Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY THỦY LỰC

Chia sẻ: Doan Trong Hiep | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:23

Thêm vào BST

Báo xấu

1.150
lượt xem 537
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần lớn hoạt động của các máy thuỷ lực đều liên quan đến chất lỏng và chất khí. Vì vậy mà lý thuyết cơ sở để khảo sát các máy thuỷ lực được dựa trên lý thuyết cơ bản của thuỷ khí động lực học. Một số định luật về thuỷ khí động lực học ứng dụng trong việc khảo sát các máy thuỷ lực sẽ được trình bày dưới đây.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY THỦY LỰC

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÁY THỦY LỰC 1. 1. GIỚI THIỆU CHUNG. Phần lớn hoạt động của các máy thuỷ lực đều liên quan đến chất lỏng và chất khí. Vì vậy mà lý thuyết cơ sở để khảo sát các máy thuỷ lực được dựa trên lý thuyết cơ bản của thuỷ khí động lực học. Một số định luật về thuỷ khí động lực học ứng dụng trong việc khảo sát các máy thuỷ lực sẽ được trình bày dưới đây. 1.1.1. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG-BERLLOULI Chất lỏng và chất khí đều là một dạng của vật chất nói chung. Trong thực tế chúng luôn tiềm tàng năng lượng dưới ba dạng chủ yếu; Động mv 2 năng ( ) của môi chất chuyển động, áp năng (pV) của môi chất có áp 2 suất và thế năng (mgh) của môi chất trong môi trường trọng lực. Năng lượng của môi chất ký hiệu E là tổng các năng lượng thành phần và được viết dưới dạng tổng quát: mv 2 E = pV + + mgh ; 2 Đơn vị của năng lượng là N.m hoặc KN.m. Đối với chất lỏng, để tiện cho việc khảo sát và nghiên cứu, năng lượng của chất lỏng thường được tính cho một đơn vị trọng lượng (G=mg) của chất lỏng, được ký hiệu là H và gọi là cột áp của một trạng thái chất lỏng. E (H= ); trong đó G là trọng lượng của chất lỏng, G=mg. G Như vậy cột áp của chất lỏng: pV mv 2 mgh H = + + ; (1-1) G 2G G Trong đó: p - áp suất của chất lỏng. V- Thể tích chất lỏng chiếm chỗ. m- Khối lượng chất lỏng. v - vận tốc chuyển động tương đối của chất lỏng. g- Gia tốc trọng trường. 5
G- Trọng lượng của chất lỏng. Từ công thức ( 1-1) sau khi biến đổi ta được: p v2 H = + + h; (1-2). γ 2g H là cột áp của một trạng thái chất lỏng, đơn vị của cột áp là [mH2O]. Trong đó: p - Cột áp áp năng; γ v2 - Cột áp động năng; 2g h - Cột áp thế năng. Tổng ba giá trị của cột áp áp năng, cột áp thế năng và cột áp động năng biểu thị cột áp toàn phần của một chất lỏng đang tồn tại ở trạng thái nào đó và được xác định bằng công thức (1-2). Dựa trên cơ sở của định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng áp dụng cho một dòng chảy của chất lỏng từ điểm 1 đến điểm 2, ta xét quy luật của nó đối với từng điều kiện cụ thể. 2 P2 v2 h2 1 P1 v1 h1 2 1 Hình 1.1. Sơ đồ xây dựng phương trình năng lượng a. Phương trình cân bằng năng lượng Berllouli đối với chất lỏng lý tưởng Xét trường hợp quãng đường chuyển động từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 (Hình 1.1) mà chất lỏng không trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài. Khi chất lỏng là lý tưởng (độ nhớt bằng không) ta có: E1=E2 6
