Nghiên cứu thiết kế bơm hướng trục dùng buồng xoắn để cải tạo các bơm 4000 M3h đặt ngang hiện nay

PHAN TUẤN ANH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHAN TUẤN ANH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BƠM HƯỚNG TRỤC DÙNG
BUỒNG XOẮN ĐỂ CẢI TẠO CÁC BƠM 4000 M3/H ĐẶT
NGANG HIỆN NAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHÓA 2010B
Hà Nội – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHAN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BƠM HƯỚNG TRỤC DÙNG BUỒNG
XOẮN ĐỂ CẢI TẠO CÁC BƠM 4000 M3/H ĐẶT NGANG HIỆN NAY

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và Thiết bị Thủy khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
…......................................

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1. TS. Nguyễn Tùng Phong

2. TS. Phạm Văn Thu

Hà Nội – Năm 2012


Mục lục
Mục lục .......................................................................................................................1
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................10
1.Tính cấp thiết của đề tài. .....................................................................................10
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................11
2.1. Mục đích nghiên cứu. .....................................................................................11
2.2. Đối tượng và nội dung nghiên cứu của đề tài. ................................................11
2.2.1. Đối tượng ................................................................................................11
2.2.2. Nội dung nghiên cứu của đề tài ..............................................................11
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..........................................................12
3.1. Đối với lĩnh vực KH&CN có liên quan ..........................................................12
3.2. Đối với nơi ứng dụng kết quả nghiên cứu ......................................................12
3.3. Đối với kinh tế - xã hội và môi trường ..........................................................12
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VÊ BƠM HƯỚNG TRỤC VÀ TÌNH HÌNH
NGHIÊN CỨU CẢI TẠO BƠM 4000M3/H ĐẶT NGANG HIỆN NAY ...........13
1.1. Phạm vi làm việc của bơm hướng trục.........................................................13
1.2. Khả năng ứng dụng của bơm hướng trục. ....................................................14
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước: ................................................................14
1.4. Nhiệm vụ khoa học của đề tài ......................................................................15
CHƯƠNG II. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ BƠM
HƯỚNG TRỤC .......................................................................................................16
2.1. Các phương pháp thiết kế bơm hướng trục ....................................................16
2.2. Thiết kế cánh bơm hướng trục theo phương pháp Vôzơnhexenski - Pêkin. ..19

1


2.2.1. Nội dung tính tốn cánh BCT theo phương pháp Voznhexenski -Pekin
..........................................................................................................................19
1. Tính tốn và chọn các thơng số cơ bản ...................................................19
2. Lựa chọn thơng số kết cấu và tính các thơng số thuỷ lực ........................21
3. Tính lưới cung mỏng ở 5 tiết diện:...........................................................26
4. Đắp chiều dày cánh ..................................................................................30
2.2.2. Tổng hợp các bước tính tốn cánh bánh cơng tác theo phương pháp
Voznhexenski- Pekin ........................................................................................31
CHƯƠNG III. TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ DẪN DỊNG CỦA BƠM ............36
3.1. Tính tốn thiết kế cánh bánh cơng tác ............................................................36
3.1.1. Xác định các thơng số tính tốn .............................................................36
3.1.2. Chọn thơng số hình học cơ bản ..............................................................37
3.1.3. Xây dựng profin có chiều dày và xâu cánh ............................................51
3.2. Tính tốn thiết kế buồng xoắn ........................................................................63
3.2.1. Cơ sở lý thuyết........................................................................................63
3.2.2. Tính tốn thiết kế buồng xoắn có tiết diện bất kỳ. .................................67
CHƯƠNG IV. KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MẪU BẰNG PHẦN MỀM
ANSYS - FLUENT ..................................................................................................71
4.1. Mục đích .........................................................................................................71
4.2. Kết quả kiểm tra bằng phần mềm Ansys - Fluent .........................................71
4.2.1. Theo L/T của mẫu OP5 .........................................................................71
4.2.2. Theo L/T của mẫu OP6 ..........................................................................73
4.2.3. Nhận xét kết quả kiểm tra bằng phần mềm Fluent .................................74
4.2.4. Bảng kết quả mô phỏng ..........................................................................75

