Giáo trình Thiết bị mỏ hầm lò: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của giáo trình "Thiết bị mỏ hầm lò" cung cấp cho học viên những nội dung về: máy thủy khí; kiến thức cơ bản về thủy lực; mặt chuẩn, vận tốc trung bình, phương trình liên tục của dòng chảy; máy bơm nước; quạt gió mỏ; thiết bị nén khí; máy khai thác mỏ hầm lò; búa chèn; máy khoan; máy vơ;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Thiết bị mỏ hầm lò: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TS. Bùi Thanh Nhu (Chủ biên) ThS. Đào Đức Hùng GIÁO TRÌNH THIẾT BỊ MỎ HẦM LÒ DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2017 1
BÀI MỞ ĐẦU Khai thác than, khoáng sản, vật liệu xây dựng là một trong những ngành công nghiệp nặng. Các công việc trong quá trình khai thác phải được cơ giới hoá nhằm đạt được sản lượng và năng suất cao, đảm bảo an toàn và giảm nhẹ sức lao động cho con người. Giáo trình “ Thiết bị mỏ hầm lò” đề cập những vấn đề chính về các loại thiết bị công nghệ trong lĩnh vực này, bao gồm giới thiệu công dụng, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phương pháp tính toán chung cũng như các bộ phận chủ yếu của mỗi loại thiết bị. Giáo trình này dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành kỹ thuật mỏ, cũng có thể làm tài liệu học tập và tham khảo cho sinh viên các ngành có liên quan đến khai thác mỏ, xây dựng công trình ngầm và mỏ. Giáo trình còn có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ giảng dạy, cán bộ kĩ thuật, kĩ thuật viên công tác trong lĩnh vực khai thác mỏ. Cấu trúc của Giáo trình gồm: Phần I. Máy thủy khí. Phần II. Máy khai thác mỏ hầm lũ. Giáo trình này do Tiến sĩ Bùi Thanh Nhu(chủ biên) và Thạc sĩ Đào Đức Hùng giảng viên bộ môn Cơ máy biên soạn. Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại Học công nghiệp Quảng Ninh, lãnh đạo khoa Điện, bộ môn Cơ máy cùng các Phòng, Khoa nghiệp vụ và các cá nhân đã tạo điều kiện giúp đỡ, động viên để hoàn thành tốt cuốn Giáo trình này. Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã cố gắng bám sát đề cương, chương trình môn học đã được phê duyệt, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy môn học này trong nhiều năm, đồng thời có chú ý đến đặc thù đào tạo các ngành của nhà trường. Do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn rằng cuốn Giáo trình còn có thiếu sót. Rất mong bạn đọc góp ý. Xin chân thành cảm ơn! Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Các tác giả 2
PHẦN I. MÁY THỦY KHÍ Chương 1. KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ THỦY LỰC 1.1 Khái niệm chung về máy và thiết bị thuỷ khí Máy thuỷ khí là một danh từ chung để chỉ các máy làm việc bằng cách trao đổi năng lượng với dòng lưu thể theo các nguyên lý cơ bản của thuỷ khí động lực học. Nó thường được chia thành hai nhóm: - Nhóm máy công tác: là các máy cung cấp năng lượng cho dòng lưu thể như máy quạt gió, máy bơn nước, máy nén khí.... - Nhóm động cơ công tác ( hay còn gọi là nhóm máy phát lực): loại này nhận năng lượng từ dòng lưu thể như các Tuabin thuỷ lực tại các nhà máy thuỷ điện, các cánh quạt của cối xay gió, các động cơ thuỷ lực.... Thiết bị thuỷ khí : là phương tiện truyền dẫn, tích trữ, hay biến đổi năng lượng của dòng lưu thể, như các bình chứa khí nén, các hệ thống ống dẫn, các van khoá trên đường ống dẫn... 1.2. Kiến thức cơ bản về thuỷ lực 1.2.1. Phương trình cơ bản của thuỷ lực học Xét một bình thuỷ tinh đựng nước, tại vị trí điểm A cách mặt thoáng với độ sâu lá h. Xung quanh điểm A ta lấy một tiết diện vô cùng bé d . chiếu d lên mặt thoáng ta được một hình hộp cũng có đáy trên là d, như hình vẽ 1-1. pa d z h px p G x A x 0 pt y Hình 1.1. Các thành phần lực tác dụng Xét các lực tác dụng lên khối chất lỏng này gồm có: - Lực P0 là áp lực tác dụng lên mặt thoáng do tác dụng của áp suất khí trời: P0 = pa. d; - Lực Pt là áp lực thuỷ tĩnh có chiều đẩy khối nước lên: Pt = pt. d; - Lực Acsimet tác dụng đẩy khối chất lỏng này lên, trị số của nó bằng trọng lượng cột chất lỏng đang xét : G = . g. W =  .h.d . 3
