49 h qt =(a/g)l. So sánh hai công thức, rút ra kết luận h vd =2h qt . Nh vậy, cột áp va đập trong va đập không trực diện lớn hơn cột áp quán tính 2 lần. Do đó, nếu cần tính độ bền ống thì phải tính theo áp suất va đập chứ không phải theo áp suất quán tính. Trên hình 1.32 cho đồ thị so sánh p vd (nét liền) và p qt (nét đứt) tuỳ theo thời gian đóng van. Đờng thứ nhất xây dựng trên công thức (1.89) khi t đg >t 0 , còn khi t đg <t 0 thì đợc coi nh không đổi ứng với công thức (1.84); đờng thứ hai theo công thức p qt =gh qt =al, trong đó a=v 0 /t đg . Từ đồ thị xây dựng với v 0 =const thấy, khi t đg =t 0 /2 thì p vd =p qt . Tuy vậy, khi t đg <t 0 thì áp suất quán tính tính theo công thức trên là không thực tế; khi t đg >t 0 thì áp suất quán tính có thể đợc coi nh giá trị trung bình theo thời gian của áp suất khi có va đập thuỷ lực. Hình 1.32. So sánh áp suất quán tính và va đập. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 50 Chơng ii. Phân loạI và ứng dụng của máy thuỷ lực Đ2.1 Khái niệm chung. 2.1.1 Khái niệm chung về máy thuỷ lực. Máy thuỷ lực là các máy truyền cơ năng cho chất lỏng chảy qua chúng (bơm), hoặc nhận năng lợng từ chất lỏng và truyền cho bộ phận công tác sinh công có ích (động cơ thuỷ lực). Máy bơm (gọi tắt là bơm) là máy thủy lực phổ biến trong tất cả các lĩnh vực. Trên tàu, bơm đợc dùng để bơm chuyển chất lỏng với các mục đích khác nhau trong hầu hết các hệ thống. Động cơ thuỷ lực sử dụng năng lợng thuỷ lực của chất lỏng, chuyển thành cơ năng dẫn động máy công tác. Tổ hợp tua bin (khí, hơi, thuỷ lực)- máy phát điện là ví dụ về sử dụng năng lợng chất lỏng, chúng có vai trò rất lớn trong lĩnh vực năng lợng. Trên tàu các mô tơ thuỷ lực dùng trong các hệ thống lái, cẩu, neo, điều khiển v.v. Nếu kí hiệu năng lợng đơn vị của chất lỏng trớc và sau máy thuỷ lực là e 1 và e 2 , trong đó- g2 v g p ze 2 , thì: - khi chất lỏng qua bơm: e 2 >e 1 ; - khi qua động cơ thuỷ lực: e 2 <e 1 . * Dùng năng lợng đơn vị để so sánh tiện hơn vì không cần quan tâm đến lu lợng mật độ. Nh vậy, bơm và môtơ thuỷ lực làm việc trên nguyên tắc ngợc chiều (chuyển hoá năng lợng) nhau. Khi chất lỏng qua bơm thì năng lợng của nó đợc gia tăng dới dạng áp suất và động năng, nhờ vậy mà chất lỏng đợc đa đi xa hoặc lên cao. Đối với môtơ thì ngợc lại, nó sử dụng năng lợng của chất lỏng để tạo công cơ học dẫn động các thiết bị khác. Trong trờng hợp đầu, bơm phải do máy khác dẫn động (nh động cơ điện, máy hơi nớc hoặc tua bin, động cơ dizel, sức ngời). Năng lợng chất lỏng nhận đợc sẽ đợc chuyển thành thế năng áp suất (trong trờng hợp đợc đa lên cao hoặc nén dới áp suất) và nhiệt do ma sát với thành ống và các tổn thất thuỷ lực cục bộ khác. Nh vậy, muốn đa chất lỏng đi xa, công do bơm truyền cho chất lỏng phải khắc phục đợc các tổn thất này. Nh đã nói, bơm và động cơ (môtơ) thuỷ lực làm việc trên nguyên tắc ngợc chiều nhau, do mục đích sử dụng khác nhau nên về cấu tạo chúng có những chi tiết khác nhau và cấu tạo của bản thân các bộ phận làm việc có thể khác nhau (ví dụ cánh bơm và cánh tua bin, cánh máy nén li tâm và cánh tua bin hơi hoặc khí). Tuy nhiên chúng thờng tạo thành các cặp tơng ứng cùng kiểu