Tiểu luận bơm quạt máy nén: Tìm hiểu về bơm ly tâm và hiện tượng xâm thực

Tiểu luận bơm quạt máy nén: Tìm hiểu về bơm ly tâm và hiện tượng xâm thực, Tiểu luận bơm quạt máy nén: Tìm hiểu về bơm ly tâm và hiện tượng xâm thực,Tiểu luận bơm quạt máy nén: Tìm hiểu về bơm ly tâm và hiện tượng xâm thực

TỔNG QUAN VỀ BƠM LY TÂM

Khái quát về bơm ly tâm

1.1.1 Sơ lược về bơm ly tâm

Bơm ly tâm là một loại máy thuỷ lực cánh dẫn, trong đó năng lượng được trao đổi giữa máy và chất lỏng thông qua năng lượng thuỷ động của dòng chảy Bộ phận chính của bơm ly tâm là các bánh công tác với nhiều cánh dẫn, có vai trò quan trọng trong việc dẫn dòng chảy Biên dạng và góc độ của các cánh dẫn ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc dòng chảy, do đó, có ý nghĩa quyết định trong quá trình trao đổi năng lượng Khi bánh công tác quay, các cánh dẫn truyền cơ năng từ động cơ cho chất lỏng, tạo ra năng lượng thuỷ động cho dòng chảy.

Năng lượng thủy động của dòng chảy bao gồm hai thành phần chính: động năng và áp năng, với mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng Khi bơm hoạt động, sự biến đổi động năng luôn đi kèm với sự biến đổi áp năng Tuy nhiên, ở máy thủy lực cánh dẫn như bơm ly tâm, sự biến đổi áp năng chỉ đạt một giới hạn nhất định tùy thuộc vào cấu trúc máy Ngược lại, máy thủy lực thể tích chủ yếu trao đổi năng lượng dưới dạng áp năng, trong khi động năng không đáng kể Đối với bơm ly tâm, năng lượng cột áp chỉ tăng đến mức cần thiết, phần còn lại của năng lượng thủy động sẽ được chuyển hóa thành động năng.

Việc sử dụng máy bơm ly tâm để vận chuyển chất lỏng giữa các điểm mang lại nhiều lợi thế vượt trội so với các loại máy thủy lực khác.

1.1.2 Sơ đồ cấu tạo máy bơm

1- Bánh xe công tác; 2- Trục; 3- Đĩa trước; 4- Đĩa sau;

5- Bánh xe công tác; 6-Buồng xoắn; 7- Ống hút; 8- Ống đẩy

Bánh xe công tác là bộ phận chính và quan trọng nhất của bơm ly tâm, được lắp cố định trên trục Bánh xe công tác bao gồm một đĩa trước và một đĩa sau, giữa hai đĩa này là các cánh có chiều.

Máy bơm ly tâm trục ngang có thiết kế với một cửa vào và bánh xe quay ngược chiều, được đặt trong buồng xoắn Chất lỏng được dẫn vào bánh xe qua ống hút và được đẩy ra ngoài qua ống đẩy Để ngăn ngừa rò rỉ chất lỏng ra ngoài hoặc khí từ bên ngoài xâm nhập vào trong bơm, giữa trục bơm và vỏ bơm có lắp đặt vòng bít.

Trước khi bắt đầu bơm, ống hút và thân bơm cần được mồi bằng nước Khi bánh xe công tác quay, lực ly tâm khiến chất lỏng trong kênh giữa các cánh chuyển động ra ngoài với vận tốc lớn, sau đó vào buồng xoắn Tại đây, chuyển động của chất lỏng trở nên điều hòa hơn, với tiết diện buồng xoắn tăng dần, làm giảm vận tốc và chuyển đổi một phần áp lực động thành áp lực tĩnh Sau khi ra khỏi buồng xoắn, chất lỏng đi vào ống đẩy và chảy ra bể chứa Đồng thời, áp suất tại cửa vào bánh xe công tác giảm xuống dưới áp suất không khí, tạo ra chênh lệch áp suất, khiến nước từ bể hút liên tục chảy qua ống hút vào máy bơm.

Trong bơm ly tâm, quá trình hút và đẩy diễn ra liên tục, đồng thời Vì vậy sự cấp chất lỏng của bơm cũng liên tục và đều đặn

1.1.3 Các bộ phận chính của bơm ly tâm

1- đầu nối ống đẩy; 2-đầu nối ống hút; 3-buồng xoắn; 4- vỏ bơm; 5- ổ trục; 6-then lắp khớp nối trục; 7- trục; 8- đế; 9- buồng chứa dầu; 10- bích ép túp; 11-vòng túp; 12- vòng chia nước; 13- đĩa chủ động; 14- cánh bánh xe công tác; 15,20- đệm chống thấm; 16- đai ốc; 17- then lắp bánh xe công tác; 18- lỗ giãm tãi; 19- ống bao bảo vệ trục

1-Đĩa trước; 2-Đĩa sau; 3-Cánh; 4-Bạc 1- Cánh; 2- Đĩa; 3- Bạc

Bánh xe công tác là bộ phận quan trọng nhất của máy bơm, có nhiệm vụ truyền năng lượng từ động cơ cho chất lỏng Bánh xe công tác kiểu kín dẫn nước vào một phía và bao gồm đĩa trước và đĩa sau, trong đó đĩa sau được trang bị cánh bạc để lắp trục bơm.