Trong đó :  - Là khối lượng riêng của chất lỏng g – Gia tốc trọng trường( g = 9,81 N/m2) W = h.d - là thể tích của khối chất lỏng; Ngoài ra còn các lực tác dụng theo phương ox, oy nhưng các lực này cùng phương, cùng độ lớn và ngược chiều nên tự triệt tiêu. Vì khối nước ở trạng thái cân bằng nên xét tổng hợp lực theo phương oz ( phương thẳng đứng) ta có: Pt  P0  G  0 ; (*) Thay các thành phần lực trên vào biểu thức (*) ta được: pt. d - pa. d -  .h.d = 0; Hay là pt  pa   .h (1.1) Đây là phương trình cơ bản của thuỷ tĩnh học, ta có thể phát biểu thành lời như sau: Áp suất thuỷ tĩnh tại một điểm bất kỳ trong lòng chất lỏng bằng áp suất trên mặt thoáng (p0) cộng với trọng lượng cột chất lỏng có diện tích đáy bằng một đvdt; và chiều cao là từ điểm đang xét đến mặt thoáng (  .h ) của chất lỏng. 1.2.2. Mặt chuẩn, vận tốc trung bình, phương trình liên tục của dòng chảy. +Mặt chuẩn: Là một mặt phẳng nằm ngang bất kỳ được chọn làm gốc, để nghiên cứu các mặt cắt khác của dòng chảy. Mặt chuẩn có thể chọn bất kỳ nhưng nên chọn làm sao để dễ tính toán nhất, và thường chọn là mặt thoáng của chất lỏng. + Vận tốc trung bình: Là tỷ số giữa lưu lượng và mặt diện tích mặt cắt ướt của dòng chảy, ký hiệu là: v, đơn vị: m/s; m/phút... Q v ;   v     v Trong đó: Q – lưu lượng của dòng chảy (m3/h),  - diện tích mặt cắt ướt (m2). + Phương trình liên tục của dòng chảy: xét dòng H×nh 1.2. Nuíc ch¶y trong Hình 1.2. Nước chay trong chảy qua đoạn ống có tiết diện thay đổi, như hình vẽ èng cã tiÕt diÖn thay ®æi Gọi Q là lưu lượng nước chảy qua ống, ta có: ống có tiết diện thay đổi Q1  Q2 , Mặt khác xét với từng đoạn ống lại có: Q1  v1 .1 ; Q2  v2 . 2 Suy ra, ta có phương trình: v1 .1  v2 .2 (1.2) Mở rộng cho đường ống có n tiết diện thay đổi, với lý luận tương tự ta cũng có: 4
v1 .1  v2 .2  ...  vn .  cons tan (1.3) Phát biểu: tích số giữa diện tích mặt cắt ướt với vận tốc trung bình của một dòng chảy là một hằng số. 1.2.3. Các dạng năng lượng của dòng chảy, phương trình Becnuli a. Các dạng năng lượng của dòng chảy: Như hình vẽ ( Hình- 1.3) - Vị năng và tỷ vị năng: Vị năng tại một mặt cắt là năng lượng của dòng chảy, sinh ra do sự chênh lệch vị trí của mặt cắt đó so với mặt chuẩn. Vị năng chính là độ cao hình học của mặt cắt đó so với mặt chuẩn. Vị năng tính cho một đơn vị trọng lượng của chất lỏng được gọi là tỷ vị năng, ký hiệu là : z , đơn vị: m - Áp năng tỷ áp năng: là năng lượng tạo nên áp suất cho dòng chảy. Nếu tính cho một đơn vị trọng lượng của chất lỏng được gọi là tỷ áp năng, ký p hiệu là tỷ số: , đơn vị: m  - Động năng và tỷ động năng: là phần năng lượng làm cho chất lỏng chuyển động với vận tốc là v. Động năng tính cho một đợn vị trọng lượng của chất lỏng được v2 gọi là tỷ động năng, ký hiệu: . E E' 2g hw b). Phương trình Becnuli v21 v22 E 2g 2g Becnuli là nhà bác học người Nga, p2 ông đã nghiên cứu sự chuyển động 2'  của chất lỏng và tìm ra được quan p1 v1 v2 hệ giữa vận tốc, áp suất và độ cao  2 hình học của chất lỏng. Quan hệ đó 1' z2 được biểu diễn bằng một phương z1 1 O O' trình được gọi là phương trình Becnuli. Hình 1.3. C¸c H×nh Các d¹ng dạngn¨ng lượngcña năngluîng củadßngdòngch¶y chảy + Phương trình Becnuli đối với chất lỏng lý tưởng: Như ta đã biết chất lỏng lý tưởng là chất lỏng không có tính nhớt, hay nói cách khác là chúng không có nội ma sát trong quá trình chuyển động, vì vậy không sinh ra tổn hao năng lượng trong quá trình chuyển động từ mặt cắt này đến mặt cắt khác, nghĩa là thành phần hw = 0, khi đó đường biểu diễn năng lượng (đường năng E) là đường E-E’( như hình vẽ- Hình 1.3 ở trên). Tại mặt cắt 1- 1’ các thành phần năng lượng gồm có: vị năng( z 1), áp năng ( p1 v12 ), động năng ( ). Tại mặt cắt 2- 2’ các thành phần năng lượng là: vị năng(  2g p2 v22 z2), áp năng ( ), động năng ( ).  2g Do không có tổn hao năng lượng, nên tổng các dạng năng lượng tại một mặt cắt bất kỳ là một hằng số, hay: 5
