Báo cáo Nghiên cứu chế tạo hệ thống làm kín tích cực bằng phương pháp tăng áp dùng cho ổ trục chịu tải nặng làm việc môi trường nóng bụi

BỘ CÔNG THƯƠNG

TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC & MÁY NÔNG NGHIỆP

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

MÃ SỐ 245.07 RD/HĐ – KHCN

Tên đề tài:

Nghiªn cøu chÕ t¹o hÖ thèng lµm kÝn tÝch cùc

b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p

dïng cho æ trôc chÞu t¶i nÆng

lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi

CƠ QUAN CHỦ QUẢN:

CƠ QUAN CHỦ TRÌ:

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI:

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN CÔNG NGHỆ

KS. TĂNG BÍCH THỦY

6799

12/4/2008

HÀ NỘI, 3 – 2008

BỘ CÔNG THƯƠNG

TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC & MÁY NÔNG NGHIỆP

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

MÃ SỐ 245.07 RD/HĐ – KHCN

Tên đề tài:

Nghiªn cøu chÕ t¹o hÖ thèng lµm kÝn tÝch cùc

b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p

dïng cho æ trôc chÞu t¶i nÆng

lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi

CƠ QUAN CHỦ TRÌ

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

KS. TĂNG BÍCH THUỶ

HÀ NỘI, 3 – 2008

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

1. KS. Tăng Bích Thuỷ

2. TS. Đỗ Quốc Quang

3. KS. Hoàng Việt Quang

4. KS. Cao Văn Mô

CNĐT

CTV

Viện Công Nghệ

5. KS. Trần Xuân Thành

`

môc lôc

Trang

1

môc lôc

3

ch−¬ng I: b¸o c¸o TỔNG QUAN

1. Tæng quan vÒ c¸c ph−¬ng ph¸p lµm kÝn

3

8

2. T×nh h×nh nghiªn cøu chung vÒ hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p

t¨ng ¸p.

10

ch−¬ng II: c¸c bµi to¸n khÝ ®éng c¬ b¶n,

c¬ së lý thuyÕt cho tÝnh to¸n khÝ ®éng

cña hÖ thèng lµm kÝn ®iÓn h×nh.

1. Dßng ch¶y gi÷a hai mÆt ph¼ng song song chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi

10

nhau

2. Dßng ch¶y gi÷a hai mÆt ph¼ng song song cè ®Þnh

3. Dßng ch¶y dõng trong èng

11

12

13

4. Dßng ch¶y trong khe hë gi÷a hai h×nh trô ®ång trôc vµ quay t−¬ng ®èi

víi nhau

5. HiÖn t−îng khuÕch t¸n

14

17

ch−¬ng III: nghiªn cøu bµi to¸n khÝ ®éng

cña hÖ thèng lµm kÝn æ trôc ®iÓn h×nh

b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p

1. S¬ ®å nguyªn lý cña hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p.

17

18

29

2. Ph©n tÝch bµi to¸n khÝ ®éng cña hÖ thèng lµm kÝn ®iÓn h×nh.

3.

¸p dông hÖ thèng lµm kÝn cho æ trôc cña b¸nh l¨n trong m¸y nghiÒn

®øng.

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

1

`

4. KÕt luËn vµ c¸c nguyªn t¾c tÝnh to¸n hÖ khÝ ®éng trong hÖ thèng lµm

kÝn b»ng t¨ng ¸p.

33

36

ch−¬ng iV: thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m« h×nh.

Kh¶o nghiÖm hÖ thèng vµ ®¸nh gi¸ kÕt qu¶

1. Mục đích khảo nghiệm.

36

37

41

45

51

2. Thiết kế và chế tạo mô hình.

3. Tính toán lắp đặt hệ thống làm kín ổ.

4. Chạy khảo nghiệm hệ thống làm kín.

5. Nhận xét kết quả khảo nghiệm và kết luận.

KÕt luËn

55

57

tµi liÖu tham kh¶o

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

2

`

Ch−¬ng I

b¸o c¸o tæng quan

1. Tæng quan vÒ c¸c ph−¬ng ph¸p lµm kÝnc:

Trong ngµnh chÕ t¹o m¸y ng−êi ta sö dông nhiÒu ph−¬ng ph¸p còng nh−

d¹ng c¬ cÊu lµm kÝn kh¸c nhau ®Ó bÝt kÝn c¸c bÒ mÆt cña mèi ghÐp nèÝ tÜnh vµ

ghÐp nèi ®éng cña c¸c chi tiÕt m¸y nh−: c¸c mèi ghÐp ren cña ®−êng èng, c¸c

mèi ghÐp gi÷a th©n æ l¨n, æ tr−ît víi trôc truyÒn, gi÷a pÝt t«ng vµ xi lanh...

C¬ cÊu lµm kÝn ®−îc ph©n thµnh lo¹l tiÕp xóc, kh«ng tiÕp xóc vµ liªn hîp.

C¬ cÊu lµm kÝn tiÕp xóc th−êng lµ c¸c vßng bÝt b»ng phít vµ vßng bÝt cao su. C¬

cÊu lµm kÝn kh«ng tiÕp xóc th−êng lµ c¸c kiÓu khe hë r·nh vßng gi÷a hai bÒ mÆt

®èi tiÕp cÇn lµm kÝn cã chøa dÇu hoÆc mì trong qu¸ tr×nh lµm viÖc.

Tuú thuéc vµo m«i tr−êng, c¸c ®iÒu kiÖn lµm viÖc (vËn tèc, nhiÖt ®é, ¸p

suÊt...) cña côm chi tiÕt m¸y cÇn lµm kÝn, ng−êi ta cã thÓ chän c¸c lo¹i c¬ cÊu

lµm kÝn kh¸c nhau víi c¸c lo¹i vËt liÖu lµm kÝn kh¸c nhau.

D−íi ®©y lµ ®Æc tÝnh cña mét sè vËt liÖu chÕ t¹o vßng bÝt t−¬ng øng víi c¸c

m«i tr−êng lµm viÖc, ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña côm chi tiÕt lµm kÝn.

B¶ng 1. VËt liÖu chÕ t¹o vßng bÝt

Vật liệu

Môi trường làm việc

Nhiệt độ môi

Áp suất môi trường

trường, ⁰C max làm việc N/mm², max

Chì

Axit

-

0,2

0,3

1,0

5,0

0,6

4,0

1,0

Cao su đặc

Nước, không khí, chân không

Nước, dầu mỏ, dầu nhờn

Không khí

30

40

60

90

Cactông kỹ thuật tẩm dầu

Paronit

Cao su có các lớp vải bạt

Policlovinyl

Nước, không khí

Axit, xăng

Cao su có lưới (cốt) kim

loại

Nước, không khí

Policlovinyl ∏OH

Xăng, dầu hoả, dầu nhờn

100

150

250

2,0

-

Đai vải bạt có cốt

Đồng

Nước, không khí

Hơi

3,5

Amian kim loại có vỏ bọc

bằng đồng

Đồng

Nước

250

300

10,0

2,0

Nhôm

Hơi

Dầu mỏ, dầu nhờn

Hơi

300-400

300

3,0-6,0

2,0

Amian kim loại có vỏ bọc

bằng niken

Paronit ∏OH

Nước, hơi

200

5,0

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

3

`

Vật liệu

Môi trường làm việc

Hơi nước

Nhiệt độ môi

Áp suất môi trường

trường, ⁰C max làm việc N/mm², max

Paronit ∏OH

Amian

450

470

5,0

0,15

10,0

Hơi, khí đốt

Nước, hơi

Thép mềm

a. Lµm kÝn mèi ghÐp tÜnh:

Mèi ghÐp tÜnh th−êng lµ c¸c mèi ghÐp nèi èng vµ mèi ghÐp ren.

HÝnh 1.1. Lµm kÝn mèi ghÐp nèi èng vµ mèi ghÐp ren.

b. Lµm kÝn mèi ghÐp ®éng:

Mèi ghÐp ®éng th−êng lµ c¸c mèi ghÐp gi÷a xi lanh vµ pÝt t«ng, c¸c mèi

ghÐp trong c¸c æ trôc... C¸c kiÓu lµm kÝn mèi ghÐp ®éng ®−îc lùa chän phô

thuéc vµo tèc ®é vµ h−íng dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi cña c¸c chi tiÕt ®−îc lµm

kÝn, thÓ lo¹i, nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cña m«i tr−êng ®−îc lµm kÝn, t×nh tr¹ng cña

m«i tr−êng xung quanh, sù rß rØ cho phÐp cña chÊt láng vµ khÝ.

