Giáo trinh Kỹ thuật thuỷ khí part 10 docx

Kỹ thuật thuỷ khí


Chơng10:Dòng chảy đều không áp trong kênh - 138 -
R =











sin
1
4
1
D.
Trong đó là góc ở tâm.
Để việc tính toán đợc đơn giản hơn ngời ta đã làm sẵn những
bảng tính và đồ thị. Cho một mặt cắt kênh kín nào đó, gọi:
H: là chiều cao trong của kênh.
h: là độ sâu dòng chảy.
W,K: là đặc trng vận tốc và đặc trng lu lợng khi:
h < H.
W
0
, K

0
là đặc trng vận tốc và đặc trng lu lợng khi:
h = H.
Nếu tính C theo công thức Pavơlôpxki và xem y không đổi khi h
thay đổi thì rõ ràng các tỉ số
0
K
K
và
0
W
W
sẽ chỉ phụ thuộc độ sâu tơng đối
a =
H
h
mà không phụ thuộc hệ số nhám và kích thớc tuyệt đối của mặt
cắt. Thờng đặt:
0
K
K
= f
1
(a) = A

0
W
W
= f
2

(b) = B
Có thể tính trớc để lập bảng hay vẽ thành biểu đồ các quan hệ trên
cho từng loại mặt cát . Hình 10-21 cho đờng biểu diễn A, B của mặt cắt
hình tròn. Với các biểu đồ đó, ta chỉ cần tính W
0
, K
0
là có ngay trị số W,
K ứng với các độ sâu h khác nhau, và vì vậy mà giải đợc các bài toán về
dòng chảy đều không áp trong kênh kín một cách đơn giản. Để tính toán
nhanh chóng hơn, ngời ta còn tính sẵn W
0
, K
0
của các loại mặt cắt với
hệ số nhám thờng dùng .
10.5.3 Ví dụ:
Kỹ thuật thuỷ khí


Chơng10:Dòng chảy đều không áp trong kênh - 139 -
Xác định đờng kính của ống tròn bằng bê tông cốt thép sao cho
a=
H
h
0,8. Biết Q = 3m
2
/s; i = 0,004; n = 0,013.
Giải:
Với a = 0,8, ta Phụ lục 7-3 H.21 PL, ta đợc A = 1.

Vậy: K
0
=
4,47
004,0.1
3
===
iA
Q
A
K
m
3
/s.
Mặt khác ta có:
4,47
164
44
.
1
.
4
3
3/3
2/16/1
2
0000
==

==
n
ddd
n
d
RCK


m
3
/s
Giải phơng trình này ta đợc d = 1,3m. Vì ống thờng đúc sẵn với
các đờng kính nhất định nên cần tìm trong phụ lục đó giá trị K
0
lớn hơn
gần nhất giá trị vừa tính ở trên.
Ta có K
0
= 71,0m
3

/s, ứng với ống có đờng kính d = 1,5m và W =
40,1m/s.
Nếu lấy d lớn lên nh vậy thì độ sâu tơng đối a sẽ thay đổi, do đó:

666,0
004,0.71
3
0
0
===
iK
Q
K
K
A

Tra trong Phụ lục 7-3 H.21PL tìm đợc a = 0,60 và B = 1,07, vậy
độ sâu của dòng chảy là:
h = AH = 0,6. 1,5 = 0,9m
và vận tốc trung bình là:
v = W
i = BW
0 i
= 1,07. 40,1.
004,0
= 2,58m/s.
10.6 Vận tốc cho phép trong kênh
Trong khi thiết kê cần chú ý tới tất cả các vấn đề có ảnh hởng đến
việc sử dụng kênh, để trong điều kiện bình thờng (và nếu có thể trong
cả điều kiện phát triển và mở rộng sản xuất) giữ đợc lu lợng và mức

