Bài giảng Thủy lực và máy thủy lực

PowerPoint Template BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THỒNG VẬN TẢI BÀI GIẢNG Môn học: THỦY LỰC VÀ MÁY THỦY LỰC Giảng viên: Nguyễn Đăng Phóng Bộ môn Thủy lực Thủy văn Khoa Công trình DT: 0904222171 Website: hydr-uct.net GIỚI THIỆU MÔN HỌC Tên môn học: THỦY LỰC VÀ MÁY THUỶ LỰC Mã số: COT501.2 Số tín chỉ học phần: 2 Phân bổ số giờ học của học phần: Lý thuyết : 21. Thí nghiệm: 9. Thảo luận : 18 Chương trình đào tạo chuyên ngành: Các lớp thuộc khoa Cơ khí NỘI DUNG MÔN HỌC Thủy lực và máy thuỷ lực là môn khoa học ứng dụng, nghiên cứu các quy luật cân bằng, chuyển động của chất lỏng và ứng dụng các quy luật đó giải quyết các bài toán tính toán thiết kế các công trình liên quan. Đồng thời trang bị cho sinh viên các kiến thức cơ bản về một số loại máy thuỷ lực thông dụng. NỘI DUNG MÔN HỌC Chương trình học gồm 2 phần: Phần 1: Thủy lực (gồm 4 chương): Chương 1: Mở đầu. Chương 2: Thủy tĩnh học. Chương 3: Cơ sở động lực học chất lỏng và các phương trình. Chương 4: Tổn thất năng lượng - Sức cản thủy lực. Phần 2: Máy thủy lực (gồm 2 chương): Chương 1: Khái niệm máy thủy lực. Chương 2: Máy bơm PHẦN I: THỦY LỰC CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔN HỌC Thủy lực và máy thuỷ lực là môn khoa học ứng dụng, nghiên cứu các quy luật cân bằng, chuyển động của chất lỏng và ứng dụng các quy luật đó giải quyết các bài toán tính toán thiết kế các công trình liên quan. Đồng thời trang bị cho sinh viên các kiến thức cơ bản về một số loại máy thuỷ lực thông dụng. Cơ sở lý luận của thủy lực học là vật lý, cơ học lý thuyết, cơ học chất lỏng lý thuyết.. -Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm. CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.2. MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 1. Tính liên tục 2. Tính có khối lượng và trọng lượng. Khối lượng riêng: Trọng lượng riêng: g = r.g Đối với nước ở nhiệt độ 40C và áp suất 1 atm: r = 1000 kg/m3. g = 9810 N/m3. Tỷ trọng, tỷ khối: d = r/rN = g/gN 3. Tính thay đổi thể tích do thay đổi nhiệt độ hay áp suất. a) Do thay đổi áp suất: bp - hệ số co thể tích do thay đổi áp suất Khi p = 1÷ 500 at và t = 0 ÷ 200C thì: bp = 5.10-5 (cm2/KG) b) Do thay đổi nhiệt độ: Với điều kiện áp suất bình thường, đối với nước: t = 4100C: bt = 14.10-5(1/t0) t =10200C: bt = 15.10-5(1/t0). Tùy theo b chất lỏng được chia thành chất lỏng chịu nén và không chịu nén: b = 0 (r = const): chất lỏng không chịu nén. b ≠ 0 (r ≠ const): chất lỏng chịu nén. 4. Tính nhớt của chất lỏng Thể hiện sức dính phần tử giữa các phần tử chất lỏng hay giữa chất lỏng với chất rắn. Sự làm nảy sinh ra ứng suất tiếp, giữa các lớp chất lỏng chuyển động với nhau gọi là tính nhớt. Theo Niutơn ứng suất tiếp sinh ra khi có sự chuyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng chuyển động với nhau m: Hệ số nhớt (độ nhớt) N.s/m2 hoặc Poazơ (P), 1P = 0.1Ns/m2 Ngoài hệ số nhớt động lực còn dùng