Đồ án Thiết kế máy thủy luân ( kèm bản vẽ)

Thiết kế máy thủy luân

MỤC LỤC
2. SƠ LƯỢC VỀ BƠM VÀ TUỐC BIN.....................................................................2
Có tác dụng dẫn nước đều đặn vòng quanh bộ phận hướng nước của tuốc bin......10
5. TÍNH TOÁN PHẦN DẪN DÒNG CỦA BƠM....................................................66
5.2.2. Tính toán, thiết kế ống tháo xoắn tiết diện tròn:..............................................71
6. THIẾT KẾ TRỤC...................................................................................................79
7. THIẾT KẾ Ổ..........................................................................................................92
8. NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI VẬN HÀNH MÁY THỦY LUÂN........97
9. MỘT SỐ SỰ CỐ THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH KHẮC PHỤC...........................100
10. BẢO DƯỠNG....................................................................................................102

1. MỤC ĐÍCH Ý NGHĨA KINH TẾ KỸ THUẬT
Nền kinh tế nước ta chủ yếu là nông nghiệp, vì thế nhu cầu nước cho các
cánh đồng vào các vụ mùa là điều tất yếu. Với nền công nghiệp phát triển như ngày
nay thì việc bơm nước bằng các động cơ điện là thường xuyên. Đặc biệt ở các vùng
cao nơi có các nguồn nước với lưu lượng lớn nhưng cột áp thấp mà điện lưới chưa
kéo đến thì lúc này ta có thể lợi dụng các nguồn thủy năng này để có thể bơm nước
vào các cánh đồng.

Trang 1


Thiết kế máy thủy luân
Máy thủy luân là một thiết bị có thể tận dụng được nguồn thủy năng này
thành dòng với lưu lượng thấp nhưng cột áp cao để có thể bơm nước lên các đập
vào các cánh đồng.
Cấu tạo của máy thủy luân được chia ra làm hai bộ phận chính là máy bơm
và tuốc bin với nhiệm vụ cũng được phân ra làm hai nhiệm vụ: tuốc bin có nhiệm
vụ biến đổi năng lượng của dòng nước thành cơ năng trên trục quay kéo bơm để

bơm nước.
Mục đích của đề tài này là thiết kế máy thủy luân nhằm tính toán thiết kế các
bộ phận chính của máy dựa trên các thông số:
Thông số của tuốc bin: Q = 2 ÷ 3 m3/s; H = 2m.
Thông số của bơm: Q = 1 m3/s; H = 5 m.

2. SƠ LƯỢC VỀ BƠM VÀ TUỐC BIN
2.1. Sơ lược về bơm
2.1.1. Khái niệm chung.
Bơm là máy dùng để di chuyển chất lỏng và tăng năng lượng của dòng chất
lỏng. Khi bơm làm việc, năng lượng bơm nhận được từ động cơ sẽ chuyển hóa
thành thế năng.
Bơm được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

Trang 2


Thiết kế máy thủy luân
Trong nông nghiệp: bơm là thiết bị không thể thiếu để thực hiện thủy lợi
hóa, chăn nuôi, trồng trọt…
Trong công nghiệp: bơm được sử dụng trong các công trình khai thác mỏ,
dầu khí, các công trình xây dựng…
Hiện nay trong kỷ thuật vận chuyển, phát triển xu hướng dùng bơm và đường
ống dẫn để vận chuyển các sản phẩm của ngành khai thác mỏ (dầu khí), hóa chất,
nguyên vật liệu xây dựng…và đó là phương tiện vận chuyển thuận tiện và kinh tế.
Trong ngành chế tạo máy, bơm được sử dụng phổ biến, là một trong những bộ
phận chủ yếu của hệ thống điều khiển và truyền động trong nhiều loại máy móc.
2.1.2. Phân loại và chọn bơm.
a). Phân loại:
Theo nguyên lý làm việc, bơm đươc chia thành ba loại chủ yếu:

- Bơm cánh dẫn: bơm ly tâm, hướng trục, bơm hướng chéo.
- Bơm thể tích: bơm pit tông, bơm rôto và píttông roto.
- Ngoài ra còn có những bơm đặc biệt không thuộc hai loại trên như bơm
nước va, bơm phun tia v.v…
Theo công dụng, bơm còn được phân loại thành:
- Bơm cấp nước nồi hơi (trong nhà máy nhiệt điện).
- Bơm dầu (trong các hệ thống truyền động thủy lực…).
- Bơm nhiên liệu.
- Bơm cứu hỏa.
- Bơm hóa chất v.v…
Ngoài ra theo phạm vi sử dụng cột áp hoặc lưu lượng sử dụng, người ta còn
chia bơm thành các loại: bơm cột áp cao, trung bình, thấp hoạc bơm có lưu lương
lớn trung bình, nhỏ.
Trừ những bơm chuyên dùng trong hệ thống truyền động thủy lực, thông
thường trong kỹ thuật có ba loại bơm được sử dụng rộng rãi: bơm ly tâm, bơm
hướng trục và bơm pit tông.
Trên hình 2.1 là biểu đồ phân bố phạm vi sử dụng của các loại bơm.