nớc trong kênh luôn dùng chế độ thiết kế.
Kỹ thuật thuỷ khí


Chơng10:Dòng chảy đều không áp trong kênh - 140 -
Muốn vậy ngoài việc lựa chọn hình dạng mặt cắt để kênh không bị
sụt lở, còn phải chú ý khống chế vận tốc chảy trong kênh ở một phạm vi
nào đó. Vì rằng khi v quá lớn có thể gây xói lở lòng kênh, hoặc ngợc lại
nếu vận tốc quá nhỏ sẽ gây hiện tợng bồi lắng trong kênh.
Để không gây ra xói cũng nh không lắng vận tốc v của dòng chảy
trong kênh phải nhỏ hơn vận tốc lớn nhất không xói
kx
v
max
là lớn hơn vận
tốc nhỏ nhất không lắng
kl
v
min
;
kl
v
min
< v <
kx
v
max

Vận tốc lớn nhất không xói là vận tốc mà không dòng chảy đạt tới
trị số đó thì mặt cắt ngang của kênh vẫn không bị xói lở. Vận tốc lớn

nhất không xói phụ thuộc vào loại vật liệu làm kênh, độ sâu nớc và số
lợng các hạt dòng chảy mang theo.
Với số lợng các hạt lơ lửng trong dòng chảy đã cho nếu không
muốn sinh ra bồi lắng thì vận tốc chảy không đợc nhỏ hơn
kl
v
min
vì trong
số các vận tốc chảy mà không sinh bồi lắng trong kênh thì
kl
v
min
là vận tốc
nhỏ nhất.
kl
v
min
thờng đợc tính bằng các công thức thực nghiệm, nhng gần
đúng có thể lấy
kl
v
min
< 0,6m/s.
Đối với kênh có nớc sạch cũng không nên lấy
kl
v
min
nhỏ quá 0,3m/s
để tránh mọc rêu.

K thut thu khớ


Mỏy thu khớ - 141 -
Chơng XI

Máy thuỷ lực v trạm

11-1. Khái Niệm chung về máy thuỷ lực
Máy thuỷ lực là thiết bị dùng để trao đổi năng lợng với chất lỏng đi
qua nó theo các nguyên lý thuỷ lực học nói riêng và cơ học chất lỏng nói
chung. Ví dụ:bơm,dùng cơ năng của ụông cơ để vận chuyển chất lỏng;
tuabin nhận năng lợng của dòng nớc để biến thành cơ năng kéo các máy
làm việcNgày nay máy thuỷ lực đợc dùng phổ biến trong nhiều lĩnh vực
sản xuất cũng nh sinh hoạt.Có thể nói hầu nh không một ngành kỹ thuật
nào không s dụng máy thuỷ lực.
VàI nét về lịch sử máy thuỷ lực.
Máy thuỷ lực thô sơ đã có từ thời cổ xa.Guồng nớc là loại máy
thuỷ lực đầu tiên,lợi dụng năng lợng dòng nớc trên các sôgn suối để kéo
các cối xay lơng thực hoặc đa nớc vào kênh tới ruộng, đợc dùng ở
Trung Quốc,ấn độkhoảng 3000 năm trớc đây.
Trớc thế kỷ 17, nói chung các máy các máy thuỷ lực rất thô sơ và ít
loại(chủ yếu là các loại guồng nớc và dụng cụ đơn giản để vận chuyển
nớc từ thấp lên cao).Mãi đến thế kỷ 18 và sau này mới có nhiều nhà bác
học nghiên cứu một cách khoa học về hình dạng và kết cấu cảu máy thuỷ
lực và từ đó về sau mới xuất hiện nhiều loaị phong phú.
Năm 1640 nhà vật lý học ngời Đức Otto-Herich đã sáng chế ra bơm
pittong đầu tiên để bơm khí và nớc để dùng trong công nghiệp. Nhà bác
học nga Lômônôsop (1711-1765) là ngời đầu tiên dùng lý luận cơ học
chất lỏng để cải tạo kết cấu guồng nớc từ ngàn xa, nâng cao hiệu suất,

công suất của guồng để dùng trong sản xuất công nghiệp thời bấy giờ.
K thut thu khớ


