Đồ án tốt nghiệp thiết kế bơm ly tâm hai cấp hai miệng hút

Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................vi
Chương 1..................................................................................................................1
TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM CÁNH DẪN.........................................................1
1.1 Sự ra đời và phát triển của máy cánh dẫn..............................................................1
1.2 Phân loại và phạm vi sử dụng................................................................................3
1.2.1 Phân loại theo số vòng quay đặc trưng.......................................................3
1.2.2 Theo dạng chất lỏng vận chuyển................................................................4
1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của máy bơm ly tâm ở trong và
ngoài nước.....................................................................................................................4
1.3.1 Công dụng và lĩnh vực sử dụng của bơm cánh dẫn...................................4
1.3.2 Ứng dụng bơm ly tâm trong công nghiệp khai thác..................................6
1.3.2.1 Bóc đất đá trong khai thác lộ thiên...............................................8
1.3.2.2 Vận chuyển than bùn, than cám, nạo vét đáy moong..................9
1.3.2.3 Vận chuyển than kíp lê thương phẩm.........................................10
1.3.2.4 Thoát nước trong khai thác..........................................................11
1.3.3 Ưu nhược điểm của bơm ly tâm, vỏ xoắn hai cấp...................................11
1.3.3.1 Ưu điểm.......................................................................................11
Kích thước hình học nhỏ gọn, kết cấu hai nửa dễ dàng tháo lắp sửa
chữa;................................................................................................................11
Làm việc ổn định hơn;.............................................................................11
Giảm giá thành sản phẩm;.......................................................................11
Hiệu suất cao............................................................................................11
1.3.3.2 Nhược điểm.................................................................................11
Công nghệ gia công phức tạp..................................................................11
Đòi hỏi yêu cầu kĩ thuật cao....................................................................11
Cánh cấp hai bị ăn mòn nhanh hơn.........................................................11
1.3.4 Kết cấu của bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp.................................................12
Chương 2...............................................................................................................13
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM LY TÂM VỎ XOẮN, HAI CẤP.....................13

2.1 Thông số thiết kế bơm của đồ án.........................................................................13
2.2 Tính toán thủy lực bánh công tác.........................................................................13
2.2.1 Tính toán các thông số làm việc của bánh công tác.................................13
2.2.1.1 Xác định số vòng quay đặc trưng của bơm.................................14
2.2.1.2 Xác định hiệu suất và công suất của bơm...................................14
2.2.2 Tính các kích thước vào chính của bánh công tác...................................16
2.2.3 Xác định các thông số ra chính của bánh công tác..................................20
2.2.4 Thiết kế biên dạng kinh tuyến bánh công tác...........................................27
2.2.4.1: Các phương pháp thiết kế bánh công tác bơm ly tâm................27
2.2.4.1: Tính toán thiết kế biên dạng kinh tuyến bánh công tác.............28
i


Đồ án tốt nghiệp
2.2.5 Tính toán xây dựng biên dạng cánh bánh công tác..................................32
2.3 Tính toán thiết kế buồng xoắn..............................................................................52
2.3.1 Kết cấu công dụng của cơ cấu dẫn dòng ra..............................................52
2.3.2 Các đặc điểm của buồng xoắn..................................................................53
2.3.3 Đặc tính của cơ cấu dẫn dòng xoắn..........................................................53
2.3.4 Chuyển động của chất lỏng trong buồng xoắn.........................................56
2.3.5 Tính toán thiết kế buồng xoắn hình thang quy luật vur = const..............57
2.4 Tính toán thiết kế buồng dẫn dòng vào................................................................62
2.4.1 Kết cấu và nhiệm vụ.................................................................................63
2.4.2. Những ưu điểm khi sử dụng buồng hút nửa vỏ xoắn trong bơm ly tâm
vỏ xoắn hai cấp..................................................................................................63
2.4.3. Phân tích khả năng làm việc và chọn các kích thước tính toán thuỷ lực
cơ bản của buồng hút nửa vỏ xoắn....................................................................64
2.4.4 Tính toán thuỷ lực và xác định các kích thước cơ bản phần dẫn dòng
chuyển tiếp từ cấp I sang cấp II trong bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp.................72
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC BƠM................................................................76

3.1 Tính sơ bộ kích thước hình học của trục bơm.....................................................76
3.1.1 Chọn vật liệu............................................................................................76
3.1.2 Tính sơ bộ đường kính trục bơm.............................................................76
3.1.3 Tính chọn chiều dài trục..........................................................................77
3.1.4 Các loại tải trọng tác dụng lên trục...........................................................78
3.1.4.2 Trọng lượng của trục...................................................................78
3.2 Mômen xoắn dẫn động bơm................................................................................79
3.3 Tính sơ bộ độ võng tại tiết diện bánh công tác:...................................................79
3.4 Tính toán xác định tốc độ quay tới hạn của trục bơm.........................................80
3.5 Tính phản lực tại các gối đỡ.................................................................................80
3.6 Xác định moomen tương đương tại các vị trí.....................................................81
3.7 Biểu đồ momen.....................................................................................................83
3.8. Kiểm nghiệm trục về độ bền...............................................................................84
3.8.1 Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh.............................................................84
3.9. Chọn ổ..................................................................................................................87
3.10 Chọn then và kiểm nghiệm bền then..................................................................89
Chương 4................................................................................................................60
TÍNH CHUỖI LẮP GHÉP VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ
TẠO BÁNH CÔNG TÁC......................................................................................60
4.1 Tính chuỗi lắp ghép..............................................................................................60
4.2 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bánh công tác.........................................61
4.2.1 Nguyên công 1: Kiểm tra theo quy trình công nghệ đúc và lấy dấu.......61
- Vật đúc không được nứt, khuyết tật, cong vênh, rổ xỉ, rổ khí.................................61
- Chi tiết được làm sạch trước khi gia công cơ..........................................................61
- Rà mũi dò theo chân cánh bánh công tác, lấy sai số trung bình của 7 cánh, xác
định tâm của bánh công tác làm chuẩn thô để kẹp chặt, định vị bánh công tác trước
khi gia công cơ............................................................................................................61
4.2.2 Nguyên công 2:.........................................................................................62
Bước 1: Kẹp mâm cặp 3 chấu vào Φ102, rà tròn bánh công tác theo tâm đã lấy
dấu ở nguyên công 1..........................................................................................62

