Đồ án Tính toán, thiết kế bơm ly tâm

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BƠM LY TÂM VÀ HỆ THỐNG Kiểu bơm: НЦВ 100/75 (Bơm cứu hoả) Hệ thống : Hệ thống cứu hoả trên tàu (nước biển) Học viên thực hiện: Trần Xuân Trung CÁC SỐ LIỆU CHO TRƯỚC: Số liệu bơm: Q = 100 m3/h (Q4 = Q6 = 33 m3/h ) pđ = 6,5 kG/cm2 (p4 = p6 = 2,0 kG/cm2 ) ph = 0,5 kG/cm2 Chiều cao dâng 4,5m Số liệu hệ thống: L1-2 = 3,5 m; L2-3 = 2,5 m; L3-4 = 4,8 m; L3-5 = 5,0 m; L5-6 = 3,5 m; L5-7 = 4,0 m; L7-8 = 3,5 m 4 8 7 1 2 3 6 5 Phần 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BƠM LY TÂM Đặc điểm bơm ly tâm Bơm li tâm là bơm dạng cánh truyền năng lượng cho chất lỏng dưới dạng động năng.Về kết cấu bơm có các bộ phận chính sau: vỏ bơm, bánh cánh, trục, thiết bị làm kín. 1.1. Vỏ bơm Vỏ bơm được chế tạo kiểu ghép ngang gồm nhiều phần ghép. Thân bơm chia làm nhiều khoang riêng biệt với các mục đích khác nhau. Khi khai thác, lắp đặt, sửa chữa phải chú ý tới chốt định vị, độ dày các gioăng, thứ tự lắp ghép. Lối dẫn chất lỏng vào bánh cánh tạo thành cửa hút. Sơ đồ bơm li tâm 1.Lối vào 3. Lối ra 2.Bánh cánh 4.Lưỡi 5. Ống loe 1.2. Bánh cánh Bánh cánh bơm li tâm gồm có nhiều cánh cong ghép lại với nhau gắn trên mâm xoay. Bánh cánh quay nhờ gắn chặt với trục bằng mối ghép then. 1.3. Trục bơm Trục bơm là chi tiết quan trọng có nhiệm vụ truyền mômen xoắn của động cơ lai tới bánh cánh làm cho bánh cánh quay tới bánh cánh làm cho bánh cánh quay. Trục bơm thường là trục bậc để dễ dàng lắp ráp các thiết bị trên trục. H1. Kết cấu trục bơm 1.4. Trết làm kín Trong bơm li tâm thiết bị làm kín có nhiệm vụ làm cách biệt với các khoang công tác với nhau không cho áp suất xâm nhập, rò chất lỏng để đảm bảo chức năng của bơm đồng thời ngăn cách bơm với môi trường bên ngoài. 2. Điều kiện làm việc. -Trong quá trình làm việc bơm thường xuyên phải tiếp xúc với nước biển có chứa lượng muối cao gây hiện tượng ăn mòn. 3. Yêu cầu kỹ thuật 3.1. Thân bơm - Phải đảm bảo độ cứng vững, chịu được ăn mòn, va đập. - Giữa thân bơm và bánh công tác có vành làm kín ngăn chất lỏng chảy từ cửa đẩy về cửa hút. Khe hở cho phép 0,1 ÷ 0,5 mm. Có thể thay đổi tuỳ theo trạng thái kỹ thuật của bơm. - Bề mặt lắp ghép giữa nắp và vỏ bơm được gia công chính xác, có đặt đệm làm kín tránh rò lọt không khí vào bơm. 3.2. Ổ đỡ Lắp ghép đúng yêu cầu kỹ thuật, có bộ điều chỉnh khe hở khi ổ bi mòn đảm bảo rôto không bị đảo. 3.3. Bánh công tác - Đủ bền, chịu được ăn mòn khi ngâm trong nước biển. - Lắp ghép với trục