Mỏy thu khớ - 142 -
Trong những năm 1751-1754, Ole (1707-1783) đã viết về lý thuyết
cơ bản của tuabin nớc nói riêng và các máy thuỷ lực cánh dẫn nói chung
làm cơ sở để hơn 50 năm sau, Phuôcnâyrôn (pháp) chế tạo thành công
tuabin nớc đầu tiên 1831 và Xablucot (Nga) sáng chế ra bơm ly tâm đầu
tiên. Cùng với sự ra đôì của máy hơi nớc cuối thế kỷ 18 sự phát minh ra
tuabin nớc và bơm lytâm ở đầu thế kỷ 19 là những bớc nhảy lớn trong
lịch sủ các máy năng lợng.
Về sau nhiều nhà khoa học lớn Giucõpki (1847-1921), Traplghin
(1869-1942), Pơrôtskuađã sáng tạo ra lý thuyết về dòng chẩy bao quanh
hệ thống cánh dẫn, hoàn chỉnh lý thuyết về máy thuỷ lực cánh dẫn. Đặc biệt
trong 50 năm gần đây lý thuyết về thuỷ khí động lực phát triển rất mạnh có
nhiều thành tựu to lớn và việc áp dụng những thành quả phát minh này
trong lĩnh vực máy thuỷ lực vô cùng phong phú.
Ngày nay máy thuỷ lực có nhiều loại với nhiều kiểu khác nhau đợc
dùng trong mọi lĩnh vực công nghiệp. Để đáp ứng yêu cầu năng lợng ngày
càng lớn của công nghiệp hiện đại ngời ta đã chế tạo đợc các tuabin nớc
cỡ lớn có công suất tới 500.000 KW hoặc lớn hơn.Việc ứng dụng truyền
động thuỷ lực ngày càng nhiều trong ngành chế tạo máy góp phần năng cao
các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế của máy móc và nhất là đáp ứng một phần yêu
cầu tự động hoá ngày càng cao trong kỹ thuật.
Ơ nớc ta, từ lâu đời nhân dân lao động đã biết dùng con nớccối
giã gạo, dùng sức nớc để phục vụ sản xuất trong nông nghiệp, nhng dới
ách thống trị của phong kiến đế quốc, khoa học kỹ thật nớc ta bị kìm hãm
rất nhiều.
Từ cách mạng tháng 8 đến nay khoa học kỹ thuật nớc ta phát triển

mạnh mẽ.Việc chế tạo và việc sử dụng máy móc ngày càng nhiều trong các
lĩnh vực phục vụ sản xuất, chiến đấu và sinh hoạt, trong đó có nhiều loại
máy thuỷ lực.Hiện nay trong nớc ta đã có nhiều nhà máy sản xuất các loại
K thut thu khớ


Mỏy thu khớ - 143 -
máy thuỷ lực thông dụng nh các loại bơm, tuabin nớc. Để bớc đầu phục
vụ công cuộc thuỷ lợi hoá, cơ khí hoá, điện khí hoá của đất nớc.

11-2. Phân loại máy thuỷ lực
Ta biết rằng trong bất kỳ một dòng chất lỏng chuyển động nào cũng
tiềm năng một năng lợng nhấ định; tác dụng của máy thuỷ lực là trao đổi
(nhận hoặc cho) năng lợng với dòng chất lỏng chuyển động qua đó để kéo
các máy làm việc hoặc vận chuyển chất lỏng.
Theo tính chất trao đổi năng lợng với chất lỏng máy thuỷ lực đợc
chia làm hai loại:
Loại máy thỷ lực tiếp thu cơ năng của dòng chảy chất lỏng để kéo
các máy làm việc khác có tác dụng nh một động cơ gọi là động cơ thuỷ
lực (nh tuabin nơc,.các loại động cơ thuỷ lực trong máy công cụ)
Ngợc lại, loại máy thuỷ lực dùng cơ năng cho chát lỏng để tạo lên
áp suất hoặc vận chuỷển chất lỏng đợc gọi là bơm (nh các loại bơm,
quạt)
Trong kỹ thuật có những máy thuỷ lực khi thì làm việc nh một động
cơ, khi thì làm việc nh một bơm gọi là máy thuỷ lực thuận nghịch.
Theo nguyên lý tác dụng của máy thuỷ lực với dòng chất lỏng trong
quá trình làm việc, ngời ta chia máy thuỷ lực thành nhiều loại khác nhau,
nhng chủ yếu có hai loại:
-Máy thuỷ lkực cánh dẫn
-Máy thuỷ lực thể tích.