§Ó lµm kÝn mèi ghÐp ®éng cã thÓ sö dông vßng ®Öm cao su, vßng phít,

vßng bÝt cao su cã cèt, n¾p cã c¸c r·nh vßng, c¬ cÊu lµm kÝn khuÊt khóc, c¬

cÊu lµm kÝn liªn hîp...

§èi víi c¸c æ trôc lµm viÖc ë tèc ®é kh«ng lín h¬n 2m/s nªn dïng phít

sîi len th« vµ nöa th«. Khi tèc ®é trªn 2m/s ®Õn 5m/s nªn dïng phít sîi len

m¶nh. §èi víi c¸c kÕt cÊu quan träng lµm viÖc trong m«i tr−êng bôi bÈn

hoÆc lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao th× kh«ng nªn dïng vßng phít. Vßng bÝt b»ng

cao su cã cèt kim lo¹i cã thÓ lµm kÝn c¸c mèi ghÐp ®éng cã tèc ®é ®Õn

20m/s vµ nhiÖt ®é t¹i chç tiÕp xóc cña vßng bÝt víi trôc tõ 45^oC ®Õn 150^oC

nh−ng hiÖu qu¶ kh«ng cao, tuæi thä ng¾n v× d−íi t¸c dông cña nhiÖt ®é vµ ¸p

suÊt cao dÇn dÇn vßng bÝt sÏ bÞ biÕn d¹ng, bÞ mµi mßn... nªn sÏ mÊt t¸c dông

lµm kÝn, bôi bÈn sÏ th©m nhËp vµo æ trôc g©y h− háng.

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

4

`

c. Mét sè c¬ cÊu lµm kÝn c¸c mèi ghÐp ®éng:

§Öm kÝn cao su mÆt c¾t trßn th−êng dïng lµm kÝn cho c¸c thiÕt bÞ thuû lùc

vµ khÝ nÐn víi tèc ®é dÞch chuyÓn cña c¸c mèi ghÐp nµy ®Õn 0.5 m/s. Chóng

®−îc dïng ®Ó lµm kÝn c¸c mèi ghÐp lµm viÖc ë ¸p suÊt :

− §Õn 50 N/mm²(500 kG/cm²) - trong c¸c mèi ghÐp cè ®Þnh vµ ®Õn 32

N/mm²(320 kG/cm²) - trong c¸c mèi ghÐp ®éng, víi m«i tr−êng lµm viÖc

lµ dÇu kho¸ng, nhiªn liÖu láng, ªmunxi, dÇu b«i tr¬n, n−íc ngät vµ n−íc

biÓn;

− §Õn 40 N/mm²(400 kG/cm²) - trong c¸c mèi ghÐp tÜnh vµ ®Õn 10 N/mm²

(100 kG/cm²) – trong c¸c mèi ghÐp ®éng, víi m«i tr−êng lµm viÖc lµ

kh«ngkhÝ nÐn.

H×nh 1.2. Lµm kÝn dïng vßng ®Öm cao su kh«ng cã vßng b¶o vÖ.

H×nh 1.3. Lµm kÝn dïng vßng ®Öm cao

su víi c¸c vßng b¶o vÖ

H×nh 1.4. Vßng ®Öm cao su dïng

trong c¸c mèi ghÐp ren

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

5

`

H×nh 1.5. Lµm kÝn dïng vßng phít víi

b¹c l¾p trªn trôc

H×nh 1.6. Lµm kÝn dïng vßng phít

®−îc Ðp

H×nh 1.7. Lµm kÝn dïng H×nh 1.8. Lµm kÝn dïng H×nh 1.9. Lµm kÝn dïng

vßng phít kÕt hîp víi

vßng bÝt cã r·nh vßng

vßng phít kÕt hîp víi

vßng bÝt khuÊt khóc

vßng phít kÕt hîp víi

vßng bÝt khuÊt khóc-r·nh

vßng

H×nh 1.10. Lµm kÝn dïng vßng bÝt cao su cã cèt – s¬ ®å g¸ l¾p.

1. Trôc 2. Vßng bÝt 3. Vßng ®ªm 4. B¹c

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

6

`

d. TÇm quan träng cña viÖc lµm kÝn æ trôc:

ViÖc lµm kÝn c¸c æ trôc, nhÊt lµ ®èi víi æ trôc chÞu t¶i nÆng, lµm viÖc trong

c¸c m«i tr−êng nhiÒu bôi vµ nãng cã tÇm quan träng ®Æc biÖt v× nã ¶nh h−ëng

trùc tiÕp tíi chÊt l−îng lµm viÖc cña æ trôc, còng nh− ®é an toµn trong s¶n suÊt

vµ tuæi thä cña thiÕt bÞ. Lµm kÝn æ lµ ®Ó ng¨n ngõa kh«ng cho bôi, n−íc hay c¸c

dÞ vËt tõ bªn ngoµi th©m nhËp vµo, gi÷ cho chÊt b«i tr¬n trong æ kh«ng bÞ bÈn

hay rß rØ ra ngoµi, t¨ng hiÖu qu¶ cho hÖ thèng b«i tr¬n, ®¶m b¶o æ trôc lµm viÖc

æn ®Þnh, an toµn vµ t¨ng tuæi thä. Th«ng th−êng ng−êi ta lµm kÝn æ trôc b»ng

gio¨ng, phít, vßng bÝt kÕt hîp c¸c lo¹i n¾p chÆn (n¾p cã r·nh vßng, n¾p cã r·nh

khuÊt khóc...). Tuy nhiªn ®èi víi c¸c thiÕt bÞ cã æ trôc chÞu t¶i träng nÆng, lµm

viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi, ®Æc biÖt lµ bôi cã tÝnh mµi mßn th× d−íi t¸c

dông cña nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cao, c¸c lo¹i gio¨ng, vßng bÝt sÏ bÞ biÕn d¹ng, bÞ

mµi mßn... do ®ã mÊt t¸c dông lµm kÝn, bôi bÈn sÏ th©m nhËp vµo æ trôc g©y h−

háng, thËm chÝ b¶n th©n chóng cßn trë thµnh t¸c nh©n g©y ph¸ huû æ trôc. §Ó

t¨ng hiÖu qu¶ lµm kÝn còng nh− t¨ng ®é an toµn cho æ khi lµm viÖc trong m«i

tr−êng nãng, bôi, chÞu t¶i träng lín, hiÖn nay trªn thÕ giíi ng−êi ta sö dông hÖ

thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p.

e. C¸c yªu cÇu kü thuËt khi l¾p c¸c c¬ cÊu lµm kÝn:

ChÊt l−îng lµm kÝn cho c¸c mèi ghÐp phô thuéc chÊt l−îng c¸c lo¹i gio¨ng,

vßng bÝt, vßng phãt, ®ång thêi ®Ó ®¶m b¶o hiÖu qu¶ lµm kÝn, khi l¾p r¸p c¸c c¬

cÊu lµm kÝn cÇn tu©n thñ c¸c yªu cÇu kü thuËt sau :

−

CÇn ®¶m b¶o c¸c vßng ®Öm, vßng bÝt... kh«ng bÞ nghiªng, vÆn lµm thay

®æi h×nh d¸ng h×nh häc cña c¸c chi tiÕt nµy. Kh«ng lµm h− háng vÒ c¬

häc, kh«ng g©y ra c¸c vÕt c¾t.

−

BÒ mÆt c¸c chi tiÕt ghÐp ph¶i s¹ch, kh«ng dÝnh c¸c chÊt g©y ¨n mßn,

mµi mßn.

C¸c bÒ mÆt chi tiÕt tiÕp xóc víi vßng ®Öm, vßng bÝt… ph¶i ®−îc b«i

tr¬n b»ng lo¹i dÇu kh«ng g©y t¸c ®éng cã h¹i cho vËt liÖu chÕ t¹o vßng

lµm kÝn hoÆc b»ng c¸c chÊt láng c«ng t¸c cã tÝnh b«i tr¬n tèt.

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

7

`

−

C¸c chi tiÕt cña mèi ghÐp lµm kÝn cÇn cã ®é nh¸m, kÕt cÊu phï hîp ®Ó

l¾p r¸p dÔ dµng. Khi l¾p c¸c lo¹i vßng lµm kÝn cÇn sö dông dông cô g¸

chuyªn dïng thÝch hîp.

