21 Hình 18: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của chênh lệch áp suất tĩnh giữa đầu vào và đầu ra theo lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt thuận khác nhau.. 21 Hình 19: Đồ thị biểu diễn sự th
Lý thuyết liên quan: Máy thủy khí
Máy thủy khí là thiết bị hoạt động dựa trên việc trao đổi năng lượng với dòng chất lỏng, bao gồm các loại như bơm, turbine, quạt và máy nén Trong bài thí nghiệm này, chúng ta sẽ tập trung vào quạt, một loại máy thủy khí mà lưu chất tương tác chủ yếu là không khí.
Có thể phân loại máy thủy khí theo nhiều cách khác nhau:
• Theo tính chất trao đổi năng lượng với chất lưu:
✓ Nhận năng lượng của lưu chất, biến đổi thành cơ năng (turbine nước, turbine gió…)
✓ Cung cấp năng lượng cho lưu chất (bơm, quạt, máy nén…)
Hình 1 Máy nhận năng lượng (Turbine gió) và máy cung cấp năng lượng (bơm)
• Theo nguyên lý tác dụng với chất lưu trong quá trình trao đổi năng lượng:
Máy cánh dẫn chuyển động quay của bánh công tác để trao đổi động năng và thế năng với lưu chất Các thông số như vận tốc lưu chất, áp suất lối ra và lối vào là những yếu tố quan trọng để xác định trạng thái hoạt động của máy Máy cánh dẫn được chia thành hai loại chính: máy ly tâm và máy hướng trục.
Máy thể tích là thiết bị trao đổi năng lượng với chất lưu dựa trên nguyên lý nén chất lỏng trong một thể tích kín, dưới tác động của áp suất thủy tĩnh, với dạng năng lượng chủ yếu là áp năng Thiết bị này có khả năng hoạt động hiệu quả ở áp suất cao nhưng lưu lượng thấp Vận tốc của máy là yếu tố quyết định đến hiệu suất hoạt động của nó.
Tùy vào mục đích sử dụng như độ cao cột áp và lưu lượng, việc lựa chọn máy thủy khí phù hợp là rất quan trọng Hình 2 minh họa vùng phân bố cột áp theo lưu lượng của ba loại máy thủy khí phổ biến: máy thể tích, máy cánh dẫn ly tâm, và máy cánh dẫn hướng trục, thường được sử dụng trong bơm nước.
Máy cánh dẫn ly tâm, như được minh họa trong Hình 3, hoạt động bằng cách cho lưu chất vào tâm các rotor, nơi cánh xoay đẩy lưu chất ra bên ngoài và gom lại trong một buồng góp để dẫn ra lối ra Với vận tốc quay cao, lưu chất nhận được động năng lớn, tạo ra chênh lệch áp suất giữa lối ra và lối vào khi động năng chuyển hóa thành áp năng Mặc dù máy cánh dẫn ly tâm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nó vẫn gặp một số hạn chế như áp suất tĩnh thấp sau máy và tiếng ồn.
Hình 3: Mô hình máy cánh dẫn ly tâm
Các đại lượng đặc trưng của máy cánh dẫn ly tâm bao gồm:
• Lưu lượng thể tích đo bằng vòng chắn:
Trong đó: (đơn vị hệ SI)
𝑑: đường tính vòng chắn lưu lượng
𝑃0: chênh lệch áp suất khi qua vòng chắn lưu lượng 𝜌: khối lượng riêng không khí
𝐶d: hệ số lưu lượng 𝐴: diện tích tiết diện cắt ngang
𝑃1, 𝑃2: áp suất phía trước và phía sau bánh công tác
𝑉1, 𝑉2: vận tốc lưu chất ở lối vào và lối ra của quạt
Thiết bị thí nghiệm và vận hành
Lắp đặt hệ thống thí nghiệm
Tiến hành nối dây cho thiết bị thí nghiệm theo Hình 11 Sau khi hoàn tất, bật hai công tắc TỔNG và MAINS; đèn "Power" sẽ sáng khi có điện và đèn "Active" sẽ sáng khi thiết bị được kết nối với máy tính.
