Bài giảng Cao học Cơ sở khoa học nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực - GS.TS. Lê Chí Nguyện

Đường đặc tính tổng hợp máy bơm xác định bằng các công thức đồng dạng trên đây sẽ có mức độ chính xác cần thiết vì trong điều kiện mô hình tự động thì hiệu suất thủy lực,[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ MÔN KỸ THUẬT HẠ TẦNG VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

-* -

BÀI GIẢNG CAO HỌC

CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC

GS TS.LÊ CHÍ NGUYỆN

HÀ NỘI - 2013

MỞ ĐẦU

Máy bơm và trạm bơm là một loại thiết bị và công trình được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân

Nhằm mục đích tưới tiêu và cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, đến nay chúng ta đã xây dựng nhiều trạm bơm lớn, nhỏ

Tất cả các trạm bơm trên đều do cán bộ kỹ thuật nước ta thiết kế, xây dựng và quản lý vận hành và đã phát huy hiệu quả tưới tiêu đảm bảo an toàn sản xuất nông nghiệp nâng cao năng suất và sản lượng cây trồng

Song song với các trạm bơm tưới tiêu có áp lực thấp xây dựng chủ yếu ở các vùng đồng bằng, các trạm bơm áp lực cao dùng để tưới cho các vùng đồi, cây chuyên canh, sử dụng các kỹ thuật tưới phun, tưới gốc…., các trạm bơm cấp nước cho các khu dân cư đang được xây dựng và phát triển

Để đáp ứng yêu cầu sản xuất, không ngừng hiện đại hóa hệ thống thủy lợi

ở nước ta yêu cầu cấp thiết phải:

1 Nâng cao trình độ thiết kế, xây dựng đảm bảo công trình hiện đại, hợp

lý

2 Nâng cao trình độ khai thác vận hành để giảm chi phí quản lý, tăng hiệu quả tưới, tiêu và cấp thoát nước

Để đáp ứng các yêu cầu trên, cần thiết phải nghiên cứu để giải quyết những vấn đề sau đây :

Về máy bơm :

1 Xác định được một gam bơm hợp lý phủ được toàn bộ các yêu cầu dùng bơm trong cả nước

2 Hiện đại hóa thiết bị và trình độ chế tạo

3 Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống dẫn dòng thủy lực (bánh xe cánh quạt, cánh hướng nước…) để nâng cao hiệu suất bơm, kết cấu bơm gọn nhẹ

4 Nghiên cứu áp dụng các vật liệu mới nâng cao độ bền, giảm trọng lượng, chống khí thực, nước va…

Về trạm bơm:

1 Nghiên cứu xác định quy mô tối ưu các hệ thống tưới tiêu bằng động lực

2 Nghiên cứu xác định các thông số thiết kế hợp lý Zh, Zt, H, Q… cho các trạm bơm tưới, tiêu và cấp nước

3 Nghiên cứu các kết cấu nhà trạm phù hợp với các loại thiết bị bơm và yêu cầu về nền móng và các điều kiện tự nhiên khác

4 Nghiên cứu hình dạng và cấu tạo hợp lý các công trình hút nước, tháo nước

5 Phương pháp tính toán tối ưu mạng ống tưới và cấp nước

6 Nghiên cứu lập chương trình điều khiển, vận hành tối ưu các trạm bơm

và hệ thống tưới tiêu cấp nước bằng động lực

Những vấn đề trên được giải quyết dựa vào các cơ sở

- Lý thuyết phân tích hệ thống

- Lý thuyết tối ưu

- Lý thuyết về thủy lực và cơ chất lỏng

- Các phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý…

Cuốn sách này giúp người đọc nâng cao một số kiến thức chủ yếu về máy bơm, trạm bơm và cung cấp một số vấn đề cơ sở có thể áp dụng để giải quyết các bài toán về hệ thống tưới tiêu và cấp nước bằng động lực

CHƯƠNG I:

ĐẶC TÍNH MÁY BƠM VÀ TRẠM BƠM 1.1 ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH MÁY BƠM

1.1.1 Đường đặc tính máy bơm cánh quạt:

• Máy bơm cánh quạt là máy bơm có bánh xe công tác (BXCT) gắn cnh quạt v khi BXCT quay sẽ truyền năng lượng cho chất lỏng