Trong máy thuỷ lực cánh dẫn, việc trao đổi năng lợng giữa máy với
chất lỏng đợc thực hiện bằng năng lợng thuỷ động của dòng chất lỏng
chuyển động qua máy.
Dòng chảy qua máy thuỷ lực cánh dẫn là dòng liên tục.Trên bánh
công tác có gắn nhiều bản cánh để dẫn dòng chảy gọi là cánh dẫn. Biên
K thut thu khớ


Mỏy thu khớ - 144 -
dạng và góc độ bố trí của cánh dẫn ảnh hởng trực tiếp đến các thành phần
vận tốc của dòng chảy nên có ý nghĩa rất quan trọng trong việc trao đổi
năng lợng của máy với dòng chảy. Có thể nói máy thuỷ lực cánh dẫn dùng
các cánh dẫn để trao đổi năng lợng với chất lỏng.
Nói chung năng lợng của dòng chất lỏng trao đổi với máy thuỷ lực
cánh dẫn gồm có hai thành phần: động năng
)
2
(
2
g
V
và áp năng )(

P
. Hai thành
phần năng lợng này do năng lợng thuỷ động của dòng chảy qua máy tạo
nên, có liên quan mật thiết với nhau.Trong quá trình làm việc của máy, sự
biến đổi động năng bao giờ cũng kéo theo sự biến đổi áp năng.
Máy thuỷ lực cánh dẫn có tính năng kỹ thuật cao, chỉ tiêu kinh tế tốt
và phạm vi sử dụng rộng rãi nên đợc dùng rất phổ biến.

Máy thuỷ lực thể tích thực hiện trao đổi năng lợng với chất lỏng
theo nguyên lý nén chất lỏng trong một thể tích kín dới áp suất tĩnh.
Nh vậy năng lợng trao đỏi của máy thuỷ lực thể tích với chất lỏng
có thành phần chủ yếu là áp năng
)(

p
còn thành phần động năng(của các
phần tử chất lỏng chuyển động qua máy ) không đáng kể nên có khi còn gọi
máy thuỷ lực thể tích là máy thuỷ lực thuỷ tĩnh. Loại máy thuỷ lực thể tích
có nhiều u điểm trong phạm vi sử dụng cần có áp suất cao và lu lợng
nhỏ đợc dùng nhiều trong ngành chế tạo máy.
Ngoài ra còn có các loại máy thuỷ lựckhác không thuộc hai loại máy
trên làm việc theo những nguyên lý khác nhau nh bơm phun tia, bơm nớc
vaPhần lớn các loại máy thuỷ lực này có năng suất và tính năng kỹ thuật
thấp so với máy thuỷ lực cánh dẫn và thể tích, do đó phạm vi sử dụng của
chúng trong công nghiệp bị hạn chế.
Trong kỹ thuật hiện đại, các ngành chế tạo máy và tự động hoá sử
dụng nhiều truyền động thuỷlực. Truyền động thuỷ lực là tổ hợp các cơ cấu
K thut thu khớ


Mỏy thu khớ - 145 -
thuỷ lực (gồm cả máy thuỷ lực) để truyền cơ năng từ bộ phận dẫn động đến
các bộ phận công tác, trong đó có thể biến đổi vận tốc, lực,momen và biến
đổi dạng hay quy luật chuyển động.
Theo nguyên lý làm việc, truyền động thuỷ lực đợc chia làm hai
loại:
-truyền động thuỷ động,
-truyền động thuỷ tĩnh .