2

CHƯƠNG V. TÍNH TỐN KẾT CẤU BƠM 4000 .............................................76
5.1. Giới thiệu kết cấu bơm hướng trục ngang cũ 24HTN-90...............................76
5.2. Kết cấu bơm nghiên cứu HT 3600-5 ............................................................77
5.3. Tính tốn và nghiệm bền các chi tiết cơ bản của bơm HT 3600-5.................78
5.3.1. Xác định lực tác dụng lên roto bơm .......................................................78
5.3.1.1. Tính mơ men xoắn MX ....................................................................78
5.3.1.2. Tính lực dọc trục .............................................................................79
5.3.1.3. Tính trọng lượng trục và bánh cơng tác ..........................................79
5.3.1.4. Tính lực ly tâm gây ra bởi bánh cơng tác ........................................80
5.4. Tính bền trục và các chi tiết chịu lực quan trọng ...........................................81
5.4.1. Tính bền trục...........................................................................................81
5.4.1.1. Kết cấu của trục ...............................................................................81
5.4.1.2. Nghiệm bền trục ..............................................................................82
5.4.1.3. Tính vịng quay giới hạn của trục....................................................84
5.4.2. Tính bền bánh cơng tác...........................................................................85
5.4.3. Nghiệm bền then bằng ............................................................................89
5.4.3.1. Kiểm nghiệm sức bền dập của then với may ơ ...............................89
5.4.3.2. Kiểm nghiệm sức bền dập của then với trục ...................................90
5.4.3.3. Kiểm nghiệm sức bền cắt của then .................................................90
5.5. Tính tốn ổ lăn ................................................................................................91
5.5.1. Các dạng hỏng chủ yếu và chỉ tiêu tính tốn ổ lăn .................................91
5.5.2. Cách tính và chọn ổ lăn ..........................................................................91
5.5.3. Tính tốn ổ lăn bơm HT 3600-5 .............................................................94

3


CHƯƠNG 6. ĐO KIỂM, XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG ................96

BƠM HT3600 – 5 ....................................................................................................96
1. Mục tiêu kiểm định ............................................................................................96
2. Địa điểm đo kiểm định ......................................................................................96
3. Các tiêu chuẩn sử dụng trong quá trình đo kiểm định .......................................96
4. Nội dung đo .......................................................................................................97
5. Xử lý kết quả ...................................................................................................100
CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ .............................................................112
7.1. Kết luận .........................................................................................................112
7.2. Kiến nghị ......................................................................................................112

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
N

Công suất

N dc

Công suất động cơ

N TL

Công suất thuỷ lực

N tr

Công suất trên trục

η

Hiệu suất

 dc

Hiệu suất động cơ

 tl

Hiệu suất thuỷ lực

Q

Hiệu suất lưu lượng

 ck

Hiệu suất cơ khí

K

Hệ số dự trữ công suất

K Zi

Hệ số phân bố vận tốc hướng trục

K cdi

Hệ số chèn dòng tiết diện thứ i

KQ

Hệ số lưu lượng

KH

Hệ số cột áp

KHtư

Hệ số cột áp tối ưu

C

Hệ số xâm thực

C*

Hằng số tích phân

Cy

Hệ số lực nâng

Cx

Hệ số lực cản

max/L

Độ dày tương đối max của prôfin

Z

Số lá cánh

Z1

Số lá cánh của bánh cơng tác

n

Số vịng quay làm việc của bơm

ns

Số vòng quay đặc trưng của bơm

5


H

Cột áp

H1t

Cột áp lý thuyết

Htt

Cột áp tính tốn

Q

Lưu lượng

D

Đường kính bánh cơng tác

d

Đường kính bầu bánh cơng tác

d

Tỷ số bầu cánh

Rb

Bán kính bầu cánh

Ri

Bán kính của các tiết diện tính tốn thứ i

Rtb

Bán kính trung bình

RD

Bán kính lớn nhất của cánh ở ngoài biên

 max i

Chiều dày max của các tiết diện i

(max/L)b Độ dày tương đối max ở tiết diện sát bầu
(max/L )DĐộ dày tương đối max ở tiết diện ngoài biên
a, b, ..., x: Sai số giới hạn tương đối của các thông số đo
u