Bánh xe kiểu hở khác với bánh xe kiểu kín ở chỗ không có đĩa trước và các cánh lắp sát với vỏ bơm Loại bánh xe này thường được sử dụng cho các bơm chất lỏng có hạt, như bơm bùn đất và bơm cát sỏi Ngoài ra, một số loại bơm giếng khoan cũng áp dụng bánh xe công tác kiểu hở.

Hình 1-5 Bánh xe công tác kiểu kín dẫn nước vào hai phía

Bánh xe dẫn nước vào hai phía gồm hai đĩa ngoài và một đĩa trong, với bạc lắp trục ở đĩa trong Loại bánh xe này thường được sử dụng cho các bơm có lưu lượng lớn, giúp cải thiện đặc tính làm việc của bơm Thiết kế dẫn nước vào bánh xe như vậy không tạo ra lực hướng trục khi bơm hoạt động, cho phép bố trí hai ổ trục ở hai phía bánh xe, từ đó tăng cường độ cứng vững của bơm.

Bánh xe công tác của bơm ly tâm thường có từ 6 đến 8 cánh, trong khi các bơm dùng để bơm chất lỏng bẩn hoặc bùn đất thường chỉ có 1 đến 4 cánh Kích thước phần dẫn dòng của bánh xe được xác định thông qua các tính toán thủy động học Bánh xe phải chịu tác động của nhiều lực, bao gồm phản lực dòng chảy, lực ly tâm và nếu bánh xe được lắp căng trên trục, còn có thêm phản lực tại vị trí lắp.

Hình 1-3 Bánh xe công tác kiểu kín dẫn nước vào một phía

Hình 1-4 Bánh xe công tác kiểu hở dẫn nước vào một phía

Việc thiết kế bánh xe không chỉ cần đáp ứng yêu cầu về thuỷ động lực và độ bền cơ khí mà còn phải tạo hình dạng thuận lợi cho quá trình đúc và gia công Công nghệ đúc hiện đại cho phép sản xuất bánh xe công tác với phần dẫn dòng có độ chính xác cao và bề mặt rãnh sạch, giảm thiểu nhu cầu gia công bổ sung.

Vật liệu chế tạo bánh xe công tác của bơm cần đảm bảo độ bền cơ học, khả năng giãn nở, và tính chống ăn mòn, chống mài mòn cao Chúng phải bền vững trong điều kiện làm việc bình thường và cả trong những chế độ đặc biệt Ngoài độ bền, vật liệu cũng cần có tính dẻo để tránh hỏng hóc khi có dị vật lọt vào bơm Khe hở nhỏ giữa bánh xe và đệm chống thấm có thể dẫn đến tiếp xúc tức thời, vì vậy tính chống mài mòn là rất quan trọng Hơn nữa, bánh xe cũng dễ bị han gỉ do tác động hóa học và sinh vật trong nước Với vận tốc dòng chảy lớn, điều kiện làm việc khắc nghiệt có thể gây ăn mòn và han gỉ cho vật liệu Vật liệu bánh xe cần có khả năng đúc tốt và dễ gia công cơ khí Thông thường, bánh xe công tác được chế tạo bằng gang xám, trong khi bơm hóa chất thường dùng gang silic, mặc dù loại này có nhược điểm là dễ gãy Đối với các máy bơm lớn, áp lực cao, bánh xe thường được làm bằng thép không gỉ, còn bơm chất lỏng chứa bột thường sử dụng thép mangan để tăng cường độ cứng.

Gần đây, chất dẻo đã được sử dụng để chế tạo bánh xe công tác nhờ vào độ bền cơ học cao và khả năng chịu tác động của môi trường Có ba kiểu ống vào: kiểu hướng trục, kiểu dẫn nước từ phía bên và kiểu nửa xoắn Trong đó, ống vào kiểu dẫn nước từ phía bên có tổn thất thủy lực lớn nhất nhưng đảm bảo hoạt động ổn định cho máy bơm Ống vào kiểu nửa xoắn mặc dù có cấu trúc phức tạp và tổn thất thủy lực lớn hơn so với kiểu hướng trục, nhưng lại giúp giảm kích thước biến dạng máy bơm theo chiều trục, rất hữu ích cho bơm nước vào hai phía và bơm nhiều cấp Ống tháo dòng có nhiệm vụ dẫn chất lỏng ra khỏi bánh xe công tác vào ống đẩy, cần đảm bảo dòng chảy đối xứng.

Hình 1-6 Sơ đồ cấu tạo bộ phận dẫn dòng và bánh xe công tác của bơm ly tâm

Ống tháo dòng là một bộ phận quan trọng trong hệ thống dẫn dòng của bơm, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất kỹ thuật Có ba loại ống tháo dòng chính: ống tháo kiểu xoắn, ống tháo kiểu cánh và ống tháo kiểu vòng khuyên Ống tháo kiểu xoắn có thiết kế rãnh xoắn với tiết diện tăng dần, giúp giảm vận tốc dòng chảy và nâng cao hiệu suất thủy lực, được sử dụng phổ biến trong cả bơm một cấp và nhiều cấp Ngược lại, ống tháo kiểu cánh có tiết diện chữ nhật, dễ gia công nhưng có nhiều nhược điểm về thủy lực và chỉ thích hợp cho một số cấu trúc bơm nhiều cấp Ống tháo kiểu vòng khuyên, với rãnh tiết diện không đổi, thường được sử dụng cho bơm chất lỏng bẩn, nhưng có thể gây tổn thất thủy lực do sự không đối xứng trong dòng chảy.

