BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ LÊ MINH TƢỜNG
CK51 – CTM THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁNH TURBINE CỦA BƠM NƢỚC SỬ
DỤNG THỦY NĂNG TỪ DÒNG SUỐI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY
NHA TRANG – 07/2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo cánh turbine của bơm nƣớc sử dụng thủy
năng từ dòng suối”.
Số trang: 90 Số chƣơng: 4 Số tài kiệu tham khảo: 16
Hiện vật:
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
Kết luận:
Nha Trang, ngày tháng năm 2013
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN PGS. TS PHẠM HÙNG THẮNG
ĐIỂM CHUNG
Bằng số
Bằng chữ ii PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
MỤC LỤC
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ HƢỚNG
DẪN i
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ PHẢN
BIỆN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
DANH MỤC CÁC HÌNH vii
LỜI NÓI ĐẦU 1
TỔNG QUAN VỀ BƠM THỦY NĂNG & CÔNG NGHỆ HÀN, DẬP 2 CHƢƠNG 1
1.1 Tổng quan về bơm thủy năng. 2
1.2 Tổng quan công nghệ dập nguội 7
1.3 Tổng quan công nghệ hàn kim loại 27
XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO TURBINE 35 CHƢƠNG 2
2.1 Thông số kỹ thuật và yêu cầu kỹ thuật Turbine 35
2.2 Phân tích kết cấu và phƣơng án công nghệ 38
2.3 Chọn vật liệu chế tạo 41
2.4 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo 44
THIẾT KẾ BỘ KHUÔN DẬP BẢN CÁNH TURBINE 49 CHƢƠNG 3
3.1 Phƣơng án dập trên khuôn 49
3.2 Thiết kế kỹ thuật khuôn 55
3.3 Chọn máy công nghệ 70
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÀN BẢN CÁNH TURBINE 72 CHƢƠNG 4
4.1 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bầu cánh 72
4.2 Xây dựng đồ gá hàn 80
4.3 Quy trình công nghệ hàn cánh 85
4.4 Tinh chỉnh cánh turbine 88
KẾT LUẬN & ĐỀ XUẤT 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO 90
d Đƣờng kính bầu cánh
L Chiều dài bầu cánh
H Chiều cao cánh
Z Số cánh
α Góc xoắn cánh
S Diện tích cánh
v S
t
Diện tích hình trụ turbine
θ Tỉ số mặt đĩa
H Cột áp làm việc
Q
t
Lƣu lƣợng tính toán
BPHN Bộ phận hƣớng nƣớc
vi DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 So sánh tính chất của họ thép không gỉ – Nguồn Wikipedia 43
Bảng 2.2 So sánh cơ tính của họ thép không gỉ – Nguồn Wikipedia 43
Bảng 2.3 Thành phần hóa học chính thép không gỉ SUS304 44
Bảng 2.4 Bảng thứ tự nguyên công phƣơng án 1 46
Bảng 2.5 Bảng thứ tự nguyên công phƣơng án 2 46
Hình 1.10 Dập vuốt 19
Hình 1.11 Tạo hình 19
Hình 1.12 Dập ép 20
Hình 1.13 Lắp ghép 20
Hình 1.14 Biểu đồ biến dạng kim loại 21
Hình 1.15 Sơ đồ lệch 22
Hình 1.16 Sơ đồ song tinh 23
Hình 1.17 Máy ép thủy lực – Nguồn: vatgia.com 26
Hình 1.18 Máy ép trục khuỷu – Nguồn: Google Image 26
Hình 1.19 So sánh mối ghép nối hàn và tán ri vê 28
Hình 1.20 Biểu đồ vùng hàn 29
Hình 1.21 Sơ đồ phân loại các phƣơng pháp hàn 29
Hình 1.22 Sơ đồ nguyên lý hàn trong môi trƣờng khí bảo vệ 30
