Giáo trình: Thủy khí Máy thủy khí Biên soạn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành Mơn học: THỦY LỰC KHÍ NÉN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PHẠM VĂN VĨNH, Cơ học chất lỏng ứng dụng, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội 2001 [2] NGUYỄN TÀI, Thủy lực, tâp1, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội 1998 [3] HOÀNG VĂN QUÝ, NGUYỄN CẢNH CẦM, Bài tập Thủy lực, tập 1, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội 2005 [4] NGUYỄN TÀI, LÊ BÁ SƠN Thủy lực, tập 2, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội 1999 [5] NGUYỄN CẢNH CẦM, LƯU CƠNG ĐÀO, NGUYỄN NHƯ KH, HỒNG VĂN Q, Bài tập Thủy lực, tập 2, Nhà xuất Xây dựng, hà Nội 1995 [6] NGUYỄN PHƯỚC HOÀNG, PHẠM ĐỨC NHUẬN, NGUYỄN THẠC TÂN, ĐINH NGỌC ÁI, ĐẶNG HUY CHI, Thủy lực máy thủy lực, Nhà xuất Giáo dục 1996 [7] LÊ XN HỊA, NGUYỄN THỊ NGỌC BÍCH, Lý thuyết thực hành bơm quạt, máy nén Nhà xuất Đà Nẵng, 2005 Bộ mơn CNCK Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường CĐCN Giáo trình: Thủy khí Máy thủy khí Biên soạn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ MÔN HỌC Đối tượng: Đối tượng nghiên cứu mơn học thủy lực khí nén chất chảy Chất chảy bao gồm chất lỏng như: nước, dầu, cồn… chất khí Kim loại nấu chảy, hỗn hợp chất lỏng với chất cứng (bùn đất)… đối tượng môn học Nhiệm vụ: Nghiên cứu qui luật cân chuyển động chất lỏng chất khí, ứng dụng qui luật vào thực tế 1.2 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CHẤT CHẢY ĐƯỢC 1.2.1 Tính chất chung Chất lỏng: - Tính di động cao (làm cho khơng có hình dạng riêng) - Tính chống lực kéo lực cắt (hầu khơng chống được) - Tính chống nén lớn, coi khơng nén Chất khí: - Tính di động cao (làm cho khơng có hình dạng riêng) - Tính chống lực kéo lực cắt (hầu không chống được) - Tính chịu nén lớn: thể tích chất khí thay đổi nhiều áp suất thay đổi 1.2.2 Khối lượng trọng lượng a Khối lượng riêng Khối lượng riêng chất chảy khối lượng chất chảy được đặc trưng khối lượng đơn vị thể tích, cịn gọi khối lượng đơn vị :  m V kg/m3 H O  1000 kg/m3 m-Khối lượng chất lỏng chứa thể tích V đo kilơgam V-Thể tích chất lỏng có khối lượng m, đo mét khối (m3) b Trọng lượng riêng Trọng lượng riêng chất lỏng trọng lượng chất lỏng đặc trưng trọng lượng đơn vị thể tích, cịn gọi trọng lượng đơn vị   N/m3 G V  H O  9810 N/m3 G-Trọng lượng chất lỏng chứa thể tích V đo Niutơn V-Thể tích chất lỏng có trọng lượng G, đo mét khối m3 c Quan hệ khối lượng riêng trọng lượng riêng   .g g-Gia tốc lực hút trái đất (gia tốc trọng trường m/s2): Trị số chuẩn g = 9,80665m/s2 Lấy gần g = 9,81m/s2 Bộ mơn CNCK Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường CĐCN Giáo trình: Thủy khí Máy thủy khí Biên soạn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành d Tỷ trọng, tỷ khối Tỷ trọng chất lỏng: tỷ số trọng lượng riêng chất lỏng trọng lượng riêng nước nhiệt độ 40C Tỷ trọng chất khí: tỷ số trọng lượng riêng chất khí trọng lượng riêng khơng khí tiêu chuẩn điều kiện 00C 760mmHg Tỷ khối định nghĩa tương tự Tên chất lỏng Tỷ trọng, tỷ khối  Nước cất, nước thường TL