Bài giảng Thủy lực và máy thủy lực - Chương 1: Mở đầu - Nguyễn Đăng Phóng

PowerPoint TemplateBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THỒNG VẬN TẢIBÀI GIẢNGMôn học:THỦY LỰC VÀ MÁY THỦY LỰCGiảng viên: Nguyễn Đăng PhóngBộ môn Thủy lực Thủy vănKhoa Công trìnhDT: 0904222171Website: hydr-uct.netGIỚI THIỆU MÔN HỌCTên 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 khí2Thủy lực và Máy thủy lựcNỘI 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.3Thủy lực và Máy thủy lựcNỘI DUNG MÔN HỌCChương 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 bơm4Thủy lực và Máy thủy lựcPHẦN I: THỦY LỰCCHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU1.1. 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.5Thủy lực và Máy thủy lựcCHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU1.2. MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG1. Tính liên tục2. 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 6Thủy lực và Máy thủy lực3. 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 suấtKhi 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.7Thủy lực và Máy thủy lực4. 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 nhaum: Hệ số nhớt (độ nhớt) N.s/m2 hoặc Poazơ (P), 1P = 0.1Ns/m2Ngoài hệ số nhớt động lực còn dùnghệ số nhớt động học n = m/r	 (m2/s, Stốc St) 1St=1cm2/sm ≠0: Chất lòng thựcm = 0 và r =const: Chất lỏng lý tưởng8Thủy lực và Máy thủy lực1.3. 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:sxtxytxztyxsytyztzxtzysz9Thủy lực và Máy thủy lựcCHƯƠNG II. THỦY TĨNH HỌC2.1. ÁP SUẤT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH1. Áp suất và áp lực thủy tĩnh	P - áp lực	p - áp suất thủy tĩnh2. Tính chất của áp suất thủy tĩnhÁp 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.10Thủy lực và Máy thủy lực2.2. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CÂN BẰNG ƠLE11Thủy lực và Máy thủy lực1. Thiết lập phương trìnhGọi 	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:12Thủy lực và Máy thủy lực2. 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.13Thủy lực và Máy thủy lựcLực 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.14Thủy lực và Máy thủy lực2.3. 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:15Thủy lực và Máy thủy lực(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 đóp0: áp suất tại mặt phân chia chất lỏng.h: độ sâu từ mặt phân chia chất lỏng đến điểm cần tính áp suất.16Thủy lực và Máy thủy lực2. 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 suấtÁp suất tuyệt đối: ptđ = p0 + γhÁp 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 = γhÁp 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/γ17Thủy lực và Máy thủy lực4. 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.18Thủy lực và Máy thủy lực5. 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.19Thủy lực và Máy thủy lực6. Định luật Pascal.	p1 = p0 + γh	p2 = (p0 +p') + γhHay 	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.20Thủy lực và Máy thủy lựcKích thủy lựcη - 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 105:73Thủy lực và Máy thủy lựcChảy rối thành hoàn toàn nhám:	Công thức của Nicurats:Chảy rối thành không hoàn toàn nhám:	Công thức của Altshoul:74Thủy lực và Máy thủy lực4.7. 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/s75Thủy lực và Máy thủy lực2. Một số công thức xác định hệ số Sezi.Công thức của Maninh:n - hệ số nhám, n ≤ 0,02R - bán kính thủy lực.Công thức của Phoocorayme:n - hệ số nhám, n ≤ 0,03Công thức của Pavolopxky:76Thủy lực và Máy thủy lực4.8. 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:77Thủy lực và Máy thủy lựcGiả 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):79Thủy lực và Máy thủy lực4.9. DÒNG CHẢY QUA LỖ.1. Phân loại lỗ.Theo chiều cao lỗ: ee H/10: 	lỗ to.Theo chiều dày thành lỗ: δδ (3 - 4)e:	lỗ thành dày.80Thủy lực và Máy thủy lực2. 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 ≈ 0,64.81Thủy lực và Máy thủy lực4.10. 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 ≈ 0,62.82Thủy lực và Máy thủy lực2. 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 ≈ 0,64ξ - hệ số tổn thất ở vòi, ξ ≈ 0,0683Thủy lực và Máy thủy lực4.11. TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG.1. Khái niệm.Phân loại:Theo kết cấu có:	Đường ống đơn giản và Đường ống phức tạpTheo 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).84Thủy lực và Máy thủy lực2. Đường ống dài nối tiếp.	Viết phương trình Bernoulli cho hai mặt thoáng của bể chứa, bỏ qua tổn thất cục bộ:85Thủy lực và Máy thủy lực3. Đường ống dài song song.Bỏ qua tổn thất cục bộ và cột nước lưu tốc:86Thủy lực và Máy thủy lựcPHẦN II: MÁY THỦY LỰCChương 1: KHÁI NIỆM MÁY THỦY LỰC1.1. MÁY THỦY LỰC - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÁY THỦY LỰC1. 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:87Thủy lực và Máy thủy lực2. Thông số cơ bản của máy thuỷ lựca.	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 hút104Thủy lực và Máy thủy lực105Thủy lực và Máy thủy lựcNguyên 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.106Thủy lực và Máy thủy lực2. 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:107Thủy lực và Máy thủy lựcb.	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 – 0,98.108Thủy lực và Máy thủy lực3. 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.109Thủy lực và Máy thủy lực	Xây dựng đường đặc tính thực nghiệm của bơm:Sơ đồ thí nghiệm 	 Đường đặc tính thực nghiệm110Thủy lực và Máy thủy lực4. 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: Điểm làm việcĐiều chỉnh bằng khóaĐiều chỉnh số vòng quay111Thủy lực và Máy thủy lực2.2. 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 việcn – số chu kỳ trong một đơn vị thời gian.QL – lưu lượng trung bình lý thuyết.112Thủy lực và Máy thủy lựcb) 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:113Thủy lực và Máy thủy lựcc) 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 góc114Thủy lực và Máy thủy lực3. Bơm Pittônga) Kết cấu:b) Nguyên lý hoạt động.c) Lưu lượng bơmLưu 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/phv - tốc độ Pitong.115Thủy lực và Máy thủy lực	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.116Thủy lực và Máy thủy lực117Thủy lực và Máy thủy lực118Thủy lực và Máy thủy lực119Thủy lực và Máy thủy lực