Thiết kế máy bơm chìm kiểu hỗn lưu trục đứng

c tạp, mạng lưới sông ngòi dày đặc, khí hậu nóng ẩm, diễn biến bất thường, mùa mưa thì gây ngập úng, mùa khô thường bị hạn hán kéo dài . Do vậy ,trong lĩnh vực nông nghiệp bơm có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc điều tiết nguồn nước một cách có hiệu quả nhằm cải tạo đất,tăng vụ, tăng năng suất ,tăng sản lượng cây trồng nhằm góp phần xoá đói giảm nghèo,nâng cao đời sống nhân dân.Trong công nghiệp, bơm cũng được áp dụng khá nhiều ở nước ta như trong công trình khai thác mỏ,công nghiệp hoá chất. Vấn đề máy bơm chìm vẫn là một lĩnh vực mới mẻ ở nuớc ta. Mặc dù bơm chìm được ứng dụng khá nhiều trong tưới tiêu phục vụ nông nghiệp, nhưng trong công nghiệp thì nó vẫn còn có những hạn chế nhất định, đặc biệt là những bơm có công suất lớn. Vừa qua, Trung tâm nghiên cứu, tư vấn cơ điện và xây dựng (Remeco) thuộc Tổng công ty cơ điện - xây dựng nông nghiệp và thủy lợi đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một số loại máy bơm chìm công suất N=37,55KW và 75KW, tuy nhiên,cho đến nay ,máy bơm chìm vẫn phải nhập khẩu từ nước ngoài khá nhiều. Nhiều công ty khai thác nước ngầm chủ yếu chỉ quan tâm đến tính toán lựa chọn các bơm giếng sâu và nhập khẩu thiết bị nước ngoài. Các công ty ở Hà Nội, Hồ Chí Minh đã chế tạo các bơm chìm giếng sâu kiểu ly tâm nhiều cấp và các chi tiết làm phụ tùng sửa chữa, thay thế cho các bơm ngoại nhập, nhưng chất lượng và hiệu quả còn thấp. Bơm chìm có những ưu việt hơn các loại bơm khác như: có thể làm việc được những nơi có mực nước thay đổi lớn (không cố định), không cần mồi nước, giảm thời gian khởi động. Nhiệm vụ đối với ngành chế tạo máy bơm hiện nay là từng bước hoàn thiện lý thuyết tính toán thiết kế các loại bơm chìm. Trên cơ sở đó, nâng cao năng suất của máy bơm , tăng độ bền, tuổi thọ của máy và thiết bị, trong đó khâu tự động hoá và cơ giới hoá quá trình làm việc có ý nghĩa rất lớn và giữ vai trò hàng đầu. Thực hiện đề tài “Thiết kế máy bơm chìm kiểu hỗn lưu trục đứng “ sẽ góp phần đáp ứng nhu cầu nêu trên của sản xuất. I.2.Tình hình nghiên cứu, chế tạo và sử dụng bơm chìm trên thế giới Ngành công nghiệp chế tạo máy bơm trên thế giới dã đạt được nhiều thành tựu trong nghiên cứu lý thuyết cơ bản, thiết kế, chế tạo và áp dụng vào sản xuất khoảng 1500 loại máy bơm. Máy bơm chìm đã được nghiên cứu sâu và đạt đến trình độ cao về cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế, chế tạo, đặc biệt là các bơm chìm phục vụ nông nghiệp và thoát nước thải. Vấn đề quan trọng đối với ngành chế tạo máy hiện nay cần quan tâm là nâng cao hiệu suất, tăng độ bền , tuổi thọ của máy và thiết bị, trong đó, khâu tự động hoá và cơ giới hoá quá trình làm việc có ý nghĩa quan trọng.Nhược điểm cơ bản của phần lớn các máy bơm cánh dẫn kiểu li tâm , dòng chéo hay hướng trục là tình trạng không kín của gioăng sẽ làm giảm khả năng làm việc hoặc làm hỏng thiết bị. Các máy bơm chìm sẽ khắc phục các nhược điểm nêu trên, đảm bảo độ bền và tuổi thọ cao. Hiện nay, các máy bơm cánh dẫn trục đặt ngang thường làm việc với chiều cao hút địa hình (6-7)m, đối với bơm cánh dẫn trục đứng cũng bị hạn chế chiều dài của trục. Trong thực tế, các mực nước sông suối thay đổi rất lớn H(6-7)m và nhanh đột ngột gây nhiều khó khăn cho việc vận hành sử dụng khai thác thiết bị. Đã có một số biện pháp kỹ thuật giải quyết tình trạng trên: dùng trạm bơm nổi (thuyền, phao), trạm bơm di động trên đường ray nhằm tránh cho sự úng ngập động cơ điện.Tuy nhiên, các biện pháp đó đem lại hiệu quả kinh tế chưa cao do kết cấu thiết bị và công trình phức tạp, khó điều khiển theo nguyên lý tự động. Do vậy, không chủ động trong vận hành và khai thác. Máy bơm chìm đã khắc phục tốt các nhược điểm nêu trên. Với các nước