Đồ án tốt nghiệp Tính Toán Thiết Kế Và Mô Phỏng Thủy Lực Cho Máy Thủy Lực Ly Tâm Làm Việc Ở Chế Độ Bơm Và Tua Bin
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Bộ Môn Máy Và Tự Động Thủy Khí
Ngành Máy Thủy Khí
Viện Cơ Khí Động Lực
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
1 Đề Tài:
Tính Toán Thiết Kế Và Mô Phỏng Thủy Lực Cho Máy Thủy Lực Ly Tâm Làm Việc Ở Chế Độ Bơm Và Tua Bin
2 Các Số Liệu Ban Đầu
- Lưu lượng 0.05 m/s
- Cột áp: H= 9m chế độ tuabin
H = 11m chế độ bơm
- Môi Chất Làm Việc: Nước
3 Nội Dung Các Phần Thiết Kế Và Tính Toán
- Tổng quan về bơm quạt cánh dẫn:
- Phân loại và phạm vi sử dụng
- Tìm hiểu công dụng nguyên lý hoạt động của bơm làm việc thuận nghịch và đập thủy điện tích năng
- Xác định kích thước cơ bản của bơm làm việc ở chế độ tua bin
- Tính toán buồng dẫn dòng vào ra cho máy ly tâm làm việc ở chế độ bơm và tubin
- Tính toán bền một số chi tiết của máy ly tâm làm việc hai chế độ bơm và tuabin
- Quy trình công nghệ gia công bách công tác của máy ly tâm làm việc ở chế độ bơm và tubin
4 Các Bản Vẽ Thiết Kế
- Một bản vẽ lắp khổ giấy A0
- Bản vẽ thiết kế và chế tạo bánh công tác A1
- Bản vẽ chế tạo buồn xoắn A1
- Một bản vẽ công nghệ chế tạo một chi tiết A0
5 Mục Đích Mô phỏng
- Phân tích dòng chảy và chế độ chảy của máy ở hai chế độ bơm và tuabin.
- Tính toán hiệu suất mô phỏng so với hiệu suât thiết kế.
Mục lục
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI VÀ TỔNG QUAN VỀ MÁY THỦY LỰC CÁNH DẪN LÀM VIỆC HAI CHẾ ĐỘ BƠM VÀ TUABIN.. 4
1.1 Nhiệm vụ của đề tài.4
1.2 Nhà máy thủy điện tích năng. 5
1.2.1 tổng quan về nhà máy thủy điện tích năng. 5
1.2.3 Tình hình phát triển của máy thủy lực thuận nghich và đập thủy điện tích năng trên thế giới và ở nước ta hiện nay. 8
1.3 Tổng quan về máy thủy lực cánh dẫn. 9
1.3.2 Định nghĩa, phân loại9
1.2.2 nguyên lý tác dụng của máy cánh dẫn. 9
1.3.3 Các lĩnh vực sử dụng của máy thủy lực cánh dẫn. 10
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO MÁY THỦY LỰC CÁNH DẪN THUẬN NGHỊCH DẠNG HƯỚNG TÂM... 13
2.1 Phương trình cơ bản của máy cánh dẫn.13
2.3 Phương trình cơ bản của máy cánh dẫn.15
2.2 Các lý thuyết cơ bản về bơm ly tâm.. 20
- 2.1 Lý thuyết thiết kế bơm ly tâm.20
2.2.2 Thiết kế bánh công tác bơm ly tâm cánh trụ bằng phương pháp điểm.21
2.3 Lý thuyết thiết kế tubin.27
2.3.1 Chọn biên dạng của mặt cắt kinh tuyến và một số thông số khác.27
2.3.2 Xác định mặt dòng trong mặt cắt kinh tuyến.29
2.3.3 Thiết kế bánh công tác của tuabin tâm trục.33
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA MÁY THỦY LỰC CÁNH DẪN LÀM VIỆC THUẬN NGHICH DẠNG TÂM TRỤC.. 37
3.1 Tính toán các thông số cơ bản. 37
3.5 Tính toán thông số mép ra chính của bánh công tác. 37
3.6 Tính toán chiều dày cánh mép vào. 40
3.7 Tính toán chiều dày cánh mép ra. 40
3.8 Tính toán kiểm nghiệm.. 41
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ THỦY LỰC.. 42
4.1Xây dựng mặt cắt kinh tuyến bánh công tác. 42
4.2 Thiết kế biên cánh bánh công tác bằng phương pháp điểm.. 45
4.3 Tính toán thiết kế cánh hướng. 48
4.3.1 Nhiệm vụ và các thông số đặc trưng.48