Hình 1.23 Các phƣơng pháp hàn trong các môi trƣờng khí bảo vệ 30
Hình 1.24 Hàn TIG 32
Hình 2.1 Bản vẽ BCT turbine 2D 36
Hình 2.2 Sản phẩm đúc trong khuôn cát 39
Hình 2.3 Sản phẩm đƣợc mài bớt để bù lƣợng mất cân bằng 40
Hình 2.4 Đánh số bề mặt gia công 45
viii Hình 2.5 Bản vẽ đánh số bề mặt gia công phƣơng án 2 47
Hình 3.1 Hai khuôn đơn 49
Hình 3.2 Biên dạng chày cối khuôn tạo hình 49
Hình 3.4 Mô hình chày và cối khi làm việc 50
Hình 3.5 Công đoạn dập tạo hình trên khuôn 50
Hình 3.6 Mô hình bộ khuôn dập liên hoàn phƣơng án 2 51
Hình 3.7 Mô hình khuôn phƣơng án 3 52
Hình 3.8 Mô hình khuôn khi bắt đầu một chu kỳ 53
Hình 4.10 Mô phỏng khi hàn xong 4 bản cánh 83
Hình 4.11 Mô hình 3D phƣơng án 2 84
Hình 4.12 Máy hàn PROTIG – 200D – Nguồn: www.weldcom.vn 87
Hình 4.13 Sơ đồ cân bằng tĩnh 88 1 LỜI NÓI ĐẦU
Địa hình Việt Nam đa dạng: đồi núi, đồng bằng, bờ biển và thềm lục địa, phản
ánh lịch sử phát triển địa chất, địa hình lâu dài trong môi trƣờng gió mùa, nóng ẩm,
phong hóa mạnh mẽ. Địa hình thấp dần theo hƣớng Tây bắc – Đông nam, đƣợc thể
hiện rõ qua hƣớng chảy của các dòng sông lớn. Đồi núi chiếm tới 3/4 diện tích lãnh
thổ nhƣng chủ yếu là đồi núi thấp. Ở những nơi này điều kiện tƣới tiêu thƣờng hạn
chế, tác động rất lớn đến năng suất canh tác. Những năm qua Đảng và Nhà nƣớc đã
đầu tƣ rất nhiều vào các hệ thống thủy lợi phục vụ bà con vùng núi. Nhƣng nhu cầu
con ngƣời thì vô hạn, trong khi khả năng và thời gian con ngƣời có hạn, những
chƣơng trình, dự án đầu tƣ vẫn chƣa thực sự bao phủ hết đƣợc các vùng miền.
Nhận thấy những vùng suối dân cƣ còn thƣa, đồi núi phức tạp đang thiếu hệ
thống tƣới tiêu cỡ nhỏ tôi đã bắt tay vào phối hợp cùng sinh viên Đặng Ngọc Tuyền
thiết kế Máy bơm thủy năng phục vụ sản xuất nông nghiệp vùng miền núi. Phục vụ
chủ yếu các vùng có suối, khe nhỏ.
Đề tài đƣợc chia làm hai phần: Thiết kế chế tạo cánh turbine của bơm do tôi
thực hiện, phần chế tạo bộ truyền động do sinh viên Đặng Ngọc Tuyền đảm nhiệm.
Nội dung đề tài đƣợc trình bày xuyến suốt qua 4 chƣơng:
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BƠM THỦY NĂNG & CÔNG NGHỆ HÀN,
DẬP
CHƢƠNG 2 XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO CÁNH TURBINE
CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ KHUÔN DẬP BẢN CÁNH TURBINE
miền núi. Bơm có khả năng đƣa nƣớc lên độ cao 20 – 50m. Năng lƣợng của nƣớc sẽ
làm quay cánh turbine (có thể) qua bộ phận tăng tốc sẽ làm quay cánh bơm và đƣa
nƣớc lên cao. So với các loại bơm truyền thống thì bơm thủy năng có nhiều ƣu điểm
nổi bật là nó không sử dụng năng lƣợng truyền thống nhƣ điện, than, dầu v.v… nó
sử dụng nguồn năng lƣợng tái tạo dùng sức nƣớc để bơm nƣớc. Một ƣu điểm nữa là
kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ ứng dụng các nguồn sông suối miền núi, điều này
rất phù hợp với tình hình thực tế vùng núi Khánh Hòa.