- Các công tắc TỔNG và MAINS phải ở vị trí OFF khi lắp đặt
- Hạn chế tháo – lắp nhiều lần
Hình 7: Nối dây thiết bị thí nghiệm.
Phần mềm tương tác
Phần mềm tương tác của FM40 kết nối với máy tính qua cổng USB Có hai phiên bản của chương trình là:
FM40-306 (/FM40-306/Setup.exe) là phiên bản cũ của phần mềm, yêu cầu người dùng phải cài đặt trước khi sử dụng Chương trình này chỉ hỗ trợ giao tiếp với các cổng COM có giá trị nhỏ hơn 9.
FM40-308 (/FM40 new Software/FM40/Program/Cs308.exe) là phiên bản phần mềm mới, cho phép tự động quét các cổng COM kết nối với máy tính và có thể chạy ngay mà không cần cài đặt.
- Trong một số trường hợp yêu cầu cài đặt FM40-306 trước khi sử dụng FM40-
308 Nếu máy tính không tự động nhận cổng COM cần cài đặt Driver
- Sinh viên có thể được yêu cầu trả lời các câu hỏi trắc nghiệm trong phần mềm FM40-
Hình 8: Thư mục cài đặt chương trình tương tác của FM40
2.2.2 Hướng dẫn cài đặt Driver:
Right click My Computer Manager Chọn Device manager ở cột bên trái Kiểm tra Mục Port (COM & LPT) IDF7:
Nếu có dấu chấm thang màu vàng xuất hiện, điều đó có nghĩa là Driver chưa được cài đặt Để khắc phục, bạn cần nhấp chuột phải và chọn "Cập nhật phần mềm driver" Hãy chỉ đến thư mục FM40-306 để chương trình tự động cài đặt driver Sau khi cài đặt xong, hãy khởi động lại máy tính và kiểm tra kết nối.
• Nếu không có dấu chấm thang màu vàng và chỉ thị “Watchdog enable” trên phần mềm tương tác sáng chứng tỏ chương trình đã kết nối thành công
Phần này sẽ trình bày cách sử dụng chương trình FM40-306, cách sử dụng FM40- 308 tương tự (thao tác trên các icon lớn hơn ở cột bên trái)
Các chức năng trên hình 10:
Thay đổi cửa sổ tổng quan, số liệu, bảng số liệu…
Thiết đặt một số hằng số
Các số liệu tính toán/đo đạc về momen xoắn, vận tốc góc, lưu lượng… Điều khiển quạt bật/tắt, vận tốc quạt…
Giá trị các cảm biến
“Set zero” giá trị các cảm biến trước khi tiến hành ghi nhận số liệu.
Các đại lượng cần lưu ý
• Đường kính bánh công tác D = 180 mm
• Hệ số lưu lượng Cd = 0.596
• Áp suất khí quyển Pa = 101 kPa
• Đường kính ống hút d1 = 95 mm
• Đường kính ống đẩy d2 = 75 mm
Bài 1: Khảo sát đường đặc tính quạt ly tâm
Mục đích và yêu cầu thí nghiệm
Hiểu phương pháp khảo sát và vẽ đường đặc tính của quạt ly tâm khi hoạt động ở tốc độ không đổi
Thực hiện thí nghiệm tại tốc độ quay của động cơ không đổi (FS0%), thu thập số liệu và vẽ được các đồ thị:
- Đường đặc tính của quạt (các loại áp suất theo lưu lượng thể tích)
- Các loại công suất theo lưu lượng thể tích
- Hiệu suất theo lưu lượng thể tích
Sau đó nhận xét xu hướng biến thiên, điểm cực trị của các đại lượng.
Nguyên lý
Việc chọn quạt phù hợp cho hệ thống hiện có dựa vào đường đặc tính của quạt, thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và lưu lượng tại một tốc độ động cơ nhất định Điều này giúp quá trình lựa chọn trở nên chính xác và dễ dàng hơn.