Có nghìa là tổng năng lượng tại đầu vào (1-1) và tại đầu ra (2-2) của đường dòng là như nhau. Hoặc có thể viết dưới dạng cột áp ta có: 2 2 p1 v1 p v H1=H2 hoặc + + h1 = 2 + 2 + h2 ; γ 2g γ 2g Phương trình được viết dưới dạng chung là: p v2 + + h = const ; (1-3) γ 2g Đây là phương trình Berllouli viết cho chất lỏng dưới dạng tổng quát. b. Phương trình cân bằng năng lượng Berllouli đối với chất lỏng thực * Xét trường hợp quãng đường chuyển động từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 (Hình 1.1) mà chất lỏng không trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài. Chất lỏng thực với độ nhớt (ν ≠ 0), dòng chảy ổn định. Vì chất lỏng có ν ≠ 0, nên khi chất lỏng chuyển động từ mặt cắt 1-2 đến mặt cắt 2-2 phải chi phí một giá trị cột áp để thắng các sức cản dọc đường và một số điểm cục bộ. Giá trị tổn thất này gọi là tổn thất cột áp và ký hiệu là htt, phương trình được viết dưới dạng sau: E1= E2 + Ett hoặc H1= H2+ htt(1→2); 2 2 p1 v1 p v Hoặc + + h1 = 2 + 2 + h2 + htt(1→2); (1-4) γ 2g γ 2g Trong đó tổng tổn thất thuỷ lực từ 1→2 là: htt(1→2)= hdọc đường + hcục bộ ; (1-5) * Một số ít trường hợp đối với dòng chất lỏng thực ( ν ≠ 0), dòng chảy không ổn định (v= variant). Khi đó tồn tại quán tính tức là chất lỏng chuyển động có gia tốc a thì phương trình cân bằng năng lượng tổng quát có dạng: H1= H2 + htt(1-2)+ Hqt (1-6) c. Tổn thất thủy lực Tổn thất thuỷ lực được chia làm hai dạng là tổn thất cục bộ và tổn thất dọc đường . *Tổn thất dọc đường Là tổn thất xảy ra dọc theo đường di chuyển của dòng chảy ký hiệu là hλ. 7
L v2 Năm 1956 Daraf đã tìm ra công thức: hλ = λ. . d 2g Trong đó : L- là chiều dài dòng chảy. D- là đường kính ống. V- là vận tốc trung bình của dòng chảy. G- là gia tốc trọng trường. λ - là hệ số tổn thất dọc đường. Giá trị của hệ số tổn thất dọc đường phụ thuộc vào tình trạng của ống (ví dụ ống nhẵn trơn, ống nhám ...) và được tra bảng hoặc tính toán bằng các công thức thực nghiệm. Trong thực tế nếu đường ống được tạo thành bởi nhiều đoạn ống có kích thước khác nhau và tình trạng ống khác nhau thì hλ tổng quát được tính theo công thức sau: 2 n Li vi ∑ hλ = ∑ λ.i i =1 . di 2g ; (1-7) * Tổn thất cục bộ Khi đổi hướng đột ngột hay gặp vật cản trên đường đi, dòng chảy bị tách khỏi thành ống và lập tức xuất hiện khu vực xoáy. Tại đó xảy ra sự rối loạn của các phần tử chất lỏng: v2 hc = ξ . 2g Trong đó : v- là vận tốc trung bình ở hạ lưu của vật cản . ξ - là hệ số tổn thất cục bộ được xác định bằng thực nghiệm Z ξ= ’ Re x Z- là hệ số phụ thuộc đặc trưng hình học của vật cản, x- là số mũ phụ thuộc mức độ bị phá hoại của trạng thái chảy tầng. Trong thực tế nếu tại nhiều vị trí có tổn thất cục bộ, với nhiều hệ số ξ khác nhau thì công thức tổng quát như sau: 8
n 2 v ∑ hξ = ∑ i =1 ξ i ; 2g (1-8) d. Ứng dụng của phương trình năng lượng Berllouli Ống đo vận tốc Pitô: ống Pitô là một ống nhỏ bằng thuỷ tinh hoặc bằng kim loại, hình chữ L, đường kính từ 6 ÷ 10 (mm), miệng ống ngắn thu hẹp với đường kính 1÷ 2 mm như (hình 1.2). ́ Ông Pito ́ ́ Ông đo ap N 1 2 P1 γ M N 1 2 Hình 1.2. Ống đo vận tốc Pitô Nếu đặt ống Pitô sao cho miệng ống ngắn ngược dòng chảy và vuông góc với đường dòng sẽ thấy chất lỏng dâng lên trong ống với độ P v2 v2 cao + ; Để xác đ h độ cao vận tốc ta đặt thêm một ống đo áp γ 2g 2g thẳng đứng sao cho miệng ống song song với các đường dòng và sát với P miệng ống vào của ống Pitô. Ống này đo . γ Độ chênh mức chất lỏng trong hai ống đo áp và ống Pitô cho phép xác v2 . định giá trị 2g Viết phương trình Berllouli cho dòng chảy ổn định qua hai mặt cắt sau: - Mặt cắt 1-1 qua miệng ống đo áp (Điểm M sát miệng ống đo áp ) - Mặt cắt 2-2 qua miệng ống pitô. (Điểm N sát miệng ống Pito) - Lấy mặt chuẩn qua các điểm M và N ta có Z1 = Z2 = 0; v2 = 0; hω 1- 2=0 và vì đoạn 1-2 rất ngắn, nên ta có: 9