4.3.2 Tổn thất trong hệ thống cánh hướng.50
4.3.3 Thiết Kế Cánh Hướng Dòng. 52
4.4 Cột trụ. 53
4.5 Tính toán thiết kế buồng xoắn theo quy luật cvr = const53
Chương 5 Tính Toán Bền Mội Số Chi Tiết Của Mẫu PAT.. 60
5.1 Tính toán lực tác dụng lên bánh công tác.60
5.1.1 Xác định momen xoắn mx. 60
5.1.2 Tính Lực dọc Trục. 60
5.2 Tính bền trục và các chi tiết chịu lực quan trọng. 62
5.2.1 Tính bền trục. 62
6.2.2 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi63
5.2.3 Xác định số vòng quay tới hạn của trục. 65
CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG TẠI ĐIỂM THIẾT KẾ CỦA MÁY THỦY LỰC THUẬN NGHỊCH.. 66
6.1 Tổng quan về ansys. 66
6.2 Mô phỏng chế độ bơm và phân tích kết quả. 67
6.4 Mô Phỏng Chế Độ Tua-Bin Và Phân Tích Kết Quả. 75
6.4.1 Thông số mô phỏng ở chế độ tubin. 75
KẾT LUẬN.. 82
Danh Mục Tra Cứu.84
LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống, cũng như trong các ngành công nghiệp ngày nay. Máy bơm là một thiết bị, một loại máy móc không thể thiếu và xuất hiện ở nhiều bộ phận. Từ các hệ thống cấp nước sinh hoạt hàng ngày cho đến các hệ thông thủy lợi, cấp thoát nước cho các thành phố, các hệ thống tự động về khí nén hay thủy lực hiện nay đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thì máy bơm là một phần quan trọng, không thể thiếu có thể coi là trái tim của các hệ thống này. Hiện này máy bơm có rất nhiều loại, tùy thuộc vào thực tế mà mỗi vị trí làm việc lại có một loại máy bơm hợp lý nhưng nói chung máy bơm được chia làm hai dòng lớn là máy bơm thế tích chuyên được sử dụng trong các hệ thống thủy lực hoặc khí nén do đặc tính có thể tạo ra áp suất cao. Loại thứ hai là máy bơm cánh dẫn, loại này có lưu lượng lớn và động năng dòng chảy cao thích hợp chi việc vẫn chuyển chất lỏng đi các đoạn đường xa và yêu cầu có lưu lượng lớn.
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI VÀ TỔNG QUAN VỀ MÁY THỦY LỰC CÁNH DẪN LÀM VIỆC HAI CHẾ ĐỘ BƠM VÀ TUABIN
Máy thủy lực cánh dẫn làm việc hai chế độ bơm và tuabin, hay máy thủy lực cánh dẫn lam việc thuận nghịch có tên tiếng anh là Pum work as a tubine (PaT) là máy có khả năng lằm việc ở dạng tuabin và ở dạng bơm trong nhà máy thủy điện tích năng.
1.1Nhiệm vụ của đề tài.
- Các số liệu ban đầu.
- Lưu lượng 0.05 m/s
- Cột áp: H= 9m chế độ tuabin
H = 11m chế độ bơm
- Môi chất làm việc: nước
- Nội dung các phần thiết kế và tính toán
- Tổng quan về bơm quạt cánh dẫn
- Phân loại và phạm vi sử dụng
- Tìm hiểu công dụng nguyên lý hoạt động của bơm làm việc thuận nghịch và đập thủy điện tích năng
- Xác định kích thước cơ bản của bơm làm việc ở chế độ tua bin
- Tính toán buồng dẫn dòng vào ra cho máy ly tâm làm việc ở chế độ bơm và tubin
- Tính toán bền một số chi tiết của máy thủy lực làm việc hai chế độ bơm và tuabin
- Quy trình công nghệ gia công bách công tác của máy thủy lực làm việc ở chế độ bơm và tubin
- Các bản vẽ thiết kế
- Một bản vẽ lắp khổ giấy A0
- Bản vẽ thiết kế và chế tạo bánh công tác A1
- Bản vẽ chế tạo buồn xoắn A1
- Một bản vẽ công nghệ chế tạo một chi tiết A0
- Mục đích mô phỏng
- Phân tích dòng chảy và chế độ chảy của máy ở hai chế độ bơm và tuabin.