Hình 1.2 Cấu tạo bơm thủy năng loại đồng trục
1 – Ổ bi; 2 – Cánh bơm; 3 – Buồng bơm; 4 – Hƣớng dòng tua bin; 5 – Buồng
tua bin; 6 – Cánh tua bin; 7 – Trục; 8 – ổ bạc cao su; 9 – Vành mòn bơm; 10 – Chắn
rác; 11 – Vòng làm kín; 12 – Bích bơm; 13 – Nắp mỡ; 14 – Chóp cánh tua bin.
4 Loại bơm này thực chất là một thiết bị gồm cụm bơm, hệ thống truyền động
và turbine, trong đó cánh bơm và cánh turbine đƣợc lắp đặt trên cùng trục, năng
lƣợng của nƣớc làm quay cánh turbine, kéo theo cánh bơm cũng quay theo và đƣa
nƣớc lên cao (Hình 1.2). Turbine của bơm thủy năng là loại turbine hƣớng trục, ly
tâm. Ngoài những nguyên lý trên, bơm thủy năng còn có ƣu điểm chung: turbine và
bơm là một khối thống nhất, cùng một trục nên tiết kiệm đƣợc cơ cấu truyền chuyển
động mà cơ cấu rất chặt chẽ.
Theo tìm hiểu, trên thị trƣờng có nhiều loại bơm, tựu chung nhất có 2 lọai
phục vụ tƣới tiêu: loại thứ nhất do Viện thủy lợi chế tạo và sản xuất, loại thứ 2 do
sinh viên Đặng Ngọc Tuyền thiết kế.
Về bơm do Viện thủy lơi chế tạo có ƣu, nhƣợc điểm :
Ƣu điểm:
Cột áp cao từ 50 ÷ 100m, lƣu lƣợng lớn;
Không tốn điện, năng lƣợng không tái tạo,…
Công suất lớn, thích hợp cho cấp nƣớc sạch, tƣới vƣờn đồi, tƣới ruộng
Cột áp cao từ 20 ÷ 50m;
Công suất lớn, thích hợp cho cấp nƣớc sạch, tƣới vƣờn đồi, tƣới ruộng
bậc cao;
Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, công tác quản lý vận hành đơn giản, tuổi
thọ cao;
Thích hợp với những dòng suối dốc và nhỏ.
Nhƣợc điểm:
Phải ngăn dòng chảy để tạo lực đẩy;
Bảo trì khó và tốn kém.
Trong các chi tiết của bơm thủy năng thì bánh công tác (BTC) turbine là một
trong những chi tiết quan trọng nhất. Vì bơm đƣợc sử dụng trên miền núi, nơi mà
1
2
6
3
4
5
7
7 thời tiết khắc nghiệt dễ làm hƣ hỏng thiết bị, nguồn nƣớc có nhiều tạp chất (phân
hóa học, thuốc trừ sâu,…) nên sẽ ảnh hƣởng rất nhiều đến hiệu suất cũng nhƣ tuổi
thọ thiết bị, đặc biệt là BCT turbine. Vì vậy đòi hỏi nhà sản xuất phải tìm ra đƣợc
công nghệ chế tạo cũng nhƣ loại vật liệu thích hợp với điều kiện thời tiết cũng nhƣ
giá thành mà vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
Công nghệ sản xuất cánh turbine rất phong phú, phổ biến nhất là công nghệ
đúc. Trong đó thì công nghệ đúc vật liệu kim loại nhƣ gang, thép,… là cổ điển nhất.
Gần đây, đã đƣa vào sản xuất vật liệu mới composite. Công nghệ đúc đã có từ rất
lâu, đến nay đã đạt đƣợc đến độ gần nhƣ hoàn hảo. Tuy nhiên, cũng đòi hỏi sự đầu
đã đầu tƣ trang thiết bị công nghệ cao nhƣng sự đầu tƣ lại trùng lặp. Bên cạnh đó,
nguồn nhân lực thiết kế, chế tạo và chuyển giao công nghệ cũng bị phân tán. Cũng
do sản sản xuất nhỏ lẻ nên ngay cả việc nhập thép hợp kim làm khuôn cũng phải
nhập với giá thành cao. Những điều này giải thích vì sao chi phí sản xuất khuôn của
các doanh nghiệp Việt Nam luôn cao, dẫn đến sản xuất bị hạn chế.