Các thông số cơ bản của bơm ly tâm

Là lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển được trong một đơn vị thời gian, có thể tính theo lưu lượng thể tích Q (l/s, m 3 /s, m 3 /h ) hay lưu lượng trọng lượng G (N/s, N/h, kG/s )

Cột áp là năng lượng mà một đơn vị trọng lượng chất lỏng nhận được từ máy bơm, ký hiệu là H và được đo bằng mét cột chất lỏng Đối với bơm ly tâm, mỗi vòng quay nhất định chỉ có một giá trị cột áp tối ưu, gọi là cột áp định mức, nơi bơm hoạt động với hiệu suất cao nhất Giá trị này thường được chỉ dẫn trong tài liệu kỹ thuật của bơm.

Có hai loại công suất là công suất thủy lực và công suất làm việc

+ Công suất thủy lực: là cơ năng mà chất lỏng trao đổi với máy trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là N tl , công thức tính: tl

: là trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m 3 )

: là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 )

Q: là lưu lượng của bơm (m 3 /s)

H: là cột áp toàn phần của máy bơm (m)

+ Công suất làm việc: là công suất trên trục của máy làm việc, ký hiệu là N N có công thức tính:

 là hiệu suất làm việc của bơm.

Phương trình làm việc của bơm ly tâm

1.3.1 Phương trình cột áp lý thuyết

Theo tài liệu [3] trang 38-40, dựa trên các giả thuyết:

+ Chất lỏng là lý tưởng

Bánh công tác có số cánh vô hạn và mỏng, ứng dụng định lý cơ học về mômen động lượng trong dòng chất lỏng, nhà bác học Ơle đã phát triển phương trình cột áp lý thuyết cho bơm ly tâm.

H: Là cột áp lý thuyết của bơm có số cánh dẫn vô hạn.; u1 , u2: Vận tốc vòng của bánh công tác ứng với bán kính vào và ra, có phương thẳng góc với phương hướng kính; c1u, c2u : Thành phần vận tốc tuyệt đối của các phần tử chất lỏng ở lối vào và ra bánh công tác chiếu lên phương của vận tốc vòng

Cánh dẫn của bánh công tác có độ dày nhất định và số lượng cánh dẫn hữu hạn, dẫn đến sự phân bố vận tốc không đồng đều trên các mặt cắt của dòng chảy Điều này tạo ra các dòng xoáy và dòng quẩn trong máng dẫn.

Cột áp thực tế của bơm ly tâm được tính theo công thức:

z là hệ số ảnh hưởng của số cánh dẫn hữu hạn đến cột áp

H là hệ số kể tới tổn thất năng lượng của dòng chất lỏng chuyển động qua bánh công tác

Hiệu suất của bơm ly tâm và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm ly tâm 9

Theo tài liệu [1] trang 55-58, khi máy bơm hoạt động, động năng từ động cơ được chuyển đổi thành thế năng cho chất lỏng, bao gồm lưu lượng và cột áp Tuy nhiên, một phần năng lượng sẽ bị tiêu hao do tổn thất thủy lực và sự dò rỉ trong máy bơm Hiệu suất toàn phần của bơm được xác định theo công thức.

Hiệu suất toàn phần của máy bơm được xác định bởi nhiều yếu tố, bao gồm tổn thất thể tích, tổn thất thủy lực và tổn thất cơ khí Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động của máy bơm trong quá trình bơm nước Việc tối ưu hóa các loại tổn thất này là cần thiết để nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

Khi máy bơm hoạt động, chất lỏng di chuyển qua các khe hở giữa bánh công tác và vỏ khoang, tạo ra dòng chảy ngược lại, đặc biệt trong các bơm nhiều cấp Tổn thất thể tích trong bơm ly tâm thường dao động từ 0,96 đến 0,98.

Tổn thất thủy lực trong máy bơm bao gồm các yếu tố như ma sát giữa các lớp chất lỏng, ma sát giữa chất lỏng và thành ống, cũng như các khe trong bánh công tác và khoang hướng dòng Thông thường, hiệu suất thủy lực (η tl) của máy bơm dao động trong khoảng từ 0,8 đến 0,96.

Khi bơm hoạt động, một phần năng lượng sẽ bị tiêu hao để vượt qua lực ma sát tại các ổ đỡ, đệm làm kín và khớp nối Ma sát giữa bề mặt ngoài của bánh công tác và chất lỏng cũng góp phần vào việc tiêu tốn năng lượng này.

Tổn thất cơ khí thường là:  ck = 0,92- 0,98

Quan hệ tương tự trong bơm ly tâm

Theo tài liệu [3] trang 50-53, ta thấy khi số vòng quay làm việc n của bơm thay đổi, các thông số làm việc khác của bơm cũng thay đổi theo

Thực nghiệm cho thấy, khi bơm ly tâm hoạt động với số vòng quay thay đổi dưới 50% so với định mức, hiệu suất của bơm chỉ thay đổi ít, gần như không đổi Các tam giác vận tốc tỷ lệ với số vòng quay, dẫn đến việc chúng đồng dạng với nhau Vì vậy, các chế độ làm việc khác nhau của bơm trong trường hợp này có thể coi là tương tự nhau.

Trong quá trình vận hành, ngoài việc thay đổi số vòng quay, trọng lượng riêng của chất lỏng và đường kính ngoài D của bánh công tác cũng có thể thay đổi Để đáp ứng nhu cầu sử dụng khi cần giảm cột áp và lưu lượng so với định mức, có thể giảm đường kính D tối đa 10% mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm Các chế độ làm việc của bơm trong trường hợp này được coi là tương tự nhau.

Gọi Q 1 , H 1 , N 1 – Là lưu lượng, cột áp và công suất ứng với D ’ , 1 và n1.