hệ số nhớt động học n = m/r (m2/s, Stốc St) 1St=1cm2/s m ≠0: Chất lòng thực m = 0 và r =const: Chất lỏng lý tưởng 1.3. LỰC TÁC DỤNG VÀ ỨNG SUẤT Lực khối: Là lọai lực thể tích tác động lên tất cả các phần tử chất lỏng nằm trong khối chất lỏng mà ta xét. Lực mặt: Là ngoại lực tác dụng lên bề mặt của thể tích chất lỏng ta xét hoặc tác dụng lên bề mặt nằm trong khối chất lỏng ta xét. Ứng suất: dưới tác động của lực tác dụng tạo ra ứng suất tại các điểm trong chất lỏng gồm ứng suất pháp và ứng suất tiếp được thể hiện bằng tenxo ứng suất: CHƯƠNG II. THỦY TĨNH HỌC 2.1. ÁP SUẤT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH 1. Áp suất và áp lực thủy tĩnh P - áp lực p - áp suất thủy tĩnh 2. Tính chất của áp suất thủy tĩnh Áp suất thủy tĩnh có hai tính chất sau: Áp suất thủy tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực và hướng vào diện tích ấy. Áp suất thủy tĩnh tại mọi điểm bất kì trong chất lỏng bằng nhau theo mọi phương. 2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CÂN BẰNG ƠLE 1. Thiết lập phương trình Gọi p - áp suất thủy tĩnh. F(Fx,Fy,Fz) - lực khối đơn vị. Cân bằng lực tác dụng lên khối chất lỏng theo các phương ta được phương trình vi phân cân bằng Ơle tĩnh: 2. Điều kiện cân bằng: Nhân những phương trình trong hệ (2-1) riêng biệt với dx, dy, dz rồi cộng vế với vế ta có: Nhận xét: Vế phải của phương trình (2-2) là vi phân toàn phần của hàm p. Như vậy, phương trình chỉ có nghĩa nếu vế trái của nó cũng phải là vi phân toàn phần của hàm số nào đó. Lực khối thỏa mãn phương trình (2-3) gọi là lực khối có thế. Khi đó: 3. Mặt đẳng áp, mặt đẳng thế: Mặt đẳng áp là mặt mà mọi điểm trên đó có áp suất giữ giá trị không đổi (p=const). Mặt đẳng thế là mặt mà mọi điểm trên đó hàm thế giữ giá trị không đổi (U=const). Như vậy từ phương trình (2-4) có thể nhận thấy khi chất lỏng ở trạng thái cân bằng thì mặt đẳng áp đồng thời cũng là mặt đẳng thế. 2.3. CÂN BẰNG TRONG TRƯỜNG TRỌNG LỰC. 1. Phương trình cơ bản thủy tĩnh. Xét lực khối là trọng lực tác động lên khối chất lỏng khi đó: Fx = Fy = 0, Fz = -g Thay các lực khối đơn vị vào phương trình Ơle tĩnh trên ta có: (3-1) gọi là phương trình cơ bản thủy tĩnh dạng 1 hay quy luật phân bố ASTT. Thay z = zo, p = po vào (3-1), sau khi biến đổi ta được: p = po + γ(zo - z) = po + γh (3-2) (3-2) gọi là phương trình cơ bản thủy tĩnh dạng 2 là phương trình đi tính áp suất tại một điểm. trong đó p0: áp suất tại mặt phân chia chất lỏng. h: độ sâu từ mặt phân chia chất lỏng đến điểm cần tính áp suất. 2. Mặt đẳng áp: Thay p = const vào (3-1), ta được: z = C1 (3-3) (3-3) là phương trình mặt đẳng áp. 3. Phân loại áp suất Áp suất tuyệt đối: ptđ = p0 + γh Áp suất dư: Khi ptđ > pa thì: pd = ptđ - pa > 0 (pa = 1atm là áp suất khí trời ở điều kiện bình thường) Khi p0 = pa thì pd = γh Áp suất chân không: Khi ptđ 0 Áp suất tại một điểm có thể đo bằng chiều cao cột chất lỏng kể từ điểm đang xét đến mặt thoáng của cột chất lỏng đó: h = p/γ 4. Ý nghĩa: Về mặt hình học z: Độ cao vị trí p/γ : Độ cao áp suất Kết luận: Tổng độ cao vị trí và độ cao áp suất là không thay đổi Về mặt năng lượng z: Vị năng đơn vị p/γ: Áp năng đơn vị Kết luận: Tổng vị năng đơn vị và áp năng đơn vị là không thay đổi. 5. BIỂU ĐỒ ÁP SUẤT - ĐỒ ÁP LỰC Từ công thức (3-2) biểu diễn sự thay đổi áp suất trên một diện tích ta sẽ được biểu đồ phân bố áp suất. Nếu biểu diễn độ cao áp suất thì ta được biều đồ phân bố áp lực. Biểu đồ phân bố áp suất. Biều đồ phân bố áp lực. 6. Định luật Pascal. p1 = p0 + γh p2 = (p0 +p') + γh Hay p2 - p1 = p' Áp suất do ngoại lực tác động trên bề mặt chất lỏng được truyền đi nguyên vẹn tới mọi điểm trong chất lỏng. Kích thủy lực η - Hiệu suất máy, η 4. - lớp mỏng chảy tầng phủ kín các mố nhám, gọi là chảy rối thành trơn. Khi đó:  = f(Re) * δt Renhám : chảy rối thành hoàn toàn nhám. Retrơn 105: Chảy rối thành hoàn toàn nhám: Công thức của Nicurats: Chảy rối thành không hoàn toàn nhám: Công thức của Altshoul: 4.7. CÔNG THỨC SEZI. 1. Công thức Sezi. trong đó: V- lưu tốc trung bình. J - độ dốc thủy lực. C - hệ số Sezi, m1/2/s 2. Một số công thức xác định hệ số Sezi. Công thức của Maninh: n - hệ số nhám, n ≤ 0,02 R - bán kính thủy lực. Công thức của Phoocorayme: n - hệ số nhám, n ≤ 0,03 Công thức của Pavolopxky: 4.8. TỔN THẤT CỤC BỘ. Tổn thất cục bộ xảy ra ở những nơi dòng chảy bị biến dạng hoặc đổi phương. Công thức tổng quát có dạng: 1. Dòng chảy đột ngột mở rộng: Giả thiết: Chuyển động ổn định. Bỏ qua lực ma sát giữa thành ồng và dòng chảy. Coi áp suất phân bố đều trên mặt cắt ướt 1-1 và 2-2. Sử dụng phương trình biến thiên động lượng, kết hợp với phương trình Bernoulli. Sau khi rút gọn ta được: khi S1 > S2 (coi V1 =0): 4.9. DÒNG CHẢY QUA LỖ. 1. Phân loại lỗ. Theo chiều cao lỗ: e e H/10: lỗ to. Theo chiều dày thành lỗ: δ δ (3 - 4)e: lỗ thành dày. 2. Dòng chảy qua lỗ nhỏ, thành mỏng, cột áp không đổi. Viết phương trình Bernoulli cho 1-1 và C-C lấy 0-0 làm chuẩn: trong đó: H - cột áp tác động lên lỗ. φ - hệ số lưu tốc. Theo kết quả thí nghiệm φ ≈ 0.97. Theo phương trình liên tục: μ - hệ số lưu lượng, μ = ε.φ ≈ 0,62. ε - hệ số co hẹp, ε= SC/S ≈ 0,64. 4.10. DÒNG CHẢY QUA VÒI HÌNH TRỤ, GẮN NGOÀI, CỘT ÁP KHÔNG ĐỔI. 1. Lưu lượng: Viết phương trình Bernoulli cho 1-1 và 2-2 lấy 0-0 làm chuẩn: trong đó: H - cột áp tác động lên lỗ. φ - hệ số lưu tốc, φ ≈ 0.82. μ - hệ số lưu lượng, μ = φ ≈ 0,62. 2. Chân không tại mặt cắt co hẹp: Viết phương trình Bernoulli cho 1-1 và C-C lấy 0-0 làm chuẩn: trong đó: ε - hệ số co hẹp, ε= SC/S ≈ 0,64 ξ - hệ số tổn thất ở vòi, ξ ≈ 0,06 4.11. TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG. 1. Khái niệm. Phân loại: Theo kết cấu có: Đường ống đơn giản và Đường ống phức tạp Theo quan điểm thủy lực: Đường ống dài và Đường ống ngắn. Công thức tính: Phương trình Bernoulli, phương trình liên tục và công thức tính tổn thất năng lượng. Với đường ống dài trong khu sức cản bình phương thì sử dụng công thức Sezi: trong đó: K - moduyn lưu lượng, phụ thuộc kích thước ống (d) và vật liệu làm ống (n). 