Vận tốc theo



Vận tốc góc



Khe hở giữa bánh cơng tác và vành mịn

a, b, ... , x: Sai số giới hạn đo tuyệt đối của các thông số đo
w

Vận tốc tương đối

w2u

Thành phần theo phương u của vận tốc tương đối sau khi ra
khỏi cánh

w1u

Thành phần theo phương u của vận tốc tương đối trước khi
vào cánh

wz

Thành phần theo phương dọc trục của vận tốc tương đối

w

Vận tốc tương đối ở vô cực

6




Lưu số của bánh công tác

1

Lưu số mỗi lá cánh

p1

Áp suất trước khi vào cánh

p2

Áp suất sau khi ra khỏi cánh

p

Tổn thất năng lượng



Trọng lượng riêng của nước



Khối lượng riêng của nước

g

Gia tốc trọng trường

X

Lực theo phương x

Y

Lực theo phương y

 = 2 - 1 Góc ngoặt của vận tốc
bt

Góc ngoặt bình thường của vận tốc

max

Góc ngoặt max của vận tốc

o

Gia số độ cong prơfin

õ0

Góc đặc trưng cho độ cong của prơfin

2

Góc W 2 với phương u



Góc của W với phương u

1

Góc W 1 với phương u

2 = 90o - 2 Góc tạo bởi phương của vận tốc W2 và trục z


Góc đặt cánh

 goc

Góc đặt profin gốc cánh

bien

Góc đặt profin ngồi biên



Góc của dịng song phẳng với trục u

T

Bước lưới

To = T/L Bước lưới khi L 0 = 1

7


T
L

Bước lưới tương đối dãy cánh

L

Chiều dài dây cung đường nhân lá cánh

L1

Chiều dài dây cung của bánh công tác lưới thứ nhất

L/T

Mật độ dãy cánh

(L/T)D

Mật độ dãy cánh ở ngoài biên

(L/T)b

Mật độ dãy cánh ở bầu

(L/T)tb

Mật độ dãy cánh ở tiết diện trung bình

(L/T)tuD Mật độ dãy cánh ở ngoài biên tối ưu
(L/T)tu

Mật độ dãy cánh ở tối ưu

lmơ

Chiều dài bầu cánh

ltđ

Chiều dài của cung tương đương

V

Vận tốc tuyệt đối

Vu

Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối

Vz

Thành phần dọc trục của vận tốc tuyệt đối

V1u

Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối trước khi
vào cánh

V2u

Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối sau khi ra
khỏi cánh

Va1u

Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối trước cánh hướng

Va2u

Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối sau cánh

hướng
 gh

Hệ số xâm thực tới hạn

Re

Số Raynon

v

Hệ số nhớt động năng

t2

Thời gian chuyển động của sóng dọc theo prơfin

(s)

Mật độ phân bố xốy trên đường nhân

8


o (t)

Hàm dịng của dịng song phẳng khơng nhiễu

1 (t)

Hàm dịng cảm ứng tạo bởi các xốy liên hợp

r(s,t)

Khoảng cách từ điểm khảo sát của prôfin tới điểm A, tại đó có
phân bố xốy d

rk

Khoảng cách giữa điểm z của dịng chảy mà tại đó xác định hàm
số dịng và điểm s trên cung thứ k của lưới.

f = ftđ - ftt : Chênh lệch độ cong của cung tương đương và cung tính tốn
f = f/L : Độ cong tương đối tính bổ sung thêm của cung tương đương

9


MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài.

Hiện nay, tổng số máy bơm của các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ và bắc Khu 4 cũ là
13.305 máy, riêng máy bơm loại 4000m3/h hướng trục trục ngang (bơm 24HTN90) có 796 máy .

Hình 1: Bơm 4000 m3/h trục ngang cũ ( 24HTN – 90) lắp tại trạm
Với nhiều nhược điểm gây khó khăn trong vận hành, sửa chữa như:
- Do kết cấu trục bơm dài và bạc đỡ phải chịu tải trọng quá dẫn đến rất hay
mòn cổ trục, mòn bạc bơm, hỏng ổ bi, hỏng các bộ phận làm kín nước, bánh cơng
tác và vành mịn.
- Khả năng hút của cánh bánh công tác kém, phải thường xuyên bơm mỡ cho ổ
chịu tải ở phần cánh hướng khi vận hành
- Trước khi bơm hoạt động phải mồi nước, nhưng do van xả Clape lắp ngồi
ống xả khơng kín nên người vận hành phải lấy đất sét, bùn chát kín gây bất tiện và
rất nguy hiểm nếu bơm vận hành trong thời tiết mưa bão hoặc là vận hành vào ban
đêm khi các bơm khác đang hoạt động.
Vì vậy, các máy bơm loại 4000m3/h hướng trục trục ngang thường không
được ưu chuộng, xu hướng chung là đề nghị cải tạo nâng cấp thành trục đứng. Tuy
nhiên việc làm này gây lãng phí khi khơng sử dụng được các cơng trình cũ ngồi
trạm biến áp và việc thay máy mới là rất tốn kém. Vì vậy, đây là đầu bài cần phải

10


giải quyết trong đề tài này. Phải làm sao để 796 máy máy bơm 4000m3/h hướng
trục đặt ngang được cải tạo một cách hợp lý nhất, hiệu quả nhất và mang lại được
nhiều tính năng tốt nhất của các loại bơm trục ngang.
Việc cải tạo này phải nghiên cứu tính tốn để cho phép có thể dễ dàng nâng
cấp để phù hợp với trình độ quản lý và trình độ kỹ thuật, phù hợp với quy mô mới
về chuyển dịch cơ cấu kinh tế mà cơ cấu cây trồng là vấn đề then chốt đối với sản
suất nông nghiệp.