loại, nhiều máy thuỷ lực đợc thiết kế dùng để đồng thời làm bơm hoặc động cơ. Một số bơm, tuy không đợc chế tạo để dùng làm môtơ, nhng trong khai thác chúng có thể làm việc ở chế độ môtơ nếu không có biện pháp ngăn ngừa thích hợp. Việc nghiên cứu, tính toán thuỷ động lực, tổn thất thuỷ lực cũng nh tính toán sức bền đối với các chi tiết chịu tải chủ yếu của các máy thuỷ lực cùng cặp tơng tự nhau. Ngoài ra, đặc tính làm việc của các máy này có nhiều nét tơng tự nhau. Do vậy, trong phần này và, nói chung, trong khuôn khổ giáo trình này chủ yếu chỉ xét kỹ về bơm dùng trên tàu thuỷ vì tính phổ thông của chúng. Các động cơ thuỷ lực chỉ đợc xem xét xen vào hoặc trong các hệ thống cụ thể ở trong giáo trình này. Bơm và động cơ thuỷ lực còn dùng trong các bộ truyền động thuỷ lực để truyền cơ năng từ các động cơ sang bộ phận thực hiện, thay đổi tốc độ và dạng chuyển động của bộ phận thực hiện. Bơm, nhận năng lợng từ động cơ, truyền năng lợng cho chất lỏng. Chất lỏng qua bơm http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 51 vào động cơ thuỷ lực truyền cơ năng cho thiết bị bị dẫn. Chức năng của bộ truyền động thuỷ lc cũng tơng tự nh truyền động cơ (hộp số, hộp giảm tốc, khớp nối) nhng so với truyền động cơ thì truyền động thuỷ lực có các u điểm sau. 1. Làm việc êm. Các khe hở không thể tránh đợc và sai số chế tạo trong các bộ truyền động cơ dẫn đến rung động. Bật, tắt hoặc thay đổi tỉ số truyền bộ truyền động cơ kèm theo va đập, giật. 2. Có thể thay đổi đợc tỉ số truyền không nhảy bậc. Các bộ truyền động cơ cho phép thay đổi tỷ số truyền vô cấp (ví dụ, đĩa ma sát) không đủ tin cậy và chỉ có thể sử dụng khi công suất nhỏ. 3. Có thể làm momen trên trục dẫn ít phụ thuộc tải của bộ phận thực hiện. Điều này làm cho dễ bảo quản máy và dễ bảo vệ động cơ hoặc bộ truyền động quá tải. Động cơ có thể làm việc toàn tải ở khi bộ phận thực hiện ở chế độ nghỉ. 4. Có thể truyền công suất lớn. Dễ dàng tạo ra, tích luỹ và sử dụng năng lợng thuỷ lực lớn, truyền lực hoặc mômen lớn. 5. Kích thớc và trọng lợng nhỏ. 6. Độ tin cậy cao, tuổi thọ lớn trong điều kiện độ ẩm cao, sóng gió và dao động của tàu khi hành hải. 7. Có khả năng truyền năng lợng thuỷ lực xa, dễ phân nhân nhánh hoặc tổng hợp các dòng năng lợng. Dễ thực hiện điều khiển từ xa và tự động hoá. Nhờ những u điểm trên mà các bộ truyền động thuỷ lực đợc sử dụng rộng rãi mặc dù cũng có một số nhợc điểm điểm cơ bản sau. 1. Các thông số cơ bản (tốc độ, sức kéo, hiệu suất) phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ bên ngoài và trạng thái nhiệt của chất lỏng công tác. 2. Hiệu suất thấp hơn so với truyền động cơ, điện. 3. Đòi hỏi chất lỏng thuỷ lực có độ sạch cao. 4. Dễ rò rỉ chất lỏng công tác qua những chỗ không kín trong hệ thống. 