riêng  (N/m3) Nhiệt độ (0C) 1,00 9810 Nước biển 1,02-1,03 10000-10100 Dầu mỏ nhẹ 0,86-0,88 8440-8640 15 Dầu mỏ trung 0,88-0,90 8640-8830 15 Dầu mỏ nặng 0,92-0,93 9030-9120 15 Dầu hỏa 0,79- 0,82 7750-8040 15 Xăng máy bay 0,65 6380 15 Xăng thường 0,70-0,75 6870-7360 15 Dầu nhờn 0,89-0,92 8730-9030 15 Dầu mazút 8,89-0,94 8730-9030 15 Hác ín 0,89-0,94 8730-9220 15 Cồn không nước 0,79-0,80 7750-7850 15 1,26 12365 17,5 13,546 132890 20 Glixerin Thủy ngân 1.3 TÍNH THAY ĐỔI THỂ TÍCH THEO ÁP SUẤT HOẶC NHIỆT ĐỘ 1.3.1 Tính thay đổi thể tích theo áp suất Tính thay đổi thể tích theo áp suất (cịn đựoc gọi tính nén được) tính thay đổi thể tích chất lỏng áp suất tác dụng lên chất lỏng thay đổi; đặc trưng hệ số nén p p   V V p (m2/N) V- thể tích ban đầu chất lỏng, đo m3 V- lượng thay đổi thể tích, đo m3 p- lượng thay đổi áp suất, đo N/m2 Vì V  nên đặt dấu – để p >0 p Số nghịch đảo p mơđun đàn hồi thể tích E E p (N/m2) Vì thay đổi thể tích chất lỏng theo áp suất bé nên thường coi chất lỏng khơng nén Cịn chất khí chịu nén tốt Bộ mơn CNCK Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường CĐCN Giáo trình: Thủy khí Máy thủy khí Biên soạn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành 1.3.2 Tính thay đổi thể tích theo nhiệt độ Thay đổi thể tích theo nhiệt độ sử dụng hệ số dãn nở nhiệt t để biểu thị biến đổi tương đối thể tích chất lỏng V ứng với tăng nhiệt độ t lên 10 C: t  V V t (1/0t) Thực nghiệm chứng tỏ điều kiện áp suất khơng khí bình thường, với t = 10 C có  = 14.10-5(1/0t) với t = 10 - 200C có  = 15.10-5(1/0t) Như vậy, thủy lực chất lỏng coi khơng co dãn tác dụng thay đổi nhiệt độ, cịn khí động lực học ngược lại 1.4 TÍNH NHỚT Định nghĩa Niutơn tính nhớt: Hình 1.1 Ma sát cản trở chuyển động chất lỏng "Đặc tính chất lỏng gây lực ma sát gọi tính nhớt lực ma sát gọi lực nhớt, làm cản trở chuyển động tiêu hao phần lượng tiềm tàng chất lỏng" Định nghĩa Niutơn về lực nhớt thể biểu thức toán học tổng quát: T  .S du dn T- lực nhớt (N) S- diện tích tiếp xúc hai lớp chất lỏng xảy tượng nội ma sát (m2) du - Građiên vận tốc theo phương n thẳng góc với hướng dịng chảy dn  -hệ số nhớt động lực hay gọi độ nhớt động lực Phần lớn chất lỏng gặp thực tế tuân theo định luật Niutơn gọi chất lỏng Niutơn Ngồi cịn có "chất lỏng khơng Niutơn" chất lỏng khơng tính lực nhớt theo giả thiết như: hồ, sơn, chất dẻo 1.4.1 Hệ số nhớt động lực học Hệ số nhớt động lực  hay gọi độ nhớt động lực, thường dùng biểu thức liên quan đến lực Từ công thức lực nhớt: Bộ môn CNCK Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường CĐCN Giáo trình: Thủy khí Máy thủy khí Biên soạn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành T  .S du suy   dn T du S dn Đơn vị đo  N.s/m2 poazơ kí hiệu p 1p = N.s / m 10 Thí nghiệm lực nhớt (thí nghiệm Kuet) Khi cho bình ngồi quay với vận tốc ω thấy bình có xu hướng quay chiều Muốn giữ bình đứng yên phải tạo ngẫu lực C ngược chiều quay ω khe hở e hai hình trụ bé so với bán kính r nên coi hai thành bình trụ trịn hai thành phẳng A, B cách khoảng e Thành A di động song song với B cố định Hình 1.2 Thí nghiệm Kuet Diện