- Tính toán hiệu suất mô phỏng so với hiệu suât thiết kế.
1.2 Nhà máy thủy điện tích năng
1.2.1 tổng quan về nhà máy thủy điện tích năng
Nhà máy thủy điện tích năng là một kiểu nhà máy thủy điện có chức năng điều hòa điện năng trong lưới điện ở giờ cao điểm nhà máy sẽ sử dụng thế năng của nước tích trữ trong hồ để phát điện cung cấp điện cho lưới điện, ở giờ thấp điểm nhà máy sẽ sử dụng điện năng để bơm nước từ hạ lưu lên hồ chứa để tích trữ năng lượng.
Nhà máy hoạt động như sau:
Tại thời điểm ban ngày khi giá điện cao nhà máy sử dụng năng lượng của dòng nước để phát điện hòa vào điện lưới. Lúc này máy thủy lực lắp đặt ở trạm hoạt động như một tuabin
Hình 1.1 mô tả hoạt động của đập thủy điện tích năng chế độ tích năng
Hình 1.2 Hoạt động của đập thủy điện tích năng chế độ phát điện
Tại thời điểm ban đêm khi giá điện rẻ nhà máy này sử dụng điện năng để bơm nước từ hạ lưu lên hồ thượng lưu để tích trữ năng lượng. Lúc này máy hoạt động ở chế độ bơm
1.2.2 Sơ đồ nhà máy thủy điện tích năng
Về cơ bản sơ đồ nhà máy thủy điện tích năng cũng như các sơ đồ nhà máy thủy điện thông thường.
Nhà máy thủy điện kiểu lòng sông (hay sau đập).
Hình 1.3 Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu lòng sông.
Nhà máy thủy điện đường dẫn.
Hình 1.4 Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu đường dẫn.
Hình 1.5 Sơ đồ nhà máy thủy điện kiểu tổng hợp.
1.2.3 Tình hình phát triển của máy thủy lực thuận nghich và đập thủy điện tích năng trên thế giới và ở nước ta hiện nay
Hiện nay ở nước ta chưa có sự phát triển của máy thủy lực thuận nghich do đặc thù điện năng ở Việt Nam có sự thay đổi giá điện theo mùa hay theo thời gian trong ngày chưa cao. Tức là chưa có sự phân biệt lớn giữa năng lượng giờ cao điểm và giờ thấp điểm. Hơn nữa sản lượng thủy điện của nước ta rất lớn và khả năng điều hòa tốt dẫn tới chưa có nhu cầu sửa dụng đập thủy điện tích năng.
Ở trên thế giới hiện nay có khoảng 37 quốc gia có sử dụng đập thủy điện tích năng. Trong đó có Hoa Kì, Trung Quốc, Nga, Đức, Anh, Ấn Độ Australia.
Các đập thủy điện tích năng lớn nhất hiện nay có
Kannagawa (2005), 2.700 MW Nhật bản
Guangzhou (2000), 2.400 MW Trung Quốc
Tianhuangping (2001), 1.800 MW Trung Quốc
Kazunogawa (2001), 1.600 MW Nhật bản
Siah Bisheh, (1996), 1.140 MW Iran
Grand Maison (1997), 1,070 MW Pháp
Goldisthal (2002), 1.060 MW Đức
Một số đập thủy điện tích năng cỡ nhỏ
PAVEC Vacha (1973), 20 MW Bulgaria
CHE Fužine (1957). 4,6 MW Croatia
Jukla, 40 MW Hordaland
Dobšiná, 24 MW Slovakia
Như vậy đập thủy điện tích năng đã khá phát triển trên thế giới và gần đây đã có những đập được xây dựng với công xuất 2.700 MW ở nhật bản tương đương 5% công xuất phát điện của việt nam 2016
Với quy mô của đập thủy điện tích năng đã có cho thấy tiềm năng phát triển đập thủy điện tích năng cũng như máy thủy lực cánh dẫn làm việc thuận nghich ở hai chế độ bơm và tuabin là rất lớn. Và mỗi một bước phát triển của máy thủy lực thuận nghichh sẽ là một bước phát triển của đập thủy điện tích năng.
