chương 6 máy cánh dẫn bơm ly tâm

Chương 6 MÁY CÁNH DẪN - BƠM LY TÂM 6-1 Khái niệm chung về MCD - Kết cấu, nguyên lý làm việc của BLT: Máy cánh dẫn bao gồm các loại bơm và động cơ cánh dẫn như bơm ly tâm, bơm hướng trục,

Chương 6 MÁY CÁNH DẪN - BƠM LY TÂM

6-1 Khái niệm chung về MCD - Kết cấu, nguyên lý làm việc của BLT:

Máy cánh dẫn bao gồm các loại bơm và động cơ cánh dẫn như bơm ly tâm, bơm hướng trục, các loại Tuabin, quạt, và máy nén cánh dẫn

Dựa vào phương chuyển động của dòng chất lỏng khi đi qua BCT có thể phân loại:

Máy li tâm hoặc hướng tâm: chất lỏng chuyển động theo bánh công tác từ tâm bánh công tác ra ngoài hoặc từ ngoài vào tâm theo phương bán kính

Máy hướng trục: chất lỏng chuyển động qua bánh công tác theo phương song song với trục (dọc trục)

Tuabin tâm trục : chất lỏng chuyển động qua bánh công tác theo hướng tâm rồi chuyển sang hướng trục

Việc trao đổi năng lượng giữa chất lỏng và bộ phận công tác (bánh công tác) được thực hiện nhờ các cánh dẫn, năng lượng trao đổi chủ yếu là động năng dòng chất lỏng chảy qua máy

Hình trên là sơ đồ 1 bánh công tác của 1 bơm ly tâm

1

Kết cấu bao gồm bánh công tác, bao gồm đĩa 1 lắp then trên trục 2 Trên đĩa 1 gắn các cánh dẫn Bánh công tác đặt trong vỏ bơm 4 bao gồm buồng xoắn có cửa vào 4 nối với ống hút 5, cửa

ra của buồng xoắn nối với ống đẩy 6

- Nguyên lý làm việc:

Trước khi bơm làm việc thì thân bơm, bánh công tác và ống hút được điền đầy chất lỏng (mồi bơm)

Bánh công tác (1) lắp trên trục bơm (2), khi bơm làm việc, bánh công tác quay, các phần tử chất lỏng ở trong bánh công tác được cánh dẫn cung cấp năng lượng, đồng thời lực ly tâm sẽ đẩy chất lỏng đi ra khỏi BCT theo phương ly tâm, chất lỏng được gom vào buồng xoắn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là quá trình đẩy của bơm

Đồng thời ở cửa vào (3) của bánh công tác tạo nên 1 vùng có chân không, chất lỏng ở bể hút được liên tục hút vào ống hút, đó là quá trình hút của bơm Như vậy quá trình hút và đẩy của bơm là liên tục tạo nên dòng chảy liên tục trong hệ thống

Chênh lệch năng lượng đơn vị của dòng chất lỏng ở lôí vào và lối ra của bánh công tác chính là cột áp của bánh công tác

- Bơm 1 cấp: Bơm bao gồm 1 bánh công tác, cột áp của bơm bị hạn chế do sức bền nên thường không quá 100m cột nước

- Bơm nhiều cấp: để tạo cột áp cao, bao gồm nhiều bánh công tác lắp trên 1 trục chung Cột áp do bơm nhiều cấp tạo ra là tổng của các cột áp do các bánh công tác đơn tạo nên

- Bơm hai miệng hút: hút chất lỏng vào từ 2 phía, bánh công tác bao gồm 2 bánh công tác của bơm 1 miệng hút có cùng kích thước và đối xứng nhau ghép lại, lưu lượng của bơm sẽ tăng gấp đôi trong khi cột áp vẫn giữ nguyên

2

2 - 2 : Phương trình cơ bản của máy cánh dẫn :

Mối quan hệ giữa cột áp H do BCT tạo ra với các thông số hình học (đường kính BCT, độ cong của cánh ) và các thông số động học (số vòng quay, lưu lượng) cuả BCT

Giả thiết Euler:

+ Dòng chảy qua BCT gồm các dòng nguyên tố như nhau + Chuyển động tương đối của chất lỏng trong bánh công tác có quỹ đạo trùng khít với biên dạng cánh dẫn

Các điều kiện để có dòng chảy như giả thiết trên là :

+ Bánh công tác có số cánh dẫn nhiều vô cùng và mỏng

vô cùng

+ Chất lỏng làm việc là chất lỏng lí tưởng (không nhớt) Cột áp tính toán với các giả thiết trên: cột áp Hl∞