công nghiệp phát triển, máy bơm chìm đã được chú ý đầu tư nghiên cứu, chế tạo và áp dụng vào sản xuất phục vụ nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, giao thông từ những năm 1940 -1950. Các bơm chìm đã đạt được chất lượng cao với các thông số kĩ thuật khác nhau và công suất N = 0,1 – 5.000 KW H= 1,0 –500 m lắp với các máy động cơ chìm kiểu khô, kiểu nửa ướt và kiểu ướt. Các động cơ điện phân thành động cơ điện chìm loại một pha hoặc ba pha kiểu lồng sóc và dây quấn. Phổ biến nhất là các máy bơm chìm kiểu giếng sâu trục đứng hay trục ngang một tầng hay nhiều tầng cánh phục vụ cho cấp nước trong nông nghiệp ,sinh hoạt đời sống dân sinh. Các máy bơm chìm trục đứng kiểu ly tâm, kiểu hỗn lưu (dòng chéo ) hay bơm hướng trục chìm được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và áp dụng rộng rãi trong nông nghiệp và các mục đích khác. Hầu như các hãng sản xuất bơm có uy tín của các nước công nghiệp phát triển đều quan tâm nghiên cứu và phát triển máy bơm chìm các loại. Các hãng nổi tiếng với các sản phẩm máy bơm chìm - động cơ chìm như: Flygt (ThụỵĐiển), ABS, KSB, Mona(Đức), Ômêga (Tây Ban Nha), Kubota, EBARA, Hitachi(Nhật), energomash(Nga), Huyndai (Hàn Quốc), các hãng bơm của Pháp, Hungary, Anh. Hãng ABS của cộng hoà liên bang Đức được thành lập cuối thế kỷ 19 và bắt đầu chế tạo máy bơm chìm từ những năm 1950. ABS có doanh thu hàng năm nhiều tỉ đôla do cung cung cấp số lượng rất lớn máy bơm cho hơn 100 nước trên thế giới. ABS sản xuất hàng trăm loại bơm chìm (cả động cơ và bơm chìm) với công suất N = 0.16 – 15.000 KW, lưu lượng đạt tới = 25.000 m3/h và cột áp = 220 m. ABS luôn được xếp trong hàng ngũ những hãng đứng đầu thế giới về chế tạo máy bơm chìm. Các hãng sản xuất bơm chìm đang chú ý đầu tư nghiên cứu sâu và nâng cao tuổi thọ, độ bền, khả năng làm việc theo nguyên lý tự động hoá của thiết bị cũng như nâng cao chất lượng thuỷ lực phần dẫn dòng của bơm chìm, nghiên cứu các kết cấu mới nhằm tăng công suất của mỗi tổ máy bơm N =10,000 KW, cột áp H = 600 – 800 m, lưu lượng Q =40.000 m3/ h. Lý thuyết tính toán thiết kế máy bơm chìm đã đạt được nhiều thành tựu lớn, đặc biệt về phần tính toán kết cấu của loại máy bơm kiểu li tâm, dòng chéo và hướng trục (kể cả trục ngang và trục đứng) với cấu tạo gối đỡ chịu lực hệ thống làm kín cơ giới, bôi trơn và làm mát. Lý thuyết tính toán đang được tiếp tục hoàn thiện và được phát triển. Nói chung, lý thuyết tính toán phần dẫn dòng máy bơm chìm không có gì khác biệt so với tính toán thiết kế phần dẫn dòng của máy bơm cánh dẫn thông thường.Tuy nhiên, do đặc điểm đặt chìm trong môi trường chất lỏng (có thể là nước sạch, chất lỏng thải, hoá chất, nước bùn cát …với nhiệt độ khác nhau) hay trong điều kiện thực tế khác nhau như bơm từ các giếng khoan sâu hàng vài trăm mét (bơm giếng sâu), bơm nước phục vụ làm mát ở các nhà máy điện nguyên tử, bơm chìm phục vụ cho công tác khai thác dầu khí… sẽ đòi hỏi các phương pháp tính toán đặc biệt khác nhau với những lưu ý đặc thù. Ví dụ, đối với bơm chìm dùng cho cấp nước làm mát ở nhà máy điện nguyên tử yêu cầu độ bền đặc biệt cao, chỉ lắp đặt một lần nếu có hư hỏng dù chi tiết nhỏ cũng bị loạ bỏ toàn bộ cả bơm và động cơ (sau khi lắp bơm động cơ xong sẽ hàn kín toàn bộ các mối lắp ghép để đảm bảo kín tuyệt đối ). Đối với các bơm chìm cột áp cao tới vài trăm mét thì vấn đề tính toán chính xác lực dọc trục của bơm và giải pháp kết cấu để cân bằng lực hay biện pháp làm giảm lực dọc trục cũng như kết cấu chi tiết chịu được lực dọc trục sẽ là vấn đề quan trọng bậc nhất cũng với đảm bảo độ kín tuyệt đối của bơm, Ngoài ra, đối với mỗi kiểu bơm chìm sẽ cần quan tâm về đặc trưng riêng trong tính toán. Ví dụ, đối với bơm chìm kiểu ly tâm cột áp không quá lớn ( H 70 