1.3 Tổng quan về máy thủy lực cánh dẫn
1.3.2 Định nghĩa, phân loại
Máy thủy lực là máy hoạt động trao đổi năng lượng với môi chất là chất lỏng, hoặc chất khí. Máy thủy lực được chia thành hai loại máy thủy lực thể tích và máy thủy lực cánh dẫn.
Máy thủy lực thể tích hoạt động theo nguyên lý chèn ép chất lỏng trong một thể tích kín năng lượng tương tác của chất lỏng là áp suất tĩnh của dòng chất lỏng.
Máy thủy lực cánh dẫn hoạt động theo nguyên lý tương tác giữa chất lỏng và bánh xe công tác với áp cả áp xuất tĩnh và áp xuất động của dòng chất lỏng.
1.2.2 Nguyên lý tác dụng của máy cánh dẫn
Nguyên lý tác dụng của Máy cánh dẫn là sự tương tác giữa dòng chất lỏng và cánh bánh công tác dựa trên định luật bảo toàn cơ năng. Năng lượng được chuyền từ dòng chất lỏng qua bánh công tác và ngược lại dựa trên các lực tiếp xúc trực tiếp lên các phần tử chất lỏng và cánh bánh công tác.
Trong bánh công tác của máy cánh dẫn hướng kính gồm. Bơm ly tâm và tuabin tâm trục chất lỏng chảy theo hướng vuông góc với chục quay của bánh công tác. Là chuyển động ly tâm đối với bơm ly tâm và chuyển động hướng tâm vơi tuabin tâm trục.
Trong bánh công tác của bơm hướng trục hoặc tua bin hướng trục chất lỏng chảy qua bánh công tác theo hướng dọc theo trục quay của bánh công tác. Do chất lỏng luôn chuyển động song song với chục quay nên không tận dụng được lực ly tâm.
Khi bơm làm việc ổn định bánh công tác của chúng có vận tốc quay không đổi, dòng chất lỏng trong máng dẫn của bánh công tác cũng như trong buồng lưu thông có chuyển động ổn định. Vì vậy vận tốc của bánh công tác có thể tăng tới giá trị rất lớn
1.3.3 Các lĩnh vực sử dụng của máy thủy lực cánh dẫn
Tuabin cánh dẫn gồm tuabin gió và tuabin thủy lực được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng, ngoài ra năng lượng này còn được sử dụng trự tiếp cho các trạm bơm thủy luân mà không cần thông qua máy phát điện.
Bơm cánh dẫn thì bơm ly tâm được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực khoa học kĩ thuật. Bơm cấp nước dân dụng, bơm cấp nước, dung dịch cho các quá trình sản xuất của các nhà máy, cấp nước cho hệ thống làm mát, hệ thống vệ sinh trong sảm xuất.
Máy thủy lực cánh dẫn làm việc thuận nghịch được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng. Trong việc điều hòa và sử dụng hiệu quả năng lượng máy thủy lực thuận nghịch với nhà máy thủy điện tích năng là một phương án điều hòa được lượng điện năng với công suất lớn nhất so với các phương án khác như, ắc quy điện hóa, bình tích khí nén.
1.4 Tổng quan về máy thủy lực cánh dẫn làm việc thuận nghịch
1.4.2 Định nghĩa phân loại
Máy thủy lực cánh dẫn làm việc hai chế độ bơm và tuabin, hay máy thủy lực cánh dẫn lam việc thuận nghịch có tên tiếng anh là Pum work as a tubine (PaT) là máy có khả năng lằm việc ở dạng tuabin và ở dạng bơm trong nhà máy thủy điện tích năng,
Máy PAT cũng là một loại máy thủy lực cánh dẫn nên được phân loại theo các dạng của máy thủy lực cán dẫn
Từ công thức tính số vòng quay đặc chưng
(1-1)
Với giá mỗi giá trị của ta có máy PAT tương ứng
- Bánh công tác ly tâm hay tâm trục 50-300 (v/ph)
- Bánh công tác hướng chéo 300 – 600 (v/ph)
- Bánh công tác hướng trục 600 – 1800 (v/ph)
Tuy nhiên hiện tại trên thế giới chủ yếu nghiên cứu máy PAT dạng ly tâm hay tâm trục vì có nhiều ưu diểm ứng dụng trong trạm thủy điện tích năng. Và đa số đập thủy điện tích năng được xây dựng với cột áp cao để giảm dung tích hồ chứa.