Gọi Q 2 , H 2 , N 2 – Là lưu lượng, cột áp và công suất ứng với D ” , 2 và n2

Bảng 1-1 Quan hệ tương tự trong một bơm ly tâm

Khi  thay đổi Khi D thay đổi Khi D thay đổi Khi ,n,D thay đổi

Đường đặc tính làm việc của bơm ly tâm

Theo tài liệu [3] trang 45-47 ta có:

1.6.1 Đường đặc tính làm việc, đường đặc tính tính toán

Hình 1-7 Tam giác vận tốc cửa vào

Từ phương trình cơ bản: lt 2 2 u

= g , tam giác vận tốc: c 2u = u 2 − c 2m cot g  2

Do đó cột áp lý thuyết là :

 Đối với một bơm cho trước thì u 2 , D 2 , b 2 là những đại lượng không đổi nên phương trình đặc tính cơ bản lý thuyết có dạng:

H lt = a - b cotg β 2 Q 1 (với a, b là các hằng số dương) mô tả đường đặc tính cơ bản lý thuyết, không đi qua gốc tọa độ, và hệ số góc của nó phụ thuộc vào trị số góc ra của cánh dẫn β 2 Đối với máy bơm ly tâm, có ba dạng đường đặc tính lý thuyết tổng quát.

Hình 1-8 Đường đặc tính lý thuyết và đường đặc tính tính toán

Nếu β 2 < 90 o thì cotg β 2 > 0, ta có đường AD

Nếu β 2 = 90 o thì cotg β 2 = 0, ta có đường AC

Nếu β 2 > 90 o thì cotg β 2 > 0, ta có đường AB

Bơm ly tâm có đặc điểm là β 2 < 90 độ, dẫn đến đường đặc tính lý thuyết của bơm này là đường nghịch biến bậc nhất AD Đường đặc tính lý thuyết AD thể hiện phương trình cột áp lý thuyết của bơm ly tâm.

= g Khi kể đến ảnh hưởng do số cánh dẫn có hạn, đường đặc tính trở thành đường A’D’ lt z lt

Trong đó:  z< 1 là hệ số kể tới ảnh hưởng của số cánh dẫn có hạn

Khi kể đến tổn thất lưu lượng  Q , đường đặc tính trở thành đường A’D1’

Khi nói đến tổn thất thủy lực của dòng chất lỏng qua bánh công tác, các loại tổn thất này tỷ lệ với bình phương vận tốc và lưu lượng, dẫn đến việc đường đặc tính có hình dạng đường cong bậc hai A "D".

Khi đề cập đến các loại tổn thất cơ khí, đường đặc tính dịch chuyển về phía trái và thấp hơn một chút so với đường A "D", tạo thành đường A "'D'" Đây chính là đường đặc tính cơ bản để tính toán cho bơm ly tâm.

1.6.2 Đường đặc tính thực nghiệm

Theo tài liệu [3] trang 48,49, việc xây dựng đường đặc tính bằng tính toán gặp nhiều phức tạp do khó khăn trong việc đánh giá chính xác các loại tổn thất của bơm, điều này vẫn cần nghiên cứu thêm Do đó, trong kỹ thuật, người ta thường xây dựng các đường đặc tính dựa trên số liệu đo được từ các thử nghiệm trên máy cụ thể, được gọi là đường đặc tính thực nghiệm.

Muốn xây dựng các đường đặc tính thực nghiệm của bơm ly tâm thì phải cho bơm làm việc trong hệ thống thí nghiệm hình 1-9:

Hình 1-9 Sơ đồ thí nghiệm hệ thống bơm ly tâm

2 Khóa trên ống hút C Chân không khí

3 Bơm 5 Khóa trên đường ống đẩy

Trình tự tiến hành thí nghiệm như sau:

1 Đầu tiên mở khóa 2 ở ống hút và cho bơm làm việc cho đến khi số vòng quay của trục bơm đạt tới giá trị yêu cầu, trong đó khóa 5 ở ống đẩy vẫn đóng tức là: Q = 0 Từ các trị số đo được lúc này ở áp kế và chân không kế, ta suy ra được cột áp H của bơm ở chế độ

2 Sau đó mở dần khóa 5 ở ống đẩy để tăng lưu lượng của bơm cho đến khi đạt trị số cực đại Trong quá trình thay đổi lưu lượng, số vòng quay làm việc của bơm vẫn không đổi Tại mỗi vị trí mở của khóa 5, ta đo được các số liệu thí nghiệm của bơm và của động cơ để tính ra lưu lượng Q, cột áp H và công suất của động cơ Nđc

Trình tự thí nghiệm có thể thực hiện ngược lại, bắt đầu từ chế độ làm việc với lưu lượng lớn nhất và giảm dần cho đến chế độ không tải (Q = 0) bằng cách đóng khóa 5 Để xây dựng các đường đặc tính, thường cần thu thập từ 6 đến 8 số liệu về các chế độ làm việc khác nhau của bơm.

Tại mỗi điểm làm việc, từ các số liệu của Q, H ta tính được công suất thủy lực của bơm

So sánh công suất thủy lực với công suất đo được trên trục bơm, ta suy ra được hiệu suất của bơm

Như vậy từ các số liệu thí nghiệm, ta có thể xây dựng được các đường đặc tính thực nghiệm của bơm H-Q, N-Q, -Q (hình 1-10)

Hình 1-10 Đường đặc tính thực nghiệm của bơm ly tâm

1.6.2 Công dụng của các đường đặc tính

Theo tài liệu [3] trang 49, các đường đặc tính H-Q, N-Q, và η-Q cho thấy khu vực làm việc tối ưu với hiệu suất cao nhất của bơm Để nâng cao hiệu quả kinh tế khi sử dụng bơm, nên chọn chế độ làm việc tại điểm có ηmax hoặc gần điểm đó, đảm bảo η = (ηmax - 7%) Hình dạng của đường đặc tính giúp xác định tính năng làm việc của bơm, từ đó sử dụng bơm một cách hợp lý.