Trang 3


Thiết kế máy thủy luân
H(m)
10000
Bơm píttông
1000
Bơm ly tâm

100

10
Bơm hướng trục
1

10

100

1000

10000

Q(m3/h)
100000

Hình 2-1. Phạm vi sử dụng của các loại bơm.
b). Chọn bơm:
Ta chọn bơm ta thiết kế là bơm ly tâm vì bơm ly tâm thuộc bơm có cánh dẫn,
được sử dụng phổ biến nhất trong tất cả các loại bơm vì có nhiều ưu điểm:
Bơm được nhiều loại chất lỏng như nước, dầu, nhiên liệu, hóa chất… kể cả
các hỗn hợp của chất lỏng và chất rắn.
Phạm vi sử dụng lớn và năng suất cao, cụ thể:
Cột áp H đến hàng ngàn mét cột nước.
Lưu lượng Q: 1 ÷70000 m3/h.
Công suất: 1÷ 6000kw.
Số vòng quay: 730 ÷ 6000v/ph.
Kết cấu nhỏ gọn, chắc chắn, làm việc tin cậy.
Hiệu suất η của bơm tương đối cao: η = 0,65 ÷ 0,90.
Chỉ tiêu kinh tế tốt (giá thành tương đối rẽ).
Từ những ưu điểm trên so với các loại bơm khác nên ta chọn bơm ta thiết kế máy

thủy luân là bơm ly tâm.

Trang 4


Thiết kế máy thủy luân
2.1.3.Tổng quan về bơm ly tâm.
2.1.3.1. Khái niệm:
- Bơm ly tâm thuộc loại bơm cánh dẫn và được dùng phổ biến nhất trong các
loại bơm. Bơm làm việc theo nguyên tắc ly tâm có sự dẫn hướng của cánh dẫn để
đưa chất lỏng chuyển động qua bánh công tác (BCT) từ tâm ra ngoài.
- Bơm ly tâm trong máy thủy luân ta thiết kế là loại bơm ly tâm một cấp một
cửa vào.
2.1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm ly tâm:

7

6

Ø240H7
js6

Ø110H7f7
Ø140H7k6

5
4
3
Ø135H8
h9

2
1

8

Hình 2.2. Sơ đồ kết cấu bơm ly tâm.
1.Bộ phận hướng dòng; 2.BCT của bơm;3.Trục bơm;

Trang 5


Thiết kế máy thủy luân
4.Vòng làm kín; 5.Ổ bi đỡ chặn; 6.Đai ốc hãm; 7.Đệm; 8.Bộ phận dẫn dòng ra.
Nguyên lý làm việc:
Bơm muốn làm việc được cần mồi cho thân bơm trong đó có BCT và ống hút
được điền đầy chất lỏng.
Bơm làm việc theo nguyên lý cánh dẫn: Khi BCT quay làm cho chất lỏng
trong rãnh cánh quay theo, lực ly tâm làm cho chất lỏng chuyển động và dồn từ
trong ra ngoài theo các máng dẫn, đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn. Do cấu tạo
của rãnh cánh của BCT hướng chất lỏng thành dòng đưa chất lỏng từ tâm vào
buồng xoắn nhờ đó làm giảm áp suất (hoặc tạo độ chân không) ở đầu vào BCT do
thiếu chất lỏng và làm tăng áp suất (hoặc tạo áp suất dư) ở đầu ra BCT. Do quá trình
đó diễn ra liên tục nên chất lỏng từ bể hút luôn luôn chuyển động vào BCT theo ống
hút và ra khỏi BCT vào bể đẩy theo ống đẩy tạo thành dòng liên tục khi bơm hoạt
động.
2.1.3.3 .Cấu tạo các bộ phận chính trong bơm ly tâm:
Ống hút: Nó dùng để dẫn chất lỏng từ bể hút vào bơm và được nối với bộ
phận dẫn dòng vào khi lắp bơm vào hệ thống (nếu đường kính ống hút và bộ phận
dẫn dòng vào có kính thước khác nhau thì phải thông qua ống nối có dạng côn để

giảm tổn thất cục bộ).
Bộ phận dẫn dòng vào: Nó có dạng côn thu dần, mục đích để tạo trường vận
tốc ổn định khi chất lỏng đi vào rãnh cánh để giảm tổn thất thủy lực.
Buồng xoắn (hay bộ phận dẫn dòng ra): Nó có tiết diện thay đổi dần có nhiệm
vụ dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra bộ phận dẫn dòng ra 7 và tạo trường vận tốc ổn
định (thường là không đổi). Đôi khi có cánh hướng dòng để giảm tổn thất.
Bánh công tác: Nó là bộ phận quan trọng nhất của bơm bao gồm ba phần (đĩa
trước, đĩa sau và các cánh dẫn) cố định với nhau tạo thành các rãnh cánh (nó được
chế tạo bằng phương pháp đúc hoặc hàn).
Phớt làm kín: Nó có nhiệm vụ hạn chế sự rò rỉ chất lỏng và dẫn nhiệt sinh ra
do ma sát giữa phớt và trục.
Trục dẫn động: Nó dùng để truyền dẫn mômen quay từ tuôc bin đến bánh công
tác.
Ống ra: Nó có dạng loe nhằm biến một phần động năng thành áp năng để giảm
tổn thất khi chất lỏng chảy trong ống đẩy.

