Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................vi
Chương 1..................................................................................................................1
TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM CÁNH DẪN.........................................................1
1.1 Sự ra đời và phát triển của máy cánh dẫn..............................................................1
1.2 Phân loại và phạm vi sử dụng................................................................................3
1.2.1 Phân loại theo số vòng quay đặc trưng.......................................................3
1.2.2 Theo dạng chất lỏng vận chuyển................................................................4
1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của máy bơm ly tâm ở trong và
ngoài nước.....................................................................................................................4
1.3.1 Công dụng và lĩnh vực sử dụng của bơm cánh dẫn...................................4
1.3.2 Ứng dụng bơm ly tâm trong công nghiệp khai thác..................................6
1.3.2.1 Bóc đất đá trong khai thác lộ thiên...............................................8
1.3.2.2 Vận chuyển than bùn, than cám, nạo vét đáy moong..................9
1.3.2.3 Vận chuyển than kíp lê thương phẩm.........................................10
1.3.2.4 Thoát nước trong khai thác..........................................................11
1.3.3 Ưu nhược điểm của bơm ly tâm, vỏ xoắn hai cấp...................................11
1.3.3.1 Ưu điểm.......................................................................................11
Kích thước hình học nhỏ gọn, kết cấu hai nửa dễ dàng tháo lắp sửa
chữa;................................................................................................................11
Làm việc ổn định hơn;.............................................................................11
Giảm giá thành sản phẩm;.......................................................................11
Hiệu suất cao............................................................................................11
1.3.3.2 Nhược điểm.................................................................................11
Công nghệ gia công phức tạp..................................................................11
Đòi hỏi yêu cầu kĩ thuật cao....................................................................11
Cánh cấp hai bị ăn mòn nhanh hơn.........................................................11
1.3.4 Kết cấu của bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp.................................................12
Chương 2...............................................................................................................13
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM LY TÂM VỎ XOẮN, HAI CẤP.....................13

3.1 Tính sơ bộ kích thước hình học của trục bơm.....................................................76
3.1.1 Chọn vật liệu............................................................................................76
3.1.2 Tính sơ bộ đường kính trục bơm.............................................................76
3.1.3 Tính chọn chiều dài trục..........................................................................77
3.1.4 Các loại tải trọng tác dụng lên trục...........................................................78
3.1.4.2 Trọng lượng của trục...................................................................78
3.2 Mômen xoắn dẫn động bơm................................................................................79
3.3 Tính sơ bộ độ võng tại tiết diện bánh công tác:...................................................79
3.4 Tính toán xác định tốc độ quay tới hạn của trục bơm.........................................80
3.5 Tính phản lực tại các gối đỡ.................................................................................80
3.6 Xác định moomen tương đương tại các vị trí.....................................................81
3.7 Biểu đồ momen.....................................................................................................83
3.8. Kiểm nghiệm trục về độ bền...............................................................................84
3.8.1 Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh.............................................................84
3.9. Chọn ổ..................................................................................................................87
3.10 Chọn then và kiểm nghiệm bền then..................................................................89
Chương 4................................................................................................................60
TÍNH CHUỖI LẮP GHÉP VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ
TẠO BÁNH CÔNG TÁC......................................................................................60
4.1 Tính chuỗi lắp ghép..............................................................................................60
4.2 Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bánh công tác.........................................61
4.2.1 Nguyên công 1: Kiểm tra theo quy trình công nghệ đúc và lấy dấu.......61
- Vật đúc không được nứt, khuyết tật, cong vênh, rổ xỉ, rổ khí.................................61
- Chi tiết được làm sạch trước khi gia công cơ..........................................................61
- Rà mũi dò theo chân cánh bánh công tác, lấy sai số trung bình của 7 cánh, xác
định tâm của bánh công tác làm chuẩn thô để kẹp chặt, định vị bánh công tác trước
khi gia công cơ............................................................................................................61
4.2.2 Nguyên công 2:.........................................................................................62
Bước 1: Kẹp mâm cặp 3 chấu vào Φ102, rà tròn bánh công tác theo tâm đã lấy
dấu ở nguyên công 1..........................................................................................62