• Đây là loại máy bơm được dng phổ biến nhất và được nghin cứu đầy đủ nhất

Máy bơm cánh quạt được phn ra thnh 3 loại theo hướng của dịng chảy chuyển động trong máy bơm so với trục bơm:

- M¸y b¬m ly t©m

- M¸y b¬m hưíng trơc

- M¸y b¬m hưíng chÐo

Đặc tính công tác của mỗi loại máy bơm biểu thị bằng các đường đặc tính máy bơm Đường đặc tính máy bơm là đường quan hệ giữa các thông số cột nước H, công suất N, hiệu suất và đặc tính hút (Độ cao chân không cho phép, độ cao hút cho phép hoặc độ dữ khí thực) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D

Với một máy bơm (D = const) làm việc với số vòng quay n = const có một họ đường đặc tính gồm H = f(Q), η = f(Q), N = f(Q), ∆H(NPSH) = f(Q) (hoặc [HCK] = f(Q))

Họ đường đặc tính này có dạng khác nhau tùy theo loại khác nhau của máy bơm cánh quạt Máy bơm cánh quạt có 3 loại :

- Bơm ly tâm : nS ≤ 300

- Bơm hướng chéo nS > 300 ÷ 500

- Bơm hướng trục nS > 500 Dạng đường đặc tính của ba loại máy bơm cánh quạt này (hình 1.1) có khác nhau

Q

Η

A

B

Ν=f(Q) Η=f(Q) C

A'

η

Q

Η Ν

η=f(Q)

Ν=f(Q)

Η=f(Q) η

Q

Η

Ν

η=f(Q)

Ν=f(Q) Η=f(Q)

a Bơm ly tâm b Bơm hướng chéo c Bơm hướng trục

Hình1 : Dạng đường đặc tính máy bơm cánh quạt

* Máy bơm ly tâm, là loại máy bơm truyền lực ly tâm cho chất lỏng, có hệ

số tỷ tốc nS ≤ 300 Họ đường đặc tính bơm ly tâm biểu thị ở hình 1-1a Dạng đường H = f(Q) có dạng cong trơn, phạm vi hiệu suất cao rộng, Đường N = f(Q) tăng dần theo lưu lượng

Máy bơm hướng trục truyền lực nâng cho chất lỏng có nS≥ 500 có họ đường đặc tính biểu thị ở hình 1.1.c Đường H = f(Q) và N = f(Q) giảm với tốc

độ lớn theo Q tăng và xuất hiện các cực đại và cực tiểu Vùng từ cực đại C về phía Q giảm đột ngột Đường hiệu suất η = f(Q) nhọn nên phạm vi hiệu suất cao thường rất bé

Máy bơm hướng chéo (hỗn lưu) là loại máy bơm truyền cho chất lỏng cả lực ly tâm và lực nâng, hệ số tỷ tốc nS = 300 ÷ 500 Các dạng đường đặc tính đều nằm trung bình giữa đường đặc tính của hai loại máy bơm li tâm và hướng trục Đặc biệt đường N = f(Q) thay đổi rất ít khi Q thay đổi làm cho động cơ làm việc khá ổn định

1.1.2 Sự tương tự của đường đặc tính máy bơm

Việc xác định các đường đặc tính máy bơm bằng lý thuyết có rất nhiều khó khăn Vì vậy hiện nay để có các đường đặc tính mỗi loại máy bơm đều dựa vào kết quả thí nghiệm đồng thời dùng phương pháp tương tự và phân tích thứ nguyên làm cơ sở để tổng hợp phát triển kết quả thí nghiệm

Phương pháp tương tự và thứ nguyên cho ta tìm được các quy luật quan hệ giữa cột nước H = f(Q,n,D), công suất N = f(Q,n,D) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D, khi đồng dạng hình học giữa 2 máy bơm đã được xác lập, tức là tỷ số kích thước hình học của hai bộ phận dẫn dòng của 2 máy bơm luôn luôn không thay đổi (l1 D1

const

Với một máy bơm (D = const) lưu lượng Q và số vòng quay n là đại lượng xác định chế độ làm việc của bơm; Tính chất của chất lỏng được biểu thị bằng mật độ ρ và hệ số nhớt µ Đối với chất lỏng là không nén được, sự chuyển động của chất lỏng trong máy bơm có thể được xác định bằng các thông số có thứ nguyên D,Q,n,ρ,µ

