CHƯƠNG 3: CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ KÍCH
3.2 Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của thông số kích thước, kết cấu bộ phận
3.2.1 Khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của số vòng quay đặc trưng đến hiệu suất của bơm chìm hướng trục
Phần mềm mô phỏng chuyên dụng thông qua chế độ CFD có thể thấy rõ được tình hình dòng chảy qua bơm hướng trục chìm với từng số vòng quay đặc trưng khác nhau. Trong luận văn, tác giả sử dụng phần mềm Pumpal của Mỹ để mô phỏng dòng chảy trong máy bơm chìm hướng trục có công suất N=55kW với cùng giá trị góc loe của bộ phận hướng dòng (γloe = 420) với 05 giá trị số vòng quay đặc trưng thông dụng hiện nay thường sử dụng để thiết kế bơm hướng trục là: ns = 600, 900, 1.000, 1.200 và 1.400.
a) Dòng chảy qua phần dẫn dòng với số vòng quay đặc trưng ns = 600
Trên cơ sở lý thuyết tính toán số vòng quay đặc trưng máy bơm chìm hướng trục, nhóm tác giả tiến hành thay đổi một số thông số đầu vào (lưu lượng máy bơm, cột áp thiết kế…), trên cơ sở đó, có được các trị số số vòng quay đặc trưng tương ứng.
Các thông số kỹ thuật cơ bản phục vụ tính toán và mô phỏng dòng chảy trong trường hợp này là:
+ Công suất động cơ điện chìm: N = 55kW + Cột áp thiết kế: Htk = 4,5m
+ Lưu lượng tính toán: Qtt = 2.600m3/h + 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 và xét cho trường hợp góc loe bộ phận hướng dòng γloe = 420 được mô phỏng trên các hình (3.4- 3.7).
77
Hình 3.4 Lựa chọn kết cấu bánh công tác, bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm hướng trục có ns = 600
Hình 3.5 Mô phỏng trường véc tơ vận tốc dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm hướng trục có ns = 600
Hình 3.6 Phân bố trường vận tốc của dòng chảy (từ tiết diện gốc đến tiết diện biên) trong hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục đứng có ns =600
78
Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục được trình bày trên hình 3.7.
Hình 3.7 Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục có ns = 600 Nhận xét:
Áp suất động của chất lưu (chất lỏng hoặc chất khí, hơi) tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc của dòng chất lưu (pđ = ρv2/2). Nghĩa là, đối với chất lỏng chuyển động trong máy bơm, vùng chất lỏng có vận tốc nhỏ sẽ có áp suất nhỏ. Từ đó áp dụng vào phân tích dòng chảy của chất lỏng qua phần dẫn dòng của bơm chìm hướng trục như sau:
Trên hình 3.5 và 3.6, dòng chảy trong phần miệng loe qua bánh công tác tăng dần từ tiết diện bầu cánh đến tiết diện mép ngoài, đạt giá trị lớn nhất tại vùng mút lá cánh và thành buồng bánh công tác (vận tốc đạt v ≈ 16m/s – vùng màu vàng). Tuy nhiên, khi dòng chảy qua bộ phận hướng dòng, vận tốc dòng chảy nhanh chóng được giảm xuống (vận tốc đạt v ≈ 5m/s – vùng màu xanh nhạt). Điều này phù hợp với nguyên lý làm việc và tác dụng của bộ phận hướng dòng trong máy bơm hướng trục (biến đổi động năng thành thế năng tạo cột áp của bơm). Mặc dù vậy, có thể nhận thấy rằng, vận tốc dòng chảy ở khu vực từ lối vào đến lối ra của bộ phận hướng dòng có xu hướng giảm (vận tốc đạt v ≈ 2 m/s – vùng màu xanh đậm), nghĩa là, xuất hiện vùng áp suất nhỏ hơn so với áp suất xung quanh khu vực này. Do đó, tại đó sẽ tạo ra vùng xoáy ở khu vực . Đây cũng chính là nguyên nhân gây nên tổn thất thủy lực trong máy bơm chìm hướng trục, làm giảm hiệu suất máy bơm.