1.6.3 Đường đặc tính tổng hợp

Theo tài liệu [3] trang 49,50, mỗi đường đặc tính làm việc của bơm được xác định bởi một số vòng quay không đổi Khi thay đổi số vòng quay, đường đặc tính làm việc cũng sẽ thay đổi Để nắm bắt sự thay đổi của các thông số Q, H, N, và η khi số vòng quay của bơm thay đổi, người ta xây dựng đường đặc tính tổng hợp của bơm (hình 1-12) Đường đặc tính tổng hợp biểu diễn mối quan hệ giữa Q-H và N-H với các số vòng quay khác nhau, trên đó các điểm làm việc và hiệu suất được nối với nhau thành những đường cong gọi là đường cùng hiệu suất Để tạo ra đường đặc tính tổng hợp, cần có các đường đặc tính làm việc tương ứng với nhiều số vòng quay khác nhau của bơm.

Với một số vòng quay làm việc n nhất định, hiệu suất tối đa của bơm tương ứng với lưu lượng Qi cụ thể Khi lưu lượng bơm thay đổi không còn bằng Qi, sẽ xuất hiện hai giá trị hiệu suất khác nhau.

Có 15 số lưu lượng với hiệu suất tương đương nhau Bằng cách đánh dấu các điểm có cùng hiệu suất trên đường đặc tính H-Q và nối chúng lại bằng những đường cong, ta tạo ra đường cong cùng hiệu suất.

Hình 1-11 Đường đặc tính tổng hợp của bơm ly tâm

Ghép bơm ly tâm

1.7.1 Ghép song song a, Ghép song song 2 bơm

Trong trường hợp hệ thống yêu cầu lưu lượng lớn hơn khả năng của một bơm đơn, việc sử dụng bơm ghép song song là cần thiết Để các bơm ghép song song hoạt động hiệu quả, chúng cần phải có cùng một cột áp trong quá trình làm việc.

Để xác định lưu lượng của bơm ghép song song trong cùng một hệ thống, cần xây dựng đường đặc tính chung (H - QC) của các bơm và biết đường đặc tính lưới (Hlưới - Q) Đường đặc tính chung này được tạo ra bằng cách cộng các lưu lượng tại cùng một cột áp, tức là cộng các hoành độ trên cùng một tung độ.

Trong khảo sát hai bơm với đường đặc tính khác nhau (H1–Q và H2–Q) ghép song song, nhận thấy rằng khi cột áp H > HB, chỉ có bơm 2 hoạt động Khi cột áp H = HB, cả hai bơm đều hoạt động nhưng lưu lượng hệ thống chỉ bằng lưu lượng của bơm 2 tại điểm B (QB = Q2).

Hình 1-12 Ghép song song hai bơm ly tâm

H1 - Q: Đường đặc tính của máy bơm thứ nhất;

H2 - Q: Đường đặc tính của máy bơm thứ hai;

Hlưới - Q: Đường đặc tính lưới;

Q1: Lưu lượng của máy bơm thứ nhất;

Q2: Lưu lượng của máy bơm thú hai;

Q1 C: Lưu lượng của máy bơm thứ nhất khi ghép chung hai máy;

Q2 C: Lưu lượng của máy bơm thứ hai khi ghép chung hai máy;

Trong hệ thống bơm ghép song song, lưu lượng tổng của hai máy bơm tại điểm C, nơi giao nhau của đường đặc tính chung và đường đặc tính lưới, sẽ nhỏ hơn tổng lưu lượng khi chúng hoạt động riêng lẻ Cụ thể, bơm 1 hoạt động với lưu lượng Q1C và bơm 2 với lưu lượng Q2C, tạo thành điểm làm việc cho cả hai bơm trong hệ thống.

Hệ thống bơm ghép song song cần được điều chỉnh cẩn thận, đặc biệt khi các bơm có đường đặc tính khác nhau nhiều Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, việc lựa chọn bơm có đường đặc tính tương đồng là rất quan trọng.

Ghép bơm song song mang lại hiệu quả cao khi đường đặc tính của bơm có độ dốc nhỏ và lưới không quá dốc Phương pháp này phù hợp cho các hệ thống bơm cần thay đổi ít nhưng lưu lượng lại biến đổi nhiều.

Số lượng bơm ghép song song trong hệ thống để tăng lưu lượng là có giới hạn, được xác định bởi đường đặc tính chung và đường đặc tính lưới của các bơm.

Ghép song song nhiều bơm sẽ dẫn đến hiệu quả thấp và không kinh tế Do đó, trong những trường hợp cần thiết, nên lựa chọn bơm có lưu lượng lớn hơn để phù hợp với yêu cầu làm việc của hệ thống.

17 b, Ghép song song 3 bơm và 4 bơm giống nhau

Hình 1-13a Đặc tính làm việc của 3 bơm giống nhau mắc song song

Hình 1-15b Đặc tính làm việc của 4 bơm giống nhau mắc song song

Ba bơm hoạt động song song với các đặc tính giống nhau, như được thể hiện trong hình 1-15a Để xác định đường đặc tính tổng cộng của ba bơm, ta nhân ba hoành độ của đường đặc tính từng bơm Chế độ làm việc của mỗi bơm khi hoạt động song song cũng tương tự như khi chỉ có hai bơm hoạt động Qua đường đặc tính, có thể thấy rằng khi số lượng bơm hoạt động song song tăng lên, lưu lượng của mỗi bơm giảm so với khi hoạt động riêng lẻ.

Các bơm làm việc song song mang lại lợi ích khi đường đặc tính của bơm và đường ống thoải Tuy nhiên, khi đường đặc tính của ống và bơm có độ dốc, hiệu quả của việc làm việc song song sẽ giảm Trong tình huống này, sự thay đổi cột áp sẽ ảnh hưởng ít hơn đến sự thay đổi lưu lượng so với trường hợp bơm có đường đặc tính thoải.

Ngoài ra, số bơm ghép làm việc song song trong hệ thống không nên chọn lớn quá

Hình 1-15b trình bày đường đặc tính tổng cộng của bốn bơm ghép song song, cho thấy mức độ tăng lưu lượng giảm dần khi số lượng bơm tăng lên Khi thêm bơm thứ tư, sự gia tăng lưu lượng của hệ thống ống không đáng kể so với khi chỉ sử dụng hai hoặc ba bơm Điều này chứng tỏ rằng việc ghép song song quá nhiều bơm sẽ dẫn đến hiệu quả kinh tế thấp.

1.7.2 Mắc nối tiếp a, Mắc nối tiếp hai bơm

Dùng trong trường hợp hệ thống có yêu cầu cột áp lớn hơn cột áp của một bơm Điều kiện ghép nối tiếp:

+ Các bơm ghép phải làm việc với lưu lượng như nhau:

+ Cột áp làm việc của hệ thống có ghép nối tiếp bơm khi Q = const bằng tổng cột áp của các bơm ghép:

Hc = H1 + H2 + H3 + + Hi Đường đặc tính chung của các bơm ghép (HC - Q) được xây dựng bằng cách cộng các cột áp của riêng từng bơm với cùng một lưu lượng

Khảo sát hai bơm 1 và 2 với đường đặc tính khác nhau khi ghép nối tiếp trong một hệ thống cho thấy điểm A, nơi giao nhau giữa đường đặc tính chung HC – Q và đường đặc tính lưới H l – Q, là điểm làm việc của các bơm Tại điểm này, lưu lượng Q và cột áp tổng của hai bơm ghép (H 1 + H 2) được xác định.

Hình 1-14 Ghép nối tiếp hai bơm ly tâm

H1 - Q: Đường đặc tính của mạng dẫn

HC - Q: Đường đặc tính chung của hai máy bơm khi ghép

H1 - Q: Đường đặc tính của máy bơm thứ nhất ứng với cột áp làm việc H1

H2 - Q: Đường đặc tính của máy bơm thứ hai ứng với cột áp làm việc H2

A: Điểm làm việc của hai máy bơm khi ghép chung

QC: Lưu lượng của hai máy bơm khi ghép chung

Khi ghép nối tiếp, cần chọn bơm và hệ thống có đường đặc tính dốc nhiều để đạt hiệu quả cao, vì việc thay đổi lưu lượng ít sẽ làm tăng cột áp theo yêu cầu.

Khi ghép hai bơm 1 và 2 nối tiếp, cần đảm bảo rằng bơm 2 hoạt động với áp suất cao hơn bơm 1 Nếu bơm 2 không đủ sức bền, nó có thể bị hỏng Do đó, việc lựa chọn điểm ghép trên ống đẩy của bơm 1 cần phải được thực hiện cẩn thận để tránh gây nguy hiểm cho bơm 2.

Việc ghép nối tiếp các bơm trong hệ thống thường phức tạp và không kinh tế, do đó, nên lựa chọn một bơm có cột áp cao để đáp ứng yêu cầu làm việc Chỉ nên thực hiện ghép nối tiếp khi thật sự cần thiết, đặc biệt khi hai bơm khác nhau được đặt xa nhau.

Lực hướng trục trong bơm ly tâm

Theo tài liệu [3] trang 6-63, trong quá trình hoạt động, bánh công tác của bơm phải chịu tác động của các lực theo hướng trục, do đó cần tiến hành khảo sát các lực này để đảm bảo hiệu suất và an toàn cho bơm.

Hình 1-16 Lực hướng trục trong bơm ly tâm

Khi bơm hoạt động, chất lỏng tại cửa hút A di chuyển song song với trục vào bánh công tác với áp suất nhỏ p1 Sau khi vào bánh công tác, dòng chất lỏng quay 90 độ và trở nên vuông góc với trục, dẫn đến áp suất tăng dần lên p2 tại lối ra, với p1 pbh) Trong quá trình hoạt động, ∆P dtrư có thể thay đổi do nhiều yếu tố; khi nhiệt độ cục bộ tăng và áp suất cục bộ giảm, ∆P dtrư cũng sẽ giảm theo.

Khi thành phần tạp chất rắn trong hệ thống tăng lên, khả năng duy trì áp suất dự trữ sẽ giảm Ngoài ra, khả năng này còn phụ thuộc vào lượng hơi chất lỏng và các tính chất lý hóa của chất lỏng.

Trong hệ thống thủy lực và máng thủy lực, chất lỏng trải qua sự biến đổi nhiệt độ, áp suất và thành phần pha, dẫn đến mất ổn định Sự thay đổi này làm giảm áp suất dự trữ, khiến chất lỏng tại những điểm này hóa hơi và tạo ra bọt khí, từ đó tăng hàm lượng hơi trong chất lỏng.