m) phục vụ nông nghiệp và thoát nước thải thì cần chú ý nhiều đến tác động của lực hướng tâm và chọn vòng bi chặn, vòng bi đỡ đều thiên về chịu lực dọc trục. Đối với bơm chìm kiểu hỗn lưu thì quan tâm cả hai loại lực đã nêu. ở Nga và Ucơren có các nhà máy lớn chuyên thiết kế, chế tạo các loại máy bơm chìm dã nêu trên và đạt chất lượng tốt. Các bơm chìm phục cho nông nghiệp và thoát nước thải loại bình thường (độ axit thấp, kích thước các vật cứng trong nước thải không quá lớn …) sẽ cho phép sử dụng loại bơm chìm kiểu cánh dẫn truyền thống và phần tính toán lý thuyết sẽ đơn giản hơn so với bơm chìm phục vụ các mục đích đặc biệt. Các nước Asean và châu á đã có nhiều liên doanh, liên kết với các hãng bơm lớn trên thế giới trong nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các kiểu bơm chìm với các loại công suất khác nhau và đạt kết quả tốt. Rút kinh nghiệm của các nước công nghiệp phát triển, các nước asean và châu á cũng sử dụng rộng rãi các máy bơm chìm , đầu tư cho nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các loại bơm chìm phục vụ nội địa và xuất khẩu đạt hiệu quả cao. Ví dụ điển hình là ở Malaixia đã sử dụng các loại máy bơm chìm với tỉ lệ đặc biệt lớn (chiếm tới 90% toàn bộ số lượng bơm đang hoạt động) phục vụ cho tưới tiêu trong nông nghiệp và thoát nước thải. Nguyên nhân dẫn đến tình trạng trên là do ưu việt của bơm chìm: công trình trạm đơn giản, rất phù hợp với các vùng có sự thay đổi mực nước nhiều, nhanh đột ngột và đặc biệt là không gây tiếng ồn (nguyên nhân quan trọng nhất là để Malaixia sử dụng bơm chìm với tỉ lệ cao). Ngoài ra, bơm chìm cho phép sử dụng với mức độ tự động hoá cao thuận lợi cho Malaixia khi lực lượng lao động rất thiếu. I.3. Tình hình nghiên cứu, chế tạo và sử dụng bơm chìm ở Việt nam Máy bơm chìm công suất lớn, cột áp ở dạng bơm giếng sâu cấp nước cho các khu dân cư phục vụ đời sống dân sinh hoặc các nhà máy, xí nghiệp đã dược sử dụng ở việt nam từ những năm 1960 - 1970. Các máy bơm chìm kiểu giếng sâu lưu lượng nhỏ, cột áp cao thường nhập của nước ngoài (Nga, Bungary, Cộng hoà Séc…). Cho đến nay, máy bơm chìm sử dụng ở việt nam phục vụ tưới tiêu cho nông nghiệp còn quá ít ( chưa đến 100 tổ máy các loại) với công suất N = 10 - 320 KW. Nguyên chính dẫn đến tình trạng trên là do giá thành các bơm chìm quá cao trong khi giá trị sản phẩm nông nghiệp thấp, nguồn vốn ngân sách nhà nước lại hạn chế. Ngoài ra, bản thân các nhà quản lý, những người khai thác máy bơm và trạm bơm chưa được chuẩn bị đầy đủ kiến thức cho việc tiếp nhận loại bơm này nhằm đạt hiệu quả cao. Những năm vừa qua, Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn đã bắt đầu chú ý nhập các bơm chìm kiểu li tâm, dòng chéo và hướng trục một cấp công suất lớn = 320 KW, lưu lượng lớn = 16000 m3/h phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp từ các nước: Thụy Điển, Đức, ấn độ, Hàn quốc … Sau một số năm đưa vào sử dụng trong thực tế, có thể rút ra một số kết luận về máy bơm chìm: các máy bơm chìm làm việc tốt, ổn định; công trình trạm rất đơn giản, đặc biệt hiệu quả và phù hợp với vùng sông hồ có sự thay đổi mực nước nhiều và nhanh đột ngột. Kinh nghiệm cũng chỉ rõ chất lượng máy của mỗi nước có khác nhau, Các thiết bị máy bơm chìm của Thụy điển, Hungary, Đức được đánh giá cao. Máy bơm chìm của Hàn Quốc có kết cấu đơn giản hơn, nhưng cần phải chú ý đến một số nhược điểm khi sử dụng. Tuy vậy, những năm qua cũng thấy rõ nhiều vấn đề tồn tại với ngành chế tạo máy bơm. Bơm chìm công suất lớn, lưu lượng nước lớn phục vụ nông nghiệp và thoát nước thải còn quá mới mẻ đối với Việt nam, kể cả cán bộ kĩ thuật chuyên ngành máy thuỷ khí đến cán bộ quản lý, lắp đặt và sử dụng hay công nhân vận hành, sửa chữa … Hầu như chưa có tài liệu kĩ thuật nào