p1 v12 p v2 p v2 z1    z 2  2  2  ....  z n  n  n  const (1.4)  2g  2g  2g + Phương trình Becnuli với chất lỏng thực tế. Trên thực tế thì bất cứ chất lỏng nào cũng có tính nhớt, vì vậy trong quá trình chuyển động xuất hiện nội ma sát, gây ra tổn hao năng lượng của dòng chất lỏng chuyển động. Do đó, khi dòng chất lỏng chuyển động từ mặt cắt 1-1’ đến mặt cắt 2-2’ sẽ bị tổn hao một phần năng lượng, giả sử là hw. Phương trình Becnuli viết cho chấtlỏng thực là: p1 v12 p v2 z1    z 2  2  2  hw12 (1.5)  2g  2g Trong đó: hw- Là tổn thất năng lượng khi dòng chất lỏng chuyển động từ mặt cắt 1-1’ đến mặt cắt 2-2’. Câu hỏi bài tập chương 1 1. Phương trình cơ bản của thuỷ lực học? 2. Mặt chuẩn, vận tốc trung bình, phương trình liên tục của dòng chảy? 3. Các dạng năng lượng của dòng chảy, phương trình Becnuli? 6
Chương 2. MÁY BƠM NƯỚC 2.1. MÁY BƠM NƯỚC LY TÂM 2.1.1. Cấu tạo. Máy bơm nước đầu tiên 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, về cấu trúc nó được phát triển rất đa dạng để đáp ứng các nhu cầu bơm các loại chất lỏng khác nhau. Trong ngành công nghiệp mỏ, máy bơm ly tâm giữ vai trò quan trọng, làm nhiệm vụ thoát nước cho các hầm lò, các công trường mỏ lộ thiên nhằm đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong quá trình khai thác. Bên cạnh đó bơm còn cấp nước cho các thiết bị làm mát bằng nước, dập bụi, làm sạch thiết bị và cấp nước sinh hoạt. Cấu tạo chung của máy bơm nước ly tâm được thể hiện trên hình vẽ Hình 2.1. 1 - Trục của máy bơm; 2 - Bánh công tác; 3 - Cánh quạt của bánh công tác( cánh dẫn); 4 - Vỏ bơm; 5 - Van một chiều; 6 - Hộp lọc nước; 7 - Đoạn ống đẩy gắn liền với vỏ bơm; 8 - Van một chiều; 9 - Khoá diều chỉnh năng suất, áp suất; 10, 11- Ống và khoá để mồi nước cho bơm khi trên đường ống đẩy có nước. 12 – Đường ống đẩy. 13 – Ống và khoá để xả nước khi sửa chữa. 14 – Phễu mồi nước nằm ngay trên vỏ bơm. M - Áp kế đo áp suất ở cửa đẩy của máy bơm, B - Chân không kế, đo độ chân không ở cửa hút của máy bơm, Hh - Chiều cao hút nước của máy bơm, là khoảng cách từ mặt nước trong bể hút đến tâm trục máy bơm, (m) Hđ - Chiều cao đẩy nước của máy bơm, là khoảng cách từ tâm trục máy bơm đến tâm đường ống đẩy nằm ngang cao nhất. Nếu trường hợp máy bơm – bơm nước vào một bể chứa mà mực nước trên mặt thoáng cao hơn miệng đường ống đẩy, thì chiều cao đẩy nước là khoảng cách từ tâm trục máy bơm đến mặt thoáng của bể xả. HH – Chiều cao thoát nước hình học của máy bơm và: HH = Hh + Hđ , (m) 7
12 11 13 10 9 H ® 14 8 M HH 7 6 5 4 B 3 Hh 2 1 Hình 2.1. Cấu tạo cơ bản của hệ thống máy bơm nước ly tâm 2.1.2. Nguyên H×nh 1.4. CÊu lýt¹olàm cñaviệc của máy hÖ thèng m¸ybơm b¬mnước nuíclylytâm. t©m Để trình bày nguyên lý làm việc của máy bơm nước ly tâm, ta xét sơ đồ nguyên lý của máy bơm nước như hình vẽ 2.2. Trước khi cho máy bơm nước ly tâm làm việc ta phải mồi đầy nước cho máy bơm. Việc mồi nước có thể thực hiện bằng hai phương pháp: trực tiếp hoặc gián tiếp. Mồi nước trực tiếp là đổ nước trực tiếp qua van mồi số 14 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 khoá số 10 để cho nước từ đường ống đẩy chảy vào bơm. Cả hai phương pháp trên được coi là mồi đủ nước, khi nước chảy qua van mồi số 14 thành dòng liên tục, không có lẫn bọt khí. Hiện nay, ở các trạm bơm có công suất lớn, quan trọng người ta thường máy bơm phụ để thực hiện mồi nước cho các bơm chính. 8
 4 4 2  1 S  S 3 3  H×nh 2.2. Nguyªn lý lµm viÖc cña m¸y b¬m nuíc ly t©m Khi động cơ máy bơm làm việc, chuyển động quay từ trục động cơ được truyền đến bánh công tác của máy bơm. Khi bánh công tác quay cùng với trục, sẽ làm xuất hiện lực ly tâm trong các máng dẫn của bánh công tác ( BCT), chất lỏng trong BCT dưới tác dụng của lực ly tâm đó sẽ bị văng từ trong ra ngoài, do đó tạo thành một khoảng trống có áp suất rất thấp( áp suất chân không) ở cửa vào s của BCT. Dưới tác dụng của áp suất trên mặt thoáng bể hút, nước được nén qua hộp lọc, qua đường ống hút rồi vào chiếm chỗ ở cửa BCT, sau đó đi vào BCT rồi lại bị văng ra ngoài theo máng cánh dẫn, đi theo phần ống mở rộng ra phía cửa đẩy, tạo nên một vùng có áp suất cao để đi ra đường ống đẩy, cứ thế 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. c2 u2 2 Trong quá trình chất lỏng bị văng từ trong 2 cửa hút ra phía ngoài BCT, chất lỏng tham gia le w1 c 1 chuyển động tương đối dọc theo cách dẫn với vận w 2 r2 u1 tốc tiếp tuyến w, chuyển động tròn quay theo BCT với tốc độ u và chuyển động tuyệt đối với vận tốc c. Các thành phần vận tốc được biểu thị trên các r1 tam giác vận tốc hình 2.3, với: Hình 2.3.Tam giác vận tốc ở H×nh 1.6. Tam gi¸c vËn tèc    ë cöa vào –- ra cửa vµo ra cña của BCT BCT c  u w  Trong đó  - được gọi là góc cấu trúc của BCT, là góc hợp bởi véc tơ vận tốc u    và véc tơ vận tốc w ;  - là góc hợp bởi vận tốc vòng u và vận tốc tuyệt đối c . 2.1.3. CHIỀU CAO HÚT NƯỚC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU CAO HÚT NƯỚC TỚI CHẾ ĐỘ CÔNG TÁC CỦA MBN. 2.1.3.1. Chiều cao hút nước lý thuyết. 1. Các giả thuyết. 9