ii


Đồ án tốt nghiệp
Bước 2: Tiện thô và tinh các kích thước Φ420; Φ70 và Φ190 đạt dung sai kích
thước...................................................................................................................62
Bước 3: Khỏa mặt đầu mặt B đạt kích thước 42mm.........................................62
Và mặt A đạt kích thước 25mm so với mặt B...................................................62
Bước 4: kiểm tra kích thước..............................................................................62
4.2.3 Nguyên công 3..........................................................................................62
Bước 1: đảo đầu chi tiết, kẹp mâm cặp 3 chấu vào Φ190, rà tròn bánh công tác
theo Φ420 và kẹp chặt.......................................................................................62
Bước 2 : tiện thô và tinh các kích thước Φ102 đạt dung sai lắp ghép..............62
và Φ70................................................................................................................62
Bước 3 : khỏa mặt đầu mặt C đạt kích thước 88 mm.......................................62
Bước 4: kiểm tra kích thước theo bản vẽ..........................................................62
4.2.4 Nguyên công 4: Xọc rãnh then.................................................................63
Bước 2: xọc rãnh then theo dấu, kích thước yêu cầu bản vẽ kĩ thuật...............63
Hình 4.4 Nguyên công 4....................................................................................63
4.2.5 Nguyên công 5: cân bằng tĩnh..................................................................63
4.2.6 Nguyên công 6 : Kiểm tra.........................................................................64
4.2.7 Nguyên công 7 : Sơn chống rỉ các bề mặt theo bản vẽ kỹ thuật..............64

Danh mục hình ảnh

Hình 2.4.1. Sơ đồ kết cấu và các tiết diện buồng hút nửa vỏ xoắn 64
Hình 2.4.3 Biểu đồ biến đổi tiết diện buồng hút nửa vỏ xoắn 65
Hình2.4.4. Sơ đồ buồng hút nửa vỏ xoắn 65
iii

Đồ án tốt nghiệp
Hình 2.4.5. Sơ đồ nguyên lý tính toán các kích thước tiết diện phần vỏ xoắn của
buồng hút nửa vỏ xoắn. 67
Hình 2.4.6: Biên dạng buồng nửa xoắn 72
Hình 2.4.7 mặt cắt dọc bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp 73
Hình 2.4.8 Kênh chuyển tiếp từ cấp I sang cấp II 73
Hình2.4.9. Quy luật biến đổi diện tích theo đường dòng tâm phần chuyển tiếp
74
Hình 2.4.10 Đường tâm và các mặt cắt buồng chuyển tiếp 75
Hình 3.1 Chiều dài các đoạn trục 78
Hình 3.3: Sơ đồ đặt lực 80
83
83
Hình 3.4 Biểu đồ momen 83
Hình 4.1 : sơ đồ chuỗi lắp ghép 60
Hình 4.2 Nguyên công 2 62
63
Hình 4.5 Nguyên công 5 63

iv


Danh mục bảng số
Bảng 3.1, Bảng tính toán buồng nửa xoắn 69
Bảng 3.2: tính cho 8 tiết diện cách nhau 1 góc 22,50 70
Bảng 3.1: Các thông số ổ lăn trên trục 88

v

Đồ án tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU
Máy bơm cánh dẫn nói riêng và các công trình trạm bơm nói chung được sử
dụng rất phổ biến trong nền kinh tế quốc dân. Bơm cánh dẫn là loại máy thực hiện
việc trao đổi cơ năng với dòng chất lỏng, biến cơ năng nhận được từ động cơ thành
cơ năng của dòng chất lỏng.
Điểm nổi bật của máy bơm là ứng dụng rộng rãi của nó trong nền kinh tế quốc
dân, trong công nghiệp, nông nghiệp cũng như trong đời sống.
Việc bơm nước thải phục vụ cho các khu công nghiệp và thoát nươc trong khai
thác mỏ là vấn đề phức tạp không những ở Việt Nam mà còn ở trên khắp thế giới.
Trong thực tế, có thể sử dụng nhiều kiểu bơm khác nhau để phục vụ mục đích trên,
tuy nhiên việc sử dụng bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp là giải pháp hợp lý và đem lại
hiệu quả tốt hơn cả.
Được sự định hướng của PGS-TS Bùi Quốc Thái, em đã nhận đề tài “Tính toán,
thiết kế bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp” để làm đồ án Tốt nghiệp chuyên ngành Máy
và tự động thủy khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Trong quá trình làm đồ
án do kinh nghiệm thực tế cũng như kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế nên đồ án
của em chắc chắn còn có nhiều thiếu sót. Em kính mong nhận được sự chỉ bảo của
các thầy cô trong bộ môn Máy và tự động thủy khí cũng như sự đóng góp ý kiến
của các bạn để em hoàn thành đồ án này và đặc biệt là để em bổ sung hoàn chỉnh
kiến thức về sau này.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy giáo PGSTS Bùi Quốc Thái và sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong bộ môn Máy và
tự động thủy khí đã giúp em hoàn thành đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn
Sinh viên thực hiện: Hoàng Quốc Anh