Đồ án tốt nghiệp
Hình 2.4.5. Sơ đồ nguyên lý tính toán các kích thước tiết diện phần vỏ xoắn của
buồng hút nửa vỏ xoắn. 67
Hình 2.4.6: Biên dạng buồng nửa xoắn 72
Hình 2.4.7 mặt cắt dọc bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp 73
Hình 2.4.8 Kênh chuyển tiếp từ cấp I sang cấp II 73
Hình2.4.9. Quy luật biến đổi diện tích theo đường dòng tâm phần chuyển tiếp
74
Hình 2.4.10 Đường tâm và các mặt cắt buồng chuyển tiếp 75
Hình 3.1 Chiều dài các đoạn trục 78
Hình 3.3: Sơ đồ đặt lực 80
83
83
Hình 3.4 Biểu đồ momen 83
Hình 4.1 : sơ đồ chuỗi lắp ghép 60
Hình 4.2 Nguyên công 2 62
63
Hình 4.5 Nguyên công 5 63

iv


Danh mục bảng số
Bảng 3.1, Bảng tính toán buồng nửa xoắn 69
Bảng 3.2: tính cho 8 tiết diện cách nhau 1 góc 22,50 70
Bảng 3.1: Các thông số ổ lăn trên trục 88

v

vi


Đồ án tốt nghiệp
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM CÁNH DẪN
1.1 Sự ra đời và phát triển của máy cánh dẫn
Máy bơm cánh dẫn là loại máy dùng để vận chuyển và cung cấp năng lượng
cho dòng chất lỏng. Máy bơm làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng của động cơ thành
thủy năng của dòng chất lỏng. Bơm là một trong những phát minh sớm nhất trong
suốt chiều dài lịch sử của nền văn minh nhân loại. Khoảng 2000 năm trước công
nguyên, người Ai Cập đã phát minh ra chiếc gầu để múc nước. Chiếc gầu sử dụng
một cái cần treo dài với một cái gầu ở một đầu cần, và một đầu còn lại là một đối
trọng, hoạt động theo nguyên lý đòn bẩy.
Khoảng 200 năm trước công nguyên, nhà phát minh, nhà toán học người người
Hy Lạp tên là Ctesibius đã phát minh ra một máy bơm nước một đầu bơm dùng để
hút không khí nhờ cơ cấu piston và van một chiều, thùng chứa chất lỏng được đặt ở
giữa, các ống đẩy được đặt ở phía trên của thùng chất lỏng. Khi không khí được hút
ra sẽ tạo độ chân không làm cho chất lỏng trong thùng chứa theo các đường ống hút
đi lên phía trên. Đây cũng là nguyên lý hoạt động của các bơm hiện đại được biết
đến ngày nay.
Vào năm 1475, theo Reti, một quân nhân, nhà sử học người Brazil, chiếc máy
đầu tiên có những đặc điểm giống như một bơm ly tâm hiện đại là một máy bơm
bùn đã xuất hiện trong một luận văn của một kỹ sư người Ý thời kỳ Phục hung tên
là Francesco di Giorgio Martini.
Đến năm 1687, một nhà phát minh sinh ra tại Pháp tên là Denis Papin đã thiết
kế và chế tạo bơm ly tâm thực đầu tiên, bơm có cánh thẳng và được sử dụng cho hệ
thống thoát nước của địa phương.
Năm 1738, trong lĩnh vực thủy động lực học, nhà toán học, nhà vật lý học nổi
tiếng thế giới Daniel Beroulli đã công bố nguyên lý của dòng chất lỏng không nhớt,

cũng bắt đầu thực hiện nghiên cứu khoa học về bơm, ví dụ như những chiếc bơm
bằng sứ dùng cho công nghiệp hóa chất. Vào những năm 1930, công ty của ông đã
sản xuất đến hàng nghìn các mẫu bơm khác nhau.
Trong thời gian đầu của thế kỷ XX, nhà bác học người Nga Joukowski N. E
(1847-1921) đã sáng lập nên ngành lý thuyết cánh và lý thuyết thủy khí động lực
học, đã đóng góp quan trọng, cơ bản cho sự phát triển của lĩnh vực máy thủy khí
cánh dẫn.

