy góc nghiêng với độ nghiêng 0,4, nh vậy ta có góc nghiêng bằng 21,80

2.4.3 Tính tiết diện buồng xoắn:

Với:

s m

gH

76 , 308

3 , 35

* 81 , 9 2

2









Ta lập bảng để tìm tiết diện buồng xoắn ( phụ lục 2)

Tính buồng xoắn từ bán kính r3 và chiều rộng b3 tăng dần bán kính lên với từng khoảng ri =0,01 ta đợc ri, bi ứng với từng tiết diện tăng lên đó là lu l-ợng Qi Ta tăng ri cho tới khi Qi  0,333 (m3/s)

Lu lợng tại từng tiết diện tăng lên một khoảng ri đợc xác định theo

công thức sau:

3

1 * *

B B

i    

Với

i

i

r

b

Bi 

1

1 1





i

i

i r

b B



2

3

X

k 

Hình chiếu bằng của buồng xoắn:

Chia tổng lu lợng Q thành 8 phần bằng nhau

) / ( 10 0416 , 1 8

10 333 ,

s m









8 bán kính tại tám điểm đợc chia đều trên góc 3 = 3600 ta đợc ri ( căn cứ vào

đồ thị Q-R)

Ta có bảng:

Stt r b r

b

B 

2

1



i B B

r B B







2

1 

i

Q

0

8 129 390,302 0,292 0,00164 0,008763

2.4.3 Tính ống loe:

Từ mặt cắt 8 có tiết diện hình thang dẫn ra ngoài qua ống loe và biến

đổi dần tiết diện hình thang thành hình tròn Có góc loe  = 90 để biến một

phần động năng thành áp năng

Đờng kính ống loe:

ra ol

V

Q D

*

4





Với: V ra  0 , 194 * 2gH

 0 , 194 * 2 * 9 , 81 * 35 , 3  5 , 1m / s

) ( 0456 , 0 1 , 5

* 14 , 3

10 333 , 8

*

m