về bơm chìm chính thức được công bố và phổ biến một cách bài bản có tính pháp quy, mặc dù số lượng và chủng loại máy bơm chìm được nhập khẩu và sử dụng ở Việt nam là rất đáng kể (hàng ngàn tổ máy các loại ). Nhiều công ty khai thác nước ngầm chủ yếu chỉ quan tâm đến tính toán lựa chọn các bơm giếng sâu và nhập khẩu máy của nước ngoài. Một số hợp tác xã (Hà nam, Nam Định …), các công ty ở thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội đã chế tạo các bơm giếng sâu kiểu ly tâm nhiều cấp và các chi tiết làm phụ tùng phục vụ sửa chữa, thay thế cho các bơm ngoại nhập, nhưng chất lượng và hiệu suất còn thấp. Các máy bơm chìm đã và đang sử dụng rất rộng rãi ở Việt nam phục vụ cho việc thoát nước thải (nước sinh hoạt và nước thải công nghiệp). Tuy nhiên, các bơm chìm dùng cho thoát nước thải công suất lớn N > 30KW được sử dụng với số lượng ít hơn nhiều so với loại bơm chìm công suất nhỏ, đặc biệt ở phạm vi công suất N = 4,5 - 22KW. Thời gian gần đây, vấn đề về môi trường ở nước ta đựơc quan tâm hơn dẫn đến việc sử dụng nhiều hơn các bơm chìm hút nứơc thải ở thành phố và ở các nhà máy công nghiệp cũng như phục vụ cho các đài phun nước trang trí cải tạo cảnh quan môi trường . Về máy bơm chìm ở Việt Nam, có thể tạm thời phân ra 2 loại bơm chìm dựa theo công suất động cơ phục vụ cho công tác nghiên cứu, lựa chọn sử dụng máy: + Máy bơm chìm công suất lớn N 75KW. + Máy bơm chìm công suất vừa và nhỏ N < 75 KW. Cách phân chia rất tương đối này dựa trên cơ sở thiết kế, chế tạo các động cơ điện và kết cấu các máy bơm kèm theo, đặc biệt là bộ phận làm kín cơ giới của bơm chìm. Cũng như các bơm cánh dẫn thông thường đang sử dụng, bơm chìm cũng cần phải được nghiên cứu theo các gam bơm để đạt hiệu quả cao trong thời gian ngắn và tiết kiệm kinh phí đầu tư. Trong những năm gần đây, trung tâm nghiên cứu, tư vấn cơ điện và xây dựng (REMECO) thuộc Tổng công ty cơ điện – xây dựng nông nghiệp và thủy lợi. Đã được giao thực hiện các đề tài nghiên cứu khoa học và các dự án sản xuất thí nghiệm về thiết kế, chế tạo các máy bơm chìm và động cơ điện chìm công suất N=37,55 và 75KW phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp và thoát nước thải. Các đề tài và dự án được hoàn thành đạt kết quả tốt và đã được ứng dụng thành công vào sản xuất. Các sản phẩm máy bơm chìm và động cơ điện chìm của Trung tâm REMECO đã được sản xuất với số lượng lớn. Với các máy chìm và động cơ chìm được thiết kế và chế tạo trong nước chắc chắn sẽ hạ giá thành sản phẩm tổ máy và cho phép chủ động cung cấp thiết bị, phụ tùng thay thế. Đây là giải pháp tối ưu để áp dụng rộng rãi các máy bơm chìm vào sản xuất phục vụ nông nghiệp cũng như các nghành kinh tế khác. Ngoài ra, đây cũng là biện pháp cần thiết phát huy nội lực Việt Nam, góp phần làm giảm kinh phí nhập khẩu, tăng ngoại tệ xuất khẩu nhanh chóng hoà nhập với AFTA trong thời gian tới, đặc biệt tham gia vào việc thực hiện các dự án xây lắp các trạm bơm chìm mới, các dự án cải tạo các bơm li tâm, hướng trục cũ bằng các bơm chìm theo nguồn vốn của ngân hàng thế giới WB2, ADB và ODA. Công trình lắp máy bơm chìm cũng là vấn đề rất cần được quan tâm . Nước các sông suối ở Việt Nam vào mùa mưa thường có nồng độ phù sa rất lớn. Hiện tuợng bồi lắng đối với các cửa sông, đáy sông hay các kênh mương, bể hút, bể xả trạm bơm đã gây nhiều phức tạp cho cá công ty quản lý vận hành khai máy bơm và trạm bơm phục vụ nông nghiêp. Sử dụng bơm chìm công suất lớn trong điều kiện tác động bồi lắng của phù sa sẽ khó khăn hơn nhiều. Kinh nghiệm vận hành sử dụng các bơm chìm công suất lớn ( N = 320 KW) ở các trạm bơm phù sa (Hà Tây), Đại Đình (Vĩnh Phúc ) ở bên bờ sông Hồng đã cho thấy phải phải có giải pháp kỹ thuật đặc biệt khi thiếi kế, chế tạo bơm và phải lưu ý