5. Lắp ráp các hệ thống ống dài trong điều kiện dới tàu khó khăn, phức tạp. 6. Giá thành các máy thuỷ lực chủ yếu cao. 2.1.2. Các thông số cơ bản của máy thuỷ lực. Chế độ làm việc của các máy thuỷ lực, nói chung, đặc trng bởi các thông số cơ bản sau: sản lợng (hoặc lu lợng), cột áp, công suất, vòng quay và hiệu suất. Sản lợng của bơm là lu lợng chất lỏng qua cửu đẩy của bơm. Cũng nh lu lợng, sản lợng có thể tính bằng thể tích (Q: m 3 /h, m 3 /s, l/ph) hoặc khối lợng (Q m :T/h,kg/ph, v.v.). Đối với động cơ thuỷ lực thì dùng thuật ngữ lu lợng thích hợp hơn vì lợng chất lỏng lu chuyển không phải là mục đích sử dụng của động cơ. Cột áp (H) là chênh lệch năng lợng đơn vị trọng lợng của chất lỏng ở thiết diện trớc và sau máy thuỷ lực, có đơn vị tính bằng mét (m). Nh đã biết, đối với chất lỏng hạt thì thành phần năng lợng có ý nghĩa sinh công cơ gồm áp suất tĩnh g/pz và động năng v 2 /2g. Đối với các chất khí, khối lợng riêng nhỏ so với chất lỏng nên có thể bỏ qua ảnh hởng của trọng lợng và khi qua máy nén hay tua bin, nhiệt độ (đặc trng cho nội năng) của chúng thay đổi đáng kể, nên để đánh giá trao đổi và chuyển hoá năng lợng thì ngời ta dùng độ chênh entanpi- i=u+p/, và chênh ngoại động năng- v 2 /2, tức là tính cho một đơn vị khối lợng chất khí. Đối với bơm, theo định nghĩa thì cột áp bằng: )g2/()vv()g/()pp(H 2 1 2 212 , (2.1) trong đó các chỉ số 1 và 2 chỉ các thông số trớc và sau bơm. ở đây bỏ qua ảnh hởng của lực trọng trờng. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 52 Công suất của bơm (công suất tiêu thụ) là năng lợng (công) động cơ truyền cho bơm trong một đơn vị thời gian (W, KW). Đối với động cơ thì công suất tính cho đầu ra, tức là công suất có ích. Công suất có thể đợc xác định từ lập luận nh sau. Mỗi đơn vị trọng lợng chất lỏng qua máy nhận (hoặc mất) một lợng năng lợng H, trong một đơn vị thời gian chất lỏng qua máy với trọng lợng bằng gQ. Do đó, đối với bơm thì năng lợng chất lỏng nhận đợc trong một đơn vị thời gian chính là công suất có ích và bằng gHQNe (W). (2.2) trong đó đơn vị của là kg/m 3 ; g=9.81 m/s 2 ; H- m; Q- m 3 /s. Công suất của bơm N lớn hơn công suất có ích một lợng bằng công suất các tổn thất. Những tổn thất này đợc đánh giá bằng hiệu suất bơm , trị số của nó bằng tỉ số giữa công suất có ích và công suất tiêu thụ: N/Ne . (2.3) Từ đó công suất bơm tiêu thụ sẽ bằng: N=QgH/. (2.4) Động cơ lai bơm đợc chọn dựa vào công suất trên. Công suất trong các phơng trình (2.2) và (2.4) có đơn vị là oát (W) trong hệ đơn vị SI, trong hệ đơn vị kĩ thuật còn dùng KGm/s. Để dễ hình dung sự trao đổi và chuyển hoá năng lợng, ta xét cân bằng năng lợng ở bơm làm ví dụ (xem H.2.1). Công suất đa đến máy là N, một phần công suất này bị mất. Các tổn thất trong máy đợc chia thành tổn thất cơ giới- h m ; tổn thất lu lợng- h Q ; và thuỷ lực- h h . Tổn thất cơ giới là các tổn thất ma sát trong các ổ đỡ, các thiết bị làm kín trên trục, giữa các chi tiết có chuyển động tơng đối, ma sát bề mặt ngoài bánh cánh với chất lỏng. Phần công suất còn lại đợc truyền cho chất lỏng và đợc gọi là công suất thuỷ lực - N tl . Năng lợng bánh cánh truyền cho một đơn vị trọng lợng chất lỏng qua bơm gọi là cột áp lý thuyết H lt , nó lớn hơn cột áp H của bơm một lợng bằng tổn thất thuỷ lực h h khi chất lỏng chảy qua bánh cánh của bơm: H lt =H+h h . (2.5) Thể tích chất lỏng qua bơm trong một đơn vị thời gian là Q hoặc trọng lợng bằng gQ. Do đó, công suất thuỷ lực của bơm, tức là công suất truyền cho toàn bộ lợng chất lỏng qua bộ phận công tác của bơm sẽ là: N tl =QgH lt . (2.6) Tổn thất cơ giới đợc đánh