Trang 6


Thiết kế máy thủy luân
2.2. Sơ lược về tuốc bin
2.2.1. Sơ lược về tình hình phát triển tuốc bin nước.
Trong quá trình đấu tranh và cải tạo thế giới tự nhiên, loài người đã sớm biết
sử dụng các động cơ nước. Ở Ấn Độ, vào khoảng 1000 năm trước công nguyên đã
có những trạm thủy lực. Nhìn chung các động cơ nước bấy giờ chưa phải là các
tuốc bin có kết cấu hoàn thiện như ngày nay mà là các bánh xe nước với các dạng:
bánh xe nước tác động dưới (sử dụng động năng dòng nước), bánh xe nước tác
động giữa và trên (lợi dụng thế năng dòng nước).
Các bánh xe nước nói trên ngày nay vẫn còn được sử dụng ở một số nước.
Bánh xe nước có cấu tạo đơn giản nhưng vì số vòng quay rất nhỏ (khoảng 4 ÷ 10

vg/ph) nên kết cấu rất cồng kềnh, hiệu suất thấp. Động cơ nước đầu tiên làm việc
theo nguyên lí tác động phản lực của dòng nước do Bekeca người Anh (1745) và
Xênhêra người Hunggari (1750) sáng chế. Kết cấu loại động cơ này còn rất thô sơ
nên hiệu suất chỉ đến 30 ÷ 40%. Đến năm 1826 một giáo sư Pháp tên là Budena đã
tìm ra loại động cơ mới được gọi là tuốc bin. Loại động cơ này cũng có đầy đủ các
bộ phận như các bộ phận của tuốc bin phản lực thường dùng hiện nay. Nhưng hình
dạng cánh BCT còn quá thô sơ và hiệu suất thấp nên vẫn chưa được ứng dụng trong
thực tế. Trên cơ sở tiếp tục cải tiến tuốc bin của mình, khoảng thời gian 1827 –
1834 Budena đã chế tạo loại tuốc bin li tâm có bộ phận hướng nước của tuốc bin
gồm các cánh hướng nước cố định vòng quay BCT. Lưu lượng được điều chỉnh nhờ
van hình trụ đặt giữa bộ hướng nước và BCT.
Từ đầu thế kỉ 19 các tuốc bin hiện đại có cấu tạo hoàn chỉnh đã thay thế cho
bánh xe nước và các động cơ nước trên. Những tiến bộ trong lĩnh vực nghiên cứu
và chế tạo tuốc bin phát triển rất nhanh, thời kì sau đó các tuốc bin hiện đại được
xuất hiện. Tuốc bin tâm trục do kĩ sư Francis (người Pháp) chế tạo năm 1830. Cùng
với việc nghiên cứu phát minh loại tuốc bin phản lực, năm 1880 Pelton sáng chế ra
tuốc bin xung lực. Đến năm 1900 bộ phận hướng nước của tuốc bin này được cải
tiến thành vòi phun và van kim giống như tuốc bin gáo ngày nay.
Tuốc bin cánh quat xuất hiện năm 1918, đến năm 1919 tuốc bin cánh quay ra
đời. Đồng thời năm 1918 tuốc bin xung lực 2 lần do Banki phát minh. Từ giữa thế
kĩ 19 đến nay ngành sản xuất tuốc bin phát triển rất nhanh.

Trang 7


Thiết kế máy thủy luân
2.2.2. Phân loại và chọn tuốc bin cần thiết kế.
Tuốc bin thường làm việc ở phạm vi cột nước H = 2 ÷ 2000m ứng với các trị
số lưu lượng khác nhau. Để sử dụng một cách hiệu quả năng lượng dòng nước đặc
trưng bởi các tổ hợp cột nước và lưu lượng khác nhau cần có đủ các tuốc bin khác

nhau về cấu tạo, kích thước cũng như quá trình làm việc của chúng.
a). Theo cách sử dụng năng lượng dòng nước:
1
1

T

2
2

Phương trình sử dụng năng lượng dòng nước:
H = z1 − z 2 +

p1 − p 2 α1 .v12 − α 2 .v 22
+
γ
2.g

(2.1)

Trong đó:
z1 − z 2 +

p1 − p2
: cột áp tĩnh Ht
γ

α1.v12 − α 2 .v22
: cột áp động Hđ
2.g

Tuốc bin chỉ sử dụng cột áp động là tuốc bin xung lực. Gồm có các loại sau: tuốc
bin gáo, tia nghiêng, xung lực 2 lần.
Tuốc bin sử dụng cột áp tĩnh và cột áp động là tuốc bin phản lực. Gồm có các loại
sau: tuốc bin tâm trục, hướng trục, hướng chéo.
b). Theo cột nước
Chia ra làm 2 loại: H = 2 ÷ 400m; H = 200 ÷ 2000m.
Trong đó: H = 2 ÷ 70m thường sử dụng tuốc bin hướng trục.
H = 10 ÷ 400m sử dụng tuốc bin tâm trục.
H = 200 ÷ 2000m sử dụng tuốc bin gáo.
c). Theo công suất
Công suất nhỏ: N < 1000kW.
Công suất trung bình: N< 15000kW.
Công suất lớn: N > 15000kW.
Trang 8


Thiết kế máy thủy luân
Ứng với cột nước đã cho ta chọn tuốc bin cần thiết kế là tuốc bin hướng trục có
cánh cố định với bầu.