2. Đường ống dài nối tiếp. Viết phương trình Bernoulli cho hai mặt thoáng của bể chứa, bỏ qua tổn thất cục bộ: 3. Đường ống dài song song. Bỏ qua tổn thất cục bộ và cột nước lưu tốc: PHẦN II: MÁY THỦY LỰC Chương 1: KHÁI NIỆM MÁY THỦY LỰC 1.1. MÁY THỦY LỰC - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÁY THỦY LỰC 1. Phân loại máy thuỷ lực. Theo tính chất trao đổi năng lượng - Động cơ thuỷ lực. - Máy bơm. - Máy thuỷ lực thuận nghịch. Theo nguyên lý tác dụng của MTL với chất lỏng: - MTL cánh dẫn: - MTL thể tích: 2. Thông số cơ bản của máy thuỷ lực a. Cột áp: H>0: máy bơm. H 60mH2O. + Theo số bánh công tác lắp trong bơm: - Bơm 1 cấp (1 bánh công tác). - Bơm nhiều cấp: gồm nhiều bánh công tác lắp nối tiếp nhau để tạo ra cột áp lớn hơn. + Theo cách dẫn chất lỏng vào bánh công tác: - Bơm 1 miệng hút - Bơm 2 miệng hút Nguyên lý làm việc. Trước khi làm việc phải mồi bơm cho thân bơm và ống hút đầy chất lỏng. Bánh công tác quay, các phân tử chất lỏng trong bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị dồn từ trong ra ngoài, chuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đây là quá trình đẩy. Đồng thời, ở lối vào của bánh công tác tạo nên vùng có áp suất chân không và dưới tác dụng của áp suất trong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào của bơm, chất lỏng ở bể chứa liên tục bị đẩy vào bơm theo ống hút. Đây là quá trình hút của bơm. Quá trình hút và đẩy của bơm là một quá trình liên tục, tạo nên dòng chảy liên tục qua bơm. 2. Lý thuyết cơ bản về bơm ly tâm. a. Phương trình cơ bản. Như phương trình cơ bản của MTL cánh dẫn, nhưng trong bơm ly tâm người ta thiết kế sao cho a1 = 900, vì vậy phương trình có dạng: b. Cột áp thực tế. Cột áp tính theo các công thức trên là ứng với các giả thiết của MTL. Trong thực tế các giả thiết đó không thoả mãn. Do đó, cột áp thực tế phải nhỏ hơn cột áp trên: H = ez.hH.HLT (1-2) ez – hệ số kể đến số bánh công tác có hạn, ez ≈0,8 hH – hiệu suất cột áp. (hH = 0,70 – 0,90) c. Lưu lượng của bơm ly tâm. Lưu lượng lý thuyết: QL = Cm. p.D.b (2-6) Lưu lượng thực tế: Q = hQQL (2-7) Cm – Hình chiếu của vận tốc tuyệt đối c lên phương vuông góc với u. D, b - đường kính và bề rộng bánh công tác. hQ - hiệu suất lưu lượng, hQ = 0,95 – 0,98. 3. Đường đặc tính của bơm ly tâm. Các quan hệ: H = f1(Q); N = f2(Q); h = f3(Q) biểu thị đặc tính làm việc của bơm: Biểu diễn dưới dạng phương trình gọi là phương trình đặc tính; biểu diễn dưới dạng đồ thị là đường đặc tính. Các đường đặc tính xây dựng từ tính toán gọi là đường đặc tính tính toán. Nếu xây dựng từ thực đo gọi là đường đặc tính thực nghiệm. Đường đặc tính H = f1(Q) là đường đặc tính quan trọng nhất gọi là đường đặc tính cơ bản. n = const: gọi là đường đặc tính làm việc. n ≠ const: gọi là đường đặc tính tổng hợp. Công dụng của đường đặc tính: biết được 1 cách tổng quát các đặc tính làm việc của bơm, cho phép ta mở rộng phạm vi làm việc và sử dụng hợp lý các chế độ làm việc khác nhau của bơm. Xây dựng đường đặc tính thực nghiệm của bơm: Sơ đồ thí nghiệm Đường đặc tính thực nghiệm 4. Điểm làm việc và sự điều chỉnh bơm ly tâm. Điểm làm việc: Giao của đường đặc tính bơm và đường đặc tính hệ thống là điểm làm việc. Điều chỉnh bơm: 2.2. BƠM PITÔNG. 