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu.
Nghiên cứu thiết kế bơm hướng trục ngang với kết cấu buồng xoắn để cải tạo
các bơm huớng trục loại 4000 m3/h đặt ngang hiện nay nhằm nâng cao hiệu quả
kinh tế và an toàn trong vận hành khai thác.
2.2. Đối tượng và nội dung nghiên cứu của đề tài.
2.2.1. Đối tượng
Cải tạo bơm hướng trục 4000 m3/h trục ngang cũ mang nhãn hiệu 24HTN-90
Nghiên cứu thiết kế bơm hướng trục dùng buồng xoắn
2.2.2. Nội dung nghiên cứu của đề tài
a. Nghiên cứu kết cấu.
- Nghiên cứu thiết kế bơm với kết cấu dùng ổ bi đảm bảo tuổi thọ cao
- Nghiên cứu thay cánh hướng bằng buồng xả xoắn ốc để rút ngắn và giảm đường
kính trục. Tăng tuổi thọ của bơm.
b. Nghiên cứu phần dẫn dòng .
- Nghiên cứu tính tốn thiết kế cánh bánh cơng tác
- Nghiên cứu tính tốn thiết kế buồng xoắn
- Chế tạo mẫu và thử nghiệm lựa chọn mẫu có hiệu suất cao.

11


3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Đối với lĩnh vực KH&CN có liên quan
Lần đầu tiên trong lĩnh vực máy bơm trên thế giới, nghiên cứu chế tạo loại
bơm hướng trục buồng xoắn. Nó là khâu đột phá cho một loại kết cấu mới có tính
khả thi cao, và nếu thành cơng sẽ đem lại cho xã hội một loại sản phẩm có nhiều
tính ưu việt nổi trội , đồng thời cũng góp phần làm phong phú các loại hình kết cấu
đa dạng của máy bơm nước.
3.2. Đối với nơi ứng dụng kết quả nghiên cứu

Thành cơng lớn nhất trước hết, đó là giải quyết được vấn đề nổi cộm trong
quản lý khai thác vận hành các loại bơm 4000m3/h trục ngang từ nhiều năm nay.
Cải thiện môi trường làm việc cho công nhân vận hành. Tận dụng được cơng trình
cũ. Phát huy được lợi thế của các loại bơm trục ngang
3.3. Đối với kinh tế - xã hội và môi trường
Đề tài thành công sẽ là cơ sở để cải tạo nâng cấp cho 796 bơm ở 16 tỉnh thành
khu vực đồng bằng Bắc Bộ và Bắc khu Bốn cũ. Là nhu cầu cấp thiết có ý nghĩa
quan trọng trong việc thực hiện cơng nghiệp hố hiện đại hố nơng nghiệp nơng
thơn. Đặc biệt giải quyết được tậm lý lo lắng và chán nản lâu nay của đa số cán bộ
kỹ thuật và vận hành các trạm bơm 4000m3/h trục ngang .
Đề tài thành công sẽ tạo cơ sở cho công tác nghiên cứu để cải tạo các loại máy
bơm như bơm 1000m3/h, bơm 2500m3/h... đang hoạt động ở đồng bằng Bắc Bộ và
Bắc khu bốn cũ.

12


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VÊ BƠM HƯỚNG TRỤC VÀ TÌNH HÌNH
NGHIÊN CỨU CẢI TẠO BƠM 4000M3/H ĐẶT NGANG HIỆN NAY

1.1.

