HỆ THỐNG TÀU THỦY ( Thạc sĩ. Nguyễn Văn Võ ) - CHƯƠNG 2 potx

6

Chương 2

CÁC YẾU TỐ KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG

2.1. ĐƯỜNG ỐNG

2.1.1. Khái niệm về đường kính danh nghĩa và áp suất danh nghĩa của
đường ống
Đường kính danh nghĩa hay còn gọi là đường kính lư lượng qui ước của đường
ống là đường kính bên trong của nó, không phụ thuộc vào hình dạng bên ngoài của
ống.
Ký hiệu:  hoặc D
y
(cho đường ống chính), d
y
(cho đường ống nhánh).
Đơn vị: mm.
Áp suất danh nghĩa của đường ống là áp suất mà đường ống chịu được trong điều
kiện khai thác lâu dài tại một nhiệt độ nhất định, của một dòng chất lỏng nhất định di
chuyển trong đường ống.
Ký hiệu: p
y
.
Đơn vị: kG/cm
2
.

2.1.2. Phân loại đường ống
Đường kính ống, chiều dày thành ống và vật liệu chế tạo nó được xác định phụ
thuộc vào tính chất vật lý, vào nhiệt độ, áp suất và tốc độ của dòng chất lỏng di
chuyển trong ống.
Vật liệu chế tạo ống thường là thép các bon, thép hợp kim, hợp kim đồng, hợp
kim nhôm, nhựa hoặc vải tẩm cao su, v.v.…
Đối với đường ống nước, ống thép tráng kẽm được sử dụng rộng rãi do chúng có
tính chống gỉ cao hơn thép thông thường. Trên các tàu cánh ngầm, các xuồng hoặc
trên các tàu vỏ hợp kim nhôm, để giảm khối lượng, người ta dùng ống hợp kim
nhôm.


7

Ống làm bằng vật liệu đồng hoặc hợp kim đồng sử dụng cho các đường ống dẫn
freon đường kính tới 20 mm của hệ thống làm lạnh.
Các ống thép lót bên trong bằng polyetylen và ống polyetylen cũng được sử dụng
trong hệ thống. Ống lót polyetylen sử dụng khi nhiệt độ công chất không quá 75
0
C và
áp suất đến 16 kG/cm
2
, còn ống polyetylen sử dụng khi nhiệt độ công chất không quá
50
0
C và áp suất đến 10 kG/cm
2
.
Các ống hợp kim được sử dụng trong hệ thống không khí nén, có lớp ngoài là lớp
thép, lớp trong được tráng đồng đỏ. Còn trong một vài hệ thống (ví dụ: hệ thống chất

thải) còn dùng ống thép có bọc lớp bakêlít.
Trong đóng tàu, để giảm số lượng kích thước ống, ngoài tiêu chuẩn quốc gia,
người ta còn đưa ra các tiêu chuẩn ngành. Điều đó cho phép hạ giá thành khi chế tạo,
sửa chữa hệ thống.

2.1.3. Tính toán đường ống
Ngoài các tiêu chuẩn qui định kích thước và yêu cầu kỹ thuật đối với ống, còn có
các tiêu chuẩn xác định lưu lượng, áp suất danh nghĩa, áp suất làm việc, áp suất thử
của ống, thiết bị và các bộ phận nối ống.
Khi biết D
y
và chiều dày thành ống, người ta chọn theo tiêu chuẩn đường kính
ngoài của nó. Khi lựa chọn kích thước ống, sao cho đường kính D
y
sai khác với
đường kính trong ít nhất. Sai khác giữa chúng không quá10%.
Chiều dày thành ống xác định từ tính toán sức bền ống, đối với ống kim loại thì
chiều dày đó xác định như sau:
c
p].[.200
p.d
s
K
H


 ,mm. (2.1)
ở đây: p - áp suất tính toán, kG/cm
2
, nó phụ thuộc vào áp suất làm việc p

p
trong ống
và nó được lấy tương ứng theo Qui phạm, đối với đường ống hút bằng 1,25.p
p

nhưng không nhỏ hơn 2 kG/cm
2
, còn đối với ống đẩy bằng p
p
nhưng không
nhỏ 10 kG/cm
2
.
d
H
- đường kính ngoài của ống, mm.
 - hệ số bền của mối hàn điện, bằng 0,9 - đối với các ống thép, chế tạo bằng
phương pháp điện trở, (đối với ống không có mối hàn  = 1).
[]
K
- ứng suất kéo cho phép, kG/mm
2
, lấy đối với ống làm bằng thép các bon
khi nhiệt độ công chất đến 300
0
C bằng 7,6 kG/mm
2
(thép CT10) và 9,16
kG/mm
2

(thép 20). Đối với ống đồng hoặc hợp kim nhẹ, []
K
được lấy theo
Qui phạm.


8

c - giá trị hiệu chỉnh cho chiều dày tính toán, tính đến sơ suất có hại khi chế
tạo ống, được lấy bằng 2 mm cho ống cán nóng và hàn; 1,5 mm - cho ống kéo
và cán nguội; 1 mm - cho ống đồng và (0,7  1,4) mm - cho ống hợp kim có
lớp bọc lót.
Chiều dày thành ống tính theo công thức (1) phải làm tròn đến kích thước lớn
hơn gần nhất tương ứng với tiêu chuẩn của ống. Cho phép lấy chiều dày nhỏ hơn gần
nhất, nếu nó khác với giá trị tính toán không quá 3.
Chiều dày thành ống tối thiểu của ống polyetylen (tỷ trọng nhỏ) có áp lực cao,
xác định theo công thức sau:
TKT
HT
min
p.2
d.p
s

 ,cm. (2.2)
ở đây: p
T
- áp suất thử thủy lực, kG /cm
2
, lấy theo tiêu chuẩn của Qui phạm.


KT
- ứng suất kiểm tra lấy đối với polyetylen (tỷ trọng nhỏ) bằng 70 kG/cm
2
.
d
H
- đường kính ngoài của ống, cm.
Áp suất danh nghĩa dùng làm chuẩn để chọn áp suất làm việc, mà nó là áp suất
lớn nhất của môi chất chuyển dịch trong ống ở nhiệt độ làm việc thực tế. Áp suất mà
ống phải chịu đựng khi thử gọi là áp suất thử. Áp suất danh nghĩa, áp suất làm việc
và áp suất thử được qui định bởi Qui phạm.