Kết quả khảo sát thực tế về nhu cầu khuôn đến năm 2010, đơn cử riêng về
khuôn dập của một số công ty nhƣ sau:
Công ty Cơ khí Thăng Long: khuôn dập là 1500 bộ; Công ty Điện cơ
Thống Nhất: khuôn dập là 75 bộ;
Công ty chế tạo máy điện VN – HGK: khuôn dập là 150 bộ;
Công ty Xích líp Đông Anh: khuôn dập là 500 bộ…
Nhƣ vậy, ngay ở Việt Nam nhu cầu của thị trƣờng về khuôn dập nguội là
rất cao.
Tại Hà Nội, Công ty Kim khí Thăng Long là đơn vị đi đầu trong việc xây
dựng trung tâm khuôn dập: đã thiết kế, chế tạo hơn 3000 bộ khuôn dập định hình,
có độ phức tạp của xe máy nhƣ: đuôi xe, càng xe, bộ tay lái…Tại Đồng Nai công ty
TNHH OKURA cũng chuyên sản xuất các loại khuôn dập nguội các sản phẩm: bộ
lọc dầu, ARM thắng xe máy, các loại (plate pad) má thắng đĩa xe máy, nắp động
9 cơ….các mặt hàng phục vụ học tập và tiêu dùng nhƣ: ghim bấm, kẹp, các linh kiện
phục vụ y tế, nƣớc sạch…
Qua một số thông tin trên, phản ánh đƣợc một phần nào đó về công nghệ dập
tấm trên thế giới và ở Việt Nam. Là cở sở để nhà thiết kế lựa chọn vào quy trình
công nghệ phù hợp.
1.2.1 Khái niệm về dập tấm
Quá trình công nghệ là toàn bộ các tác động trực tiếp làm thay đổi hình dạng,
kích thƣớc, tính chất và trạng thái của phôi ban đầu để đạt đƣợc mục đích nào đó.
Quá trình công nghệ bao gồm những nguyên công và đƣợc sắp xếp theo một trình
Tiết kiệm đƣợc nguyên vật liệu, thuận lợi cho quá trình cơ khí hóa và tự
động hóa do đó năng suất lao động cao, hạ giá thành sản phẩm.
Quá trình thao tác đơn giản, không cần thợ bậc cao do đó giảm chi phí
đào tạo và quỹ lƣơng.
Dạng sản xuất thƣờng là loạt lớn và hàng khối do đó hạ giá thành sản
phẩm.
Tận dụng đƣợc phế liệu, hệ số sử dụng vật liệu cao.
11 Dập tấm không chỉ gia công những vật liệu là kim loại mà còn gia công
những vật liệu phi kim loại nhƣ: techtolit, hétinac, và các loại chất dẻo.
1.2.2 Sự thay đổi tính chất của thép tấm trong thời gian và trong quá tình gia
công
Khi dập nguội tính chất của thép tấm bị thay đổi. Sở dĩ nhƣ vậy là vì trong quá
tình dập biến dạng dẻo nguội làm cho cấu trúc tinh thể thay đổi: mật độ khuyết tật
tăng lên mạnh mẽ dẫn tới độ bền kim loại tăng lên, kích thƣớc và hình dạng của các
hạt kim loại cũng nhƣ hƣớng của trục tinh thể thay đổi làm phát sinh ứng suất dƣ và
xuất hiện những mặt trƣợt kích thích quá trình hóa già kim loại.
1.2.2.1 Sự hóa già do biến dạng
Hệ quả của sự già hóa kim loại là làm giảm tính dẻo (chẳng hạn độ giãn dài tỷ
đối giảm) và nâng cao tính bền của kim loại (trở lực biến dạng, giới hạn chảy và độ
cứng tăng). Vì vậy kim loại trở nên dòn và kém dẻo. Xu hƣớng của sự già hóa kim
loại khi biến dạng tùy thuộc vào thành phần nitơ tự do chứa trong thép và đặc biệt là
carbon trong nền cứng (pherit). Trong quá tình hóa già, các nguyên tử carbon và
nitơ khuếch tán và tập trung vào các vùng biến dạng của mạng tinh thể, xung quanh
lệch. Điều đó cản trở sự di chuyển của lệch và gây khó khan cho quá trình biến
dạng dẻo. Sự hóa già biến dạng xảy ra không đồng đều, trƣớc tiên nó làm tăng độ
cứng của kim loại tại các vùng có mật độ các nguyên tử nitơ và carbon cao, chủ
yếu là ở mặt trƣợt, tại đây đặc biệt có nhiều lệch.