tích A S = 2πrh, vận tốc v = ωr Thành B cố định chịu lực F song song với A: lực ma sát dầu chứa khe hở e gây dầu bám vào thành A bị kéo theo A Chừng vận tốc quay ω bé vận tốc quay giới hạn ωgh thí nghiệm cho thấy F tỷ lệ với F S.v Có thể viết: e S.v e μ- hệ số nhớt động lực du So sánh với công thức Niutơn, ta thấy v građiên vận tốc Trong thí e dn nghiệm Kuét građiên đo nhờ ngẫu lực C: v C  r.F  r.S  e v  r S  2rh Tính ra:   Ce 2r 3h 1.4.2 Hệ số nhớt động học Hệ số nhớt động  (nuy) hay gọi độ nhớt động, thường dùng biểu thức liên quan đến chuyển động Bộ mơn CNCK Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường CĐCN Giáo trình: Thủy khí Máy thủy khí Biên soạn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành    Đơn vị đo m2/s stốc (ký hiệu St) 1St = 1cm2/s = 10-4m2/s Đơn vị stốc lớn nên thường dùng đơn vị centistốc (cSt) 1cSt= St =1mm2/s 100 Độ nhớt động số dầu bôi trơn thường ghi kèm theo mác dầu Ví dụ dầu Liên Xô: - AK15 dầu bôi trơn dùng cho tơ máy kéo có độ nhớt động 50 = 15cSt nhiệt độ 500C - MC20 dầu bơi trơn dùng cho máy bay có độ nhớt động 100 = 20cSt nhiệt độ 100 C - Dầu cơng nghiệp 12 có độ nhớt động 50 = 12cSt nhiệt độ 500C - Dầu công nghiệp 50 có độ nhớt động 50 = 50cSt nhiệt độ 500C Ngồi đơn vị stốc độ nhớt động cịn đo đơn vị khác: Tên đơn vị Ký hiệu Độ Engơle (Liên xô) Giây Xêbôn (Mỹ) "S Giấy Ređut (Anh) "R Độ Bacbê (Pháp) E B Trị số tính St (cm2/s) 0,0631 E 1,80 0,00220"S  "S 1,72 0,00260" R  "R 48,5 "B 0,07310 E  Trong thí nghiệm hay dùng dụng cụ đo độ nhớt Engơle (0E) để đo độ nhớt loại chất lỏng có độ nhớt lớn nước Độ nhớt Engơle xác định nhơ sau: E t2 t1 t1 - thời gian chảy hết 200cm3 nước t2 - thời gian chảy hết 200cm3 chất lỏng cần xác định độ nhớt Công thức thực nghiệm chuyển thành Stốc sau:   0,07310 E  0,0631 E (St) Bộ mơn CNCK Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường CĐCN Hình 1.3 Thí nghiệm đo độ nhớt Engơle Giáo trình: Thủy khí Máy thủy khí Biên soạn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành 1.4.3 Độ nhớt dầu thực tế Cách phân loại dầu động Độ nhớt đóng vai trị quan trọng tính chất loại dầu động Nếu đánh giá theo độ nhớt SAE, dầu có chữ "W" loại đa cấp, dùng tất mùa Khi phân loại theo tính API, ký tự sau chữ "S" hay "C" có thứ tự lớn Hình 1.4 Ký hiệu loại dầu nhờn bảng chữ tốt "10W-30" Castrol bán Mỹ Thay dầu thói quen cần có hầu hết người ôtô, xe máy Tuy nhiên, tất người hiểu cặn kẽ tính năng, thơng số ghi sản phẩm Điển chữ “W” ký hiệu SEA 10W40 ghi loại dầu nhớt thường nghĩ “Weight”, thực tế dùng để từ “Winter” Tác dụng tính chất dầu nhờn Trong động cơ, dầu nhờn có nhiều tác dụng giảm ma sát hai phận tiếp xúc trực tiếp với nhau, giải nhiệt làm mát, làm kín, chống ăn mịn Tuy nhiên, tác dụng giảm ma sát nên độ nhớt tiêu có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng sản phẩm dầu nhờn thương mại Độ nhớt dầu thay đổi theo nhiệt độ Khi nhiệt độ cao, độ nhớt giảm ngược lại Dầu có độ nhớt thấp dễ di chuyển so với dầu có độ nhớt cao Ngồi ra, trọng lượng phân tử cấu thành nên dầu nhờn có liên quan trực tiếp đến độ nhớt nên người ta thường