3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TUỐC BIN

3.1. Tổng quan về tuốc bin hướng trục
Tuốc bin hướng trục có hai loại: cánh quạt và cánh quay. Hướng chảy vào, ra
BCT theo phương dọc trục. Tuốc bin hướng trục được sử dụng cho cột nước thấp từ
2 ÷ 70m. Tuốc bin hướng trục có các bộ chính sau:

5

6

Hình 3-1. Cấu
tạo tuốc bin
1-Ống hút, 2BCT, 3- Bộ phận

4

hướng dòng,

3
2
1

4- Buồng xoắn,
5- Cơ cấu điều
chỉnh, 6- Trục

3.1.1. Bánh công tác của tuốc bin:
Gồm 3 ÷ 10 cánh được gắn chặt với bầu. BCT có nhiệm vụ trực tiếp nhận
năng lượng từ dòng chảy và biến nó thành cơ năng làm quay BCT, sau đó làm quay
trục tuốc bin được gắn chặt với nó.
Cánh BCT của tuốc bin cánh quạt có 2 kiểu: đúc cùng với bầu và đúc rời gắng
vào bầu.

Trang 9


Thiết kế máy thủy luân
3.1.2 Buồng tuốc bin:

Có tác dụng dẫn nước đều đặn vòng quanh bộ phận hướng nước của tuốc bin.
3.1.3. Trục tuốc bin:
Trục tuốc bin dùng để truyền mômen xoắn từ BCT của tuốc bin đến BCT của
bơm.
3.1.4. Ống hút:
Có nhiệm vụ dẫn nước từ BCT xuống hạ lưu với tổn thất năng lượng nhỏ nhất.
Nhờ có ống hút ta có thể đặt BCT cao hơn mực nước hạ lưu để tiện việc sửa chữa
và giảm giá thành xây dựng mà không bị tổn thất cột nước hình học bằng khoảng
cách từ BCT xuống mực nước hạ lưu.
3.1.5. Bộ phận hướng dòng:
Bộ phận này có tác dụng sau:
- Hình thành hướng dòng chảy nhất định ở trước BCT.
- Điều chỉnh lưu lượng đi qua tuốc bin.
3.2. Phương trình sử dụng trong tuốc bin hướng trục
- Phương trình cột áp:
Ta có phương trình Ơle cho máy cánh dẫn:
H=

1
(u1c1u − u 2 c2u )
g

(3.1)

Thường thì chất lỏng đi ra BCT theo phương bán kính nên c2⊥ u2 (α = 90o)
⇒ c2u = 0
Nên H =

1
u1c1u

g

(3.2)

R1
1
0 (c0,p0)

R2

1 (c1,u1,w1,p1)

2
(c3,p3) 3
ω

(c2,u2,w2,p2)
p - âæåìng âo aïp
tháût
âæåìng âo aïp lyï thuyãút

Trang 10


Thiết kế máy thủy luân

- Lưu lượng tuốc bin thiết kế không thay đổi.
3.3. Các đường đặc tính của tuốc bin hướng trục.
Đường đặc tính của tuốc bin biểu thị mối quan hệ các thông số đặc tính của
tuốc bin tức là biểu thị tổng hợp tính chất làm việc của tuốc bin gọi là đường đặc

tính tổng hợp.
Có hai đường đặc tính tổng hợp:
Đường đặc tính tổng hợp chính.
Đường đặc tính tổng hợp vận hành.
3.3.1. Đường đặc tính tổng hợp chính.
Đường đặc tính tổng hợp chính là đường biểu thị quan hệ giữa các thông số
qui dẫn η=f(nI1, QI1) hoặc η=f(nI1, NI1), khi đường kính bánh công tác D 1 và cột
nước H không đổi. Nhưng thông thường các đại lượng n, Q và N được tính đổi
thành các đại lượng quy dẫn n 1I, Q1I và N1I bằng các công thức tương tự. Do đó
đường đặc tính tổng hợp chính là đường biểu thị quan hệ η=f( n1I, Q1I) hoặc η=f(n1I,
N1I) khi D1=1m và H=1m. Loại đường đặc tính η= f( n1I, Q1I) hay dùng hơn cả.
Thực tế thì đường tổng hợp chính là các đường đồng hiệu suất được vẽ trong hệ tọa
độ n1I và Q1I ngoài các đường đồng hiệu suất η còn có các đường đồng độ mở a0,
đồng hệ số khí thực σ, đường đồng góc đặt cách φ, đường đồng hệ số tỷ tốc n s.
Đường đồng hiệu suất φ có trị số tăng dần từ trong ra ngoài.
Mỗi một kiểu tuốc bin được chế tạo hoặc đã nghiên cứu xong, nhà máy chế
tạo hoặc viện nghiên cứu sẽ cho một đường đặc tính tổng hợp chính. Đường đặc
tính này được xây dựng bằng hàng loạt thí nghiệm mô hình. Đó là tư liệu quan
trọng vào bậc nhất để tìm hiểu đặc tính của từng kiểu tuốc bin, là cơ sở để vẽ các
đường đặc tính tổng hợp vận hành của tuốc bin cùng kiểu nhưng có đường kính và
cột nước hoặc số vòng quay khác nhau, đồng thời cũng là tư liệu chính để lựa chọn
các kiểu tuốc bin cho trạm thủy điện.