Máy thủy lực dạng ly tâm hay tâm trục Làm việc ở cột áp cao 20- 100 m
Máy thủy lực dạng ly tâm hay tâm trục cho hiệu suất làm việc cao.
1.4.3 Nguyên lý làm việc của máy thủy lực cánh dẫn thuận nghịch.
Về cơ bản máy thủy lực cánh dẫn làm việc thuận nghịc có nguyên lý làm việc của hay loại máy thủy lực cánh dẫn là bơm và tuabin đó là nguyên lý làm việc của máy thủy lực cánh dẫn
Nguyên lý tác dụng của Máy cánh dẫn là sự tương tác giữa dòng chất lỏng và cánh bánh công tác dựa trên định luật bảo toàn cơ năng. Năng lượng được chuyền từ dòng chất lỏng qua bánh công tác và ngược lại dựa trên các lực tiếp xúc trực tiếp lên các phần tử chất lỏng và cánh bánh công tác.
Trong bánh công tác của máy cánh dẫn hướng kính gồm. Bơm ly tâm và tuabin tâm trục chất lỏng chảy theo hướng vuông góc với trục quay của bánh công tác. Là chuyển động ly tâm đối với bơm ly tâm và chuyển động hướng tâm vơi tuabin tâm trục.
Trong bánh công tác của bơm hướng trục hoặc tua bin hướng trục chất lỏng chảy qua bánh công tác theo hướng dọc theo trục quay của bánh công tác. Do chất lỏng luôn chuyển động song song với chục quay lên không tận dụng được lực ly tâm.
Khi bơm làm việc ổn định bánh công tác của chúng có vận tốc quay không đổi, dòng chất nỏng trong máng dẫn của bánh công tác cũng như trong buồng lưu thông có chuyển động ổn định. Vì vậy vận tốc của bánh công tác có thể tăng tới giá trị rất lớn
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO MÁY THỦY LỰC CÁNH DẪN THUẬN NGHỊCH DẠNG HƯỚNG TÂM
2.1 Phương trình cơ bản của máy cánh dẫn.
Hiện này tồn tại hai lý thuyết cơ bản về máy cánh dẫn đó là lý thuyết dòng xoáy và lý thuyết dòng tia. Dựa trên cơ sở hai lý thuyết đó người ta đã lập ra các phương pháp để tính toán xây dựng các cánh dẫn của bánh công tác.
Lý thuyết dòng xoáy do Giucopxki xây dựng vào năm 1906 là cơ sở của ngành khí động lực học, nó cho khả năng tính toán bằng toán học lực nâng tác dụng lên profin cánh. Dựa trên cơ sở lý thuyết dòng xoáy đó mà các nhà khoa học xây dựng được các phương pháp tính toán, xây dựng bánh công tác của bơm quạt cánh dẫn.
Nội dung cơ bản của lý thuyết dòng xoáy như sau:
Giả sử chúng ta có một profin dạng khí động học đặt trong một dòng chất lỏng phẳng thế trong không gian khôn giới hạn chúng ta thấy dòng chảy bao qua profin này được phân tích thành hai dòng
- Dòng chất lỏng lý tưởng chảy bao profin với vận tốc ở vô cùng
- Dòng xoáy thuần thúy với lưu số vận tốc bằng tổng lưu số của các xoáy tạo thành vòng khép kín quanh profin do tác dụng của lực ma sát
Hình 2.1 Chuyển động của dòng chất lỏng quanh profin the thuyết dòng xoáy
Cộng hình học hai chuyển dộng này ta có vận tốc phía trên lớn hơn vận tốc phía dưới vì dòng chảy bao là dòng thế không xoáy nên ta có thể áp dụng phương tình becnuli. Ở phí trên profin vận tốc v lớn nên áp xuất p nhỏ vì vậy xuất hiện lực nâng tác dụng lên profin. Lực nâng này được xác định bằng phương tình của Giucopxki
(2-1)
Trong đó:
- là vận tốc dòng không nhiễu
- L là chiều dành của cánh
- là lưu số vận tốc bao quanh profin
- khối lượng riêng của chất lỏng.
Nhờ có lực tương tác này mà máy có thể thực hiện được việc trao đổi năng lượng với dòng chất lỏng chuyển động qua máy. Lý thuyết dòng xoáy phản ánh đúng bản chất vật lý của hiện tượng xẩy ra trong chảy bao cánh dẫn. Trong trường hợp dòng chảy có chuyển động phức tạp các kết luận rút ra từ lý thuyết dòng xoáy khá phức tạp khó áp dụng và tính chính xác không cao.
