Giáo trình Máy thủy khí: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của giáo trình "Máy thủy khí" cung cấp cho học viên những nội dung về: thiết bị thoát nước; máy bơm nước ly tâm; các máy bơm khác thường dùng; tính toán lựa chọn thiết bị thoát nước; sơ đồ lắp đặt trạm thoát nước mỏ;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Máy thủy khí: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH GIÁO TRÌNH MÁY THỦY KHÍ DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2017
LỜI NÓI ĐẦU Máy thủy khí là học phần kỹ thuật chuyên ngành trong chương trình đào tạo sinh viên chuyên ngành: Công nghệ cơ khí mỏ. Giáo trình Máy thủy khí là tài liệu học tập chính cho sinh viên chuyên ngành trên và là tài liệu tham khảo cho sinh viên các chuyên ngành: Công nghệ cơ điện mỏ, Công nghệ cơ điện tuyển khoáng, Công nghệ kỹ thuật mỏ, Công nghệ kỹ thuật xây dựng mỏ và công trình ngầm, Cơ điện tử … Giáo trình này sẽ cung cấp những kiến thức cơ bản nhất về các thiết bị cơ khí quan trọng phục vụ trong ngành công nghiệp khai thác mỏ, tuyển khoáng và các ngành công nghiệp khác như: các loại máy bơm nước, máy nén khí và máy quạt gió. Để sử dụng cuốn sách có hiệu quả, người đọc nên kết hợp nghiên cứu kỹ phần lý thuyết với việc trả lời các câu hỏi và bài tập vận dụng ở cuối mỗi chương. Nội dung chính của Giáo trình được trình bày trong 03 phần, chia thành 08 chương, cụ thể là: Chương 1- Các máy bơm ly tâm; Chương 2- Các máy bơm thường dùng, Chương 3- Những vấn đề chung về mạng thông gió mỏ; Chương 4- Điều chỉnh quạt gió mỏ; Chương 5- Thiết bị thông gió mỏ; Chương 6- Máy nén khí Piston; Chương 7- Máy nén khí cánh dẫn; Chương 8- Tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bị cung cấp khí nén. Trong giới hạn khuôn khổ của một cuốn Giáo trình, cộng với thiết bị thực tế rất đa dạng nên nhóm tác giả không thể giới thiệu chi tiết từng thiết bị cụ thể. Giáo trình sẽ cung cấp những kiến thức lý thuyết cơ bản nhất, các bài tập vận dụng liên quan với thực tế, để làm cơ sở cho việc làm đồ án môn học và các môn học thực hành, quá trình tìm hiểu thực tế khi thực tập sản xuất và tiếp cận công việc sau khi sinh viên ra trường. Trong quá trình biên soạn, do thời gian biên soạn ngắn, kinh nghiệm còn đôi chút hạn chế nên khó tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, rất mong được sự đóng góp ý kiến của bạn bè đồng nghiệp và bạn đọc về nội dung và hình thức để Bài giảng được hoàn thiện hơn. Các tác giả 1
CÁC THUẬT NGỮ THƯỜNG GẶP LIÊN QUAN 1. Áp suất khí quyển: Là áp suất của khí quyển Trái Đất tác dụng lên mọi vật ở bên trong nó và lên trên bề mặt Trái Đất, hay đơn giản là sức nặng của lượng không khí đè lên bề mặt cũng như mọi vật Trái Đất, ký hiệu: pa = 1at. Càng lên cao, áp suất khí quyển tác dụng vào vật càng giảm. 2. Át-mốt-phe tiêu chuẩn (ký hiệu: atm): Là đơn vị đo áp suất, không thuộc hệ đo lường quốc tế SI, thường dùng trong vật lí. 1atm tương đương với áp suất của cột thủy ngân cao 760mm tại nhiệt độ 0 °C, dưới gia tốc trọng trường là 9,80665 m/s². 1atm= 101.325,0 Pa. Át-mốt-phe kỹ thuật (ký hiệu: at): 1at được định nghĩa bằng áp suất của 1 vật nặng 1kg tạo ra trên diện tích 1cm2, tương đương với áp suất của cột nước cao 10 mét; 1at = 98.066,5 Pa (1atm = 1,033at); 3. Áp suất chân không (chân không): Độ chênh giữa áp suất khí quyển với áp suất toàn phần (tuyệt đối) trong chất lỏng (chất khí); Là giá trị áp suất đọc được trên đồng hồ chân không kế. 4. Áp suất dư hay áp suất kế: Độ chênh của áp suất trong chất lỏng (chất khí) so với áp suất khí quyển; Là giá trị áp suất đọc được trên đồng hồ áp kế. 5. Áp suất tĩnh toàn phần (tuyệt đối): ứng suất nén của chất lỏng thực sự tồn tại tại điểm đang xét. 6. Chất lỏng: Là vật chất có tính chảy, tức là có khả năng dễ dàng thay đổi hình dạng dưới tác dụng của các lực dù rất nhỏ, song khác với chất khí là mật độ (khối lượng riêng hay khối lượng đơn vị) biến đổi rất ít khi thay đổi áp lực tác dụng lên nó. 7. Chất lỏng đồng nhất: Là chất lỏng mà mật độ của nó ở mọi điểm bên trong lòng chất lỏng là như nhau. 8. Chất lỏng nhiều pha: Là chất lỏng hỗn hợp cơ học gồm hai hay ba pha vật chất rắn, lỏng, khí (dưới dạng bọt) với nhau. 9. Chất lỏng thực: Là chất lỏng có đầy đủ các tính chất vật lý đặc trưng của nó, đặc biệt là tính nhớt (thường dùng như thuật ngữ trái nghĩa với thuật ngữ “chất lỏnglý tưởng”). 