Trong truyền động thuỷ động việc truyền cơ năng giữa các bộ phận
máy chủ yếu đợc thực hiện bằng động năng của dòng chất lỏng.Truyền
động thuỷ động có hai loại:khớp nối thuỷ lực và biến tốc thuỷ lực, thờng
đợc dùng nhiều trong ngành cơ khí động lực và vận chuyển.
Còn trong truyền động thuỷ tĩnh việc truyền cơ năng giữa các bộ
phận máy chủ yếu đợc thực hiện bằng áp năng của dòng chất lỏng, thờng
dùng cho các máy thuỷ lực thể tích nên còn gọi truyền động thuỷ tĩnh là
truyền động thuỷ lực thể tích.Truyền động thuỷ tĩnh có rất nhiều dạng khác
nhau đợc dùng phổ biến trong các ngành chế tạo máy và các hệ thống điều
khiển tự động.
Để hình dung tổng quát sự phân loại các máy thuỷ lực hãy xem sơ đồ
phân loại các máy thuỷ lực kèm theo trong đó có ghi các máy thuỷ lực và
truyền động thuỷ lực.








K thut thu khớ


Mỏy thu khớ - 146 -

Bảng 11-1
Theo Năng lợng chính
V
2

/2g
p/g
Theo nghĩa
Trao
đổi
Cho NL


-Bơm, quạt, máy thổi ly
tâm
-Bơm xoáy tự do
-Bơm, quạt hớng trục
-Bơm, máy nén khí
pítton
-Bơm thuỷ lực roto
-Bơm màng
-Bơm trục vít
Nhận
NL
-Tuabin ly tâm, TB hớng
trục
-Tua bin khí
-xylanh thuỷ lực tịnh
tiến
-Động cơ thuỷ lực
quay
Cho và
nhận
-Truyền động thuỷ động -Truyền động thuỷ
tĩnh

Loại khác -Bơm nớc va, bơm tia, thuỷ luân


11-3. cáC THÔNG Số CƠ BảN MáY THUỷ LựC








K thut thu khớ


Mỏy thu khớ - 147 -
1. Cột áp
Cột áp thực tế của máy thuỷ lực là độ chênh năng lợng đầu và cuối
của máy:
đối với bơm: H
b
= e
r
- e
v
, (11-1)
đối với tua bin: H
t
= e
v

- e
r
. (11-1)
Cột áp lý thuyết: H
lt
= H/
H
(11-2)

H
hiệu suất thuỷ lực của máy, đặc trng cho tổn thất do xoáy và ma
sat trong máy.
2. Lu lợng
Lu lợng thực qua ống đẩy Q < Q
n
vì một phần nhỏ Q chảy trở về
lối vào bánh công tác hoặc rò rỉ ra ngoài. Để đánh giá tổn thất lu lợng,
ngời ta đa vào hệ số lu lợng
lt
Q
Q
Q
=

(11-3)

Q
< 1 và phụ thuộc vào chất lợng của bộ phận lót kín
(
Q

=0,95ữ0,98).
3. Công suất:
Là năng lợng chất lỏng trao đổi với máy trong một đơn vị thời gian.
Công suất thuỷ lực là công suất có ích của bơm hay là công suất vào
của tua bin:
)(
1000
kW
QH
N
tl

= , (11-4)
với: (N/m
3
), Q(m
3
/s), H(mH
2
O).
Công suất trên trục bơm hay là công suất vào của bơm hay là công
suất ra của tua bin: N
t
= M, (11-5)
3. Hiệu suất:
đánh giá tổn thất năng lợng trong quá trình máy trao đổi năng lợng
với chất lỏng:
K thut thu khớ

Mỏy thu khớ - 148 -

t
tl
b
N
N
=


tl
t
tb
N
N
=

(11-6)
Có ba loại tổn thất nên có ba loại hiệu suất: cột áp, cơ khí và lu
lợng: =
H

C

Q
. (11-7)
Trong đó
C
-là hiệu suất cơ khí đăc trng cho các tổn thất ma sát cơ khí
trong đĩa bánh công tác, trong các vòng làm kín.