+ Giếng hút đủ lớn, để trong quá trình máy bơm nước làm việc mực nước trong giếng hút không đổi, nghĩa là coi vận tốc chuyển động của nước trên bề mặt giếng hút bằng không. + Nước là chất lỏng lý tưởng, vì vậy có thể coi không có tổn thất trong quá trình chuyển động. + Số cánh dẫn của BCT là nhiều vô cùng, bề dầy của cánh dẫn vô cùng bé, để dòng chảy trong các máng dẫn là dòng nguyên tố và không có sự mở rộng hoặc thu hẹp đột ngột tiết diện dòng chảy, nên có thể bỏ qua tổn thất năg lượng. 2. Các định nghĩa. + Chiều cao hút nước của máy bơm: là khoảng cách theo phương thẳng đứng từ mặt nước trong giếng hút tới tâm của trục máy bơm, ký hiệu Hh , đơn vị là: m. + Chiều cao đẩy nước của máy bơm: Là khoảng cách theo phương thẳng đứng từ tâm của trục máy bơm tới tâm đường ống đẩy nằm ngang cao nhất, đơn vị là: m. + Chiều cao thoát nước hình học: Là khoảng cách thẳng đứng từ mặt nước trong giếng hút đến tâm đường ống đẩy nằm ngang cao nhất, hay chính là tổng chiều cao hút nước và chiều cao đẩy nước, ký hiệu là HH , đơn vị: m. 3. Phương trình chiều cao hút nước lý thuyết. Để xác định phương trình chiều cao hút nước lý thuyết của MBN, ta xét hình vẽ 2.4. Hình 2.4. Sơ đồ tính toán chiều cao hút nước của MBN ly tâm Do giả thiết nước là chất lỏng lý tưởng nên dòng chảy không có tổn thất năng lượng, ta áp dụng phương trình định luật Becnuli viết cho dòng chảy của chất lỏng lý tưởng, trước hết ta chọn: - Mặt chuẩn là mặt 0- 0 trùng với mặt nước trong bể hút. - Chọn mặt cắt ướt thứ nhất 1-1 trùng với mặt chuẩn 0- 0; mặt cắt ướt thứ hai là 2 -2, đi qua cửa hút của máy bơm. Viết phương trình định luật Becnuli cho dòng chảy của chất lỏng lý tưởng, khi chuyển động từ mặt cắt 1 -1 đến mặt cắt 2 -2 ( với giả thiết hw = 0): 10
p1 v12 p v2 z1    z2  2  2 (2.1)  2g  2g Từ các giả thuyết và cách chọn các mặt cắt, mặt chuẩn như trên ta suy ra: + Tại mặt cắt 1-1: Z1 = 0, p1 = pa , v1 = 0; + Tại mặt cắt 2-2: Z2 = hh, p = p2 , v = v2. Thay vào phương trình (2.1) ta được: pa p2 v22  Hh   . (2.3)   2g Suy ra: v22 pa p2 Hh    . (2.4)   2g Nhận xét: - Khi mặt thoáng của nước trong giếng hút tiếp xúc trực tiếp với khí trời, thì p2 v22 v22 độ lớn của hh chỉ phụ thuộc vào giá trị và . Trong đó, yếu tố phụ thuộc  2g 2g p vào cấu tạo của từng bơm và tốc độ quay n của máy bơm. Còn giá trị 2 thì phụ  thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ quay, chiều cao đặt bơm, độ kín khít của đường ống hút.... - Từ biểu thức (2.4), ta suy ra giá trị chiều cao hút nước lớn nhất( hh max) đạt p2 v22 được khi = 0 và = 0, khi đó chiều cao hút nước lớn nhất theo lý thuyết của  2g MBN, để máy bơm có thể làm việc được là: pa 1at 9,81.10 4 ( N / m 2 ) Hh Max = =   10 (m).   .g 9,81.10 3 ( N / m 3 ) 2.1.3.2. Chiều cao hút nước thực tế của MBN. Do các giả thuyết lý tưởng không thực hiện được, nên dòng chảy của nước trong BCT có tổn hao năng lượng, vì vậy chiều cao hút nước thực tế của bơm bao giờ cũng nhỏ hơn 10 m, thật vậy: pa v22 H h TT   HT   hw12 , mH20. (2.5)  0 2g Người ta đã đưa ra công thức thực nghiệm, để tính chiều cao hút nước thực tế của MBN như sau: 4 pa  n Q 3 H h TT  0,8.[  HT  10.  ] , mH20.  (2.6)  0  C  Trong đó: 11