gọi thành dầu nặng hay dầu nhẹ Dầu nhẹ dùng để loại có độ nhớt thấp, dầu nặng dầu có độ nhớt cao Phân loại dầu nhờn theo độ nhớt Ở phương pháp phân loại theo độ nhớt, nhà sản xuất dầu nhớt thống dùng cách phân loại Hiệp hội kỹ sư ôtô Mỹ SAE (Society of Automotive Engineers) Các phân loại SAE tùy thuộc vào sản phẩm dầu đơn cấp hay đa cấp Dầu đa cấp có độ nhớt thỏa mãn nhiều điều kiện nhiệt độ khác dầu đơn cấp đáp ứng nhiệt độ Hệ thống phân loại SAE phức tạp, liên quan tới nhiều khái niệm khác Tuy nhiên, yếu tố Đối với dầu đa cấp, sau chữ SAE tiền tố 5W, 10W hay 15W, 20W Những số đứng trước chữ "W" dùng để khoảng nhiệt độ mà loại dầu động có độ nhớt đủ để khởi động xe lúc lạnh Để xác định nhiệt độ khởi động theo ký tự này, bạn cần lấy 30 trừ số theo nhiệt độ âm Ví dụ, dầu 10W khởi động tốt âm 20 độ C, dầu 15W khởi động tốt âm 15 độ C Các loại dầu động nước hàn đới thường loại 5W, 10W, 15W đa số sản phẩm Việt Nam loại 15W hay 20W Mặc dù khơng có ý nghĩa quan trọng khởi động thời tiết Việt Nam thường khơng q lạnh, để đạt yêu cầu khởi động lạnh, nhà sản xuất phải thêm vào chất phụ gia nên dầu có số nhỏ đắt Loại 15W 20W có mức giá trung bình nên hãng dầu nhờn nhập sản xuất Việt Nam Bộ mơn CNCK Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường CĐCN Giáo trình: Thủy khí Máy thủy khí Biên soạn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành Đứng sau chữ "W" loại dầu đa cấp chữ 40, 50 60 Đây ký tự dùng để khoảng độ nhớt 100 độ C loại dầu nhờn Thông thường, số to độ nhớt lớn ngược lại Ví dụ, với xe hoạt động không khắc nghiệt động ôtô chẳng hạn, số khoảng 30, 40 50 đủ Với động hoạt động vùng nhiệt độ cao, số phải cao hơn, khoảng 60 Do thay đổi nhiệt độ nên tùy thuộc mùa mà người ta dùng loại 40 50 Trong mùa đông, trời lạnh, nhiệt độ động thấp nên cần dùng loại nhỏ 30, 40 Ở mùa hè, nhiệt độ động cao nên dùng loại 50 Do đặc tính dầu đa cấp nên người ta thường gọi "dầu bốn mùa" Khi có chữ "W", khách hàng hiểu dùng cho mùa đơng mùa hè Ngoài loại đa cấp, nhiều nhà sản xuất cho loại dầu đơn cấp có ký hiệu SAE 40, SEA 50 Loại dầu thường dùng cho loại động kỳ, máy nông nghiệp, công nghiệp Phân loại dầu theo tính Khi phân loại theo tiêu chuẩn này, nhà sản xuất lại thống phân theo tiêu chuẩn Viện dầu mỏ Mỹ API (American Petroleum Institute) API phân theo cấp S (Service) dùng để dành cho dầu đổ vào động xăng C (Commercial) cho động diesel Hiện tại, với động xăng, API phân nhiều loại với thứ tự tiến dần từ SA, SB, SC tới SM Đối với động diesel, API chia thành CA, CD, CC tới CG, CH CI Càng sau, chất lượng sản phẩm tốt nhà sản xuất phải thêm vào chất phụ gia đặc biệt để thích nghi với công nghệ động 1.4.4 Ảnh hưởng nhiệt độ áp suất độ nhớt Hình 1.5 Ảnh hưởng nhiệt độ áp suất độ nhớt Bộ mơn CNCK Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường CĐCN Giáo trình: Thủy khí Máy thủy khí Biên soạn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành Các hệ số nhớt   biến thiên theo nhiệt độ áp suất Đối với chất lỏng,   đồng biến với áp suất, nghịch biến với nhiệt độ Nhưng nhiệt độ ảnh hưởng lớn khu vực nhiệt độ thấp áp suất ảnh hưởng mạnh khu vực áp suất cao Trong công nghiệp thường lấy độ nhớt nhiệt độ 500C làm chuẩn Cần ý đến tượng chọn dầu bôi trơn cho máy chọn chất lỏng công tác cho hệ thống truyền động thủy lực máy công cụ ô tô, máy bay, cấu điều chỉnh tự động…Ví dụ, dầu bơi trơn,  tăng gấp áp suất tăng từ đến 300at tăng gấp 10 lần áp suất tăng từ đến 3000at Hiện tượng có ý nghĩa quan trọng, ổ trục áp suất dầu bơi trơn cục tăng vọt lên đến vài trăm atmơfe Hình 1.6 Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ nhớt loại chất lỏng Đối với chất khí nói chung ảnh hưởng áp suất nhiệt độ ngược lại so với chất lỏng: hệ số nhớt động đồng biến với nhiệt độ, nghịch biến với áp suất Hình 1.7 1.5 TÍNH BỐC HƠI VÀ ĐỘ HỊA TAN CỦA CHẤT KHÍ TRONG CHẤT LỎNG Bốc đặc trưng chất lỏng thành hạt, phụ thuộc vào loại chất lỏng áp suất, nhiệt độ…của mơi trường xung quanh Lượng khí hịa tan đơn vị thể tích chất lỏng phụ thuộc vào chất lỏng khác áp suất mơi trường: Bộ mơn CNCK Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường CĐCN Giáo trình: Thủy khí Máy thủy khí Biên soạn: ThS Nguyễn Lê Châu Thành VK p k Vn p1 Vn, VK = thể tích chất lỏng thể tích khí hịa tan điều kiện thường k - hệ số hòa tan (độ hòa tan) p1, p2 áp suất chất lỏng trước sau hào tan Độ hòa tan k 200C xăng dầu: 0,127; dầu biến là: 0,083 Trong trường hợp áp suất thấp, chất khí hịa tan bị tách khỏi chất mạnh, chất lỏng bị bốc nhiều "sôi" lên, gây tượng xâm thực làm hư hỏng hệ thống thủy lực, máy thủy lực 1.6 CHẤT LỎNG THỰC VÀ CHẤT LỎNG LÝ TƯỞNG Trong thiên nhiên lĩnh vực sản xuất, chất lỏng có tính chất vật lý trình bày đây, ta gọi chúng chất lỏng thực Nhưng để thuận tiện cho việc nghiên cứu, số trường hợp người ta dựa vào khái niệm chất lỏng lý tưởng Chất lỏng lý tưởng có tính chất sau: - Khơng có tính nhớt - Di động tuyệt đối - Hồn tồn khơng chống lực kéo lực cắt - Hồn tồn khơng nén Khi đem kết nghiên cứu với chất lỏng lý tưởng áp dụng cho chất lỏng thực, cần đưa vào hệ số sửa chữa sai lệch so với thực tế việc bỏ qua tính nhớt, tính nén gây 1.7 LỰC TÁC DỤNG LÊN CHẤT LỎNG 1.7.1 Lực bề mặt Lực bề mặt lực từ tác dụng lên phần tử chất lỏng qua mặt tiếp xúc, tỷ lệ với diện tích mặt tiếp xúc Ví dụ áp lực piston tác dung lên chất lỏng chứa xi lanh 1.7.2 Lực khối Lực khối lực tỷ lệ với khối lượng chất lỏng tác dụng lên phần tử chất lỏng Ví dụ: trọng lực, lực qn tính, lực điện từ Bộ mơn CNCK Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường CĐCN 10 ... 1,00 9810 Nước biển 1,0 2-1 ,03 1000 0-1 0100 Dầu mỏ nhẹ 0,8 6-0 ,88 844 0-8 640 15 Dầu mỏ trung 0,8 8-0 ,90 864 0-8 830 15 Dầu mỏ nặng 0,9 2-0 ,93 903 0-9 120 15 Dầu hỏa 0,7 9- 0,82 775 0-8 040 15 Xăng máy bay 0,65... 6380 15 Xăng thường 0,7 0-0 ,75 687 0-7 360 15 Dầu nhờn 0,8 9-0 ,92 873 0-9 030 15 Dầu mazút 8,8 9-0 ,94 873 0-9 030 15 Hác ín 0,8 9-0 ,94 873 0-9 220 15 Cồn không nước 0,7 9-0 ,80 775 0-7 850 15 1,26 12365 17,5... suất chân không A: pA = pB - .a pB = pC - tn.h pC = pa Vậy: pA = pa - tn.h - .a pckA= pa - pA pckA= tn.h+.a 2.5 BIỂU THỊ ÁP SUẤT CỘT CHẤT LỎNG - ĐỘ CAO ĐO ÁP - ĐỘ CAO CHÂN KHÔNG 2.5.1 Biểu