vi


Đồ án tốt nghiệp
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM CÁNH DẪN
1.1 Sự ra đời và phát triển của máy cánh dẫn
Máy bơm cánh dẫn là loại máy dùng để vận chuyển và cung cấp năng lượng
cho dòng chất lỏng. Máy bơm làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng của động cơ thành
thủy năng của dòng chất lỏng. Bơm là một trong những phát minh sớm nhất trong
suốt chiều dài lịch sử của nền văn minh nhân loại. Khoảng 2000 năm trước công
nguyên, người Ai Cập đã phát minh ra chiếc gầu để múc nước. Chiếc gầu sử dụng
một cái cần treo dài với một cái gầu ở một đầu cần, và một đầu còn lại là một đối
trọng, hoạt động theo nguyên lý đòn bẩy.
Khoảng 200 năm trước công nguyên, nhà phát minh, nhà toán học người người
Hy Lạp tên là Ctesibius đã phát minh ra một máy bơm nước một đầu bơm dùng để
hút không khí nhờ cơ cấu piston và van một chiều, thùng chứa chất lỏng được đặt ở
giữa, các ống đẩy được đặt ở phía trên của thùng chất lỏng. Khi không khí được hút
ra sẽ tạo độ chân không làm cho chất lỏng trong thùng chứa theo các đường ống hút
đi lên phía trên. Đây cũng là nguyên lý hoạt động của các bơm hiện đại được biết
đến ngày nay.
Vào năm 1475, theo Reti, một quân nhân, nhà sử học người Brazil, chiếc máy
đầu tiên có những đặc điểm giống như một bơm ly tâm hiện đại là một máy bơm
bùn đã xuất hiện trong một luận văn của một kỹ sư người Ý thời kỳ Phục hung tên
là Francesco di Giorgio Martini.
Đến năm 1687, một nhà phát minh sinh ra tại Pháp tên là Denis Papin đã thiết
kế và chế tạo bơm ly tâm thực đầu tiên, bơm có cánh thẳng và được sử dụng cho hệ
thống thoát nước của địa phương.
Năm 1738, trong lĩnh vực thủy động lực học, nhà toán học, nhà vật lý học nổi
tiếng thế giới Daniel Beroulli đã công bố nguyên lý của dòng chất lỏng không nhớt,

đó là sự gia tăng của vận tốc dòng chảy xảy ra theo sự gia tăng của áp suất hoặc thế
năng của chất lỏng một cách tương ứng trong cuốn sách “Hydrodynamica”. Nguyên
lý này được áp dụng nhiều loại dòng chảy và được thể hiện qua phương trình
Bernulli nổi tiếng.
1


Cũng trong quãng thời gian này, nhà bác học Leonhard Euler (1707 – 1783)
sinh ra tại Thụy Sỹ, mất tại Nga đã nghiên cứu và đưa ra lý thuyết về động lượng
nổi tiếng, lý thuyết này đã được ứng dụng để thiết lập nên phương trình cơ bản của
máy thủy lực cánh dẫn.
Phương trình Navier – Stokes được Navier thành lập năm 1822 và sau đó được
Stokes hoàn thiện vào khoảng năm 1845. Phương trình Navier – Stokes là phương
trình vi phân chuyển động của chất lỏng thực. Sự ra đời của phương trình Navier –
Stokes đặt dấu mốc quan trọng cho lĩnh vực khoa học về cơ học chất lỏng.
Những năm sau đó, nhà vật lý học người Anh Osbone Reynolds (1842-1912) đã
công bố các công trình khoa học về động lực học chất lỏng. Công trình thực nghiệm
của Reynolds tìm ra tổ hợp không thứ nguyên, gọi là số Reynolds (năm 1833) đã
đánh dấu một mốc quan trọng trong việc phân định chế độ chuyển động tầng và rối.
Phương trình Reynolds là cơ sở để phân tích rối và giải các bài toán dòng rối, áp
dụng nhiều cho các thiết kế bơm cánh dẫn hiện đại.
Năm 1851, nhà phát minh người Anh John Appold đã giới thiệu đường đặc tính
của bơm cánh dẫn.
Năm 1851 John Gwynne đệ trình bằng sang chế đầu tiên về bơm ly tâm. Những
chiếc bơm ly tâm của ông đã được sử dụng cho các hệ thống cấp thoát nước ngay
lúc đó, và rất nhiều trong số chúng vẫn có thể được tìm thấy ngày nay trong các
phân xưởng chứa bơm hoặc bảo tàng. Vào cuối những năm của thế kỷ XIX,
Gwynne đã sản xuất các loại bơm với đầy đủ các kích cỡ sử dụng trong tất cả các
ứng dụng công nghiệp, từ những chiếc bơm chạy bằng động cơ điện loại nhỏ tới
những chiếc có lưu lượng lên đến hang nghìn mét khối trên giờ. Công ty của ông

cũng bắt đầu thực hiện nghiên cứu khoa học về bơm, ví dụ như những chiếc bơm
bằng sứ dùng cho công nghiệp hóa chất. Vào những năm 1930, công ty của ông đã
sản xuất đến hàng nghìn các mẫu bơm khác nhau.
Trong thời gian đầu của thế kỷ XX, nhà bác học người Nga Joukowski N. E
(1847-1921) đã sáng lập nên ngành lý thuyết cánh và lý thuyết thủy khí động lực
học, đã đóng góp quan trọng, cơ bản cho sự phát triển của lĩnh vực máy thủy khí
cánh dẫn.