Trang 11


Thiết kế máy thủy luân

Hình 3-2. Đường đặc tính chính của tuốc bin.
3.3.2. Đường đặc tính tổng hợp vận hành

Đường đặc tính tổng hợp chính chỉ biểu thị đặc tính của tuốc bin có D=1(m),
H=1(m). Nhưng khi vận hành trong các trạm thuỷ điện lại có các đường kính bánh
công tác và cột nước rất khác điều kiện trên. Hơn nữa tuốc bin buộc phải làm việc
với số vòng quay không đổi, nhưng lưu lượng, công suất, và cột nước lại luôn thay
đổi. Do đó để tiện việc tìm hiểu quan hệ giữa các thông số đặc tính của tuốc bin
trong vận hành người ta dùng đặc tính vận hành.
Đường đặc tính tổng hợp vận hành biểu thị quan hệ giữa cột nước và công suất
(hoăc lưu lượng) với hiệu suất khi đường kính bánh công tác D 1 và số vòng quay n
không đổi tức là η=f(N, H) hoặc η=f(Q, H) khi D1 =const và n=const.
Thực tế đường đặc tính tổng hợp vận hành gồm một họ đường cong đồng hiệu suất
η được vẽ trong hệ tọa độ (N, H) hoặc (Q, H). Trên đường đặc tính vận tổng hợp
vận hành ngoài các đường đồng hiệu suất còn có các đường đồng chiều cao hút H s
(hoặc các đường đồng hệ số thực σ), các đường đồng độ mở a 0, đường đồng góc đặc
cánh φ, đường hạn chế công suất tuốc bin và đường công suất lớn nhất của máy
phát. Nói chung trong thực tế thường dùng đường đặc tính tổng hợp vận hành
η=f(N, H) hơn đường η=f(Q, H) và trên đó chỉ cho các đường đồng H s và hạn chế
công suất.

Trang 12


Thiết kế máy thủy luân
H(m)
6

A
80%
82%
84%
86% 88% 90% 92%

η=78%

5
Htt
4

93% 95%

B

3
2
c

1
50

90

70

110

130

150

170

190 N(kW)

Hình 3-3.Đường đặc tính tổng hợp vận hành.
3.4. Các thông số cơ bản của tuốc bin hướng trục
3.4.1. Các thông số quy dẫn
- Ta có công suất tính toán trên trục của tuốc bin:
N = ρ.g.H.Q.ηT

(3.3)

Trong đó: g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2.
ηT: hiệu suất tuốc bin, ηT = 0,85 ÷ 0,95 chọn sơ bộ ηT = 0,87.
H: cột nước tính toán, H = 2 m.
Q: lưu lượng tính toán, Q = 3 m3/s.
N =1000.9,81.2.3.0,87 = 51208 W = 51,208 kW.

Trang 13


Thiết kế máy thủy luân
D0 = 534
= 1,16 D1; z0= 24
1

B = 184 = 0,4 D

162

252

434 = 0,943 D

1

881 = 1,915D

1

598

1

D1 = 460; z1= 4

1

1024 = 2,23 D

512

960

141

512

414

1550 = 3,37 D1

Hình 3-5. Tuốc bin mô hình CQ20/510

Trang 14


Thiết kế máy thủy luân

n'1(vg/ph)
o

+5

0

10
79

78

77

75

70

o

15

74

72 71

f=

f =15

76

73

46
a=

150

o

f=

80%
81%
82%
83%
84%
85%

o

170

f=

f =5

f =10

190

o

o

f=

o

o

86%
87%
42
a=

130

o

110
38

a=
o

18
a=

34
a=

o

o

22
a=
o

o

500

700

900

30
a=

26
a=

90

o

1100

1300

1500

1700

1900

2100 Q'1(l/s)

Hình 3-4. ĐĐTTHC của tuốc bin CQ20/150
- Theo đường đặc tính tổng hợp chính (hình 10.8 [1]) chọn:
Số vòng quay quy dẫn: n1’ = 135 vg/ph.
Lưu lượng quy dẫn: Q1’ = 1200 l/s.
Số cánh BCT: z1 = 4 cánh.
Số cánh hướng nước: zo = 24 cánh.
Hệ số khí thực: σk = 1,5.
Độ mở cánh hướng nước: ao = 34o.
Góc đặt cánh BCT: φ = 0o.
- Đường kính BCT D1:
D1 =

Q

QI '. H tt

=

3
1,2. 2

= 1,33m

Chọn D1 = 1,4m.
- Số vòng quay trên trục của tuốc bin:
n=

n Itt '. H tt
D1

=

135. 2
= 140vg / ph
1,4

Trang 15


Thiết kế máy thủy luân
3.4.2. Chiều cao hút:
Chiều cao hút Hs của tuốc bin là khoảng cách từ mép ra cao nhất của bánh công tác
đến mực nước hạ lưu. Chiều cao hút được xác định theo công thức.
H s = 10 −

∇
− kσ .σ .H tt (m)
900

(3.4)

Trong đó:
∇ : là cao trình đặt bánh công tác tuốc bin. ∇ = 10m

kσ: hệ số dự trữ khí thực thường lấy kσ = 1,1÷1,2. Chọn kσ = 1,1.
Htt: cột áp tính toán, Htt = 2 m.
σ: Hệ số khí thực, tra [1] chọn σ tt = 1,5 .
H s = 10 −