n – là tốc độ quay của bơm, v/ph; Q – là lưu lượng của MB, m3/h; p HTo = 2 - áp suất hơi bão hoà của nước, nghĩa là khi áp suất giảm xuống  thấp thì nhiệt độ sôi của nước giảm xuống, và khi áp suất giảm đến giá trị là H To , thì nước sẽ sôi và bốc hơi tại nhiệt độ tương ứng. Dưới đây cung cấp bảng tra các giá trị nhiệt độ bốc hơi của nước t0 , theo giá trị áp suất HTo , cho như bảng dưới đây: t0 bốc hơi 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 Ht0 , mH20 0,062 0,089 0,125 0,238 0,432 0,752 1,257 2,031 3,177 4,829 t0 bốc hơi 90 100 110 120 140 160 180 200 Ht0 , mH20 7,149 10,33 14,61 20,02 36,85 63,02 102,25 158,57 Hiện nay đã chế tạo được MBN có chiều cao hút nước Hh = ( 4,5  5,5) m. 2.1.3.3. Ảnh hưởng của Hh tới chế độ công tác của MBN. v22 pa p2 Từ phương trình áp suất của MBN H h     hw12 , ta suy ra, nếu   2g p mà Hh tăng lên thì thành phần 2 phải giảm xuống (do v2, hw1-2 và pa = constan).  Khi áp suất p2 giảm đến một giá trị nào đó, bằng áp suất hơi bão hoà của nước, thì trong MBN sẽ xuất hiện hiện tượng hơi nước xâm thực. Do đó, để MBN làm việc được bình thường thì chiều cao hút nước của MB phải nhỏ hơn một trị số cho phép, được gọi là chiều cao hút nước cho phép của MB, ký hiệu [Hh]. a. Hiện tượng hơi nước xâm thực Khái niệm về “xâm thực” ta có thể hiểu rằng đó là việc tạo ra một vùng hơi( bọt khí) cục bộ ở trong chất lỏng đang chảy, nếu như áp suất tĩnh tuyệt đối đạt trị số áp suất bốc hơi của chất lỏng đó. Khi chiều cao hút nước Hh của máy bơm lớn hơn chiều cao hút nước cho phép, làm cho áp suất tại cửa hút của MBN giảm xuống thấp, đạt đến trị số áp suất bốc hơi của nước, làm cho nước sôi ngay ở nhiệt độ bình thường khi đi qua cửa hút. Nước sôi làm giải phóng các chất khí, tạo ra các bọt khí lẫn trong dòng chảy của nước, làm giảm diện tích dòng chảy, do đó vận tốc của dòng chảy tăng rất lớn; mặt khác khi các bọt khí này bị cánh quạt đập vỡ, thì nước ở xung quanh chảy đột ngột vào chiếm chỗ với vận tốc rất lớn gây nên sự va đập thuỷ lực trong BCT, làm gãy vỡ BCT. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng hơi nước xâm thực. b. Tác hại hiện tượng hơi nước xâm thực. Khi các bọt khí tạo thành đi qua BCT, sẽ bị các cánh quạt đập vỡ nước xung quanh chảy vào chiếm chỗ với vận tốc rất lớn, tạo ra chuyển động xoáy của nước trong BCT, làm phát sinh các xung lực tác dụng lên BCT và trục máy bơm, bơm bị 12
rung động mạnh làm cho các chi tiết chóng mòn, BCT có thể bị phá vỡ trong một vài giờ, hiệu suất máy giảm. Tuy nhiên khi hiện tượng xâm thực xảy ra rất nhỏ thì lại có tác dụng làm nhẵn bề mặt cánh. Lưu lượng của bơm bị giảm đáng kể, cộng với tác dụng của chuyển động xoáy làm cho nước bị nóng lên, làm đẩy nhanh quá trình ăn mòn, quá trình han gỉ các chi tiết kim loại của MBN. c. Một số biện pháp để tránh xâm thực. - Giảm chiều cao hút nước bằng cách hạ thấp bệ máy bơm, hoặc sử dụng các thiết bị cảm biến mức nước( cảm biến phao) để tự động cắt điện cho động cơ MB khi chiều cao hút nước lớn hơn chiều cao hút nước cho phép. - Chọn ống hút phù hợp, ít gãy khúc, ít nhám, hạn chế việc bố trí các van trên đường ống hút. - Tính toán vận tốc của nước trong ống hút trong khoảng 1,0  1,5 m/s, hạn chế dùng tốc độ dưới 0,8 m/s. - Nếu chiều cao hút nước qua lớn có thể đặt thêm bơm phụ như bơm phun tia đường ống hút, hoặc ghép nối tiếp các bơm làm việc về phía bể hút. - Hạn chế việc thay đổi hướng dòng chảy ở cửa vào BCT, thành cánh dẫn và BCT phải nhẵn. 2.1.4. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG MBN. 2.1.4.1. Lưu lượng. Là lượng nước đi qua MB trong một đơn vị thời gian, ký hiệu Q, đợn vị m3/h, m3/ph… 2.1.4.2. Áp suất . Là phần năng lượng mà dòng chảy được gia tăng, khi đi qua BCT của máy bơm. Áp suất gồm có hai thành phần là áp suất tĩnh và áp suất động. Áp suất tĩnh là phần năng lượng cung cấp cho dòng chảy, để thắng được sức cản của trọng lượng bản thân chất lỏng và sức cản trên đường ống, nhằm đưa chất lỏng lên cao và đi xa, ký hiệu HT; Áp suất động là thành phần năng lượng tạo ra vận tốc cho dòng chảy, ký hiệu HĐ. Áp suất toàn phần của MBN gọi tắt là áp suất của MB, là tổng hai thành phần áp suất động và tĩnh, ký hiệu H, dơn vị: mH 20. H = HT + HĐ , mH20 2.1.4.3. Công suất Nếu gọi lưu lượng của một máy bơm nước là Q, thì công suất của máy bơm được định nghĩa là công sinh ra để đưa lưu lượng nước Q, từ mặt nước trong bể hút đến điểm có chiều cao bằng chiều cao thoát nước hình học (H H của máy bơm đó. Công suất ký hiệu là N, đơn vị: W, kW. Công suất được chia thành hai thành phần: công suất hữu ích ( N i ) và công suất tổn hao, tổng của hai thành phần đó là công suất toàn phần N. Công suất toàn phần là công suất trên trục động cơ điện của MBN, trừ đi công suất tổn hao do truyền động qua múp nối. 13