2. T×nh h×nh nghiªn cøu chung vÒ hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p

t¨ng ¸p:

Lµm kÝn æ trôc b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p dùa trªn nguyªn lý dßng khÝ chØ

di chuyÓn tõ n¬i cã ¸p suÊt cao tíi n¬i cã ¸p suÊt thÊp. §Ó ng¨n kh«ng cho bôi

th©m nhËp vµo æ trôc, ng−êi ta cÊp khÝ vµo khoang æ vµ ®¶m b¶o ¸p suÊt trong

khoang lµm viÖc cña æ cao h¬n so víi m«i tr−êng bªn ngoµi. HiÖu qu¶ cña lµm

kÝn æ trôc b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p rÊt cao do khÝ s¹ch th−êng xuyªn ®−îc ®−a

vµo khoang æ t¹o líp ®Öm ng¨n c¸ch kh«ng cho bôi th©m nhËp vµo æ, gióp cho

chÊt b«i tr¬n trong æ trôc lu«n s¹ch, ®¶m b¶o ®−îc ®é æn ®Þnh cña thiÕt bÞ trong

qu¸ tr×nh lµm viÖc, t¨ng tuæi thä thiÕt bÞ vµ an toµn trong s¶n xuÊt. Ngoµi ra do

th−êng xuyªn ®−a kh«ng khÝ vµo khoang æ nªn ph−¬ng ph¸p lµm kÝn nµy cßn cã

t¸c dông lµm m¸t æ, gióp duy tr× kh¶ n¨ng b«i tr¬n cña c¸c lo¹i dÇu, mì. Khi lµm

kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p, ng−êi ta th−êng kÕt hîp víi sö dông vßng bÝt cao

su cã cèt kim lo¹i ®Ó chóng hç trî nhau, t¨ng hiÖu qu¶ lµm kÝn. T¸c dông lµm

m¸t æ cña dßng khÝ cßn gióp cho kÐo dµi tuæi thä vßng bÝt.

Víi nh÷ng tÝnh n¨ng −u viÖt nh− trªn, lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p

kÕt hîp víi vßng bÝt cao su cã cèt ®−îc c¸c h·ng s¶n xuÊt thiÕt bÞ chÞu t¶i nÆng,

lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi (nh− m¸y nghiÒn, m¸y c¸n, thiÕt bÞ ¸p lùc...)

cña nhiÒu n−íc tiªn tiÕn trªn thÕ giíi ¸p dông rÊt nhiÒu.

Cßn ë ViÖt Nam, ngµnh c«ng nghiÖp chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ c«ng nghiÖp cã æ

trôc chÞu t¶i lín, lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi ch−a ph¸t triÓn. C¸c thiÕt

bÞ lo¹i nµy cña mét sè c¬ së trong n−íc ®Òu lµ thiÕt bÞ nhËp ngo¹i, nªn c¸c tµi

liÖu vÒ nghiªn cøu tÝnh to¸n, thiÕt kÕ hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p

hÇu nh− kh«ng cã, trong khi ®ã nhu cÇu chÕ t¹o m¸y nghiÒn ®Ó phôc vô ngµnh

s¶n xuÊt xi m¨ng trong n−íc ngµy cµng cao.

N¨m 2003 ÷ 2005, ViÖn C«ng NghÖ ®· thùc hiÖn ®Ò tµi khoa häc c«ng

nghÖ cÊp nhµ n−íc "Nghiªn cøu thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m¸y nghiÒn bét siªu mÞn hiÖu

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

8

`

suÊt cao øng dông trong c«ng nghiÖp”, m· sè KC.05.22. §Ò tµi nµy ®· hoµn

thµnh vµ ®¹t ®−îc nh÷ng kÕt qu¶ næi bËt, ®· chÕ t¹o vµ øng dông thµnh c«ng

M¸y nghiÒn ®øng kiÓu b¸nh l¨n øng dông trong C«ng nghiÖp s¶n xuÊt VËt liÖu

x©y dùng, hiÖn ®ang vËn hµnh t¹i C«ng ty TNHH VLXD H¹ Long – TP. Hå ChÝ

Minh. Víi nhu cÇu s¶n xuÊt kh«ng ngõng më réng, thiÕt bÞ ®ßi hái ph¶i cã chÕ

®é lµm viÖc æn ®Þnh, ®é bÒn cao, ®¸p øng ®−îc nhu cÇu t¨ng n¨ng suÊt cña thiÕt

bÞ nghiÒn. V× vËy cÇn ph¶i hoµn thiÖn c¸c côm thiÕt bÞ, ¸p dông c¸c c«ng nghÖ

míi ®Ó n©ng cao ®é æn ®Þnh, an toµn cña thiÕt bÞ khi lµm viÖc, ®¶m b¶o vÖ sinh

m«i tr−êng c«ng nghiÖp, ®¸p øng c¸c yªu cÇu ngµy cµng cao cña c¸c nhµ s¶n

xuÊt, còng nh− cña ®êi sèng x· héi mµ trong khu«n khæ §Ò tµi KC.05.22 ch−a cã

®iÒu kiÖn nghiªn cøu. Do cÊu t¹o, c¸c b¸nh nghiÒn cña m¸y nghiÒn ®øng bè trÝ

ngay bè trÝ ngay trong kh«ng gian buång nghiÒn nªn æ trôc ph¶i lu«n lµm viÖc

trong m«i tr−êng hçn hîp khÝ vµ vËt liÖu nghiÒn cã nång ®é bôi rÊt cao (bôi

chÝnh lµ s¶n phÈm c«ng nghÖ), v× vËy viÖc lµm kÝn æ trôc lµ rÊt quan träng, ®¶m

b¶o ®é æn ®Þnh cho thiÕt bÞ khi lµm viÖc, ®¶m b¶o ®é an toµn trong s¶n xuÊt vµ

n©ng cao tuæi thä thiÕt bÞ. §Ò tµi “Nghiªn cøu chÕ t¹o hÖ thèng lµm kÝn tÝch

cùc b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p, dïng cho æ trôc chÞu t¶i nÆng, lµm viÖc trong

m«i tr−êng nãng, bôi” nh»m hoµn thiÖn hÖ thèng lµm kÝn æ trôc c¸c b¸nh l¨n

nghiÒn trong hÖ thèng m¸y nghiÒn ®øng, gióp cho m¸y nghiÒn ho¹t ®éng æn ®Þnh

h¬n, an toµn h¬n, ®¸p øng nhu cÇu më réng s¶n xuÊt hiÖn nay.

C¸c néi dung cña ®Ò tµi lµ:

−

Nghiªn cøu, ph©n tÝch và giải bµi to¸n khÝ ®éng cña hÖ thèng lµm kÝn

b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p. X©y dùng c¬ së cho việc lựa chọn sơ đồ kết

cấu, lựa chọn các thông số khí động để đảm bảo hÖ thèng lµm kÝn b»ng

ph−¬ng ph¸p t¨ng áp làm việc ổn định, đạt hiệu quả làm kín tối ưu.

−

TÝnh to¸n, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ thèng lµm kÝn ®iÓn h×nh b»ng ph−¬ng ph¸p

t¨ng ¸p. Thiết kế, chế tạo mô hình để khảo nghiệm hệ thống làm kín.

Kh¶o nghiÖm hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p trªn m« h×nh

kh¶o nghiÖm. §o ®¹c, ph©n tÝch và ®¸nh gi¸ c¸c th«ng sè kh¶o nghiÖm

cña hÖ thèng.

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

9

`

Ch−¬ng II

C¸c bµi to¸n khÝ ®éng c¬ b¶n, C¬ së lý thuyÕt

cho tÝnh to¸n khÝ ®éng cña hÖ thèng lµm kÝn æ

b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p

Tr¹ng th¸i cña chÊt láng (khÝ) chuyÓn ®éng ®−îc x¸c ®Þnh khi c¸c hµm

ph©n bè vËn tèc v = v(x,y,z,t) vµ hai ®¹i l−îng ®éng lùc nµo ®ã nh− ¸p suÊt p = p

(x,y,z,t) vµ mËt ®é ρ = ρ (x,y,z,t) ®−îc x¸c ®Þnh. Sù ph©n bè vµ quy luËt thay ®æi

¸p suÊt, vËn tèc cña dßng ch¶y phô thuéc h×nh d¹ng, ®é nh½n, kÝch th−íc h×nh

häc… cña vËt bao dßng ch¶y ®ã. §Ó ph©n tÝch vµ gi¶i bµi to¸n hÖ khÝ ®éng cho

mét hÖ thèng cÇn ph¶i dùa trªn c¸c ®Þnh luËt tæng qu¸t cña chÊt láng (khÝ), ¸p

dông c¸c d¹ng bµi to¸n khÝ ®éng c¬ b¶n. Sau ®©y lµ mét sè bµi to¸n khÝ ®éng

®iÓn h×nh cÇn thiÕt cho viÖc ph©n tÝch khÝ ®éng cña hÖ thống lµm kÝn:

1. Dßng ch¶y gi÷a hai mÆt ph¼ng song song chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi

nhau:

Hai mặt phẳng song song chuyển động tương đối với nhau với vận tốc

không đổi u. Chọn một trong hai mặt phẳng làm mặt phẳng x, z và hướng

trục x theo hướng vận tốc u. Nhận thấy tất cả các đại lượng đều chỉ phụ thuộc

vào toạ độ y, còn tại mọi nơi vận tốc chất lỏng đều dương theo trục x. Từ

phương trình chuyển động cơ bản của chất lỏng, áp dụng cho chuyển động

dừng ta có được công thức sau:

dp

dy

d ²v

dy²

= 0 ;

= 0

(Phương trình liên tục được đồng nhất thoả mãn). Từ đó p = const, v = y + b.