p1 v 21 p2 v 21 p2 − p1 p − p1 + = ⇒ = → v1 = 2 g . 2 = 2 g.∆h . γ 2g γ 2g γ γ Như vậy đo ∆ h ta tính được v. Để xét đến ảnh hưởng của tính nhớt và sự phá hoại kết cấu của dòng chảy khi đặt ống Pitô cần đưa vào công thức tính vận tốc. Hệ số tổn thất cục bộ (ζ ) được xác định bằng thực nghiệm: v = ζ . 2 g .∆h ; Hệ số ζ = 1,00 ÷ 1,04. 1.1.2. PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC VÀ ỨNG DỤNG a. Phương trình liên tục của dòng nguyên tố Trong một dòng nguyên tố của chất lỏng chuyển động ổn định ta xét đoạn giới hạn giữa hai mặt cắt 1-1 và 2-2, xem hình 1.3 df1 df2 v1 v2 Hình 1.3. Sơ đồ thành lập phương trình liên tục ∗ Tại mặt cắt 1-1 ta có diện tích mặt cắt ướt là df1 và vận tốc là v1 ∗ Tại mặt cắt 2-2 ta có diện tích mặt cắt ướt là df2 và vận tốc là v2 Trong thời gian dt + Thể tích chảy qua 1-1 là v1.df1.dt + Đồng thời thể tích chất lỏng chảy qua 2-2 là v2.df2.dt. Theo đặc điểm của dòng nguyên tố trong chuyển động ổn định, nếu thể tích chất lỏng chảy vào không bằng chất lỏng chảy ra, thì hoặc chất lỏng bị nén lại (điều này không thể thực hiện được vì ρ =const) hoặc trong chất lỏng xuất hiện lỗ hỏng và mất liên tục (điều này cũng không thể có được vì giả thiết chất lỏng là một môi trường liên tục). Do đó, trong chuyển động của dòng nguyên tố chất lỏng không nén được (ρ =const) ta có: v1.df1.dt= v2.df2.dt. ⇒ v1.df1= v2 .df2 dQ1=dQ2 (1-9) 10
b. Phương trình liên tục của toàn dòng chảy Ta mở rộng phương trình liên tục của dòng nguyên tố cho toàn dòng chảybằng cách tích phân phương trình trên toàn bộ mặt cắt ướt f: ∫ v .df f1 1 1 = ∫ υ 2 .df 2 ⇒ Q =Q : v .df = v .df f2 1 2 1 1 2 2 (1-10) Trong dòng nguyên tố chảy ổn định, lưu lượng qua mọi mặt cắt ướt đều bằng nhau và vận tốc trung bình v tỷ lệ với diện tích mặt cắt ướt. Phương trình liên tục là biểu thức của một trong những nguyên lý quan trọng nhất của vật lý: nguyên lý bảo toàn khối lượng. 1.2. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY THỦY LỰC TÀU THỦY Máy thuỷ lực là danh từ chung để chỉ các máy làm việc bằng cách trao đổi năng lượng với chất lỏng theo nguyên lý thuỷ lực học nói riêng và cơ học chất lỏng nói chung. Máy thuỷ lực trong thực tế được ứng dụng rất rộng rãi. Trong lĩnh vực công nghiệp tàu thuỷ thường ứng dụng các loại máy thuỷ lực như các loại bơm, động cơ thuỷ lực, các loại xy lanh lực, xy lanh mô men... Có thể phân loại máy thuỷ lực theo một số cơ sở sau. Trên phương diện trao đổi năng lượng với chất lỏng tồn tại hai nguyên tắc chính: Nhận năng lượng (Bơm) và truyền năng lượng (Động cơ). Các máy thuỷ lực nhận năng lượng từ nguồn bên ngoài dưới dạng cơ năng (do các động cơ lai), sau đó truyền năng lượng cho chất lỏng dưới dạng động năng và áp năng được gọi là bơm. Biểu thị năng lượng của bơm như sau: E1 < E2 1 2 Hay E2-E1= N N Hoặc E2-E1 > 0 Ngược lại, các máy thuỷ lực nhận năng lượng của chất lỏng dưới dạng động năng và áp năng, sau đó biến đổi thành cơ năng để lai các thiết bị khác thì được gọi là động cơ thuỷ lực. E2< E1 1 2 Hay E1-E2= N N Hoặc E2-E1< 0 11
Đối với máy thuỷ lực nói chung, (Không phân biệt bơm hay động cơ) dựa theo nguyên tắc biến đổi năng lượng người ta còn chia ra làm hai loại máy thuỷ lực cánh dẫn và máy thuỷ lực thể tích. Máy thuỷ lực cánh dẫn là máy thuỷ lực mà trong quá trình làm việc của nó năng lượng biến đổi liên tục từ cơ năng của thiết bị lai thành động năng của dòng chảy thông qua cơ cấu chính của máy là các cánh quay với vận tốc đủ lớn (bơm cánh dẫn) hoặc ngược lại biến động năng của dòng chất lỏng thành cơ năng để lai các thiết bị ngoài (động cơ cánh dẫn). Trong thực tế máy thuỷ lực cánh dẫn thường là: bơm ly tâm, bơm hướng trục, tua bin nước, khớp nối và biến tốc thuỷ lực... Máy thuỷ lực thể tích là máy thuỷ lực mà trong đó việc trao đổi năng lượng giữa chúng với chất lỏng được thực hiện nhờ sự nén chất lỏng trong những thể tích công tác kín và dưới áp lực thuỷ tĩnh nhất định (biến áp năng của dòng chất lỏng thành cơ năng đối với động cơ và biến cơ năng thành áp năng của dòng chất lỏng đối với bơm thuỷ lực) Các máy thuỷ lực thể tích có thể là: bơm piston, bơm bánh răng, bơm cánh gạt và các loại bơm và động cơ thuỷ lực kiểu rotor. 1.3. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÁY THỦY LỰC Để khảo sát quá trình làm việc của máy thuỷ lực, người ta sử dụng một số đại lượng dựa trên định luật vật lý cơ bản và chúng được gọi là các thông số cơ bản. Một số thông số cơ bản của máy thuỷ lực là: cột áp, lưu lượng, công suất, hiệu suất. 1.3.1. CỘT ÁP Cột áp của chất lỏng hay của máy thuỷ lực là giá trị năng lượng tính cho một đơn vị trọng lượng của chất lỏng. Cột áp thường được ký hiệu là H, đơn vị là mét và được tính bằng công thức dưới đây: E H = G E- Năng lượng của chất lỏng, G- trọng lượng chất lỏng. Để tiện cho việc khảo sát ta đi xác định cột áp cho từng đối tượng cụ thể. a. Cột áp của trạng thái chất lỏng Là giá trị cột áp của chất lỏng nói chung ở dạng tổng quát hoặc trạng thái chất lỏng của đường dòng tại một điểm nào đó: 12
2 p v H= + +h (1-11) γ 2g p- Giá trị áp suất tuyệt đối tại vị trí xác định γ - Trọng lượng riêng của chất lỏng tại áp suất đó. v- Tốc độ trung bình của chất lỏng. h- Độ cao hình học đối với một mặt chuẩn nào đó được xác định. g- Gia tốc trọng trường. Thông qua giá trị cột áp ta đánh giá được trạng thái năng lượng của phần chất lỏng đó. b. Cột áp của bơm Cột áp của bơm là năng lượng của chất lỏng nhận được thông qua bơm tính cho một đơn vị trọng lượng chất lỏng, ký hiệu là HB E2 − E1 H = hay H= H2- H1. G E1 và H1 - là năng lượng và cột áp tại cửa vào của bơm. E2 và H2 - là năng lượng và cột áp tại cửa ra của bơm. p2 v2 2 p1 v1 h h2 1 h1 Hình 1.4. Sơ đồ tính cột áp của bơm Cột áp của bơm còn được tính bằng công thức sau: p v2  p v2  H B =  2 + 2 + h2  −  1 + 1 + h1  γ   γ 2g   2g    13
Nếu phân bố tốc độ đường dòng tại cửa ra và cửa vào của bơm không đều, hay dòng chảy tại các vị trí đó ở chế độ chảy rối thì công thức được viết dưới dạng sau:  p2 α 2v2 2   p1 α1v12   + HB =  + h2  −  +  γ + h1  ,  γ 2g   2g  Trong đó: α1- Hệ số hiệu chỉnh động năng tại cửa vào. α2- Hệ số hiệu chỉnh động năng tại cửa ra. Công thức tính cột áp của bơm có thể biến đổi thành: p2 − p1 α 2 .v 2 2 − α 1 .v 21 HB = + + ( h2 − h1 ) . (1-12) γ 2g p2 − p1 Nếu quy ước: + ( h2 − h1 ) là cột áp tĩnh của bơm và ký hiệu γ α 2 .v 2 2 − α1.v 21 là (Ht) và coi là cột áp động, ký hiệu là (Hđ), thì ta có: 2g H=Ht+Hđ, (1-13) c. Cột áp của động cơ thủy lực Cột áp của động cơ thuỷ lực là năng lượng đơn vị mà chất lỏng truyền được thông qua động cơ thuỷ lực. Đây là trường hợp ngược lại của bơm, về cách tính cũng giống như đối với bơm. 1.3.2. LƯU LƯỢNG Lưu lượng (hay còn gọi là sản lượng) của máy thuỷ lực là lượng chất lỏng chuyển qua máy thuỷ lực trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là (Q) hoặc (G). Tuỳ thuộc lượng chất lỏng được đo như thế nào mà ta có một số dạng lưu lượng sau: Lưu lượng thể tích là lưu lượng được đo bằng đơn vị thể tích. Thứ nguyên của lưu lượng thể tích là: m3/h; m3/s; Lưu lượng khối lượng là lưu lượng được đo bằng đơn vị khối lượng. Thứ nguyên của lưu lượng khối lượng là kg/h, kg/s, tấn/h… Lưu lượng trọng lượng là lưu lượng được đo bằng đơn vị trọng lượng. Thứ nguyên của lưu lượng trọng lượng là T/h, kg/s… 14
Quan hệ giữa lưu lượng thể tích và lưu lượng trọng lượng như sau: G = γ . Q. 1.3.3. CÔNG SUẤT Công suất là năng lượng mà máy thuỷ lực trao đổi với chất lỏng trong một đơn vị thời gian. Giá trị công suất thực mà máy thuỷ lực trao đổi được với chất lỏng gọi là công suất thuỷ lực. Công suất thuỷ lực được xác định như sau: Nthuỷ lực =γ .Q.H. (1-14) Trong đó: γ - Trọng lượng riêng của chất lỏng. Q - Lưu lượng thể tích của máy thuỷ lực. H- Cột áp của máy thuỷ lực Ngoài ra, người ta còn phân biệt khái niệm về công suất làm việc của máy thuỷ lực là công suất mà máy thuỷ lực trao đổi tại trục của máy thuỷ lực. a. Công suất thủy lực của bơm NB NB =γ .QB.HB, Trong đó: γ - Trọng lượng riêng của chất lỏng. QB -Lưu lượng thể tích của bơm thuỷ lực. HB - Cột áp của bơm thuỷ lực b. Công suất thủy lực của động cơ thủy lực Nđộng cơ Nđộng cơ=γ .Qđộng cơ.Hđộng cơ. Trong đó: γ - Trọng lượng riêng của chất lỏng, Qđộng cơ - Lưu lượng thể tích của động cơ thuỷ lực, Hđộng cơ - Cột áp của động cơ thuỷ lực 1.3.4. HIỆU SUẤT CỦA MÁY THỦY LỰC Hiệu suất của máy thuỷ lực là phần trăm công suất sử dụng có ích sau khi trao đổi năng lượng với môi chất. 15
a. Hiệu suất của bơm N B γ .Q.H B ηB = = , (1-15) N lv N lv Trong đó: (Nlv) là công suất tiêu tốn trên trục của động cơ lai bơm. b. Hiệu suất của động cơ thủy lực N lv N lv η đc = = ; N dc γ .QH c. Tổn thất thủy lực trong máy thủy lực Tổn thất năng lượng cột áp do dòng chảy qua gọi là tổn thất thuỷ lực được đánh giá bằng hiệu suất thuỷ lực, còn gọi là hiệu suât cột áp (η h). Tổn thất ma sát của các bộ phận cơ khí trong máy thuỷ lực gọi là tổn thất cơ khí (η c). Tổn thất do rò rỉ chất lỏng làm giảm lưu lượng của máy, gọi là tổn thất lưu lượng (η Q). Hiệu suất của máy thuỷ lực: η=ηh..ηc.ηQ. 1.4. HIỆN TƯỢNG XÂM THỰC TRONG MÁY THỦY LỰC Máy thuỷ lực bao giờ cũng làm việc với chất lỏng (nước, dầu) nên tính chất lý hoá của chất lỏng có ảnh hưởng nhất định đến các thông số làm việc của máy thuỷ lực. Một trong các ảnh hưởng quan trọng là sự bay hơi của chất lỏng, gây nên hiện tượng xâm thực trong máy thuỷ lực trong quá trình làm việc. Ở một nhiệt độ nào đó khi áp suất chất lỏng bằng áp suất khi bão hoà thì chất lỏng sẽ sôi và tạo thành nhiều bọt hơi trong dòng chảy. Các bọt hơi này bị dòng chảy cuốn vào vùng áp suất cao (p>pbh), chúng sẽ ngưng tụ thành những giọt chất lỏng có thể tích nhỏ hơn nhiều so với thể tích của bọt hơi. Hiện tượng này được thể hiện trên (Hình 1.5) 16
