(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)

(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)(Luận án tiến sĩ) 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 (10001200 v.ph)

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

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 nscao (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

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

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

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

Ztư Số lá cánh tối ưu

ni Vòng quay làm việc ở điểm i của bơm

ns Số vòng quay đặc trưng của bơm

ntd Số tiết diện tính toán

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

HM Giá trị mạch động áp suất

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

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

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

g Gia tốc trọng trường

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

 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

To = T/L Bước lưới khi L0 = 1

L1 Chiều dài dây cung của bánh công tác lưới thứ nhất

(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

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

gh Hệ số xâm thực tới hạn

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

b = (D1 - dmo)/2 : Chiều dày cánh theo phương hướng kính

Lc Chiều dài profil cánh ở tiết diện biên

DANH MỤC CÁC BẢNG

2 Bảng 1.2 Thông số cơ bản các bơm hướng trục phổ biến ở Liên Xô cũ

4 Bảng 3.1 Các thông số mô phỏng tại điểm thiết kế

5 Bảng 3.2 Các thông số thực nghiệm đối chứng kết quả mô phỏng tại

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

13 Bảng 3.10 Sai số của hiệu suất giữa tính theo đồ thị và theo mô phỏng

14 Bảng 3.11 Bảng dự báo các vùng bị xâm thực và các dạng xâm thực xảy ra theo góc xoay

15 Bảng 4.1 Bảng thống kê các vùng bị xâm thực khi xoay cánh

16 Bảng 4.2 Bảng tính gíá trị KHtư và th tại các góc xoay cánh  khác

nhau

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

7 Hình 2.4 Các đường cong biểu diễn quan hệ phụ thuộc của L* vào bước lưới tương đối T/L và góc đặt i của profil

8 Hình 2.5 Đồ thị xác định bổ sung độ cong tính tới ảnh hưởng chiều dày 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

15 Hình 2.12 Đường đặc tính làm việc ở các góc xoay cánh khác nhau của bơm hướng trục

16 Hình 2.13 Đặc tính tổng hợp máy bơm OП6-145 với n=300 vòng/phút

17 Hình 2.14 Đặc 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)

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

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

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()

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()

106 Hình 4.26 Hình ảnh xâm thực mạnh trong thí nghiệm xâm thực tại điểm làm việc tối ưu của Góc 0 độ khi áp suất hút giảm xuống còn 0.847

bar

107 Hình 4.27 Xâm thực tại điểm làm việc tối ưu Góc-3 độ khi áp suất hút giảm còn 0.832bar (và 0,799 bar (1.229)

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 nscao 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

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

2.2 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 ns 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:

Giải các phương trình hàm dòng ở trên với các giá trị khác nhau của bước lưới tương đối T/L, góc đặt cánh l và góc đặc trưng cho độ cong của profil o cho thấy rằng, hàm L*(T/L,l) = /(WtbLo) ít phụ thuộc vào góc o Với các giá trị o nhỏ, đại lượng (WtbLo) tỷ lệ với lưu số  Trên hình (hình 2-3) là các đường cong để xác định giá trị hàm L* phụ thuộc vào bước lưới tương đối T/L ứng với các giá trị l khác nhau của profil trong lưới

Hình 2.4: Các đường cong biểu diễn quan hệ phụ thuộc của L*

vào bước lưới tương đối T/L và góc đặt l của profil

Để tính toán lưới cánh theo phương pháp Vôzơnhexenski - Pêkin, cần xác định

sơ bộ trước các thông số kết cấu chính của phần dẫn dòng và các tam giác vận tốc Trước khi xây dựng đường nhân profil hoàn chỉnh cần phải tính bổ sung độ cong kể tới ảnh hưởng của chiều dầy của profil sao cho đặc tính tổng hợp của lưới profil có

độ dầy sai khác không nhiều so với đặc tính của lưới tính toán Giá trị độ cong bổ sung cho profil có thể xác định theo biểu đồ (hình 2-4)

Hình 2.5: Đồ thị để

xác định bổ sung

độ cong tính tới

ảnh hưởng của

chiều dày profil

Trên đồ thị : f = f/L - độ cong tính bổ sung thêm của cung tương đương so với cung tính toán ; f = ftđ - ftt ; C = max/L - độ dầy tương đối max của profil, 2 =

90o - 2 - góc tạo bởi phương của vận tốc W2 và trục lưới z, 2 = arctg(Wz/W2u) Đại lượng f liên hệ với độ cong của cung bằng :

Chiều dài thực và bán kính cong của cung tương đương sẽ được xác định bằng các biểu thức :

Lthực = 0,0175 Ltđ/sintđ ; (2-9)

Rthực = L/2sintđ ; (2-10) Cung tương đương chính là profil có chiều dầy mỏng vô cùng hay là đường nhân của profil

Để nhận được profil có độ dầy ta dùng quy luật phân bố độ dầy của các profil mẫu có đặc tính động học tốt và dựa vào chiều dầy max chọn trước ta "đắp" độ dầy cho cung tương đương Xâu các profil lại với nhau theo quy luật xác định ta sẽ nhận được cánh hoàn chỉnh của bánh công tác

Trong chế tạo bơm người ta thường sử dụng biên dạng profil VIGM 420 làm profil mẫu Toạ độ tương đối của profil được cho trong bảng sau:

Bảng 2.1 Bảng tọa độ Profil mẫu VIGM 420

Tổn thất thủy lực trong máy thủy lực cánh dẫn xảy ra trên một chiều dài đường

đi của dòng chất lỏng từ lối vào tới lối ra của máy

Có thể liệt kê các dạng tổn thất thủy lực như sau:

- Tổn thất ở buồng dẫn dòng vào hoặc cánh hướng dòng vào

- Tổn thất ở bánh công tác

- Tổn thất ở buồng dẫn dòng ra hoặc cánh hướng dòng ra

Trong đó tổn thất thủy lực ở bánh công tác chiếm phần đáng kể và việc tính toán rất phức tạp Ở đây chủ yếu đề cập đến việc tính toán lý thuyết tổn thất thủy lực trong bánh công tác của máy bơm

Tổn thất thủy lực xảy ra trong bánh công tác là do ma sát của dòng chất lỏng với cánh dẫn, do dòng vào xảy ra va đập hoặc do chuyển động xoáy qua khe hở giữa bánh công tác và vỏ (trong máy hướng trục)

a) Tổn thất thuỷ lực do ma sát của dòng chất lỏng với cánh dẫn

Có thể chia các dạng tổn thất này thành 2 loại: tổn thất profil và tổn thất qua khe đầu mút cánh (trong máy hướng trục)

Trong đó: Rx – lực cản profil

t - bước cánh trong lưới

 - góc tạo bởi phương của vận tốc trung bình 𝑊 ⃑ với trục lưới Lực cản của profil có thể xác định bằng công thức:

Từ hai biểu thức trên ta rút ra:

Trong đó: Wz/W = sin

Wz – vận tốc hướng theo phương dọc trục

l – chiều dài profil

 - khối lượng riêng của chất lỏng

Từ đó ta có biểu thức xác định năng lượng tương đối p sức cản của lưới cánh: p = p’/(H) = Cxp(l/t)(W3/2gHWz) (2-14) Trong đó: H – cột áp của máy

Để xác định tổn thất năng lượng p’ trong lưới cánh có thể ứng dụng phương pháp của Loixenski Theo phương pháp này, tác giả giả thiết ở tiết diện 2’-2’ nào đó sau lưới cánh lớp biên tiếp giáp với nhau, trường vận tốc trở nên đều hơn, tác giả tìm được công thức:

u

) 1 (

2 2

(2-16)

u - vận tốc theo đường dòng trong vùng lớp biên

y - chiều dày lớp biên

Do không thể xác định được trực tiếp đại lượng 2’** người ta đưa ra một quan hệ gần đúng của đại lượng này với giá trị chiều dày tổn thất xung K** (ở lối ra của profil)

dựa trên việc ứng dụng phương trình xung đối với vùng giữa các tiết diện 2’-2’ và K:

Cxp = 2(Wk/W)3,2(W /W2)0,2(K**/L) (2-20) Trong biểu thức này có chiều dày tổn thất xung K** ở lối ra của profil K** được xác định dựatrên cơ sở phương trình:

Với W – vận tốc dòng ngoài của lớp biên

- Dòng chảy trong buồng dẫn dòng là dòng rối nên lớp biên cũng là lớp biên dòng rối

Để tích phân phương trình (2-89) sử dụng phương pháp một thông số của Loixenski

Theo phương pháp này, các dạng profil vận tốc khác nhau trong lớp biên u = (y) được quy về một tập hợp profil với thông số f thay đổi theo bề mặt profil:

Thay hàm F(f) bằng quan hệ gần đúng F(f) = 1,17 - 4,8f, ta có phương trình tuyến tính với lời giải bằng:

x W

x W 0

8 , 3 8

,

) (

) ( ' 17

,

Để xác định ** ta giả thiết rằng, trong trường hợp lớp biên dòng rối, hàm quan

hệ G(Re**) trong hai trường hợp lưới profil cánh và lưới bản phẳng như nhau: G(Re**) = 153,2 Re**1/6

Khi đó ta tìm được:

7 / 6 8

, 3 4

/ 3 7 /

)(

1Re

0153,0)

*(

*)

*(

XWL

11Re

0306

,

0

KWW

7 / 6 8

, 3 1

])(

Biết hệ số Cxp ta sẽ tính được hệ số tổn thất thủy lực p trong chảy bao profil

* Tổn thất qua khe đầu mút cánh:

Dạng tổn thất này đặc trưng trong máy cánh dẫn hướng trục xảy ra do chảy tràn chất lỏng qua khe hở giữa đầu mút cánh và thành vỏ máy cùng với sự xuất hiện các xoáy ở mút cánh

Tổn thất thủy lực qua mút cánh hk được xác định bằng:

Hệ số tổn thất Cxk phụ thuộc vào khe hở tương đối /b = :

mod

1

/2501

mo

CCt

Lcod

DB