đến kết cấu công trình, cần quan tâm đến quy trình khởi động, đóng mở máy. Đây là vấn đề rất quan trọng để đảm bảo bơm làm việc bình thường và nâng cao tuổi thọ, độ bền của thiết bị, làm tăng hiệu quả sử dụng công trình. Bơm chìm phục vụ cho thoát nước thải có cặn bã hay vật cứng, bùn lắng đọng cũng gặp nhiều khó khăn khi sử dụng nhưng có thể khắc phục nhờ thiết bị khuấy. Tuy vậy, hiện tượng của phù sa bồi lắng vào mùa lũ ở các sông lớn thường phức tạp và khó xử lý hơn nhiều so với tác động của bùn cát lắng đọng của nước thải. Tóm lại, có thể khẳng định rằng, máy bơm chìm là thiết bị cơ điện thuộc loại công nghệ cao đã được sử dụng với số lượng không nhỏ và đang có nhu rất lớn đối với nhiều ngành, đặc biệt với nông nghiệp và thoát nứớc thải. Tuy nhiên, về lĩnh vực bơm chìm, Việt Nam đã bị tụt hậu khá xa so với các nước khác trong khu vực (Sinhgapo, TháI Lan, Malaixia, Inđônêxia ) về hiểu biết chuyên sâu trong lý thuyết tính toán thiết kế, công nghệ chế tạo, quy trình công nghệ về lắp đặt, vận hành khai thác quản lý và sửa chữa máy bơm chìm, các kiến thức về kết cấu các loại máy bơm chìm và các kiểu công trình lắp đặt máy bơm chìm, các tài liệu thông tin, các tài liệu kĩ thuật, công tác bồi dưỡng đào tạo chuyên ngành về bơm và trạm lắp bơm chìm đối với các cán bộ kĩ thuật, quản lý, công nhân, lành nghề về chế tạo, lắp đặt, sửa chữa bơm chìm. Chương II Thiết kế máy bơm chìm kiểu hỗn lưu trục đứng II.1. Lựa chọn thông số kỹ thuật II.1.1.Xác định lưu lượng của bơm (II.1) Trong đó : - Công suất của động cơ điện - Công suất trên trục - Hiệu suất động cơ điện - Hiệu suất máy bơm (dự tính ) - Hệ số an toàn của động cơ - Cột áp thiết kế của máy bơm Từ đó lưu lượng thiết kế của máy bơm là : (II.2) Thay số : II.1.2.Số vòng quay đặc trưng của bơm (ns) (II.3) Trong đó : n=1450(v/ph) Thay số : Số vòng quay đặc trưng sẽ đặc trưng cho hệ thống lưới cánh máy bơm kiểu dòng chéo. II.1.3.Hệ số hiệu suất thể tích của máy bơm (II.4) Thay số: II.1.4. Hiệu suất cơ khí của bơm () a) Hiệu suất nội cơ khí của bơm (II.5) Thay số: b) Hiệu suất ngoại cơ khí của bơm Có thể lấy Ta có : (II.6) II.1.5. Hiệu suất thuỷ lực của bơm theo công thức Lômakin (II.7) Trong đó : - Đường kính tính đổi tại mép vào bánh công tác (II.8) Thay số: Ta có : II.1.6. Hiệu suất của máy bơm () (II.9) Vậy ta có thể chọn hiệu suất đúng như dự tính là II.2. Tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản bơm chìm kiểu hỗn lưu II.2.1. Xác định đường kính trục và bầu Hình II.1. Các kích thước cơ bản của bánh công tác Mô men xoắn tác dụng lên trục bơm là: Mx= (II.10) Chọn vật liệu làm trục là thép CT5 có sth=150 kg/cm2 Dưới tác dụng của mô men xoắn Mx trong trục sinh ra ứng suất xoắn t= (II.11) Trong đó : Wo –mô men cản xoắn của trục D- Đường kính của trục Theo điều kiện t= (II.12) Tính được đường kính trục d (II.13) Đường kính của bầu db=1,2.do=1,38.4,34=54 (cm)=0,06(mm) (II.14) II.2.2.Xác định kích thước mép vào bánh công tác Q1= (II.15) Đường kính mép vào cơ bản phụ thuộc và số vòng quay của bánh xe. Giá trị tiết diện vào bánh xác định thành phần kính tuyến của vận tốc ở toàn bộ rãnh bánh xe, bởi vì các tiết diện còn lại được chọn dựa theo tiết diện vào. 1.Đường kính tiết diện họng tại cửa bánh công tác (D0) (II.16) Chọn lại Vận tốc tuyệt đối của dòng chảy tại tiết diện họng ở cửa vào bánh công tác có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng xâm thực và hiệu suất của máy bơm. 2. Vận tốc Vo có thể xác định theo công thức (II.17) Chọn r1=0,96. Hình II.2. Đồ vận tốc của dòng chảy tại cửa vào bánh công tác Đồ vận tốc trước khi dòng chảy đi vào bánh công tác trình bày trên (hình II.2).Thành phần kính tuyến v’m của vận tốc tuyệt đối được xác định từ phương trình liên tục. (II.18) Mép vào của cánh