Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh công tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns CAO (1000-1200 v/ph)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí "Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh công tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns CAO (1000-1200 v/ph) trình bày nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số góc xoay cánh đến hiệu suất và đặc tính xâm thực của bơm hướng trục ns cao (1000 – 1200 v/ph); Đưa ra các khuyến cáo cho việc tính toán thiết kế và lựa chọn bơm cho khai thác vận hành các trạm bơm lớn sử dụng bơm ns cao.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh công tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns CAO (1000-1200 v/ph)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Hồng Vinh NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC XOAY CÁNH CÔNG TÁC LÊN ĐẶC TÍNH XÂM THỰC VÀ HIỆU SUẤT THỦY LỰC CỦA BƠM HƯỚNG TRỤC VỚI ns CAO (1000-1200 v/ph) Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. TRƯƠNG VIỆT ANH 2. TS. ĐỖ HUY CƯƠNG Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TẬP THỂ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TÁC GIẢ LUẬN ÁN PGS.TS. Trương Việt Anh TS. Đỗ Huy Cương NCS. Đỗ Hồng Vinh 1
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh công tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns cao (1000-1200 v/ph)”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi; tập thể Ban Giám hiệu, Bộ phận Đào tạo Sau Đại học - Phòng Đào tạo, Bộ môn Máy Thủy Khí, Viện Cơ khí động lực, giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trương Việt Anh và TS. Đỗ Huy Cương – những thầy giáo trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của tôi đang công tác tại Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi cùng gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 TÁC GIẢ LUẬN ÁN NCS. Đỗ Hồng Vinh 2
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. 5 DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................ 10 MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 13 1. Tính cấp thiết của đề tài. ................................................................................. 13 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................. 14 2.1. Mục đích nghiên cứu .................................................................................. 14 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................... 14 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................ 14 3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài ........................................................................ 14 3.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ........................................................................ 14 4. Bố cục của Luận án .......................................................................................... 14 Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 16 1.1. Bơm hướng trục và các vấn đề cần nghiên cứu ........................................... 16 1.1.1. Đặc điểm bơm hướng trục ....................................................................... 16 1.1.2. Các kết quả nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng bơm hướng trục trong nước và nước ngoài ........................................................................................................ 18 1.1.3. Một số vấn đề cần nghiên cứu đối với bơm hướng trục cỡ lớn .................. 22 1.2. Tổng quan các nghiên cứu về ảnh hưởng của góc xoay cánh đến đặc tính năng lượng và xâm thực trong bơm hướng trục. .............................................. 22 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước về xâm thực trong bơm hướng trục .... 24 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước về xâm thực trong bơm hướng trục .... 28 1.3. Vấn đề nghiên cứu của luận án ................................................................... 29 1.4. Nội dung cơ bản của luận án ........................................................................ 30 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......... 32 2.1. Cơ sở lý thuyết .............................................................................................. 