Phạm vi làm việc của bơm hướng trục
Để xác định phạm vi làm việc của bơm, trước hết cần phải phân loại

bơm. Có hai cách để phân loại máy bơm hiện nay là:
- Phân loại theo cột nước;
- Phân loại theo số vòng quay dặc trưng ns.
Phân loại máy bơm theo cột nước chỉ cho biết sơ bộ vùng ứng dụng các
loại máy bơm theo điều kiện địa hình. Nhưng với cùng một cột nước có thể sẽ

có sự trùng lặp các vùng làm việc của các máy bơm khác nhau nên sự phân
loại theo số vòng quay đặc trưng ns để có thể nhận biết sâu sắc hơn về các đặc
tính thuỷ lực của máy bơm như: đặc tính xâm thực, khả năng thốt…
Số vịng quay đặc trưng của máy bơm ns :
Để lựa chọn máy bơm cần dựa vào các thơng số cơng suất (N), cột áp
(H), số vịng quay (n). Người ta dùng ns làm đại lượng đặc trưng tổng hợp cho
3 thơng số trên.
Số vịng quay đặc trưng ns của máy bơm được xác định theo công thức:
ns  3, 65

n Q
 v / ph 
H 3/4

Số vòng quay đặc trưng ns là yếu tố quan trọng quyết định hình dạng của
bánh cơng tác máy bơm. Khi ns tăng tỷ số D2/D1 giảm xuống, còn chiều rộng
bánh cơng tác B2 sẽ tăng lên (xem hình 1.1).

Hình 1.1. Sự thay đổi hình dạng của bánh cơng tác theo ns

13


Bảng 1.1. Phân loại máy bơm theo ns

1.2.

TT

Loại máy bơm

ns (v/ph)

1

Ly tâm ns thấp

40 – 80

2

Ly tâm ns trung bình

80 – 140

3

Ly tâm ns cao

140 – 300

4

Hướng chéo

300 – 450

5

Hướng trục

Từ 450 -1200

Khả năng ứng dụng của bơm hướng trục.
Bơm hướng trục được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống và sản

xuất. Thông thường bơm hướng trục giới hạn phạm vi cột áp H < 20m. Trong phạm
vi này, tuỳ theo đặc điểm của máy bơm để xác định số vòng quay đặc trưng n s của
bánh cơng tác khác nhau.

Hình 1.2.Biểu đồ vùng sử dụng của máy bơm hướng trục
kiểu O và kiểu cánh quay O

1.3.

Tình hình nghiên cứu trong nước:
Cơng nghệ nói chung và cơng nghệ cơ khí nói riêng của nước ta thường đi sau

công nghệ của các nước trong khu vực và trên thế giới, trong khi đó cán bộ chuyên

14


môn của nước ta cũng hầu như được đào tạo như họ và thậm chí có khá nhiều
chun gia giỏi. Sở dĩ nhược điểm này kéo dài nhiều năm nay do nhiều nguyên
nhân mà một trong những nguyên nhân đó là cơ sở vật chất phục vụ cho công tác
nghiên cứu cịn nghèo nàn, tiền nghiên cứu q ít ỏi. Mặt khác, công nghệ vật liệu
trong nước chưa theo kịp thế giới, các nhà máy cơ khí đa số được trang bị máy móc
và cơng nghệ cũ từ Liên Xơ hay các nước xã hội cũ thường lạc hậu.
Trong quá trình sử dụng máy bơm và trạm bơm nhiều đề tài nghiên cứu đã được

thực hiện, nhiều công nghệ mới đã được áp dụng, và cũng đã tạo ra nhiều loại máy
bơm thích hợp hơn, hiệu suất cao hơn, kết cấu hợp lý hơn.
Kết quả thành công của đề tài nghiên cứu do Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi Viện KHTL Việt Nam chủ trì và dự án hồn thiện công nghệ do Tổng công ty cơ
điện nông nghiệp chủ trì về chế tạo Bơm 36.000 m3/h đã khẳng định: Với thiết bị
và cơng nghệ trong nước có thể tầng bước hồn thiện đuổi kịp mặt bằng về trình độ
chế tạo cơ khí những loại bơm có tính năng cao, những hệ thống truyền động điện
an toàn nhỏ gọn
Sự phát triển hết sức nhanh chóng các trạm bơm tưới tiêu trước đây, nhất là
trong thời kỳ chiến tranh khi khả năng kinh tế cịn khó khăn, trình độ cơng nghệ còn
hạn chế nảy sinh hàng loạt vấn đề về thiết kế máy bơm, chế tạo bơm, quản lý khai
thác máy bơm, bảo dưỡng máy bơm, kỹ thuật điều hành trạm bơm. Vì vậy, cần thiết
phải tầng bước được xem xét nghiên cứu cải tiến lại một cách đầy đủ tầng vấn đề.
1.4.