10. Chiều cao đo áp: Chiều cao của cột chất lỏng mà khi áp suất ở mặt thoáng (của nó) bằng không, thì trọng lượng của cột chất lỏng có diện tích đáy bằng 1đvdt bằng với áp suất tại điểm đang xét, tức là bằng chiều cao cột chất lỏng có giá trị bằng tỷ số p/γ. 11. Chiều cao vận tốc (cột nước vận tốc): Là chiều cao rơi tự do của phần tử chất lỏng để có vận tốc trung bình bằng với vận tốc đã cho, từc là chiều cao v2/2g. 12. Cột nước: Là tổng của ba chiều cao: chiều cao vị trí, chiều cao áp lực và chiều cao vận tốc. 13. Hệ số động năng của dòng chảy (hệ số Côriôlit): Là tỷ số giữa động năng đơn vị thực của dòng chảy và động năng đơn vị tính toán theo giả thiết là vận tốc của các điểm trong các mặt cắt ngang đề bằng vận tốc trung bình. 2
14. Hệ số sức cản dọc đường λ (hệ số Đắc-xi): Là đại lượng không thứ nguyên phụ thuộc vào độ nhám của thành lòng dẫn và số Reynolds (Re). 15. Lưu lượng: Khối (khối lượng hoặc thể tích) chất lỏng đi qua mặt cắt ngang của dòng chảy trong một đơn vị thời gian. 16. Mặt tự do (mặt thoáng): Là mặt ngăn cách giữa chất lỏng với môi trường chất khí có áp suất cố định. 17. Tổn thất cột nước cục bộ: Tổn thất năng lượng đơn vị của dòng chảy để thắng sức cản cục bộ. 18. Tổn thất cột nước dọc đường: Các tiêu hao năng lượng đơn vị của dòng chảy để thắng lực ma sát, nó tỷ lệ thuận với chiều dài của dòng chảy. 19. Tỷ trọng của chất lỏng: Là tỷ số giữa trọng lượng của vật thể với trọng lượng của nước cất có cùng một thể tích và ở nhiệt độ 40C. 20. Vận tốc cục bộ: Là vận tốc tại điểm đang xét. 21. Vận tốc trung bình: Là tỷ số giữa lưu lượng dòng chảy (Q, m3/s) với diện tích mặt cắt ướt (ω, m2). 22. Xâm thực: Là hiện tượng phá hoại tính liên tục của dòng chất lỏng chuyển động do sự tạo thành các bọt khí hoặc bọt hơi của chất lỏng ở bên trong chất lỏng đó gây ra. 23. Máy bơm: Là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài (cơ năng, điện năng, thủy năng…) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy có thể đưa chất lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống. 24. Tổ máy bơm: Máy bơm, động cơ kéo bơm và các thiết bị để truyền công suất từ động cơ đến máy bơm hợp thành “tổ máy bơm”. 25. Thiết bị bơm: Tổ máy bơm được nối với các ống hút và ống đẩy tạo thành tổ hợp “thiết bị bơm”. 26. Trạm bơm: Là tập hợp các công trình kỹ thuật (công trình thu nước, nhà trạm, bể chứa …) và thiết bị bơm tạo thành. 27. Van một chiều: Van một chiều (Check valve) là thiết bị cho phép dòng chất lỏng- khí đi qua nó theo một hướng nhất định và ngăn cản dòng theo hướng ngược lại. 28. Van an toàn: Van an toàn là một thiết bị thủy lực dùng để điều chỉnh áp suất trong ống dẫn chất lỏng, chất khí hoặc bình chứa khí, nhằm đảm bảo cho áp suất làm việc luôn nhỏ hơn áp suất giới hạn an toàn. 29. Mặt chuẩn: Là mặt phẳng nằm ngang được chọn làm gốc (có năng lượng bằng không) để tính toán năng lượng của các mặt cắt ướt, thường chọn là mặt thoáng của chất lỏng. 30. Áp kế: Là thiết bị dùng để đo áp suất dư (phần áp suất lớn hơn áp suất khí quyển pa = 1at) 31. Chân không kế: Là thiết bị dùng để đo áp suất chân không (phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển pa = 1at) 32. Chiều cao hút nước: Là khoảng cách theo phương thẳng đứng tính từ mặt nước trong bể hút đến tâm trục máy bơm nước. 3