Với y = 0 và y = h (h là khoảng cách giữa các mặt phẳng), lần lượt phải có:

v = 0 và v = u.

y

u

Ta được:

Trong đó:

v =

(2.1)

h

u là tốc độ chuyển động tương đối giữa các mặt phẳng

v là vận tốc theo bề dày của lớp chất lỏng.

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

10

`

Như vậy sự phân bố vận tốc của chất lỏng chứa giữa hai mặt phẳng

song song chuyển động đối với nhau là theo hàm bậc nhất. Vận tốc trung

bình của chất lỏng được xác định bởi

h

1

u

v_TB=

vdy =

(2.2)

∫

h ₀

2

2. Dßng ch¶y gi÷a hai mÆt ph¼ng song song cè ®Þnh:

Xét dòng chảy dừng của chất lỏng giữa hai mặt phẳng song song cố định

khi có gradien áp suất. Chọn hệ toạ độ như trong trường hợp (1), trục z

hướng theo chiều chuyển động của chất lỏng. Các phương trình Navier –

Stoker cho ta (hiển nhiên, vận tốc chỉ phụ thuộc vào toạ độ y):

d ²v 1 ∂p

∂p

∂y

=

;

= 0

dy²

µ ∂x

Phương trình thứ hai chứng tỏ rằng áp suất không phụ thuộc vào y, nghĩa

là nó không đổi theo bề dầy lớp chất lỏng giữa các mặt phẳng. Khi đó, trong

phương trình thứ nhất của vế phải hàm số chỉ phụ thuộc x, còn ở vế trái - chỉ

phụ thuộc y. Một phương trình như thế chỉ có thể được thực hiện khi cả hai

dp

vế đều là những đại lượng không đổi. Như vậy:

= const

dx

nghĩa là áp suất là một hàm bậc nhất của tọa độ x theo chiều dòng chảy. Bây

giờ, đối với vận tốc ta có:

1 dp

v =

y²+ ax + b

2µ dx

Các hằng số a và b được xác định từ các điều kiện biên v = 0 với y = 0 và

y = h. Kết quả thu được:

1 dp

v = −

y(y − h)

(2.3)

2µ dx

Như vậy khi có gradien áp suất, vận tốc của lớp chất lỏng giữa hai mặt

phẳng song song cố định thay đổi theo hàm bậc hai, đạt giá trị cực đại ở

giữa lớp. Giá trị trung bình của vận tốc theo bề dày của lớp chất lỏng bằng:

h²dp

V = −

(2.4)

12µ dx

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

11

`

3. Dßng ch¶y dõng trong èng:

Xét dòng chảy dừng của chất lỏng trong ống có tiết diện không đổi dọc

theo toàn bộ chiều dài, trục x hướng theo chiều dài của ống. Vận tốc v của

chất lỏng tại mọi nơi đều hướng theo trục x và chỉ là hàm của y và z. Phương

trình liên tục được đồng nhất thỏa mãn, còn những thành phần theo trục y và

∂p/∂z = ∂p/∂z = 0

z của phương trình Navier – Stokes lại cho ta

, nghĩa là áp

suất không đổi trên tiết diện của ống dẫn. Thành phần theo trục x của

phương trình:

∂v

∂t

1

µ

ρ

+ (v∇)v = − grad

p + ∆v

ρ

∂²v ∂²v 1 dp

cho ta:

+

=

∂y²∂z²

µ dx

Từ đó kết luận rằng dp/dx = const; do đó gradien áp suất có thể được viết

dưới dạng ∆p /l , trong đó ∆p là hiệu áp suất tại các đầu của ống, l là độ dài

của nó.

Như vậy, sự phân bố vận tốc của dòng chất lỏng trong ống được xác định

bởi một phương trình hai chiều thuộc loại ∆v = const . Phương trình này phải

được giải với điều kiện biên v = 0 ở trên chu vi của tiết diện ống dẫn.

Giải phương trình này cho ống có tiết diện tròn. Chọn gốc toạ độ cực tại

tâm của ống, vì lý do đối xứng, ta có: v = v(r). Dùng biểu thức toán học

Laplace trong các tọa độ cực, ta có:

1 d

dv

∆p

µl

⎛

⎝

⎞

⎟

r

= −

⎜

r dr dr

⎠

Lấy tích phân, ta được:

∆p

4µl

V = −

r²+ aln r + b

(2.5)

Hằng số a cần được chọn bằng không, vì vận tốc phải hữu hạn trong toàn

bộ tiết diện ống, kể cả tâm. Hằng số b được xác định từ đòi hỏi v = 0, khi giá

trị r = R (R là bán kính của ống).

∆p

4µl

Cuối cùng:

V =

(

R²− r²

)

(2.6)

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

12

`

Như vậy, theo tiết diện ống vận tốc được phân bố theo hàm bậc hai.

Lượng chất lỏng Q đi qua tiết diện thẳng của ống trong một giây gọi là

lưu lượng chất lỏng trong ống. Lượng chất lỏng đi qua phần tử hình vành

khuyên2π rdr của tiết diện ống trong một giây bằng ρ2πrvdr.

R

Do đó:

Q = 2πρ rvdr

∫

0

π∆p

8vl

Nếu xét đến (2.5) , ta thu được :

Q =

R⁴

Lượng chất lỏng chảy tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn của bán kính ống.

4. Dßng ch¶y trong khe hë gi÷a hai h×nh trô ®ång trôc vµ quay t−¬ng ®èi

víi nhau:

Xét chuyển động của chất lỏng ở giữa hai hình trụ dài vô hạn, đồng trục,

Ω₁

Ω₂

quay quanh trục của chúng với vận tốc góc

và

; R₁và R₂là các bán

kính hình trụ, với R₂> R₁. Chọn các toạ độ r, z, ϕ với trục z trùng với trục

của các hình trụ. Vì lý do đối xứng, nên hiển nhiên:

v = v = 0 v = v(r)

,

, p=p(r)

υ

r

ϕ

Phương trình Navier – Stokes trong toạ độ trụ trong trường hợp đang xét

cho hai phương trình:

dp

dr

v²

r

= ρ

(2.7)

d ²v 1 dv

v

r²

+

−

= 0

(2.8)

dr²

r dr

Phương trình (2.5) có các nghiệm thuộc loại rⁿ. Việc thay nghiệm dưới

b

ar +

, do đó v =

±1

dạng này cho ta n =

r

Các hằng số a và b tìm được từ các điều kiện giới hạn, theo các điều

kiện này, vận tốc chất lỏng trên mặt hình trụ trong và ngoài mặt hình trụ

ngoài phải bằng vận tốc của hình trụ tương ứng: v₁= R₁Ω₁với r = R₁và

v₂= R₂Ω₂với r = R₂. Kết quả ta thu được sự phân bố các vận tốc dưới dạng

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

13

`

Ω₂R₂²− Ω₁R₁²

R₂²− R₁²

(Ω₁− Ω₂)R₁²R₂²

R₂²− R₁²

1

r +

v =

(2.9)

r

Mô men các lực ma sát tác dụng lên các hình trụ được xác định theo

công thức:

4πµ(Ω₁− Ω₂)R₁²R₂²

R₂²− R₁²

M₁= −

(2.10)

Mô men các lực tác dụng lên hình trụ ngoài M₂= -M₁. Với Ω₂= 0 và

với khe nhỏ giữa các hình trụ (δ ≡ R₂− R₁<< R₂) công thức (2.10) có dạng

µRSu

M ₂=

(2.11)

δ

Trong đó S ≈ 2πR là diện tích mặt của một đơn vị dài hình trụ, còn

u = Ω₁R là diện tích bao quanh nó.