2


Đồ án tốt nghiệp
Nhìn chung, trước thế kỷ XVII, các dạng máy thủy khí nói chung và máy bơm
cánh dẫn nói chung còn rất thô sơ. Bước sang thế kỷ XIX, các loại tuabin và bơm
cánh xuất hiện nhiều với kết cấu có công suất và hiệu suất đáng được ghi nhận. Các
nhà phát minh ra máy, thông thường là các kỹ sư. Các máy thủy khí cánh dẫn đầu
tiên được ra đời ở các nước Pháp, Nga, Đức, Anh, Mỹ…Các máy này dần được
hoàn thiện thông qua quá trình sử dụng trong thực tế.
1.2 Phân loại và phạm vi sử dụng
1.2.1 Phân loại theo số vòng quay đặc trưng
Dựa vào số vòng quay đặc trưng n s của bánh công tác, người ta chia bơm cánh
dẫn ra thành các loại sau:
Bánh công tác ly tâm:
-

Có số vòng quay ns nhỏ:

50-80

-

= 40÷80

= 80÷150

= 150÷300

= 300÷600

= 600÷1200

= 2,5÷2,0

= 2,0÷1,8

= 1,8÷1,4

= 1,2÷1,0

= 1,0

hướng chéo

hướng trục

3


1.2.2 Theo dạng chất lỏng vận chuyển
Theo dạng chất lỏng vận chuyển, bơm cánh dẫn có các loại sau:
-

Trong công nghiệp dẩu mỏ, bơm ly tâm được dùng nhiều để hút dầu từ dưới giếng
và vận chuyển các sản phẩm của dầu mỏ. Ngày nay việc vận chuyển dầu mỏ theo
đường ống được sử dụng khá phổ biến và với các khoảng cách rất xa tới hàng nghìn
kilômét.
Thực tế tính toán và sử dụng cho thấy rằng, việc vận chuyển theo đường ống
kinh tế hơn rất nhiều so với các phương tiện vận chuyển khác. Do hiệu quả kinh tế
cao của việc vận chuyển chất lỏng theo đường ống, người ta đang nghiên cứu sử
4


Đồ án tốt nghiệp
dụng các đường ống để vận chuyển các nguyên vật liệu hạt rời và các hang hóa
khác.
Trong công nghiệp hóa chất, bơm ly tâm cũng được ứng dụng rộng rãi để vận
chuyển các dung dịch hóa chất như axit, kiềm, muối…Trong công nghiệp và đời
sống, bơm ly tâm được dùng để tưới, tiêu, cung cấp nước cho thành phố, cho các
nhu cầu của đời sống.
Bơm hướng trục có lưu lượng lớn và áp suất nhỏ, nó được sử dụng chủ yếu
trong nông nghiệp để tưới, tiêu. Bơm hướng trục cũng được dùng trong công nghiệp
để cung cấp nước cho nồi hơi có lưu lượng lớn và áp suất không lớn lắm. Trong
công nghiệp đóng tàu, bơm hướng trục là một trong số các thiết bị phụ của tàu thủy,
được dùng chủ yếu trong các hệ thống tuần hoàn làm lạnh và tiêu nước trong tàu.
Mỗi loại bơm có các thông số làm việc (Q, H) xác định. Phạm vi làm việc của
chúng được giới hạn bởi các thông số làm việc đó. Dựa vào các thông số làm việc,
người ta xây dựng trong hệ tọa độ logarit biểu đồ phạm vi ứng dụng của các loại
bơm khác nhau (hình 1.2).