Theo kết quả mô phỏng bằng phần mềm, trong trường hợp máy bơm có số vòng quay đặc trưng ns = 600, hiệu suất máy bơm qua mô phỏng số tại điểm thiết kế là Qtt = 2.600m3/h, Htk = 4,5m là ηb ≈ 73%.
b) Dòng chảy qua phần dẫn dòng với số vòng quay đặc trưng ns = 900
Đối với trường hợp máy bơm chìm hướng trục có trị số số vòng quay đặc trưng ns = 900, có thể lựa chọn các số liệu ban đầu để tính toán của máy bơm ban đầu là: N=55kW, n = 590 v/ph, Qtt = 3.300m3/h, Htk = 3m.
79
Sử dụng phần mềm mô phỏng thủy lực chuyên dụng (Pumpal), kết quả mô phỏng dòng trong trường hợp số vòng quay đặc trưng ns = 900 được thể hiện trên các hình 3.8 ÷ 3.10.
Hình 3.8 Lựa chọn kết cấu hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có ns = 900
Hình 3.9 Mô phỏng trường véc tơ vận tốc dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có ns = 900
Hình 3.10 Phân bố trường vận tốc của dòng chảy (từ tiết diện gốc đến tiết diện biên) trong hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục đứng có ns =900
80
Đường cong quan hệ giữa hiệu suất và lưu lượng của bơm chìm hướng trục được mô phỏng trên hình 3.11.
Hình 3.11 Đường cong quan hệ giữa hiệu suất của bơm và lưu lượng ηb,2 = f (Q) trường hợp giá trị số vòng quay đặc trưng ns = 900
Nhận xét:
Phân tích dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm hướng trục (ở góc loe cánh hướng dòng γloe = 42o), cho thấy, trường hợp số vòng quay đặc trưng ns = 900 vẫn xuất hiện vùng dòng chảy có vận tốc thấp hơn so với vùng xung quanh tại vị trí phần lưng cánh và vùng
ra của cánh hướng dòng (hình 3.9 – vùng màu xanh đậm), vận tốc dòng chảy lúc này đạt v ≈ 2m/s. Đây là nguyên nhân gây ra vùng dòng xoáy, tách dòng tại phần gấp khúc lối ra cánh
hướng dòng do góc loe bộ phận hướng dòng tạo nên (hình 3.10), khi đó, làm tăng tổn thất thủy lực, dẫn đến giảm hiệu suất của máy bơm.
Trong trường hợp máy bơm có ns = 900, kết quả mô phỏng số cho thấy máy bơm đạt hiệu suất ηb ≈ 73% tại điểm thiết kế Qtt = 3.300m3/h, Htk = 3,3m.
c) Dòng chảy qua phần dẫn dòng với số vòng quay đặc trưng ns = 1.000
Đối với trường hợp máy bơm chìm hướng trục có trị số số vòng quay đặc trưng ns = 1.000, có thể lựa chọn các số liệu ban đầu để tính toán máy bơm là: N=55kW, n = 590
v/ph, Qtt = 3.980m3/h, Htk = 2,95m.
Cũng tương tự đối với các trường hợp nêu trên, sau khi sử dụng phần mềm mô phỏng thủy lực chuyên dụng (Pumpal), kết quả mô phỏng dòng chảy trong trường hợp số vòng quay đặc trưng ns = 1.000 được thể hiện trên các hình 3.12 ÷ 3.15.
81
Hình 3.12 Lựa chọn kết cấu bánh công tác, bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm hướng trục có ns = 1.000
Hình 3.13 Mô phỏng trường véc tơ vận tốc dòng chảy qua hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có ns =1.000
Hình 3.14 Trị số của trường vận tốc dòng chảy qua hệ thống cánh(từ tiết diện gốc đến tiết diện biên) máy bơm chìm hướng trục có ns = 1.000
82
Đường cong quan hệ giữa hiệu suất và lưu lượng trong trường hợp này được mô phỏng trên hình 3.15.