5. HiÖn t−îng khuÕch t¸n:

Hiện tượng khuếch tán xảy ra khi chất lỏng là một hỗn hợp nhiều thành

phần và không đồng đều trong thể tích chứa. Trong trong trường hợp này thì

các phương trình thuỷ lực sẽ thay đổi một cách cơ bản. Thành phần của hỗn

hợp được mô tả bằng nồng độ c, xác định bởi tỷ số giữa khối lượng của một

trong các chất tham gia tạo thành hỗn hợp và khối lượng toàn phần của chất

lỏng ở trong phần tử thể tích đang xét. Với thời gian, nói chung sự phân bố

của nồng độ trong chất lỏng thay đổi. Sự biến thiên của nồng độ xảy ra theo

hai cách:

¾ Thứ nhất: Biến thiên nồng độ do có chuyển động vĩ mô của chất lỏng. Mỗi

phần của chất lỏng đã cho dịch chuyển như một khối có thành phần không

thay đổi. Sự khuấy trộn thuần tuý cơ học của chất lỏng là một điển hình của

sự thay đổi nồng độ do chuyển động vĩ mô; mặc dù thành phần của mỗi phần

chất lỏng di chuyển không thay đổi, nhưng tại mỗi điểm cố định đã cho của

không gian nồng độ chất lỏng chiếm vị trí đó thay đổi theo thời gian. Nếu bỏ

qua các quá trình dẫn nhiệt và ma sát nội có thế đồng thời xảy ra, thì một sự

biến thiên như thế của nồng độ là một quá trình nhiệt động lực thuận nghịch

và không dẫn tới sự tiêu tán năng lượng.

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

14

`

¾ Thứ hai: Sự biến thiên của thành phần có thể xảy ra do có sự chuyển vận các

chất của hỗn hợp từ một phần chất lỏng này đến một phần khác. Sự san bằng

nồng độ bằng sự biến thiên trực tiếp thành phần của mỗi phần chất lỏng được

gọi là sự khuếch tán. Sự khuếch tán là quá trình không thuận nghịch và cùng

với sự dẫn nhiệt và tính nhớt, nó là một trong các nguồn tiêu tán năng lượng

trong hỗn hợp lỏng.

Khi không có sự khuếch tán, thành phần của mỗi phần tử đã cho của

chất lỏng vẫn không đổi khi chất lỏng dịch chuyển. Còn khi có sự khuếch

tán, ngoài dòng v, ρ, c của chất đã cho cùng với toàn bộ chất lỏng, còn một

dòng nữa dẫn tới sự chuyển vận các chất trong hỗn hợp cả khi không có sự

dịch chuyển của chất lỏng xét về toàn bộ; đó là dòng khuếch tán. Mật độ

dòng khuếch tán qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian ký hiệu

là i. Dòng khuếch tán i của chất sẽ xuất hiện do có mặt các gradien nồng độ

và gradien nhiệt độ ở trong chất lỏng. Như vậy, dòng khuếch tán sẽ phụ

thuộc vào cả gradien nhiệt độ và gradien nồng độ. Nếu gradien nhiệt độ và

nồng độ không lớn, thì có thể coi i là hàm bậc nhất của độ nhớt động lựcµ và

của nhiệt độ T. Dòng khuếch tán xuất hiện khi chỉ có gradien nồng độ được

xác định bởi hệ số khuếch tán D; Còn đối với dòng khuếch tán gây bởi

gradien nhiệt độ, thì được xác định bởi hệ số khuếch tán nhiệt k_TD (đại lượng

không thứ nguyên k_Tđược gọi là tỷ số khuếch tán nhiệt). Dòng khuếch tán i

không phụ thuộc vào gradien của áp suất (với ∆µ và ∆T đã cho).

Đối với các hỗn hợp chất lỏng trong thành phần có các hạt lơ lửng thì

sự khuếch tán được định nghĩa như sau: Do ảnh hưởng của chuyển động

phân tử trong chất lỏng, các hạt lơ lửng trong chất lỏng đó thực hiện chuyển

động Brown hỗn loạn. Giả sử tại một thời điểm ban đầu có một hạt như thế

tại một điểm nào đó (gốc toạ độ). Có thể coi chuyển động tiếp sau của nó như

một “sự khuếch tán” và xác xuất tìm thấy hạt ở trong một phần tử thể tích

nào của khối chất lỏng giữ vai trò nồng độ. Hệ số khuếch tán của các hạt lơ

lửng trong chất lỏng được xác định theo độ linh động của chúng. Để xác định

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

15

`

độ linh động của các hạt lơ lửng người ta giả sử các hạt này chịu tác dụng

của một ngoại lực không đổi f. Trong trạng thái dừng, lực tác dụng lên mỗi

hạt phải được cân bằng bởi lực cản do chất lỏng tác dụng lên hạt chuyển

động. Khi các vận tốc không quá lớn, lực cản tỷ lệ với luỹ thừa bậc nhất của

vận tốc. Nếu viết lực đó dưới dạng v/b, b là một hằng số, rồi cân bằng nó với

ngoại lực f, ta thu được: v = bf, nghĩa là vận tốc của hạt thu được dưới tác

dụng của ngoại lực tỉ lệ với lực đó. Hằng số b được gọi là độ linh động và về

nguyên tắc, có thể được tính dựa vào các phương trình thuỷ động lực. Đối

6πµRv

với các hạt có dạng hình cầu có bán kính R thì lực cản bằng f =

đó, độ linh động bằng:

, do

1

b =

(2.12)

6πµR

Đối với các hạt không có dạng hình cầu, lực cản phụ thuộc vào

phương chuyển động và được viết dưới dạng a_ikv_k, trong đó a_iklà một tenxơ

đối xứng. Khi tính độ linh động, cần phải lấy trung bình theo tất cả các

hướng của hạt; nếu a₁, a₂, a₃là các giá trị chính của tenxơ đối xứng a_ik, thì ta

⎛

⎞

1 1

1

thu được:

(2.13)

⎜

⎟

b =

+

3 a a₂a₃

⎝

⎠

1

Độ linh động liên hệ với hệ số khuếch tán bằng hệ thức: D = Tb (2.14)

Kết hợp với (2-12), hệ số khuếch tán của các hạt có dạng cầu được xác

T

định theo công thức:

D =

(2.15)

6πµR

Nh− vËy hÖ sè khuÕch t¸n phô thuéc vµo nhiÖt ®é, ®é nhít ®éng lùc vµ

kÝch th−íc h¹t. Khi nhiÖt ®é cµng cao kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña c¸c h¹t l¬

löng trong chÊt láng cµng lín, cßn ®é nhít vµ kÝch th−íc h¹t cµng lín sÏ lµm

gi¶m kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña chóng.

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

16

`

Ch−¬ng III

nghiªn cøu bµi to¸n khÝ ®éng cña hÖ thèng

lµm kÝn æ trôc ®iÓn h×nh b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p

(sau ®©y gäi t¾t lµ hÖ thèng lµm kÝn, viÕt t¾t lµ HTLK)

1. S¬ ®å nguyªn lý cña hÖ thèng lµm kÝn:

Lµm kÝn æ trôc theo ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p lµ ph−¬ng ph¸p thæi khÝ vµo

khoang lµm viÖc cña æ, khÝ sÏ ®iÒn ®Çy c¸c ngãc ng¸ch trong khoang. Khi ¸p

suÊt trong khoang lín h¬n ¸p suÊt bªn ngoµi, dßng khÝ sÏ qua khe hë ra ngoµi

vµ cã t¸c dông ng¨n chÆn kh«ng cho bôi x©m nhËp vµo khoang æ. Ph−¬ng

ph¸p lµm kÝn nµy dùa trªn hiÖn t−îng dßng khÝ sÏ chØ di chuyÓn tõ n¬i cã ¸p

suÊt cao tíi n¬i cã ¸p suÊt thÊp. Nh− vËy ®iÒu kiÖn ®Ó ng¨n kh«ng cho bôi

th©m nhËp vµo æ trôc lµ:

p_KO> p_MT

(3.1)

Trong ®ã :

p_KO: ¸p suÊt trong khoang lµm viÖc cña æ.

p_MT: ¸p suÊt m«i tr−êng bªn ngoµi æ.

§iÒu kiÖn (3.1) ta gäi lµ ®iÒu kiÖn c¬ b¶n hay chªnh ¸p trong HTLK.

H×nh 3.1. S¬ ®å nguyªn lý cña HTLK

Tuú thuéc vµo yªu cÇu thùc tÕ cña møc ¸p suÊt trong khoang æ, ng−êi ta

cã thÓ dïng qu¹t ly t©m hoÆc dïng khÝ nÐn trùc tiÕp thæi khÝ vµo khoang æ ®Ó

t¹o ¸p suÊt trong khoang æ lín h¬n ¸p suÊt m«i tr−êng bªn ngoµi, ®¶m b¶o

®iÒu kiÖn c¬ b¶n cña ph−¬ng ph¸p lµm kÝn b»ng t¨ng ¸p.