bánh công tác phần lớn được bố trí ở vùng dòng chảy bị ngoặt từ hướng kính sang hướng tâm.Tiết diện f1 thẳng góc với hướng của dòng chảy sẽ có dạng mặt quay và trong trường hợp gần đúng có thể thay mặt đó bằng mặt cạnh của hình nón cụt có đường sinh b1, bằng đường kính đường tròn có tâm nằm trên đường mép vào của cánh và tiếp giáp với đường biên giới hạn tiết diện kính tuyến của rãnh bánh công tác. (II.19) Trong đó : r1 -Bán kính tâm vòng tròn b1 Từ công thức (II.18) và (II.19) v’m= (II.20) Lấy v’m1=vo=6,58 (m/s) 3. Vị trí này ứng với chiều rộng b1 và xác định theo công thức (II.21) Thành phần kinh tuyến của vận tốc khi vào cánh sẽ tăng lên vì tiết diện bị co hẹp do thân cánh gây ra nên: Vm1=K1.V’m1 (II.22) Trong đó: K1-Hệ số co hẹp Chọn K1=1,07 Vậy Vm1=1,07.6,58=7 (m/s) 4.Vận tốc vòng tại cửa vào bánh công tác (U1) u1= (II.23) 5.Xác định góc vào bánh công tác () Do sự xuất hiện thành phần quay của vận tốc khi dòng chảy vào bánh công tác là do tác động nhiễu loạn của cánh lên dòng chảy và do đó không làm giảm cột nước do bánh xe tạo ra. Sự biến đổi đột ngột của vận tốc tuyệt đối từ trị số v’1 trước khi vào cánh đến trị số v1 sau khi đi vào cánh được đặc trưng bằng véc tơ vs1,trường hợp đang xét bằng vu1. Dòng liên tục bao quanh lá cánh với vận tốc tương đương W1 của dòng chảy sau khi vào khu vực bánh công tác sẽ có hướng trùng với tiếp tuyến của lá cánh tại cửa vào ngược với vận tốc vòng U1 tạo thành . (II.24) (II.25) Trong đó : Góc tới đối với dòng chảy có va . Thay số: II.2.3. Xác định kích thước ra khỏi bánh xe 1.Cột áp tính toán xác định theo công thức Hình II.3. Đồ thị vận tốc tại mép ra của bánh công tác (Có tính đến ảnh hưởng của số cánh hữu hạn) H1= (II.26) 2.Đường kính lớn nhất tại mép ra của lá cánh bánh công tác D20max Đường kính lớn nhất mép ra của lá cánh bánh công tác D20mâx bơm dòng chéo xác định theo công thức do nhiều tác giả đề xuất. Thực tế cho thấy có thể ứng dụng công thức đơn giản mà cho kết quả hợp lý nhất. (II.27) 3. Đường kính lớn nhất tại mép ra của bánh công tác D20min (II.28) Trong đó : Hệ số giảm nước va Hệ số làm giảm công suất Ta có: 4. Đường kính hữu ích trung bình ở mép ra của cánh bánh công tác Dm2 (II.29) 5. Thành phần kinh tuyến của vận tốc dòng chảy khi ra khỏi bánh công tác (II.30) Ta có : K2 -Hệ số co hẹp của tiết diện do các cánh gây ra tại mép ra của bánh xe Lấy K2=1,05 Từ đó: (II.31) 6. Xác định góc ra bánh công tác() Các bộ phận bánh công tác được thiết kế từ điều kiện đảm bảo cột nước tính toán lý thuyết và độ ổn định của dòng chảy trong rãnh bánh công tác, tức là xác định tỷ số của vận tốc tương đối khi vào và khi ra nhằm tạo điều kiện thuận lợi nhất cho dòng chảy không bị tách rời khỏi bể mặt của cánh. chọn Từ giản đồ vận tốc (Hình II.3) ta có : (II.32) Vận tốc tương đối khi vào bánh công tác. (II.33) Theo tỉ số đã chọn và theo (III.32) và (III.33) Ta có: (II.34) Z - Là số cánh dẫn có thể xác định theo công thức: (II.35) Trong đó: Kz – Hệ số ảnh hưởng của số lá cánh Thay vào ta có : chọn Z=6 7. Cột nước lý thuyết của bơm chìm kiểu hỗn lưu trục đứng Đối với cánh nhiều vô hạn thì chuyển động chất lỏng ở rãnh giữa các cánh bánh công tác với số lượng cánh khá nhiều và chiều rộng bánh công tác tương đối bé, trong trường hợp gần đúng có thể khảo sát như chuyển động của dòng tia. Khi đó giá trị trung bình của vận tốc tương đối với từng tiết diện có thể xác định từ phương trình liên tục còn hướng của nó tiếp tuyến với đường trung bình. Khi chuyển trường hợp có nhiều cánh vô hạn và chiều dày cánh mỏng vô cùng thì dòng chảy ở vùng bánh công tác trở nên đối xứng qua trục. Sự phân bố thực tế của vận tốc tương đối ở rãnh bánh công tác có kích thước hữu hạn không thể đối xứng qua trục vì có lực tác dụng tương hỗ giữa cánh