giá bằng hiệu suất cơ giới, nó bằng tỉ số giữa công suất cơ giới, tức là phần công suất còn lại sau mất mát do ma sát cơ giới, với công suất bơm tiêu thụ m =N tl /N. (2.7) Tổn thất lu lợng. Không phải toàn bộ chất lỏng qua cửa vào của bơm đều đi ra qua cửa đẩy đến nơi tiêu thụ mà một phần dò qua các khe hở trở về cửa hút (do chênh áp suất), ra ngoài qua các thiết bị làm kín trên trục v.v Năng lợng chất lỏngnhận đợc khi qua bơm rồi lại quay về cửa hút hay rò ra ngoài bị mất đi vô ích. Tổn thất lu lợng đợc đánh giá bằng hiệu suất thể tích Q , bằng tỉ số giữa công suất còn lại sau khi trừ đi phần công suất truyền cho chất lỏng bị rò lọt, trên công suất thuỷ lực Q =N/N tl =(N tl -N Q )/N tl , (2.8) trong đó N Q - công suất mất cho lợng chất lỏng rò lọt. Hình 2.1. Cân bằng năng lợng trong bơm. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 53 Mỗi đơn vị khối lợng chất lỏng rò lọt đem theo năng lợng H lt , do đó công suất tổn thất vì rò lọt là N Q =qgH lt . Vì lợng chất lỏng qua bơm Q=Q+q, nên N=N tl -N Q =QgH lt - qgH lt =QgH lt . (2.9) Thay phơng trình này và (2.6) vào (2.8) thu đợc Q =Q/Q=Q/(Q+q). (2.10) Tổn thất thuỷ lực. Dạng tổn thất năng lợng thứ ba là các tổn thất để khắc phục sức cản thuỷ lực ở lối vào, ra khỏi bơm, trong các bánh cánh. Tổn thất thuỷ lực đợc đánh giá bằng hiệu suất thuỷ lực h , nó bằng tỉ số giữa công suất có ích chia cho công suất N. Dựa vào các phơng trình (2.2), (2.5) và (2.9) h =Ne/N=H/H lt =H/(H+h h ). (2.11) Biết rằng hiệu suất bơm N/Ne , nhân và chia vế phải với N tl N, đợc mQh tl tl N N N 'N 'N Ne , (2.12) tức là hiệu suất bơm (hay nói chung là các máy thuỷ lực) bằng tích các hiệu suất thuỷ lực, lu lợng và cơ giới. Đ2.2 Phân loại và ứng dụng. 2.2.1. Phân loại. Máy thuỷ lực tuy đa dạng về kiểu loại, kết cấu và cả vật liệu chế tạo vì chúng đợc sử dụng cho nhiều mục đích, yêu cầu khác nhau, loại công chất khác nhau. Nhng vẫn có thể phân thành những nhóm cơ bản nh sau. Nh vậy, về nguyên lí hoạt động thì có thể phân các máy thuỷ lực thành ba loại chính: máy thể tích (positive displacement)- có thể là bơm hoặc mô tơ thuỷ lực; máy cánh- tua bin hoặc bơm; và bơm phụt. Trong các bơm thể tích, chất lỏng đợc hút và nén do thể tích khoang công tác thay đổi, theo chu kì thông với đờng ống hút và đẩy. ở đây năng lợng chất lỏng đợc gia tăng dới dạng áp suất tĩnh và về cơ bản không phụ thuộc tốc độ bơm hay của chất lỏng. Đối với các động cơ, lực chất lỏng truyền cho bộ phận bị dẫn là các lực áp suất do chênh áp giữa các khoang cao áp và thấp áp. Các máy thể tích, theo tính chất chuyển động của bộ phận công tác Máy thuỷ lực (động cơ và bơm) Máy thể tích Máy cánh (máy động lực) Bơm phụt Kiểu piston Kiểu rô to Máy li tâm (hoặc hớng tâm) Hớng trục Bơm xoáy lốc Bơm hớng chéo http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 54 đợc chia ra hai loại: kiểu piston hay kiểu chuyển động tịnh tiến (reciprocating); kiểu rô to (rotary). Nhợc điểm cơ bản của bơm piston là lu lợng không đều, kết cấu và truyền động phức tạp, cồng kềnh hơn so với các kiểu khác, tốc độ cũng bị hạn chế do lực quán tính lớn và điều kiện chống xâm thực. Tuy vậy, lĩnh vực áp dụng của bơm piston