Q. .H Ni  , kw 10 3 2.1.4.4. 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  . 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. N   i . 100% < 1. N 2.1.4.5. Tốc độ quay Là số vòng quay của trục máy bơm trong một đơn vị thời gian, ký hiệu n, đơnvị: v/ ph. Tốc độ quay của MBN thường được chọn chính bằng tốc độ của động cơ điện lai máy bơm đó. 2.1.5. ÁP SUẤT CỦA MÁY BƠM 2.1.5.1. Các giả thuyết lý tưởng. Để đơn giản cho quá trình nghiên cứu dòng chảy của nước qua BCT máy bơm ly tâm, người ta đưa ra giả thuyết có tính chất lý tưởng như sau: - BCT có số cánh dẫn nhiều vô cùng (z =  ), dể dòng chảy trong các máng dẫn là dòng nguyên tố, không có chuyển động xoáy. - Cánh dẫn vô cùng mỏng( có thể coi là chiều dày s tiến tới 0), để không làm thay đổi đột ngột tiết diện dòng chảy khi vào và khi ra khỏi máng cánh dẫn. - Dòng chảy trtong BCT là dòng chảy ổn định và lý tưởng, nghĩa là dòng chảy không có tổn thất trong quá trình chuyển động, hay nói cách khác chất lỏng làm việc của máy bơm( nước) được coi là chất lỏng lý tưởng( chất lỏng đồng nhất, liên tục, đẳng hướng và không nhớt). 2.1.5.2. Áp suất lý thuyết. Khi máy bơm nước làm việc, nước được hút vào 2 trong máy bơm tạo thành một dòng chảy liên tục qua BCT. Trong quá trình chất lỏng chuyển động trong BCT từ điểm 1 1 đến điểm 2, chất lỏng được gia tăng một phần năng lượng. S Đây chính là năng lượng làm cho chất lỏng chuyển động H×nh 1.7. S¬ ®å tÝnh Hình 2.5. Sơ đồ tính có vận tốc lên cao và đi xa ( áp suất động và áp suất tĩnh), to¸n phần năng lượng được gia tăng khi chất lỏng chuyển động cña toán¸pápsuÊt suấtlýlýthuyÕt thuyết MBN ly t©m từ điểm 1 đến điểm 2 được gọi là áp suất của máy bơm ly của MBN ly tâm tâm . Bằng phương pháp chứng minh lý thuyết trên cơ sở các giả thuyết lý tưởng, người ta đã tìm ra phương trình áp suất lý thuyết của máy bơm nước ly tâm là: u22 u2 . cot g 2 H LT   .QLT . (2.7) g g. .D2 .b2 14
Trong đó: Hlt - áp suất lý thuyết của MB, u2 – vận tốc vòng của nước khi ra H LT khỏi BCT , 90 0   2> 0  2 – góc cấu trúc của BCT, u22 0 D2 - đường kính ngoài của BCT, g  2 = 900 b2 - bề dày của BCT,  2 0 < 900 g – gia tốc trọng trường ( g = 9,81 m/s2), 0 Q QLT - lưu lượng lý thuyết : Là lượng LT chất lỏng đi qua BCT trong một đơn vị H×nh Hình1.8. . Đặc 2.6§Æc tÝnhtính lý thuyến ¸p suÊt củab¬m lý thuyÕt máyLT thời gian. bơm LT u 22 u . cot g 2 Đặt =A, 2 = B , ta g g. .D2 .b2 được : H LT  A  B.QLT * Nhận xét: Phương trình áp suất lý thuyết của máy bơm nước ly tâm là một phương trình quan hệ bậc nhất giữa áp suất HLT và lưu lượng QlT, vì vậy đường đặc tính áp suất lý thuyết là một đường thẳng cắt trục tung tại toạ độ (0,A) và đặc tuyến phụ thuộc vào góc  2, như hình vẽ 2.6: +)  2 > 900 đặc tính đồng biến đi lên ; +)  2 = 900 Đặc tính nằm ngang; +)  2 < 900 đặc tính nghịch biến đi xuống. 2.1.5.3. Áp suất thực tế của máy bơm. Trên thực tế các giả thuyết lý tưởng không thể thực hiện được, do đó trong quá trình chất lỏng chuyển động qua BCT thì sinh ra các tổn hao năng lượng như: Tổn hao do dòng xoáy và va đạp thuỷ lực, tổn hao do ma sát, tổn hao do số lượng cánh dẫn khác vô cùng...vì vậy,đường đặc tính áp suất thực tế không còn là một đường thẳng, như hình vẽ 2.7. 15
H 2 h ms = f ( Q ) 2 h v® = f ( Q ) Tæn thÊt do z 0   2< 900 H = f (Q ) Tæn thÊt do ma s¸t Tæn thÊt do va ®Ëp 0 Q Q gh H×nh 2.7. §Æc tÝnh ¸p suÊt thùc tÕ MBN ly t©m - Đường số 1: Là tổn thất năng lượng do số cánh dẫn khác vô cùng, - Đường số 2: [hms = f(Q2)]- Là biểu diễn tổn thất do ma sát (đó là ma sát sinh ra do tính nhớt của chất lỏng và ma sát giữa chất lỏng và đường ống). - Đường số 3: [hvđ = f(Q2)]- Là đường biểu diễn tổn thất do dòng xoáy và va đập thuỷ lực. Để xác định đặc tính áp suất thực tế H = f(Q), ta lấy tung độ của đặc tính H LT lần lượt trừ đi tung độ của các đặc tính tổn hao hMS , hvd ...như đã kể ra ở trên. Kết quả ta được đường đặc tính thực tế của máy bơm nước là một