2


Đồ án tốt nghiệp
Nhìn chung, trước thế kỷ XVII, các dạng máy thủy khí nói chung và máy bơm
cánh dẫn nói chung còn rất thô sơ. Bước sang thế kỷ XIX, các loại tuabin và bơm
cánh xuất hiện nhiều với kết cấu có công suất và hiệu suất đáng được ghi nhận. Các
nhà phát minh ra máy, thông thường là các kỹ sư. Các máy thủy khí cánh dẫn đầu
tiên được ra đời ở các nước Pháp, Nga, Đức, Anh, Mỹ…Các máy này dần được
hoàn thiện thông qua quá trình sử dụng trong thực tế.
1.2 Phân loại và phạm vi sử dụng
1.2.1 Phân loại theo số vòng quay đặc trưng
Dựa vào số vòng quay đặc trưng n s của bánh công tác, người ta chia bơm cánh
dẫn ra thành các loại sau:
Bánh công tác ly tâm:
-

Có số vòng quay ns nhỏ:

50-80

-

Có số vòng quay ns trung bình:

80-150

-

Có số vòng quay ns lớn:

150-300

Bánh công tác bơm hướng chéo (hỗn lưu)

300-600

Bánh công tác hướng trục

600-1800

Bảng 1.1: Phân loại bánh công tác theo
Bánh công tác ly tâm

Bánh công tác Bánh công tác

nhỏ

trung bình

lớn

= 40÷80

= 80÷150

= 150÷300

= 300÷600

= 600÷1200

= 2,5÷2,0

= 2,0÷1,8

= 1,8÷1,4

= 1,2÷1,0

= 1,0

hướng chéo

hướng trục

3


1.2.2 Theo dạng chất lỏng vận chuyển
Theo dạng chất lỏng vận chuyển, bơm cánh dẫn có các loại sau:
-

Bơm vận chuyển nước sạch

-

Bơm vận chuyển hỗn hợp nước với chất bột và chất rắn

-

Bơm vận chuyển dầu mỏ và các sản phẩm của dầu mỏ

-

Bơm vận chuyển các dung dịch hóa chất, kim loại lỏng.

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của máy bơm ly tâm ở
trong và ngoài nước.
1.3.1 Công dụng và lĩnh vực sử dụng của bơm cánh dẫn
Bơm cánh dẫn có ứng dụng rất rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, trong công
nghiệp, nông nghiệp cũng như trong đời sống.
Bơm có rất nhiều loại khác nhau, chúng được dùng để vận chuyển mọi loại chất lỏng
như chất lỏng đặc, chất lỏng có độ nhớt lớn, chất lỏng nóng, chất lỏng dễ bay hơi…kể
cả các hỗn hợp nước với chất rắn. Trong các loại bơm thì bơm ly tâm được dùng phổ
biến nhất
Trong công nghiệp, bơm ly tâm được dùng để cấp nước cho các nhu cầu kỹ thuật
của nhà máy như cấp nước cho nồi hơi trong các nhà máy nhiệt điện, cấp nước cho các
hệ thống làm mát và cho các nhu cầu vệ sinh công nghiệp.
Bơm ly tâm còn được sử dụng trong công nghiệp khai thác mỏ và xây dựng để hút
nước từ những giếng sâu, hút các hỗn hợp nước với đất và vận chuyển các hỗn hợp
nước với chất rắn nghiền nhỏ.

Trong công nghiệp dẩu mỏ, bơm ly tâm được dùng nhiều để hút dầu từ dưới giếng
và vận chuyển các sản phẩm của dầu mỏ. Ngày nay việc vận chuyển dầu mỏ theo
đường ống được sử dụng khá phổ biến và với các khoảng cách rất xa tới hàng nghìn
kilômét.
Thực tế tính toán và sử dụng cho thấy rằng, việc vận chuyển theo đường ống
kinh tế hơn rất nhiều so với các phương tiện vận chuyển khác. Do hiệu quả kinh tế
cao của việc vận chuyển chất lỏng theo đường ống, người ta đang nghiên cứu sử
4


Đồ án tốt nghiệp
dụng các đường ống để vận chuyển các nguyên vật liệu hạt rời và các hang hóa
khác.
Trong công nghiệp hóa chất, bơm ly tâm cũng được ứng dụng rộng rãi để vận
chuyển các dung dịch hóa chất như axit, kiềm, muối…Trong công nghiệp và đời
sống, bơm ly tâm được dùng để tưới, tiêu, cung cấp nước cho thành phố, cho các
nhu cầu của đời sống.
Bơm hướng trục có lưu lượng lớn và áp suất nhỏ, nó được sử dụng chủ yếu
trong nông nghiệp để tưới, tiêu. Bơm hướng trục cũng được dùng trong công nghiệp
để cung cấp nước cho nồi hơi có lưu lượng lớn và áp suất không lớn lắm. Trong
công nghiệp đóng tàu, bơm hướng trục là một trong số các thiết bị phụ của tàu thủy,
được dùng chủ yếu trong các hệ thống tuần hoàn làm lạnh và tiêu nước trong tàu.
Mỗi loại bơm có các thông số làm việc (Q, H) xác định. Phạm vi làm việc của
chúng được giới hạn bởi các thông số làm việc đó. Dựa vào các thông số làm việc,
người ta xây dựng trong hệ tọa độ logarit biểu đồ phạm vi ứng dụng của các loại
bơm khác nhau (hình 1.2).