Hình 1. 5. Hiện tượng xâm thực trong máy thuỷ lực Khi đó trong chất lỏng sẽ hình thành nên những khoảng trống cục bộ, thu hút các phần tử chất lỏng xung quanh xô tới với vận tốc rất lớn. Điều này làm cho áp suất tại đó đột ngột tăng lên, có khi lên tới hàng nghìn át mốt phe. Áp suất cục bộ rất lớn này truyền qua chất lỏng đập lên bề mặt kim loại làm tróc rỗ bề mặt, phá hỏng các bộ phận làm việc của máy. Tác hại của hiện tượng xâm thực được thể hiện trên (Hình 1.6) Hình 1.6. Tác hại của hiện tượng xâm thực Hiện tượng này được gọi là hiện tượng xâm thực. Xâm thực làm cho dòng chảy trong máy bị gián đoạn, gây ra rung động bất thường, lưu 17
lượng và cột áp của máy bị giảm đột ngột. Nếu để hiện tượng xâm thực kéo dài thì các bộ phận của máy sẽ bị phá hỏng. Để tránh hiện tượng xâm thực ta cần duy trì áp suất làm việc của chất lỏng lớn hơn áp suất bão hoà p pbh ứng với nhiệt độ làm việc > . γ γ Ngoài ra, có thể áp dụng các biện pháp sau để hạn chế hiện tượng xâm thực trong máy thuỷ lực: -Chọn chất lỏng có tính bay hơi kém, -Duy trì áp suất công tác càng cao càng tốt, -Tránh khai thác máy thuỷ lực ở nhiệt độ cao, -Hạn chế tốc độ dòng xuống mức thấp nhất có thể, -Tránh thay đổi đường dòng đột ngột, gây các điểm sụt áp suất cục bộ, -Làm trơn nhẵn các bề mặt của chi tiết máy thuỷ lực, nơi tiếp xúc trực tiếp với đường dòng, -Sử dụng vật liệu cứng hoặc vật liệu tốt đối với các chi tiết của máy thuỷ lực tại nơi tiếp xúc trực tiếp với đường dòng, -Tránh xâm nhập không khí vào trong hệ thống cũng như trong máy thuỷ lực để. 1.5. MÁY BƠM VÀ ĐỘNG CƠ THỦY LỰC 1.5.1. MÁY BƠM Máy bơm là máy thuỷ lực mà sau khi trao đổi năng lượng với chất lỏng thì chất lỏng được vận chuyển từ vị trí thấp đến vị trí cao, hoặc từ vùng có áp suất thấp đến vùng có áp suất cao. Trường hợp chất lỏng được vận chuyển từ vị trí thấp đến vị trí cao: Ví dụ như bơm nước la canh, bơm chuyển nước lên két hoặc bơm chuyển nước ba lát ra ngoài. Còn trường hợp chuyển chất lỏng từ vùng có áp suất thấp đến vùng có áp suất cao: Ví dụ như bơm nước nồi hơi, bơm thuỷ lực trong hệ thống thuỷ lực... Để tiện cho việc sử dụng, khai thác người ta phân loại bơm dựa trên một số cơ sở sau: Phân loại theo công dụng 18
Theo mục đích sử dụng, trong công nghiệp tàu thuỷ có thể phân ra: Bơm hàng: đối với tàu dầu và các tàu chở hàng lỏng khác. Bơm làm mát: phục vụ chức năng làm mát trang thiết bị động lực của tàu. Bơm ba lát: phục vụ cân bằng, dằn tàu. Bơm cứu hoả: phục vụ an toàn chữa cháy. Bơm nước sinh hoạt: phục vụ hệ thống cung cấp nước sinh hoạt cho tàu v.v.. Phân loại theo nguyên lý trao đổi năng lượng Bơm cánh dẫn là bơm hoạt động theo nguyên lý của máy thuỷ lực cánh dẫn (xem chương 2). Bơm thể tích là bơm mà chúng hoạt động theo nguyên lý của máy thuỷ lực thể tích (xem chương 3). Các loại bơm đặc biệt khác là các loại bơm hoạt động theo những nguyên tắc vật lý riêng và được xếp riêng vào một nhóm, nhóm này gồm một số ít các bơm như bơm phun tia, bơm chân không vòng nước. Phân loại theo sản lượng Tuỳ theo sản lượng mà máy bơm tạo ra, có thể chia chúng thành 3 loại saui: Bơm có sản lượng lớn. Bơm có sản lượng trung bình. Bơm có sản lượng nhỏ. Phân loại theo tốc độ công tác Căn cứ vào tốc độ động cơ lai có thể chia thành các loại sau: Bơm tốc độ thấp. Bơm tốc độ trung bình. Bơm tốc độ cao. Phân loại theo năng lượng sử dụng Các loại động cơ lai bơm có đặc điểm khác nhau nên cũng có thể chia bơm thành các loại sau: Bơm lai bởi động cơ diesel. 19