1. Máy thủy lực thể tích. Máy thuỷ lực thể tích thực hiện trao đổi năng lượng với chất lỏng theo nguyên lý nén chất lỏng trong một thể tích kín dưới áp suất thuỷ tĩnh. MTL thể tích gồm ba dạng: Dạng Pittong, dạng Roto và dạng Pittong - Roto Bất kỳ MTL thể tích nào cũng có thể làm việc thuận nghịch. 2. Các thông số cơ bản của máy thủy lực thể tích. a. Lưu lượng: là tổng thể tích làm việc của máy trong một đơn vị thời gian. QL = qL.n (2-1) qL – lưu lượng riêng của máy trong một chu kỳ làm việc n – số chu kỳ trong một đơn vị thời gian. QL – lưu lượng trung bình lý thuyết. b) Áp suất: cột áp của MTLTT được tạo nên chủ yếu bởi sự thay đổi áp suất tĩnh của chất lỏng khi chuyển động qua máy, do đó thường dùng áp suất để biểu thị khả năng tải của máy. Đối với MTLTT có chuyển động tịnh tiến, áp suất làm việc p tác dụng lên pittông tạo nên một áp lực P: P = p.S (2-2) S: diện tích làm việc của mặt pittông Đối với MTLTT có chuyển động quay, áp suất làm việc p tác dụng lên rôto tạo nên mômen quay M: M = kM.p (2-3) kM là hằng số đối với một máy nhất định phụ thuộc vào kết cấu và kích thước máy, gọi là hệ số mômen. Hệ số mômen kM có thể suy từ công thức tính công suất lý thuyết bỏ qua các tổn thất: c) Hiệu suất và công suất Hiệu suất toàn phần của máy thủy lực được xác định theo công thức chung, nhưng đối với MTL tổn thất thủy lực tương đối nhỏ nên thường cho H  1, do đó:  = Q.C (2-5) Công suất làm việc của bơm thường được xác định bằng các thông số thủy lực: Công suất làm việc của động cơ thường được xác định bằng các thông số cơ khí: - Với chuyển động tịnh tiến: NĐ = P.v (2-7) P: áp lực trên pittông v: vận tốc của pittông - Với chuyển động quay: NĐ = M. (2-8) M: mômen quay trên trục : vận tốc góc 3. Bơm Pittông a) Kết cấu: b) Nguyên lý hoạt động. c) Lưu lượng bơm Lưu lượng trung bình lý thuyết: Lưu lượng trung bình lý thuyết thực tế: Q = hQ.QL (2-10) Lưu lượng tức thời: Qt = S.v (2-11) S - diện tích Pitong. L - hành trình Pitong. n - số vòng quay của cơ cấu quay, v/ph v - tốc độ Pitong. Nhận xét: Qua phần phân tích tính toán trên ta thấy năng suất của bơm pittông có thể điều chỉnh được bằng các biện pháp sau: Thay đổi số vòng quay của trục động cơ, hoặc thay đổi số chu kỳ làm việc của bơm trong một đơn vị thời gian. Thay đổi diện tích làm việc của pit tông bằng các cơ cấu đặc biệt. Thay đổi chiều dài bước di chuyển của quả nén (s) bằng cách thay đổi chiều dài làm việc của tay biên hoặc thanh truyền. Điều chỉnh bằng khoá (tiết lưu) để tháo bớt chất lỏng từ buồng đẩy về buồng hút của bơm.