Cột nước H do bơm tạo ra cho chất lỏng và công suất N biểu thị qua mô men quay M được xác định bởi dạng chuyển động của chất lỏng trong bánh xe cánh quạt, do đó nó sẽ được xác định bởi các thông số có thứ nguyên nêu trên

Công thức thứ nguyên của các thông số trên :

D = (m); Q = (m3/s); n = (1/s); ρ = (KG.s2

/m4); µ = (KG.s/m2

)

Theo lý thuyết về thứ nguyên thì số tổ hợp các đại lượng không thứ nguyên m sẽ bằng hiệu số của số đại lượng có thứ nguyên p và số đại lượng có thứ nguyên độc lập k Ở đây số tổ hợp của các đại lượng không thứ nguyên m

= p – k = 5 – 3 = 2

Do đó ta có 2 tổ hợp Q

D

ρ

µ và

3

nD Q

Tổ hợp thứ nhất có dạng của số Raynôn và tổ hợp thứ hai có dạng số Strukhan

Ta có đại lượng thứ nguyên của mô men quay ( ; )

3 2

Q

nD Q

Q f n

µ

ρ ρ

và công suất N = ρn3

D5

3

M

f

ρ µ

Đại lượng không thứ nguyên của cột nước có thể xác định bằng tỷ số :

H =

,

M

f

ρ µ

Các quan hệ trên chưa tính đến tổn thất bề mặt thành khe cánh quạt và các tổn thất ổ trục

Cột nước H và công suất N phụ thuộc vào Q

D

ρ

µ hạn chế bằng một vùng rộng, trong đó hiện tượng chuyển động có tương tự cơ học khi:

1 Hai máy bơm đồng dạng hình học

2 Đảm bảo quan hệ nD3 const

Từ đó ta có các công thức đồng dạng :

3

3

2 2

2 2

5 3

5 3



=





 =







 =



Nếu tính đến tổn thất bề mặt có thể viết:

2

1

2 5 2

1 5 1

2 1

2 1

2 2 2

1 2 1

2 1

2 1

2 3 2 1 3 1

2 1

c c t t d d

n D

n D N N

n D

n D H H

n D

n D Q Q

η η η η η η

=

=

=

1.1.3 Đường đặc tính tổng hợp máy bơm

Với cùng một máy bơm thì 1

2

1

D

D = , các loại tổn thất thủy lực, tổn thất dung tích và tổn thất cơ khí trong một phạm vi rất rộng thay đổi không đáng kể Vì vậy quan hệ đồng dạng có dạng :

Trong vùng mô hình tự động có thể coi η = const đối với các điểm nằm trên đường parabol

H = 1 2

2 1

H Q Q

Từ các kết quả thí nghiệm máy bơm ứng với số vòng quay cho trước có thể vẽ lại đường đặc tính khi số vòng quay thay đổi Và ta có đường đặc tính tổng hợp của máy bơm (hình 1 – 2) Đường đặc tính tổng hợp máy bơm có được bằng cách trên cùng một đồ thị vẽ các đường đặc tính Hi = f(Q) ứng với số vòng quay ni = const và đường đẳng hiệu suất η

Ηm

0

5

10

15

20

25

Q l/s

160 120

80 40

n=960 v/ph

750 600

500

Hình 2: Đường đặc tính tổng hợp máy bơm

Xác định các đường đặc tính của một máy bơm bằng thí nghiệm thường

có những khó khăn và tốn kém Vì vậy khi đã có một đường đặc tính với một số vòng quay nào đó người ta có thể mở rộng phạm vi hoạt động của bơm ứng với

các số vòng quay cần thiết và hiệu suất của máy bơm sẽ đạt được ứng với một giá trị cột nước và lưu lượng