Hình 1.2. Phạm vi sử dụng của các loại bơm khác nhau
Nhìn trên biểu đồ cho thấy, bơm piston được sử dụng trong phạm vi:
Q = 1 ÷ 400 m3/h

H = 10 ÷ 10000 mH2O
5


Trong các loại bơm cánh dẫn thì bơm ly tâm có phạm vi sử dụng rộng rãi nhất:
Q = 1 ÷ 100000 m3/h
H = 10 ÷ 3500 mH2O
Bơm hướng trục có phạm vi sử dụng hẹp hơn, nó thường được dùng khi có lưu
lượng lớn và áp suất nhỏ. Lưu lượng và cột áp của bơm thay đổi trong phạm vi:
Q = 100 ÷ 100000 m3/h
H = 1 ÷ 20 mH2O
Bơm cánh dẫn có thể nối trực tiếp với các loại động cơ hiện đại, vận tốc quay
lớn như động cơ điện, tuabin hơi và tuabin khí rất thuận lợi.
Dòng chất lỏng chuyển động qua bánh công tác cánh dẫn liên tục và ổn định
nên vận tốc dòng chất lỏng lớn hơn nhiều so với vận tốc dòng chất lỏng trong bơm
piston. Vì vậy bơm cánh dẫn cùng với giá trị lưu lượng làm gọn nhẹ hơn nhiều so
với bơm piston.
Hiệu suất của chúng, với cùng giá trị cột áp không kém nhiều so với bơm
piston. Ngày nay, do đã hoàn thiện được các phương pháp thiết kế và chế tạo bơm
cánh dẫn nên chúng được sử dụng rộng rãi cả với áp suất cao tới 3500 m cột nước
và có thể hơn nữa.
Dựa vào biểu đồ phạm vi sử dụng bơm, căn cứ vào các thông số làm việc
(Q, H) ta chọn được các loại bơm thích hợp cho việc tính toán, thiết kế và sử
dụng bơm.
1.3.2 Ứng dụng bơm ly tâm trong công nghiệp khai thác.
Với sự phát triển của ngành khai thác mỏ, đòi hỏi tăng công suất các trạm bơm
mỏ. Đặc biệt các mỏ khai thác ở tầng sâu đòi hỏi các loại bơm có cột áp lớn.
Để đáp ứng nhu cầu khai thác mỏ: Bơm mỏ được nghiên cứu theo các hướng
nâng cao hiệu suất bơm đảm bảo chỉ tiêu kinh tế, hoàn thiện kết cấu đơn giản gọn
nhẹ dễ sử dụng, các vật liệu chịu mài mòn và ăn mòn hoá học nhằm nâng cao tuổi

thọ và độ tin cậy làm việc của bơm mỏ.
Khoảng 10 năm gần đây với sự trợ giúp của tin học, chương trình hoá các
6


Đồ án tốt nghiệp
phương pháp thiết kế về mặt thuỷ lực và kết cấu đã sản xuất được nhiều chủng loại
máy bơm mỏ chất lượng cao phục vụ sản xuất.
Nội dung nghiên cứu bơm mỏ xuất phát từ việc nghiên cứu bản chất môi trường làm
việc của bơm gồm nước mặt chảy vào mỏ qua khe nứt và nước ngầm, các loại chất rắn
trong nước, nồng độ kích cỡ, độ cứng của các chất rắn trong dung dịch bơm.
Trên cơ sở xác định bản chất nước mỏ được phân ra các loại, nước mềm, nước
cứng, nước có độ axit và nước có độ kiềm để xác định vật liệu tương ứng cho các
chi tiết mau mòn thuộc bộ dẫn dòng của các loại bơm mỏ.
Vấn đề ăn mòn cơ học (xói mòn) trong bơm mỏ được nghiên cứu theo hướng
kết cấu thuỷ lực hợp lý và vật liệu của bộ dẫn dòng được các nước đặc biệt quan
tâm.
Hiện tượng mài mòn và xói mòn do các chất rắn trong nước mỏ gây nên, cường
độ ăn mòn và mài mòn không chỉ phụ thuộc vào nồng độ, kích thước, độ cứng của
các chất trong nước mà còn phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc dòng chảy, hệ số cản
thủy lực ở vùng có hệ số tổn thất cục bộ lớn.
Các chi tiết của bơm mỏ thường bị mài mòn và xói mòn là bánh công tác, trục,
ống lót, vành mòn, vành làm kín, ống dẫn và vỏ bơm. Các dạng ăn mòn và mài mòn
rất phức tạp và phụ thuộc vào quá nhiều yếu tố.
Ngoài việc các chi tiết bơm bị ăn mòn hoá học và xói mòn (ăn mòn cơ học)
chúng còn chịu mỏi vì dòng chảy trong bơm với chất lỏng chứa nhiều loại chất rắn có
nồng độ khác nhau, kích thước vật rắn cũng khác nhau theo thời gian tạo nên dòng
chảy trong bơm không ổn định chịu dao động theo tần số khác nhau của các loại
bơm. Việc nghiên cứu độ bền mỏi vật liệu phi kim loại dùng cho các loại bơm mỏ
cũng được các nước chú trọng đầu tư thích đáng về cơ sở vật chất.

Sử dụng máy bơm cánh dẫn trong khai thác mỏ nói chung và khai thác than nói
riêng có nhiều công đoạn khác nhau, mỗi công đoạn phải sử dụng những loại máy bơm
chuyên dùng khác nhau để đảm bảo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong khai thác.

7


1.3.2.1 Bóc đất đá trong khai thác lộ thiên
Các nước tiên tiến, để khai thác lộ thiên người ta sử dụng các loại máy bơm
nước sạch có áp suất lớn và lưu lượng lớn để bắn phá thông qua vòi phun tăng áp
bóc đất đá. Điển hình như Cộng Hoà Liên Bang Đức, Đan Mạch thường sử dụng
các loại máy bơm ly tâm một cấp của hãng Grundfos có áp suất đến 100m và lưu
lượng đến 1.000m3/h. Trên hình 1.1. là kết cấu chung của máy bơm CM-4 do hãng
Grundfos - Đan Mạch chế tạo có áp suất lớn và lưu lượng lớn trong hệ thống tăng
áp khai thác lộ thiên.

Hình 1.3 .Máy bơm dãy CM- 4 do Grundfos - Đan Mạch chế tạo
Tại các nước thuộc hệ thống xã hội chủ nghĩa cũ, điển hình là Liên Xô cũ
thường dùng các loại máy bơm cánh dẫn nhiều tầng cánh có lưu lượng trung bình
song cột áp lại cực cao đạt tới 1.900m như dãy bơm hệ HC mà không qua hệ thống
tăng áp. Đặc thù của loại máy bơm này là tốc độ quay cao, máy gọn nhẹ. Hệ thống
khai thác bắn phá đất đá gọn nhẹ, song công nghệ chế tạo phức tạp, đặc biệt là vật
liệu và công nghệ cân bằng Rôto của bơm. Trên hình 1.2. là kết cấu điển hình của
dãy bơm hệ HC do Liên Xô cũ chế tạo thường được sử dụng như một thiết bị có áp
suất lớn để bóc đất đá tại các mỏ lộ thiên.

8


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.4. Kết cấu điển hình của dãy bơm hệ HC do Liên Xô cũ chế tạo.
1.3.2.2 Vận chuyển than bùn, than cám, nạo vét đáy moong
Đây là loại máy bơm chuyên dùng có kết cấu đặc biệt, ví dụ dãy bơm cát có ký
hiệu HΠ do Liên Xô cũ chế tạo thì liên kết giữa thân bơm và vỏ bơm ở dạng bản lề
để dễ tháo lắp khi bơm dung dịch có nồng độ lớn. Đặc biệt biên dạng cánh bơm có
bề dầy ở cửa ra lớn hơn nhiều so với cửa vào do hạt rắn quá nhỏ (cát, sa khoáng như
thiếc, vàng) thường bào mòn ở cửa ra nhiều hơn. Kết cấu này nhằm nâng cao tuổi
thọ của bơm. Trên hình 1.3. là kết cấu điển hình của dãy bơm cát có lưu lượng và áp
suất không lớn nhưng cho phép bơm dung dịch chất lỏng có nồng độ γ cao.

Hình 1.5. Kết cấu điển hình của dãy bơm cát HΠ do Liên Xô cũ chế tạo
Khi nạo vét bùn, vận chuyển than cám, thích hợp hơn sử dụng bơm bùn điển hình
như dãy bơm P, Γp. Đặc điểm của loại bơm này là vỏ tròn đều, hai lớp để dễ thay thế
khi mòn hỏng. Biên dạng cánh có kết cấu cửa vào dầy hơn nhiều so với cửa ra để phù
hợp với chất rắn trong dung dịch bơm có kích thước lớn và nhọn sắc. Trên hình 1.4. là
kết cấu điển hình của dãy bơm bùn dạng P do Liên Xô cũ chế tạo.
9


Hình 1.6.Kết cấu điển hình của dẫy bơm bùn P do Liên Xô cũ chế tạo thường sử
dụng để nạo vét bùn và vận chuyển than cám tại các mỏ than.
1.3.2.3 Vận chuyển than kíp lê thương phẩm
Đây là lĩnh vực khá phổ biến ở các nước như Mỹ, Nga, Nhật Bản ngày này. Yêu
cầu của việc vận chuyển là than cục lớn, không bị vỡ vụn trong quá trình vận chuyển.
Với yêu cầu này ở ngoài nước thường sử dụng các loại bơm xoáy tự do. Khả năng
của các loại máy bơm này có thể bơm được các loại hạt rắn có kích thước lớn nhất
bằng 80% kích thước ống xả của bơm. Nguyên lý làm việc của nó là nhờ dòng xoáy
tự do. Trong bơm truyền năng lượng (cơ năng) từ bánh công tác cho chất lỏng và chất
rắn thông qua lực ma sát. Với nguyên lý này chất rắn trong chất lỏng hầu như không

tiếp xúc với cánh bơm và ít tiếp xúc với vỏ xoắn, bảo đảm thoát nhanh và không bị
vỡ vụn khi đi qua bơm. Do quá nhiều ưu điểm như vậy nên các loại máy bơm này
còn sử dụng để vận chuyển thực phẩm như cá, khoai tây, cà rốt, v.v… Trên hình 1.7.
là sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm xoáy tự do loại CBH do Mỹ, Thuỵ Điển và
Cộng Hoà Liên Bang Đức chế tạo.

Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm xoáy tự do loại CBH
10


Đồ án tốt nghiệp
1.3.2.4 Thoát nước trong khai thác
Trong khai thác than dù là hầm lò hay lộ thiên, việc thoát nước đảm bảo sản
xuất là điều không thể thiếu được. Đặc biệt nước tại các moong khi khai thác lộ
thiên và nước ngầm khi khai thác hầm lò thông thường có tính ăn mòn hoá học và
mài mòn cơ học. Các loại máy bơm sử dụng ở công đoạn này có yêu cầu rất đặc biệt
như: Lưu lượng lớn, áp suất cao, làm việc ổn định, tuổi thọ cao và dễ thay thế các
chi tiết mau mòn hỏng.
Thông thường các nước trên thế giới sử dụng hai loại máy chính là:
- Máy bơm li tâm hai miệng hút
- Máy bơm li tâm vỏ xoắn hai hoặc bốn cấp.
Sử dụng máy bơm cánh dẫn trong khai thác mỏ nói chung và khai thác than nói
riêng, các nước phân ra các công đoạn như sau:
-