Nhiệm vụ khoa học của đề tài
Phương pháp và tiêu chí nghiên cứu:
Kết hợp nghiên cứu lí thuyết và kiểm tra bằng các phần mềm hiện đại và mơ

hình vật lí, bao gồm:
- Tính tốn thiết kế bánh công tác để đảm bảo hiệu suất cao
- Thiết kế buồng xoắn thay cho cánh hướng dòng ra với tiêu chí kết cấu nhỏ
gọn, độ bền cao

15


CHƯƠNG II. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ BƠM
HƯỚNG TRỤC
2.1. Các phương pháp thiết kế bơm hướng trục
Để tính tốn bánh cơng tác và hướng dịng bơm hướng trục người ta có thể sử

dụng một trong các phương pháp sau:
- Phương pháp tương tự hình học.
- Phương pháp một tọa độ.
- Phương pháp lực nâng.
- Phương pháp XTZ.
- Phương pháp phương trình tích phân của Vơzơnhexenski-Pê kin.
- Phương pháp phân bố xốy của Lêxơkhin-Ximơnơv.
- Phương pháp các điểm kỳ dị của Lêxơkhin.
*) Phương pháp tương tự hình học:
Là phương pháp đơn giản nhất, dựa vào các bơm mẫu có sẵn hoặc các bơm mơ
hình có nS tương tự. Theo phương pháp này người ta chỉ việc nhân các kích thước
của bơm mẫu với một hệ số xác định dựa theo các thông số làm việc của bơm thực
và bơm mẫu. Để tính tốn theo phương pháp này người ta phải có bản thiết kế
chuẩn của bơm mẫu hoặc bơm mơ hình, đặc tính năng lượng của bơm để dựa vào
đó xác định các hệ số chuyển đổi. Trong trường hợp khơng có bản thiết kế chuẩn thì
rõ ràng là bản thiết kế mới sẽ không đạt yêu cầu về thông số năng lượng cũng như
hiệu suất của bơm.
*) Phương pháp một tọa độ:
Là phương pháp thiết kế đơn giản nhưng có hiệu quả. Prơfin cánh thiết kế bảo
đảm góc vào và góc ra của cánh phù hợp với đặc tính dịng chảy nên phương pháp
này được sử dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp này địi hỏi
người thiết kế phải có kinh nghiệm trong việc lựa chọn một số các thơng số hình
học ban đầu của lưới cánh. Thêm vào đó việc thiết kế lưới cánh chỉ có thể thực hiện
bằng phép dựng hình thủ cơng khó lập trình tính tốn trên máy vi tính.

16


*) Phương pháp Lực nâng:
Là phương pháp được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên Thế giới. Bánh công

tác được tính tốn cho một số tiết diện từ bầu cánh tới vỏ bơm. Trên thực tế mỗi tiết
diện là một prôfin, các prôfin ứng với mỗi tiết diện khác nhau sẽ có các hệ số lực
nâng khác nhau, nếu chọn prơfin khí động thoả mãn các hệ số lực nâng và lực cản
tối ưu thì các tiết diện sẽ có các prơfin dạng khác nhau. Như vậy khi xâu cánh sẽ
khó đảm bảo sự sn đều của lá cánh, chính vì vậy trong q trình thiết kế phải vẽ
và điều chỉnh các thơng số nhiều lần gây khó khăn cho việc lập trình và tính tốn
trên máy vi tính. Tuy nhiên phương pháp này có ưu điểm là khối lượng tính tốn
đơn giản và sử dụng các prơfin khí động đã được khảo nghiệm tin cậy, hiệu suất
cao.
*) Phương pháp XTZ:
Là phương pháp dựa trên giả thuyết là độ cong của đường nhân prơfin có ảnh
hưởng quyết định tới lưu số vận tốc hay cột áp do cánh tạo nên, do vậy cũng ảnh
hưởng quyết định tới lưu số vận tốc hay cột áp cũng như tới lực nâng tác dụng lên
prôfin cánh. Dựa theo quan hệ của lực nâng Cy, với lưu số vận tốc bao quanh prôfin
và quan hệ của lực nâng Cy với góc đặc trưng cho độ cong của prơfin o ta xác định
được góc o theo các thơng số hình học và động học của cánh. Trong trường hợp
này đường nhân của prôfin là một cung tròn. Phương pháp này được sử dụng rộng
rãi ở các nhà máy chế tạo máy cánh ở Liên- Xơ cũ.
*) Phương pháp phương trình tích phân của Vơzơnhexenski-Pêkin:
Là phương pháp được sử dụng phổ biến ở Liên- xô (cũ) để thiết kế bơm hướng
trục, phương pháp Vôzơnhexenski-Pêkin coi đường nhân là một cung trịn, khi đó
có thể giải được phương trình tích phân hàm dịng của đường dịng tạo bởi dịng
song phẳng khơng nhiễu và dịng xốy tạo bởi các xoáy liên hợp phân bố trên
đường nhân của tất cả các prôfin trong lưới theo các phương pháp này tác động của
các prơfin lên dịng chất lỏng được thay thế bởi các xoáy phân bố dọc theo đường
nhân theo một quy luật xác định. Dòng chảy tổng hợp được xác định bằng tổng của
dịng song phẳng khơng nhiễu và dịng xốy tạo bởi các xốy phân bố theo đường