10
− 1,1.1,5.2 = 6,69m .
900

Trang 16


Thiết kế máy thủy luân
3.5. Tính toán và thiết kế tuốc bin hướng trục
3.5.1. Tính sơ bộ đường kính trục.
Trục tuốc bin là một chi tiết rất quan trọng, có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ
BCT của tuốc bin đến BCT của bơm. Do đó vật liệu chế tạo cần có độ bền cao, dễ
chế tạo và có thể nhiệt luyện được. Với yêu cầu trên ta chọn thép C45 làm trục cho
tuốc bin cần thiết kế.
- Tính sơ bộ đường kính trục:

d1 ≥ C 3

N
( mm)
n

(3.5)

Với: N: công suất trên trục (kW).
n: số vòng quay của trục (vg/ph).
C: hệ số tính toán, phụ thuộc vào ứng suất xoắn cho phép. Đối với thép
C45 thì C = 150 ÷ 170. Chọn C = 165.
⇒ d 1 ≥ 1653

51,208
= 118mm
140

Chọn d1 = 130 mm.
3.5.2. Tính toán và thiết kế BCT.
Do
d1

bo

Ro

D1

db

Hình 3-6. Sơ đồ tính toán kích thước chính BCT

Trang 17


Thiết kế máy thủy luân
a). Số cánh BCT: Z1 = 4 cánh.
b). Đường kính bầu: db = 0,35.D1
= 0,35.1,4= 0,5 m.
c). Bán kính của vỏ tuốc bin tại vị trí như hình vẽ:
R0. = 0,5. D1 = 0,5.1,4=0,7m.
d). Bề rộng của cánh hướng dòng:
b0 = 0,4.D1 = 0,4.1,4= 0,56m.
e). Đường kính vòng tròn đi qua trục cánh hướng nước:
Do = 1,16.D1 = 1,16.1,4 = 1,624m.
f). Chiều dài cánh hướng dòng.
L=

π .D0 3,14.1,4
=
= 0,212(m)
Z0
24

Chọn L = 215 mm.
3.5.3. Tính toán và chọn hình dạng prôfin cánh.
3.5.3.1. Khảo sát sự chảy bao quanh prôfin cánh của dòng chất lỏng.
a). Sự chảy bao quanh hình trụ tròn.




ψ=0

ψ=0

ψ= 0







ψ=0





Hình 3-7. Chảy bao hình trụ bằng dòng phẳng lý tưởng song song với trục x.
Dòng chất lỏng chảy bao hình trụ tròn xem như dòng phẳng song song (đồng
nhất) của chất lỏng lý tưởng có thể nhận được bằng cách cộng dòng này với dòng

Trang 18


Thiết kế máy thủy luân
lưỡng cực đặt ở gốc tọa độ (hình 3-7). Mômen lưỡng cực trong trường hợp này phải

có giá trị sao cho một trong các đường dòng của tổng dòng chảy là một đường tròn
bán kính bằng bán kính của hình trụ. Khi đó vận tốc trên đường tròn bằng:
c= 2 c∞ sinθ

(3.6)

Trong đó: c∞: Vận tốc dòng chảy tới.
θ: Góc ở tâm, tính từ trục x đến điểm mà ta quan sát trên đường bao.
Ở các điểm dòng chảy bị phân đôi ( điểm vào A, điểm ra B) thì vận tốc bằng 0.
Vận tốc đạt giá trị cực đại ở các điểm phình C và D, ở các điểm đó vận tốc lớn gấp
đôi so với vận tốc ở vô cực:
cmax = 2.c∞

(3.7)

Từ (3.6) ta thấy vận tốc trên đường bao và áp lực đối xứng so với cả 2 trục toạ
độ, khi đó tổng áp lực trong trường hợp này sẽ bằng 0.









α0




Hình 3-8. Chảy bao hình trụ bằng dòng chất lỏng thực.
Đó là đối với chất lỏng lí tưởng chảy bao hình trụ không bị tách dòng, còn khi
chảy bao hình trụ bằng chất lỏng thực có độ nhớt thì sẽ có sự tách dòng ở phần phía
sau và có một áp lực tác dụng lên hình trụ. Khi đó ta cộng thêm vào dòng chảy đang
khảo sát 1 dòng phụ xuất phát từ xoáy đặt ở tâm vòng tròn. Vận tốc ở bất kỳ một
điểm nào đó trong không gian có thể được xác định như là tổng vận tốc của hai
dòng chảy. Khi đó ta có điểm phân đôi dòng chảy sẽ dịch chuyển xuống dưới một
Trang 19


Thiết kế máy thủy luân
đoạn so với trục x. Ở điểm phình phía trên điểm C vận tốc sẽ lớn hơn so với khi
chảy bao không có xoáy, còn điểm D thì vận tốc bé hơn. Khi đó áp lực ở điểm D
tăng lên còn ở điểm C áp lực giảm đi. Lực nâng khi đó xuất hiện có chiều hướng lên
theo trục y, tức là vuông góc với hướng vận tốc c ∞, lực này càng lớn khi điểm phân
chia dòng chảy dịch chuyển càng xa so với trục x, mà sự dịch chuyển đó tỷ lệ với trị
số của vận tốc dòng chảy tới và cường độ chuyển động xoáy, tức là lượng xoáy vận
tốc Γ. Ta có trị số lực nâng trên một đơn vị chiều dài của hình trụ được xác định
bằng biểu thức:
F = ρ. c∞.Γ (với ρ: khối lượng riêng dòng chảy)