Tiến hành thí nghiệm
Xoay phần miệng đầu ra của quạt để mở hoàn toàn và đặt tốc độ quạt ở mức tối đa (FS 100%) để ghi lại lưu lượng tối đa Tiếp theo, điều chỉnh miệng đầu ra về vị trí lưu lượng nhỏ nhất và ghi lại giá trị này Cuối cùng, nhấn nút để lưu kết quả tại vị trí này.
Để xác định bước nhảy lưu lượng, bạn cần chia khoảng từ lưu lượng nhỏ nhất đến lớn nhất thành nhiều khoảng đều nhau, tối thiểu là 10 khoảng Việc chọn số lượng khoảng chia hợp lý sẽ giúp quá trình thao tác trở nên dễ dàng hơn.
Mở từ từ miệng đầu ra của quạt và quan sát sự thay đổi của lưu lượng Khi lưu lượng dao động quanh giá trị cần lấy kết quả, dừng thay đổi ở miệng đầu thổi, chờ ổn định và bấm nút để ghi nhận kết quả Tiếp tục mở miệng đầu ra của quạt từ từ với mức lưu lượng tăng dần theo bước nhảy cho đến khi lấy được kết quả ở lưu lượng tối đa.
- Lưu lại kết quả thí nghiệm (đồ thị, bảng số liệu): File => Save As.
Quy trình xử lý số liệu
Thực hiện các bước thí nghiệm như trên, ta tiến hành đo và dùng các công thức để xử lý số liệu, ta được bảng số liệu:
Bảng 1: Bảng số liệu bài 1.1
Bảng 2: Bảng số liệu bài 1.2
Kết quả và nhận xét
Từ bảng số liệu trên, vẽ các đồ thị:
Đồ thị tổng áp suất theo lưu lượng thể tích cho thấy đường nội suy của cả hai cánh quạt thuận và ngược chiều không có sự khác biệt Áp suất tổng có xu hướng tăng khi lưu lượng thể tích tăng, với giá trị cực tiểu khoảng 0.84 - 0.85 kPa tại lưu lượng 11.4 – 11.5 l/s và giá trị cực đại khoảng 1.12 kPa tại lưu lượng tương ứng.
Khi lưu lượng vượt quá ngưỡng cực đại của áp suất tổng 98 (l/s), áp suất tổng có xu hướng giảm khi lưu lượng thể tích tiếp tục tăng.
Hình 12: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của chênh lệch áp suất tĩnh giữa đầu vào và đầu ra theo lưu lượng thể tích
Chênh lệch áp suất tĩnh giữa đầu vào và đầu ra của máy tăng dần theo lưu lượng, nhưng khi lưu lượng đạt giá trị cực đại, áp suất chênh lệch lại giảm Cả hai trường hợp cánh quạt thuận và ngược chiều đều thể hiện xu hướng này Giá trị chênh lệch áp suất cực tiểu và cực đại lần lượt là khoảng 0.72 kPa và 0.94 kPa, tương ứng với lưu lượng khoảng 58 l/s và 114 l/s.
Tổng áp suất mà quạt cung cấp cho dòng khí theo lưu lượngthể tích Quay ngược chiều
Chênh lệch áp suất tĩnh giữa đầu vào và đầu ra theo lưu lượng thể tích Quay ngược chiều
Hình 13: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của chênh lệch áp suất tại vòng chắn lưu lượng theo lưu lượng thể tích
Khi vòng chắn lưu lượng mở rộng, lưu lượng sẽ tăng lên Ngược lại, khi vòng chắn đóng hoàn toàn tại vị trí bằng 0, lưu lượng cũng sẽ giảm xuống 0 Lưu lượng đạt cực đại khi vòng chắn mở hết biên độ Đường đồ thị trong các trường hợp so sánh bài 1.1 và 1.2 cho thấy không có sự khác biệt.