17

nhân prơfin. Bằng cách xác định đường dịng tổng hợp này ta sẽ xác định đường
nhân của prơfin, đó cũng là prơfin cánh có chiều dầy mỏng vơ cùng. Để xác định
prơfin có chiều dầy hữu hạn ta đắp độ dầy trên đường nhân prôfin theo một quy luật
xác định bằng cách chọn các prơfin thực nghiệm có đặc tính khí động tốt rồi lấy quy
luật phân bố độ dày của nó để làm mẫu chuẩn cho prơfin thiết kế mới .
*) Phương pháp phân bố xốy của Lêxơkhin-Simơnơv:
Phương pháp Lêxôkhin-Simônôv coi đường nhân của prôfin là một cung cong
bất kỳ xác định bởi dịng song phẳng khơng nhiễu và các xoáy phân bố trên đường
nhân của tất cả các prơfin, trường hợp này khơng thể giải phương trình tích phân
bằng phương pháp giải tích mà phải giải bằng phương pháp gần đúng liên tiếp. Vì
vậy việc giải phương trình tích phân sẽ rất phức tạp, nhưng đáp lại phương pháp
này cho các kết quả phù hợp hơn với bản chất dòng chảy. Theo phương pháp này
tác động của các prơfin lên dịng chất lỏng được thay thế bởi các xoáy phân bố dọc
theo đường nhân theo một quy luật xác định. Dòng chảy tổng hợp được xác định
bằng tổng của dịng song phẳng khơng nhiễu và dịng xốy tạo bởi các xốy phân bố
theo đường nhân prơfin. Bằng cách xác định đường dòng tổng hợp này ta sẽ xác
định đường nhân của prơfin, đó cũng là prơfin cánh có chiều dầy mỏng vơ cùng. Để
xác định prơfin có chiều dầy hữu hạn ta đắp độ dầy trên đường nhân prôfin theo một
quy luật xác định bằng cách chọn các prơfin thực nghiệm có đặc tính khí động tốt
rồi lấy quy luật phân bố độ dày của nó để làm mẫu chuẩn cho prôfin thiết kế mới .
*) Phương pháp điểm kỳ dị của Lêxơkhin:
Là phương pháp tính tốn cánh có độ dày hữu hạn tương tự như phương pháp
phân bố xốy trên cung mỏng của Lêxơkhin-Simơnơv, theo phương pháp này, tác
động của prơfin cánh lên dịng chất lỏng được thay thế bởi các xoáy, nguồn và tụ
phân bố tại các điểm trên đường nhân prơfin. Đường dịng khép kín của dịng tổng
hợp tạo bởi dịng song phẳng khơng nhiễu và các dịng phụ tạo bởi xốy, nguồn và
tụ sẽ là chu tuyến prơfin. Phương pháp này ít được sử dụng để thiết kế bơm vì nó
này khá phức tạp địi hỏi khối lượng tính tốn lớn.
Hai phương pháp phân bố xốy trên cung mỏng của Lêxơkhin - Simơnơv và

18


phương pháp các điểm kỳ dị của Lêxôkhin được sử dụng chủ yếu để tính tốn
tuabin hướng trục, vì các tuabin thường có cơng suất rất lớn địi hỏi phải có thiết kế
chính xác để đem lại hiệu suất cao và hiệu quả sử dụng năng lượng tối đa. Ngày nay
với sự phát triển của kỹ thuật vi tính thì việc tính tốn cánh bằng hai phương pháp
này khơng cịn là vấn đề khó khăn nữa.
2.2. Thiết kế cánh bơm hướng trục theo phương pháp Vôzơnhexenski - Pêkin.
2.2.1. Nội dung tính tốn cánh BCT theo phương pháp Voznhexenski Pekin
1. Tính tốn và chọn các thơng số cơ bản
Để tính tốn thiết kế cánh bánh công tác bơm hướng trục cần cho trước các
thông số sau:
- Lưu lượng Q( m3/s)
- Cột áp H (m)
* Tỷ số bầu.
Tỷ số đường kính bầu được chọn dựa trên quan hệ:
d

= 26,8. ns - 0,603

(2-1)