I Chuyển động của chất lỏng qua bánh công tác bao gồm :

Chuyển động theo (quay cùng bánh công tác), →

u: vận tốc theo (vận tốc vòng), có phương thẳng góc với bán kính tại điểm đó

Chuyển động tương đối: vận tốc tương đối →

w tiếp tuyến với biên dạng cánh dẫn

Chuyển động tuyệt đối: vận tốc tuyệt đối: →c = →u + w→

1: vị trí bắt đầu vào cánh: r1

2: vị trí ra khỏi cánh: r2

3

β : góc giữa w→ và phương ngược chiều với →u, biểu thị góc độ bố trí cánh dẫn trên bánh công tác

β1 : góc đặt cánh tại cửa vào

β2 : góc đặt cánh tại cửa ra

cu : hình chiếu của →c lên phương →u

cm : hình chiếu của →c lên phương thẳng góc với →u

II Phương trình cột áp: (Phương trình cơ bản của máy cánh dẫn)

Bơm: l (u 2 c u u 1 c u)

g

1

Tuabin: l (u 1 c u u 2 c u)

g

1

Ý nghĩa của phương trình cơ bản:

Quan hệ giữa các thành phần vận tốc với cột áp:

Từ tam giác vận tốc :

w12 = c12 + u12 - 2 u1 c1 cos α1

= c12 + u12 - 2 u1 c1u

12 12

1 2

22 22

1 2

Thay vào phương trình cơ bản:

- Đối với bơm

5

α2

cu2

cm2

c2 w2

u2

β2

( ) ( )

H

g

g

g

1 2

22 12 12 22 22 12

Đặt: Hl tĩnh∞ = u22 −gu12 + w12 −gw22

Hl động∞ = c22−gc12

2

⇒ Hl ∞ = Hl ∞ tĩnh + Hl ∞ động

Nhận xét:

- Cột áp động là phần động năng đơn vị của dòng chảy được tăng lên khi đi qua bơm

- Cột áp tĩnh được tạo ra bởi sự chênh lệch của 2 thành phần vận tốc u, w của dòng chảy tại lối vào và lối ra của bánh công tác

Nếu c1u= 0, tam giác vận tốc tại cửa vào cho thấy:

12 12

= −

Khi đó phương trình cơ bản cuả bơm cánh dẫn sẽ là:

( )

Hl∞ = ⋅g1 u c2⋅ 2u

Điều kiện c1u= 0 gọi là điều kiện chảy vào thẳng góc

Cột áp thực H sẽ bé hơn cột áp Hl ∞ do có tổn thất năng lượng

do chất lỏng là chất lỏng thực và do số cánh dẫn là hữu hạn (Z cánh) Do đó:

H = ηH .εZ Hl ∞

ηH : hiệu suất thủy lực (0,8 ÷ 0,96)

εZ : hệ số ảnh hưởng khi xét đến số cánh là hữu hạn Gọi

Z là số cánh của bánh công tác :

6

c

1

w1

u

1

Theo Stodola: Z sin 2

Z

1 −π β

= ε Trong tính toán gần đúng thường lấy bằng 0,8

6.3 Đường đặc tính của bơm ly tâm - Sự làm việc của bơm trong hệ thống lưới:

I Đường đặc tính của bơm: biểu diễn mối quan hệ giữa cột áp H (năng lượng mà bơm cung cấp cho chất lỏng) (và hiệu suất) theo lưu lượng Q khi số vòng quay của trục bơm n=const

II Điểm làm việc của bơm trong hệ thống lưới

Khi bơm làm việc trong lưới:

Qbơm = Qlưới

Hbơm = Hlưới

⇒ Giao điểm A của đường đặc tính bơm và đường đặc tính lưới chính là điêím làm việc của bơm trong hệ thống lưới

Qbơm = QA Hbơm = HA

A

A A tr

H Q N

η

γ

= III Sự điều chỉnh bơm ly tâm:điều chỉnh bơm để cung cấp cho hệ thống lưới 1 lưu lượng Q' theo yêu cầu (Vdụ:Q'=30 lit/s)

1) Điều chỉnh van trên đường ống đẩy, giữ nguyên số vòng quay của bơm (đặc tính lưới bị thay đổi (ζđ → ζ'đ), giữ nguyên đặc tính bơm)

K

4 d

' d d

d d 4

h

h h

h h 2 tinh

uoi l

d

1 d

l d

1 d

l g

8 H

H'

'













































λ +ζ +







λ +ζ π

+

=

(*)