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất cơ khí của động cơ và lưu lượng thể tích cho thấy hai cánh quạt không có sự khác biệt lớn Đồng thời, hiệu suất cơ khí có xu hướng tăng dần khi lưu lượng thể tích tăng.
Chênh lệch áp suất tại vòng chắn lưu lượng theo lưu lượng thể tích
Poly (Quay ngược chiều) Poly (Quay thuận chiều)
Công suất cơ khí của động cơ theo lưu lượngthể tích
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất cánh quạt và lưu lượng thể tích cho thấy xu hướng tương tự như đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất cơ khí của động cơ và lưu lượng thể tích.
Đồ thị giữa hiệu suất cánh quạt và lưu lượng thể tích cho thấy có hai đường biểu diễn hiệu suất, trong đó đường hiệu suất cao hơn đại diện cho cánh quạt quay thuận chiều Hiệu suất cực đại của cánh quạt quay thuận chiều đạt khoảng 50% tại lưu lượng 100 l/s, trong khi hiệu suất cực đại của cánh quạt quay ngược chiều khoảng 47% tại lưu lượng 107 l/s.
Công suất do bánh công tác tạo ra theo lưu lượngthể tích Quay ngược chiều
Hiệu suất theo lưu lượngthể tích
Bài 2: Khảo sát đồng dạng động lực học của quạt ly tâm
Mục đích và yêu cầu thí nghiệm
Dự đoán được hoạt động của quạt tại một vận tốc từ một vận tốc khác cho trước dựa vào đồng dạng động lực học
Thực hiện thí nghiệm tại 2 tốc độ quay của động cơ không đổi (3009 rpm và 2018 rpm), thu thập số liệu và vẽ các đồ thị:
Các loại áp suất, công suất và hiệu suất được phân tích dựa trên lưu lượng thể tích tại hai tốc độ khác nhau Để chứng minh tính chính xác của đồng dạng động lực học, cần vẽ các đồ thị hệ số đồng dạng Việc này giúp thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố này một cách rõ ràng và dễ hiểu.
Đầu tiên, hãy xác định các hệ số đồng dạng, sau đó dự đoán giá trị tại tốc độ thứ hai dựa trên tốc độ thứ nhất Cuối cùng, tiến hành vẽ đồ thị để so sánh các giá trị tính toán được với giá trị đo thực tế.
Nguyên lý
Việc kiểm nghiệm quạt ở nhiều tốc độ khác nhau là khó khăn và không thực tế Đồng dạng động lực học cho phép dự đoán các yếu tố như áp suất, công suất và lưu lượng của một loại quạt dựa trên đặc tính của loại quạt khác đã biết Một số đại lượng vô thứ nguyên trong đồng dạng động lực học rất quan trọng trong quá trình này.
• Hệ số cột áp: C H gH 2 2
Đồng dạng động lực học cho phép kiểm soát hiệu quả các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả với độ chính xác cao Độ chính xác này tăng lên khi nhiều yếu tố như ma sát và độ nhám được xem xét trong mô hình đồng dạng Hai quạt được coi là động dạng hình học khí khi thỏa mãn các điều kiện nhất định.
- Có cùng số lá cánh
- Các kích thước về góc giống nhau
- Các kích thước tuyến tính tỉ lệ với nhau
Tiến hành thí nghiệm
Thực hiện tương tự mục 3.3 nhưng với 2 tốc độ động cơ khác nhau (2018 rpm và 3009 rpm).
Quy trình xử lý số liệu
Thực hiện các bước thí nghiệm như trên, ta tiến hành đo và dùng các công thức để xử lý số liệu, ta được bảng số liệu:
Bảng 3: Bảng số liệu bài 2.1 (FSW%) với vận tốc 2018 rpm
Bảng 4: Bảng số liệu bài 2.1 (FS%) với vận tốc 3009 rpm
Bảng 5: Bảng số liệu bài 2.2 (FSW%) với vận tốc 2018 rpm
Bảng 6: Bảng số liệu bài 2.2 (FS%) với vận tốc 3009 rpm
Kết quả và nhận xét
Từ bảng số liệu trên, vẽ các đồ thị:
❖ Trường hợp 1 (Bài 2.1): Quay thuận chiều
Hình 17: Đồ thị biểu diễn tổng áp suất tổng theo lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt (thuận) khác nhau
Đồ thị thể hiện sự biến đổi của chênh lệch áp suất tĩnh giữa đầu vào và đầu ra theo lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt khác nhau.