32 2.1.1. Cơ sở lý thuyết thiết kế cánh bơm hướng trục theo phương pháp Vôzơnhexenski - Pêkin...................................................................................... 32 2.1.2. Cơ sở lý thuyết để xây dựng đặc tính năng lượng và ảnh hưởng của góc xoay cánh .................................................................................................................. 36 2.1.3. Cơ sở lý thuyết sự hình thành xâm thực trong bơm hướng trục và ảnh hưởng của góc xoay cánh đến đặc tính xâm thực. ......................................................... 48 2.2. Phương pháp nghiên cứu. ............................................................................. 55 2.2.1. Nghiên cứu lý thuyết ............................................................................... 55 2.2.2. Nghiên cứu trên mô hình toán. ................................................................. 56 2.2.3. Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý ........................................... 56 3
2.2.4. Lựa chọn mô hình bơm cho nghiên cứu.................................................... 58 Chương 3.NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG................................................. 60 3.1. Nghiên cứu thiết kế và lựa chọn mẫu bơm với ns cao và khảo sát đánh giá bằng mô phỏng..................................................................................................... 60 3.1.1. Lựa chọn thông số và thiết kế mẫu đặc trưng ........................................... 60 3.1.2. Mô hình và phương pháp tính toán mô phỏng .......................................... 66 3.1.3. Phân tích kết quả mô phỏng ......................................................................... 73 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh đến đặc tính xâm thực và hiệu suất của bơm hướng trục ns cao bằng mô phỏng ............................................... 74 3.2.1. Mô hình tính và phương pháp tính toán .................................................... 75 3.2.2. Phân tích kết quả mô phỏng về sự phân bố của trường dòng chảy trong bơm tại điểm tối ưu của mô hình cánh cầu ................................................................. 79 3.2.3. Phân tích sự ảnh hưởng của góc đặt cánh tới trạng thái xâm thực và hiệu suất bơm .................................................................................................................. 83 3.2.4. Kết luận việc lựa chọn mẫu khảo sát đánh giá về góc xoay và đặc tính thủy lực .................................................................................................................... 91 Chương 4.NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM...................................................... 93 4.1. Chế tạo thiết bị và xây dựng mô hình thí nghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm .................................................................................................................. 93 4.1.1. Chế tạo thiết bị ........................................................................................ 93 4.1.2. Lắp đặt bơm mô hình vào hệ thống thí nghiệm ......................................... 95 4.2. Đo các thông số của máy bơm ...................................................................... 96 4.2.1. Trình tự thí nghiệm .................................................................................. 96 4.2.2. Tính toán xử lý số liệu ............................................................................. 97 4.2.3. Xác định sai số đo ................................................................................... 97 4.3. Thí nghiệm xây dựng đặc tính xâm thực, thủy lực và quan hệ hiệu suất với góc xoay cánh thay đổi....................................................................................... 100 4.3.1. Kết quả thí nghiệm xây dựng đặc tính làm việc tại các góc xoay cánh khác nhau ................................................................................................................. 101 4.3.2. Kết quả thí nghiệm xâm thực tại các góc xoay cánh khác nhau ................ 105 4.4. Nhận xét và bàn luận về kết quả thí nghiệm.............................................. 109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 113 1. Kết luận .......................................................................................................... 113 2. Kiến nghị ........................................................................................................ 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.............. 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 116 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 118 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT N Công suất Nđc Công suất động cơ Ntl Công suất thuỷ lực Ntr Công suất trên trục  Hiệu suất đc Hiệu suất động cơ tl Hiệu suất thuỷ lực Q Hiệu suất lưu lượng ck Hiệu suất cơ khí K Hệ số dự trữ công suất KZi Hệ số phân bố vận tốc hướng trục KCDi Hệ số chèn dòng tiết diện thứ i KQ Hệ số lưu lượng KH Hệ số cột áp KHtư Hệ số cột áp tối ưu C Hệ số xâm thực C* Hằng số tích phân Cy Hệ số lực nâng Cx Hệ số lực cản C = max/L Độ dày tương đối max của profil Z Số lá cánh Z1 Số lá cánh của bánh công tác Z2 Số lá cánh của cánh hướng dòng Ztư Số lá cánh tối ưu n Số vòng quay làm việc của bơm ni Vòng quay làm việc ở điểm i của bơm ns Số vòng quay đặc trưng của bơm ntd Số tiết diện tính toán H Cột áp H1t Cột áp lý thuyết Htt Cột áp tính toán Htb Giá trị trung bình của áp suất tại điểm đo Htư Cột áp tại điểm làm việc tối ưu Hhd Cột áp hút dư nhỏ nhất H Tổn thất cột nước trong lưới 5
HM Giá trị mạch động áp suất hh Độ giảm động áp lực h Tổn thất năng lượng tương đối Q Lưu lượng Qtb Giá trị trung bình của lưu lượng tại điểm đo Qtư Lưu lượng tại điểm làm việc tối ưu 𝑄 = Q/Qtư Lưu lượng tương đối so với lưu lượng điểm tối ưu D Đường kính bánh công tác d Đường kính bầu bánh công tác d Tỷ số bầu cánh Rb Bán kính bầu cánh Ri Bán kính của các tiết diện tính toán thứ i Rtb Bán kính trung bình RD Bán kính lớn nhất của cánh ở ngoài biên maxi Chiều dày max của các tiết diện i (max/L)b Độ dày tương đối max ở tiết diện sát bầu (max/L )D Độ dày tương đối max ở tiết diện ngoài biên a, b, ..., x: Sai số giới hạn tương đối của các thông số đo u Vận tốc theo  Vận tốc góc  Khe hở giữa bánh công tác và vành mòn a, b, ... , x: Sai số giới hạn đo tuyệt đối của các thông số đo  Khoảng cách giữa hai lưới bánh công tác và cánh hướng w Vận tốc tương đối w2u Thành phần theo phương u của vận tốc tương đối sau khi ra khỏi cánh w1u Thành phần theo phương u của vận tốc tương đối trước khi vào cánh wz Thành phần theo phương dọc trục của vận tốc tương đối w Vận tốc tương đối ở vô cực  Lưu số của bánh công tác 1 Lưu số mỗi lá cánh p1 Áp suất trước khi vào cánh p2 Áp suất sau khi ra khỏi cánh p Tổn thất năng lượng  Trọng lượng riêng của nước  Khối lượng riêng của nước g Gia tốc trọng trường X Lực theo phương x 6
Y Lực theo phương y  = 2 - 1 Góc ngoặt của vận tốc bt Góc ngoặt bình thường của vận tốc max Góc ngoặt max của vận tốc o Gia số độ cong profil õ0 Góc đặc trưng cho độ cong của profil 2 Góc W2 với phương u  Góc của W với phương u 1 Góc W 1 với phương u 2 = 90o- 2 Góc tạo bởi phương của vận tốc W2 và trục z  Góc đặt cánh  Góc chỉ hướng của vận tốc tuyệt đối  + Góc va (trong trường hợp tính toán cánh công tác) + Góc xoay cánh (trong trường hợp xoay cánh) goc Góc đặt profin gốc cánh bien Góc đặt profin ngoài biên T Bước lưới To = T/L Bước lưới khi L 0 = 1 T/L Bước lưới tương đối dãy cánh L Chiều dài dây cung đường nhân lá cánh L1 Chiều dài dây cung của bánh công tác lưới thứ nhất L/T Mật độ dãy cánh (L/T)D Mật độ dãy cánh ở ngoài biên (L/T)b Mật độ dãy cánh ở bầu (L/T)tb Mật độ dãy cánh ở tiết diện trung bình (L/T)tuD Mật độ dãy cánh ở ngoài biên tối ưu (L/T)tu Mật độ dãy cánh ở tối ưu lmơ Chiều dài bầu cánh ltđ Chiều dài của cung tương đương V Vận tốc tuyệt đối Vu Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối Vz Thành phần dọc trục của vận tốc tuyệt đối V1u Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối trước khi vào cánh V2u Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối sau khi ra khỏi cánh Va1u Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối trước cánh hướng Va2u Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối sau cánh hướng  Hệ số xâm thực 7
gh Hệ số xâm thực tới hạn Re Số Reynolds v Hệ số nhớt động năng t1 Thời gian chuyển dịch tương đối của lưới trên một bước của lưới thứ nhất t2 Thời gian chuyển động của sóng dọc theo profil (s) Mật độ phân bố xoáy trên đường nhân o (t) Hàm dòng của dòng song phẳng không nhiễu 1 (t) Hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy liên hợp r(s,t) Khoảng cách từ điểm khảo sát của profil tới điểm A, tại đó có phân bố xoáy d rk Khoảng cách giữa điểm z của dòng chảy mà tại đó xác định hàm số dòng và điểm s trên cung thứ k của lưới. f = ftđ - ftt : Chênh lệch độ cong của cung tương đương và cung tính toán f = f/L : Độ cong tương đối tính bổ sung thêm của cung tương đương. y Chiều dày lớp biên b = (D1 - dmo)/2 : Chiều dày cánh theo phương hướng kính. Lc Chiều dài profil cánh ở tiết diện biên. 8
DANH MỤC CÁC BẢNG 1 Bảng 1.1 Bảng phân loại máy bơm theo ns 2 Bảng 1.2 Thông số cơ bản các bơm hướng trục phổ biến ở Liên Xô cũ 3 Bảng 2.1 Bảng tọa độ Profil mẫu VIGM 420 4 Bảng 3.1 Các thông số mô phỏng tại điểm thiết kế Các thông số thực nghiệm đối chứng kết quả mô phỏng tại 5 Bảng 3.2 điểm thiết kế 6 Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng phương án D352 trụ tại điểm thiết kế 7 Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng phương án D352 cầu tại điểm tối ưu 8 Bảng 3.5 Bảng kết quả mô phỏng tại Góc -6 độ 9 Bảng 3.6 Bảng kết quả mô phỏng tại Góc -3 độ 10 Bảng 3.7 Bảng kết quả mô phỏng tại Góc 0 độ 11 Bảng 3.8 Bảng kết quả mô phỏng tại Góc +3 độ 12 Bảng 3.9 Bảng kết quả mô phỏng tại Góc +6 độ 13 Bảng 3.10 Sai số của hiệu suất giữa tính theo đồ thị và theo mô phỏng Bảng dự báo các vùng bị xâm thực và các dạng xâm thực 14 Bảng 3.11 xảy ra theo góc xoay 15 Bảng 4.1 Bảng thống kê các vùng bị xâm thực khi xoay cánh Bảng tính gíá trị KHtư và th tại các góc xoay cánh  khác 16 Bảng 4.2 nhau 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 1 Hình 1.1 Sự thay đổi hình dạng của bánh công tác theo ns 2 Hình 1.2 Biểu đồ vùng sử dụng bơm hướng trục kiểu O và kiểu cánh quay OП 3 Hình 1.3 Trạm bơm cánh cống dùng bơm HT chìm hãng Ishigaky (Nhật) 4 Hình 2.1 Sơ đồ lưới profil mỏng vô cùng và phân bố xoáy trên đường nhân 5 Hình 2.2 Biểu đồ quan hệ =f(T0,0) với 0 < 35÷40o và 0 < 20÷26o 6 Hình 2.3 Biểu đồ để xác định góc va  ứng với các độ cong 0 khác nhau Các đường cong biểu diễn quan hệ phụ thuộc của L* vào 7 Hình 2.4 bước lưới tương đối T/L và góc đặt i của profil Đồ thị xác định bổ sung độ cong tính tới ảnh hưởng chiều dày 8 Hình 2.5 profil 9 Hình 2.6 Sơ đồ để tính tổn thất do va đập 10 Hình 2.7 Đường đặc tính lý thuyết =f(Q) 11 Hình 2.8 Hệ thống thiết bị thí nghiệm để vẽ đặc tính máy bơm 12 Hình 2.9 Đường đặc tính làm việc của bơm hướng trục 13 Hình 2.10 Sơ đồ các tam giác vận tốc 14 Hình 2.11 Các thành phần tam giác vận tốc khi tăng giảm góc đặt cánh Đường đặc tính làm việc ở các góc xoay cánh khác nhau của bơm 15 Hình 2.12 hướng trục 16 Hình 2.13 Đặc tính tổng hợp máy bơm OП6-145 với n=300 vòng/phút 17 Hình 2.14Đặc tính tổng hợp không thứ nguyên máy bơm OП6 18 Hình 2.15 Dòng chảy bao profil 19 Hình 2.16 Các dạng xâm thực xẩy ra trên chân vịt tàu thủy 20 Hình 2.17 Xâm thực riêng phần 21 Hình 2.18 Siêu xâm thực 22 Hình 2.19 Xâm thực dạng tấm 23 Hình 2.20 Xâm thực dạng bọt 24 Hình 2.21 Xâm thực dạng mây trên cánh thủy động 25 Hình 2.22 Xâm thực xoáy chân vịt tàu thủy 26 Hình 2.23 Đồ thị quan hệ (L/T) =f(K )và  th  f ( K Htu ) 27 Hình 2.24 Sơ đồ tính toán trong Ansys Flow (CFX) 28 Hình 3.1 Bản vẽ thiết kế cánh công tác mô hình D340mm trên SolidWorks 29 Hình 3.2 Bản vẽ mô phỏng 3D bánh công tác bơm mô hình D340mm 30 Hình 3.3 Bản vẽ thiết kế cánh hướng mô hình trên SolidWorks 31 Hình 3.4 Bản vẽ mô phỏng 3D cánh hướng bơm mô hình 32 Hình 3.5 Bản vẽ thiết kế bộ dẫn dòng bơm mô hình 33 Hình 3.6 Thiết kế mô phỏng 3D phần dẫn dòng bằng phần mềm SolidWorks 34 Hình 3.7 Mô hình bánh công tác trong môi trường Design modeler 35 Hình 3.8 Lưới cấu trúc cho Rotor (Bánh công tác) 36 Hình 3.9 Lưới cấu trúc cho stator (Phần đẩy) 10
37 Hình 3.10 Lưới cấu trúc cho phần Suction (hút) 38 Hình 3.11 Mô hình tính trong CFX 39 Hình 3.12 Độ nhạy cảm của lưới 40 Hình 3.13 Số lượng lưới tại các domain 41 Hình 3.14 Tiêu chuẩn hội tụ mô hình lưới cấu trúc 42 Hình 3.15 Phân bố đường dòng trong hệ thống 43 Hình 3.16 Phân bố vận tốc trên mặt cắt dọc trục 44 Hình 3.17 Phân bố áp suất trên mặt cắt dọc trục 45 Hình 3.18 Phân bố áp suất trên cánh bánh công tác 46 Hình 3.19 Phân bố bọt khí trên cánh bánh công tác 47 Hình 3.20 Hình ảnh các tổ máy bơm lắp đặt tại trạm bơm Phí Xá, Hải Dương 48 Hình 3.21 Bản vẽ xâu cánh công tác mô hình Dcầu = 352mm 49 Hình 3.22 Bản vẽ thiết kế bộ dẫn dòng bơm mô hình Dcầu = 352mm 50 Hình 3.23 Mô hình tính toán trong công cụ thiết kế mô hình (Design modeler) 51 Hình 3.24 Mô hình tính toán phần động (bánh công tác) 52 Hình 3.25 Mô hình tính toán phần tĩnh 53 Hình 3.26 Mặt cắt cánh hướng 54 Hình 3.27 Mô hình tính trong CFX 55 Hình 3.28 Độ nhạy cảm lưới 56 Hình 3.29 Phân bố áp suất trên mặt lưng cánh 57 Hình 3.30 Phân bố áp suất trên mặt bụng cánh 58 Hình 3.31 Phân bố áp suất trên cánh View 3D 59 Hình 3.32 Phân bố áp suất tiết diện sát vành mòn R0.995 60 Hình 3.33 Phân bố bọt khí trên mặt lưng cánh 61 Hình 3.34 Phân bố bọt khí trên mặt bụng cánh 62 Hình 3.35 Phân bố bọt khí trên cánh View 3D 63 Hình 3.36 Phân bố vận tốc tại khe hở đầu cánh 64 Hình 3.37 Phân bố vận tốc tại khe hở đầu cánh View 3D 65 Hình 3.38 Hình ảnh chi tiết phân bố vận tốc trong buồng bánh công tác 66 Hình 3.39 Phân bố đường dòng trong bơm 67 Hình 3.40 Phân bố đường dòng trong vùng sát vành mòn mô hình cánh cầu 68 Hình 3.41 Phân bố áp suất dọc trục 69 Hình 3.42 Phân bố vận tốc dọc trục 70 Hình 3.43 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại Góc -6 độ 71 Hình 3.44 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại Góc -3 độ 72 Hình 3.45 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại Góc 0 độ 11
73 Hình 3.46 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại Góc +3 độ 74 Hình 3.47 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại Góc +6 độ 75 Hình 3.48 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại các góc xoay cánh khác nhau 76 Hình 3.49 Đồ thị tưf 77 Hình 3.50 Kiểm tra tính đúng đắn các hàm số đồ thị tưf 78 Hình 3.51 Đồ thị H=f() 79 Hình 3.52 Hình ảnh mô phỏng các dạng xâm thực Hình ảnh mô phỏng đường dòng vùng mép cánh các dạng xâm 80 Hình 3.53 thực 81 Hình 4.1 Sơ đồ thí nghiệm đo các thông số máy bơm mô hình ns 1200v/ph 82 Hình 4.2 Bản vẽ lắp bơm mô hình cánh cầu Dcầu =352mm 83 Hình 4.3 Bánh công tác cánh xoay Dcầu = 352mm 84 Hình 4.4 Cánh hướng bơm mô hình 85 Hình 4.5 Vành mòn dạng buồng cầu hai nửa có cửa quan sát 86 Hình 4.6 Máy bơm mô hình đã lắp đặt trong hệ thống thí nghiệm 87 Hình 4.7 Cửa quan sát trên vỏ buồng cầu bánh công tác 88 Hình 4.8 Quan sát thí nghiệm bằng đèn tần số 89 Hình 4.9 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại Góc -6 độ 90 Hình 4.10 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại Góc -3 độ 91 Hình 4.11 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại Góc 0 độ 92 Hình 4.12 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại Góc +3 độ 93 Hình 4.13 Đặc tính làm việc bơm mô hình tại Góc +6 độ 94 Hình 4.14 Đặc tính làm việc bơm mô hình ns 1200 tại các góc xoay cánh 95 Hình 4.15 Đặc tính tổng hợp bơm mô hình ns 1200 với Dcầu=352; n=980v/ph 96 Hình 4.16 Đặc tính tổng hợp không thứ nguyên bơm ns  1200 v/ph 97 Hình 4.17 Đồ thị biến thiên hiệu suất bơm theo góc xoay cánh  =f() 98 Hình 4.18 Đồ thị biến thiên cột áp bơm theo góc xoay cánh H =f() 99 Hình 4.19 Đồ thị L/Lc=f() và H=f() tại Góc 0 độ 100 Hình 4.20 Đồ thị L/Lc=f() và H=f() tại Góc -3 độ 101 Hình 4.21 Đồ thị L/Lc=f() và H=f() tại Góc -6 độ 102 Hình 4.22 Đồ thị L/Lc=f() và H=f() tại Góc +3 độ 103 Hình 4.23 Đồ thị L/Lc=f() và H=f() tại Góc +6 độ 104 Hình 4.24 Đồ thị biến thiên của hệ số xâm thực tới hạn theo góc xoay cánh 105 Hình 4.25 Đồ thị biến thiên của hàm số H = f() Hình ảnh xâm thực mạnh trong thí nghiệm xâm thực tại điểm làm 106 Hình 4.26 việc tối ưu của Góc 0 độ khi áp suất hút giảm xuống còn 0.847 bar. Xâm thực tại điểm làm việc tối ưu Góc-3 độ khi áp suất hút giảm 107 Hình 4.27. còn 0.832bar (và 0,799 bar (1.229) 12
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Nước ta là một nước mà ngành nông nghiệp đóng một vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Chính vì thế công tác thuỷ lợi nhằm phục vụ tưới tiêu đảm bảo cho sản xuất nông nghiệp luôn là vấn đề được coi trọng hàng đầu. Đối với các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, loại hình công trình thuỷ lợi chính để làm nhiệm vụ tưới tiêu cho lúa và các cây trồng khác là các trạm bơm động lực. Các loại máy bơm nói chung và máy bơm hướng trục nói riêng được sử dụng hết sức rộng rãi. Trong những năm gần đây, dưới ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, nhu cầu tưới tiêu cho nông nghiệp và thủy lợi, đặc biệt là nhu cầu tiêu thoát nước lũ vào mùa mưa bão không ngừng tăng lên. Nhiều trạm bơm có lưu lượng và công suất lớn đã và đang được xây dựng để đáp ứng nhu cầu đó. Hầu hết các trạm bơm lớn này được đầu tư xây dựng với việc sử dụng các loại bơm truyền thống, mà chủ yếu là các loại bơm hướng trục có số vòng quay đặc trưng (ns) vừa và thấp (ns=500-900 v/ph). Với việc sử dụng bơm hướng trục ns cao (ns >1000 v/ph) vào các trạm bơm lớn này, chi phí đầu tư xây dựng và chi phí vận hành khai thác có thể giảm đáng kể so với việc sử dụng bơm hướng trục ns thấp nhờ ưu thế về kích thước và khối lượng tổ máy bơm ns cao rất nhỏ gọn (khối lượng nhỏ hơn nhiều so với kiểu truyền thống), tuổi thọ và độ bền cao. Bên cạnh các ưu điểm đó, bơm hướng trục ns cao còn phù hợp với các địa bàn có cột nước địa hình thấp và trung bình của hầu hết các tỉnh thành đồng bằng ven biển nước ta, đặc biệt là khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Qua đó có thể khẳng định, việc xây dựng các trạm bơm điện công suất lớn với việc sử dụng máy bơm hướng trục ns cao sẽ đem lại hiệu quả kinh tế to lớn và lâu dài, rất phù hợp với điều kiện Việt Nam. Từ các đặc điểm về phạm vi ứng dụng và các thông số của bơm hướng trục cột nước thấp cùng với thực tiễn nghiên cứu trong những năm qua đã chỉ ra rằng nhiệm vụ cơ bản của việc nghiên cứu mở rộng vùng làm việc của bơm hướng trục cột nước thấp là xây dựng được mô hình bơm có ns cao tức là tăng số vòng quay và tăng khả năng thoát mà vẫn đảm bảo bơm có khả năng chống xâm thực tốt và có hiệu suất cao. Hiện tại, chúng ta đã có một số nghiên cứu về bơm hướng trục ns cao, trong đó dài ns1200v/ph được nghiên cứu nhiều nhất và có nhiều kết quả có thể ứng dụng vào thực tiễn. Các nghiên cứu về bơm hướng trục ns 1200v/ph có các đề tài nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm với nội dung chủ yếu là: đánh giá ảnh hưởng của các thông số hình học (tỷ số bầu db/D, mật độ lưới cánh l/t, số là cánh Z…) của bánh công tác tới đặc tính làm việc và hiệu suất của bơm. Tuy nhiên, về mặt xâm thực, chúng ta chưa có nghiên cứu chuyên sâu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm. Việc nghiên cứu mở rộng vùng làm việc cho bơm hướng trục ns cao cũng chưa được đề cập đến. Để mở rộng phạm vi làm việc cho một máy bơm hướng trục, chúng ta có hai phương pháp cơ bản: điều chỉnh số vòng quay và xoay góc đặt cánh. Với các bơm hướng trục công suất lớn thì việc thay đổi góc đặt cánh (xoay cánh) là phổ biến vì việc thay đổi số vòng quay gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật và bị hạn chế về công suất. Như vậy có thể thấy rằng việc nghiên cứu mở rộng phạm vi làm việc cho bơm 13
hướng trục ns cao bằng phương pháp xoay cánh là nhu cầu hết sức cấp thiết hiện nay. Để mở rộng phạm vi làm việc bằng xoay cánh có hiệu quả, cần nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh đến các thông số làm việc của bơm như cột áp, lưu lượng, hiệu suất và chiều cao hút của bơm … , từ đó đưa ra được các khuyến cáo cần thiết để giúp cho nhà thiết kế chọn được điểm thiết kế tối ưu nhất cũng như giúp cho nhà quản lý chọn được góc xoay cánh phù hợp để đảm bảo bơm vận hành hiệu quả nhất. Chính vì vậy, luận án này đã chọn lĩnh vực “Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh công tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns cao (1000-1200 v/ph)” làm nội dung nghiên cứu cơ bản. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số góc xoay cánh đến hiệu suất và đặc tính xâm thực của bơm hướng trục ns cao (1000 – 1200 v/ph). - Đưa ra các khuyến cáo cho việc tính toán thiết kế và lựa chọn bơm cho khai thác vận hành các trạm bơm lớn sử dụng bơm ns cao. 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài - Bơm hướng trục có số vòng quay đặc trưng ns cao (1000-1200 v/ph). - Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh công tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns cao (1000-1200 v/ph). 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Xây dựng được đặc tính làm việc tổng hợp và đặc tính tổng hợp không thứ nguyên của gam bơm hướng trục ns1200v/ph, bổ sung vào dãy gam bơm hướng trục được thiết kế, sản xuất ở nước ta đáp ứng được nhu cầu cấp thiết hiện nay. - Cung cấp các kết quả nghiên cứu khảo sát về trường dòng chảy trong bơm hướng trục ns cao, bổ sung cho khoa học cơ bản trong lĩnh vực bơm hướng trục nói chung và bơm hướng trục ns cao nói riêng. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài - Mô hình bơm hướng trục ns = 1200 v/ph được chế tạo sẽ đáp ứng được nhu cầu bơm nước tưới tiêu cho điều kiện cột nước địa hình thấp và lưu lượng lớn. - Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng để xây dựng qui trình vận hành với việc xác định vùng làm việc tối ưu của bơm khi mở rộng phạm vi làm việc bằng xoay cánh cũng như tham khảo để thiết kế tính toán thiết kế bơm hướng trục n s cao. 4. Bố cục của Luận án Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận với tổng số 117 trang (chưa kể phần phụ lục), 16 bảng, 107 hình vẽ và đồ thị cùng 33 tài liệu tham khảo. Các phần chính của luận án được phân bố như sau: 14
- Chương 1. Tổng quan: 16 trang (tr.16 – tr.31) - Chương 2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu: 28 trang (tr.32 - tr.59). - Chương 3. Nghiên cứu bằng mô phỏng: 33 trang (tr.60 - tr.92). - Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm: 20 trang (tr.93 – tr.112). - Kết luận và kiến nghị: 2 trang (tr.113 – tr.114). 15
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Bơm hướng trục và các vấn đề cần nghiên cứu 1.1.1. Đặc điểm bơm hướng trục 1.1.1.1. Phạm vi làm việc của bơm hướng trục Bơm hướng trục là bơm trong đó dòng chảy chuyển động qua phần dẫn dòng theo phương hướng trục. Các bơm hướng trục được nghiên cứu và thiết kế chế tạo hiện nay thường có cột nước H từ 2m đến 20m, với lưu lượng Q lớn đến hơn 100.000 m3/h. Để phân biệt các loại bơm người ta dựa vào số vòng quay đặc trưng ns. Số vòng quay đặc trưng của máy bơm ns : Bánh công tác của máy bơm có rất nhiều dạng. Để lập quan hệ tương tự giữa các dạng khác nhau của bánh công tác và phân loại chúng, người ta sử dụng khái niệm số vòng quay đặc trưng. Số vòng quay đặc trưng ns của máy bơm được xác định theo công thức: n Q ns  3,65 (v/ph) (1-1) H3/ 4 Trong đó: - n: số vòng quay của bơm, tính bằng v/ph - H : cột áp bơm, tính bằng m - Q; lưu lượng bơm, tính bằng m3/s Số vòng quay đặc trưng ns là yếu tố quan trọng quyết định hình dạng của bánh công tác máy bơm. Khi ns tăng tỷ số D2/D1 giảm xuống, còn chiều rộng bánh công tác B2 sẽ tăng lên (xem hình 1.1) ( nguồn [1] [2] [3] [7]). Hình 1.1. Sự thay đổi hình dạng của bánh công tác theo ns (nguồn[2]) Việc phân loại máy bơm theo ns có thể có sự sai khác chút ít giữa các tài liệu tùy theo quan điểm và kinh nghiệm của người thiết kế, tuy nhiên về cơ bản có thể tham khảo phạm vi dải ns của từng loại bơm như trong Bảng 1.1. 16
Bảng 1.1. Bảng phân loại máy bơm theo ns (nguồn [3]) TT Loại máy bơm ns (v/ph) 1 Ly tâm ns thấp 50 - 80 2 Ly tâm ns trung bình 80 - 150 3 Ly tâm ns cao 150 - 300 4 Hướng chéo 300 - 600 5 Hướng trục 600 - 1800 Như vậy máy bơm hướng trục có số vòng quay đặc trưng ns nằm trong khoảng từ 600 – 1.800 v/ph. Ở trong khoảng này, bơm hướng trục n s cao có số vòng quay đặc trưng ns từ 1.000 - 1.800 v/ph. 1.1.1.2. Khả năng ứng dụng của bơm hướng trục. Bơm hướng trục được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống và sản xuất. Thông thường bơm hướng trục giới hạn phạm vi cột áp H < 20m. Trong phạm vi này, tùy theo đặc điểm của máy bơm để xác định số vòng quay đặc trưng ns của bánh công tác khác nhau. Để hiểu rõ hơn về vấn đề này, ta hãy phân tích phạm vi áp dụng của các bơm hướng trục kiểu O và kiểu cánh quay O của Liên Xô trước đây (nguồn [2] [20]). Hình 1.2. Biểu đồ vùng sử dụng bơm hướng trục kiểu O và kiểu cánh quay O  (nguồn [2]) Trên biểu đồ hình 1.2 ta nhận thấy trong vùng cột áp H từ 6 đến 20m có rất nhiều loại bơm làm việc trong phạm vi này, với cột áp H < 6m thì số loại bơm làm việc trong phạm vi này còn rất ít. Đặc biệt với phạm vi làm việc có cột áp cực thấp H < 3,5 m ta dễ dàng thấy rằng chỉ có duy nhất một loại bơm làm việc trong phạm vi này là bơm O6. 17
Như vậy, để mở rộng phạm vi làm việc của bơm hướng trục, nên ưu tiên xem xét vùng làm việc với cột áp thấp (tương ứng với ns cao). Với vùng làm việc cột áp thấp, như đã phân tích ở trên, chỉ có một mẫu bơm duy nhất là bơm O6 của Liên Xô. Do đó, ta có thể tham khảo mẫu bánh công tác O6 để nghiên cứu và xây dựng mô hình bơm hướng trục mới áp dụng cho điều kiện cụ thể của nước ta. 1.1.2. Các kết quả nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng bơm hướng trục trong nước và nước ngoài 1.1.2.1. Nghiên cứu và sản xuất bơm hướng trục của các nước Ở các nước tiên tiến, đặc biệt là ở Liên Xô cũ trước đây. Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo bơm hướng trục đã thu được những thành tựu rất lớn. Các loại bơm hướng trục có hiệu suất cao đã được gam hoá thành nhiều loại với phạm vi ứng dụng phủ rộng từ lưu lượng một vài nghìn cho đến vài trăm nghìn m3/h và với cột áp từ một vài mét tới hàng chục mét. Các ứng dụng chủ yếu của bơm hướng trục là ở trong các lĩnh vực sau: chúng được dùng làm bơm tuần hoàn ở các khối máy cố định ở các nhà máy nhiệt điện lớn, trong khối bơm ở các âu tàu, ở các kênh chính và trong hệ thống tưới tiêu phục vụ nông nghiệp và thuỷ lợi, trong các nhà máy cấp nước cho thành phố và công nghiệp… - Ở Liên Xô cũ trước đây: Các bơm hướng trục được gam hoá thành 4 loại cơ bản: O, O, B-60 và pB. Phạm vi làm việc của các bơm này rất rộng, lưu lượng từ 1150 đến 66.000 m3/h, cột áp từ 1,7 đến 23 m, đặc biệt một số máy bơm cỡ lớn như O11-260 có lưu lượng đạt tới 160.000 m3/h. Các loại máy bơm được sử dụng rộng rãi nhất là: O-35, O2-87, O3-87, O2-110, O3-110,O4-110, O5-110, O3-130, O2-145, O4-145, O5-145, O6-145, O2-185, B-60, 20pB-60, 30pB-60 và 75 pB-60… Dưới đây là bảng các thông số cơ bản của một số bơm hướng trục được sử dụng phổ biến ở Liên Xô cũ (nguồn [2] [13] [14]). Bảng 1.2. Thông số cơ bản các bơm hướng trục phổ biến ở Liên Xô cũ (nguồn [2][20]) Loại bơm Q (m3/h) H (m) Nb (KW) n (v/ph) ns (v/ph) O5-47 1764-3996 3.75-10.3 27-110 730; 960 680-695 O5-55 3708-6444 10-12.2 154-240 960 680-695 O6-55 2232-5580 3.2-9.7 26-129 730; 960 850-875 OP2-87 7488-13284 8.3-15.1 243-495 585 510-530 OP3-87 8892-14580 14.8-23.8 564-885 730 495-515 OP5-87 8784-14220 7.15-11.7 246-423 585 680-695 OP6-87 5328-14544 2.7-8.3 62-292 485; 585 850-875 OP2-110 11160-22320 8.8-15.3 474-916 485 510-530 OP3-110 14400-22500 14.6-22.8 905-1368 585 495-515 OP5-110 14760-23892 7.8-11.5 455-750 485 680-695 OP6-110 7956-22392 2.5-7.6 86-487 365; 485 850-875 OP2-145 19260-38448 8.8-16.4 830-1550 365 510-530 OP5-145 24120-41040 7.7-12.8 747-1380 365 680-695 18
OP6-145 14400-38520 2.7-8.2 172-800 365 850-875 OP10-145 25920-39960 12.9-18 1300-1985 365 480-490 OP2-185 27720-54900 6.8-12.7 817-1720 250 510-530 OP6-185 26280-54720 3.25-6.1 363-948 250 850-875 OP10-185 49320-74880 17.7-24.5 3400-4880 333 480-490 OP11-185 52920-79920 12.7-20.4 2680-4040 333 655-670 OP10-260 102240-152640 21-27.8 7960-11250 250 480-490 OP11-260 109800-163440 15-22.2 6400-10100 250 655-670 - Ở các nước tư bản tiên tiến: Với sự phát triển và lớn mạnh không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, ngành chế tạo máy bơm nói riêng và ngành chế tạo máy thuỷ lực nói chung ở các nước tiên tiến trên thế giới đã có những bước tiến đáng kể. Khoảng 10 năm trở lại đây với sự trợ giúp của tin học, chương trình hoá các phương pháp thiết kế về mặt thuỷ lực và kết cấu, các hãng chế tạo bơm nổi tiếng trên thế giới đã cho ra đời nhiều chủng loại bơm chất lượng cao phục vụ cho công tác tưới tiêu của ngành thuỷ lợi. Trên cơ sở ứng dụng công nghệ vật liệu mới và công nghệ chế tạo tiên tiến, các loại máy bơm này đều đạt được các tiêu chí sau: hiệu suất cao, kết cấu đơn giản, thuận tiện cho việc quản lý vận hành, thích hợp với quá trình tự động hoá điều khiển và có tuổi thọ rất cao. Có thể kể tên các hãng bơm lớn này, đó là: hãng ITT Flygt của Thụy Điển, hãng Thyssen của Đức, hãng Hanjin của Hàn Quốc, hãng WEIR của Mỹ... Các loại máy bơm như: bơm chìm, các loại máy bơm di chuyển theo sự thay đổi cột nước địa hình…ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Trong những năm gần đây, với sự ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, nhu cầu xây dựng các trạm bơm có lưu lượng cực lớn và cột áp thấp là rất lớn. Các hãng bơm lớn trên thế giới đã cho ra đời thêm hai loại trạm bơm mới đáp ứng được nhu cầu bơm lưu lượng cực lớn và có tuổi thọ cũng như độ bền rất cao, đó là trạm bơm buồng xoắn bê tông của các hãng Andriz (Áo), Flowserve (Mỹ) … (sử dụng bơm hướng chéo cánh hở công suất lớn, có buồng xoắn bằng bê tông) và trạm bơm kiểu cánh cống của các hãng Minota, Ishigaki (Nhật bản) … sử dụng bơm hướng trục chìm đặt ngang kiểu Gate pump. Hình 1.3. Trạm bơm cánh cống dùng bơm hướng trục chìm loại ns cao của hãng Ishigaky (Nhật) 19