33. Chiều cao hút nước cho phép: Là chiều cao hút nước giới hạn lớn nhất để máy bơm có thể làm việc được bình thường (không bị sự cố xâm thực). 4
PHẦN 1: THIẾT BỊ CẤP, THOÁT NƯỚC Chương 1 MÁY BƠM LY TÂM 1.1. Giới thiệu và phân loại 1.1.1. Giới thiệu chung Từ cổ xưa, con người đã gắn liền cuộc sống của mình với nước, đã tìm cách khai thác và sử dụng nước. Ở Việt Nam, Trung Quốc, Ấn Độ….từ lâu đời đã biết dùng năng lượng dòng nước kéo các cối xay lương thực, các máy mài, khoan đá, guồng nước để cung cấp nước cho nương, ruộng và nước sinh hoạt… Mãi đến thế kỉ thứ XVII mới có nhiều nhà khoa học nghiên cứu một cách khoa học cơ sở lý thuyết về máy thuỷ lực nói chung và máy bơm nói riêng. Ơ-le (1707 - 1783) đã viết về lý thuyết cơ bản của tua-bin nước nói riêng và máy thuỷ lực cánh dẫn nói chung làm cơ sở cho các nhà bác học Phuốc-nây-rôn, Xa-blu-côp, Ju-côp- ski….phát minh ra tua-bin nước và máy bơm ly tâm ở đầu thế kỉ XIX là những bước nhảy lớn trong lịch sử các máy năng lượng. Máy bơm nước đầu tiên có cấu trúc giống máy bơm ly tâm hiện nay do nhà vật lý người Pháp Denis Papin thiết kế năm 1869. Từ đó, máy bơm nước ly tâm được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành kinh tế quốc dân. Ngày nay, với tốc độ phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là khoa học công nghệ, máy bơm có cấu trúc cũng ngày càng hoàn thiện, hiệu suất làm việc cao, chủng loại đa dạng để đáp ứng nhu cầu bơm các loại chất lỏng khác nhau trong mọi lĩnh vực sản xuất, đời sống và quốc phòng, cụ thể: Trong công nghiệp, máy bơm được dùng để cung cấp nước cho các lò cao, hầm mỏ, nhà máy sản xuất, bơm dầu trong khai thác dầu mỏ, trong kỹ nghệ chế tạo máy bay, nhà máy điện nguyên tử… Trong nông nghiệp, máy bơm dùng để bơm nước tưới và tiêu úng cho cây trồng. Trong đời sống, máy bơm cung cấp nước sạch cho nhu cầu ăn uống, sinh hoạt của con người, gia súc… Trong ngành công nghiệp khai thác mỏ nói riêng, máy bơm ly tâm giữ những vai trò rất quan trọng: thoát nước cho các hầm lò, các công trường mỏ lộ thiên tạo ra khai trường khai thác khoáng sản, cấp nước cho các thiết bị làm mát bằng nước (động cơ đốt trong, máy nén khí…), vận tải bằng đường ống, cấp thoát nước cho các phân xưởng tuyển than, cấp nước dập bụi cho các máy khai thác, làm sạch thiết bị và cấp nước sinh hoạt… Yêu cầu thoát nước mỏ là đảm bảo trong 20 giờ với mỏ lộ thiên hoặc 16 giờ với mỏ hầm lò phải bơm hết lượng nước lưu tụ trong 24 giờ ở mỏ. Yêu cầu đó sẽ đảm bảo có dự trữ về thời gian khoảng từ 4 đến 8 giờ. Ở các trạm thoát nước thường bố trí ít nhất hai máy bơm, trong đó một máy làm việc và một máy dự phòng. Khi lượng nước lưu tụ cực đại lớn gấp nhiều lần lưu lượng lưu tụ trung bình, thì phải bố trí đến ba máy bơm hoặc nhiều hơn (một số máy làm việc, một vài máy dự trữ và một vài máy chuẩn bị thay thế, các máy bơm có hệ thống ống riêng) 5
Sơ đồ cấu tạo cơ bản hệ thống thiết bị bơm ly tâm trong mỏ trên Hình 1-1 dưới đây : Hình 1-1. Sơ đồ cấu tạo cơ bản hệ thống thiết bị bơm ly tâm trong mỏ 1 - hộp lọc nước; 2 - van đáy; 3 - ống hút; 4 - vỏ bơm; 5 - trục máy bơm; 6 - cánh dẫn; 7 - bánh công tác; 8 - đoạn ống đẩy gắn liền với vỏ bơm; 9 - van một chiều trên đường ống đẩy; 10, 11 - khóa và đường ống mồi nước gián tiếp cho bơm; 12 - ống đẩy; 13 - khóa xả nước khi sửa chữa bơm; 14 - khóa điều chỉnh năng suất, áp suất máy bơm; 15 - lỗ mồi nước trực tiếp, xả e. Trước khi cho máy bơm nước ly tâm làm việc, ta phải mồi đầy nước cho máy bơm để đẩy hết không khí bên trong bơm ra ngoài. Việc mồi nước có thể thực hiện bằng hai phương pháp là mồi trực tiếp hoặc mồi gián tiếp: mồi nước trực tiếp là đổ 6
nước trực tiếp qua lỗ mồi số 15 nằm ngay trên vỏ bơm (phương pháp này thường chỉ áp dụng cho các máy bơm có công suất nhỏ); mồi nước gián tiếp (khi trên đường ống đẩy có nước) bằng cách mở khóa số 10, để cho nước từ đường ống đẩy chảy vào điền đầy đường ống hút và bánh công tác (BCT) của máy bơm. Cả hai phương pháp mồi nước được coi là mồi đủ, khi nước chảy qua lỗ 15 thành dòng liên tục, không còn lẫn bọt khí. Hiện nay, ở các trạm bơm có công suất lớn, quan trọng người ta thường sử dụng máy bơm phụ để thực hiện mồi nước tự động cho các máy bơm chính. Với biện pháp này, trước khi bơm chính làm việc các cảm biến “nhận biết mức nước mồi” sẽ tự động kiểm tra lượng nước mồi cho bơm chính, nếu bơm chính đã được mồi đủ, thì báo tín hiệu về một bộ xử lý trung tâm, đóng điện cho bơm chính làm việc; Ngược lại nếu bơm chính chưa được mồi đủ, thì tự động đóng điện cho bơm phụ làm việc mồi nước cho bơm chính. Khi bơm chính được mồi đầy nước thì thiết bị xử lý trung tâm cắt điện cho bơm phụ đồng thời đóng điện cho bơm chính làm việc. Khi động cơ lai máy bơm làm việc, chuyển động quay từ trục động cơ truyền động được truyền đến BCT của máy bơm số 7. BCT quay cùng với trục bơm số 5, làm xuất hiện lực ly tâm tác dụng lên phần nước trong các máng dẫn bánh công tác. Dưới tác dụng của lực ly tâm đó, chất lỏng trong các máng dẫn sẽ bị văng ra khỏi BCT số 7, ngay tại thời điểm này một khoảng trống có áp suất rất thấp (áp suất chân không) ở cửa vào của BCT xuất hiện. Dưới tác dụng của áp suất khí trời trên mặt thoáng bể hút, nước bị nén qua hộp lọc số 1, qua đường ống hút số 3 rồi vào chiếm chỗ ở cửa vào BCT, sau đó chất lỏng chuyển động vào và lại bị văng ra khỏi BCT, đi theo phần ống mở rộng ra phía cửa đẩy. Quá trình dòng nước chuyển động theo ống mở rộng thì động năng giảm dần, áp năng tăng dần tạo nên một vùng có áp suất cao tại cửa đẩy của máy bơm. Do sự chênh lệch về thế năng chất lỏng từ cửa đẩy bị nén qua ống đẩy số 12 và chảy ra khỏi bơm. Cứ như vậy, chất lỏng tạo thành một dòng chảy liên tục đi từ bể hút qua ống hút, qua máy bơm đi ra đường ống đẩy lên bể chứa. Hình 1-2. Tam giác vận tốc của máy bơm nước ly tâm Trong quá trình chất lỏng bị văng từ điểm vào đến điểm ra khỏi BCT, chất lỏng tham gia chuyển động tương đối dọc theo cách dẫn với thành phần vận tốc tương đối 7
w , chuyển động tròn quay theo BCT với vận tốc vòng u và chuyển động với vận tốc thực tế c . Trong đó, vận tốc thực tế được xác định bằng phương pháp đường chéo hình bình hành với hai cạnh là vận tốc tương đối và vận tốc vòng. Các thành phần vận tốc được biểu thị trên các tam giác vận tốc (Hình 1-2). 1.1.2. Phân loại Máy bơm ly tâm là một loại máy thuỷ lực cánh dẫn, nhận năng lượng từ bên ngoài (cơ năng, điện năng, thuỷ năng…) và truyền năng lượng cho dòng chất lưu (dòng chất lỏng làm việc), nhờ vậy có thể đưa chất lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống. - Phân loại theo cột áp của máy bơm nước: + Bơm ly tâm cột áp thấp: H < 20mH20; + Bơm ly tâm cột áp trung bình: H = (20÷60)mH20; + Bơm ly tâm cột áp cao: H > 60mH20. - Phân loại theo số cấp (số bánh xe công tác) + Bơm ly tâm một cấp: Trên trục bơm chỉ gắn 1 bánh xe công tác; + Bơm ly tâm nhiều cấp: Trên trục bơm lắp từ 2 bánh xe công tác trở lên. Cột áp do bơm tạo nên bằng tổng các cột áp do các bánh xe công tác tạo ra. - Phân loại theo cách dẫn chất lỏng váo bánh xe công tác: + Bơm nước vào một phía (máy bơm có bánh công tác hút nước một phía); + Bơm nước vào 2 phía (máy bơm có bánh công tác hút nước hai phía). - Phân loại theo vị trí trục của máy bơm: + Bơm ly tâm trục đứng; + Bơm ly tâm trục ngang. - Phân loại theo phạm vi làm việc: + Máy bơm ly tâm chính: Được lắp đặt trong các trạm cấp - thoát nước chính và thường đặt đặt cố định với áp suất cao, lưu lượng lớn; + Máy bơm ly tâm phụ: Thường là loại bơm có áp suất thấp, lưu lượng nhỏ và dùng di động để cấp thoát nước nước cho các gương lò hay các khu vực nhỏ của mỏ. - Phân loại theo mục đích sử dụng: + Bơm nước sạch; + Bơm nước bẩn, nước thải; + Bơm hóa chất; + Bơm bùn đất, cát… 8
Bảng 1-1. Ký hiệu tên và ý nghĩa của một số máy bơm ly tâm TT KÝ HIỆU TÊN BƠM VÀ Ý NGHĨA VÍ DỤ Bơm nước: LT AB – XY (LT – Kiểu bơm ly tâm; AB – Lưu lượng 1. của máy bơm, m3/h; XY – cột áp của máy bơm, mH20) Bơm dung dịch hóa chất: LTH AB – XY 2. (LT – Kiểu bơm ly tâm; H – hóa chất; AB – Lưu lượng của máy bơm, m3/h; XY – cột áp của máy bơm, mH20) Bơm chất sệt (nước+bùn cát): LTS AB – XY 3. (LT – Kiểu bơm ly tâm; S – chất sệt bùn cát với nước; AB – Lưu lượng của máy bơm, m3/h; XY – cột áp của máy bơm, mH20) Bơm ly tâm nhiều cấp trục ngang: LTC AB – D × EF 4. (LT – Kiểu bơm ly tâm; C – nhiều cấp; AB – Lưu lượng của máy bơm, m3/h; D – cột áp của một cấp bơm, mH20); EF – Số cấp của bơm) Bơm ly tâm nhiều cấp trục đứng: LTCĐ AB – D × EF 5. (LT – Kiểu bơm ly tâm; C – nhiều cấp; Đ – bơm trục đứng; AB – Lưu lượng của máy bơm, m3/h; D – cột áp của một cấp bơm, mH20); EF – Số cấp của bơm) Bơm ly tâm hút hai phía: LT2 – AB – XY 6. (LT – Kiểu bơm ly tâm; 2 – hút hai phía; AB – Lưu lượng của máy bơm, m3/h; XY – cột áp của máy bơm, mH20) Bơm giếng sâu: LTG – AB – XY/DE (LTG – Kiểu bơm ly tâm trục ngang dùng 7. bơm giếng; AB – Lưu lượng của máy bơm, m3/h; XY – Chiều cao hút nước cho phép của máy bơm nước; DE – cột áp 9
toàn phần của máy bơm, mH20) 1.1.3. Ưu nhược điểm chính của máy bơm nước ly tâm Bơm ly tâm thuộc loại bơm cánh dẫn được sử dụng rộng rãi do có nhiều ưu điểm: - Có lưu lượng đều và ổn định với cột áp không đổi; - Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng bé hơn so với bơm piston; - Cho phép nối trực tiếp với động cơ cao tốc không qua hộp giảm tốc (trị số vòng quay có thể đạt đến 40.000 vòng/phút); - Cấu tạo đơn giản và chắc chắn, tháo lắp tiện lợi; - An toàn lúc làm việc; - Có thể bơm được nhiều loại chất lỏng khác nhau, hỗn hợp chất lỏng và chất rắn; - Khối lượng sửa chữa thường kỳ nhỏ vì ít các chi tiết động; - Khởi động bơm nhanh và điều chỉnh đơn giản trong khoảng lưu lượng lớn; - Trọng lượng kích thước không lớn khi có năng suất lớn, diện tích đặt máy không lớn và nền máy đơn giản; - Giá thành tương đối rẻ, sử dụng đơn giản, tiện lợi. Bên cạnh những ưu điểm nổi bật, máy bơm nước ly tâm cũng có một số những nhược điểm như: - Không có khả năng tự hút (trước khi khởi động bơm cần điền đầy chất lỏng vào bánh công tác và đường ống hút); - Hiệu suất thấp khi vòng quay nhỏ; - Hiệu suất của bơm giảm nhiều khi độ nhớt của chất lỏng cần bơm tăng lên; - So với bơm piston, kích thước đường ống hút của bơm ly tâm đòi hỏi lớn hơn; - Có sự phụ thuộc giữa hiệu suất của bơm đến chế độ làm việc của nó. 1.2. Các thông số cơ bản của máy bơm ly tâm 1.2.1. Lưu lượng Lưu lượng hay còn được gọi là năng suất của bơm là lượng chất lỏng do bơm vận chuyển đi trong một đơn vị thời gian. Tùy theo đơn vị đo mà lưu lượng được chia thành 3 loại như: lưu lượng thể tích Q có đơn vị đo là m3/h, m3/s, l/s…; lưu lượng khối lượng M có đơn vị đo là kg/s, kg/h, g/s…; lưu lượng trọng lượng G có đơn vị đo là N/s, N/h, kG/s… Tuy nhiên, khái niệm lưu lượng thể tích được dùng phổ biến hơn cả. Lưu lượng của bơm được xác định bằng các dụng cụ đo lắp trên ống đẩy như ống Ven-tu-ri, lưu lượng kế kiểu màng chắn hoặc các dụng cụ đo khác như thùng đo lường hoặc cân đặt ở cuối ống đẩy... Các dụng cụ đo này chỉ xác định được giá trị trung bình của lưu lượng trong một đơn vị thời gian nào đó. Sau đây, sẽ giới thiệu một vài dạng cấu tạo chính của các thiết bị đo lưu lượng: 10
+ Đo lưu lượng bằng bánh hình ôvan và bánh răng (Hình 1-3): Chất lỏng chảy qua ống làm quay bánh ôvan và bánh răng, độ lớn lưu lượng được xác định bằng lượng chất lỏng chảy qua bánh ôvan và bánh răng. Hình 1-3. Đo lưu lượng bằng bánh hình ô-van và bánh răng + Đo lưu lựơng bằng tuabin và cánh gạt (Hình 1-4): Chất lỏng chảy qua ống làm quay cánh tuabin và cánh gạt, độ lớn lưu lượng được xác định bằng tốc độ quay của cánh tuabin và cánh gạt. Hình 1-4. Đo lưu lượng bằng tua-bin và cánh gạt + Đo lưu lượng theo nguyên lý độ chênh áp (Hình 1-5): Hai áp kế được đặt ở hai đầu của màng ngăn, độ lớn lưu lượng được xác định bằng độ chênh lệch áp suất (tổn thất áp suất) trên hai áp kế p1, p2 và QV = K . p , (trong đó K – là hằng số theo những ứng dụng thực tế). Hình 1-5. Đo lưu lượng theo nguyên lý độ chênh áp + Đo lưu lượng bằng lực căng lò xo (Hình 1-6): Chất lỏng chảy qua ống tác động vào đầu đo, trên đầu đo có gắn lò xo, lưu chất chảy qua lưu lượng kế ít hay nhiều sẽ được xác định qua kim chỉ. 11
Hình 1-6. Đo lưu lượng bằng lực căng lò xo 1.2.2. Cột áp Là năng lượng đơn vị mà bơm truyền cho dòng chất lỏng, để đưa chất lỏng lên cao Hb(mH20). Trong hệ thống bơm nước ta lấy hệ số hiệu chỉnh động năng 1 =  2 = 1 , bỏ qua tổn thất năng lượng trong máy bơm, từ sơ đồ tính toán Hình 1-7, ta có: H b = Era − Evào = E3 − E2 (1- 1)  p v2   p v2  Hb =  H h + y + 3 + 3  −  H h + 2 + 2    2g    2g  p3 − p2 v32 − v22 Hb = y + + (1- 2)  2g trong đó: p2, p3 - là các áp suất tuyệt đối tại cửa hút và cửa đẩy của máy bơm. Áp suất phía cửa hút của bơm (p2) là áp suất chân không – nhỏ hơn áp suất khí trời một lượng pCK ; Áp suất phía cửa đẩy của bơm (p3) là áp suất dư – lớn hơn áp suất khí trời một lượng pAK. Do đó, ta có cột áp phía cửa hút và cửa đẩy của bơm là: p2 pa − pCK = ;   (1- 3) p3 pa + p AK = ;   Trừ vế cho vế hai phương trình trong biểu thức (1-3) ta được: p3 − p2 p AK + pCK =   Công thức tính cột áp của bơm sẽ là: p AK + pCK v32 − v22 Hb = y + + (1- 4)  2g trong đó : pCK, pAK - giá trị áp suất đọc được trên đồng hồ chân không kế và áp kế, 2 (N/m ) ; 12
v2, v3 - vận tốc trung bình của dòng chất lỏng tại mặt cắt ướt (2-2) và (3-3), (m/s); y - độ chênh cao giữa vị trí lắp chân không kế và áp kế, (m). Hình 1-7. Sơ đồ tính toán hệ thống bơm ly tâm Nếu đường kính ống hút và ống đẩy bằng nhau và không trích chứa lưu lượng trên ống đẩy thì v2 = v3 và khoảng cách y có thể bỏ qua ( y  0 ), thì trị số cột áp của máy bơm có thể xác định bằng các trị số đọc được trên áp kế (pAK) và chân không kế (pCK) như sau: p AK + pCK Hb = (1- 5)  Khi không có các số liệu đo được cụ thể của bơm đang làm việc như pCK, pAK … mà chỉ có các số liệu yêu cầu của hệ thống làm việc như: p1, p4, HH … Ta có thể tính cột áp yêu cầu của bơm theo các giá trị năng lượng ở bể hút và bể chứa như sau: Áp dụng phương trình Bec-nu-li cho đoạn dòng chảy giới hạn bới hai mặt cắt (1-1) và (2-2), với việc chọn mặt chuẩn (0-0) trùng với mặt nước trong bể hút, ta được: p1 v12 p v2 + = H h + 2 + 2 + hwhút (1- 6)  2g  2g hay: (1- 7) 13
p2 p1 v12  v2  = + −  H h + 2 + hwhút    2g  2g  hay viết gọn lại: E2 = E1 − hwhút (1- 8) trong đó: hwhút - là tổng tổn thất năng lượng trên đường ống hút, mH20. Từ biểu thức (1-7) ta thấy rằng, nếu áp suất tại mặt thoáng cửa bể hút p1 = pa và v1 nhỏ thì áp suất ở miệng hút của bơm p2 < pa, tức là phải đo bằng chân không kế. Tương tự, áp dụng phương trình Bec-nu-li cho đoạn dòng chảy giữa hai mặt cắt (3-3) và (4-4), với việc chọn mặt chuẩn là mặt phẳng (0-0), ta được: p3 v32 p4 v42 + = H đ + + + hwđ (1- 9)  2g  2g hay viết gọn lại: E3 = E4 + hwđ (1- 10) trong đó: hwđ - là tổng tổn thất năng lượng trên hệ thống ống đẩy. Thay E2, E3 vào phương trình cột áp (1-1), ta có: H b = E3 − E2 = ( E4 + hwđ ) − ( E1 − hwhút ) (1- 11)  H b = E4 − E1 + hwđ + hwhút = E4 − E1 + hw trong đó: hw = hwđ + hwh - là tổng tổn thất năng lượng trong hệ thống ống hút và ống đẩy, mH20; p4 − p1 v42 − v12 hay H b = Z 4 − Z1 + + + hw (1- 12)  2g trong đó: Z1, Z2, Z3, Z4 - lần lượt là tỷ vị năng (là năng lượng có được của các mặt cắt ướt do sự chênh lệch vị trí với mặt chuẩn tính trên một đơn vị trọng lượng chất lỏng, về ý nghĩa hình học là khoảng cách theo phương thẳng đứng từ các mặt cắt ướt đến mặt chuẩn) của mặt cắt ướt (1-1), (2-2), (3-3), (4-4) so với mặt chuẩn (0-0), (m) Từ Hình 1-3 thấy rằng : HH = Z4 - Z1, ta xác định được cột áp yêu cầu bơm phải tạo ra khi làm việc trong hệ thống ống: p4 − p1 v42 − v12 Hb = H H + + + hw (1- 13)  2g p4 − p1 trong đó: Các thành phần H H và là những đại lượng không thay đổi với một  p4 − p1 hệ thống máy bơm xác định, do đó: H t = H H + gọi là cột áp tĩnh;  14