Tổng áp suất mà quạt cung cấp cho dòng khí theo lưu lượng thể tích rpm 18 rpm009
Chênh lệch áp suất tĩnh giữ đầu vào và đầu ra theo lưu lượng thể tích rpm 18 rpm009
Đồ thị trong hình 19 thể hiện sự biến đổi của chênh lệch áp suất tại vòng chắn lưu lượng dựa trên lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt thuận khác nhau.
Hình 20: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất cơ khí của động cơ theo lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt
Qv chênh lệch áp suất tại vòng chắn lưu lượng theo lưu lượng thể tích rpm 18 rpm009
Công suất cơ khí của động cơ theo lưu lượngthể tích rpm 18 rpm009
Hình 21: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất cánh quạt theo lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt (thuận) khác nhau
Hình 22: Đồ thị biểu diễn giữa hiệu suất cánh quạt và lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt (thuận) khác nhau
Nhận xét: ta thấy cả 6 đồ thị đều có xu hướng giống với những nhận xét cho từng đồ thị ở phần 3.5
Công suất do bánh công tác tạo ra theo lưu lượng thể tích rpm 18 rpm009
Hiệu suất theo lưu lượng rpm 18 rpm009
Biểu đồ đồng dạng cho trường hợp quay thuận chiều tại 2 mức vận tốc:
Hình 23: Đồ thị đồng dạng biểu thị qua Cpu và Cq (cánh thuận)
Hình 24: Đồ thị đồng dạng biểu thị qua Cq và CH (cánh thuận)
Hai đồ thị có điểm giá trị gần nhau và cùng xu hướng, cho thấy chúng có sự đồng dạng về động lực học Để xác minh nhận xét này, ta tiến hành kiểm tra lại với phương trình y = -5.0827x² + 129.3x + 5.6089.
Cp (Pu) Đồ thị đồng dạng biểu thị qua Cpu và Cq rpm = 2018 rpm = 3009 y = -1E-07x 2 + 0.0001x + 0.0708
Cq Đồ thị đồng dạng biểu thị qua Cq và CH rmp = 2018 rpm = 3009
Kiểm tra sự đồng dạng:
Giả sử tại Fan setting = 57%, với vận tốc 2018 rpm: công suất Pu.17 W, QvI.85 (l/s), tổng áp suất mà quạt cung cấp cho dòng khí PtF=0.34 kPa
Tại đó ta tính được:
Từ các hệ số vô thứ nguyên trên, ta dự đoán các giá trị tại tốc độ thứ 2, vận tốc 3009 rpm:
=P W (So sánh với kết quả đo được là 56.59 W)
= Q (l/s) (So sánh với kết quả đo được là 74 W)
= (kPa) (So sánh với kết quả đo được là 0.76 W)
Hình 25: Đồ thị so sánh giá trị Pu tính theo lí thuyết và đo thực nghiệm (cánh thuận)
Hình 26: Đồ thị so sánh giá trị Qv tính theo lí thuyết và đo thực nghiệm (cánh thuận)
Hình 27: Đồ thị so sánh giá trị PtF tính theo lí thuyết và đo thực nghiệm (cánh thuận)
Cp Đồ thị so sánh giá trị Pu tính theo lí thuyết và đo thực nghiệm
Giá trị P tính được từ hệ số
Cq Đồ thị so sánh giá trị Qv tính theo lí thuyết và đo thực nghiệm
Giá trị tính được từ hệ số
C_H Đồ thị so sánh giá trị PtF tính theo lí thuyết và đo thực nghiệm
Giá trị PtF tính được từ hệ sốGiá trị đo được
Dựa vào đồ thị, chúng ta có thể dự đoán hoạt động của quạt khi chuyển từ một vận tốc này sang một vận tốc khác, nhờ vào nguyên lý đồng dạng động lực học.