Lý thuyết dòng tia do viện sĩ Ole lập lên vòa 1751 được sử dụng rất rộng rãi trong việc tính toán máy cánh dẫn ly tâm đặc biệt là đối với bơm và quạt ly tâm.
Theo thuyết Ole dòng chất lỏng chảy qua các dãnh cong của bánh công tác có chuyển động rất phức tạp, được xem như tập hợp của các dòng nguyên tố như nhau, Quỹ đạo của mỗi dòng nguyên tố đó trùng khít với biên dạng của cánh dẫn.
Quỹ đạo chuyển động của các phần tử chất lỏng riêng biệt không thay đổi theo thời gian và trùng với đường dòng. Tiếp tuyến với đường dòng ở những điểm tương ứng có trùng phương với vận tốc.
Điều kiện để có dòng chảy theo lý thuyết dòng tia là:
- Số cánh dẫn của bánh công tác là nhiều vô cùng và chiều dày của cánh là mỏng vô cùng
- Chất lỏng làm việc là chất lỏng lý tưởng mỗi một phần tử chuển động qua máng dẫn của bánh công tác tham gia đồng thời hai chuyển động:
- Chuyển động quay cùng với bánh công tác gọi là chuyển động theo
- Chuyển động dọc theo bề mặt biên dạng cánh bánh công tác gọi là chuyển động tương đối
Cộng hai chuyển động này ta được chuyển động tuyệt đối của phần tử chất lỏng, tức là chuyển động của dòng chất lỏng với hệ quy chiếu cố định.
Hình 2.2 chuyển động của dòng chất lỏng trong bánh công tác thuyết dòng tia
2.3 Phương trình cơ bản của máy cánh dẫn.
Phương tình cơ bản của máy cánh dẫn được xây dựng dựa trên cơ sở của thuyết dòng tia. Trước khi trình bày phương trình này ta xét tam giác vận tốc của các phần từ chất lỏng chuyển động trong máng dẫn của bánh công tác. Ta kí hiệu vận tốc của chất lỏng trong chuyền động theo là u, trong chuyển động tương đối là w, chuyển động tuyệt đối là c, vận tốc ở điểm bắt đầu vào bánh công tác là vị trí ra khỏi bánh công tác là . Các thời điểm khác trong bánh công tác là v, w, c
Hình 2.3 Tam giác vận tốc của dòng chảy ở nối ra của bánh công tác
Phương trình cơ bản của máy thủy lực cánh dẫn được xây dựng dựa trên nguyên lý dòng tia như sau
(2-2)
Hình chiếu của vận tốc và trên phương u kí hiệu là và trên phương hướng kính là và góc giữa vận tốc và hướng là , vận tốc giữa và hướng ngược lại của là , là góc đặt cánh. Giá trị của các thành phần vận tốc là.
(2-4)
Như vậy giá trị của vận tốc C
(2-5)
(2-6)
Vận tốc có thể xác định được qua lưu lượng và kích thước kết cấu của máy
(2-7)
Trong đó Diện tích tiết diện vuông góc với dòng chảy.
- Đối với cánh dẫn hướng trục
(2-8)
Trong đó D là đường kính bán công tác, d là đường kính bầu.
Để thành lập phương trình ta áp dụng định luật biến thiên momen động lượng của khối chất lỏng chuyển động qua máng dẫn của bánh công tác trong một vị đơn vị thời gian tương ứng với trụng quay của bánh công tác bằng tổng momen của các ngoại lực tác dụng lên khối chất lỏng tương ứng cùng với trục đó.
Tách một dòng nguyên tố trong dòng chất lỏng chuyển động qua máng dẫn của bánh công tác. Trong thời gian dt khối lượng của dòng nguyên tố chảy vào và ra của máng dẫn là
(2-9)
Momen động lượng khối nguyên tố chảy vào bánh công tác là:
(2-10)
Khi ra khỏi bánh công tác là:
(2-11)
Biến thiên momen động lượng của khối chất lỏng dm là:
(2-12)
Momen của ngoại lực tác dụng lên khối nguyên tố là c theo định luật biến thiên mô men động lực ta có đẳng thức:
(2-13)
Đối với toàn bộ dòng chất lỏng ta có:
(2-14)
Trong đó
=M: mô men của ngoại lực tác dụng lên toàn bộ khối chất lỏng.