2.2. CÁC CHI TIẾT NỐI ỐNG

Khi lắp ráp các đường ống trên tàu, phải nối các đoạn ống với nhau và với cả
thiết bị, máy móc và các trang thiết bị khác. Để làm điều đó, người ta sử dụng các chi
tiết nối, chúng được gọi là các chi tiết nối ống hay thiết bị nối ống.
Mối nối các ống có thể tháo được và không tháo được. Loại tháo được có: nối
bằng mặt bích, nối bằng đai ốc - ống lồng, nối bằng ống lồng cứng, nối bằng ống
lồng mềm. Loại không tháo được có: hàn, gắn keo.…
Trong hệ thống tàu thủy, chủ yếu người ta dùng mối nối tháo được. Nó cho phép
tháo dỡ và tháo lắp đường ống trong thời gian vận hành và khi sửa chữa. Nối không
tháo được chỉ dùng ở những phần của đường ống mà nằm ở những chỗ khó tới hoặc
không yêu cầu tháo dỡ trong những điều kiện bình thường của hệ thống.

2.2.1. Nối bằng mặt bích


9

Nối bằng mặt bích được sử dụng rộng rãi nhất trong hệ thống tàu thủy. Nó được
sử dụng cho các ống có đường kính danh nghĩa D
y
 20 mm. Mối nối bằng mặt bích
có nhiều kiểu kết cấu khác nhau. Các kiểu mặt bích cho đường ống tàu thủy, được
qui định bởi Qui phạm.



Hình 2.1. Các mặt bích.
a - mặt bích phẳng bằng thép hàn; b - mặt bích tự do trên đầu mút ống
c - mặt bích tự do trên ống được gấp mép; d - mặt bích hàn.
1 - ống; 2 - mặt bích; 3 - đệm kín (gioăng); 4 - bu lông.

Các mặt bích phẳng bằng thép hàn (hình. 1.a) có kết cấu đơn giản, làm việc tin
cậy, thường dùng cho ống có áp suất danh nghĩa tới 16 kG/cm
2
, đường kính danh
nghĩa D
y
từ 20 đến 500 mm.
Các mặt bích tự do (hình 2.1, b), khác với kiểu hàn ở chỗ nó có thể quay tự do
trên ống để làm các lỗ khoét trùng nhau khi lắp bu lông, làm giảm nhẹ quá trình lắp
ráp ống.



10

Các mặt bích tự do trên đầu mút ống bằng thép hàn có áp suất danh nghĩa đến 10
kG/cm
2
và D
y
từ 20 đến 500 mm.
Các mặt bích tự do trên ống gấp mép có áp suất danh nghĩa đến 10 kG/cm
2
và D
y

từ 20 đến 150 mm, (khi p
y
= 6, kG/cm
2
cho phép D
y
tới 350 mm). Các mặt bích tự do
trên ống gấp mép bằng hợp kim nhôm khi p
y
= 6 kG/cm
2
và 10 kG/cm
2
cho đường
ống có D
y
tương ứng từ 20  100 mm và 20  50 mm. Mặt bích trên ống đồng gấp
mép cho p
y

tới 10 kG/cm
2
và D
y
từ 20  150 mm, (khi p
y
= 6 kG/cm
2
cho phép D
y
tới
350 mm). Đối với các ống thép và đồng các bích thường được chế tạo bằng thép, còn
đối với ống bằng hợp kim nhôm các bích thường chế tạo từ hợp kim nhôm.
Các mặt bích cũng có thể gắn chặt với ống nhờ ăn khớp ren. Trong trường hợp
này bích có ren trong ăn khớp với ren ngoài của ống tại đầu ống. Các bích này dùng
cho các đường ống gas.
Để nối các ống polietilen, người ta dùng các mặt bích tự do làm bằng tectolist
hoặc chất dẻo vinil.
Để đảm bảo độ kín khít của mối nối, giữa bề mặt tiếp xúc của các mặt bích,
người ta lắp gioăng. Chất lượng làm kín của các bích phụ thuộc vào sự cạo rà mặt
bích, vật liệu gioăng, tính chính xác khi lắp ráp và độ đều khi xiết. Vật liệu gioăng
được chọn dựa theo loại và thông số của công chất chảy trong ống (hình.1.d), còn
ngay trên bề mặt mặt bích kim loại người ta tiện các rãnh tròn (2 hoặc 3 rãnh) với
chiều sâu không quá 1 mm.

2.2.2. Nối bằng đai ốc - ống lồng
Mối nối này thường sử dụng trong đường ống có đường kính danh nghĩa nhỏ, (D
y

= 3  32 mm) khi áp suất danh nghĩa p

y
đến 100 kG/cm
2
(hình 2.2).



Hình 2.2. Mối nối bằng đai ốc - ống lồng.
1 -ống; 2 - ống hãm; 3 - ống lồng; 4 - gioăng; 5 - đai ốc


11


Trong mối nối, độ kín khít được đảm bảo nhờ gioăng 3, được ép bằng ống lồng 4
choàng giữa đai ốc 1 và ống hãm 2, ống lồng 4 ăn khớp ren với đai ốc.
Mối nối đai ốc - ống lồng với ống nước ngọt, không khí, hơi, dầu và các sản
phẩm dầu mỏ thường được làm từ thép các-bon.
Đối với nước biển, mối nối đai ốc - ống lồng được chế tạo bằng đồng thanh hoặc
đồng thau.
Gioăng cho mối nối đai ốc - ống lồng được làm bằng cao su amiăng. Trước khi
lắp người ta phủ lên một lớp graphit.