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

17

`

2. Ph©n tÝch bµi to¸n khÝ ®éng cña HTLK:

Do liªn kÕt æ - trôc lµ mèi liªn kÕt ®éng, nªn lu«n lu«n ph¶i tån t¹i mét

khe hë δ gi÷a phÇn chuyÓn ®éng (trôc quay) vµ phÇn cè ®Þnh. V× vËy kÕt cÊu

®iÓn h×nh ®Ó lµm kÝn æ trôc cña b¸nh l¨n trong m¸y nghiÒn ®øng b»ng ph−¬ng

ph¸p t¨ng ¸p sÏ cã hai d¹ng sau:

H×nh 3.2a. KÕt cÊu lµm kÝn æ trôc sö dông ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p

(Vµnh trong quay, vµnh ngoµi ®øng yªn)

H×nh 3.2b. KÕt cÊu lµm kÝn æ trôc sö dông ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p

(Vµnh ngoµi quay, vµnh trong ®øng yªn)

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

18

`

Khi ¸p suÊt bªn trong khoang æ lín h¬n ¸p suÊt bªn ngoµi, nghÜa lµ ®¶m

b¶o ®iÒu kiÖn c¬ b¶n cña ph−¬ng ph¸p lµm kÝn (3.1) th× t¹i khe hë gi÷a phÇn

chuyÓn ®éng vµ phÇn cè ®Þnh lu«n cã mét dßng khÝ (Q_δ) di chuyÓn tõ trong

khoang æ ra m«i tr−êng bªn ngoµi, dßng khÝ ®ã cã t¸c dông bÞt vµ ng¨n chÆn

khÝ bôi tõ ngoµi x©m nhËp vµo khoang æ. V× vËy tÝnh æn ®Þnh còng nh− c¸c

th«ng sè khÝ ®éng cña dßng khÝ lµm kÝn, ®Æc biÖt lµ dßng trong khe sÏ cã t¸c

®éng tíi kh¶ n¨ng vµ hiÖu qu¶ lµm kÝn æ. Do ®ã ngoµi viÖc ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn

c¬ b¶n cña ph−¬ng ph¸p lµm kÝn th× cÇn nghiªn cøu, ph©n tÝch c¸c ®iÒu kiÖn

®Ó ®¶m b¶o tÝnh æn ®Þnh cña dßng khÝ lµm kÝn, ®Æc biÖt lµ dßng khÝ trong khe

hë δ lµ kh«ng gian chuyÓn tiÕp gi÷a khoang æ vµ m«i tr−êng bªn ngoµi ®Ó

®¶m b¶o hiÖu qu¶ lµm kÝn cña hÖ thèng ®¹t møc tèi ®a.

Tõ s¬ ®å nguyªn lý, ®iÒu kiÖn chªnh ¸p vµ c¸c d¹ng kÕt cÊu ®iÓn h×nh

cña hÖ thèng lµm kÝn (h×nh 3.1, 3.2a vµ 3.2b), sau khi nghiªn cøu lý thuyÕt

thuû khÝ ®éng lùc, ¸p dông c¸c d¹ng bµi to¸n khÝ ®éng c¬ b¶n cho hÖ khÝ

®éng trong HTLK, ta cã nh÷ng nhËn xÐt vµ ph©n tÝch sau:

¾ Khi lµm viÖc, phÇn æ trôc quay, vµnh lµm kÝn l¾p trªn æ quay theo, vµnh

lµm kÝn l¾p trªn phÇn cè ®Þnh sÏ ®øng yªn. Dßng khÝ ®−îc hót tõ qu¹t (hoÆc

hÖ thèng khÝ nÐn) qua hÖ thèng èng dÉn vµo khoang khÝ, theo c¸c lç khoan

th«ng trªn moay ¬ vµ trong trôc ®iÒn ®Çy c¸c khoang trèng trong æ; dßng

khÝ còng qua c¸c lç khoan th«ng trªn v¸ch ®i vµo khe hë δ (h×nh 3.2). Khi

®iÒu kiÖn chªnh ¸p ®−îc ®¶m b¶o, dßng khÝ sÏ qua khe hë ra ngoµi vµ bôi

sÏ kh«ng thÓ x©m nhËp ®−îc vµo trong khoang æ. Víi kÕt cÊu nh− vËy, hÖ

thèng lµm kÝn lµ hÖ thèng ®−êng èng hë vµ dßng trong khe hë sÏ lµ dßng

ch¶y cña chÊt lßng gi÷a hai h×nh trô ®ång t©m vµ quay t−¬ng ®èi víi nhau.

Theo tµi liÖu [4] trang 147 t¹i miÖng thæi (®Çu ra khe hë δ) cña hÖ thèng

®−êng èng hë cã ¸p suÊt tÜnh b»ng 0, ¸p suÊt toµn phÇn cña dßng khÝ b»ng

¸p suÊt ®éng.

KÕt hîp víi (3.1), cã:

v_T²_B

p_δ≈ p^®=

γ _KK> p_MT

(3.2)

δ

2g

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

19

`

Trong ®ã γ_KKlµ träng l−îng riªng cña kh«ng khÝ. NÕu biÕt ¸p suÊt m«i

tr−êng bªn ngoµi æ, ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc vËn tèc trung b×nh cña dßng khÝ

trong khe qua c«ng thøc:

2gp_MT

v_TB>

m/s

(3.3)

γ _KK

Dßng khÝ qua khe hë δ lµ dßng ch¶y cña chÊt láng gi÷a hai h×nh trô

mÆt c¾t khe hë ®−îc x¸c ®Þnh theo (2.9)

Ω₂R₂²− Ω₁R₁²

R₂²− R₁²

(Ω₁− Ω₂)R₁²R₂²

R₂²− R₁²

1

r +

v =

r

Hay cã thÓ viÕt thµnh:

Ω₂R₂²− Ω₁R₁²

δ (R₂+ R₁)

(Ω₁− Ω₂)R₁²R₂²

δ (R₂+ R₁)

1

r +

v =

(3.4)

r

vµ quay t−¬ng ®èi víi nhau phô thuéc c¸c ®¹i l−îng: tèc ®é quay cña c¸c

h×nh trô Ω₁, Ω₂; b¸n kÝnh c¸c h×nh trô R₁, R₂; ®é lín cña khe hë δ.

KÕt hîp víi (3.3) cã:

Ω₂R₂²− Ω₁R₁²

δ (R₂+ R₁)

(Ω₁− Ω₂)R₁²R₂²

δ (R₂+ R₁)

1

2gp_MT

r +

>

(3.5)

r

γ _KK

NÕu biÕt b¸n kÝnh cña mét trong hai h×nh trô (gi¶ sö biÕt R₁) vµ tèc ®é

R₂+ R

quay cña chóng, víi khe hë δ rÊt nhá (δ = R₂– R₁<< R =

¹), chuyÓn

2

®éng cña chÊt láng gi÷a hai h×nh trô quay ®−îc coi lµ chuyÓn ®éng cña chÊt

láng gi÷a hai mÆt ph¼ng song song chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi nhau, lóc ®ã

R₂+ R

vËn tèc trung b×nh cña dßng ch¶y ®¹t ®−îc t¹i r =

¹. Thay vµo (3.5) ta

2

sÏ ®−îc mét bÊt ®¼ng thøc bËc ba víi Èn lµ R₂. VÒ nguyªn t¾c ta cã thÓ x¸c

®Þnh ®−îc R₂(cã nghÜa lµ x¸c ®Þnh ®−îc khe hë δ) b»ng c¸ch gi¶i bÊt ®¼ng

thøc nãi trªn. Tuy nhiªn viÖc gi¶i bÊt ®¼ng thøc kh¸ phøc t¹p vµ chØ x¸c

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

20

`

®Þnh ®−îc mét kho¶ng c¸c gi¸ trÞ nµo ®ã cña δ chø kh«ng ph¶i lµ mét gi¸

trÞ cô thÓ.

thấy dßng ch¶y trong khe gi÷a hai h×nh trô quay cã d¹ng h×nh pháng

xuyÕn, gäi lµ nh÷ng xo¸y Taylor ®−îc xÕp ®Òu ®Æn däc theo chiÒu dµi khe

Ω₁R₁²

Ω₂R₂²

hë (Xem h×nh 3.3) vµ ®¹i l−îng gi÷ vai trß hÖ sè Reynold:

hay

v

x¸c ®Þnh “lo¹i chuyyÓn ®éng” của dßng chất lỏng víi c¸c gi¸ trÞ ®· cho cña

R₁

R₂

Ω₁

Ω₂

c¸c tû sè

vµ

.