: Lưu lượng lý thuyết của dòng chất lỏng chuyển động qua bánh công tác.
là mô men vận tốc của dòng chất lỏng ở nối vào và nối ra của bánh công tác có giá trị không đổi theo tiết diện.
Như vậy ta có
(2-15)
Trong trường hợp lý tưởng tổn thất của dòng chất lỏng trong máy bằng không, toàn bộ công suất bên ngoài được chuyển cho dòng chất lỏng, khi đó ta có
(2-16)
là cột áp lý thuyết vô cùng.
Mặt khác ta cso biểu thức tính công suất:
(2-17)
Từ đó ta có
(2-18)
Thay biểu thức (2-15) vào phương trình (2-18) ta được
(2-19)
ð (2-20)
(2-21)
Phương trình (2-21) được gọi là phương trình cơ bản của máy thủy lực cánh dẫn, nó thiết lập mỗi quan hệ giữa năng lượng cung cấp cho dòng chất lỏng và vận tốc của dòng chất lỏng vận chuyển qua bánh công tác. Phương trình này đúng với mọi loại cánh dẫn như bơm, quạt, máy nén cánh dẫn và tuabin phản lực.
Trong phương trình này, thành phần xoáy của vận tốc tuyệt đối của dòng chảy ở trước lối vào của bánh công tác xác định bở điều kiện dẫn dòng vào bánh công tác. Trường hợp có lợi nhất của cột áp của bánh công tác là =0 ( ) khi đó phương trình cột áp có dạng
(2-22)
Phương trình (2-21) và (2-22) thành lập mỗi quan hệ giữa cột áp của máy cánh dẫn với các thành phần vận tốc u và của dòng chất lỏng ở lối vào và lối ra của bánh công tác. Giờ ta xem mối quan hệ giữa cột áp của máy cánh dẫn với thành phần vận tốc u, w và c của dòng chất lỏng ở nối vào và nối ra của bánh công tác.
Từ tam giác vận tốc ta có:
(2-23)
Suy ra (2-24)
Tương tự ta cũng có
(2-25)
thay (2-24) và (2-25) vào phương trình (2-21)
Ta được
(2-26)
Cột áp của máy cánh dẫn bao gồm hai thành phần là thế năng và động năng.
2.2 Các lý thuyết cơ bản về bơm ly tâm
2.2.1 Lý thuyết thiết kế bơm ly tâm.
Bơm ly tâm được được thiết kế theo hai phương pháp chính.
Một là phương pháp thiế kế tương tự. Thiết kế tương tự được dựa trên luật tương tự hình học luật tương tự động học, tương tự động lực học trong máy thủy lực cánh dẫn. Bơm thiết kế theo phương pháp tương tự được dựa trên những bơm mẫu có hiệu suất cao sử dụng luật tương tự để tìm ra thiết kế mới.
Hai là thiết kế mới hoàn toàn thiết kế mới hoàn toàn là phương pháp thiết kế cho ra thiết kế tốt hơn tuy nhiên khối lượng thiết kế lớn tốn nhiều công sức và thời gian.
2.2.2 Thiết kế bánh công tác bơm ly tâm cánh trụ bằng phương pháp điểm.
Đối với bơm có ns nhỏ từ 60 đến 100 v/phút.
Bánh công tác của bơm ly tâm được thiết kế theo phưng pháp điểm.
a) Tính toán các thông số làm việc cơ bản.
các thông số cơ bản của máy cánh dẫn thuận nghịch ở đây được tính theo lý thuyết tính toán bơm ly tâm cánh trụ.
- Đường kính quy dẫn.
(2-26)
Hệ số quy dẫn = 4,1..4,5 (2-28)
- Hiệu suất thủy lực sơ bộ.
(2-29)
- Hiệu suất lưu lượng.
(2-30)
Hiệu suất cơ khí chọn sơ bộ .
- Hiệu suất chung của máy.
(2-31)
- Lưu lượng tính toán.
(2-32)
Công suất của máy.
kw (2-33)
Số vòng quay.
v/p (2-34)
b) Tính chọn kích thước chính.
- Đường kính trục.
(2-35)
- Đường Kính Bầu cánh.