Hình 3.15 Đường cong quan hệ giữa hiệu suất của bơm và lưu lượng ηb,3 = f (Q) trường hợp giá trị số vòng quay đặc trưng ns = 1.000
Nhận xét:
Qua hình ảnh mô phỏng trường hợp ns = 1.000, nhận thấy, dòng chảy trong hệ thống dẫn dòng trong đó có bộ phận hướng dòng khá thuận. Vận tốc của dòng chảy qua bộ phận hướng dòng tương đối ổn định, trị số vận tốc theo mô phỏng đạt v=5,129m/s (hình 3.14) và hầu như không thay đổi trong quá suốt quá trình chảy qua cánh hướng dòng. Cũng như trường hợp máy bơm chìm hướng trục có số vòng quay đặc trưng ns = 900, trường hợp ns = 1.000, tình hình dòng chảy trong máy bơm là suôn dòng. Do đó, hiệu suất theo mô phỏng tuy có suy giảm so với trường hợp ns nhỏ hơn (ns = 600, 900), nhưng không nhiều. Trị số hiệu suất theo mô phỏng số đạt hiệu suất ηb,3 ≈ 70% tại điểm thiết kế Qtt = 3.980m3/h, Htk = 2,95m.
d) Dòng chảy qua phần dẫn dòng với số vòng quay đặc trưng ns = 1.200
Trên đây, luận án đã khảo sát những giá trị số vòng quay đặc trưng phổ dụng của máy bơm chìm hướng trục ns<1000, tiếp tục khảo sát đánh giá tình hình dòng chảy trong hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm hướng trục ở cùng một góc bộ phận hướng dòng nhưng với số vòng quay đặc trưng lớn hơn ns>1000.
Trường hợp ns = 1200, thông số đầu vào lựa chọn để tính toán, thiết kế và mô phỏng của máy bơm chìm hướng trục là:
+ Công suất động cơ điện chìm: N = 55 kW + Cột áp thiết kế: Htk = 5,0m
+ Lưu lượng tính toán: Qtt = 2.300m3/h
83 + Số vòng quay: n = 1450v/ph
Khi đó, số vòng quay đặc trưng của bơm là: ns = 1.265.
Để có được máy bơm chìm hướng trục có số vòng quay đặc trưng lớn thì cần lựa chọn động cơ điện chìm có số vòng quay lớn, trong trường hợp ns = 1.200v/ph, luận án lựa chọn số vòng quay của động cơ điện chìm n = 1450v/ph.
Qua mô phỏng số, kết quả mô phỏng dòng chảy qua bộ phận dẫn dòng với trị số của số vòng quay đặc trưng ns = 1.200được trình bày trên các hình 3.16 ÷ 3.17.
Hình 3.16 Lựa chọn kết cấu bánh công tác, bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm hướng trục có ns = 1.200
Hình 3.17 Trị số của trường vận tốc dòng chảy qua hệ thống cánh (từ tiết diện gốc đến tiết diện biên) máy bơm chìm hướng trục có ns = 1.200
84
Hình 3.18 Trị số vận tốc dòng chảy qua hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có ns = 1200 (tại tiết diện gốc) Đường cong quan hệ giữa
hiệu suất và lưu lượng máy bơm chìm hướng trụctheo mô phỏng được trình bày trên hình 3.19.
Kết quả theo mô phỏng bằng phần mềm cho thấy, hiệu suất của máy bơm đạt được tại điểm thiết kế đạt ηb,4 ≈ 57,5%.