H×nh 3.3. H×nh chiÕu ®−êng dßng ch¶y trong khe hë gi÷a hai h×nh trô quay

cïng chiÒu nhau (theo mÆt ph¼ng kinh tuyÕn cña c¸c h×nh trô)

TÝnh æn ®Þnh cña dßng ch¶y trong khe phô thuéc vµo gi¸ trÞ cña tû

Ω₂R₂²

Ω₁R₁²

Ω₂R₂²

Ω₁R₁²

sè

(xem h×nh 3.4). Khi

>1 (hay Ω₂R₂²> Ω₁R₁²) th× dßng trong

Ω₂R₂²

Ω₁R₁²

Ω₂R₂²< Ω₁R₁²

) vµ víi

khe lu«n lµ dßng æn ®Þnh, ng−îc l¹i khi

<1 (hay

sù t¨ng ®ñ lín cña sè Reynold bao giê dßng trong khe còng lµ dßng kh«ng

Ω₂R₂²= Ω₁R₁²

æn ®Þnh. §−êng th¼ng

miÒn æn ®Þnh vµ kh«ng æn ®Þnh cña dßng chÊt láng trong khe hë gi÷a hai

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

21

`

H×nh 3.4. TÝnh æn ®Þnh cña dßng ch¶y trong khe hë gi÷a hai h×nh trô quay

a. MiÒn g¹ch g¹ch lµ miÒn cã dßng æn ®Þnh

b. MiÒn kh«ng g¹ch lµ miÒn cã dßng kh«ng æn ®Þnh.

R₂+ R

Tr−êng hîp giíi h¹n khi δ→ 0 (δ = R₂– R₁<< R =

¹, chuyÓn

2

®éng cña chÊt láng gi÷a hai h×nh trô quay lµ chuyÓn ®éng cña chÊt láng

gi÷a hai mÆt ph¼ng song song chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi nhau. ChuyÓn

®éng nµy lµ æn ®Þnh víi mäi trÞ sè cña sè Re = δu/v (u lµ vËn tèc t−¬ng ®èi

cña c¸c mÆt ph¼ng). Nh− vËy dßng khÝ trong khe æn ®Þnh víi mäi trÞ sè Re

1

(R + R )

khi khe hë δ→ 0 hay khi khe hë δ cµng nhá (δ << R =

th× dßng

1

2

trong khe cµng æn ®Þnh. Nãi c¸ch kh¸c nÕu D = 2R cµng lín th× th× dßng

chÊt láng trong khe sÏ cµng dễ æn ®Þnh v× khi D lín th× gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña

1

(R + R )

δ cã thÓ t¨ng lªn mµ vÉn ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn δ << R =

.

1

2

Tõ ®å thÞ h×nh 3.4, xÐt víi tr−êng hîp c¬ cÊu lµm kÝn theo kiÓu h×nh

3.2a, vµnh trong quay víi tèc ®é Ω₁, vµnh ngoµi ®øng yªn Ω₂= 0. Lóc nµy

Ω₂R₂²

tû sè

= 0 <1 nªn dßng trong khe lu«n lµ dßng kh«ng æn ®Þnh. Ng−îc

Ω₁R₁²

l¹i ttr−êng hîp c¬ cÊu lµm kÝn theo kiÓu h×nh 3.2b, vµnh ngoµi quay víi tèc

Ω₂R₂²

Ω₁R₁²

®é Ω₂, vµnh trong ®øng yªn Ω₁= 0. Tr−êng hîp nµy tû sè

→∞ >1

nªn dßng trong khe lu«n lµ dßng æn ®Þnh.

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

22

`

Ngoµi ®iÒu kiÖn ®¶m b¶o c¬ b¶n cña ph−¬ng ph¸p lµm kÝn b»ng t¨ng

¸p, cã nghÜa lµ cã sù chªnh ¸p suÊt gi÷a khoang æ vµ m«i tr−êng bªn ngoµi

(®iÒu kiÖn 3.1), tÝnh æn ®Þnh cña dßng khÝ trong khe hë quyÕt ®Þnh tÝnh æn

®Þnh cña ph−¬ng ph¸p lµm kÝn hay lµ quyÕt ®Þnh chÊt l−îng vµ hiÖu qu¶

lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p.

§Ó ®¶m dßng trong khe hë æn ®Þnh th× chiÒu réng khe hë ph¶i rÊt nhá

so vãi b¸n kÝnh trung b×nh. VËy cÇn chän ®−êng kÝnh trung b×nh D = 2R lµ

lín ®Ó ®¶m b¶o khe hë lu«n rÊt nhá t−¬ng ®èi so víi D.

dßng khÝ sÏ ¶nh h−ëng tíi chÊt l−îng vµ hiÖu qu¶ lµm kÝn. Khi dßng khÝ

trong khe æn ®Þnh, vËn tèc dßng khÝ æn ®Þnh, kh¶ n¨ng lµm kÝn cña hÖ

3.2b th× víi mäi gi¸ trÞ δ vµ trÞ sè Reynold, dßng trong khe hë lu«n lµ dßng

æn ®Þnh. Cßn theo kÕt cÊu h×nh 3.2a, dßng trong khe chØ æn ®Þnh víi c¸c gi¸

1

(R₁+ R₂)

trÞ δ ®ñ nhá (δ << R =

vµ víi trÞ sè Reynold ®ñ lín. Tuy nhiªn

2

xÐt toµn hÖ thèng th× kÕt cÊu nh− h×nh 3.2a gän h¬n, dßng ch¶y thuËn h¬n,

kh«ng bÞ ®æi h−íng nh− kÕt cÊu h×nh 3.2b, thªm vµo ®ã gi¸ trÞ δ còng

kh«ng nªn chän qu¸ lín ®Ó ®¶m b¶o tÝnh æn ®Þnh cña dßng khÝ trong khe;

nªn tuú thuéc vµo gi¸ trÞ cô thÓ cña b¸n kÝnh trung b×nh R cña hai h×nh trô

quay mµ chän kiÓu kÕt cÊu vµ gi¸ trÞ cña khe hë δ.

¾ Theo tµi liÖu [3] trang 87, l−u l−îng cña dßng khÝ qua khe hÑp gi÷a c¸c

h×nh trô ®−îc tÝnh theo c«ng thøc :

πDδ ³

∆p_δ

Q_δ=

(3.5)

(3.6)

12µ

l

12µlQ_δ

πDδ ³

Suy ra :

∆p_δ=

1

Víi: D = 2R = (D₁+ D₂) vµ δ = (D₂− D₁)

2

Ta biÕt:

Q_δ= F_δv_TB= πDδv_TB

(3.7)

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

23

`

12µlv_TB

VËy:

∆p_δ=

(3.8)

δ ²

Nh− vËy tæn thÊt ¸p suÊt trong khe hÑp tû lÖ nghÞch víi luü thõa bËc

hai chiÒu réng khe hÑp, tû lÖ thuËn víi ®é nhít ®éng lùc, víi vËn tèc dßng

khÝ trong khe vµ víi chiÒu dµi khe hÑp.

C«ng thøc (3.8) lµ c«ng thøc tÝnh tæn thÊt ¸p suÊt cña dßng khÝ trong

dßng khÝ qua khe hë gi÷a hai h×nh trô quay, cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc gÇn

®óng tæn thÊt ¸p suÊt trong khe hë gi÷a hai h×nh trô quay.

§−êng kÝnh trung b×nh D t¨ng mµ δ kh«ng ®æi th× Q_δt¨ng, c«ng suÊt

®éng c¬ do ®ã còng t¨ng. §−êng kÝnh trung b×nh D phô thuéc vµo kÕt cÊu

nªn bÞ h¹n chÕ, khe hë δ l¹i kh«ng nªn chän qu¸ lín ®Ó ®¶m b¶o dßng

trong khe æn ®Þnh, nªn Q_δcòng kh«ng thÓ qu¸ lín. Nh− vËy nªn chän D₁

(hoÆc D₂) lín nhÊt cã thÓ ®Ó l−u l−îng dßng qua khe hë kh«ng qu¸ nhá.

1

(R + R )

Khi khe hë rÊt nhá δ = R₂- R₁<< R =

, chuyÓn ®éng cña

1

2

chÊt láng gi÷a hai mÆt trô quay cã thÓ coi nh− chuyÓn ®éng cña chÊt láng

gi÷a hai mÆt ph¼mg song song chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi nhau. Khi ®ã vËn

1

(R₁+ R₂)

tèc trung b×nh v_TBcña dßng khÝ ®¹t ®−îc t¹i gi÷a khe (khi r =

2

1

vµ ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (2.2) : v_TB= u víi u lµ vËn tèc chuyÓn

2

®éng t−¬ng ®èi cña hai mÆt ph¼ng. Trong truêng hîp nµy u = v₁= Ω₁R₁, do

1

®ã vËn tèc trung b×nh ®−îc tÝnh gÇn ®óng theo c«ng thøc: v_TB= Ω₁R₁.

2

Nh− vËy khi δ thay ®æi th× vËn tèc trung b×nh cña dßng khÝ thay ®æi nh−ng

kh«ng nhiÒu, trong khi ®ã tæn thÊt ¸p suÊt ∆p thay ®æi vµ phô thuéc vµo khe

hë δ theo hµm bËc hai. Theo (3.8) th× tæn thÊt ¸p suÊt phô thuéc δ theo d¹ng

®−êng cong hypecbol, khi δ → 0 th× ∆p_δ→ ∞ vµ δ → ∞ th× ∆p_δ→ 0.

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

24

`

H×nh 3.5. Sù phô thuéc cña tæn thÊt ¸p suÊt dßng khÝ vµo chiÒu réng

khe hë gi÷a hai h×nh trô quay

Nh×n vµo ®å thÞ h×nh 3.5, nhËn xÐt thÊy khi δ cµng nhá, sù thay ®æi nhá

cña δ sÏ lµm ∆p_δthay ®æi rÊt nhanh: ®−êng cong ∆p_δ(δ) cã ®é dèc lín, cßn

khi δ cµng lín th× khi δ thay ®æi ∆p_δthay ®æi nh−ng kh«ng nhiÒu b»ng khi

gi¸ trÞ δ nhá: ®−êng cong ∆p_δ(δ) cã ®é dèc nhá h¬n và møc ®é phô thuéc

2

cña ∆p_δvµo δ thay ®æi t¹i giá trị δ =1 mm (δ > 1 mm th× δ > δ, δ < 1 mm

2

th× δ < δ). VËy ®Ó tæn thÊt ¸p suÊt trong khe thay ®æi kh«ng râ rÖt khi δ

thay ®æi, nªn lÊy δ ≥ 1mm. Tuy nhiªn δ kh«ng thÓ qu¸ lín vì ph¶i ®¶m b¶o

1

(R + R )

®iÒu kiÖn δ = R₂- R₁<< R =

®Ó ®¶m b¶o dßng trong khe æn

1

2

®Þnh, gi¸ trÞ δ ®−îc coi lµ nhá hay kh«ng phô thuéc vµo ®−êng kÝnh trung

b×nh cña hai h×nh trô D, khi D lớn nªn lÊy δ lín nh−ng kh«ng nªn lín qu¸

1

D

®Ó vÉn ®¶m b¶o δ <<

, khi D nhá ph¶i chän δ nhá nh−ng kh«ng nªn lÊy

2

δ < 1mm (trong tr−êng hîp D rÊt nhá chän δ < 1mm nh−ng kh«ng nhiÒu).

lín, nh−ng nÕu qu¸ ng¾n, dßng trong khe sÏ kh«ng kÞp æn ®Þnh.

¾ Trong m¸y nghiÒn ®øng, t¹i khe hë δ cã sù chªnh lÖch nång ®é bôi vµ nhiÖt

®é gi÷a khoang bªn trong æ vµ m«i tr−êng bªn ngoµi nªn xuÊt hiÖn gradien

nhiÖt ®é vµ gradien nång ®é, v× thÕ sÏ xuÊt hiÖn dßng khuÕch t¸n qua khe

hë. Trong m¸y nghiÒn ®øng, m«i tr−êng bªn ngoµi æ chÝnh lµ buång nghiÒn

nªn cã rÊt nhiÒu c¸c h¹t s¶n phÈm l¬ löng, nªn cã kh¶ n¨ng c¸c h¹t bôi sÏ

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

25

`

khuÕch t¸n qua khe hë δ b»ng viÖc thùc hiÖn c¸c chuyÓn ®éng Brow (môc 6

ch−¬ng II). Khi s¶n phÈm ®Çu ra cµng mÞn th× kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña c¸c

h¹t bôi l¬ löng trong buång nghiÒn cµng cao do hÖ sè khuÕch t¸n phô thuéc

T

vµo nhiÖt ®é, vµo ®é linh ®éng cña c¸c h¹t bôi theo c«ng thøc D =

6πµR

1

3

1

T(

+

®èi víi c¸c h¹t bôi cã d¹ng h×nh cÇu vµ D =

) ®èi víi h¹t

a₁a₂a₃

®iÒu kiÖn c¬ b¶n (chªnh ¸p) cña ph−¬ng ph¸p lµm kÝn ®−îc ®¶m b¶o vµ

nhËp ®−îc vµo khoang æ do hiÖn t−îng khuÕch t¸n. V× vËy cÇn kÕt hîp lµm

kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p víi lµm kÝn b»ng vßng bÝt cao su ®Ó ®¶m b¶o

tèi ®a hiÖu qu¶ lµm kÝn. §ång thêi cÇn xem xÐt chän l−u l−îng dßng khÝ

qua khoang æ phï hîp ®Ó dßng khÝ l−u th«ng trong khoang æ lµm gi¶m

®−îc nhiÖt ®é trong khoang gióp cho c¸c vßng bÝt còng nh− chÊt b«i tr¬n æ

l©u háng.

¾ PhÇn trªn ta ®ang xÐt dßng ch¶y qua khe hë gi÷a hai h×nh trô quay cã trôc

trôc bÞ biÕn d¹ng cong mét l−îng f, ngoµi ra cßn do sai sè trong chÕ t¹o vµ

l¾p r¸p nªn th−êng khe hë δ ≠ const theo c¶ hai chiÒu trªn. ViÖc gi¶i bµi

to¸n vÒ chuyÓn ®éng cña chÊt láng nhít trong khe hë gi÷a hai h×nh trô

nh− sau:

d¹ng cña æ trôc khi chÞu t¶i), th× theo chu vi h×nh trô t¹i mÆt c¾t ra cña khe

®ã theo chu vi h×nh trô vµ t¹i mÆt c¾t ra khe hë sÏ thay ®æi trong kho¶ng:

δ_min≤ δ ≤ δ_max, trong ®ã gi¸ trÞ: δ_max= δ + f vµ δ_min= δ - f (xem h×nh 3.5).

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

26

`

Cßn theo chiÒu däc trôc, thùc tÕ khe hë δ ≠ const, nh−ng víi chiÒu dµi khe

®æi theo chiÒu däc trôc.

Theo (2.9) th× khi δ = R₂- R₁cµng lín (víi R₁x¸c ®Þnh) th× tèc ®é dßng

qua khe sÏ gi¶m ®i nh−ng kh«ng ®¸ng kÓ, nh− vËy t¹i phÇn khe hë δ _{L max}

vËn tèc cña dßng sÏ nhá nhÊt, cã nghÜa lµ ¸p suÊt toµn phÇn trong khe sÏ

nhá nhÊt t¹i miÒn cã khe hë max. Nh− vËy nÕu ®iÒu kiÖn chªnh ¸p t¹i phÇn

khe hë δ _{L max}®¶m b¶o th× trªn toµn bé khe hë δ ≠ const ®iÒu kiÖn nµy còng

®−îc ®¶m b¶o.

Do lu«n ph¶i tån t¹i khe hë gi÷a phÇn quay vµ phÇn cè ®Þnh trong c¬

cÊu lµm kÝn æ nªn:

δ_{L min}> 0

hay

δ > f

(3.9)

§iÒu kiÖn (3.9)gäi lµ ®iÒu kiÖn ®¶m b¶o khe hë biÕn d¹ng trong HTLK.

Trong c¸c thiÕt bÞ nghiÒn, ®Ó ®¶m b¶o kh¶ n¨ng lµm viÖc d−íi ¸p lùc cao,

®é cøng c¸c trôc cña b¸nh nghiÒn rÊt lín nªn nãi chung ®é biÕn d¹ng f nhá,

1

(R + R )

do ®ã víi δ > f vÉn ®¶m b¶o lµ khe hë hÑp δ << R =

.

1

2

H×nh 3.5. Khe hë δ trong

tr−êng hîp trôc bÞ biÕn d¹ng

Theo tµi liÖu [3] trang 87, l−u l−îng dßng ch¶y trong khe hë gi÷a hai

TBT_TTCK&T§H

§Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN

27