Cung cấp nước sạch, bóc đất đá ở các mỏ lộ thiên thường dùng máy bơm nước

sạch có cột áp từ một vài chục mét đến một vaì trăm mét, lưu lượng trung bình;
-

Vận chuyển than bùn than cám thường sử dụng các loại bơm bùn cát:

-

Vận chuyển các loại than kíp lê ngày nay sử dụng các loại bơm xoáy tự do;

1.3.3 Ưu nhược điểm của bơm ly tâm, vỏ xoắn hai cấp
1.3.3.1 Ưu điểm
• Kích thước hình học nhỏ gọn, kết cấu hai nửa dễ dàng tháo lắp sửa chữa;
• Làm việc ổn định hơn;
• Giảm giá thành sản phẩm;
• Hiệu suất cao.
1.3.3.2 Nhược điểm
• Công nghệ gia công phức tạp
• Đòi hỏi yêu cầu kĩ thuật cao
• Cánh cấp hai bị ăn mòn nhanh hơn.

11


1.3.4 Kết cấu của bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp

Hình 1.10. Kết cấu bơm ly tâm vỏ xoắn, hai cấp
Trong đó:
1 - Nửa thân dưới

12 - Nút xả khí

2 - Sợi túp

13 - Nửa thân trên

3 - ống lót trục

14 - Bánh công tác quay trái

4 - Thân ổ lăn

15 - Vành mòn

5 - Nửa khớp nối bên bơm

16 - ống chặn trục

6 - Bích ép túp

17 - Đai ốc hãm

7 - Đường nước làm kín và mát túp

18 - Trục bơm

8 - Vòng chia nước

19 - Nắp ổ lăn

9 - Nút quan sát

20 - Khoang làm mát

10 - Bánh công tác quay phải

21 - Then

11 - Vành phân cánh.

22 - Then bánh công tác

12


Đồ án tốt nghiệp

Chương 2
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM LY TÂM VỎ XOẮN, HAI CẤP
2.1 Thông số thiết kế bơm của đồ án
Các thông số kỹ thuật của tổ máy bơm nước thải bao gồm:
Cột nước bơm: H = 120mH2O
Lưu lượng: Q = 200 m3/h = 0,0056 m3/s
Số vòng quay: n = 1450 v/ph
2.2 Tính toán thủy lực bánh công tác
Bánh công tác là chi tiết quan trọng nhất của bơm ly tâm. Các cánh dẫn của
bánh công tác trực tiếp làm nhiệm vụ trao đổi năng lượng với dòng chất lỏng
chuyển động qua máy.
Bánh công tác của bơm ly tâm được tính toán thiết kế theo phương pháp tương
tự hoặc phương pháp tính toán lý thuyết. Trong đó việc tính toán thiết kế theo
phương pháp tương tự cho kết quả đáng tin cậy. Theo phương pháp này các bánh
công tác mới được thiết kế tương tự hình học với các bánh công tác có chỉ tiêu năng
lượng và xâm thực tốt.
Trong trường hợp không có bơm mẫu ta cần tính toán thiết kế bánh công tác

theo phương pháp tính toán thiết kế lý thuyết. Trong đồ án này, với mục đích
nghiên cứu và tham khảo, em đã lựa chọn phương pháp tính toán theo lý thuyết để
thiết kế bánh công tác của tổ máy bơm chìm nước thải.
2.2.1 Tính toán các thông số làm việc của bánh công tác
Cánh công tác của bơm ly tâm có hai dạng chính: dạng cánh trụ tương ứng số
vòng quay đặc trưng ns thấp (ns = 60 ÷ 100 v/ph) và dạng cánh cong không gian
(cong hai chiều) tương ứng số vòng quay ns lớn (ns > 100v/ph).
Do đặc trưng kết cấu khác nhau nên việc tính toán, thiết kế cũng có những điểm
khác nhau. Song khi tính toán thiết kế bánh công tác với cả hai loại cánh trên đều có
phần tính chung, đó là phần tính các thông số làm việc cơ bản và các thông số kết
cấu chính của bánh công tác và xây dựng mặt cắt kinh tuyến của nó.
13


Dưới đây em sẽ trình bày các phần tính toán các thông số làm việc của bánh
công tác bơm của đề tài:
2.2.1.1 Xác định số vòng quay đặc trưng của bơm
-

Lưu lượng của bơm: Q = 200 m3/h = 0,0056 m3/s

-

Cột áp của bơm: H = 120mH2O

-

Cột áp tính toán cho bơm 2 cấp: H tt =

-

Theo công thức (1.42) TL (tài liệu) [1], số vòng quay đặc trưng của bơm được

H 120
=
= 60( mH 2O)
2
2

xác định:

ns =

-

Chọn sơ bộ số vòng quay trên trục động cơ là 1450 vg/ph ta tính được số vòng
quay đặc trưng của bơm là :

ns =

=

ns =

3, 65.1450. 0, 056
= 58,095
603/ 4

2.2.1.2 Xác định hiệu suất và công suất của bơm
-

Hiệu suất của bơm:
ηB = ηQ.ηH.ηck
Trong đó :
ηQ : Hiệu suất lưu lượng của bơm
ηH : Hiệu suất thủy lực của bơm
ηck : Hiệu suất cơ khí của bơm.