phần của Parabol. Parabol này có đặc điểm là quay bề lõm xuống phía dưới và có một điểm cực đại phân chia đặc tính làm hai phần: phần bên trái đặc tính là phần máy bơm làm việc không ổn định, thường ứng với trạng thái máy bơm khởi động; phần phía phải điểm cực đại là phần máy bơm làm việc ổn định. 2.1.6. HỆ THỐNG ỐNG DẪN - TÍNH TOÁN 2.1.6.1. Hệ thống ống dẫn. Để đáp ứng được yêu cầu cấp thoát nước, thì mỗi một máy bơm phải có một hệ thống ống dẫn phù hợp. Ống dẫn có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, nhưng trong nghành công nghiệp mỏ ống dẫn chủ yếu được sử dụng là loại ống kim loại và ống cao su lõi thép. Đường kính của ống được chế tạo theo quy chuẩn, vì vậy việc tính toán, lựa chọn đường ống dẫn phải đảm bảo yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật và an toàn. Bằng cả tính toán và thực nghiệm, người ta đã chứng minh được rằng vận tốc của nước chảy trong đường ống có lợi nhất là : + Vận tốc trong ống hút: [ vh ] = ( 1  1,5) m/s; + Vận tốc trong đường ống đẩy: [ vđ ] = ( 1,5  2,5) m/s; 2.1.6.2. Tổn thất áp suất trong đường ống dẫn Trong quá trình chất lỏng chuyển động do có ma sát giữa chất lỏng và thành trong của ống, ma sát trong của chất lỏng, do đường ống bị biến dạng – uốn cong... nên gây ra các tổn hao về năng lượng, làm cho áp suất của máy bơm bị giảm đi. các tổn hao đó gồm có: 16
v2 +) Tổn hao do lưu tốc: hw1 = ; 2g v2 l v2 +) Tổn hao do ma sát dọc đường ống: hw2 =  d = . ; 2g d 2g +) Tổn thất tại các phụ kiện đường ống, các vị trí ống bị biến dạng: v2 hw3 =  C . 2g Trong đó: V : vận tốc của nước trong đường ống l  d  . : là hệ số tổn thất cục bộ d  : hệ số tổn thất thuỷ lực( thông số này được tra bảng) L : chiều dài đoạn đường ống đang xét, d : đường kính ống,  C : Hệ số tổn thất cục bộ, phụ thuộc vào hình dạng cụ thể của từng phụ kiện( tra bảng). Nếu đường kính ống hút khác ống đẩy, thì ta tính tổn thất trên từng đoạn đường ống rồi sau đó cộng lại. Do đó, ta tính được tổng tổn thất là : v2  l   hw  hw1  hw2  hw3  2 g 1   d   C  (2.8)    .d 2 4.Q Mặt khác lại có: Q= v.  =v. , suy ra: v  , thay vào biểu thức trên ta 4  .d 2 được: 16.Q 2  l   hw  2 g. 2 .d 4 1   d   C    Với một hệ thống ống xác định thì thành phần : 16  l   1      C   R0  cons tan 2 g. .d  2 4 d  R0- được gọi là hệ số sức cản của hệ thống đường ống. Do đó ta có:  hw  R .Q 0 2 2.1.6.3. Phương trình áp suất yêu cầu của hệ thống đường ống. Để một máy bơm có thể làm việc tốt trong một hệ thống ống dẫn nào đó, thì máy bơm đó phải tạo ra được một áp suất thắng được trọng lượng bản thân chất lỏng và đưa chúng từ bể hút lên đến bể chứa( bằng chiều cao thoát nước hình học của MB), đồng thời phải tạo ra được một lượng áp suất khác để thắng được mọi trở 17
lực của đường ống. Hay nói khác đi đó chính là áp suất yêu cầu của hệ thống ống, ký hiệu là H y.c : H y.c = HH + R0.Q2 (2.9) Nhận xét: Đồ thị của phương trình áp suất yêu cầu của hệ thống ống, là một nhánh phải của Parabol cắt trục tung tại vị trí HH. 2.1.6.4. Các chế độ công tác của may bơm nước. 1. Đường đặc tính độc lập hoàn toàn MBN. Với mỗi một máy bơm trước khi xuất N H xưởng, nhà chế tạo đã tính toán và vẽ sẵn N b = f (Q ) các đường đặc tính như: Đặc tính áp suất Hb = f(Q), công suất Nb = f(Q), hiệu suất Hb = f Q )   f (Q) , cho từng loại máy bơm riêng biệt 0  trong catalog. Các đường đặc tính đó được gọi là đặc tính độc lập hoàn toàn, chúng có  = f (Q ) dạng như hình vẽ 2.8. 2. Các chế độ làm việc của MBN. 0 Q a) Xác định điểm công tác và các thông số làm việc của máy bơm. H×nh 1.17. Hình Đặc tính 2.8. §Æc tÝnhđộc ®éclậplËp hoàn hoµntoàn toµn Để xác định được chế độ công tác của MBN, ta vẽ đường đặc tính áp suất yêu cầu của hệ thống ống lên trên đường đặc tính độc lập hoàn toàn của MBN. Tìm giao điểm của đặc tính HTO và đặc tính Hb là điểm M, được gọi là điểm làm việc của MB. Từ điểm M bằng phương pháp gióng đồ thị ta tìm được các thông số làm việc của MB như : Qlv ,Nlv ,Hlv ,  lv. Tập hợp các thông số đó ta xác định được chế độ công tác của MBN. H yc= f (Q ) N H N b = f (Q ) N lv M H b = f (Q ) 0 H  lv   = f (Q ) lv 0 Q lv Q H×nh 2.9. Phu¬ng ph¸p x¸c ®Þnh chÕ ®é c«ng t¸c *Chú ý: 18