2.2.3. Nối bằng ống lồng cứng
Mối nối này thường sử dụng cho ống dẫn khí gas, nước ngọt. Nối bằng ống lồng
cho phép đối với các đường ống có D
y
 50 mm với p
y
nhỏ hơn 5 kG/cm

2
.
Ống lồng có nhiều loại: ống lồng thẳng; ống lồng cong; ống lồng 3 chạc và ống
lồng 4 chạc. Vật liệu làm ống lồng thường là thép hoặc gang dẻo (hình 2.3).
Trong mối nối, ở hai đầu ống người ta tiện ren, đầu một ống tiện ren dài hơn trên
nó có đủ chỗ cho ống lồng và đai ốc hãm, còn trên đầu ống kia - chiều dài ren bằng
khoảng một nửa chiều dài ống lồng. Các ống được nối bằng cách vặn ống lồng từ đầu
ống có ren dài sang đầu kia của ống đến hết ren.
Để đảm bảo độ kín cần thiết, người ta quấn quanh ren của ống sợi gai hoặc lanh
hoặc cao su non và ép ốc hãm.


Hình 2.3. Nối ống bằng ống lồng cứng.
a - ống lồng thẳng; b - ống lồng cong


12

1 - đai ốc hãm; 2 - ống lồng; 3 - ống

2.2.4. Nối bằng ống lồng mềm
Về kết cấu, các mối nối kiểu này gồm có ống lồng đàn hồi được làm từ vải tẩm
cao su và các đai kim loại vít hai đầu ống lồng (hình 2.4).
Nhược điểm của mối nối này là thời hạn sử dụng không lâu (khoảng 2  3 năm).
Mối nối bằng ống lồng mềm thường sử dụng ở đoạn nối ống nhánh, nối các
đường ống với động cơ và máy móc đặt trên các bộ phận giảm chấn.



Hình 2.4. Nối ống bằng ống lồng mềm.

1- ống; 2 - ống lồng mềm; 3 - đai hãm.

2.3. PHỤ TÙNG, THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG

Để cho mỗi hệ thống trên tàu có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình, trên đường
ống của nó ta đặt các phụ tùng, thiết bị, nhờ nó thực hiện việc khởi động hệ thống,
mở và đóng các bộ phận riêng biệt của đường ống, thay đổi chế độ làm việc của hệ
thống, điều chỉnh áp suất công chất chảy trong ống.…

2.3.1. Phân loại phụ tùng, thiết bị


13

Phụ tùng, thiết bị của hệ thống có nhiều cách phân loại như: phân loại theo tính
năng công dụng của phụ tùng, thiết bị; phân loại theo phương pháp dẫn động của phụ
tùng, thiết bị, theo phương pháp chế tạo, v.v.
…
2.3.1.1. Phân loại theo công dụng, tính năng của thiết bị
Trường hợp này, phụ tùng, thiết bị của hệ thống tàu được phân thành các kiểu
sau:
Thiết bị chặn - chuyển: các van, van chêm (ngăn kéo), khoá vòi, hộp van, v.v.…
Thiết bị an toàn: các van an toàn, lưới vào, phin lọc, v.v.…
Thiết bị cho môi chất qua chỉ theo 1 chiều: các van một chiều, van chặn một
chiều, van dẫn hướng, v.v.…
Thiết bị điều chỉnh: các van tăng, giảm áp, van bướm, tay máy, v.v.…
Thiết bị đặc biệt: van thông biển, vòi chữa cháy, van chêm đáy, v.v.
…
2.3.1.2. Phân loại theo phương pháp chế tạo
Theo phương pháp này, có thiết bị đúc, thiết bị hàn và thiết bị rèn.

Thiết bị của hệ thống tàu thường được làm từ gang, thép và hợp kim màu (đồng
thanh các loại, đồng thau).
Đối với thiết bị làm việc trong nước biển, người ta hay dùng đồng thanh nhôm
mangan mác.
Những chi tiết riêng (đĩa, đế) của thiết bị bằng thép, gang được chế tạo từ hợp
kim màu.
Các thiết bị bằng chất dẻo đã được sử dụng, bởi nó nhẹ hơn thiết bị bằng kim loại
và có thể làm việc trong môi trường ăn mòn.

2.3.1.3. Phân loại theo phương pháp dẫn động
Theo phương pháp này, có thiết bị được dẫn động bằng tay, dẫn động bằng cơ
giới hoá, hoặc điều khiển tự động.



14

2.3.2. Các loại thiết bị, phụ tùng cơ bản của hệ thống

2.3.2.1. Van chặn - chuyển
Nhờ thiết bị này mà người ta thực hiện đóng, mở hoặc chuyển các đường ống
trong các hệ thống (hình 2. 5).
Các van chặn - chuyển có nhiều loại như: van thẳng, van chêm (ngăn kéo), van
ba ngả và một kiểu đặc biệt của thiết bị chặn - chuyển là van hộp, nó gồm vài van (2
 4 van) nằm trong thân chung v.v. Sau đây ta xét nguyên lý làm việc của van thẳng:
Các van chặn thẳng (hình 2.5, a) thuộc loại thiết bị chặn phổ biến nhất trên tàu.
Việc đóng chúng được thực hiện nhờ đĩa 9, được ép nhờ cần van 5 vào các bề mặt
làm kín 10 và 11 trong đĩa và vỏ van 1. Khi quay tay van 3 thì cần van, nhờ có ren ở
bề mặt ngoài của nó với ren trong của xy lanh van 4, chuyển động tương đối với thân
van, nâng hoặc hạ nắp van. Để đảm bảo độ kín, ở chỗ cần van qua nắp 2 của thân

van, người ta đặt vòng bít kín nước gồm có ống lót 6 được ép, đệm 7 và vòng tựa 8.
Vị trí của đĩa van trong thân van được kiểm soát nhờ cái chỉ báo hành trình
chuyển dịch giữa vạch chuẩn 0 và 3, nó tương ứng với việc mở và đóng hoàn toàn
của van.
Các van luôn được lắp trong các đường ống sao cho áp suất bên trong của chất
lỏng trong ống tác động vào mặt dưới của đĩa. Trường hợp này độ kín của vòng bít
được bảo đảm khi van đóng.