và dòng chảy.Vận tốc ở phía hút của cánh cần phải lớn hơn so với vận tốc ở phía có áp. Cột chất lỏng của bánh công tác tính theo sơ đồ số cánh nhiều vô hạn, không phù hợp lắm với các trị số thí nghiệm của cột chất lỏng lý thuyết Hlt. Khi các cánh được bố trí tương đối dày thì có thể nói đến các rãnh giữa chúng với nhau, sẽ không lớn và có thể tính bằng độ hiệu chỉnh đặc biệt về sự không phù hợp giữa tính toán với thực tế : (II.36) Trong đó : p-Hệ số hiệu chỉnh cho trường hợp số cánh hữu hạn Trên cơ sở giả thuyết của G.F.Praxcura,đã xác lập được dạng hàm số liên hệ giữa H1 và , đưa dạng hàm số tổng hợp được các số liệu thí nghiệm. (II.37) Tính đến phương trình (III.36), ta có hệ số hiệu chỉnh cho số cánh hữu hạn. (II.38) Hay theo công thức thực nghiệm : (II.39) Với lưới cánh ở mép lấy Cột nước khi tính đến số cánh vô hạn 8.Vận tốc vòng ở mép ra khỏi bánh công tác U2 (II.40) 9.Chiều rộng của rãnh các lá cánh bánh công tác b2 (II.41) 10.Kiểm tra lại Ta có hệ số co hẹp K bằng tỉ số giữa diện tích dòng chảy tự do (không có tiết diện cánh) và tiết diện thực của dòng chảy. (II.42) Trong đó : s’-chiều dày cánh ở tiết diện trụ. (II.43) t - Ký hiệu của cánh (khoảng cách trên cung một vòng tròn giữa những điểm cùng tên của cánh kế tiếp). Chiều dày cánh s ở tiết diện trụ có thể biểu thị qua chiều dày thẳng góc và góc . s = (II.44) Bởi vì bước cánh , nên biểu thức của hệ số co hẹp K sẽ có dạng. (II.45) Từ đó: Vì K1, K2, tính được trong lần gần đúng thứ hai tương đương với trị số có ở lần gần đúng thứ nhất, nên lấy các trị số đó làm kết quả cuối cùng. 11.Vận tốc tương đối của dòng chảy vào bánh công tác (II.46) 12.Vận tốc tương đối của dòng chảy ở cửa ra bánh công tác (II.47) Có thể xác định vận tốc W2 thông qua quan hệ ứng với hệ số tỷ tốc là 489. Từ đó: II.2.4.Thiết kế hình dạng của cánh 1.Thiết kế hình dạng rãnh bánh công tác ở tiết diện kính tuyến Hình II.4. Dựng rãnh ở tiết diện kinh tuyến Hình dạng rãnh ở tiết diện kinh tuyến được tiến hành thiết kế thế nào đó để thành phần kinh tuyến của vận tốc biến đổi đều từ trị số khi vào đến trị số khi ra . Để được như vậy thường cho đồ thị biến đổi phụ thuộc vào bán kính r hay chiều dài đường trung bình của rãnh S, đường này được phác họa trên cơ sở thiết kế sơ bộ. Từ đồ thị tìm được cho từng giá trị của S, từ phương trình liên tục sẽ xác định được chiều rộng của rãnh. (II.48) Tìm được chiều rộng rãnh b phụ thuộc vào chiều dài đường trung bình từ một loạt điểm nằm trên đường S lấy làm tâm vẽ hàng loạt vòng tròn đường kính b. Đường bao các vòng tròn chính là đường bao của rãnh . 2. Thiết kế hình dạng của cánh Tăng số vòng quay của bơm cho phép giảm kích thước và trọng lượng của động cơ và máy bơm. Do đó, nó làm giảm giá thành tổ máy.Tuy nhiên , khi đó sẽ làm tăng hệ số tỷ tốc ns của bơm và giảm tỷ số đường kính D20/D0 .Do giảm kích thước nên bố trí cánh theo phần hướng tâm của dòng chảy và cả phần chuyển tiếp từ hướng trục sang hướng tâm. Nghĩa là, bán kính mép vào của cánh bánh công tác giảm dần đến vận tốc quay và giá trị vận tốc tương đối khi dòng chảy vào bánh công tác giảm dần và giá trị vận tốc tương đối khi dòng chảy vào bánh công tác sẽ giảm làm cho giảm tổn thất thuỷ lực và đồng thời làm cho đặc tính khí thực của bơm tốt hơn. Mép vào của cánh sẽ có khoảng cách khác nhau so với trục bơm và có vận tốc quay U1 khác nhau. Các góc vào cánh không va của dòng chảy được xác định theo phương trình : (II.49) và sẽ thay đổi dọc theo mép vào.Cánh sẽ có dạng của mặt hai độ cong. Hệ thống cánh của bánh công tác bơm dòng chéo được bố trí ở vùng ngoặt từ hướng trục sang hướng tâm (còn gọi là tâm trục ).Việc xuất hiện trường vận tốc không đồng nhất khi ngoặt dòng chảy sẽ tạo nên sự khác nhau về điều kiện chuyển động của chất lỏng