Các bọt khí trong chất lỏng di chuyển liên tục khi vào vùng có áp suất lớn hơn áp suất bão hòa Khi ngưng tụ, các bọt khí này sẽ giảm thể tích một cách đột ngột, tạo ra nhiều bọt mới.

Hiện tượng xâm thực của bơm xảy ra khi có 24 khí gây ra cộng hưởng, dẫn đến áp suất có thể đạt hàng ngàn atmotphe, làm hỏng các chi tiết của bơm.

Sự va đập thuỷ lực của chất lỏng trong quá trình chuyển động hỗn độn vào máy bơm là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng xâm thực Hiện tượng này xảy ra do va chạm giữa chất lỏng với nhau và với các thành của bánh công tác, tạo ra dao động cộng hưởng Điều này dẫn đến áp suất rất cao trong dòng chất lỏng, gây phá huỷ các chi tiết của bơm.

Máy bơm vận chuyển dầu mỏ thường gặp hiện tượng xâm thực do trong chất lỏng có nhiều parafin và các hợp chất hữu cơ chứa khí hòa tan Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của máy bơm Dưới đây là bảng thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất của nước khi xảy ra xâm thực, giúp hiểu rõ hơn về vấn đề này.

Bảng 2-1 Bảng thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất của nước khi xảy ra xâm thực

2.1.2 Ảnh hưởng của hiện tượng xâm thực đến vật liệu

Khi hiện tượng xâm thực xảy ra, chất lỏng với vận tốc cao tác động vào các bộ phận của máy, đặc biệt là bánh công tác và bánh dẫn hướng, gây ra áp suất đột ngột tăng lên Áp lực này tác động mạnh vào bề mặt kim loại của các chi tiết, thường được làm từ gang, thép hoặc đồng, những vật liệu có khả năng chịu va đập không cao Ban đầu, hiện tượng này tạo ra các vết nứt nhỏ trên bề mặt, sau đó phát triển thành các lỗ hổng Khi lỗ hổng hình thành, chất lỏng sẽ trộn lẫn với hơi, xâm nhập vào vùng này, gây ra các va đập trong lòng lỗ hổng và làm cho tình trạng ngày càng nghiêm trọng hơn.

Bề mặt kim loại nhám không phẳng hấp thụ năng lượng nhiều hơn, dẫn đến việc chúng bị phá hủy do xâm thực nhanh hơn so với bề mặt kim loại nhẵn phẳng.

Kim loại giòn dễ bị phá hủy nhanh chóng và mạnh mẽ Bên cạnh đó, các chi tiết kim loại còn bị hư hại do tác động hóa học từ các hợp chất hữu cơ, bao gồm khí hòa tan phát sinh từ chất lỏng Ngoài ra, hiện tượng điện phân cũng góp phần làm cho bề mặt kim loại bị ăn mòn và gỉ sét.

2.1.3 Ảnh hưởng của hiện tượng xâm thực đến đường đặc tính của bơm

Khi bọt khí xuất hiện trong dòng chảy, lưu lượng bơm sẽ giảm đột ngột, dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng trong đường đặc tính của bơm, tạo thành một đường cong gần như thẳng đứng.

Hình 2-1 Đồ thị ảnh hưởng của xâm thực đến đường đặc tính làm việc

+ H: Cột áp và khi chưa có xâm thực;

+ : Hiệu suất bơm khi chưa có xâm thực;

+ H ' Cột áp khi ảnh hưởng của xâm thực;

+’:Hiệu suất khi bị ảnh hưởng của xâm thực

Nguyên nhân và dấu hiệu nhận biết

Khi tốc độ dòng chảy tại cửa vào quá lớn, áp suất chất lỏng sẽ giảm mạnh Nếu áp suất này thấp hơn áp suất hơi bão hòa của chất lỏng, hiện tượng xâm thực sẽ xảy ra.

• Hiện tượng xâm tực này xảy ra do:

+ Kết cấu bánh dẫn có cửa hút không hợp lý dẫn đến khi chất lỏng vào tới cửa hút sẽ làm tăng vận tốc của dòng chảy

+ Do các đoạn ống bị uốn dòng quá gấp dẫn đến giảm áp cục bộ

Hiện tượng xoáy tách dòng xảy ra ở bộ phận cánh dẫn, kết hợp với góc hướng dòng tại cánh bơm có hệ số xâm thực lớn, dẫn đến hiệu suất không tối ưu Việc lựa chọn số cánh và số vòng quay không hợp lý cũng ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả hoạt động của hệ thống.

+Do tăng chiều cao hút, đây là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng xâm thực toàn dòng làm cho làm cho áp xuất dòng chảy giảm mạnh mẽ

• Một số nguyên nhân sau đều làm tăng chiều cao hút:

- Chọn chiều cao đẩy của bơm, tức khoảng cách từ mặt thoáng của bể hút đến tâm trục máy bơm không đúng

- Lựa chọn tính toán đường kính, chiều dài ống hút không hợp lý làm tăng tổn thất trên dường ống

- Đường ống hút bị nhỏ lại do dầu có thành phần parafin bám dính không còn kích thước ban đầu làm tăng tổn thất thủy lực

Khí bên ngoài có thể xâm nhập vào máy thông qua hệ thống làm kín, đặc biệt là do hiện tượng tạo phễu ở bể hút, dẫn đến tình trạng xâm thực cục bộ.