v42 − v12 Các thành phần và hw là những đại lượng thay đổi theo lưu lượng của 2g hệ thống, tức là phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy trong ống dẫn, do đó: v2 − v2 H đ = 4 1 + hw gọi là cột áp động. 2g Vậy cột áp của bơm là tổng hai thành phần cột áp thành phần cột áp động và cột áp tĩnh: Hb = Ht + Hđ (1- 14) Các giá trị áp suất pAK và pCK ở trên được đọc từ các đồng hồ đo áp suất lắp đặt trên hệ thống bơm: Chân không kế lắp tại cửa hút của bơm để đo áp suất chân không (pCK), áp kế được lắp tại cửa đẩy của máy bơm để đo áp suất dư (pAK), cụ thể: + Áp kế: Nguyên lý đo áp suất bằng áp kế lò xo hình vòng (Hình 1-8): Lò xo hình vòng A, B là một ống đồng rỗng có tiết diện hình ô-van, một đầu được cố định với vỏ áp kế và nối thông với nơi cần đo áp suất dư, đầu còn lại được bịt kín và để tự do. Đầu tự do được liên kết với đòn bẩy hoặc cơ cấu truyền động bánh răng đến kim chỉ thị. Dưới tác dụng của áp lực chất lỏng trong lò xo rỗng A, B, lò xo bị biến dạng, thông qua cơ cấu thanh truyền hay đòn bẩy và bánh răng, độ biến dạng của lò xo sẽ được chuyển đổi thành giá trị được ghi trên thang hiện số - giá trị của áp suất dư. Hình 1- 8. Áp kế lò xo hình vòng + Chân không kế: Nguyên lý hoạt động của chân không kế lò xo tấm (Hình 1- 9): Hình 1-9. Áp kế lò xo tấm 15
1 - Kim chỉ thị; 2, 3, 4 - cơ cấu truyền động; 5 - Lò xo tấm Lò xo nằm tấm là một tấm đàn hồi được liên kết với thanh truyền số 4. Lò xo nằm trong vỏ và chia khoảng trống của vỏ thành hai khoang: khoang trên có áp suất khí quyển (pa = 1at), khoang dưới được nối thông với nơi cần đo áp suất chân không (p0 < pa). Dưới tác dụng của sự chênh lệch áp suất, tạo ra áp lực đẩy lò xo tấm (1) bị biến dạng (võng xuống), thông cơ cấu truyền động số 2, 3, 4, làm cho kim chỉ số 5 chuyển động quay - chỉ giá trị áp suất trên thang đo. 1.2.3. Công suất, hiệu suất Cần phải phân biệt rõ hai loại công suất: công suất thủy lực và công suất trên trục máy bơm. Công suất thủy lực (Ntl,W): Là cơ năng mà bánh công tác của máy bơm truyền cho dòng chất lỏng làm việc trong một đơn vị thời gian. Công suất thủy lực của bơm được tính bằng tích của cột áp với lưu lượng trọng lượng của máy bơm: N tl =  .Q.H , (W) (1- 15) trong đó:  - trọng lượng riêng của chất lỏng, N/m3; Q - Lưu lượng của máy bơm, m3/s; H - cột áp toàn phần của bơm, mH20. Muốn tạo ra được Ntl (gọi là công suất có ích) thì trục bơm phải có công suất lớn hơn, vì trong khi làm việc bơm phải tiêu hao một phần năng lượng để bù vào các tổn thất thủy lực và tổn thất ma sát giữa các bộ phận làm việc của bơm… Ntl  .Q.H N= = , (kW) (1- 16)  103. η - là hiệu suất toàn phần của máy bơm (η < 1) Công suất trên trục: Là công suất trên trục của máy khi làm việc ( N kW). Công suất thủy lực khác công suất trên trục. Quá trình làm việc của bơm càng hoàn thiện khi giá trị của công suất thủy lực càng tiến gần đến giá trị công suất trên trục. Khi chọn động cơ để kéo máy bơm, cần phải chọn công suất động cơ (Nđc) lớn hơn công suất tại trục bơm (N), để đề phòng trường hợp quá tải và bù vào tổn thất do truyền động từ động cơ sang máy bơm. N đc = k .N , (kW) (1- 17) Ở đây, k > 1 - là hệ số dự trữ công suất, phụ thuộc vào từng loại bơm, công suất máy bơm, điều kiện môi trường làm việc… và thường được chọn như sau [TL2]: Bảng 1-2. Lựa chọn hệ số dự trữ công suất theo công suất của bơm Công suất bơm Hệ số dự trữ công Công suất bơm Hệ số dự trữ công (N, kW) suất K (kW) suất K N≤2 2 15 < N ≤ 25 1,2 2