❖ Trường hợp 2 (Bài 2.2): Quay ngược chiều
Hình 28: Đồ thị biểu diễn tổng áp suất tổng theo lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt (ngược) khác nhau
Đồ thị trong Hình 29 minh họa sự biến đổi của chênh lệch áp suất tĩnh giữa đầu vào và đầu ra tương ứng với lưu lượng thể tích tại hai tốc độ quạt ngược khác nhau.
Tổng áp suất mà quạt cung cấp cho dòng khí theo lưu lượng thể tích rpm 1 8
Chênh lệch áp suất tĩnh giữ đầu vào và đầu ra theo lưu lượng thể tích rpm 18 rpm009
Đồ thị trong Hình 30 thể hiện sự biến đổi của chênh lệch áp suất tại vòng chắn lưu lượng, tùy thuộc vào lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt ngược khác nhau.
Hình 31 : Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất cơ khí của động cơ theo lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt
Qv chênh lệch áp suất tại vòng chắn lưu lượng theo lưu lượng thể tích rpm 18 rpm009
Công suất cơ khí của động cơ theo lưu lượngthể tích rpm 18 rpm009
Hình 32: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất cánh quạt theo lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt (ngược) khác nhau
Hình 33: Đồ thị biểu diễn giữa hiệu suất cánh quạt và lưu lượng thể tích ở hai tốc độ quạt (ngược) khác nhau
Cả 6 đồ thị đều cho thấy xu hướng tương đồng với những nhận xét đã được nêu trong phần 3.5, đồng thời cũng giống với các đồ thị của cánh thuận chiều.
Công suất do bánh công tác tạo ra theo lưu lượng thể tích rpm 18 rpm009
Hiệu suất theo lưu lượng thể tích rpm 18 rpm009
Biểu đồ đồng dạng cho trường hợp quay ngược chiều tại 2 mức vận tốc:
Hình 34: Đồ thị đồng dạng biểu thị qua Cp (Pu) và Cq (cánh ngược)
Hình 35: Đồ thị đồng dạng biểu thị qua Cq và CH (cánh ngược) y = -3.9499x 2 + 124.85x + 8.3659 y = -4.1543x 2 + 123.36x + 7.5213
Cp (Pu) Đồ thị đồng dạng biểu thị qua Cp (pu) và Cq rpm = 2018 rpm = 3009 y = -2E-07x 2 + 0.0001x + 0.0688 y = -2E-07x 2 + 0.0001x + 0.0698
Cq Đồ thị đồng dạng biểu thị qua Cq và CH rpm = 2018 rmp = 3009
Các điểm giá trị trên hai đồ thị có sự tương đồng cao và cùng xu hướng, cho thấy chúng có tính đồng dạng động lực học Do đó, cần kiểm tra lại nhận xét này để xác nhận tính chính xác.
Kiểm tra sự đồng dạng:
Ta tính các hệ số đồng dạng ở vận tốc 2018 rpm trước, từ đó dự đoán giá trị tại tốc độ
3009 rpm từ tốc độ 2018 rpm trước đó, tiến hành vẽ đồ thị so sánh giá trị của 2 phương pháp, ta ra được đồ thị như sau:
Hình 36: Đồ thị so sánh giá trị Pu tính theo lí thuyết và đo thực nghiệm
Hình 37: Đồ thị so sánh giá trị Q tính theo lí thuyết và đo thực nghiệm
Cp Đồ thị so sánh giá trị Pu tính theo lí thuyết và đo thực nghiệm
Giá trị Pu tính được từ hệ số
Cq Đồ thị so sánh giá trị Q tính theo lí thuyết và đo thực nghiệm
Giá trị Q tính được từ hệ số