Đường đặc tính tổng hợp máy bơm xác định bằng các công thức đồng dạng trên đây sẽ có mức độ chính xác cần thiết vì trong điều kiện mô hình tự động thì hiệu suất thủy lực, hiệu suất dung tích và hiệu suất cơ khí trong bơm sẽ giữ không đổi trong giới hạn rất rộng và được sử dụng phổ biến trong xác định điểm làm việc của bơm điều tốc, ứng dụng biến tần để thay đổi vòng quay của bơm

1.1.4 Đường đặc tính toàn phần của bơm

Khi máy bơm làm việc bình thường số vòng quay n, lưu lượng Q, cột áp

H và mô men quay M có trị số dương Trong trường hợp có sự cố ở mức độ nào

đó, máy bơm sẽ làm việc trong chế độ thuận nghịch

Đường đặc tính toàn phần của một máy bơm biểu thị tính năng máy bơm trong các trạng thái công tác quá độ đó

Nếu biểu thị :

m

α

Trong đó hệ số h, q,α, m là tỷ số giữa cột nước, lưu lượng, số vòng quay

và mô men quay so với chế độ định mức (ứng với ηmax)

Quan hệ giữa các hệ số trên được biểu thị trên hệ tọa độ hình (1.3) và gọi là đường đặc tính toàn phần của máy bơm

-α

α= n nH

0 -50 -100 -150 50 100 150 200

B

C D E F

G

50 100 150

-50

-100

-150

+100%

+50%

-50%

-100%

h=0

m=0

h=0 m=

0 +100%

-100%

Hình 3: Đường đặc tính toàn phần của máy bơm Ghi chú :

: Đường m : Đường h Quy ước như sau: Quay thuận chiều (n>0), quay ngược chiều (n<0)

Bơm thuận chiều : H>0, Q>0;

Tự chảy qua máy bơm Q>0, H<0 Chảy ngược qua máy bơm Q<0, H>0

Từ quan hệ đó cho thấy đường đặc tính toàn phần chia làm 8 khu vực :

1 Khu vực A : Lưu lượng có trị số dương (lưu lượng bơm lên) và bơm quay thuận chiều (n>0) : bơm làm việc với trạng thái bơm thuận chiều

2 Khu vực B : Bơm quay thuận nhưng lưu lượng chảy ngược trong trường hợp này bơm nhận được năng lượng của dòng chảy (bắt đầu chảy ngược n>0, H>0, Q<0)

3 Khu C là khu vực máy bơm làm việc theo trạng thái tuốc bin (n<0, Q < 0, H>0) (Chảy ngược từ bể tháo qua máy bơm)

4 Khu D là khu vực máy bơm quay ngược, lưu lượng chảy ngược, máy bơm làm việc ở trạng thái hãm tiêu hao năng lượng ở dòng chảy và cả động cơ (Từ trạng thái Turbin sang trạng thái tự chảy n < 0, Q <0; H>0)

5 Khu E có n < 0 và Q> 0 và H>0 thuộc trạng thái làm việc bơm chuyển động ngược (kết thúc trạng thái bơm quay ngược bắt đầu chuyển sang trạng thái tự chảy qua bơm)

6 Khu F có n < 0 nhưng Q > 0, H < 0 và M < 0 thuộc trạng thái hãm (hãm chảy ngược khi bơm quay ngược, chuyển sang tự chảy từ bể hút qua bơm)

7 Khu G có n > 0, Q > 0 Nhưng cả H < 0, M < 0 là giai đoạn có trạng thái tuốc bin chuyển ngược (Tự chảy qua bơm nhưng vẫn còn mômen quay ngược theo đà)

8 Khu I có n > 0, Q > 0, M > 0, nhưng H < 0 là khu vực hãm (Hãm tự chảy qua bơm, chuyển sang bơm thuận chiều)

1.1.5 Số học hóa đường đặc tính máy bơm

Đường đặc tính của một máy bơm được xác định từ thí nghiệm Để có thể sử dụng trong tự động hóa thiết kế hoặc điều hành có thể biểu thị đường đặc tính dưới dạng hàm số phương trình số học

Có thể biểu thị các đường đặc tính H = f(Q), [HCK] = f(Q) và N = f(Q) dưới dạng đường cong bậc 2 Theo E.A.Grepera thì sai số về lưu lượng không quá 6% và cột nước không quá 3%

Các phương trình như sau :