4 < N ≤ 7,5 1,6 N > 40 1,1 7,5 < N ≤ 15 1,4 Hiệu suất là một đại lượng không thứ nguyên, được định nghĩa là tỷ số giữa công suất hưu ích (Ni) trên công suất toàn phần (N), ký hiệu là η. Do Ni < N nên hiệu suất bao giờ cũng nhỏ hơn 1. Hiệu suất là một thông số quan trọng, để đánh giá chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của các máy móc nói chung và máy bơm nói riêng. N tl (1- 18) =
Nếu p1 = pa = 1at (áp suất khí quyển,) thì cột áp hút bằng cột áp chân không tại lối vào của bơm (Hình 1-10) pa − p2 (1- 21) H h = H CK =  pa − p2 v22 (1- 22) hay Hh = = zh + + hwh  2g Từ đó ta thấy rằng khả năng tạo cột áp hút tối đa của bơm trên lý thuyết - ứng với áp suất p2 = 0 là: pa 105 N / m2 (1- 23) H h max = H CK max = = = 10mH 2 0  104 N / m3 Vậy điều kiện để bơm làm việc được bình thường là: v22 (1- 24) H h = zh + + hwh  H CK max 2g Trên thực tế, khi p1 = pa = 1at thì cột áp hút của máy bơm ly tâm không thể đạt được 10mH20, vì áp suất ở cửa hút của máy bơm luôn phải lớn hơn áp suất hóa hơi (áp suất hơi bão hòa) của nước để tránh xâm thực, đồng thời trong quá trình máy bơm nước làm việc sẽ phát sinh các tổn hao năng lượng khác (tổn thất do sự mở rộng và thu hẹp dòng chảy, tổn thất do dòng xoáy và va đập, tổn thất do ma sát...) 1.3. Điều chỉnh máy bơm ly tâm 1.3.1. Các loại tổn thất và đặc tính thực tế của máy bơm nước ly tâm 1.3.1.1. Các loại tổn thất chính khi MBN ly tâm làm việc a) Tổn thất cơ khí: Quá trình truyền công suất từ trục động cơ dẫn động đến bánh công tác của MBN, thì công suất dẫn động bị tổn thất một phần do việc khắc phục lực ma sát trong các ổ đỡ, khớp nối trục, bộ phận lót kín giữa trục và vỏ bơm...dẫn đến công suất bánh công tác nhận được nhỏ hơn công suất dẫn động. Hiệu quả truyền công suất kể đến ảnh hưởng của tổn thất cơ khí, được đánh giá thông qua hệ số không thứ nguyên – hiệu suất truyền động cơ khí: Ni c = (1- 25) N dđ trong đó: N i - công suất bánh công tác nhận được sa khi kể đến tổn thất do ma sát; N dđ - Công suất dẫn động từ trục động cơ truyền động cho máy bơm;  c - hiệu suất truyền động cơ khí, thông thường c = ( 96  99 ) % . b) Tổn thất lưu lượng: lưu lượng chất lỏng từ cửa đẩy rò rỉ qua vành lót kín quay trở lại của hút BCT, được đặc trưng bởi hiệu suất lưu lượng Q : Q Q = (1- 26) Q + qs 18
trong đó: Q - lưu lượng của máy bơm nước; qs - lưu lượng nước rò rỉ trở lại cửa hút của bơm; Q - hiệu suất lưu lượng, thông thường Q = ( 90  98) % . c) Tổn thất thủy lực: Là năng lượng tổn thất do khắc phục sức cản của dòng chảy, do ma sát giữa chất lỏng với BCT, sự biến đổi hướng, tiết diện và vận tốc dòng chảy, sự gián đoạn... Tổn thất thủy lực tính toán rất phức tạp và được quy về hai loại tổn thất: tổn thất ma sát giữa chất lỏng với thành máng dẫn BCT (hwms), tổn thất do dòng xoáy và va đập thủy lực (hwvđ). Dạng đường biểu diễn hai loại tổn thất này được thể hiện trên Hình 1-11 và Hình 1-12 dưới đây: Hình 1-11. Đường biểu thị tổn thất ma Hình 1-12. Tổn thất do va đập thủy lực ở sát trong thành máng dẫn cửa vào cánh dẫn BCT 1.3.1.2. Đường đặc tính lý thuyết và thực tế của máy bơm nước ly tâm a) Đường đặc tính lý thuyết Phương trình áp suất lý thuyết của máy bơm nước ly tâm khi số cánh dẫn vô hạn là [TL1]: 1 (1- 27) H LT  = u2 c 2 u g QLT Thay thế giá trị c2u = u2 − c2 r cot  2 = u2 − cot  2 vào phương trình (1-27)  D2b2 ta được: 1  Q  1 u cot  2 (1- 28) H LT  = u2  u2 − LT cot  2  = u22 − 2 QLT g   D2b2  g g D2b2 trong đó: u 2 - vận tốc vòng tại điểm ra cánh dẫn (Hình 1-2); c 2u - hình chiếu của vận tốc tuyệt đối c2 tại điểm ra cánh dẫn lên phương của vận tốc vòng u2 (Hình 1-2); c 2r - hình chiếu của vận tốc tuyệt đối ( c2 ) tại điểm ra cánh dẫn lên phương đường kính (Hình 1-2); 19