bằng mối ghép then. 3.4. Trục bơm - Không cong vênh. Độ đảo cho phép < 0,03 mm/m. - Đủ điều kiện bền. - Các bích nối đảm bảo độ đồng tâm. - Trục đỡ trên các ổ bi và có các trết làm kín 4. Nguyên tắc hoạt động : Trước khi bơm làm việc cần phải làm cho thân bơm và đường ống hút điền đầy chất lỏng cần bơm. Việc này gọi là mồi bơm. Chất lỏng công tác đi qua bộ dẫn hướng vào bánh công tác. Khi bánh công tác quay, do tác động của các cánh công tác chất lỏng sẽ quay theo theo cùng với bánh cánh, như vậy các phần tử nước sẽ có tốc độ vòng U hướng tiếp xúc với vòng tròn vẽ qua điểm đang xét và có tâm là tâm quay của bánh công tác. Và khi chất lỏng chuyển động quay trong lòng bánh công tác sẽ xuất hiện lực li tâm đẩy chất lỏng chuyển động trong rãnh cánh ra phía ngoài xa tâm quay hơn với vận tốc tương đối W. Như vậy vận tốc tuyệt đối của phần tử chất lỏng sẽ là : Kết quả là khi ra khỏi bánh cánh chất lỏng đã được bơm truyền cho năng lượng để tăng tốc độ từ C1 (ở mép vào bánh cánh) lên C2 (ở mép ra bánh cánh). Sau khi ra khỏi bánh cánh chất lỏng có tốc độ lớn được đưa vào buồng xoắn ốc có tiết diện lớn dần từ trong ra ngoài nhằm làm giảm tốc độ của dòng chất lỏng và như vậy biến một phần cột áp động của dòng chảy thành cột áp tĩnh, tăng áp lực chất lỏng ở đường ống đẩy. Đồng thời khi chất lỏng chuyển vào bánh công tác thì tạo ra độ chân không ở cửa hút làm cho chất lỏng luôn được điền đầy vào bơm, chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theo ống hút.Đó là quá trình hút của bơm. Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liên tục tạo nên dòng chảy liên tục trong bơm. Phần 2: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BƠM Chương 1: THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BƠM Kiểu bơm và hệ thống: Bơm ly tâm. Lưu lượng bơm: Qb= 100 m3/h. Áp suất đẩy: Pd= 6,5 Kg/cm3. Áp suất hút: Ph= 0,5 Kg/m3. Chiều cao chất lỏng: Z1= 4,5 m. Chất lỏng bơm: Nước biển. Nhiệt độ chất lỏng: t= 27 0C. Áp suất khí quyển: 1at= 110 Kg/cm2. Trọng lượng riêng chất lỏng: γ= 1025 Kg/m3. Áp suất hơi bão hòa: 0,01÷ 0,03 Kg/cm2. Vận tốc chất lỏng: 2÷ 5 m/l. Hiệu suất thể tích của bơm: η0= 0,95÷0,98. Chọn η0=0,96. Lưu lượng lý thuyết: Q= = =104,16 m3/h. Cột áp bơm: Hb = = = 58,54 mH2O Năng lượng dự trữ: Δh = + = = 5,29 (mH2O) Số vòng quay giới hạn: ηS = = = 3649 (vòng/ phút). Số vòng quay thực tế: n ≤ ngh Số vòng quay cho phép: ncp= (0,7 = (vòng). Hệ số cao tốc: nS= = = 583 (vòng/phút) Cộp áp giới hạn của bánh cánh: Hi.max=0,0165. =0,0165.