2

2

2

CK







Trong đó : a x b x c x a x b x c x a x b x c x0 ( ), 0 ( ), 0 ( ); 1 ( ), ( ), ( ); 1 1 2 ( ), 2 ( ), 2 ( ); là các hệ số phụ thuộc vào các thông số điều chỉnh x Nếu không điều chỉnh, các hệ số trên là hằng số phụ thuộc từng loại máy bơm và có thể xác định bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất

Chẳng hạn muốn tìm a0, a1, a2 ta lấy 3 điểm bất kì trên đường H ∼ Q, tìm tọa độ được hệ 3 phương trình với 3 ẩn số a0, a1, a2 Giải hệ 3 phương trình này

ta được a0, a1, a2 Thông số điều chỉnh ở đây là góc nghiêng cánh quạt hoặc các

Chẳng hạn nếu máy bơm hướng trục có 6 khả năng thay đổi góc nghiêng cánh quạt thì sẽ có tương ứng 6 phương trình số học khác nhau biểu thị quan hệ

H = f(Q); [HCK] = f(Q) và N = f(Q)

Ngoài phương pháp số học hóa, để giải trên máy tính, có thể cho bằng bảng các đường đặc tính của máy bơm

1.2 MÁY BƠM LÀM VIỆC TRONG HỆ THỐNG

1.2.1 Điểm công tác máy bơm

Một máy bơm làm việc trong hệ thống sẽ làm việc ổn định tại một điểm, đó

là điểm công tác máy bơm

Điểm công tác máy bơm là điểm gặp nhau giữa hai đường : đường đặc tính máy bơm H = f(Q) và được đặc tính yêu cầu : Hyc

Hyc = Hdh + ht = Hdh + SQ2

Ở đây : Hdh : cột nước bơm địa hình

ht : tổng tổn thất thủy lực trên đường ống hút và ống đẩy của máy bơm Trong khu vực bình phương sức cản có thể viết : ht = SQ2 với S là hệ số tổn thất

Có nghĩa là điểm công tác là điểm cân bằng giữa năng lượng cung cấp của máy bơm và năng lượng yêu cầu ở môi trường sử dụng bơm

H = f(Q) = Hdh + SQ2

η

Q

Η

Ηyc=Hdh+SQ

[ΗCK]=f(Q)

Α

ηA

ΗΑ

[ΗCK ]Α

Hình 4 : Điểm công tác máy bơm

Nếu đặt Hdh = f(Q) – SQ2 thì điểm công tác máy bơm có thể tìm được khi biết Hdh = Zt - Zh

Ở đây : Zt, Zh là cao trình mực nước tháo và mực nước hút

Nếu biểu thị cột nước máy bơm :

H = a0(x) + a1(x)Q + a2(x)Q2 thì:

Hdh = a0(x) + a1(x)Q + [a2(x) – S]Q2 hay:

a0(x) + a1(x)Q + [a2(x) – S]Q2 – Hdh = 0 Nếu cột nước địa hình là hằng số Hdh = Zt - Zh = const thì phương trình trên sẽ có dạng một phương trình bậc hai cho phép có thể xác định giá trị nghiệm QA và từ đó xác định HA của điểm công tác A

1.2.2 Máy bơm làm việc song song

Có n máy bơm làm việc song song cùng làm việc chung với một đường ống (hình 1.5)

+ Hệ thống làm việc cân bằng khi :

PM1 = PM2 = … = PMn

+ Áp lực tại M do các máy bơm tạo nên :

PM = PMi = Phi + γ[Hi – (ZM - Zhi) -

] 2

M hi

ti

h g

−

−

Trong đó :

- Phi, Zhi và Vhi : áp lực, cao trình và lưu tốc ống hút tại bể hút

- PM, ZM và VM : áp lực, cao trình và lưu tốc tại điểm M

- hti : Tổn thất của đường ống máy bơm i từ bể hút đến M

- Hi : Cột nước bơm máy i + Để bơm nước lên cao trình ZN đáp ứng áp lực PN và lưu tốc VN, áp lực tại M phải bằng :

PM = PN + γ(ZN - ZM) +

2

tMN

h g

Trong đó :

- P , Z , V áp lực, cao trình, lưu tốc của mặt cắt cuối cùng của hệ