Ảnh hưởng số lá cánh đến cột áp và công suất tiêu thụ của máy bơm ly tâm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này nghiên cứu ảnh hưởng của số cánh đến thông số cột áp, công suất và hiệu suất của một bánh công tác bơm ly tâm bằng phương pháp mô phỏng số. Các thông số đặc tính của các bánh công tác có cùng đường kính đầu ra nhưng có số cánh khác nhau được đánh giá kỹ lưỡng

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ảnh hưởng số lá cánh đến cột áp và công suất tiêu thụ của máy bơm ly tâm

BÀI BÁO KHOA HỌC ẢNH HƯỞNG SỐ LÁ CÁNH ĐẾN CỘT ÁP VÀ CÔNG SUẤT TIÊU THỤ CỦA MÁY BƠM LY TÂM Trần Vũ Lâm1 Tóm tắt: Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của số cánh đến thông số cột áp, công suất và hiệu suất của một bánh công tác bơm ly tâm bằng phương pháp mô phỏng số. Các thông số đặc tính của các bánh công tác có cùng đường kính đầu ra nhưng có số cánh khác nhau được đánh giá kỹ lưỡng. Bánh công tác của máy bơm ly tâm với số cánh 5, 7 và 9 đã được lập mô hình và mô phỏng tính toán bằng phần mềm Ansys CFX sau đó tính toán các thông số cột áp, công suất và hiệu suất của bơm ở tốc độ quay 2610 vòng/phút, 2900 vòng/phút và 3480 vòng/phút. Khi tăng tốc độ quay, cột áp, công suất và hiệu suất của bơm ly tâm tăng lên. Từ khóa: Bơm ly tâm, bánh công tác, Ansys, số lá cánh. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * chất lỏng chảy ra khỏi bánh công tác tăng chính vì Bơm ly tâm được sử dụng rộng rãi để vận vậy cột áp động của bánh công tác cũng tăng lên. chuyển chất lỏng ở khoảng cách ngắn đến trung Động năng của chất lỏng được chuyển hóa thành bình thông qua hệ thống đường ống đến nơi yêu áp suất trong vỏ xoắn ốc và trong bộ khuếch tán cầu. Máy bơm ly tâm cung cấp năng lượng hữu (Ayad, Abdalla, and Abo El-Azm 2015). Ivan ích cho chất lỏng chủ yếu thông qua sự thay đổi Pavlenko và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc khi chất lỏng chảy qua bánh công tác. Cột của việc cắt bớt bánh công tác (cắt bớt đường kính áp và hiệu suất của máy bơm bị ảnh hưởng bởi số ngoài của bánh công tác) đến hiệu suất của máy lá cánh bánh công tác, đây là một trong những bơm ly tâm bằng CFD (Pavlenko et al. 2023). thông số thiết kế quan trọng nhất của máy bơm. Nghiên cứu này chỉ ra rằng khi cắt bớt bánh công Phân tích động lực học chất lỏng tính toán tác từ đường kính ngoài vào 14-16.5 mm thì cột (Computational fluid dynamics - CFD) rất hữu ích áp tăng mạnh nhưng chất lượng thủy lực của bánh để dự đoán đặc tính của bơm ở các điều kiện làm công tác giảm xuống nhanh. Yuxing Bai và cộng việc khác nhau. Với sự phát triển nhanh chóng của sự phân tích rằng có một số lượng tối ưu các cánh công nghệ máy tính, mô phỏng số đã trở thành trong bộ khuếch tán dạng cánh sẽ mang lại khả một công cụ quan trọng để nghiên cứu trường năng phục hồi áp suất tĩnh tối đa trong các máy dòng chảy trong máy bơm và dự đoán hiệu suất bơm cứu hộ (Bai et al. 2017). E.C Bacharoudis đã của máy bơm. dự đoán mô hình dòng chảy và sự phân bố áp suất Các nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng trong máng dẫn giữa các lá cánh bánh công tác số cũng như phương pháp thực nghiệm đã được (Bacharoudis et al. 2008). Ảnh hưởng của góc tiến hành để cải tiến các thông số kỹ thuật cũng lưỡi buồng xoắn đến hiệu suất được xác minh như tuổi thọ của máy bơm ly tâm. Ayad và cộng bằng mô phỏng CFD. Khi góc đặt cánh tại lối ra sự đã thảo luận về kết quả đo các thông số của của bánh công tác tăng, đường cong hiệu suất trở máy bơm ly tâm tốc độ cao với bánh công tác hở nên mượt mà và phẳng hơn trên toàn bộ phạm vi có các cánh hướng kính. Họ phát hiện ra rằng ở tốc độ dòng chảy. Khi máy bơm hoạt động ở công tốc độ quay cao, cột áp của máy bơm tăng. Khi suất định mức, mức tăng trong cột áp là hơn 6% góc đặt cánh tại lối ra lớn thì vận tốc tuyệt đối của khi góc đặt cánh tại lối ra tăng từ 20 độ lên 50 độ. Tuy nhiên, sự gia tăng cột áp như trên được bù 1 Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp đắp bằng việc giảm 4,5% hiệu suất thủy lực. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023) 11
Walker và Goulas đã phát triển một chương đưa ra mối liên hệ giữa số lá cánh và cột áp cũng trình máy tính để lựa chọn máy bơm ly tâm như công suất làm việc của máy bơm. bằng cách giả định rằng cột áp đã phát triển, 2. MÔ HÌNH TOÁN DÒNG CHẢY công suất đầu vào và cột áp hút dương tối thiểu TRONG BÁNH CÔNG TÁC BƠM LY TÂM của máy bơm có thể được biểu diễn dưới dạng Mô hình toán học có thể được định nghĩa là sự đa thức của tốc độ dòng chảy (Walker and kết hợp của các biến phụ thuộc và biến độc lập và Goulas 1984). Yu và cộng sự đã nghiên cứu ảnh các tham số tương đối dưới dạng một tập hợp các hưởng của hình dạng cánh dẫn đến hiệu suất của phương trình vi phân xác định và chi phối hiện mô hình máy bơm máu ly tâm bằng thực nghiệm tượng vật lý. Các dạng vi phân của phương trình và tính toán. Độ lớn của ứng suất trong các chủ đạo và các phép tính gần đúng của mô hình máng dẫn nói chung nằm dưới ngưỡng 150 toán dòng chảy trong bánh công tác của bơm ly N/m2 để không xảy ra tổn thương hồng cầu. Một tâm được trình bày dưới đây. số vùng cục bộ gần mép trước của cánh nơi mức Phương trình liên tục: ứng suất cao hơn mức ngưỡng khoảng 60%. Tuy p  div( U )  0 (1) nhiên, với thời gian lưu trú ngắn như vậy (ước p tính dưới 0,03 giây) để các hạt chất lỏng đi qua Phương trình Reynolds theo các trục tọa độ: máng dẫn, ảnh hưởng của chúng dường như (U ) p  div( U .U)    div( gradU )  không đáng kể (Yu et al. 2000). t xi Phân tích dòng chảy cho thấy rằng sự thay đổi   ( U '2 )  (  U 'V ')  ( U 'W ')  số lượng lá cánh ảnh hưởng quan trọng đến diện      S Mx (2)   xi x j xk   tích của vùng áp suất thấp phía sau đầu vào cánh quạt và cấu trúc rối sinh ra khi qua cánh. Với việc Một trong những mô hình rối được sử dụng tăng số lượng cánh dẫn, cột áp của các máy bơm rộng rãi trong tính toán động học chất lưu là mô mô hình cũng tăng lên, việc điều chỉnh hiệu suất hình k- . Mô hình k- xây dựng dựa trên giả thiết thay đổi phức tạp, nhưng có những giá trị tối ưu tồn tại sự tương đồng giữa tác động của ứng suất của số lượng cánh cho từng loại. Số lượng cánh nhớt và ứng suất Reynolds lên dòng. Theo định cho bánh công tác của máy bơm ly tâm được lấy luật Newton về lực nhớt, với lưu chất không nén tối đa là 12, vì nếu số cánh quá nhiều sẽ gây ra gia được thì ứng suất nhớt tỉ lệ với biến dạng của tăng tổn thất thủy lực; bởi vì số lượng cánh bơm phần tử lưu chất: càng nhiều thì diện tích cản trở càng nhiều. Điều  U i U j  đó có nghĩa là tổn thất ma sát sẽ lớn hơn và máng  ij  i qij      (3)  x j  dẫn giữa các cánh quạt sẽ bị tắc nghẽn bởi vật liệu  xi  không mong muốn đi qua bánh công tác. Giả sử dòng rối hoàn toàn và tác động của nhớt Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của số lá của các phần tử là không đáng kể, phương trình cơ cánh đến đặc tính của bơm được nghiên cứu để bản của động năng rối k: (  k )  div(  kU ) t  1 2 2  div   ' u '  2u 2V   u12u2 u3   2U V   eU V  Eij 2 2 2 2 2 (4)  2  Phương trình chuyển động của mô hình k- chính tắc: (  k)    div(  kU )  div  T gradk   2 Eij Eij   (5) t   12 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
(  )    2  div( U )  div  T grade  C1 2T Eij Eij  C2  (6) t   k k Trong đó: k - động năng rối,  - khối lượng 3.1. Dựng hình học máy bơm khảo sát 2 k  2  Trong nghiên cứu này, chúng tôi nghiên cứu ảnh riêng,    C - độ phân tán động năng rối,    hưởng của số lá cánh đến cột áp, công suất và hiệu C1 1,44; C2 1,92; C3  0,09; k 1,0;   1,3 suát của máy bơm có: cột áp H = 30 m, Q = 100 m3/h, n = 2900 vòng/phút. Dựa trên các thông số k2 - hằng số hiệu chỉnh, T   C – độ nhớt rối, đầu vào này ta có thể xác định số vòng quay đặc  trưng của máy bơm theo công thức (Gulich 2020): Eij - biến dạng trung bình của phần tử lưu chất Q 0.0278 nS  3,65n 3/4  3,65.2900  137,68 (vòng/phút) (7) H 303/4 Từ đó chúng ta có thể tính toán được các kích trên các kích thước này mô hình hình học của thước chính của bánh công tác như bảng 1. Dựa bánh công được dựng như trong hình 1. Bảng 1. Các thông số cơ bản của bánh công tác Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Cột áp H 30 m Lưu lượng Q 100 m3/h Số vòng quay n 2900 Vòng/phút Đường kính bánh công tác tại lối ra cánh D2 230 mm Đường kính bánh công tác tại lối vào cánh D1 100 mm Số cánh dẫn Z 5, 7, 9 - Góc đặt cánh tại lối ra bánh công tác 1 26.1 Độ Góc đặt cánh tại lối vào bánh công tác 2 27.4 Độ Bề rộng cánh tại lối ra b2 12 m Hình 1. Bánh công tác của bơm ly tâm 3.2. Chia lưới và điều kiện biên dụng phần mềm Ansys ICEM. Ở đây chúng tôi Để tạo lưới cho miền tính toán dòng chảy qua chọn kết cấu và số phần tử là 86411, số nút là bánh công tác của bơm ly tâm chúng tôi đã sử 102046. Kết quả thể hiện như hình 2. Thiết lập KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023) 13
điều kiện biên ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN kết quả mô phỏng tính toán. Trong bài báo này, mô 4.1. Phân bố vận tốc trong bánh công tác hình rối k- được sử dụng để mô phỏng dòng chảy Hình 3 biểu diễn trường vận tốc trong tiết diện của chất lỏng trong bánh công tác. Điều kiện biên ở kinh tuyến của bánh công tác khi số cánh thay đổi. lối vào của bánh công tác được thiết lập ở lưu Chúng ta có thể thấy rằng tại khu vực lối vào cánh lượng là 100 m3/h, áp suất tham chiếu là 0 Pa. Tại phía đĩa trước bánh công tác do có sự chèn dòng của lối ra của bánh công tác chúng tôi sử dụng áp suất lá cánh nên vận tốc tại đó lớn nhất. Khi số cánh tăng làm điều kiện biên là 294,2 kPa (~ 30 m cột nước). vùng vận tốc cực đại cũng phát triển ở không gian Bánh công tác quay với vận tốc 2900 vòng/phút. rộng hơn. Điều đó có nghĩa là áp suất tại đó cũng sẽ Để giải phương trình chuyển động của dòng chảy giảm xuống, trong một trường hợp nào đó nếu áp rối trong bánh công tác chúng tôi sử dụng thuật suất giảm xuống dưới áp suất hơi bão hòa thì có thể toán SIMPLE, độ chính xác hội tụ là 10-5. xảy ra xâm thực. Do vậy, khi tăng số lượng cánh, mặc dù cột áp của máy bơm có thể tăng lên nhưng cũng phải chú ý đến điều kiện chống xâm thực và tách dòng tại lối vào cánh bánh công tác. Hình 2. Chia lưới cho miền tính toán 3.3. Tính toán cột áp và hiệu suất a) 5 cánh Cột áp H của bơm ly tâm được tính như sau: p  pin H  out (8) g Trong đó, pout (Pa) là tổng áp suất của đầu ra xoắn ốc, pin (Pa) là tổng áp suất của đầu vào bánh công tác, ρ (kg/m3) là khối lượng riêng của chất lỏng và g (m/s2) là gia tốc trọng trường. Tổng hiệu suất η được tính như sau: 1 b) 7 cánh  1 P     d  0.03  (9)  vh Pe  Trong đó Pe là công suất thủy lực (Pa), Pe   gQH , Pd là tổn thất do ma sát đĩa (Pa), phương pháp tính toán được mô tả trong nghiên cứu của Gulich (Gulich 2020)  h là hiệu suất thủy lực và v là hiệu suất thể tích. Kết quả tín htoán mô phỏng cột áp và hiệu suất của bơm ly tâm với c) 9 cánh các bánh công tác có số cánh khác nhau được Hỉnh 3. Trường vận tốc trong mặt phẳng trình bày trong mục 4.2. kinh tuyến bánh công tác 14 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
4.2. Cột áp và hiệu suất của máy bơm khi của máy bơm sẽ bị giảm nhiều. Số lá cánh quá số lá cánh thay đổi nhiều, làm tăng sự chèn ép dòng chảy, tổn thất thủy Hình 4 và 5 thể hiện mối quan hệ của cột áp H lực của dòng chất lỏng chảy qua bánh công tác cũng và công suất P theo lưu lượng khi số lá cánh và sẽ tăng lên. Do vậy, hiệu quả làm việc của máy bơm tốc độ quay thay đổi. Chúng ta có thể thấy rằng có cũng bị giảm đi. Số lá cánh vừa đủ, có tác dụng tạo sự gia tăng tổng cột áp cùng với sự gia tăng tốc độ nên sự phân bố vận tốc của dòng chảy trong máng quay của máy bơm ly tâm có số lá cánh là 5, 7 và dẫn đều, dòng chảy ổn định, chất lượng làm việc của 9. Nguyên nhân của hiện tượng này là do số lá máy bơm sẽ tăng lên. Đối với máy bơm ly tâm dùng cánh ảnh hưởng đến cấu trúc dòng chảy, đến đặc bơm nước sạch, bánh công tác có chất lượng thường tính làm việc của máy bơm. Số lá cánh ảnh hưởng có lá cánh từ 6 đến 8 cánh (Gulich 2020). Khi số đến độ mau của dãy cánh. Số lá cánh quá ít, bước vòng quay của bánh công tác thay đổi, ảnh hưởng cánh lớn, chiều dài tương đối của cánh dẫn bị nhỏ của số lá cánh đến hiệu suất cũng thể hiện rõ. Như lại, làm tăng độ mở rộng của cánh dẫn. Khi máy hình 5, bánh công tác với số lá cánh bằng 7 cho hiệu bơm làm việc, trong rãnh dẫn xuất hiện dòng xoáy, suất đạt cao nhất 73% trong khi hiệu suất của bánh làm cho dòng chất lỏng bị tách thành, gây ra sự mất công tác với số cánh 5 và 9 chỉ là khoảng 60%. ổn định của dòng chảy. Do vậy, hiệu quả làm việc Hình 4. Các thông số của máy bơm khi số cánh thay đổi Hình 5. Hiệu suất của máy bơm khi số lá cánh thay đổi với số vòng quay khác nhau KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023) 15
5. KẾT LUẬN triển liên tục. Cột áp của bơm ly tâm luôn tăng cùng Từ phân tích tính toán ổn định trong bài báo, có với sự gia tăng của số cánh, nhưng nếu số cánh tăng thể thấy rằng có sự gia tăng tổng cột áp cùng với sự quá lớn sẽ sinh ra hiện tượng chèn dòng và hiện gia tăng tốc độ quay của bơm ly tâm có cánh quạt 5, tượng tách dòng dẫn đến cột áp lại giảm xuống. 7 và 9 thấy rằng hiệu suất của máy bơm ly tâm tăng Ngoài ra khi số vòng quay của bánh công tác tăng lên. Bánh công tác có số cánh tối ưu là 7 cánh cho lên cột áp và hiệu suất của bơm cũng tăng. Đối với cột áp lớn và hiệu suất đạt đến 73%. Các bánh công bánh công tác có số cánh tối ưu 7 cánh, khi tốc độ tác có số cánh khác nhau đều có một vùng áp suất quay tăng đến 3480 vòng/phút thì hiệu suất tăng lên thấp rõ ràng ở phía vào cánh. Với sự gia tăng số trên 70%, lớn hơn nhiều so với bánh công tác có số lượng cánh, diện tích lưu lượng vùng áp lực phát lá cánh bằng 5 và 9 (hiệu suất khoảng 58-60%). TÀI LIỆU THAM KHẢO Ayad, A., H. Abdalla, and A. Abo El-Azm. 2015. “Numerical Study of the Semi-Open Centrifugal Pump Impeller Side Clearance.” International Conference on Aerospace Sciences and Aviation Technology 16(AEROSPACE SCIENCES): 1–14. Bacharoudis, E. C., A. E. Filios, M. D. Mentzos, and D. P. Margaris. 2008. “Parametric Study of a Centrifugal Pump Impeller by Varying the Outlet Blade Angle.” The Open Mechanical Engineering Journal 2(1): 75–83. Bai, Yuxing, Fanyu Kong, Bin Xia, and Yingying Liu. 2017. “Effect of Blade Number Matching of Impeller and Diffuser in High-Speed Rescue Pump.” Advances in Mechanical Engineering 9(5): 1–12. Gulich, Johann Friedrich. 2020. Centrifugal Pumps. 4th ed. Villeneuve, Switzerland: Springer Nature Switzerland AG. Pavlenko, Ivan et al. 2023. “Effect of Impeller Trimming on the Energy Efficiency of the Counter- Rotating Pumping Stage.” Applied Sciences (Switzerland) 13(2). Walker, C.I, and A Goulas. 1984. “Performance Characteristics of Centrifugal Pumps When Handling Non-Newtonian Homogeneous Slurries.” In Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, , 10. Yu, S. C.M., B. T.H. Ng, W. K. Chan, and L. P. Chua. 2000. “The Flow Patterns within the Impeller Passages of a Centrifugal Blood Pump Model.” Medical Engineering and Physics 22(6): 381–93. Abstract: EFFECT OF THE NUMBER OF BLADES ON THE HEAD AND POWER CONSUMPTION OF A CENTRIFUGAL PUMP This paper studies the influence of the number of blades on the parameters of the head, capacity, and efficiency of a centrifugal pump by numerical simulation. The performance parameters of impellers with the same outlet diameter but with different numbers of blades are thoroughly evaluated. A centrifugal pump with impellers 5, 7, and 9 was modeled and simulated using Ansys CFX software and then calculated its head, capacity, and efficiency parameters at 2610 rpm, 2900 rpm, and 3480 rpm. The head and efficiency of centrifugal pump increase when the rotational speed increases. The head also increases with the number of impellers, but the efficiency of centrifugal pump changes with the number of impellers. Keywords: Centrifugal pump. Impeller, Ansys CFX, number of blades. Ngày nhận bài: 16/8/2023 Ngày chấp nhận đăng: 17/10/2023 16 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)