rất phong phú trong các hệ thống đặc biệt, lu lợng nhỏ và áp lực lớn: bơm cao áp, bơm cấp dầu nhờn bôi trơn xi lanh, các bơm tay v.v. Còn ví dụ về động cơ thuỷ lực kiểu tịnh tiến là: kích thuỷ lực, xi lanh thuỷ lực trụ- piston trong các máy lái, nâng hạ cần cẩu, trong các hệ thống điều khiển. Đến lợt mình, các máy rô to đợc phân thành: máy cánh gạt, bơm trục vít, bánh răng (tuy cũng có các mô tơ trục vít và bánh răng nhng do hiệu suất thấp, mô men nhỏ và đòi hỏi áp lực cao nên không phổ biến trên tàu), bơm vành nớc cánh gạt, bơm và mô tơ kiểu rô to piston v.v. Về kết cấu chúng cũng rất đa dạng và sẽ đợc nói chi tiết hơn ở các phần sau. Kiểu sau cùng về thực chất cũng là những bơm (hay mô tơ) kiểu piston. Nói chung về mặt động lực học thì các máy kiểu quay có u điểm hơn so với kiểu chuyển động tịnh tiến và cho lu lợng đều hơn. Các máy cánh hay còn gọi là máy động lực (dynamic machines) đều phải có bộ phận công tác cơ bản là bánh cánh có các cánh và quay. Năng lợng bánh cánh truyền cho chất lỏng (đối với bơm) hoặc nhận từ chất lỏng (động cơ) trên cơ sở tơng tác động lực học giữa các cánh với chất lỏng chảy bao quanh. Khác biệt cơ bản so với các máy thể tích là lực tơng tác ở đây phụ thuộc vào biên dạng của các cánh, vận tốc và đặc điểm dòng chảy bao. Theo đặc điểm của dòng chất lỏng qua máy có thể phân thành: các máy hớng kính (gồm bơm li tâm hoặc tua bin hớng tâm), hớng trục, bơm hớng chéo, bơm xoáy lốc. Loại bơm thứ ba (xem sơ đồ phân loại) không thuộc hai nhóm trên là bơm phụt. Loại cũng đợc sử dụng ở trên tàu cũng nh trong các ngành công nghiệp, chúng hoạt động trên nguyên tắc dùng chất lỏng có năng lợng cao truyền cho chất lỏng cần đợc bơm chuyển. Theo cách hiểu thông thờng thì bơm là các máy dùng để làm việc với các chất lỏng (để bơm chuyển chất lỏng), còn quạt gió hay máy nén dùng để làm việc với chất khí. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa "chất khí" và "chất lỏng" có tính tơng đối. Khái niệm "chất lỏng" bao gồm tất cả các vật chất có tính chất chảy đợc, nghĩa là, có khả năng thay đổi hình dạng dới tác dụng của các lực bé tuỳ ý. Nh vậy, theo định nghĩa này thì "chất lỏng" bao gồm cả chất lỏng, đợc gọi là chất lỏng giọt, và khí. Các chất lỏng giọt khi ở dạng giọt nhỏ dới tác dụng của sức căng bề mặt có dạng hình cầu còn lợng chất lỏng lớn thờng tạo bề mặt phân chia tự do với khí. Đặc điểm quan trọng của chất lỏng giọt là ít thay thể tích khi áp suất thay đổi nên thờng đợc coi là không nén đợc. Ngợc lại, các khí có thể giảm thể tích đáng kể dới tác dụng của áp suất và giãn nở không hạn chế khi không có áp suất. Thế nhng nếu không xét đến sự khác biệt này, các qui luật chuyển động của chất lỏng giọt và của khí ở những điều kiện nhất định có thể coi là tơng tự nhau. Một trong những điều kiện này là tốc độ dòng khí phải nhỏ so với tốc độ truyền âm trong nó. Chính vì vậy mà trong thực tế kĩ thuật thông thờng, nhiều qui luật, hiện tợng hoặc phơng pháp nghiên cứu tính toán có thể phù hợp cho cả bơm và máy nén khí hay quạt gió, hệ thống bơm chuyển nớc và khí nén hay thông hơi. Trừ một số bơm tơng đối đặc biệt, kiểu loại máy nén khí hay quạt gió cũng gần tơng tự nh bơm: máy thể tích (piston, bánh răng, trục vít, cánh gạt) và máy cánh (li tâm, hớng trục). Do đó mà trong giáo trình này u tiên cho việc nghiên cứu kĩ về lí thuyết các bơm hơn, một số qui luật hiện tợng xảy ra trong máy nén hay quạt gió cũng tơng tự nh trong bơm. 2.2.2 ứng dụng các loại bơm trên tầu thuỷ. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 55 Các kiểu loại bơm có nguyên lí làm việc khác nhau nên phạm vi làm việc của chúng (phạm vi sản lợng, cột áp, công suất) cũng khác nhau vì chỉ trong phạm vi nhất định chúng có hiệu suất lớn nhất, kích thớc và vòng quay hợp lí. Biểu đồ dới cho biết các vùng sử dụng của ba loại bơm tiêu biểu: vùng I- vùng sử dụng của bơm kiểu piston, vùng II- bơm li tâm và vùng III bơm hớng trục [4]. Các bơm khác nằm ở khu vực chuyển tiếp giữa các vùng. Từ biểu đồ thấy bơm thể tích dùng khi lu lợng nhỏ và cột áp lớn. Với lu lợng lớn, cột áp nhỏ hơn thì sử dụng bơm cánh chiếm u thế, ở vùng lu lợng rất lớn và cột áp tơng đối nhỏ ngời ta dùng bơm hớng trục. Ngoài ra, khi lựa chọn bơm còn phải chú ý xem tính năng (đặc tính) của nó có phù hợp hay không. Đó là quan hệ giữa các thông số cơ bản của bơm (cột áp, sản lợng, hiệu suất). Trong khai thác, vì nhiều lí do mà một thông số của bơm thay đổi, chẳng hạn cột áp, ta phải biết khi đó sản lợng của bơm có đủ nhu cầu không hoặc nó thay đổi thế nào. Đặc điểm làm việc của bơm còn cần thiết cho việc bố trí, lắp đặt các trang thiết bị phụ (van an toàn, thiết bị điều chỉnh, mồi v.v.) và qui trình vận hành. Ngoài các vấn đề nêu trên, khi chọn bơm cũng phảỉ lu ý đến tính chất của chất lỏng. Các tính chất cần quan tâm là: 1. Nhiệt độ- cao hay thấp. 2. áp suất- có độ chân không hay áp suất lớn. 3. Tính hoá hơi. 4. Tính dễ cháy nổ. 5. Tính hoá học. 6. Tính độc hại. 7. Mức độ lẫn tạp chất. 8. Độ nhớt [5]. Bảng 2.1. ứng dụng của các bơm tầu thuỷ Bảng 2.1 Hệ thống Công dụng Phạm vi cột áp (m H 2 O) Yêu cầu đặc biệt Loại bơm Động lực hơi nớc Bơm cấp nớc nồi hơi 100400 Chịu nhiết độ áp suất cao. Li tâm, piston, xoáy lốc. Cấp nớc xối tro xỉ ra ngoài. 100180 Li tâm, piston, bơm phụt Bơm nớc làm mát bầu ngng 615 Chịu đợc nứơc biển Li tâm, hớng trục Bơm nớc ngng 1015 Không rò khí vào bơm Piston, li tâm. m 10000 1000 100 10 H 1 10 100 10 3 10 4 m 3 /h Q I II III Hình 2.2. Biểu đồ phạm vi ứng dụng các loại bơm. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 56 Động lực hơi nớc Bơm dầu bôi trơn ổ, hộp giảm tốc. 5060 Các bơm rô to . Động lực Diezel Bơm chuyển nhiên liệu đến két lắng 2040 Các bơm thể tích quay (rô to) Từ két lắng đến két trực nhật 2040 nt. Chuyển dầu nhờn (từ két dự trữ đến các te hoặc két làm việc) 2550 nt. Cung cấp dầu bôi trơn các chi tiết 2080 nt. Cấp dầu làm mát pitton 1050 nt. Bơm nớc ngọt làm mát Li tâm, xoáy lốc, rô to Bơm nớc biển làm mát nớc ngọt. Phòng phù sa, mục gỉ Li tâm Bơm dầu nhờn trớc khi khởi động 20 Rô to, bơm tay Hệ thống sinh hoạt Nớc ngoài tầu (cho hố xí, két lọc) 1530 Li tâm, pitton Nớc sạch (ăn, tắm rửa) 1530 nt. Hệ thống an toàn Cứu hoả, rửa tới boong 50100 Phòng mục, gỉ, kẹt nt. Hút khô (chủ yếu bơm nớc bẩn đáy tầu ra ngoài và có thể kiêm chữa cháy). 