(2-36)
- Đường kính may ơ
(2-37)
c) Tính toán thông số vào chính của bánh công tác.
- Đường kính vào của bánh công tác ta cần xác định dòng chảy vào.
(2-38)
Đường kính nối vào bánh công tác
(2-39)
- Đường kính nối vào của bánh công tác .
- Vận tốc kinh tuyến .
Chiêu rộng của bánh công tác . (2-40)
- Vận tốc kinh tuyến nối vào tính lại.
(2-41)
(2-42)
(2-43)
(2-44)
(2-45)
(2-46)
d) Tính toán thông số mép ra chính của bánh công tác.
- Hệ số vận tốc.
(2-47)
- Cột nước lí thuyết.
(2-48)
- Vận tốc tương đối .
(2-49)
- Vận tốc nối ra.
(2-50)
(2-51)
- Chiều rộng
(2-53)
- Tính lại
(2-54)
- Góc đặt cánh nối ra.
(2-55)
…1,1
6.1.1 Giới thiệu môi trường làm việc ansys fluent.
Hình 8.1 Giao diện của workbench trong ansys.
Sau khi khởi động Ansys workbench có giao diện như hình 8.1.
Phần bên trái là các modun nghiên cứu được Ansys xây dựng bao gồm rất nhiều modum khác nhau.
Ở nghiên cứu máy PAT ta chỉ quan tâm tới các module nghiên cứu dòng chảy của Ansys. Module Fluid flow (fluent) là module được sử dụng để nghiên cứu dòng chảy chong máy PAT.
ới một nghiên cứu fulent gồm có 5 phần Được đánh số từ 2 đến 6
2 Geometry là phần Hình học được nghiên cứu. phần Geometry có thể được vẽ trực tiếp trên ansys hoặc import file có định dạng .igs.
3 Mesh là phân chia lưới. Phần hình học được đưa vào nghiên cứu từ phần Geometry sẽ được chia lưới tính toán. Vì Ansys tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn. nên mỗi phần hình học tính toán được chia thành các phần nhỏ gọi là cell mỗi cell sẽ được tính toán bằng cách số hóa kết quả sẽ được máy tính tính bằng các hàm tích phân.
4 Setup là phần cài đặt các thông số cho nghiên cứu.
5 Solution là phần chạy nghiên cứu sau khi cài đặt và khởi tạo các thông số ban đầu nghien cứu được chạy ở phần solution và được theo dõi su hướng. Cũng có thể xem trước 1 phần kết quả để đưa ra quyết định tiếp tục chạy chương trình hay dừng lại để thay đổi phương án hình học.
6 Result phần kết quả ở phần này ta sẽ thu được kết quả của nghiên cứu từ kết quả về đường dòng trường vận tốc phân bố áp xuất ta sẽ hiệu chỉnh kết cấu cho phù hợp rồi tiến hành nghiên cứu tiếp theo.
KẾT LUẬN
Đồ án Tính Toán Thiết Kế Mô Phỏng Máy Thủy Lực Làm Việc Hai Chế Độ Bơm Và Tubin cho thấy việc thiết kế máy thủy lực làm việc hai chế độ là rất phức tạp tuy nhiên sử dụng công cụ mo phỏng nghiên cứu sẽ cho ta cái nhìn trực quan về dòng chảy trường vận tốc qua máy ở hai chế độ khác nhau. Từ đó đưa ra điều chỉnh về kích thước hình học. Tuy rằng bài toán nghien cứu mô hình vẫn cần được nghiên cứu và đưa ra mô phình mo phỏng tốt hơn nhưng đã cho thấy được sức mạnh của việc mô phỏng làm trong thiết kế máy cánh dẫn. cụ thể là với bài toán thiết kế máy cánh dẫn máy thủy lực thiết kế được thử nghiệm nhanh, tiết kiệm chi phí.
Đồ án tốt nghiệp này đã giúp em thu nhận được đầy đủ hơn vê kiến thức chuyên ngành. Thay đổi thái độ làm việc chuyên nghiệm. Những điều này sẽ giúp em rất nhiều trong công việc cho bản thân và phục vụ đất nước. Tuy vậy trong đồ án vẫn còn nhiều sai sót nên em rất mong nhận được góp ý của thầy cô trong bộ môn.
Trong quá trình làm đồ án em xin chân thành cảm PGS. TS Trương Việt Anh đã hướng dẫn em em hoàn thành đồ án này.