các máy nắn chuyên dung. Các máy này có một vài cặp trục nắn mà tâm của chúng
có thể chuyển động tƣơng đối với nhau. Trong quá trình nắn tấm bị uốn dẻo nhiều
lần. Do sự “luyện tập” mà ngăn ngừa đƣợc khả năng xuất hiện mặt trƣợt, nhƣng khi
nắn nguội thì tính bền của kim loại tăng lên. Ngoài ra khi thử kéo mẫu kim loại đã
đƣợc “luyện tập” và lập đồ thị kéo thấy không có vùng chảy rão, tức là những dấu
hiệu đặc trƣng cho khả năng xuất hiện mặt trƣợt bị ẩn đi.
Do các tấm thép bị ép nguội với lƣợng ép nhỏ, lệch bị tách khỏi các nguyên tử
nitơ và carbon đồng thời xảy ra sự hình thành các lệch mới. Điều đó làm giảm trở
lực biến dạng của các tinh thể trên bề mặt trƣợt dẫn đến sự phân bố ứng suất đều
13 hơn theo chiều dày của tấm, do đó sự chảy của kim loại sẽ bắt đầu với lực nhỏ hơn
so với mẫu trƣớc khi ép. Tác dụng của việc ép nguội thƣờng rất ngắn vì vậy cần
phải ép và nắn ngay trƣớc khi dập. Những máy để ép và nắn đƣợc bố trí ở đầu dây
truyền, trƣớc một loạt thiết bị khác. Cần phải dập ngay sau khi ép vì sau khi ép một
thời gian ngắn sẽ xảy ra sự hóa già biến dạng với cƣờng độ lớn. Nếu không dập
ngay sẽ làm mất đi hiệu quả của việc ép và còn làm xấu đi khả năng dập của thép so
với trƣớc khi ép.
1.2.2.3 Sự phát sinh hiện tƣợng ăn mòn (gỉ)
Trong quá trình biến dạng dẻo nguội kim loại xảy ra sự hóa bền. sự hóa bền
cùng với một số hiện tƣợng khác làm cho khả năng chống ăn mòn của kim loại
giảm đi. Ví dụ: một cái đinh đặt trong môi trƣờng ẩm ƣớt thì phần đầu và mũi nhọn
của đinh, đã bị biến dạng dẻo nguội, sẽ bị gỉ trƣớc.
Tuy vậy, do những điều kiện không giống nhau, sự thay đổi hình dạng của các
vùng phôi kề nhau sau khi bỏ lực tác dụng sẽ phát sinh những ứng suất dƣ tế vi loại
một. Những ứng suất dƣ này kho có sự ăn mòn sâu vào các tinh thể sẽ làm suy yếu
liên kết ở biên giới giữa các hạt và có thể gây ra những “mầm” giòn tự phát của các
sản phẩm kim loại hoặc các bán thành phẩm.
Sự phát triển hiện tƣợng gỉ của các chi tiết bằng đồng thau có chứa hơn 20%
Dập liên hợp sẽ cho năng suất cao, độ chính xác chi tiết cao, đồng thời giảm
đƣợc số lƣợng thiết bị, giảm số công nhân do đó hạ đƣợc giá thành sản phẩm,
nhƣng nhƣợc điểm là khuôn phức tạp; độ chính xác gia công cao, khó chế tạo do đó
giá thành khuôn đắt, khó sửa chữa và thay thế khi hỏng hóc. Vì vậy dập liên hợp
đƣợc áp dụng thích hợp khi sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối.
Tùy theo phƣơng pháp kết hợp giữa các nguyên công, dập liên hợp đƣợc chia
thành ba dạng chính:
Dập phối hợp là phƣơng pháp đồng thời hoàn thành một số nguyên công
khác nhau trên cùng một bộ khuôn trong một hành trình máy (1 nhát
dập) với một lần đặt phôi;
Copyright: Tài liệu đại học ©