Hình 1.2. Phạm vi sử dụng của các loại bơm khác nhau
Nhìn trên biểu đồ cho thấy, bơm piston được sử dụng trong phạm vi:
Q = 1 ÷ 400 m3/h

thọ và độ tin cậy làm việc của bơm mỏ.
Khoảng 10 năm gần đây với sự trợ giúp của tin học, chương trình hoá các
6


Đồ án tốt nghiệp
phương pháp thiết kế về mặt thuỷ lực và kết cấu đã sản xuất được nhiều chủng loại
máy bơm mỏ chất lượng cao phục vụ sản xuất.
Nội dung nghiên cứu bơm mỏ xuất phát từ việc nghiên cứu bản chất môi trường làm
việc của bơm gồm nước mặt chảy vào mỏ qua khe nứt và nước ngầm, các loại chất rắn
trong nước, nồng độ kích cỡ, độ cứng của các chất rắn trong dung dịch bơm.
Trên cơ sở xác định bản chất nước mỏ được phân ra các loại, nước mềm, nước
cứng, nước có độ axit và nước có độ kiềm để xác định vật liệu tương ứng cho các
chi tiết mau mòn thuộc bộ dẫn dòng của các loại bơm mỏ.
Vấn đề ăn mòn cơ học (xói mòn) trong bơm mỏ được nghiên cứu theo hướng
kết cấu thuỷ lực hợp lý và vật liệu của bộ dẫn dòng được các nước đặc biệt quan
tâm.
Hiện tượng mài mòn và xói mòn do các chất rắn trong nước mỏ gây nên, cường
độ ăn mòn và mài mòn không chỉ phụ thuộc vào nồng độ, kích thước, độ cứng của
các chất trong nước mà còn phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc dòng chảy, hệ số cản
thủy lực ở vùng có hệ số tổn thất cục bộ lớn.
Các chi tiết của bơm mỏ thường bị mài mòn và xói mòn là bánh công tác, trục,
ống lót, vành mòn, vành làm kín, ống dẫn và vỏ bơm. Các dạng ăn mòn và mài mòn
rất phức tạp và phụ thuộc vào quá nhiều yếu tố.
Ngoài việc các chi tiết bơm bị ăn mòn hoá học và xói mòn (ăn mòn cơ học)
chúng còn chịu mỏi vì dòng chảy trong bơm với chất lỏng chứa nhiều loại chất rắn có
nồng độ khác nhau, kích thước vật rắn cũng khác nhau theo thời gian tạo nên dòng
chảy trong bơm không ổn định chịu dao động theo tần số khác nhau của các loại
bơm. Việc nghiên cứu độ bền mỏi vật liệu phi kim loại dùng cho các loại bơm mỏ
cũng được các nước chú trọng đầu tư thích đáng về cơ sở vật chất.


Hình 1.4. Kết cấu điển hình của dãy bơm hệ HC do Liên Xô cũ chế tạo.
1.3.2.2 Vận chuyển than bùn, than cám, nạo vét đáy moong
Đây là loại máy bơm chuyên dùng có kết cấu đặc biệt, ví dụ dãy bơm cát có ký
hiệu HΠ do Liên Xô cũ chế tạo thì liên kết giữa thân bơm và vỏ bơm ở dạng bản lề
để dễ tháo lắp khi bơm dung dịch có nồng độ lớn. Đặc biệt biên dạng cánh bơm có
bề dầy ở cửa ra lớn hơn nhiều so với cửa vào do hạt rắn quá nhỏ (cát, sa khoáng như
thiếc, vàng) thường bào mòn ở cửa ra nhiều hơn. Kết cấu này nhằm nâng cao tuổi
thọ của bơm. Trên hình 1.3. là kết cấu điển hình của dãy bơm cát có lưu lượng và áp
suất không lớn nhưng cho phép bơm dung dịch chất lỏng có nồng độ γ cao.

Hình 1.5. Kết cấu điển hình của dãy bơm cát HΠ do Liên Xô cũ chế tạo
Khi nạo vét bùn, vận chuyển than cám, thích hợp hơn sử dụng bơm bùn điển hình
như dãy bơm P, Γp. Đặc điểm của loại bơm này là vỏ tròn đều, hai lớp để dễ thay thế
khi mòn hỏng. Biên dạng cánh có kết cấu cửa vào dầy hơn nhiều so với cửa ra để phù
hợp với chất rắn trong dung dịch bơm có kích thước lớn và nhọn sắc. Trên hình 1.4. là
kết cấu điển hình của dãy bơm bùn dạng P do Liên Xô cũ chế tạo.
9


Hình 1.6.Kết cấu điển hình của dẫy bơm bùn P do Liên Xô cũ chế tạo thường sử
dụng để nạo vét bùn và vận chuyển than cám tại các mỏ than.
1.3.2.3 Vận chuyển than kíp lê thương phẩm
Đây là lĩnh vực khá phổ biến ở các nước như Mỹ, Nga, Nhật Bản ngày này. Yêu
cầu của việc vận chuyển là than cục lớn, không bị vỡ vụn trong quá trình vận chuyển.
Với yêu cầu này ở ngoài nước thường sử dụng các loại bơm xoáy tự do. Khả năng
của các loại máy bơm này có thể bơm được các loại hạt rắn có kích thước lớn nhất
bằng 80% kích thước ống xả của bơm. Nguyên lý làm việc của nó là nhờ dòng xoáy
tự do. Trong bơm truyền năng lượng (cơ năng) từ bánh công tác cho chất lỏng và chất
rắn thông qua lực ma sát. Với nguyên lý này chất rắn trong chất lỏng hầu như không

Vận chuyển than bùn than cám thường sử dụng các loại bơm bùn cát:

-

Vận chuyển các loại than kíp lê ngày nay sử dụng các loại bơm xoáy tự do;

1.3.3 Ưu nhược điểm của bơm ly tâm, vỏ xoắn hai cấp
1.3.3.1 Ưu điểm
• Kích thước hình học nhỏ gọn, kết cấu hai nửa dễ dàng tháo lắp sửa chữa;
• Làm việc ổn định hơn;
• Giảm giá thành sản phẩm;
• Hiệu suất cao.
1.3.3.2 Nhược điểm
• Công nghệ gia công phức tạp
• Đòi hỏi yêu cầu kĩ thuật cao
• Cánh cấp hai bị ăn mòn nhanh hơn.

11


1.3.4 Kết cấu của bơm ly tâm vỏ xoắn hai cấp

Hình 1.10. Kết cấu bơm ly tâm vỏ xoắn, hai cấp
Trong đó:
1 - Nửa thân dưới

12 - Nút xả khí

2 - Sợi túp


10 - Bánh công tác quay phải

21 - Then

11 - Vành phân cánh.

22 - Then bánh công tác

12


Đồ án tốt nghiệp

Chương 2
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM LY TÂM VỎ XOẮN, HAI CẤP
2.1 Thông số thiết kế bơm của đồ án
Các thông số kỹ thuật của tổ máy bơm nước thải bao gồm:
Cột nước bơm: H = 120mH2O
Lưu lượng: Q = 200 m3/h = 0,0056 m3/s
Số vòng quay: n = 1450 v/ph
2.2 Tính toán thủy lực bánh công tác
Bánh công tác là chi tiết quan trọng nhất của bơm ly tâm. Các cánh dẫn của
bánh công tác trực tiếp làm nhiệm vụ trao đổi năng lượng với dòng chất lỏng
chuyển động qua máy.
Bánh công tác của bơm ly tâm được tính toán thiết kế theo phương pháp tương
tự hoặc phương pháp tính toán lý thuyết. Trong đó việc tính toán thiết kế theo
phương pháp tương tự cho kết quả đáng tin cậy. Theo phương pháp này các bánh
công tác mới được thiết kế tương tự hình học với các bánh công tác có chỉ tiêu năng
lượng và xâm thực tốt.
Trong trường hợp không có bơm mẫu ta cần tính toán thiết kế bánh công tác