Công suất động cơ để kéo bơm: N
đc
> N. Bốn thông số của bơm vừa
nêu có liên quan mật thiết với nhau, và trong kỹ thuật mối liên quan đó đợc
biểu diễn bằng đồ thị, gọi là đờng đặc tính mà ta sẽ xem ở các tài liệu tham
khảo.
5. Độ cao hút cho phép.
Viết phơng trình Becnuli cho 1 - 1 và v - v (hình 10 -3):

wd
2
vvv
s
1
h
g2
vp
h
p
+

+

+=


a)
wd
2
vvv1

sscp
h
g2
vpp
]h[h





== (11-8)

ck
v1
h
pp
=



- cột áp hút của bơm


==
1
maxss
p
hh

suy ra, nếu p

1
= p
a
thì h
smax
= 10m cột nớc.
b) Khi biết h
ck
thì tính [h
s
] theo điều kiện không xảy ra xâm thực: (do
bốc hơi của chất lỏng gây nên)
Điều kiện tránh xâm thực

h
p
g2
vp
bh
2
vvv
+



+


K thut thu khớ

Mỏy thu khớ - 149 -
p
bh
- áp suất bão hoà (là áp suất mà tại đó chất lỏng sẽ sôi ở một nhiệt
độ nhất định); h - cột áp chống xâm thực.
Mặt khác, theo (10-3)

)hh
p
(
p
]h[
hh
p
g2
vp
wh
bhs
s
wds
s
2
vvv
++

=

+


Theo Rút nhép:
3
4
)
C
Qn
(10h
n(vòng/ph) Q(m
3
/s) C = 800 ữ 1000


11- 4. Trạm máy thuỷ lực
Sơ đồ bố trí trạm máy thuỷ lực, ví dụ tram bơm nh H.11-2
- Cách tính cột áp thực tế. Bơm bao giờ cũng làm việc trong hệ thống
đờng ống.

g2
vvpp
)zz(eeH
2
v
2
rvr

vrvr

+


+== (bỏ qua tổn thất trong bơm)

ckav
dar
vr
ppp
ppp
yzz
=
+=
=


suy ra
g2
vvpp
yH
2
v
2
rckd

+

+

+=
cho ống hút bằng ống đẩy
;vv
vr
=

y bỏ qua

+
=
ckd
pp
H

Khi không có các số liệu đo dợc của bơm đang làm việc (p
d
,p
ck,
) mà
chỉ có các số liệu yêu cầu của hệ thống trong đó bơm sẽ làm việc (p
1
, p
2
,
h ), thì có thể tính H nh sau:
K thut thu khớ


Mỏy thu khớ - 150 -
Viết phơng trình Béc-nu-li cho 1-1 và v -v: e

1
= e
v
+ h
wh
e
v
=e
1
- e
wh

cho r - r và 2 - 2: e
r
= e
2
+ h
wđ


whwd12vr
hheeeeH
+
+

=

=

wdwh
2
11
2
2212
hh
g2
vvpp
hH ++

+


+=
Nh vậy cột áp yêu cầu của bơm để khắc phục: độ dâng cao h (độ
chênh 2 mặt thoáng), độ chênh áp suất trên 2 mặt thoáng; độ chênh động
năng giữa 2 mặt thoáng và tổn thất năng lợng trong ống hút và ống đẩy.
Có thể viết: H = H
t
+ H
đ

Kết cấu cánh dẫn có ảnh hởng quyết định đến H. (xem tập 2[6])