Bơm lai bằng động cơ điện. Bơm chạy bằng động cơ hơi nước. Ngoài ra, căn cứ vào đặc điểm hoặc tính chất hoạt động đặc biệt của bơm mà chia chúng ra thành hàng loạt các loại khác nhau: Ví dụ như bơm rô to, bơm cánh gạt, bơm hoạt động trực tiếp hay gián tiếp... Các loại đó sẽ được trình bày cụ thể ở những phần sau. 1.5.2. ĐỘNG CƠ THỦY LỰC Động cơ thuỷ lực là một loại máy thuỷ lực mà sau khi trao đổi năng lượng với chất lỏng thì năng lượng biến đổi từ áp năng hoặc động năng của chất lỏng thành cơ năng đặt trên trục của động cơ. Cũng giống như máy bơm, đông cơ thuỷ lực cũng có rất nhiều dạng kết cấu khác nhau. Tuỳ theo mục đích sử dụng, khai thác mà chúng có thể được chia ra một số dạng cơ bản sau: -Động cơ thuỷ lực chuyển động tịnh tiến như các xy lanh thuỷ lực. Loại động cơ này thường ứng dụng trong các máy lái v.v. -Động cơ thủy lực chuyển động quay như động cơ cánh gạt, động cơ piston kiểu rô to v.v. Loại động cơ này thường ứng dụng trong các động cơ tời hàng, tời dây v.v. 1.6. ĐẶC TÍNH CỦA BƠM, ĐẶC TÍNH ĐƯỜNG ỐNG, ĐIỂM LÀM VIỆC 1.6.1. ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA BƠM Đặc tính của bơm là mối quan hệ giữa các thông số của bơm như: cột áp, lưu lượng, công suất, hiệu suất. Thông thường, người ta biểu diễn chúng dưới dạng các cặp mối quan hệ như: -Cột áp với lưu lượng H= f(Q); -Công suất với lưu lượng N= f(Q); -Hiệu suất với lưu lượng η= f(Q); Đôi khi mối quan hệ đó được xác định với điều kiện cho trị số vòng quay nào đó, do vậy các đặc tính còn được xác định theo cách sau: H=f(Q,n); N=f(Q,n); η= f(Q,n); 20
Để xác định cột áp hiện có của bơm đang làm việc, người ta sử dụng công thức sau: Era − Evao E − E1 HB = hoặc HB = 2 ; G G Để thu được kết quả chính xác, cần thống nhất đơn vị đo của các đại p v2 lượng , , h. Trong lý thuyết về máy thuỷ lực thường sử dụng đơn vị γ 2g mét cột nước (mH2O). 1.6.2. ĐẶC TÍNH ĐƯỜNG ỐNG Đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa cột áp và lưu lượng của bơm khi bơm làm việc phối hợp với hệ thống bao gồm các bể hút, bể đẩy, các đường ống hút, đường ống đẩy, các van, các phin lọc và một số các phần tử khác có liên quan được gọi là đặc tính đường ống. Xét một sơ đồ cơ bản thường gặp của bơm đối với một hệ thống như nở hình 1-7. PII vII II hII -hI hII NL PI vI hI I Hình 1-7. Sơ đồ xác định đặc tính đường ống Như vậy muốn chất lỏng từ két hút (I) được chuyển tới két đẩy (II) với một lưu lượng xác định nào đó trong điều kiện bố trí của hệ thống đường ống thì phải nhờ năng lượng (NL) của bơm nhận từ ngoài qua trục của nó. Nói cách khác năng lượng mà bơm trao đổi với chất lỏng nhằm chi phí cho: 21