- Do lượng khí đồng hành trong dầu quá nhiều chưa được tách lọc một cách triệt để

- Do nhiệt độ của chất lỏng bơm thay đổi, khi nhiệt độ chất lỏng tăng dẫn đến hiện tượng giảm áp

- Do bề mặt của bánh công tác không đảm bảo độ nhẵn

2.2.2 Dấu hiệu nhận biết xâm thực

- Khi xảy ra hiện tượng xâm thực trong bơm thường có tiếng ồn và tiếng kêu lách tách ở phía trong, gây ra rung động bơm

- Xảy ra hiện tượng xâm thực dữ dội sẽ làm giảm cột áp và hiệu suất của bơm một cách đột ngột

- Điện năng sử dụng của bơm tăng nhanh đột ngột, bạn có thể so sánh hóa đơn tiền điện hàng tháng để nhận biết

- Dòng chảy trong máy bị gián đoạn, lưu lượng nước được bơm không ổn định hoặc giảm đột ngột do hiện tượng xâm thực gây ra.

Một số biện pháp khắc phục và ngăn ngừa hiện tượng xâm thực

2.3.1 Một số biện pháp khắc phục và ngăn ngừa Để máy bơm làm việc ổn định và đạt được hiệu suất cao thì cần phải có các giải pháp loại bỏ ngăn ngừa các nguyên nhân gây nên hiện tượng xâm thực Đảm bảo lượng khí đồng hành trong dầu trong khi tách lọc và bơm vào là ít nhất Đấy là yếu tố quan trọng trong công tác vận chuyển dầu, nó quyết định rất lớn đến hiệu suất làm việc của bơm Để giảm lượng khí này ta cần:

+ Có các thiết bị tách lọc hợp lý sao cho lượng khí đồng hành sau khi tách lọc là ít nhất

+ Sử dụng những bình ngưng lớn tập trung dầu qua một thời gian sau đó điều phối về máy bơm

+ Hạn chế vận tốc chất lỏng trong dòng chảy của bơm

+ Đảm bảo áp suất, nhiệt độ trong quá trình bơm

Nhiệt độ và áp suất của dầu ảnh hưởng lớn đến hiện tượng xâm thực Khi nhiệt độ dầu tăng, áp suất giảm, và nếu áp suất giảm xuống dưới giá trị áp suất hơi bão hòa của dầu, hiện tượng xâm thực sẽ xảy ra Hơn nữa, khi áp suất dầu giảm, độ nhớt của dầu cũng bị ảnh hưởng.

Tỷ trọng của dầu tăng trong khi áp suất giảm là nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất bơm Để duy trì ổn định áp suất và nhiệt độ của dầu trong quá trình bơm, cần trang bị thiết bị kiểm tra nhiệt độ và áp suất Việc kiểm tra thường xuyên nhiệt độ và áp suất dầu khi bơm là điều cần thiết.

Để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống, cần thường xuyên kiểm tra hiện tượng rò rỉ chất lỏng tại các mặt bích lắp ghép và các đệm làm kín trục cũng như thân bơm.

Khi lắp đặt bơm, cần đảm bảo chiều cao hút hợp lý và tính toán tốc độ chất lỏng ở đầu vào trong khoảng 1,5 đến 2,5 m/s để tránh hiện tượng va đập thủy lực và xâm thực.

2.3.2 Tính áp suất cửa hút của bơm để tránh xâm thực

Hình 2-2 Sơ đồ lắp đặt bơm thực tế

1.Bình chứa dầu 100m 3 2 Ống hút 3 Van điều chỉnh

1-1’: Mặt cắt tại cửa vào

2-2’: Mặt cắt tại mặt thoáng của bình

Mỗi loại bơm đều trải qua hai quá trình chính là hút và đẩy chất lỏng Hiệu suất hoạt động của bơm không chỉ phụ thuộc vào quá trình đẩy mà còn liên quan chặt chẽ đến quá trình hút Trong quá trình hút, bánh công tác cần tạo ra một độ chênh áp suất nhất định giữa miệng hút và mặt thoáng để đảm bảo bơm hoạt động hiệu quả.

+ P1 là áp suất tại cửa vào của bơm

+ P2 là áp suất tại mặt thoáng của bể hút (ở bình chứa 100m 3 áp suất lam việc từ 0÷3 at)

Để đảm bảo máy bơm hoạt động hiệu quả và tránh hiện tượng xâm thực, cột áp hút của bơm cần phải nhỏ hơn cột áp chân không cho phép [H CK], trong đó khối lượng riêng của chất lỏng (γ) nằm trong khoảng từ 5 kg/m³ đến 50 kg/m³.

Với máy bơm НПС 65/35-500 ta có [HCK] = 4,7 [m]

Với p2 = 3 [at] thay vào ta có:

2.3.3 Tính vận tốc của chất lỏng ở đầu vào Để máy bơm không xảy ra hiện tượng xâm thực thì vận tốc chảy V1 của dầu ở đầu vào phải nằm trong khoảng 1,5÷2,5 (m/s), hạn chế dùng tốc độ dưới 0,8 m/s

Ta tính V1 với các thông số tuyến trên giàn như sau:

+ Đường kính ống hút :D = 150 (mm)

V1 được tính theo công thức:

Tính riêng lưu lượng Q theo công thức: 5028.1000

Thay D = 150 mm, Q = 0,0352 m 3 /s vào công thức tính vận tốc V1 ta được:

Ta có :1,5 < V1 = 1,993 < 2,5 [m/s] thỏa mãn điều kiện

Vậy bơm hoạt động mà không xảy ra hiện tượng xâm thực