2.3.2.2. Van an toàn
Để đề phòng áp suất trong đường ống tăng cao hơn áp suất qui ước, trên các hệ
thống riêng, người ta đặt van an toàn làm việc tự động, bình thường van ở chế độ
thường đóng. Chỉ khi, vì nguyên nhân nào đó, áp suất trong ống cao hơn áp suất qui
ước, van mở và cho một lượng chất lỏng nào đó đi từ vùng có áp suất cao đến vùng
có áp suất hơn (ví dụ: vào khí quyển). Sau khi một phần chất lỏng từ ống ra và áp
suất trong đó hạ đến áp suất qui ước thì van đóng lại. Van như vậy giữ đường ống
không bị phá hủy khi có sự tăng áp suất ngẫu nhiên cao hơn cho phép. Van an toàn
để điều chỉnh đến áp suất nhất định được kẹp chì.
Khả năng cho đi qua của van an toàn phải làm sao cho áp suất trong ống không
thể vượt quá 1, 2 lần áp suất làm việc.



15





Hình 2.5. Van chặn - chuyển
a - van thẳng; b - van chêm (ngăn kéo); c - van ba ngả.

Để đề phòng các vật lạ (các mẩu sờn, mòn, v.v.) lọt vào máy móc và các thiết bị
trên đường ống, ở đầu hút các ống người ta đặt các lưới hút hoặc chắn rác. Trong vài
hệ thống, để làm sạch môi chất công tác, người ta dùng phin lọc



16

2.3.2.3. Van một chiều
Trong các đường ống của các hệ thống mà ở đó cần đảm bảo chuyển động của
chất lỏng chỉ theo một hướng đã cho và đồng thời ngăn ngừa chuyển động của nó
theo hướng ngược lại, người ta lắp các van một chiều, van chặn một chiều, van dẫn
hướng, v.v.

2.3.2.4. Van điều chỉnh (van giảm áp, van bướm tay máy)
Các van điều chỉnh phục vụ việc điều chỉnh hướng dòng chảy hay áp suất làm
việc của môi chất, gồm van giảm áp, van bướm, v.v.

2.4. DẪN ĐỘNG CÁC THIẾT BỊ

Sự điều khiển thiết bị chặn - chuyển, nằm ở những chỗ có thể đến được, được
tiến hành nhờ tay quay và vô lăng có ở trên thiết bị. Để điều khiển những thiết bị ở
những chỗ không thể đến được, người ta sử dụng cơ cấu dẫn động. Nó được lắp ở
chỗ thuận tiện cho việc vận hành.
Các bộ dẫn động được dùng khi vị trí điều khiển thiết bị nằm ở xa nó (điều khiển
từ xa).
Liên quan đến những điều nói trên, cơ cấu dẫn động được chia ra là: dẫn động tại
chỗ và điều khiển từ xa. Bộ điều khiển tại chỗ được thực hiện bằng tay, còn từ xa -
bằng tay và cơ khí hoá hoặc điện khí hoá hoặc đường ống khí nén.

Cơ cấu điều khiển từ xa là: truyền động bằng trục, bằng khí nén thủy lực và điện,
còn tại chỗ - bằng trục.
Bộ truyền phải đáp ứng được những yêu cầu cơ bản sau:
Bảo đảm kiểm soát được sự đóng và mở của thiết bị.
Loại bỏ khả năng tự động đóng mở của thiết bị không theo ý muốn của người
điều khiển.
Trong trường hợp cần thiết, cho phép sử dụng phương tiện điều khiển dự phòng.
Các chi tiết của nó phải không phá hỏng tính chống thấm của các mặt lát bọc lót
trên tàu, mà chúng đi qua.


17




Hình 2.6. Dẫn động trục

2.4.1. Dẫn động trục
Sở dĩ gọi là bộ truyền động trục là do sự truyền động được thực hiện nhờ các
trục, cùng với các bản lề và các bánh răng trong tổng thể tạo thành chuỗi điều khiển.
Người ta dùng các ống có đường kính ngoài từ 15  45 mm làm trục. Sơ đồ cơ cấu
dẫn động trục được cho trong hình 2.6.




18

Hình 2.7. Dẫn động van từ xa
a - dẫn động bằng khí nén; b - dẫn động bằng thủy lực.

2.4.2. Dẫn động bằng khí nén
Van với cơ cấu dẫn động khí nén được mô tả ở hình 2.7, a. Khi cấp khí nén qua
ống 7 vào khoang trên của xy lanh 8, piston 4 chuyển dịch xuống và nhờ cần 3 nó ép
đĩa 1 của van khi thắng được sức căng của lò xo. Để đóng van, người ta xả khí ra,


19

khi đó đĩa, dưới tác dụng của lò xo, được nâng lên và vòng làm kín 2 được đặt lên đế,
khi đó piston trở về vị trí bên trên.
Để mở van bằng tay, dùng vô lăng 5, khi nó quay theo chiều kim đồng hồ, trục 6
chuyển dịch xuống và mở van.
Theo nguyên tắc thì các hệ thống dẫn động bằng khí không có nguồn khí nén
riêng mà người ta sử dụng nó từ hệ thống không khí nén trên tàu hoặc trực tiếp từ
đường ống chính hoặc từ bình đã chứa đầy khí.

2.4.3. Dẫn động bằng thủy lực
Trên hình 2.7, b chỉ ra van chêm với cơ cấu dẫn động bằng thủy lực. Xy lanh
thuỷ lực 8 được đặt trong thân van 1. Trong xy lanh có piston 5 chuyển dịch, nó nối
với đĩa chêm bằng cần 10. Lối của cần vào thân van chêm và vào xy lanh thuỷ lực
được làm kín bằng các vòng bít 2 và 3. Để mở van chêm, dầu được đưa vào khoang
dưới của xy lanh theo đường 9. Để đóng nó, dầu theo đường 6 được đưa vào khoang
trên của xy lanh. Lỗ 4 và 7 để đưa khí ra khi hệ thống được dầu điền đầy.
Dầu được cấp vào xy lanh thuỷ lực theo các ống qua bộ phận phân phối đặc biệt
(ngăn kéo), dầu đến đó từ ống góp nhờ bơm.
Van chêm kiểu hình 2.7, b được đặt ở một số tàu dầu chạy biển. Điều khiển nó

được thực hiện từ vị trí điều khiển công việc làm hàng.