- Thay đổi thế năng của chất lỏng từ bể hút (I) có chiều cao so với mặt chuẩn (h1) tới bể đẩy (II) có chiều cao so với mặt chuẩn (h2). - Duy trì một tốc độ vận chuyển, tức là đảm bảo sản lượng (Q) nào đó và thắng sức cản trong toàn bộ ống hút và ống đẩy. - Duy trì độ chênh động năng giữa mặt thoáng két đẩy (II) và két hút (I). - Thắng chênh lệch về áp lực do áp suất gây nên giữa bề mặt thoáng tại két đẩy (II) và két hút (I). Hay cột áp của bơm có được sẽ bằng tổng các cột áp tiêu tốn cho hệ thống đường ống đó là: -Thay đổi cột áp thế năng từ két (I) đến két (II), hII – hI., - Thắng sức cản trong hệ thống với sản lượng ( Q), từ (Q) ta xác định được tốc độ dòng chảy (v), ∑ h( I → II ) = ∑ hλ ( I → II ) + ∑ hξ ( I → II ) , - Duy trì chênh cột áp động năng giữa hai mặt thoáng két đẩy (II) và két hút (I). v II − v I2 2 , 2g Trong đó (vI , vII) là tốc độ chuyển dịch của mặt thoáng các két chứa (I) và (II) (Nếu tốc độ tại hai mặt thoáng bể hút (I) và bể đẩy (II) coi như bằng không thì thành phần cột áp động năng này cũng sẽ bằng không), Thắng độ chênh cột áp áp năng giữa hai mặt thoáng két chứa (I) và (II), p II − p I γ Trong đó (pI) và (pII) là áp suất tại mặt thoáng các két (I) và (II) (Nếu áp suất tại các mặt thoáng bằng áp suất môi trường thì cột áp áp năng giữa hai mặt thoáng bằng không). Như vậy, trong trường hợp tổng quát thì cột áp của bơm là: v II − v I2 pII − pI 2 HB=(hII – hI. )+ ∑ h( I →II ) + 2g + γ 22
v II − v I2 pII − pI 2 Trong đó: (hII – hI. )+ ∑ h( I →II ) + + là tổng cột áp cản 2g γ (tiêu tốn năng lượng) của hệ thống đường ống. Thực vậy, nếu hệ thống đường ống và các két cần giá trị cột áp là bao nhiêu để dòng chất lỏng có thể lưu động từ bể hút tới bể đẩy thì buộc bơm phải tạo ra giá trị cột áp bằng giá trị cột áp của hệ thống cần chi phí. Toạ độ mà tại đó giá trị cột áp của bơm bằng giá trị cột áp cần chi phí cho hệ thống đường ống được gọi là điểm làm việc của bơm với hệ thống đường ống. Để biểu thị đặc tính cản của hệ thống đường ống người ta thành lập công thức, từ đó xác định quy luật biểu diễn của đặc tính cản, ký hiệu là (Hđ/ống) pII − pI v II − v I2 2 Hđ/ống = + + (hII – hI.) + ∑ h( I →II ) (1-16) γ 2g pII − pI Trong đó: + (hII – hI. ) không liên quan đến sản lượng (hay tốc γ độ dòng) nên được gọi là cột áp cản tĩnh, và được ký hiệu chung là (Ht), v II − v I2 2 Còn thành phần: + ∑ h( I →II ) vì có liên quan tới sản lượng và 2g tốc độ nên được gọi là cột áp cản động và được ký hiệu là (Hđ). Như vậy, có thể viết công thức cột áp của đường ống như sau: Hđ/ống= Ht+Hđ Mối quan hệ giữa sản lượng Q và tốc độ lưu động v của môi chất trong ống dẫn như sau: Q=v.A; Trong đó: v- tốc độ lưu động của môi chất trong ống dẫn, A tiHt diện mặt cắt ngang của ống dẫn. ế Đặc tính đHA ng ống được biểu diễn trên đồ thị H-Q như trên ườ A hình 1-6. Hđ/o Ht 23 QA Q
Hình 1-8: Đồ thị H-Q của đặc tính đường ống Điểm làm việc của bơm và hệ thống đường ống, về mặt công thức, nếu giá trị được xác định tại đó mà thoả mãn HB= Hđ/ống ứng với chế độ sản lượng Q (hoặc tốc độ v) thì đó chính là điểm làm việc của bơm với hệ thống đường ống. Hoặc trên (Hình 1-9) giao điểm đường đặc tính của bơm HB với đặc tính đường ống Hđ/ống sẽ cho ta điểm làm việc (A) của bơm với hệ thống đường ống đó. H HB=f(Q) HA A Hđ/ông=f(Q) Hđ Hđ/o Ht QA Q Hình 1.9. Điểm làm việc của bơm với hệ thống Qua đó ta thấy rằng khi đưa bơm làm việc với hệ thống đường ống thì không phải lúc nào bơm cũng có sản lượng cố định. Nói cách khác, cột áp của bơm khi làm việc phối hợp với hệ thống đường ống phụ thuộc vào trạng thái của hệ thống và trạng thái kỹ thuật của bơm. Trạng thái kỹ thuật của bơm thể hiện trên đặc tính HB= f(Q) còn trạng thái của hệ thống đường ống được thể hiện trên đặc tính Hđ/ống = f(Q). 1.7. CHIỀU CAO ĐẶT BƠM CHO PHÉP 24