Hình 3.19 Đường cong quan hệ giữa hiệu suất của bơm và
lưu lượng ηb,4 = f (Q), trường hợp số vòng quay đặc trưng ns = 1200
So với những máy bơm chìm hướng trục sử dụng hệ thống cánh có số vòng quay đặc trưng thấp ns < 1000 thì những máy bơm chìm hướng trục với số vòng quay đặc trưng lớn ns > 1.000 có hiệu suất rất thấp và giảm khá nhiều khi số vòng quay đặc trưng tăng.
e) Dòng chảy qua phần dẫn dòng với số vòng quay đặc trưng ns = 1.400
Về nguyên tắc, máy bơm hướng trục tỷ tốc cao sẽ cho lưu lượng lớn, cột áp nhỏ, hiệu suất đạt yêu cầu theo thiết kế, đặc biệt, với loại máy bơm có số vòng quay đặc trưng cao sẽ làm kích thước của tổ máy nhỏ gọn hơn nhiều so với loại có số vòng quay đặc trưng nhỏ. Tuy nhiên, đối với máy bơm chìm hướng trục có sự khác biệt lớn về góc loe của bộ phận hướng dòng so với bộ phận hướng dòng máy bơm hướng trục thông thường, cần phân tích dòng chảy
85
qua hệ thống cánh, trên cơ sở đó, khẳng định được chất lượng làm việc của máy bơm với số vòng quay đặc trưng cao.
Với trường hợp này, các thông số kỹ thuật ban đầu được lựa chọn để tính toán là:
N = 55kW, n=1450v/ph, H=4,5m, Q = 2.400m3/h.
Thông qua mô phỏng số, kết quả mô phỏng dòng chảy qua bộ phận dẫn dòng với trị số của số vòng quay đặc trưng ns = 1.400được trình bày trên các hình (3.20 ÷ 3.24).
Hình 3.20 Lựa chọn kết cấu bánh công tác, bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm hướng trục có ns = 1.400
Hình 3.21 Mô phỏng trường vận tốc dòng chảy qua hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có ns = 1400 (tại tiết diện gốc)
86
Hình 3.22 Góc véc tơ vận tốc dòng chảy qua hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có ns = 1400
Hình 3.23 Phân bố trường vận tốc của dòng chảy (từ tiết diện gốc đến tiết diện biên) trong hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục đứng có ns = 1400
Đường cong quan hệ giữa hiệu suất và lưu lượng máy bơm chìm hướng trục được mô phỏng trên hình 3.24.
Hình 3.24 Đường cong quan hệ giữa hiệu suất của bơm và lưu lượng ηb,5 = f (Q), trường hợp số vòng quay đặc trưng ns = 1.400
87 Nhận xét:
Qua hình ảnh mô phỏng dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có số vòng quay đặc trưng ns = 1.400, thấy rằng:
Với trường hợp có số vòng quay đặc trưng thấp ns = 1.400, dòng chất lỏng có tính chất trụ trong máy bơm chìm hướng trục có vận tốc không ổn định và không thay đổi nhiều sau khi ra khỏi bánh công tác để vào bộ phận hướng dòng. Đặc biệt, vận tốc dòng chảy có xu hướng tăng từ khoảng 6m/s (vùng màu xanh da trời) ở sau cánh bánh công tác lên khoảng 13,5m/s (vùng màu xanh lá cây) trong quá trình dòng chất lỏng chuyển động qua bộ phận hướng dòng.
Điều này là bất thường trong tính chất dòng chảy của bơm hướng trục, bởi vì, nguyên tắc tạo cột áp của bơm hướng trục là sau khi ra khỏi bánh công tác, một phần động năng của dòng chảy (vận tốc dòng chảy) biến đổi thành thế năng (tạo cột áp) và thành vận tốc u (thành phần vận tốc quay) được triệt tiêu khi qua bộ phận hướng dòng, tức là, vận tốc dòng chảy qua bộ phận hướng dòng thường nhỏ hơn so với vận tốc dòng chảy trong bánh công tác. Như vậy, với loại bơm có số vòng quay đặc trưng lớn thường không tạo được cột áp cao mà thường làm việc ở cột áp thấp, đây cũng là một điều bất lợi, bởi vì, nếu xuất hiện nguyên nhân gây ra tổn thất sẽ không đảm bảo được cột áp cần thiết, từ đó dẫn đến hiệu suất của bơm sẽ giảm xuống nhanh chóng.
Sau khi ra khