KHẢO sát, ĐÁNH GIÁ sự ẢNH HƯỞNG của số lá CÁNH HƯỚNG DÒNG máy bơm CHÌM HƯỚNG TRỤC đến đặc TÍNH NĂNG LƯỢNG của bơm BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG

Nguyễn Minh Tuấn Viện Cơ khí Động lực – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội nguyentuan.ctb.hn@gmail.com TÓM TẮT Bài báo trình bày khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của số lá cánh bộ phận hướng dò

KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LÁ CÁNH HƯỚNG DÒNG MÁY BƠM CHÌM HƯỚNG TRỤC ĐẾN ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG

CỦA BƠM BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG

SURVEY AND ASSESS THE INFLUENCE OF THE NUMBER OF VANES IN THE DIFFUSER CASING AXIAL FLOW SUBMERSIBLE PUMPS TO PUMP’S

ENERGY CHARACTERISTICS BY SIMULATION SOFTWARE

GS.TS Nguyễn Thế Mịch, PGS.TS Nguyễn Văn Bày, ThS Nguyễn Minh Tuấn

Viện Cơ khí Động lực – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

nguyentuan.ctb.hn@gmail.com

TÓM TẮT

Bài báo trình bày khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của số lá cánh bộ phận hướng dòng đến đặc tính năng lượng của máy bơm chìm hướng trục phục vụ sản xuất nông nghiệp và các mục đích khác thông qua mô phỏng số bằng phần mềm mô phỏng thủy lực chuyên dụng

Từ khóa: máy bơm chìm hướng trục, số lá cánh bộ phận hướng dòng, đặc tính năng

lượng, phần mềm mô phỏng

ABSTRACT

This paper present of survey and assess the influence of the number of vanes in the diffuser casing axial flow submersible pump to pump’s energy characteristics service agricultural production and other purposes by simulation software

Keywords: Axial flow submersible pump, number of vanes in the diffuser casing, energy characteristics, simulation software

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Bộ phận bánh công tác, buồng bánh công tác và miệng loe hút của máy bơm chìm hướng trục không khác biệt đối với máy bơm hướng trục, tuy nhiên, bộ phận hướng dòng của bơm chìm hướng trục có góc loe lớn hơn nhiều so với bơm hướng trục thông thường Dòng chảy qua hệ thống cánh dẫn dòng bơm chìm hướng trục không còn là dòng hướng trục mà chuyển sang dòng chéo với góc lệch so với phương dọc trục một góc α = γloe/2 Do đó, dòng chảy trở nên phức tạp Cần nghiên cứu đầy đủ bộ phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục với sự tác động khác nhau về mặt thủy lực cũng như kết cấu (số lá cánh bộ phận hướng dòng, góc loe, số vòng quay đặc trưng của máy bơm,…), trong đó số lá cánh bộ phận hướng dòng là một trong những yếu tố cần nghiên cứu Kết quả thu được sẽ cho phép đánh giá được mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến đặc tính năng lượng của bơm, từ đó lựa chọn được mẫu profin lá cánh hướng dòng, xác định được kết cấu và các kích thước cơ bản tối ưu của bộ phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục

Với sự phát triển ngày càng cao của công nghệ phần mềm, việc đánh giá chất lượng sản phẩm thực tế thông qua mô phỏng số là đáng tin cậy và chính xác trước khi đưa vào sản xuất Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả trình bày kết quả khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của số

lá cánh bộ phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục đến đặc tính năng lượng của bơm thông qua mô phỏng số bằng phần mềm mô phỏng thủy lực chuyên dụng

2 ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LÁ CÁNH BỘ PHẬN HƯỚNG DÒNG MÁY BƠM CHÌM HƯỚNG TRỤC BẰNG MÔ PHỎNG SỐ

2.1 Xác định sự ảnh hưởng của số lá cánh bánh công tác và cánh hướng dòng trong bơm hướng trục chìm

Tổn thất trong máy cánh dẫn nói chung và máy bơm chìm hướng trục nói riêng là vấn

đề quan trọng, cần được quan tâm vì nó ảnh hưởng lớn đề hiệu suất của bơm Khi tổn thất nhỏ, hiệu suất của bơm sẽ cao và ngược lại Giá trị hiệu suất cao của bơm là một trong những yếu tố cơ bản để tính toán, lựa chọn kiểu bơm, kết cấu hệ thống dẫn dòng (miệng loe hút, bánh công tác, bộ phận hướng dòng,…), phương pháp tính toán và công nghệ chế tạo các chi

tiết chính của máy bơm [1, 5]

Cũng như bơm hướng trục thông thường, tổn thất thủy lực trong máy bơm chìm hướng trục chịu sự ảnh hưởng của các bộ phận chính của máy bơm là: miệng hút, miệng xả, bánh công tác và cánh hướng dòng

Ảnh hưởng của số lá cánh hướng dòng trong máy bơm chìm hướng trục được xác định thông qua các thông số kết cấu của hệ thống cánh Khi xét đến ảnh hưởng của bánh công tác

và cánh hướng dòng thường đề cập đến những yếu tố: độ mau của lưới cánh l/t; góc đặt cánh α; số lá cánh; vị trí tương đối giữa lưới cánh bánh công tác và cánh hướng dòng χ và góc loe của bộ phận hướng dòng γloe [1, 2, 4]

Các thông số trên đều có ý nghĩa quyết định đến hiệu suất của máy bơm chìm hướng trục Tuy nhiên, trong khuôn khổ của bài báo chỉ xem xét những ảnh hưởng của số lá cánh bánh công tác và cánh hướng dòng cũng như cách lựa chọn số lá cánh của chúng

a) Ảnh hưởng của số cánh dẫn hữu hạn tới cột áp máy bơm [1, 3, 4, 5]

Phương trình cơ bản của máy cánh dẫn được thành lập trên cơ sở lý thuyết dòng tia Điều kiện để có các giả thiết theo lý thuyết dòng tia là số cánh dẫn nhiều vô cùng và cánh dẫn mỏng vô cùng, chất lỏng làm việc là chất lỏng lý tưởng (không nhớt)

Trong thực tế, số cánh dẫn của bánh công tác và cánh hướng dòng là có hạn, cánh dẫn

có chiều dầy và chất lỏng làm việc có độ nhớt, vì vậy, cột áp thực tế của máy sẽ khác với cột

áp lý thuyết tính theo phương trình cơ bản

Tỷ số giữa cột áp lý thuyết với số cánh dẫn hữu hạn (Hlt) và cột áp lý thuyết với số cánh dẫn nhiều vô cùng Hlt∝ được ký hiệu bằng:

p u

' u lt

p 1

1 V

V H

H

= +

=

=

∞ (1)

Kp = 1/(1+p) là hệ số ảnh hưởng của số cánh hữu hạn của bánh công tác, có giá trị nhỏ hơn 1 V’2u và V2u – thành phần vận tốc xoáy tại lối ra bánh công tác (hình 1)

V2m

V2u

Hình 1 Tam g iác vận tốc của dòng chất lỏng ở lối ra của bánh công tác với sự ảnh

hưởng của số cánh hữu hạn

Cột áp lý thuyết của bánh công tác có số cánh hữu hạn xác định theo (2):

p 1

H H

K

+

=

= ∞ ∞ (2)

Hệ số Kp (hay p) phụ thuộc vào kết cấu của bánh công tác và vào tính chất vật lý của chất lỏng vận chuyển Hệ số Kp được tính gần đúng theo các công thức thực nghiệm khác nhau của Prôskuara, Maizel, Stađôla, Phơlâyđererơ,…

Xác định hệ số p theo các công thức (3):

S

R Z p

2 2

ψ

Trong đó:

S – mômen tĩnh của đường trung bình của cánh trong tiết diện kinh tuyến:

=

∆

=

1 i

tb i 2

1

rdS

Hệ số ψ phụ thuộc vào số vòng quay đặc trưng Đối với các bánh công tác có nS > 200,

hệ số ψ xác định theo công thức (5):

2 2

2 2

2

tg U

V 3 , 13 7 ,



























 β +

=

Hệ số Kpđược xác định theo công thức của Stadora theo gia số vận tốc xoáy (6):

u u 'u U2sin 2

Z V V

Qua đó xác định vận tốc V'2u và hệ số Kp:

2 u

2

V

U Z 1

K = − π β (7)

b) Chọn số lá cánh bánh công tác và cánh hướng dòng trong bơm chìm hướng trục

Theo kinh nghiệm thiết kế, số lá cánh bánh công tác được chọn theo quan điểm về kết cấu Số cánh của bánh công tác bơm hướng trục xác định theo công thức (8) [1, 3, 4, 5]:

bau mep

m b tb 1

R R

tb t

l ) α (α R 0,15) (0,12

Z

−













−

÷

=

(8) Trong đó: Rtb – bán kính trung bình tiết diện prôfin cánh bánh công tác

αb, αm – góc đặt cánh ở tiết diện bầu và mép ngoài Đối với máy bơm hướng trục, số lá cánh hướng dòng được xác định theo công thức của Stariski khi biết số lá cánh bánh công tác (9):

2 2 2

2

1

247 , 0 164 , 0

bien

K K

t

l Z

+













(9)

Ở đây: Z1 – số lá cánh bánh công tác; Z2 – số lá cánh hướng dòng;

KQ – hệ số lưu lượng; KH – hệ số cột áp và ηtl – hiệu suất thủy lực Ngoài ra, có thể dựa vào số vòng quay đặc trưng để chọn số lá cánh bánh công tác, cánh hướng dòng và tỷ số bầu cánh, cụ thể như trong bảng 1

Bảng 1 Lựa chọn số lá cánh bánh công tác dựa vào số vòng quay đặc trưng [2, 5]

b

Quá trình tính toán thiết kế máy bơm hướng trục chìm cũng tuân thủ theo các quy tắc của bơm hướng trục, số lượng lá cánh bánh công tác và cánh hướng dòng cũng được tính toán lựa chọn theo các phương pháp khác nhau Tùy từng trường hợp yêu cầu về thông số máy bơm cụ thể, có thể chọn phương pháp xác định số lá cánh cho phù hợp Thông qua thực nghiệm mới đánh giá đúng được tỷ số giữa lá cánh bánh công tác và cánh hướng dòng đã lựa chọn là tối ưu hay chưa

Công nghệ tin học ngày càng phát triển nhanh, do đó, trước khi đưa vào sản xuất để phục vụ phải tiến hành thử nghiệm máy bơm trên hệ thống thử ở phòng thí nghiệm Thông qua kết quả thử nghiệm, có thể đánh giá sơ bộ kết quả tính toán, lựa chọn kết cấu hệ thống dẫn dòng của bơm bằng phần mềm mô phỏng dòng chảy chuyên dụng Có nhiều chương trình phần mềm để thực hiện công việc này

2.2 Mô phỏng dòng chảy trong máy bơm chìm hướng trục bằng phần mềm mô phỏng số

Dòng chảy trong máy bơm chìm hướng trục thường được mô phỏng bằng các phần mềm: Fluent – Ansys, Flex PDE, Pumpal,… Mỗi phần mềm có những ưu điểm và nhược điểm riêng, tuy nhiên, các phần mềm trên đều dựa trên nền tảng của CFD Thuật ngữ CFD - Computational Fluid Dynamics (tính toán động lực học lưu chất có sự trợ giúp của máy tính)

là một ngành khoa học chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chảy, truyền nhiệt, các phản ứng hóa học bằng việc sử dụng quá trình tính toán số để giải các phương trình toán học liên quan

Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả trình bày sự ảnh hưởng của các trường hợp số lá cánh thông dụng hiện nay thông qua mô phỏng số với các trường hợp khác nhau [1, 2, 3]:

Trường hợp 1: số lá cánh bánh công tác Z1 = 3, số lá cánh hướng dòng Z2 = 8 của máy bơm chìm hướng trục

Thông số kỹ thuật của máy bơm mô hình sử dụng để mô phỏng (công suất động cơ điện chìm: N = 55kW, cột áp thiết kế: Htk = 3m, lưu lượng tính toán: Qtt = 3.300m3/h, số vòng quay: n = 590v/ph)

Với thông số nêu trên, ta tính được số vòng quay đặc trưng ns = 916, tương đương với mẫu bơm OП6 (Liên Xô cũ), với số lá cánh bơm mẫu là Z1 = 3, Z2 = 8

Bằng chương trình phần mềm CFD, xét ở trường hợp góc loe bộ phận hướng dòng

γloe = 420;khi đó, dòng chảy trong hệ thống cánh được thể hiện trên các hình (2÷6)

Hình 2 Lựa chọn kết cấu bánh công tác, bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =3, Z 2 = 8

Hình 3 Mô phỏng véctơ vận tốc trong hệ thống cánh máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =3, Z 2 = 8

Hình 4 Mô phỏng độ lớn vận tốc dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =3, Z 2 = 8

Hình 5 Mô phỏng góc của véctơ vận tốc dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =3, Z 2 = 8

Đường cong đặc tính theo mô phỏng số trong trường hợp này được trình bày trên hình 6

Hình 6 Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục có Z 1 =3, Z 2 = 8

Với trường hợp này, hiệu suất thủy lực của máy bơm tại điểm thiết kế (Qtt = 3.300m3/h, Htk = 3m), qua mô phỏng số, hiệu suất đạt ηb ≈ 72,5%

Trường hợp 2: Cũng với các thông số của máy bơm như trong trường hợp 1, nhưng số

lá cánh bánh công tác Z1 = 4, số lá cánh hướng dòng Z2 = 5 Khi đó, tình hình dòng chảy trong máy bơm chìm hướng trục được mô phỏng trên các hình (7÷9)

Hình 7 Lựa chọn kết cấu bánh công tác, bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =4, Z 2 = 5

Hình 8 Mô phỏng giá trị độ lớn vận tốc dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =4, Z 2 = 5

Hình 9 Mô phỏng góc của véc tơ vận tốc dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =4, Z 2 = 5

Đường cong đặc tính năng lượng của bơm trong trường hợp này được thể hiện trên hình 10

Hình 10 Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục có Z 1 = 4, Z 2 = 5

Qua mô phỏng số trên hình 10, ta có mẫu cánh với Z1 = 4; Z2= 5, hiệu suất đạt ηb≈ 73% tại điểm Qtt = 3.300m3/h, Htk = 3,0m

Trường hợp 3: Xét dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có số lá

cánh bánh công tác Z1 = 5, số lá cánh hướng dòng Z2 =9 (mẫu OП2) của máy bơm chìm hướng trục

Các thông số kỹ thuật của máy bơm mẫu để mô phỏng như sau:

+ Công suất động cơ điện chìm: N = 55kW, cột áp thiết kế: Htk = 4,5m, lưu lượng tính toán: Qtt = 2.600m3/h và số vòng quay: n = 590v/ph

Khi đó, số vòng quay đặc trưng của bơm là: ns = 592

Tình hình dòng chảy trong máy bơm chìm hướng trục với thông số nêu trên với trường hợp góc loe bộ phận hướng dòng γloe = 420được mô phỏng trên các hình (11÷14)

Hình 11 Lựa chọn kết cấu bánh công tác, bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =5, Z 2 = 9

Hình 12 Mô phỏng véctơ vận tốc dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =5, Z 2 = 9

Hình 13 Mô phỏng giá trị vận tốc dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =5, Z 2 = 9

Hình 14 Mô phỏng góc véctơ vận tốc dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =5, Z 2 = 9

Đường đặc tính năng lượng của máy bơm trong trường hợp 3 được trình bày trên hình 15

Hình 15 Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục có Z 1 = 5, Z 2 = 9

Khi ấy, hiệu suất máy bơm qua mô phỏng số tại điểm thiết kế là Qtt = 2.600m3/h,

Htk = 4,5m và ηb≈ 73%

3 NHẬN XÉT CHUNG

Bằng phần mềm chuyên dụng, sau khi khảo sát dòng chảy qua bánh công tác và cánh hướng dòng trong mỗi trường hợp khác nhau với số lá cánh khác nhau, có thể nhận định như sau:

- Ở cả 03 mẫu cánh đều xuất hiện vùng có vận tốc dòng chảy qua bộ phận hướng dòng nhỏ hơn so với dòng chảy xung quanh (thể hiện bằng hình mầu xanh lam tại các hình 4; 8 và 13) Áp suất tại các vùng này nhỏ hơn áp suất của các vùng xung quanh, nghĩa là xuất hiện chân không tại khu vực đã nêu Vùng dòng chảy lân cận có xu hướng bị “hút” vào để cân bằng áp suất, vì vậy, tạo nên dòng xoáy trong bơm gây tổn thất thủy lực và làm giảm hiệu suất của máy bơm Điều này được thể hiện bằng góc của véctơ vận tốc thay đổi (vùng màu cam –

đỏ trên hình 5; 9 và 14) Các trường hợp trên đều xuất hiện vùng xoáy dòng Phân tích tình hình dòng chảy trong phần dẫn dòng bơm chìm hướng trục thông qua các chương trình phần mềm mô phỏng cho thấy, các hiện tượng vật lý theo mô phỏng phù hợp với hiện tượng quan sát được trong thực tế ở các phần dẫn dòng máy bơm chìm hướng trục công suất 55kW Các thông số đầu vào phục vụ cho tính toán trong chương trình mô phỏng cũng phù hợp với các điều kiện biên dùng cho thiết kế bơm chìm hướng trục Hơn nữa, các phần mềm mô phỏng tiên tiến hiện nay trên thế giới được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có lĩnh vực máy thủy lực cánh dẫn Bên cạnh đó, thực tế sử dụng của các đơn vị nghiên cứu cũng như các đơn vị sản xuất chuyên ngành máy thủy lực ở trong và ngoài nước cho thấy đạt kết quả tốt Thực tế trên cho phép khẳng định bài toán mô phỏng là phù hợp và tin cậy

- Các đường đặc tính của các trường hợp số lá cánh khác nhau bằng mô phỏng số, ta nhận thấy, đối với máy bơm chìm hướng trục cùng trị số góc loe γloe, số lá cánh của hệ thống cánh không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất của máy bơm Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế, có thể quyết định lựa chọn các trị số hệ thống cánh cho phù hợp

- Nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng (trị số góc loe bộ phận hướng dòng, hệ số tỷ tốc) của máy bơm chìm hướng trục nhằm đánh giá toàn điện sự ảnh hưởng các yếu tố trên đến đặc tính năng lượng của bơm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Bày Báo cáo khoa học đề tài cấp thành phố Hà Nội: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và lắp đặt máy bơm chìm hướng trục trục đứng phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp và chống úng ngập cho thành phố Hà Nội, 2011

[2] Gorơghi gian nhiân S.A, Diaghilep A.I Máy bơm chìm dùng cho cấp nước NXB Chế tạo

máy, Leningrat, 1968

[3] A J Stepanoff, Ph.D Lý thuyết tính toán máy bơm ly tâm và bơm hướng trục NXB

Krieger, Malabar, Frorida (Mỹ), 1992

[4] Lômakin A.A Bơm ly tâm và hướng trục Bản dịch từ tiếng Nga của Lê Phu, Lê Duy

Tùng, Đặng Xuân Thi NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1971

[5] Mikhailôp A.K, Maliusenko V.V Máy bơm cánh dẫn - lý thuyết, tính toán và kết cấu

NXB Chế tạo máy, Moscơva, 1977