Cơ Khí - Giáo trình Máy Phụ Tàu Thủy phần 5 ppt

Bằng thí nghiệm xác định được rằng, tính chất xâm thực của các bơm cánh, trừ các bơm có các cánh ngắn, chỉ phụ thuộc vào điều kiện cửa vào bánh cánh mà không phụ thuộc điều kiện ra khỏi

Để áp dụng phương trình (3.61) cần biết số xâm thực tới hạnth Nó được xác định dựa vàocác công thức thực nghiệm và các bảng dữ liệu trong các tài liệu chuyên dụng Dưới đây sẽ đưa

ra công thức tính chuyển đổi dự trữ xâm thực tới hạn Giả sử có hai bơm đồng dạng hình họclàm việc ở các chế độ đồng dạng Theo định nghĩa có dự trữ xâm thực tới hạn

g

p g

v g

pth/(g)HTv2 Nếu kể đến (3.35) có

hthv2(nL)2hay

2

2 2

1 1

Các công thức đưa ra không liên hệ riêng với quá trình làm việc của bơm cánh cụ thể nàonên phù hợp với tất cả các dạng bơm cánh có bánh cánh quay hoặc quá trình làm việc có chukì

Bằng thí nghiệm xác định được rằng, tính chất xâm thực của các bơm cánh, trừ các bơm có các cánh ngắn, chỉ phụ thuộc vào điều kiện cửa vào bánh cánh mà không phụ thuộc điều kiện

ra khỏi nó (vào hình dạng cánh và bánh cánh ở cửa ra và kết cấu đường dẫn chất lỏng ra) Do

đó, để công thức (3.62) đúng, chỉ cần đảm bảo đồng dạng hình học đường dẫn chất lỏng vào vàcác yếu tố cửa vào bánh cánh mà không bắt buộc đồng dạng của cửa ra và của lối dẫn chất lỏngra

Loại kích thước tuyến tính L ra khỏi các công thức (3.35) và (3.62) Muốn vậy, chỉ cần lấyluỹ thừa bậc 2/4 hai vế phương trình (3.34), bậc 3/4 phương trình (3.61) rồi chia các vế tươngứng cho nhau Ngoài ra, còn nhân cả hai vế phương trình thu được với 103/4:

4 / 3 2 th

2 2 4

Q n )

CI=1300 và hơn Trong công thức tính hệ số trên, đơn vị của lưu lượng Q(m3/s), vòng quayn(v/ph),hth(m)

Phương trình (3.63) cho phép xác định dự trữ xâm thực tới hạn hoặc, khi đã biết dự trữ xâmthực tới hạn, xác định vòng quay tối đa nếu biết hệ số C.

Bơm hai lối vào có dòng vào chia đôi, trị số lưu lượng trong (3.63) lấy bằng Q/2, trong đó

Q là lưu lượng bơm Như vậy, với cùng độ dự trữ xâm thực và lưu lượng có thể chọn vòng quaycủa bơm hai lối vào bằng 2lần vòng quay bơm một lối vào Đó là một trong các ưu điểm cơbản của bơm hai lối vào

Theo lí thuyết trình bày ở phần này, có thể xác định dự trữ xâm thực tới hạn bằng các cáchsau

1 Theo kết quả thử xâm thực bơm Kết quả thu được bằng thí nghiệm được tính đổi sangchất lỏng, vòng quay và các kích thước khác bằng các công thức tính chuyển

2 Theo phương trình (3.61)

3 Theo phương trình (3.63)

Phân tích (3.61) thấy, để giảm dự trữ xâm thực cần tăng đường kính lối D0 vào bánh cánh

và chiều rộng b1cửa vào, giảm chiều dày cánh ở cửa vào Khi tăng quá mức đường kính D0hiệusuất bơm giảm Điều đó hạn chế khả năng cải thiện tính chống xâm thực bơm bằng cách tăng

đường kính lối vào Tăng chiều rộng bánh cánh cửa vào tăng mạnh tính chống xâm thực bơm,giảm hiệu suất tương đối nhỏ Trên hình 3.46 mô tả bánh cánh bơm li tâm có tính xâm thựcnâng cao Bơm này, ở chế độ tới hạn thứ hai hệ số C đạt tới 2300

Biện pháp khác nâng cao phẩm chất chống xâm thực của bơm là đặt thêm bánh cánh tầngthứ nhất kiểu dọc trục (hình 3.47), nó tăng áp suất cửa vào bánh cánh li tâm nên bảo đảm bơmlàm việc không bị xâm thực Để tăng cường khả năng chống xâm thực của bản thân bánh cánhdọc trục người ta tăng đường kính ngoài và giảm chiều dày cánh Phổ biến là dùng kết cấu bánhcánh có các cánh theo dạng mặt vít, ở các bơm như vậy hệ số C ở chế độ tới hạn thứ hai đạt đến5000

3.6.6 Làm việc nối tiếp và song song của các bơm

Nối tiếp các bơm thường dùng để tăng cột áp trong các trường hợp, khi một bơm khôngthể tạo ra cột áp yêu cầu (ví dụ như trong hệ thống mà cột áp đòi hỏi thay đổi trong phạm vịrộng, lưu lượng ít thay đổi) Khi làm việc nối tiếp lưu lượng của các bơm như nhau, cột ápchung bằng tổng cột áp các bơm ở cùng lưu lượng Như vậy, đặc tính tổng của các bơm I+II thu

được bằng cách cộng tung độ các đường cột áp I và II của hai bơm Giao của đặc tính tổng củacác bơm với đặc tính hệ thống bơm cho điểm làm việc A với sản lượng Q và cột áp tổng HI+HII

Hình 3.46 Bánh cánh bơm có tính

cánh.

của hai bơm Qua điểm A vẽ đường thẳng đứng cắt các đường cong cột áp I và II sẽ xác định

được cột áp từng bơm riêng HIvà HII

Khi nối tiếp các bơm, chất lỏng đến bơm thứ hai có áp suất đáng kể Do đó, khi nối tiếp

áp suất ở bơm II có thể vượt áp suất cho phép theo điều kiện bền Trong trường hợp như vậyphải đặt bơm II cách xa bơm I, ở chỗ mà áp suất chất lỏng vào bơm II trong mức độ cho phép

Điểm này có thể xác định bằng cách xây dựng đường cong áp suất của đường ống

Giả sử lắp thêm bơm nữa vào hệ thống trên, từ đồ thị có thể thấy nó sẽ ảnh hưởng đếntoàn bộ hệ thống Đường đặc tính tổng khi đó được nâng lên, điểm là việc A sẽ dịch sang phải,lưu lượng qua bơm tăng Đó là do khi lắp thêm bơm, năng lượng chất lỏng nhận được tăng,nếu cột áp tĩnh của hệ thống ống không đổi thì năng lượng bổ sung chuyển thành động nănglàm tăng vận tốc chất lỏng Cột áp và công suất các bơm dĩ nhiên sẽ thay đổi Nếu bơm có

đường đặc tính công suất đi lên thì khi lắp thêm bơm, công suất các bơm sẽ tăng lên so với trước khi lắp Khi ghép nối tiếp các bơm có đặc tính dốc, đặc tính tổng sẽ dốc hơn Khi đó hệ

thống có thể thay đổi cột áp trong phạm vi rộng mà lưu lượng ít biến đổi

Các bơm làm việc song song sử dụng để tăng sản lượng, thường là trong các hệ thống yêucầu có sản lượng thay đổi trong phạm vi lớn Khi đó nếu dùng một bơm có sản lượng lớn đểthoả mãn yêu cầu tối đa, khi cần lưu lượng nhỏ thì hiệu suất không cao và công suất của máymoóc không được khai thác hết Dưới tầu, để hạn chế số lượng các bơm và sử dụng chúng mộtcách có hiệu quả nhất thường dùng các bơm có nhiều công dụng khác nhau, chúng có thể làmviệc độc lập trong hệ thống này hay kết hợp với nhau phục vụ cho các hệ thống khác khi cầnlưu lượng lớn (ví dụ trong các hệ thống hút khô, dằn, cứu hoả) Mặt khác, bố trí theo kiểu nàynâng cao tính dự phòng các hệ thống Các bơm khi làm việc song song trên một đường ống dàithường được đặt gần nhau trong phạm vi một phòng máy Hình 3.48, b cho sơ đồ hệ thống haibơm Vì các bơm I và II nằm gần nhau, đường ống dài nên có thể bỏ qua sức cản trên các

Hình 3.48 Xác định chế độ làm việc các bơm ghép: a)- nối tiếp; b)- song song.

nhánh riêng (tới điểm O) Giả sử mực bể hút ngang nhau Khi đó cột áp các bơm như nhau vì

áp suất ở điểm O như nhau Thay hai bơm bằng một có sản lượng bằng tổng sản lượng cácbơm lấy ở cùng cột áp Khi thay thế như vậy, sản lượng của hệ thống không thay đổi Để có

đặc tính tổng của hai bơm cần phải cộng hoành độ các điểm trên các đường cột áp của haibơm, lấy ở cùng tung độ, tức là cộng các đường cột áp bơm I và II theo chiều ngang Giao của

đặc tính tổng này với đặc tính hệ thống cho điểm làm việc A Hoành độ điểm A bằng tổng lưulượng hai bơm QI+QII, tung độ là cột áp HI=HII Qua diểm A vẽ đường thẳng song song trụchoành, giao của đường này với các đường cột áp I và II là các điểm làm việc C và D của cácbơm I và II

Sau đây sẽ xác định chế độ làm việc trong trường hợp hai bơm làm việc song song đặt xanhau đáng kể (Hình 3.49) Khi đó không thể bỏ qua sức cản của các nhánh ống hút và đẩytrước điểm B, điểm nối các ống nhánh Giả sử bể hút của các bơm có mực chất lỏng chênhnhau Lấy mặt chuẩn so sánh là mực chất lỏng bể hút bơm I, cột áp toàn bộ của chất lỏng tại B,nếu bỏ qua thành phần cột áp động, sẽ là:

)g/(

p

z

Để giải bài toán đặt ra, ta phải thiết lập được quan hệ của cột áp y ở thiết diện B với lưu

lượng chất lỏng trong các nhánh ống của hệ thống Viết phương trình Becnuli cho các nhánh

AB, CB và BD

Đoạn AB Cột áp của bơm I tiêu tốn để nâng chất lỏng lên độ cao zB, tạo ra cột áp áp suất

pB/(g) và tổn thất thuỷ lực hABtrên đoạn AB (bỏ qua cột áp động tại thiết diện B):

AB B

Để xây dựng quan hệ của y với lưu lượng trong ống AB, theo phương trình (3.65), từ

đường đặc tính cột áp I của bơm I phải trừ đi tổn thất thuỷ lực hABtrên đoạn AB, tổn thất này tỉ

lệ với bậc hai lưu lượng Bằng cách này thu được đường IB gọi là đặc tính của bơm I qui về

CB B

C B

II (z z ) p /( g) h

y=HII+zC-h CB (3.6 6)Muốn xây dựng đường quan hệ giữa y và lưu lượng bơm II chỉ cần dịch đặc tính II của

bơm II lên một đoạn bằng zCvà trừ tung độ đi một đoạn bằng hCB Đường IIB là đặc tính bơm IIqui về điểm B

Đoạn BD Phương trình Becnuli cho thiết diện B và D có dạng (bỏ qua cột áp động ở thiết

diện B):

z B+p B /(  g)=z D+h BD

Do đó

Để xây dựng đường cong BD quan hệ giữa y và lưu lượng trên đoạn BD cần phải cộng

thêm vào zD một lượng bằng tổn thất trên đoạn BD- tỉ lệ với bậc hai của lưu lượng

Lưu lượng trong ống BD bằng tổng lưu lượng các ống nhánh AB và CB:

QBD=QI+QII (3 68)

Ta xây dựng đường quan hệ của y với lưu lượng tổng trong các ống AB và CB, IB+IIB.

Muốn vậy, cộng hoành độ các đường đặc tính qui đổi IB và IIB ứng với từng giá trị y (cộng các

đường cong IB và IIB theo phương ngang) Hệ thống khi đó sẽ làm việc ở giá trị y mà lưu lượng

trong ống BD bằng tổng lưu lượng các ống AB và CB, tức là tại điểm mà hoành độ của đặctính tổng IB+IIB bằng với hoành độ của đường BD Giao điểm M của các đường cong thoả mãn

điều kiện này Hoành độ của M có giá trị bằng lưu lượng trong ống BD, tung độ có trị số bằng

y Biết giá trị y có thể tìm trên các đường đặc tính qui đổi của các bơm lưu lượng QI và QIItrong các ống AB và CB, sau đó từ QIvà QII đã biết sẽ xác định được cột áp HI và HII của cácbơm

Từ đồ thị có thể rút ra một số nhận xét sau khi các bơm làm việc song song

1 Lưu lượng tổng nhỏ hơn tổng lưu lượng của các bơm khi làm việc riêng rẽ trong cũng hệthống ấy Lưu lượng tổng chỉ bằng tổng lưu lượng các bơm khi hoạt động riêng cộng lại khisức cản hệ thống bằng không (điều này không thể có) Khi các bơm đồng thời làm việc, lưu

lượng tổng trong đường ống chung tăng, tổn thất thuỷ lực tăng Khi đó cột áp yêu cầu tăng, do

đó lưu lượng các bơm giảm so với khi làm việc một mình Đối với bơm li tâm, công suất cácbơm sẽ giảm khi làm việc song song Mặt khác, hiệu quả của việc ghép càng cao, tức là lưulượng tăng được nhiều khi ghép thêm bơm, khi sức cản đường ống càng nhỏ, hay nói cách khác

là đặc tính ống thoải

2 Khi lưu lượng một bơm giảm vì một lí do nào đó (vòng quay giảm, tiết lưu một nhánhống đẩy v.v.) sẽ dẫn đến tăng lưu lượng và công suất bơm kia Hoặc ngược lại, vòng quay củamột bơm tăng sẽ dẫn đến giảm lưu lượng ở ống nhánh kia Điều này cần lưu ý đến khi, ví dụ,

bố trí hệ thống làm mát chung cho hai động cơ điezel, các bơm do các động cơ lai

3 Số lượng các bơm có thể ghép song song cũng có giới hạn do đặc tính chung của cácbơm và đặc tính hệ thống quyết định Ghép song song các bơm có đặc tính thoải với nhau, đặctính chung sẽ tiến đến đường nằm ngang nhanh, hệ thống có thể thay đổi lưu lượng rộng trongkhi cột áp ít thay đổi.

3.6.7 Sự làm việc của bơm trong đường ống rẽ nhánh

Trên hình 3.50 mô tả sơ đồ hệ thống có các nhánh Bơm cấp chất lỏng cho hai bể chứa C

và D nằm ở các độ cao khác nhau Yêu cầu đặt ra là phải xác định được chế độ làm việc củabơm và lưu lượng qua các nhánh

Có hai khả năng có thể xảy ra

1 Cột áp áp suất tại B lớn hơn mực chất lỏng trong bình D (y>zD) Trong trường hợp này,chất lỏng từ B sẽ được đưa tới bình C cũng như D

2 Cột áp áp suất tại B thấp hơn mực chất lỏng ở bình D (y<zD) Khi đó chất lỏng trong

đường ống BD chảy theo hướng từ D về B

Trước tiên chúng ta xét trường hợp thứ nhất Viết phương trình chuyển động của chất lỏngtheo các đường ống AB, BC và BD

Đường ống AB Cột áp bơm chuyển thành công nâng chất lỏng lên độ cao zB, tạo ra cột áp

áp suất pB/(g) ở điểm B và khắc phục sức cản đường ống hAB(bỏ qua cột áp động ở B):

từ đó

z B +p B /(  g)=y=H-h AB (3.70)Dựa vào (3.70) dựng được đồ thị cột áp y phụ thuộc lưu lượng trong đường ống AB bằng

cách trừ tung độ đặc tính bơm H=f(Q) đi một lượng bằng hAB Kết quả thu được đặc tính bơm Bqui về điểm B, đường nét đứt trong hình vẽ

Đoạn BC Từ phương trình Becnuli đối với hai thiết diện B và C, bỏ qua các thành phần cột

y=z D +h BD, (3.72)

và dựng được đồ thị BD- phụ thuộc của y vào lưu lượng trong ống BD

Vì lưu lượng qua ống AB bằng tổng lưu lượng các ống nhánh

Q AB =Q BC +Q BD,

nên ta dựng đường BC+BD-quan hệ giữa y và lưu lượng qua AB, bằng cách cộng hoành độ các

đường BC và BD Hệ thống bơm làm việc với giá trị cột áp y, trong đó lưu lượng qua ống AB

bằng tổng lưu lượng trong các ống BC và BD, tức là giao của hai đường BC+BD và đặc tínhbơm qui đổi B (điểm M trên đồ thị) Hoành độ điểm M bằng lưu lượng ống AB, bằng sản lượng

bơm và tung độ bằng y, cột áp tại B Biết sản lượng bơm, có thể xác định được cột áp bơm H

trên đường đặc tính bơm H=f(Q) Khi biết giá trị cột áp tại B cũng có thể xác định lưu lượngcác ống nhánh BC và BD (hoành độ điểm E và F) Điểm G là điểm làm việc của hệ thống khicột chiều cao cột chất lỏng trong BD bằng cột áp áp suất điểm B, lưu lượng qua ống BD bằngkhông, hoành độ điểm G là lưu lượng qua AB và BC

Chuyển sang trường hợp thứ hai (hình 3.51), cột áp áp suất tại B thấp hơn mực chất lỏng

trong bình D

Phương pháp giải bài toán cũng tương tự như trên Các phương trình chuyển động của chất lỏngtrong các ống AB và BC vẫn giữ nguyên Do đó, cách xây dựng các đường B và BC- đườngcong y phụ thuộc vào lưu lượng trong các ống AB và BC, cũng như ở trường hợp đầu

Xét chuyển động chất lỏng trong ống BD Phương trình Becnuli cho hai thiết diện D và B

có dạng:

Do đó, để dựng đường BD, đường y phụ thuộc và lưu lượng trong ống BD, cần phải trừ

hằng sốz Dđi một lượngh BDbằng tổn thất trên đoạn BD

Lưu lượng trong ống BC bằng tổng lưu lượng trong các ống AB và BD: QBC=QAB+QBD, do

đó bằng cách cộng hoành độ các đường B và BD sẽ có được đường B+BD- biểu diễn quan hệgiữa y và lưu lượng tổng trong ống BC Điểm làm việc M của hệ thống là giao của các đường

B+BD và BC, tại đó cột áp áp suất tại B bằng y, lưu lượng trong ống BC bằng tổng lưu lượng

trong các ống AB và BD Biết lưu lượng bơm, xác định được cột áp bơm H trên đường đặc tínhH=f(Q) Điểm G xác định độ cao mực chất lỏng trong bình D, tại đó chất lỏng không chảytrong ống BD

Đ 3.7 Bơm xoáy lốc

3.7.1 Giới thiệu chung

Bơm xoáy lốc là một dạng đặc biệt của bơm li tâm, trên vỏ xung quanh bánh cánh phía

đầu mặt có rãnh vòng Trong bơm chất lỏng chuyển động theo quĩ đạo xoáy ốc, từ rãnh vòngquay lại bánh cánh nhiều lần nên nhận được thêm năng lượng bổ sung, bánh cánh truyền chochất lỏng cột áp lớn Bơm xoáy lốc có các ưu nhược điểm sau

1 So với bơm li tâm cùng kích thước và tốc độ quay nó có thể tạo ra cột áp lớn hơn 39lần

2 Nhiều bơm xoáy lốc có khả năng tự hút, tức là khả năng hút chất lỏng khi khởi độngkhông cần mồi, khởi động nhanh chóng Ngoài ra, nhiều bơm có khả năng làm việcvới các chất lỏng dễ bay hơi (xăng, rượu), hỗn hợp chất lỏng và khí hoặc chất lỏng ởtrạng thái bão hoà

3 Nhược điểm của bơm xoáy lốc là hiệu suất thấp, thường không quá 45% Các kết cấuphổ biến nhất có hiệu suất 35- 38% Hiệu suất thấp là lí do cản trở sử dụng bơm xoáylốc ở công suất lớn Các bơm được chế tạo có sản lượng chỉ tới 12 lit/s, cột áp đạt250m, công suất từ 25 KW trở xuống

4 Bơm xoáy lốc thích hợp trong trong phạm vi ns=440 (trong phạm vi này bơm xoáy

lốc có hiệu suất lớn hơn bơm li tâm, nhưng vẫn nhỏ hơn bơm pitton) Vòng quay củabơm xoáy lốc, cũng như đối với các bơm cánh, chỉ hạn chế bởi hiện tượng xâm thực.Dùng bơm xoáy lốc đối với các chất lỏng có độ nhớt lớn không có lợi do tăng sức cảnnhớt và hiệu suất giảm mạnh Trị số Re thích hợp Re=uR/>20000, trong đó R- bán kính trọng tâm thiết diện rãnh; u- vận tốc vòng

5 Dưới tàu bơm được sử dụng trong các hệ thống:

- cấp nước nồi hơi phụ, hút chân không bầu ngưng;

- làm mát động cơ điezel công suất nhỏ, đặc biệt thích hợp ở các hệ thống có nhiệt độgần nhiệt độ sôi;

- bơm chuyển nhiên liệu nhẹ;

- trong các hệ thống cấp nước vệ sinh, hút khô, nối tiếp với các bơm li tâm

3.7.2 Kết cấu bơm xoáy lốc

Bộ phận làm việc của bơm là bánh cánh 1 có cánh hướng kính hoặc nghiêng về phía trước(hình 3.52) nằm trong vỏ hình trụ với khe hở đầu mặt (dọc trục) nhỏ (khe hở hướng trục

=0,07-0,2 mm; hướng kính =0,15-0,3 mm) ở các mặt bên và chu vi ngoài của vỏ có rãnh

đồng tâm 2, rãnh bắt đầu từ cửa hút và kết thúc ở cửa đẩy Giữa cửa đẩy và hút là khu vực làm

Hình 3.52 Sơ đồ cấu tạo bơm xoáy

kín 4, chỉ có các khe hở hướng kính và hướng trục nhỏ Chất lỏng theo đường ống hút 5 vàorãnh, chuyển động trong đó do tác dụng của bánh cánh đến cửa đẩy.

Bơm xoáy lốc có hai loại: kín và hở Hình 3.52 mô tả bơm xoáy lốc kiểu kín, trong đó

chất lỏng từ đường ống dẫn vào thẳng rãnh 2 Trong các bơm xoáy lốc hở (hình 3.53), chấtlỏng từ ống dẫn 1 vào khoang 2, từ đó qua cửa sổ 3 vào bánh cánh 4 và chỉ qua bánh cánh mớivào được rãnh 5 (cho nên gọi chính xác hơn là bánh cánh hở) Tiếp theo, chất lỏng chuyển

động trong rãnh do tác dụng của bánh cánh, qua cửa 8 (thẳng ra theo hướng mũi tên) vàokhoang đẩy 6 rồi ra qua đường ống đẩy 7 Các bơm trong hình (3.52) và (3.53) đều có các rãnh

hở, cuối rãnh có cửa thông với ống đẩy hoặc khoang đẩy nằm trên cùng bán kính với rãnh.

Loại này không có khả năng tự hút nếu không có thêm bộ phận đặc biệt khác Các loại bơmxoáy lốc có khả năng tự hút có rãnh cụt- rãnh nằm ở bán kính lớn hơn cửa hút và đẩy, bắt đầu

từ cửa hút, kết thúc ở cửa đẩy, bánh cánh kiểu hở và cửa hút đẩy nằm ở cùng bán kính (hình

3.59)

Bánh cánh kiểu hở có từ 1224 cánh theo phương hướng kính (hình 3.54)

Bánh cánh kiểu kín có số cánh nhiều hơn (2436 cánh), cánh có chiều dài ngắn hơn (hình3.55) Các bánh cánh kiểu c, d, g, h thích hợp với nsnhỏ (cột áp lớn); a, b và e thích hợp với nslớn hơn

3.7.3 Quá trình làm việc trong bơm xoáy lốc

Bánh cánh bơm xoáy lốc làm việc tương tự như bơm li tâm, hút chất lỏng từ khu vực phíatrong (bán kính nhỏ) và đẩy ra phần bên ngoài rãnh (bán kính lớn) Nhờ vậy xuất hiện xoáy(hình 3.56) Khi qua bánh cánh, chất lỏng thu được vận tốc vòng thành phần (dọc theo rãnh)

lớn hơn của chất lỏng trong rãnh Khi hoà trộn chất lỏng đang chảy trong rãnh và từ bánh cánh

ra, chất lỏng trong rãnh nhận xung lực theo hướng chuyển động của bánh cánh làm áp suất dọc

Hình 3.54 Hình dạng mặt cắt bánh cánh hở

Hình 3.55 Một số hình dạng bánh cánh kiểu kín và rãnh trên thân

bơm

theo rãnh tăng dần Quĩ đạo chuyển động của chất lỏng là đường xoắn vít tiến so với vỏ, và lùi

so với bánh cánh Bởi vậy, chất lỏng liên tục vào và ra khỏi bánh cánh, nhận năng lượng nhiềulần

Để hiểu rõ cơ chế trao đổi năng lượng trong bơm xoáy lốc, ta xét mô hình chuyển động

đơn giản hoá của chất lỏng qua bơm Giả sử, chuyển động của chất lỏng trong rãnh có thànhphần vận tốc dọc theo đường tâm rãnh không đổi Co, chất lỏng vào bánh cánh có thành phầndọc theo rãnh Cu1=Co và ra khỏi rãnh với vận tốc dọc theo rãnh Cu2=u, u- vận tốc vòng củabánh cánh ở trọng tâm thiết diện rãnh Vận tốc xoáy ở trong rãnh và trong bánh cánh coi nhưbằng nhau Nếu kí hiệu q, m3/(s.m), là lượng chất lỏng đi ra từ bánh cánh vào rãnh trên một đơn

vị chiều dài trong thời gian một giây, động lượng dọc theo rãnh của chất lỏng ra khỏi bánhcánh là:

trong đó F- diện tích thiết diện ngang của rãnh

Tích phân phương trình trên với giả thiết q=const, được gia số của áp suất dọc theo rãnh:p=ql(u-Co)/F

Từ đó có cột áp lí thuyết

Hlt=p/(g)=ql(u-Co)/(gF) (3.74)Thay sản lượng của bơm Q=FCo vào (3.74) được hàm cột áp lí thuyết phụ thuộc vào lưulượng

) F

Q u

Vì q và l không đổi, đường đặc cột áp tính lí thuyết của bơm là đường thẳng đi xuống Từcông thức tính công suất có ích (2.2), kể đến (3.75), ta thu được công thức tính công suất có ích

lí thuyết (vì đã bỏ qua rò lọt, cột áp động và các tổn thất khác) của bơm xoáy lốc

Phương trình (3.76) là đường parabol Hàm đạt giá trị cực đại tại Q sao

0 ) F

Q 2 u

2 max

tl



Công suất theo (3.76) mới chỉ kể đến gia tăng của áp suất chất lỏng qua bơm, do đó khác

xa so với công suất tiêu thụ của bánh cánh Thật vậy, có thể coi công suất tiêu thụ cho bánhcánh bằng chênh lệch động năng của chất lỏng vào và ra khỏi bánh cánh trên một đơn vị thờigian (nếu bỏ qua các tổn thất thuỷ lực) Dựa vào các giả thiết ở trên, thành phần xoáy như

nhau, ta có công suất tiêu thụ lí thuyết của bánh cánh, hay công suất thuỷ lực:

) F

Q u ( 2

ql ) Co u ( 2

ql ) Cu Cu ( 2

ql ) C C

2 2

1

2 2

2 1

2 Q

Fu

Q 2

N

Ne

 (3.78)Như vậy, có thể thấy hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào tỉ số Q/(Fu) Hiệu suất i=1 khiQ=Fu ở dưới sẽ chứng minh, khi sản lượng gần bằng Fu, cột áp bơm và, do đó, công suất cóích sẽ bằng không, công suất tiêu thụ khác không Khi đó hiệu suất có ích của bơm bằngkhông Hoà trộn các phần tử chất lỏng có vận tốc khác nhau tạo ra xoáy lốc mạnh dẫn đến tổnthất năng lượng đáng kể Một phần cột áp chất lỏng nhận được

từ bánh cánh bị tiêu hao để khắc phục sức cản thuỷ lực trong

bánh cánh và lực ma sát thành phần kinh tuyến trong rãnh

Ngoài ra còn các tổn thất lưu lượng do rò lọt qua các khe hở Tất

cả các tổn thất này làm cho hiệu suất lớn nhất của bơm max<i

Thường chế độ tối ưu của các bơm xoáy lốc ở lưu lượng

Q0,5Fu Khi đó i0,5 và hiệu suất có ích tối đa của bơm

max0,5

Như vậy, quá trình làm việc của bơm xoáy lốc luôn kèm

theo các tổn thất năng lượng lớn không tránh được, làm hiệu suất

bơm xoáy lốc thấp Thực tế cho thấy, hiệu suất bơm xoáy lốc

không quá 50%

Giả sử lưu lượng chất lỏng trong rãnh Q=Fu Khi đó vận tốc

vòng bánh cánh bằng vận tốc vòng của chất lỏng trong rãnh Chất

lỏng trong bánh cánh và trong rãnh cùng quay như một vật thể

thống nhất Các lực tạo ra xoáy dọc không còn, q=0 Do đó sẽ

không diễn ra sự trao đổi năng lượng nào Do có tổn thất thuỷ lực

nên cột áp bơm sẽ có giá trị âm, nó bằng không ở lưu lượng

Qmax=maxFu

Kinh nghiệm cho thấy max=0,71 Lưu lượng càng bé,

chênh lệch vận tốc vòng của chất lỏng trong bánh cánh và rãnh

Hình 3.57 Đặc tính lí thuyết bơm xoáy lốc

càng lớn, các lực tạo xoáy dọc càng lớn- q tăng, và cột áp càng

lớn Do đó, khi lưu lượng giảm, cột áp bơm xoáy lốc tăng mạnh

hơn so với lí thuyết (hình 3.58)

Từ những phân tích trên thấy quá trình làm việc của bơm

xoáy lốc khác với các bơm cánh, tuy vậy, chúng có nhiều đặc

điểm giống nhau (đơn giản và giống nhau của kết cấu, vòng quay

cao, đặc tính giống nhau v.v.) Đặc tính của bơm

xoáy lốc có thể tính chuyển sang vòng quay hoặc kích thước khác

như ở Đ 3.4 Điều đó cho phép sử dụng các bơm có sẵn để thiết kế

u k

Các điều kiện vào của chất lỏng trong bơm xoáy lốc kiểu hở và các bơm cánh khác không

khác nhau nhiều, do đó lí thuyết xâm thực của bơm cánh cũng áp dụng được cho bơm xoáy lốc

Cụ thể là đối với bơm xoáy lốc các phương trình (3.60) và (3.61) cũng thích hợp

Trị số xâm thực tới hạn của các bơm xoáy lốcth=0,4…0,75 tuỳ theo hình dạng cánh Đốivới các bơm li tâmth=0,15…0,4 Như vậy, về mặt xâm thực chất lượng bơm xoáy lốc kém hơnbơm li tâm Đó là chủ yếu do ở các bơm xoáy lốc góc tấn ở cửa vào bánh cánh lớn và mép cánhbơm có tính thuỷ động kém

Trong các bơm xoáy lốc kín, chất lỏng được dẫn thẳng vào rãnh trên vỏ rồi nó vào bánhcánh ở bán kính lớn, có vận tốc vòng và vận tốc tương đối lớn, cho nên tính xâm thực của bơm

rất thấp Chuyển động của chất lỏng ở đoạn vào rãnh phức tạp vì cùng với chuyển động từnhánh ống hút vào rãnh còn có xoáy dọc, đến nay vẫn chưa có phương pháp giải tích để tính dựtrữ xâm thực tới hạn của bơm Để tăng cường tính chống xâm thực người ta còn lắp thêm tầngcánh li tâm trước bơm xoáy lốc Bơm như vậy gọi là bơm xoáy lốc li tâm

3.7.5 Làm việc của bơm xoáy lốc ở chế độ tự hút

Phần lớn bơm xoáy lốc có khả năng tự hút Nhưng để có thể tự hút được, trước khi khởi

động trong bơm phải có sẵn một lượng nước nhỏ còn lại từ các lần làm việc trước

Trên hình 3.59 mô tả sơ đồ bơm xoáy lốc kiểu hở và có rãnh cụt Cửa đẩy b nằm ở bán

kính nhỏ hơn so với rãnh Rãnh không thông trực tiếp với cửa đẩy, chất lỏng đi từ rãnh ra cửa

đẩy qua các ngăn giữa các cánh trong bánh cánh Khi bắt đầu làm việc, chất lỏng trong bơm

dưới tác dụng của lực li tâm từ các ngăn trong

bánh cánh đi vào trong rãnh trên vỏ Không khí trong ống hút đi vào các ngăn cánh vừa đượcgiải phóng (ở khu vực chân cánh xuất hiện độ chân không) qua cửa a Khi quay cùng bánh cánh

đến khu vực cửa đẩy b, do thể tích giảm, chất lỏng đi từ rãnh vào bánh cánh nén khí ra cửa đẩy

Hình 3.58 Đặc tính thật của bơm xoáy lốc