-

Hiệu suất lưu lượng của bơm :
Sơ bộ ηQ được xác định theo công thức (4.5) Tl [1] :
=

1
1
=
= 0,96
−2/3
1 + 0,86.ns
1 + 0,86.58, 095−2/3

14


Đồ án tốt nghiệp
Từ đó ta có lưu lượng tính toán của bánh công tác :

Qlt =
-

Qb 0, 056
=
= 0, 0583 ( m3 / s )
ηQ 0,96

Hiệu suất thủy lực của bơm được xác định theo công thức (4.6) TL [1] :

ηH = 1 –

Trong đó :
D1qd : Đường kính vào quy dẫn của bánh công tác, xác định bằng mm , theo
công thức (4.11*) TL [2] ta có :

D1qd = KD1qd.

Với KD1qd = 4,1÷4,5 là hệ số vào quy dẫn, chọn KD1qd = 4,5 từ đó ta tính được:
D1qd = 4,5.103. 3

0, 056 = 152,11(mm)
1450

Từ đó tính được :

ηH = 1 –

= 0,896

Cột áp lý thuyết của bánh công tác:

HT =
-

=

= 66,964 mH2O

Hiệu suất cơ khí chọn sơ bộ:
ηck =0,95

-

Hiệu suất của bơm :
15


ηB = ηQ.ηH.ηck = 0,96.0,894.0,95= 0,82
-

Công suất của bơm được xác định theo công thức :
Nh =

-

γ .Q.H 1000.0,056.120
=
= 65,92 (kw)
102
102

Công suất trên trục của động cơ nguồn là:
Ntr =

-

N h 65, 92
=
= 80,39 (kw)
ηb
0,82

Công suất tối đa bơm yêu cầu :
Nmax = (1,1÷1,25)N = (1,1÷1,25).80,39 =(88,43 ÷ 100,48) kW
Chọn Nmax = 90 kW

-

Tra catalog ta chọn động cơ điện cho bơm 2 miệng hút có thông số sau:

Kiểu: 4A250M4Y3
Công suất: N=90 kw
Hiệu suất: η=91%
Tốc độ: n=1450 (vòng/phút)
2.2.2 Tính các kích thước vào chính của bánh công tác
Các kích thước vào chính của bánh công tác (hình 2.1) đó là đường kính vào D0,
đường kính mép vào cánh D1, chiều rộng cánh b1 và góc đặt cánh β1 ở lối vào. Các
kích thước vào chính của bánh công tác được xác định sao cho tổn thất thủy lực của
dòng chảy ở cửa vào là nhỏ nhất và chất lượng xâm thực tốt nhất.

16

Đồ án tốt nghiệp

Hình 2.1. Tiết diện kinh tuyến bánh công tác có cánh dẫn dạng trụ

Để xác định đường kính lối vào D0 của bánh công tác trước tiên ta cần xác định
vận tốc dòng chảy ở lối vào v0. Vận tốc dòng chảy ở lối vào của bánh công tác được
xác định theo công thức tương tự của Rut-nhép, theo công thức (5.3) TL [2] :
v0 = (0,06 ÷ 0,08)
Trong đó:
-

Qlt là lưu lượng lý thuyết trung bình của bơm ( m3 / s )

-

nb là số vòng quay trên trục của bơm (vòng/phút)

-

Số vòng quay: nb =1450 (vòng/phút)

Thay số vào ta có: v0 = (0,06÷ 0,08).
Tính được : v0 = (2,98 ÷3,97) (m/s)
Chọn v0 = 3,0 (m/s)
-

Đường kính vào của bánh công tác được xác định từ phương trình lưu lượng

17


QT = (
Suy ra :

D0 =

Trong đó :
dmơ : Đường kính moayơ bánh công tác, dmơ = (1,2 ÷ 1,6)dtr được chọn theo
phương án kết cấu.
Đường kính trục dtr được tính sơ bộ bằng :
Với bơm trục suốt, theo công thức (5.5) TL [2] :

dtr =

=

dtr = (6,36÷ 5,36) mm
Chọn dtr = 70 mm
Từ đó ta tính được:
dmơ = (1,2 ÷ 1,4)dtr = (1,2 ÷ 1,4).60 = (72 ÷84)mm
Chọn dmơ = 90 mm
Đường kính lối vào :
D0 =

4.Qlt
4.0, 058
+ db 2 =
+ 0, 092 = 0,181 (m)

π .V0
π .3

Chọn D0 = 180 mm
Tính lại vận tốc v0 :
V0 =

4Qlt
4.0,058
=
= 2,857 (m/s)
2
2
π .( D0 − db ) 3,14.(0,182 − 0,09 2 )

18


Đồ án tốt nghiệp
Đường kính bố trí mép vào của bánh công tác bơm :
Với bánh công tác có ns thấp (ns < 100) với chất lượng xâm thực trung bình, cánh
dẫn có dạng trụ, đường kính bố trí mép vào bánh công tác của bơm có giá trị bằng:
D1 = (0,9 ÷ 1)D0 = D1 = (0,9 ÷ 1).180 = (162÷ 180) mm
-

Chọn D1 = 180 mm

-

Vận tốc kinh tuyến trung bình lối vào bánh công tác được xác định :

Với bơm ns thấp (chất lượng xâm thực trung bình):
= (0,9 ÷ 1)v0
Chọn

-

= v0 = 2,857 m/s

Chiều rộng bánh công tác ở lối vào được xác định theo công thức (5.7) TL [2]:

b1 =

0, 058
= 0, 036
= π .0,18.2,857
(m)

Chọn b1 = 36 mm
Tính lại vận tốc

Xác định góc dòng vào không va :

1m

v'

1m

Xác định theo dòng vào hướng kính, vận tốc lối vào v1u = 0, α1 = 900.

v

-

= 2,865 m/s

 10
 10'

 1= 90°

U

1

19