- Khi xây dựng bốn đường đặc tính Hb, Hyc ,Nb ,  b trên cùng một hệ trục toạ độ, thì phải vẽ cùng một tỷ lệ xích. - Khi vẽ đặc tính áp suất yêu cầu lên trên đặc tính độc lập hoàn toàn, có thể xảy ra 3 trường hợp: + Đặc tính Hb cắt đặc tính H yc , tại hai điểm , trường hợp này máy bơm làm việc không ổn định. Ta phải tính chọn lại hệ thống đường ống. + Đặc tính Hb không cắt đặc tính H yc , nghĩa là áp suất do hệ thống yêu cầu lớn hơn áp suất do máy bơm toạ ra, ta phải tính toán và chọn lại. + Đặc tính Hb cắt đặc tính H yc tại một điểm duy nhất, trường hợp này máy bơm làm việc ổn định với hệ thống ống đã chọn. b) Vùng công tác kinh tế và điều chỉnh chế độ làm việc của bơm. Vùng công tác kinh tế, là vùng mà máy bơm làm việc với hiệu suất cao nhất, thông thường thì hiệu suất phải đạt trong khoảng  CT  (0,85  0,95). MAX . Khi điểm làm việc ( công tác) của máy bơm nằm trong vùng công tác kinh tế thì máy làm việc ít tổn thất năng lượng nhất, do vậy đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Thông thường vùng công tác kinh tế đã được nhà chế tạo xác định sẵn trong lý lịch máy, ta chỉ việc tính toán và điều chỉnh sao cho điểm làm việc nằm trong vùng này là được. Ta có thể điều chỉnh bằng cách đóng bớt khoá chặn trên đường ống đẩy, nếu điểm làm việc nằm bên phải vùng công tác kinh tế, tuy nhiên phương pháp này sẽ phát sinh tổn thất năng lượng trên van điều chỉnh; hoặc thay đổi tốc độ quay cho trường hợp điểm công tác nằm bên trái vùng công tác kinh tế, phương pháp này tuy giá thành cao nhưng do tính chất bền lâu và dễ sử dụng nên thường được áp dụng. 2.2. Máy bơm nước trục xoắn 2.2.1. Công dụng Bơm trục xoắn dùng để thoát nước ở đáy lò giếng, các trạm khu vực và quá trình đào các đường lò. 2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm trục xoắn Bơm trục xoắn có cấu tạo từ một trục xoắn, hoặc hai, ba trục xoắn ăn khớp với nhau, trong đó một trục dẫn còn lại là các trục bị dẫn. Chúng được đặt ép sát khít vào nhau và vào khoang của thân bơm sao cho đỉnh các trục xoắn với vỏ bơm là nhỏ nhất. Hai ren của một trục xoắn, vỏ và một ren của trục xoắn kia sẽ tạo thành một khoang kín chứa chất lỏng di chuyển dọc trục từ cửa hút đến cửa đẩy lúc trục xoắn quay. Thông dụng nhất là bơm hai trục xoắn, một trục có ren trái và trục còn lại có ren phải. Trục xoắn thường có một hoặc hai mối ren và biên rạng ren thường có ba loại: ren chữ nhật, hình thang, và hình xicolit. Tải trọng dọc gây ra do áp suất chất lỏng, còn tải trọng hướng kính rất nhỏ và các khoang bơm hầu như chiếm toàn bộ xung quanh trục xoắn nên chúng tự cân bằng. 19
a. Bơm một trục xoắn Trên hình 2-10 là sơ đồ cấu tạo của máy bơm một trục xoắn do nước CHLB Đức chế tạo, Loại này có ưu điểm là ngoài việc bơm nước còn bơm được cả dung dịch đặc như bùn, mật, rỉ, đường, hoa quả nghiền, thịt nghiền, bột nhão, v.v. nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo máy bơm một trục xoắn 1 - Vỏ; 2 - Giá; 3 - Cửa hút; 4 - Xylanh; 5 - Trục xoắn; 6 - Trục các đăng; 7,8 - Khớp nối; 9 - Hộp đệm kín; 10 - Đệm kín; 11 - Hộp chèn; 12 - Ống lót; 13 - Thân ổ dỡ; 14, 16 - Ổ bi; 15 - Trục chính. Trước khi cho bơm làm việc ta phải mồi cho bơm. Khi động cơ điện làm việc, truyền mô men quay qua múp nối đến trục trung gian làm cho trục trung gian quay, trục cát đăng quay theo và thông qua khớp nối cát đăng làm cho trục xoắn bằng thép quay. Do cấu tạo trục xoắn và áo cao su nên giữa chúng có các khoang trống. Khi trục xoắn quay theo chiều rãnh xoắn, các khoang trống có xu hướng chuyển dịch từ phía cửa hút sang phía cửa đẩy, vì thế nước nằm trong các khoang trống cũng được dồn ép từ phía cửa hút sang phái cửa đẩy. Các khoang trống mới lại hình thành và do các khoang trống này có áp suất nhỏ hơn áp suất khí trời (P a). Vì vậy áp suất khí trời lại đẩy nước từ giếng hút vào bơm và cứ như vậy động cơ làm việc liên tục thì bơm hút và đẩy nước lên liên tục. Lưu lượng lý thuyết của bơm một trục xoắn có thể tính theo công thức sau: Qlt = 0,05 3 nd3m (2.10) Trong đó : n - Tốc độ quay của trục xoắn; Dm - Đường kính trung bình của trục xoắn. b. Bơm hai trục xoắn 20