1525 Phòng rác bẩn, khả năng tự hút hoặc chiều cao hút cho phép lớn nt. Dằn (có thể kiêm hút khô hoặc chữa cháy). 1525 Li tâm, hớng trục. Thiết bị lạnh Bơm nớc làm mát bầu ngng 1020 Li tâm Bơm nớc muối 2540 Chịu nhiệt độ thấp, gỉ nt. Hệ thống bơm dầu hàng Chuyển dầu lên bờ hoặc tầu khác 20100 Phòng gỉ, cháy nổ Rô to, li tâm Chuyển dầu giữa các khoang 2030 nt. nt. Tuần hoàn (khi cần hâm nóng) 1020 nt. nt. Bảng trên nêu một số ứng dụng các loại bơm cho các hệ thống trên tầu thuỷ (bảng 2.1) để tham khảo [5]. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 57 Chơng iii. Bơm cánh Đ3.1 Cơ sở lí thuyết bơm cánh. 3.1.1. Khái quát. Các máy thuỷ lực cánh là những máy trong đó năng lợng chất lỏng thay đổi nhờ tơng tác động lực với các cánh của bánh cánh khi chảy bao qua chúng. Ta xét cụ thể hơn cơ chế trao đổi năng lợng trên các cánh của máy thuỷ lực (hình 3.1). Khi có dòng chảy qua profin cánh, ở mặt dới và trên cánh có độ chênh áp làm xuất hiện lực P , gọi là lực nâng. Tơng tự nh vậy, lực nâng xuất hiện trên các cánh của bánh cánh các máy thuỷ lực cánh khi chuyển động trong chất lỏng. ở các bơm cánh, mô men của lực nâng ngợc chiều với chiều quay của bánh cánh. Cơ năng do động cơ truyền cho bánh cánh khắc phục mô men này và sinh công, công này, theo định luật bảo toàn năng lợng truyền cho chất lỏng làm cho cột áp chất lỏng đợc gia tăng. Năng lợng chất lỏng, một phần chuyển thành nhiệt do ma sát giữa các phần tử chất lỏng, phần còn lại ở dạng cơ năng và là phần công có ích của bơm. Bơm phải có kết cấu sao cho tổn thất năng lợng là nhỏ nhất. Trong các động cơ thuỷ lực (tua bin), chiều mômen của lực nâng trùng chiều quay của bánh cánh. Tác dụng lên bánh cánh, chất lỏng làm bánh cánh quay và truyền năng lợng cho nó. Các máy thuỷ lực có thể có một hoặc nhiều tầng. Trong các máy nhiều tầng, có nhiều bánh cánh đợc lắp trên cùng một trục, chất lỏng đi lần lợt qua các tầng. 3.1.2. Phơng trình cơ bản của các bơm cánh. Phơng trình cơ bản của bơm cánh đợc thành lập dựa trên phơng trình mômen động lợng (1.45) M=dL/dt=Q(v u2 r 2 -v u1 r 1 ), áp dụng đối với chất lỏng trong bánh cánh của bơm (trong các khoang giữa các cánh, tơng tự nh khi chảy qua hệ thống nhiều kênh dẫn). Lợng chất lỏng trong bánh cánh có thể đợc xem nh bị giới hạn bởi các mặt cong do mép vào và ra của cánh khi quay tạo thành (các chỉ số trong công thức tơng ứng với mép vào và ra). Các lực áp suất tác dụng vuông góc các bề mặt này nên đều thuộc mặt phẳng qua đòng tâm trục, mômen của chúng lên chất lỏng sẽ bằng không. Nếu bỏ qua các lực ma sát trên các mặt này thì mômen trên chính là mômen bánh cánh tác dụng lên chất lỏng. Nhân hai vế với vận tốc góc bánh cánh đợc công suất thuỷ lực bánh cánh truyền cho chất lỏng N tl =M=Q(v u2 r 2 -v u1 r 1 ). Theo công thức (2.5): N tl =QgH lt , do đó H lt =H/ h =(/g) (v u2 r 2 -v u1 r 1 ). (3.1) Phơng trình cơ bản trên của các bơm cánh lần đầu tiên đợc Ơle đa ra. Nó cho biết quan hệ giữa cột áp của bơm với các vận tốc chất lỏng (trị số lẫn phơng chiều)- chúng phụ thuộc vào sản lợng và tốc độ quay của bánh cánh, vào hình dạng của bánh cánh và của các lối dẫn chất lỏng. Dòng chất lỏng ở chỗ vào bánh cánh do kết cấu trớc bánh cánh tạo ra nên mômen động lợng tại cửa vào v u1 r 1 do kết cấu lối vào quyết định và gần nh không phụ thuộc kết cấu bánh cánh. Dòng ra do bản thân bánh cánh tạo ra, mômen động lợng cửa ra v u2 r 2 do kết cấu Hình 3.1. Lực tác dụng lên profin cánh. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 58 bánh cánh, đặc biệt các yếu tố hình học mép ra (đờng kính ngoài, chiều rộng, góc nghiêng cánh), quyết định. Phơng trình cơ bản trên cho phép dựa vào cột áp, lu lợng và tốc độ quay của bánh cánh để tính toán các yếu tố cửa ra của bánh cánh. Các cánh dẫn hớng ở lối vào, nếu có, không cho chất lỏng quay, trong trờng hợp này (hoặc trong thực tế để đơn giản) thì v u1 r 1 =0. Khi đó H lt =H/ h =(/g) v u2 r 2 . (3.2) *Các công thức (3.1), (3.2) chỉ là công thức gần đúng vì vận tốc chất lỏng ở các điểm khác nhau ở các mép vào, ra khỏi cánh không nh nhau, nói cụ thể hơn, công thức chỉ đúng khi xét cho một dòng nguyên tố. Tuy vậy, trong thực tế vẫn dùng, các gía trị vận tốc và bán kính là các giá trị trung bình. Nó chỉ có ý nghĩa lý thuyết, cho phép ta đánh một cách định tính sự phụ thuộc lẫn nhau của các thông số cơ bản của bơm (cột áp, lu lợng, hiệu suất), định hớng trong thiết kếĐặc tính chính xác của bơm chỉ xác định bằng thực nghiệm và dùng lí thuyết đồng dạng để khái quát hoá kết quả. Đ3.2. Bơm li tâm. 3.2.1. Nguyên lí làm việc của bơm li tâm. Hình 3.2 mô tả sơ đồ đơn giản của bơm li tâm. Bộ phận dẫn dòng gồm ba phần cơ bản: lối dẫn chất lỏng vào 1, bánh cánh 2 và lối dẫn dòng ra 3. Chất lỏng đợc dẫn đến cửa vào 1 từ đờng ống hút rồi vào bánh cánh 2, nhiệm vụ của nó là truyền năng lợng từ động cơ cho chất lỏng. Trong hình vẽ trên, bánh cánh gồm có đĩa chủ động (đĩa sau) a và đĩa bị động b (đĩa trớc), giữa chúng có gắn các cánh c. Về nguyên tắc, các cánh này cong về phía ngợc chiều quay của bơm. Đĩa chủ động đợc gắn chặt vào trục. Chất lỏng chuyển động qua bánh cánh từ tâm ra ngoài. Ra khỏi bánh cánh, chất lỏng theo đờng dẫn chất lỏng 3 ra đờng ống đẩy hoặc, ở bơm nhiều tầng, đến bánh cánh tiếp sau. * Các tua bin phổ biến nhất gồm tua bin hớng kính và hớng trục. Tua bin hớng kính, về nguyên tắc, có kết cấu không khác bơm li tâm, hớng chuyển động của chất lỏng và chiều quay của bánh cánh ngợc với bơm li tâm. Hình 3.2. Sơ đồ bơm li tâm dạng công xon: 1- lối vào; 2- bánh cánh; 3- lối ra; 4- lỡi; 5- ống loe. Hình 3.3. Sơ đồ xét chuyển động chất lỏng trong bánh cánh. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com . quay của bánh cánh ngợc với bơm li tâm. Hình 3. 2. Sơ đồ bơm li tâm dạng công xon: 1- lối vào; 2- bánh cánh; 3- lối ra; 4- lỡi; 5- ống loe. Hình 3. 3. Sơ đồ xét chuyển động chất lỏng trong bánh cánh. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 59 Trong. với vô hạn theo (3. 14) H =Cu 2 U 2 /g. (3. 25) Từ tam giác tốc độ cửa ra (hình 3. 6) và phơng trình lu lợng (3. 13) có )bR2/(QctgUctgCrUH 222c22c222 . (3. 26) Thay (3. 26) vào (3. 25) thu đợc )bR2g/(QctgUg/UH 222c22 2 2 (xem H.2.1). Công suất đa đến máy là N, một phần công suất này bị mất. Các tổn thất trong máy đợc chia thành tổn thất cơ giới- h m ; tổn thất lu lợng- h Q ; và thuỷ lực- h h . Tổn thất cơ giới là các tổn