2.4.3. Dẫn động bằng thủy lực
Trên hình 2.7, b chỉ ra van chêm với cơ cấu dẫn động bằng thủy lực. Xy lanh
thuỷ lực 8 được đặt trong thân van 1. Trong xy lanh có piston 5 chuyển dịch, nó nối
với đĩa chêm bằng cần 10. Lối của cần vào thân van chêm và vào xy lanh thuỷ lực
được làm kín bằng các vòng bít 2 và 3. Để mở van chêm, dầu được đưa vào khoang
dưới của xy lanh theo đường 9. Để đóng nó, dầu theo đường 6 được đưa vào khoang
trên của xy lanh. Lỗ 4 và 7 để đưa khí ra khi hệ thống được dầu điền đầy.
Dầu được cấp vào xy lanh thuỷ lực theo các ống qua bộ phận phân phối đặc biệt
(ngăn kéo), dầu đến đó từ ống góp nhờ bơm.
Van chêm kiểu hình 2.7, b được đặt ở một số tàu dầu chạy biển. Điều khiển nó
được thực hiện từ vị trí điều khiển công việc làm hàng.

2.5. CÁC MÁY MÓC CỦA HỆ THỐNG TÀU THUỶ



20

Trong hàng loạt các yếu tố, chi tiết kết cấu tạo thành hệ thống tàu thuỷ, các máy
(các bơm, các quạt gió, các máy nén khí, v.v.) chiếm một vị trí quan trọng. Đặc biệt
là bơm được sử dụng rộng rãi, chúng được sử dụng trong các hệ thống có chất lỏng
chảy qua. Các quạt gió được dùng trong các hệ thống thông gió và điều hoà không
khí, còn các máy nén khí - trong các hệ thống làm lạnh và điều khiển đẩy chất thải ra
ngoài tàu.
Chúng ta sẽ nghiên cứu những đặc điểm cơ bản và cấu tạo chung của các bơm và
các quạt gió.

2.5.1. Phân loại bơm thuỷ lực

Những cơ cấu này, hay chính xác hơn là các máy, chuyển cơ năng của động cơ
dẫn động thành cơ năng của chất lỏng chuyển dịch. Dựa vào nguyên lý hoạt động,
các bơm được chia thành ba nhóm: bơm thể tích, bơm kiểu cánh và bơm kiểu phụt.
Bơm thể tích có: bơm piston và rôto (bánh vít, trục vít). Chúng hoạt động theo
nguyên tắc thay thế (chuyển vị).
Bơm kiểu cánh gồm: bơm ly tâm, bơm hướng trục và bơm xoáy. Nguyên tắc hoạt
động của các bơm này dựa trên lực tương tác của cánh bơm với dòng chất lỏng chảy
qua nó.
Bơm kiểu phụt, thuộc nhóm hoàn toàn riêng biệt. Đối với nó thì định nghĩa bơm
như là máy biến cơ năng của động cơ thành năng lượng của chất lỏng không được
thích hợp. Nguyên tắc hoạt động của bơm kiểu phụt là, dựa vào việc sử dụng động
năng của dòng công chất, được đưa đến nó để bơm chuyển chất lỏng.

2.5.2. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bơm thuỷ lực
Đặc trưng cơ bản của bơm thủy lực hay những thông số kỹ thuật của nó là những
thông số biểu thị khả năng làm việc của bơm bất kỳ. Các thông số chủ yếu là: lưu
lượng Q, cột áp H, công suất N, hiệu suất  và cột áp hút cho phép của bơm [ H
CK
].

2.5.2.1. Lưu lượng của bơm Q
Lưu lượng của bơm là lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển được trong một đơn
vị thời gian.
Đơn vị tính lưu lượng thể tích: m
3
/g; m
3
/s hoặc l/phút, v.v.…
Đơn vị tính lưu lượng khối lượng: kg/s; t/g, v.v.…

21

Đơn vị tính lưu lượng trọng lượng: N/s hoặc daN/s, v.v.…
Lưu lượng bơm được xác định nhờ thiết bị đo tức thời lắp trên đầu ống đẩy, ống
Verturi, tấm chắn. Giả sử ta có vận tốc dòng chảy qua ống là v, m/s, diện tích tiết
diện ngang của ống là F, m
2
, thì lưu lượng Q được tính theo công thức:
Q =v.F , m
3
/s hoặc Q =3600.v.F , m
3
/g. (2.3)
Phương pháp này chỉ xác định được lưu lượng trung bình của bơm trong một đơn
vị thời gian.

2.5.2.2. Cột áp của bơm H
1. Phương trình năng lượng của bơm
Để xét và biết được cột áp của bơm, ta đi xét năng lượng của chất lỏng trước,
trong và sau khi ra khỏi bơm, tức là xét phương trình năng lượng của bơm. Giả sử ta
cần đưa chất lỏng từ bể chứa A (bể hút) lên bể chứa B (bể đẩy) theo sơ đồ như hình
2.8.
Năng lượng của chất lỏng tại cửa vào, cửa ra của bơm là E
0
và E
1
được tính như
sau:
.z

g.2
vp
E
1
2
11
1


 (2.4)
.z
g.2
vp
E
2
2
22
2


 (2.5)
trong đó: p
1
, v
1
, z
1
là áp suất, vận tốc và cao độ của dòng chất lỏng tại cửa vào của
bơm so với mặt thoáng bể hút.
p

2
, v
2
, z
2
là áp suất, vận tốc và cao độ của dòng chất lỏng tại cửa ra của bơm
so với mặt thoáng bể hút.
Ta đi xét độ chênh năng lượng của chất lỏng tại cửa vào và cửa ra của bơm.

)zz(
g.2
vvpp
EEE
12
2
2
2
112
12






(2.6)
Từ phương trình trên ta có các nhận xét như sau:
Nếu E = 0, tức chất lỏng trong ống là chất lỏng lý tưởng, không có độ nhớt và
không xảy ra tổn thất năng lượng.