Điểm làm việc là A' có các thông số làm việc mới Q’,H’

A'(Q’,H’) xác định trên đường đặc tính bơm tại lưu lượng Q'

Yêu cầu: Xác định ζ'đ để hệ thống làm việc tại A' : xác định từ pt (*) với Q’,H’

7

Điều chỉnh lưu lượng bằng cách đóng dần van trên đường ống đẩy tức là đưa thêm vào hệ thống 1 sức cản thủy lực (tổn thất qua van) Phương pháp điều chỉnh này không có lợi về tính kinh tế năng lượng, nhưng đơn giản, dễ vận hành nên được sử dụng rộng rãi với các bơm công suất nhỏ

Van điều chỉnh thường đặt trên đường ống đẩy, tránh đặt van trên đường ống hút vì có thể dẫn đến xâm thực, ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống

2) Điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng quay của trục bơm (thay đổi đường đặc tính bơm, giữ nguyên đường đặc tính lưới): điểm làm việc An' được xác định trên đường đặc tính lưới Sử dụng phpháp này khi có thể điều chỉnh được số vòng quay của đcơ dẫn động bơm

Vđề: xác định n' sao cho đặc tính mới của bơm cắt đặc tính lưới tại An' (lưu lượng Q'): sử dụng lý thuyết tương tự trong MCD

Bằng phương pháp này, cả lưu lượng và cột áp đều giảm khi số vòng quay giảm, không có một phần năng lượng tổn thất nào phát sinh thêm và do đó phương pháp này có nhiều ưu điểm so với phương pháp trên, tuy nhiên vẫn không được thông dụng bằng phương pháp trên do phải sử dụng động cơ điện có thể thay đổi số vòng quay là rất tốn kém

2.4 Ghép bơm:

I Ghép song song:

Một hệ thống lưới có thể được cung cấp chất lỏng bởi nhiều bơm Khi lưu lượng thay đổi lớn do yêu cầu lưới, việc điều chỉnh

8

lưu lượng được thực hiện tốt nhất là bằng cách ghép song song các bơm và thay đổi số bơm làm việc để thay đổi lưu lượng

Q∑ = Q1 + Q2 + Q3 +

Hlưới = H1 = H2 = H3 =

II Ghép nối tiếp:

Trong trương hợp hệ thống có yêu cầu về cột áp lớn hơn cột áp của 1 bơm, ta có thể ghép nối tiếp các bơm để thỏa mãn yêu cầu về cột áp của hệ thống Cột áp làm việc của hệ thống bằng tổng cột áp của các bơm ghép khi bơm làm việc tại chế độ lưu lượng này

Q1 = Q2 = = Qlưới

Hlưới= H1+H2+

Khi điều kiện cho phép, việc chọn 1 bơm khác có đủ cột áp yêu cầu để làm việc trong hệ thống sẽ thuận tiện và kinh tế hơn nhiều so với ghép nối tiếp các bơm

2.5 Luật tương tự (đồng dạng) trong máy cánh dẫn: tương tự hình học + cùng hiệu suất

I - Các tiêu chuẩn tương tự:

Hai máy thủy lực là tương tự khi thỏa mãn 3 tiêu chuẩn tương tự sau:

1) Tiêu chuẩn tương tự hình học:

Ký hiệu M, N: hai máy tương tư

9

Hai máy tương tự hình học khi chúng đồng dạng, nghĩa là có các góc bố trí cánh dẫn giống nhau, số cánh dẫn như nhau và các kích thước tương ứng tỷ lệ, kể cả độ nhấp nhô bề mặt

(α , β )M = (α , β )N

N lM N

M N

M N

l

l b

b D

D

÷

λ

=

⋅⋅

⋅

=

=

=

λl M ÷ N : hệ số tương tự hình học

2) Tiêu chuẩn tương tự động học:

v N

1

M 1 N 2

M 2 N 1

M

c

c u

u u

u

λ

=

⋅⋅

⋅

=

=

=

N M l N

M N 2 N

M 2 M N

2

M 2 v

n

n R

R u

u

÷

λ

=

⋅ ω

⋅ ω

=

= λ

λv : hệ số tương tự động học

3) Tiêu chuẩn tương tự động lực học:

Hai máy tương tự động lực học khi tỷ lệ giữa các cặp lực tương ứng tác dụng lên 2 bánh công tác là bằng nhau

P N

2

M 2 N 1

M

P

P P

P

λ

=

⋅⋅

⋅

=

=

λP : hệ số tương tự động lực học

II - Các phương trình tương tự của máy cánh dẫn: Mối quan hệ giữa các thông số làm việc (Q, H, N) của 2 máy tương tự