và tương tự sự khác nhau của hệ thống cánh ở phía bầu và mép ngoài cánh bánh công tác. Khi ấy, phải dùng sơ đồ tổng hợp dòng chảy đối xứng qua trục tức sơ đồ có số cánh nhiều vô cùng giống như tính cho bánh công tác dạng hướng tâm. Sơ đồ này đưa bài toán ba chiều dòng chảy bao hệ thống cánh sang bài toán chuyển động theo bề mặt cho trước, thường xác được xác định theo hai toạ độ. Giải bài toán xác định hình dạng các mặt đường dòng dựa theo cơ sở là giả thuyết điều kiện chuyển động không xoáy của dòng chảy () ở tiết diện kinh tuyến. Khi ấy đảm bảo tồn tại dòng chảy không xoáy ở phần dẫn dòng của bơm, đặc biệt là sự tồn tại của dòng đẳng tốc (vận tốc bằng nhau).Trong trường hợp này, vận tốc theo tiết diện ngang của dòng chảy được lấy giống nhau. Thực nghiệm cho thấy trường vận tốc trước và sau hệ thống cánh có thể đạt được gần dòng chảy đẳng tốc ở chế độ tính toán nhờ thay đổi kết cấu của hệ thống cánh. Hình dạng mặt cánh lúc đó sẽ cong nhiều hơn. Điều đó dẫn đến hiệu suất của hệ thống cánh cao hơn. Dòng đẳng tốc được dựng bằng phương pháp gần đúng liên tiếp ở tiết diện kinh tuyến cho trước của bánh công tác. Bề mặt của đĩa bánh công tác được xem như các đường dòng. Trước hết, xác định đường dòng S trong lần gần đúng thứ nhất. Muốn vậy phải chia tiết diện vào bánh công tác fo thành các diện tích bằng nhau. Bằng mắt của vị trí các đường dòng S và các đường đẳng thế x ở phần giữa dòng chảy. Lưu lượng theo tiết diện xác định : (II.50) Theo tiết diện thì Vmi=const Vận tốc ở tiết diện sẽ là : (II.51) Trong thực tế, phương pháp tính đơn giản dựa trên dòng đồng tốc tại tiết diện kinh tuyến, trong đó các tốc độ của dòng chảy ở tiết diện vuông góc với đường dòng sẽ là một hằng số. Bề mặt của cánh tính cho từng đường dòng riêng biệt sao cho bảo đảm được đều từ tiết diện này đến tiết diện kia. Thiết kế hình dạng của cánh cần phải tiến hành thế nào để tạo được khả năng có những điều kiện thuận lợi nhất cho dòng chảy bao không bị tách khỏi cánh và như vậy sẽ có được tổn thất thuỷ lực nhỏ nhất.Với ý đó ta cho vận tốc tương đối biến đổi đều phụ thuộc vào chiều dài đường trung bình của rãnh từ trị số w1 đến w2 không có điểm cực đại và cực tiểu. Có liên hệ hàm số của w’ và v’m vào S, cho trước chiều dày của cánh phụ thuộc vào S, ta có thể xác định góc nghiêng cánh .Từ phương trình (II.32) và (II.33) ta tìm được : (II.52) Từ đó : (II.53) Hình II.5.Dựng cánh hình trụ theo điểm Chiều dày cánh được chọn hoặc bằng nhau, hoặc mỏng hơn ở các mép. Khi chiều dày thay đổi thì giá trị của chúng ở phần giữa nên lấy cho phù hợp với chiều dày của đĩa bánh xe. Phương trình trung bình của đường viền cánh ở mặt bằng có dạng : (II.54) Từ đó suy ra : (II.55) Góc cho bằng phương trình (II.54) như là hàm số của r, do đó phương trình (II.55) là phương trình vi phân có biến số chia cho nhau. Giả thiết khi . Sau khi tích phân từ r1 đến rk ta có. (II.56) Do giá trị và phụ thuộc vào r thường cho không phải ở dạng giải tích mà ở dạng đồ thị hoặc lập bảng, nên phải tiến hành tích phân ở dạng số. Ký hiệu hàm số bên trong tích phân , khi đó : (II.57) Trong đó : - Gia số góc ở tâm - Gia số bán kính và - Giá trị của hàm số bên trong tích phân ở đầu và cuối Tổng cộng: (II.58) Tiến hành lập bảng II.1 Bảng II.1 . Tính toán lá cánh bánh công tác II.2.5. Tính toán buồng xoắn của máy bơm chìm 1.Nhiệm vụ cơ bản của buồng xoắn Bảo đảm sự chuyển động tương đối ổn định ở bánh công tác, dòng chảy ở ống xả xoắn cần phải đối xứng so với trục. Để thực hiện điều đó phải tạo ra được chuyển động tự do theo quán tính bằng cách cho ống xả một hình dạng tương ứng với các mặt đường dòng của dòng chảy đó. Để đạt được yêu cầu đó thì mô men tác dụng tương hỗ giữa chất lỏng và thành buồng xoắn phải bằng không. 2. Xác định các ._.