(3.8)

Nếu như đã cho trước c∞ thì sự dịch chuyển của điểm A và B so với trục x chỉ
phụ thuộc vào cường độ dòng xoáy:
sinαo =

Γ
4.π .a.c∞

(3.9)

Thực tế nếu điểm hội tụ của dòng cháy B nằm nguyên ở một điểm trên trục x
thì lượng xoáy vận tốc có giá trị bất kỳ thì vận tốc c ∞ sẽ làm với trục x một góc αo.
Từ (3.9) trong đó mổi một hướng mới của vận tốc c ∞ so với trục x khi có cùng một
trị số vận tốc và cùng một điểm hội tụ của dòng chảy cần phải tương ứng với giá trị
lượng xoáy vận tốc của nó:
Γ = 4.Π.a.c∞.sinαo

(3.10)

b). Sự liên hệ giữa chảy bao hình trụ và chảy bao profin thực của cánh bánh công
tác hướng trục.
Ở trên ta đã khảo sát dòng chất lỏng chảy bao quanh hình trụ bằng cách khảo
sát dòng thế phức nguyên tố. Còn ở bơm hướng trục bánh công tác có hình dạng rất
phức tạp, khi khảo sát chảy bao của dòng chảy ta không khảo sát trực tiếp trong mặt
phẳng vật lý của biến số phức z = x + iη mà nó có quan hệ với mặt phẳng z bằng
một biểu thức giải tích:
z = ƒ( ζ )

(3.11)

Mà ta gọi đó là hàm biến hình. Sự biến đổi từ mặt phẳng z đến mặt phẳng ζ
như thế rất có lợi vì khi biết thế phức của dòng chảy trong mặt phẳng ζ và chảy bao
tương ứng đã được nghiên cứu. Khi đã biết hàm biến hình thì ta có thể xác định dể
dàng việc chảy quanh một profin dạng cánh trong mặt phẳng z. trong trường hợp
Trang 20

Thiết kế máy thủy luân
này vùng ngoài xung quanh profin được biến đổi thành vùng ngoài xung quanh một
đường tròn, còn trị số và hướng vận tốc ở xa vô cùng trên cả hai mặt phẳng đều
được giữ nguyên. Khi đó lượng xoáy vận tốc xung quanh profin và vòng tròn và do
đó cả lực tác dụng lên chúng đều bằng nhau.
η


c∗






θ∞



ζ

θ∞

Hình 3-9. Chảy bao hình trụ bằng dòng chất lỏng thực.
Khi biến hình bao giác các trị số vận tốc thay đổi tương đối tương ứng với

df
.
âζ

Giá trị hàm biến hình (3.11) cho khả năng xác định sự tương ứng của các điểm ở 2
đường bao prôfin và vòng tròn, tức là khi tính vận tốc của các điểm trên vòng tròn
thì ta tìm được giá trị của vận tốc ở các điểm tương ứng trên prôfin.
Chảy bao prôfin có mép ra nhọn bằng dòng chất lỏng lý tưởng có thể chỉ xãy ra khi
điểm nhọn là điểm hội tụ dòng chảy. Điều đó sẽ xác định được đại lượng đơn trị của
lượng xoáy vận tốc xung quanh prôfin khi hướng và trị số vận tốc ở xa vô cực đã
biết. Khi biến hình bao giác của prôfin thành đường tròn, điểm B trên prôfin cần
phải tương ứng với một điểm trên đường tròn, vì chỉ có điểm đó có vận tốc mới
bằng 0. Điểm B và B’ gọi là những điểm đặc biệt vì ở đó tính chất cơ bản của biến
hình bao giác là bảo toàn góc đã bị phá hoại. Điểm B có góc bằng (2 π - ∆ ), với ∆
 là góc vuốt nhọn của prôfin, còn ở điểm B’ có góc bằng π .

Trang 21


Thiết kế máy thủy luân
ζ


2π−∆

π


αο

α∞




ζ


εο

α


δ


∞
∞

α∞

α∞

Hình 3-10. Những điểm đặc biệt của biến hình.
Từ hình 2-7 ta thấy lượng xoáy vận tốc xung quanh hình trụ khi đã cho hướng
c∞ (tức là góc αo) sẽ bằng 0 nếu như điểm B0 là điểm hội tụ của dòng chảy. Tương tự
như vậy điểm hội tụ cũng ở điểm B’ nếu như hướng c ∞ (tức là góc αo) thay đổi đi
một đại lượng εo, còn lượng xoáy vận tốc thì bằng 0. Trong trường hợp này vận tốc
ở xa vô cùng sẽ nằm dưới một góc α ∞ - εo = αo góc này xác định hướng chảy bao
không xoáy quanh hình trụ khi điểm hội tụ B’ đã cho.
Nếu như khi cho trước hướng c ∞ và quay prôfin đi một góc α thì điểm hội tụ
trên hình trụ sẽ dịch chuyển sang điểm B tức là góc α o = α. Góc α giữa hướng vận
tốc ở vô cực và hướng không có xoáy gắn liền với mỗi profin cho trước, được gọi là
góc tới khí động, còn δ được gọi là góc tới là góc giữa hướng vân tốc ở vô cực c ∞

và dây cung ngoài của prôfin (tiếp tuyến với đường bao của prôfin).
Từ sự khảo sát giá trị của thế phức ở các điểm đặc biệt B và B’ với các điều
kiện là vận tốc ở điểm B bằng 0, ta có thể nhận được công thức để xác định trị số
lượng xoáy vận tốc:
Γ = -4. π .a.m ∞ .c∞.sinα