= 64,4 mH2O Số cấp: i= = =1,04. Chọn i = 1 Cột áp do một cấp tạo ra: Hi= = = 64,4 mH2O Hệ số cao tốc của 1 bánh cánh: nSK = = 79,29 (vòng/ phút) Chọn nSK= 79 vòng/phút Hiệu suất tuyệt đối: η0 = = = 0,964 Lưu lượng lý thuyết: QT= = =103,73 m3/h= 0,0288 m3/s Năng lượng dự trữ chống xâm thực: Δh=10. =10. = 3,89mH2O Năng lượng dự trữ cho phép: ΔhCP= = 2,59÷3,53 mH2O Chiều cao hút chân không cho phép: HCKCP= = = 2,44 mH2O Đường kính quy dẫn của bánh cánh: Dqd= (3,66,5).103. =(3,66,5).103. = 77,4÷139,7 mm Hệ số thủy lực của bơm: ΗTL= 1- = 1- = 0,74 Cột áp lý thuyết của bánh cánh: HLT= = = 87 mH2O Bán kính đỉnh của bánh công tác: r2= = = 0,16 m = 160 mm Vận tốc vòng đỉnh cánh: u2 = = = 48,5 m/s Bán kính trung bình các mép vào bánh cánh công tác: r1= = = 0,08 m Thành phần hướng kính của vận tốc tại của vào: C0r = C0 = (0,065 ÷ 0,085) = (0,065 ÷ 0,085) = 4÷5 m/s Chọn C0r= 4,5 m/s Vận tốc vòng của mép vào cánh: u1= = = 24,3 m/s Góc vận tốc tương đối tại của vào: tgβ1∞= => β1∞= arctg = arctg = 10,50 Góc đạt cánh tại của vào: = β1∞ +δ = 10,50+60= 16,5 0 ( với δ là góc va) Thành phần hướng kính của vận tốc tuyệt đối tại của vào: Cr1 = Ѱ1.C0r = 1,15.4,5= 5,175 m/s Vận tốc tương đối của chất lỏng ở của vào bánh cánh: W1 = = = 18,22 m/s Vận tốc tuyệt đối tại của ra khỏi bánh cánh: W2 = = = 15,2 m/s Thành phần hướng kính của vận tốc tuyệt đối tại của ra khỏi bánh cánh: Cr2 = K.c2m. = 1,2.0,012. = 5,2 m/s Góc cực đại của bánh cánh tại của ra khỏi cánh : = = 0,342 => β2d = 200 Số cánh của bánh công tác: z = 6,5 = 6,5 = 6.1 (cánh). Chọn z = 6 (cánh) Hệ số tính toán đến độ nhớt chất lỏng: φ = (0,55 ÷ 0,65) +0,6sinβ2d =(0,55 ÷ 0,65) +0,6sin200 = 0,76÷ 0,86 Hệ số luân chuyển tính đến số cánh đến cột áp: µz = = = 0,6 Cột áp lý thuyết khi z = ∞ (lý tưởng): HLT∞ = = = 145 mH2O Vận tốc vòng ở đỉnh cánh: U2= = = 37,2 m/s Thành phần vòng của vận tốc tuyệt đối: CU2∞ =U2 - Cr2.cotgβ2∞ = 37,2 - 5,2.cotg120= 13 m/s Thành phần vòng của vận tốc tuyệt đối thực: CU2 = µz.CU2∞ = 13.0,6= 7,8 m/s Hệ số vòng: KU2 = (0,9 ÷ 1,3) = = 1,2 Hệ số phản lực: ρ = ( 0,65 ÷ 0,85) = 1- =1- = 0,89 Bán kính vòng đĩa cánh công tác: r2 = 42,3 = 42,3 = 0,16 m Công suất toàn phần của bơm: Hiệu suất toàn phần : η = η0. ηT. ηM = 0,96.0,74.0,89= 0,63 N = = = 26 KW Ứng suất cho phép: τCP = 120 ÷ 300 KG/cm2 Đường kính trục: dT = = = 2,52 cm Bán kính ngoài của may ơ : rmo = 1,5. =1,5. = 1,89 cm Bán kính của vào bánh công tác: r0 = = = 0,045 m Bán kính trung bình của vào: r1 = (0,9 ÷ 