22

Nếu hai tiết diện là rất gần nhau thì ít nhất chất lỏng phải cần một phần năng
lượng để thắng áp lực thuỷ tĩnh, tức E > 0, do đó nếu không cấp thêm năng lượng
cho bơm thì E < 0, là do một phần năng lượng bị tiêu tốn để thắng sức cản thủy lực
trong ống. Do đó để chất lỏng chuyển động được từ bể hút lên bể đẩy, thì phần năng
lượng do bơm cung cấp phải thắng được áp lực thủy tĩnh và tổn thất thủy lực trong
ống. Nếu gọi tổn thất thủy lực trong đường ống là h thì tổn thất năng lượng viết dưới
dạng đầy đủ là (E + h) và phương trình năng lượng dạng tổng quát là:
)zz(
g.2
vvpp
hE
12
2
1
2
212





 , (2.7)
2. Cột áp của bơm
Định nghĩa: cột áp của bơm là phần năng lượng mà bơm cần cung cấp cho một
đơn vị khối lượng chất lỏng để nó chuyển động được từ vị trí này đến vị trí khác.
Ký hiệu: H.
Đơn vị: mét cột nước (m. c. n).

Theo định nghĩa trên, thì cột áp của bơm là độ chênh năng lượng riêng (tính cho
đơn vị) của chất lỏng khi ra khỏi bơm và khi vào bơm. Cột áp, như giá trị năng lượng
có liên quan đến đơn vị khối lượng, có thứ nguyên tuyến tính (kg.m/kg = m).
Thiết lập công thức tính cột áp H: xét bơm làm việc theo sơ đồ như hình 2.8,
trong đó: z
h
- khoảng cách thẳng đứng từ cửa vào của bơm đến mặt thoáng bể hút, gọi
là chiều cao hút.
z
đ
- khoảng cách thẳng đứng từ mặt thoáng bể đẩy đén cửa ra của bơm, gọi
là chiều cao đẩy.


23



Hình 2.8. Sơ đồ làm việc của bơm.
Thiết lập công thức tính cột áp H: xét bơm làm việc theo sơ đồ như hình 2.8,
trong đó: z
h
- khoảng cách thẳng đứng từ cửa vào của bơm đến mặt thoáng bể hút, gọi
là chiều cao hút.
z
đ
- khoảng cách thẳng đứng từ mặt thoáng bể đẩy đén cửa ra của bơm, gọi
là chiều cao đẩy.
y - độ chênh cao độ giữa cửa ra và cửa vào của bơm.
z = z

h
+ y + z
đ
- gọi là chiều cao dâng.
v
0
, v
1
, v
2
, v
3
và p
0
, p
1
, p
2
, p
3
là vận tốc và áp suất của dòng chất lỏng tương
ứng ở mặt thoáng bể hút, cửa vào, cửa ra của bơm và mặt thoáng bể đẩy.
Để tính cột áp của bơm ta đi khảo sát phương trình năng lượng của dòng chất
lỏng khi đi vào và đi ra khỏi bơm.
Năng lượng của dòng chất lỏng tại cửa vào của bơm là:
.z
g.2
vp
E
h

2
11
h


 (2.8)
Năng lượng của dòng chất lỏng tại cửa ra của bơm là:


24

.yz
g.2
vp
E
h
2
22
d


 (2.9)
Theo định nghĩa, ta có cột áp của bơm là:
y
g.2
vvpp
EEH
2
1
2

212
hd





 ,m.c.n. (2.10)
trong đó: p
1
= p
a
- p
ck
; p
2
= p
a
+ p
ck
với p
a
- áp suất khí quyển; p
ck
- áp suất chân
không.
Áp suất p
1
, p
2

được xác định nhờ đồng hồ chân không kế và áp kế lắp ở cửa vào
và cửa ra của bơm.
Trong công thức trên, nếu đường kính ống hút bằng đường kính ống đẩy, tức vận
tốc v
1
= v
2
(vì cùng lưu lượng Q) và khoảng cách y đủ nhỏ để bỏ qua thì cột áp H
được xác định như sau:




12
pp
H ,m.c.n. (2.11)
Trong trường hợp không có các số liệu đo cụ thể, ta có thể xác định cột áp H của
bơm dựa vào các số liệu yêu cầu của hệ thống mà bơm làm việc như: p
0
, p
3
, v
0
, v
3
, z
h
,
z
đ

, y và z. Ta biết rằng, khi bơm làm việc ổn định thì cột áp của bơm phải bằng cột áp
của hệ thống, tức bằng độ chênh năng lượng giữa cửa ra và cửa vào của hệ thống.
Gọi E
0
, E
3
là năng lượng của dòng chất lỏng tại cửa vào và cửa ra của hệ thống, ta
có:

g.2
vp
E
2
00
0


 , và z
g.2
vp
E
2
33
3


 , (2.12)
Gọi tổn thất cột áp (tổn thất năng lượng) trên các đoạn ống hút và các đoạn ống
đẩy là h
h

và h
đ
, thì ta có quan hệ năng lượng giữa cửa vào, cửa ra của bơm với
năng lượng cửa vào, cửa ra của hệ thống là, E
h
= E
0
- h
h
và E
đ
= E
3
- h
đ
.
Do đó, cột áp của bơm là: H = E
đ
- E
h
= E
3
- E
0
+ h
h
+ h
đ
hay:
),hh

g.2
vv
()
pp
z(H
dh
2
0
2
303





 m.c.n. (2.13)
Đây là công thức tổng quát tính cột áp tính cột áp của bơm thông qua các yêu cầu
của hệ thống. Từ công thức trên, ta có nhận xét sau:
Cột áp yêu cầu của bơm phải khắc phục được chiều cao dâng, ngoài ra còn phải
khắc phục được độ chênh áp trên mặt thoáng bể hút, bể đẩy và khắc phục được tổn
thất năng lượng trên các đoạn ống hút, ống đẩy.


25

Nếu gọi H
t
là thành phần cột áp tiêu phí để khắc phục độ chênh áp tĩnh giữa cửa
vào, cửa ra của hệ thống và đưa chất lỏng từ bể hút lên bể đẩy, thì nó đặc trưng cho
thế năng của dòng chất lỏng tại bể đẩy, gọi là cột áp tĩnh.

Nếu gọi H
đ
là thành phần cột áp tiêu phí để khắc phục sự chênh tốc giữa cửa vào,
cửa ra của hệ thống và để thắng được sức cản thủy lực trong đường ống, thì nó đặc
trưng cho động năng của dòng chất lỏng, gọi là cột áp động.
Khi đó, ta có: )
pp
z(H
03
t


 , m.c.n. và
dh
2
0
2
3
d
hh
g.2
vv
H 

 , m.c.n.