(3.12)

Trang 22


Thiết kế máy thủy luân
c). Chảy bao quanh bản phẳng.
Ta xem bản phẳng là một prôfin đơn giản nhất. Từ hàm số biến hình (3.11): z =
ƒ(ζ) ta có thể lấy cho một dãy prôfin lý thuyết dưới dạng:
1
a2
(ζ + )
2
ζ

z=

(3.13)

Trong đó a: là bán kính vòng tròn hoặc có thể viết:
1
a2
(z +
)

2
z

ζ=

(3.14)

Phương trình (3.14) cho biến hình vòng tròn ở mặt phẳng z thành prôfin ở mặt
phẳng ζ.
Trong mặt phẳng ζ bản phẳng là một prôfin đơn giản nhất, ta có:
ζ = a.eiθ = a(cosθ + isinθ )

(3.15)

Thế (3.15) vào (3.13) ta được:
1
a2
z = [( a(cosθ + isinθ ) +
]
2
a (cosθ + i sin θ )

=

a
a
(cosθ + isinθ ) + (cosθ - isinθ ) = acosθ
2
2

(3.16)

Thì khi đó vòng tròn với bán kính a sẽ biến thành đoạn thẳng của trục thực từ -a
đến +a chiều dài là 2a bằng đường kính vòng tròn.
Khi đó lượng xoáy vận tốc xung quanh bản phẳng với điều kiện mép ra của
nó là điểm hội tụ của dòng chảy sẽ bằng:
Γb = 2 π c∞sinα

(3.17)

So sánh với công thức (3.12) ta có: đối với bản phẳng: a.m ∞=1/2c. Với c là
một nửa chiều dài bản phẳng: c = a
Theo tính chất chảy bao bản phẳng thì tâm áp lực của dòng chảy (tức là điểm
đặt tổng hợp áp lực F) luôn nằmở vị trí 1/4 chiều dài bản phẳng và không phụ thuộc
vào giá trị vận tốc dòng chảy và góc tới.
Thay công thức ( 3.17 ) vào ( 3.8) ta được công thức tính lực nâng:
F = 2. π .ρ.a.c∞2.sin α

(3.18)

Trang 23


Thiết kế máy thủy luân
Y

F
C

0

C∞

A

B

X

C/2

α∞
Hình 3-11. Chảy bao quanh bản phẳng.
Ta thấy lực nâng F phụ thuộc kích thước a và giá trị vận tốc ở vô cực c ∞.
Thông thường hướng trục x lấy theo hướng vận tốc c ∞, khi đó lực nâng sẽ hướng
theo trục y. Gọi Cy: là hệ số lực nâng, tức là tỉ số giữa lực nâng F và cột áp vận tốc
của dòng chảy tới.
Cy = 1

2

p
2

ρ c ∞ .l

(3.19)

Trong đó l: chiều dài bản phẳng: l=2c (hay chiều dài dây cung của prôfin )
Thế (2-23) vào (2-24), ta có:

Cy = 2. π .sin α

(3.20)

d). Sự tương đương giữa cung tròn và bản phẳng.
1
a2
Từ hàm biến hình (3.13): z =
(ζ +
) ta thấy với các giá trị của ζ khác
2
ζ

nhau thì kết quả của việc biến hình vòng tròn thành những prôfin sẽ khác nhau.
Lượng xoáy vận tốc quanh cung tròn:
β
2

Γ = -2. π.a. c ∞ . sin( + α ∞ )

(3.21)

Trong đó: β là góc giữa dây cung l và tiếp tuyến với cung ở điểm cuối, β đặc
trưng cho độ cong của cung.
a∞ : góc giữa vận tốc ở vô cực c∞ và trục x.

Trang 24


Thiết kế máy thủy luân

Trên hình (3-12) dây cung của profin chính là đoạn nối 2 đầu của cung có chiều
dài: l = 2c.

Y

ltd

δ

0
β

l=2c

C∞

X
β/2

α∞
Hình 3-12. Cung và bản phẳng tương đương.

Từ công thức (3.21) khi α∞ = -

β
thì Γ = 0. Đối với cung tròn hướng này
2

trùng với đường thẳng đi qua điểm giữa cùa cung và mép ra của nó. Từ đó ta có thể
xem bản phẳng tương đương là bản phẳng mà khi chảy bao bằng dòng chảy có vận

tốc c∞ thì lượng xoáy vận tốc và lực nâng tác dụng lên nó giống như khi chảy bao
một cung hay profin tương ứng cũng bằng chính dòng chảy đó.
Khi đó chiều dài của bản phẳng tương đương có thể tìm được như sau:
l

ltd

cos

β
2

=

2c
β
cos
2

(3.22)

Hệ số lực nâng Cy:
2

Cy =

p
2
1
ρ c∞ 2c

2

=

2πρa c∞ sin(

β
+α0 )
2

(3.33)

2
1
ρ c∞ 2c
2

Từ công thức (3.22) ta suy ra: 2c = ltđcos

β
β
= 2acos
2
2

Trang 25