1,3)r0 = 0,04÷0,06 m . Chọn r1= 0,06 m Bước cánh ở của vào: t1 = = = 62,8 mm Bề dày cánh: δ = 3 ÷ 5 Chọn δ = 4,5 mm Hệ số tích điện của vào: Ѱ1 = = = 1,34 Vận tốc mép vào các cánh: U1 = = = 18,2 m/s Góc vào tương đối (lý tưởng): tgβ1∞ = = = 0,37 => β1∞ =140 Thành phần hướng kính của vận tốc tuyệt đối: Cr1 = Ѱ1.C0r = 1,61.4,5 = 7,2 m/s Góc kết cấu (góc đặt): β1d = β1∞ +δ =140 + 60 = 200 Vận tốc tương đối: W1 = = = 20 m/s Vận tốc vòng ở đỉnh cánh: U2= = = 48,5 m/s Số cánh bánh công tác chính xác: z = 6,5 =6,5 = 6,2 Lấy z = 6 (cánh). Hệ số luân chuyển: µz = = = 0,8 Cột áp lý thuyết của bơm khi z= ∞: HLT∞= = = 108,75 mH2O Thành phần vòng của vận tốc tuyệt đối tại của ra: CU2∞ = = = 21,9 m/s Góc ra của vận tốc tương đối: tgα2∞ = = = 0,237 => α2∞ = 13,30 Bước cánh ở mép ra: 125,6 mm Bề dày mép ra: S2 = 2 ÷ 5 Chọn S2 = 3 Hệ số co ép ở của ra: = 1,12 Thành phần vòng của vận tốc tuyệt đối tại của ra: CU2 = µz.CU2∞ = 0,8.21,9 = 17,52 m/s Thành phần hướng kính của vận tốc tuyệt đối: Cr2 = 4,6 m/s Chương 2: TAM GIÁC VẬN TỐC CỦA BÁNH CÁNH CÔNG TÁC Chiều rộng mép của ra của cánh: 0,057 m Chiều rộng mép của vào của cánh: 0,028 m Chiều rộng cánh bi tại bán kính trung gian: =0,014 m Bán kính cung cánh: = 0,123 cm Bán kính đường tròn tâm cong của cánh: = = 0,05 m Bán kính đầu tiên cua ống ra: r3 = (1,03÷1,05)r2 = 0,165÷0,168 m Chiều rộng đầu tiên của ống ra: b3 = b2+0,1r2 = 0,028+0,1.0,16 = 0,044 m Vận tốc trung bình của chất lỏng trong ống ra: CTb = KTb = 0,4 = 15,8 m2 Diện tích thiết diện cắt ngang ở của ống xoắn: = = = 0,0018 m2 Góc mở của các rãnh mòn buồng xoắn thiết diện giọt nước Các hệ số của ống xoắn: = = 0,75 Cột áp tĩnh của ra khỏi bánh công tác: = = 60,5 mH2O Bán kính đệm kín trong: = 0,046+0,012= 0,058 m Lực hướng trục của áp suất thủy lực: = 72,28 KG Phần khí dòng chảy đổi hướng : = = 13 KG Lực dọc trục tác dụng lên bề mặt cánh bơm: P = P1 - P2 = 72,28 – 13 = 59,28 KG Trọng lượng Roto: = 41.1,5 = 61,5 KG Lực hướng trục tổng cộng: = 59,28 + 61,5 = 120,78 KG Chương 3: TÍNH TOÁN BÁN KÍNH NGOÀI TRÊN ĐĨA CHỦ ĐỘNG kính đệm kín ngoài đĩa chủ động: =0,058 m Lượng chất lỏng tiêu hao cho giảm tải hướng trục : = 0,00288÷0,0056 m3/s Đường kính lỗ giảm tải : mm. Chọn mm Số lỗ giảm tải : lỗ. Chọn lỗ Vận tốc chảy trong các lỗ: = = 16 m/s Áp suất trong khoang giảm tải: = = = 2,99 KG/cm2 Lực tác dụng lên bề mặt: = = = 53,8 KG = = = 176 KG Lực dư mà ổ đỡ phải chịu: = 176 – 72,28 – 15 + 61,5 = 150,2 KG Chương 4: TÍNH TOÁN HIỆU SUẤT VÀ CÔNG SUẤT TRỤC BƠM Độ sụp áp trên các đệm kín bánh công tác = =28,5 mH2O Hệ số lưu lượng trong các đệm kín µ = 0,4÷0,6 mH2O Khe hở hướng kính trong đệm kín bánh công tác bi = 0,12÷0,25 Rò rỉ qua khe hở đệm kín = = 0,0006 m3/s Rò rỉ chất lỏng tổng cộng =0,004 + 0,0006 = 0,0046 m3/s Hiệu suất thể tích = = 0,96 % Mất mát do chất lỏng rò rỉ Nr=0,0012U22.D22 = 0,0012.48,52.0,322 = 0,72 CV Hệ số ma sát trong đệm kín f =0,01÷0,015. Chọn f = 0,015 Mất mát do ma sát trong đệm kín = =0,09 CV Tổng công suất mất mát Nms=Nr+Nmsd =0,72 + 0,09 = 0,162 CV Tổng công suất tiêu hao trên trục = =18,6 CV Công suất có ích trên trục bơm = 18,45 CV Hiệu suất trên trục của bơm = =0,99 % Công suất động cơ chính xác Ndc = KN.N =1,2.18,6 = 22,32 CV Chọn kiểu động cơ (theo công suất chính xác) Chương 5: TÍNH TOÁN THỦY LỰC CHO CÁC ĐOẠN RIÊNG CỦA HỆ THỐNG Sơ đồ tính toán của một đoạn hệ thống 4 8 7 1 2 3 6 5 Lưu lượng trên đoạn tính toán = = 0,025 m3/s Q4 = Q6 = 30 m3/h = 0,0083 m3/s Q1 = Q2 = Q3 =0,025 m3/s Q5 = Q1 – Q4 = 0,025 – 0,0083 = 0,017 m3/s Q7 = Q8 = Q5 – Q4 =0,017 – 0,0083 = 0,0087 m3/s Chiều dài của từng đoạn L1-2 = 3,5 m; L2-3 = 2,5 m; L3-4 = 4,8 m; L3-5 = 5,0 m L5-6 = 3,5 m; L5-7 = 4,0 m; L7-8 = 3,5 m Đường kính của từng đoạn . Với Vi = 3,64 m3 = 0,09 m = 0,05 m = 0,08 m = 0,055 m Vận tốc dòng nước trên các đoạn 3,93 m/s = 4 m/s = 3,38 m/s = 3,66 m/s Tổn thất cục bộ qua van = = 2,7 mH2O Tổn thất cục bộ qua các đoạn ống vuông góc = = 0,74 mH2O Trị số Raynol = 0,35.106 = 0,2.106 = 0,201.106 = 0,27.106 Hệ số mất mát thủy lực theo chiều dài ống = 0,014 = 0,015 = 0,015 = 0,0145 Mất mát cột áp do ma sát = 0,42 mH2O = 0,30 mH2O = 1,2 mH2O = 0,67 mH2O = 0,85 mH2O = 1,17 mH2O = 1,02 mH2O = 0,42+0,30+1,2+0,67+0,85+1,17+1,02 = 5,63 mH2O Mất mát trên toàn đoạn tính toán và chiều cao hình học = 4.2,7+2.0,74+5,63+4,5 = 22,41 mH2O Áp suất công tác lớn nhất trong hệ thống =1025.22,41.10-4+2,8 = 5,1 KG/cm2 Chương 6: DỰNG CÁC ĐẶC TÍNH BƠM VÀ HỆ THỐNG Hệ số độ dốc của đặc tính H - Q: . Có ns=583 => Chọn KH= 1 Cột áp của bơm khi lưu lượng Q = 0: = 67,5 mH2O Hệ số đặc tính N – Q: . Chọn KN= 0,15 Công suất toàn phần của bơm khi lưu lượng Q =0: = 0,15.18,6= 2,79 CV Công suất của bơm ở chế độ khai thác tính toán : = = 2,79+(18,6-2,79) Cột áp của hệ thống thủy lực Đặc tính H – Q của hệ thống : QX 0 10 20 30 40 50 60 …. Q NX 2,79 8,5 14,2 19,9 25,6 31,3 37 ….. N NΠX 0 3,3 6,6 9,9 13,2 16,5 19,8 …. NΠ HXb 0 25,6 30,8 40,6 78,4 94,8 112,1 …. H ηX 0 0.39 0,46 0,49 0,51 0,527 0,535 …. η HXHT 0 …. HHT