2.5.3. Công suất và hiệu suất của bơm
Công suất yêu cầu của bơm là năng lượng mà bơm nhận được từ động cơ trong
một đơn vị thời gian, còn gọi là công suất trên trục của bơm. Ký hiệu: N.
Công suất thủy lực hay công suất có ích của bơm là phần năng lượng mà chất

lỏng nhận được từ bơm trong một đơn vị thời gian. Ký hiệu: N
tl
.
Khi bơm làm việc, một phần năng lượng tiêu tốn trong bơm ở dạng tổn thất, như
ma sát giữa trục bơm với thân bơm,…Nếu trừ từ công suất tiêu thụ N đi tất cả các tổn
thất N trong bơm, thì ta có quan hệ giữa công suất có ích và công suất yêu cầu là:
N
tl
= N - N.
Công suất có ích N
tl
của bơm chính là gia số năng lượng của chất lỏng trong bơm
trong một đơn vị thời gian.
N
tl
= G.H = .Q.H , kg.m/s =
75
H.Q.

, cv =
102
H.Q.

, kw. (2.14)
trong đó: G - là lưu lượng khối lượng của bơm, kg/s.
Q - là lưu lượng thể tích của bơm, m
3
/s.
H - là cột áp của bơm, m.c.n.
 - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m

3
.
Hiệu suất của bơm là tỷ số giữa công suất có ích và công suất yêu cầu của bơm.
Ký hiệu: .
Hiệu suất  của bơm đặc trưng cho tổn thất năng lượng trong bơm, ta có:
100.
N
N
tl
 . (2.15)


26

Từ đó, công suất cần thiết của bơm:





.75
H.Q.
N
N
tl
, cv =


.102
H.Q.

, kw. (2.16)

2.5.4. Cột áp hút cho phép của bơm (hay vị trí đặt bơm tối đa)

2.5.4.1. Cột áp hút
Bất kỳ một loại bơm khi làm việc cũng có hai quá trình, quá trình hút và quá trình
đẩy. Khả năng làm việc của bơm không chỉ phụ thuộc vào quá trình đẩy mà còn phụ
thuộc vào quá trình hút của nó.
Trong quá trình hút chất lỏng, bánh công tác của bơm phải tạo nên độ chênh áp
giữa cửa vào của bơm và áp suất mặt thoáng bể hút. Độ chênh áp này được gọi là cột
áp hút của bơm, nhờ cột áp này mà chất lỏng mới chảy được từ bể hút vào bơm.
Do đó, cột áp hút của bơm là:



10
h
pp
H , m.c.n. (2.17)
Mặt khác, phương trình Béc-nu-li viết cho dòng chất lỏng chảy từ bể hút đến cửa
vào của bơm là:
hh
2
11
2
00
hz
g.2
vp
g.2

vp




. (2.18)
Từ đó ta có:

hh
2
0
2
110
h
hz
g.2
vvpp
H 




 , m. c.n. (2.19)
Vì v
0
rất nhỏ, nên có thể bỏ qua, do đó:
hh
2
1
h

hz
g.2
v
H  , m.c.n. (2.20)
Từ công thức trên ta thấy, cột áp hút của bơm phải đủ để khắc phục được chiều
cao hút, khắc phục được tổn thất thủy lực trong đoạn ống hút và tạo nên động năng
cần thiết để dòng chất lỏng chảy từ bể hút đến bơm.
Cột áp hút của bơm phụ thuộc vào trị số áp suất trên mặt thoáng của bể hút, mà
áp suất này thường có giá trị nhất định. Nếu p
0
= p
a
(áp suất khí quyển), thì khả năng


27

hút tối đa của bơm ứng với p
1
= 0 là: H
h
= H
ck
= 9,81 m.c.n. Do đó điều kiện làm việc
được của bơm là:
hh
2
1
h
hz

g.2
v
H   H
ck
, m.c.n. (2.21)
Thực tế cột áp hút của bơm không bao giờ đạt được 9,81 m.c.n, bởi vì khi áp suất
p
1
tại cửa vào của bơm nhỏ tới một giá trị nào đó, bằng áp suất p
d
của hơi bão hòa
của chất lỏng, thì hiện tượng xâm thực trong bơm xảy ra. Để tránh hiện tượng này,
người ta qui định cột áp chân không cho phép [ H ]
ck
ứng với từng loại bơm và được
ghi vào hồ sơ kỹ thuật của bơm. Khi đó điều kiện đầy đủ để bơm làm việc được là:
hh
2
1
h
hz
g.2
v
H   [H]
ck
, m.c.n. (2.22)

2.5.4.2. Chiều cao hút cho phép của bơm (hay vị trí đặt bơm tối đa)
Từ phương trình trên, ta thấy chiều cao hút của bơm thoả mãn:
)h

g.2
v
(]H[z
h
2
1
ckh
 , m. (2.23)
Do đó, chiều cao hút cho phép của bơm là:
),h
g.2
v
(]H[]z[
h
2
1
ckh
 m. (2.24)
Công thức trên dùng để xác định chiều cao hút cho phép khi biết cột áp chân
không cho phép của bơm [H]
ck
.
Trong trường hợp không có [H]
ck
trong hồ sơ kỹ thuật của bơm, ta cũng có thể
xác định được chiều cao hút cho phép của bơm theo điều kiện không xảy ra xâm
thực.
Như đã biết, áp suất tại cửa vào của bơm phải lớn hơn áp suất của hơi bão hòa
của chất lỏng (p
1

> p
d
), ứng với một nhiệt độ làm việc nhất định nào đó thì mới tránh
được hiện tượng xâm thực trong bơm. Từ đó ta có phương trình:
h
p
g.2
vp
d
2
11




, (2.25)
Mặt khác, từ phương trình liên tục Béc-nu-li viết cho dòng chất lỏng chảy từ mặt
thoáng bể hút đến cửa vào của bơm là:


28

hh
2
11
hz
g.2
vp



=

a
p
, (2.26)
Thế hai phương trình vào nhau ta có: )hh
p
(
p
z
h
da
h




 , m.
Do đó, chiều cao hút cho phép của bơm là:
)hh
p
(
p
]z[
h
da
h





 ,m. (2.27)
Ở công thức trên, h - cột áp dự trữ chông xâm thực được xác định theo công
thức kinh nghiệm của Rút-đơ-nhép, như sau:
,)
C
Q.n
.(10h
3
4
 m.c.n. (2.28)
trong đó: n - vận tốc quay của bánh công tác của bơm, vg/ph.
Q - lưu lượng thể tích của bơm, m
3
/s.
C - hệ số phụ thuộc vào kiểu kết cấu của bơm, C = 800  1000.