1) Phương trình tương tự lưu lượng :

N

M l N

M N

M N

M v

v

2 l mN

mM N

M lN lM

n

n R

R u

u

c

c F

F Q

Q

⋅ λ

= ω

ω

⋅

=

= λ

λ

⋅ λ

=

⋅

=

N M 3

N

M N

M 3 l N

M

n

n D

D n

n Q

Q

⋅









=

⋅ λ

Kết luận: Tỉ số lưu lượng tỷ lệ bậc 3 với tỉ số đường kính và tỉ lệ bậc 1 với tỉ số số vòng quay

10

2) Phương trình tương tự cột áp:

2

N M 2

N M 2

N

M 2 l N

M

n

n D

D n

n H

H

















=







 λ

Kết luận: Tỉ số cột áp tỷ lệ bậc 2 với tỉ số đường kính và tỉ lệ bậc 2 với tỉ số số vòng quay

3) Phương trình tương tự công suất: khi làm việc với cùng 1 loại chất lỏng:

3

N M 5

N M 3

N

M 5 l N

M

n

n D

D n

n N

N

















=









⋅ λ

IV - Số vòng quay đặc trưng ns (hệ số tỉ tốc):

Số vòng quay đặc trưng ns dùng trong tiêu chuẩn hóa máy cánh dẫn, ns đặc trưng cho một kiểu máy

Số vòng quay đặc trưng ns được xác định ở chế độ thiết kế (Q,H,n,ηmax,D)

Để đặc trưng cho 1 kiểu máy, người ta định nghĩa 1 máy mẫu (mô hình) với các thông số của máy mô hình được quy định như sau:

HS = 1m cột nước Công suất thủy lực:NS = γ.Q.H=1 mã lực = 0,736 KW (đn cũ)

⇒ QS = 0,075 m3/s

nS : số vòng quay/phút của máy mẫu

ηS = ηmax : hiệu suất thiết kế, tức là hiệu suất lớn nhất mà máy đạt được khi làm việc với các thông số thiết kế

Nếu có 1 máy thực làm việc với các thông số Q, H, n, N và tương tự với máy mẫu đặc trưng QS, HS=1m, nS, NS=0,736KW thì:

H H

n n

H H

n n

S

s

= λ 2 ⋅  ⇒ λ = ⋅

2

11

Q Q

n n

H H

n n

S

S

= ⋅ = 



 ⋅



 

λ 3

3

S

S

= ⋅ ⋅ 

3 4

Thay HS = 1m QS = 0,075 m3/s ⇒ S 4

H

Q n 65 , 3

n = ⋅ (5.4) Trong công thức trên n(v/ph) H(m) Q(m3/s)

Công thức trên thường sử dụng cho bơm vì với các thông số yêu cầu khi thiết kế 1 bơm là n, Q, H do đó dễ dàng suy ra giá trị số vòng quay đặc trưng

Với 1 Tuabin, các thông số thiết kế thường là cột nước H, số vòng quay n và công suất N Xét hai Tuabin tương tự ta sẽ có:

H H

n n

H H

n n

S

s

= ⋅ 



 ⇒ = ⋅

2

N N

n n

H H

n n

S

S

= ⋅ 



 = 



 ⋅



 





λ 5

S

= ⋅  



 ⋅

5 2

Thay Ns = 0,736 KW (Đn cũ)

Hs = 1m

H

N n 167 , 1

(5.5) Trong công thức trên n(v/ph), H(m) N(kW)

Đnghĩa mới : Ns = 1 KW ⇒ S 45

H

N n

n = ⋅

(5.6) Số vòng quay đặc trưng có ý nghĩa rất lớn trong tính toán thiết kế và sử dụng các máy thủy lực cánh dẫn Trong tài liệu kỹ thuật về thiết kế và sử dụng máy, các trị số tính toán, các dạng đường đặc tính rhực nghiệm và hình dạng kết cấu bánh công tác của các máy cánh dẫn đều cho theo ns Số vòng quay đặc

12

trưng được tính toán ở điều kiện làm việc có hiệu suất cao nhất của máy (chế độ thiết kế)

Các loại bơm khác nhau có các số vòng quay đặc trưng tương ứng:

Bơm piston và bơm roto: ns<= 40 v/ph (máy thể tích)

Bơm ly tâm: ns= 40 ÷ 300 v/ph

Bơm hướng chéo ns= 300 ÷ 600 v/ph

Bơm hướng trục ns= 600 ÷ 1200 v/p

13