Theo công thức (1.42) TL (tài liệu) [1], số vòng quay đặc trưng của bơm được

H 120
=
= 60( mH 2O)
2
2

xác định:

ns =

-

Chọn sơ bộ số vòng quay trên trục động cơ là 1450 vg/ph ta tính được số vòng
quay đặc trưng của bơm là :

ns =

=

ns =

3, 65.1450. 0, 056
= 58,095
603/ 4

2.2.1.2 Xác định hiệu suất và công suất của bơm
-


Qb 0, 056
=
= 0, 0583 ( m3 / s )
ηQ 0,96

Hiệu suất thủy lực của bơm được xác định theo công thức (4.6) TL [1] :

ηH = 1 –

Trong đó :
D1qd : Đường kính vào quy dẫn của bánh công tác, xác định bằng mm , theo
công thức (4.11*) TL [2] ta có :

D1qd = KD1qd.

Với KD1qd = 4,1÷4,5 là hệ số vào quy dẫn, chọn KD1qd = 4,5 từ đó ta tính được:
D1qd = 4,5.103. 3

0, 056 = 152,11(mm)
1450

Từ đó tính được :

ηH = 1 –

= 0,896

Cột áp lý thuyết của bánh công tác:


Công suất trên trục của động cơ nguồn là:
Ntr =

-

N h 65, 92
=
= 80,39 (kw)
ηb
0,82

Công suất tối đa bơm yêu cầu :
Nmax = (1,1÷1,25)N = (1,1÷1,25).80,39 =(88,43 ÷ 100,48) kW
Chọn Nmax = 90 kW

-

Tra catalog ta chọn động cơ điện cho bơm 2 miệng hút có thông số sau:

Kiểu: 4A250M4Y3
Công suất: N=90 kw
Hiệu suất: η=91%
Tốc độ: n=1450 (vòng/phút)
2.2.2 Tính các kích thước vào chính của bánh công tác
Các kích thước vào chính của bánh công tác (hình 2.1) đó là đường kính vào D0,
đường kính mép vào cánh D1, chiều rộng cánh b1 và góc đặt cánh β1 ở lối vào. Các
kích thước vào chính của bánh công tác được xác định sao cho tổn thất thủy lực của
dòng chảy ở cửa vào là nhỏ nhất và chất lượng xâm thực tốt nhất.

16

17


QT = (
Suy ra :

D0 =

Trong đó :
dmơ : Đường kính moayơ bánh công tác, dmơ = (1,2 ÷ 1,6)dtr được chọn theo
phương án kết cấu.
Đường kính trục dtr được tính sơ bộ bằng :
Với bơm trục suốt, theo công thức (5.5) TL [2] :

dtr =

=

dtr = (6,36÷ 5,36) mm
Chọn dtr = 70 mm
Từ đó ta tính được:
dmơ = (1,2 ÷ 1,4)dtr = (1,2 ÷ 1,4).60 = (72 ÷84)mm
Chọn dmơ = 90 mm
Đường kính lối vào :
D0 =

4.Qlt
4.0, 058
+ db 2 =
+ 0, 092 = 0,181 (m)

Với bơm ns thấp (chất lượng xâm thực trung bình):
= (0,9 ÷ 1)v0
Chọn

-

= v0 = 2,857 m/s

Chiều rộng bánh công tác ở lối vào được xác định theo công thức (5.7) TL [2]:

b1 =

0, 058
= 0, 036
= π .0,18.2,857
(m)

Chọn b1 = 36 mm
Tính lại vận tốc

Xác định góc dòng vào không va :

1m

v'

1m

Xác định theo dòng vào hướng kính, vận tốc lối vào v1u = 0, α1 = 900.