2.5.5. Các kiểu kết cấu của bơm
Có nhiều loại và kết cấu của bơm. Ở đây chúng ta chỉ xét ngắn gọn các bơm
thường được sử dụng trong hệ thống tàu thủy.
Bơm piston. Trước kia, trong các hệ thống tàu thủy, bơm piston được sử dụng
rộng rãi, do các bơm piston có khả năng tự hút tốt, nhưng có kích thước và khối
lượng lớn do tính chất chạy chậm quyết định bởi sự chuyển động không đều của
piston. Ngoài ra, kết cấu của chúng phức tạp hơn các bơm cánh dẫn nhiều.
Trong các hệ thống hiện đại, rất hiếm khi gặp bơm piston. Chúng được sử dụng
chủ yếu trong các hệ thông lọc của tàu dầu để giải phóng các két khỏi các cặn của
hàng.
Để hút khô các hầm nhỏ, người ta dùng các bơm piston tay.
Bơm ly tâm. Hiện nay trong các hệ thống tàu thủy, người ta hay dùng các bơm ly
tâm nhất. Khi bánh công tác quay, nó tác dụng lực lên dòng chất lỏng và truyền cơ

năng cho chất lỏng. Sự tăng áp suất chất lỏng trong bánh được tạo ra chủ yếu là nhờ
tác dụng của lực ly tâm.
Ở bơm ly tâm, cửa vào của chất lỏng vào bánh công tác theo hướng trục, còn cửa
ra - theo hướng kính.


29

Các bơm ly tâm có loại thẳng đứng, có loại nằm ngang. Bơm đặt đúng dành được
nhiều sự ưu tiên hơn vì nó chiếm ít diện tích.
Nhược điểm cơ bản của bơm ly tâm là không có khả năng tự hút, hay còn gọi là
hút khan hoặc hiện tượng e, khi trong đường ống có không khí. Cho nên trước
khi khởi động bơm ly tâm, bơm và đường ống phải được điền đầy chất lỏng. Với mục
đích này bơm được cung cấp một thiết bị tự hút đặc biệt - bơm chân không, dùng để
đẩy không khí khỏi đường ống hút, nhờ nó mà bơm và đường ống được điền đầy chất
lỏng. Nếu bơm nằm thấp hơn mực chất lỏng trong bể chứa, thì không cần trang bị
thiết bị tự hút cho bơm.
Bơm chân không, là các bơm hút khô, làm việc trong các hệ thống hút khô.
Khi chọn bơm ly tâm cho hệ thống tàu thủy, cần phải biết các đặc tính của nó, là
các quan hệ theo đồ thị cột áp H, công suất N và hiệu suất  đối với lưu lưọng Q khi
vận tốc quay của bơm cố định n, vg/ph (hình 2.9). Chúng được xây dựng nhờ thử
bơm trên bệ thử và đưa vào các Catalogue. Nếu kết hợp đặc tính của đường ống với
đặc tính H = f(Q) của bơm (hình 2.10), thì có thể xác định được chế độ làm việc của
bơm. Điểm A, giao điểm của đường đặc tính bơm và ống, được gọi là điểm làm việc
của bơm. Nó chỉ ra rằng, bơm làm việc với đường ống đã cho, sẽ đảm bảo lưu lượng
Q
1
và cột áp H
1
. Nếu thay đổi đặc trưng của ống gây ra sự dịch chuyển của điểm A

theo đường đặc tính của bơm, và dĩ nhiên, gây ra thay đổi chế độ làm việc của bơm.




Hình 2.9. Đặc tính của bơm ly tâm. Hình 2.10. Xác định cột áp làm việc
của bơm

Khi xây dựng đặc tính ống, người ta sử dụng mối quan hệ:
,Q.KhH
2
TPCTTP
 m.c.n. (2.28)


30

trong đó:
h
CT
- chiều cao cấp tĩnh, bằng tổng chiều cao hình học và chiều cao áp
suất, chiều cao áp suất có nghĩa là chiều cao ứng với áp suất dư (hộp khí
nén, đường ống cứu hỏa, v.v.).
K - đại lượng không đổi, xác định đối với mỗi đường ống, nó bao gồm các
trị số tính toán không đổi của các công thức xác định tổn thất thủy lực.
Q
TP
- lưu lượng chất lỏng qua ống.
Tưởng tượng bây giờ, trong ống chất lỏng được cấp không phải bằng 1 bơm mà là
2, chúng được nối với ống song song. Khi nối song song thì sẽ bảo đảm cấp nhiều

chất lỏng hơn vào đường ống. Chúng ta giả sử rằng, các bơm là như nhau và đặc tính
H = f(Q) của mỗi bơm được mô tả bằng đường cong 1 (hình 2. 11, a).



Hình 2.11. Sự phối hợp làm việc của các bơm ly tâm.
a - khi làm việc song song; b - khi làm việc nối tiếp.

Đặc tính tổng 2 của hai bơm song song nhận được bằng cách cộng lưu lượng của
chúng lại khi các cột áp như nhau (hình 2.11, a). Đem đặc trưng ống 3 so với các đặc
tính này ta sẽ nhận được các điểm làm việc A
1
và A
2
xác định được lượng chất lỏng
mà bơm vận chuyển trong đưềng ống bằng một và hai bơm làm việc song song.
Trong thực tế còn gặp các bơm làm việc nối tiếp. Khi mắc nối tiếp, cột áp của
bơm nâng cao (hình 2.11, b). Trên hình vẽ, đường cong 1 là đường đặc tính của một
bơm, còn đường cong 2 là đặc tính của bơm khác.