Và có thể chọn tham khảo đồ thị d = f(KHtư) ở hình 2.1, và hình 2.2

Hình 2.1. Đồ thị quan hệ d = f((KH)

19

Hình 2.2 Biểu đồ quan hệ d b  f ( K Htu )
* Đường kính bánh cơng tác
Đường kính bánh công tác chọn theo thành phần vận tốc hướng trục Vz
Giá trị tối ưu của vận tốc Vz chọn theo công thức của S.S. Rutnhep.
VZ  (0,06  0,08) n 2 Q m/s

(2-2)

Vận tốc hướng trục xác định theo cơng thức:
VZ 

4.Q

(2-3)

2

 .D 2 .(1  d )

Do đó:
D

4Q

(2-4)

2

VZ (1  d )

D: Đường kính bánh cơng tác (m).
* Số vịng quay n
Số vịng quay n khơng được vượt q số vịng quay cho phép để bơm làm việc
khơng xảy ra xâm thực.
Số vòng quay làm việc xác định từ biểu thức tính hệ số xâm thực đặc trưng:
C 

5,62n Q
hh

(2-5)

3/ 4

Từ biểu thức trên ta suy ra:

20


[ n] 

C (hh ) 3 / 4

(2-6)

5,62 Q . A3 / 4

C  1000; hh  10m

(2-7)

Hệ số dự trữ : A = 1,07

(2-8)

Và điều kiện:
n  n

(2-9)

n.D  450  560

(2-10)

D  (450  560) / n

(2-11)

Do đó :

* Số vòng quay đặc trưng.
nS 

3,65n Q
H 3/ 4

(2-12)

Trong đó:

n : Số vịng quay của bơm tính v/ph.
* Tính hệ số cột áp
H 602
KH  2 2
n D

(2-13)

* Tính hệ số lưu lượng
KQ 

Q 60
n D3

(2-14)

2. Lựa chọn thông số kết cấu và tính các thơng số thuỷ lực
* Mật độ dãy cánh (L/T) D ở tiết diện ngoài biên của cánh
(L/T) D ở tiết diện ngoài biên thường được chọn theo bơm mẫu có ns
gần nhất. Với trường hợp khơng có bơm mẫu, thì (L/T) D có thể chọn theo đồ thị
(hình 2-3).

21


Hình 2-3. Biểu đồ để xác định độ mau tối thiểu cho phép của lưới cánh.
Mật độ dãy cánh tối thiểu cho phép của lưới được xem xét trên cơ sở đồ thị
Howell (hình 2-4) phụ thuộc vào góc ngoặt dịng
 = 2 - 1

(2-15)

Trong đó:
1 và 2 - Góc của vận tốc tương đối trước và sau lưới với trục u.
(L/T) b được chọn tương tự như cánh chọn của (L/T) D , thường lấy theo mẫu
Sau khi chọn mật độ của lưới cho tất cả các tiết diện, cần xây dựng quy luật biến
đổi của mật độ phụ thuộc vào bán kính R i của tiết diện. Quy luật này được hiệu
chỉnh khi xâu cánh.

Hình 2-4. Biểu đồ xác định độ mau cho phép của lưới cánh ở tiết diện biên

22


* Số lá cánh Z 1 .
Số lá cánh Z 1 được chọn theo mẫu có ns tương đương
* Xây dựng tam giác vận tốc
Tam giác vận tốc được xây dựng dựa trên cơ sở các thông số đã chọn của bơm
như đường kính bánh cơng tác D, đường kính bầu d số vòng quay n, số lá cánh của
cánh bánh công tác Z 1 .
Thành phần vận tốc V 1u (hay còn gọi là vận tốc vòng ) trước bánh cơng tác trong
trường hợp dịng vào khơng xốy có giá trị bằng khơng.
Khi đó phương trình cơ bản của máy cánh dẫn có dạng:
Hlt 

uV
. 2u 
 RV
. 2u
g

g

(2-16)

Trong đó:
V2u: Thành phần vận tốc vịng trung bình sau bánh cơng tác.
Thành phần vận tốc hướng trục trung bình xác định bằng:
VZ 

4.Q
 (D2  d 2 )

(2-17)

Vận tốc theo:
u i = .R i

(2-18)

Góc của dịng chảy khi vào bánh cơng tác có giá trị bằng
 VZ 

 u  V1u 

1  arctg 

(2-19)

Thành phần vận tốc vòng V2u xác định từ phương trình:
V2u 

g.H lt
.R

(2-20)

Góc của dịng chảy khi ra khỏi bánh công tác bằng:


VZ 

 u  V2u 

 2  arctg 

(2-21)

23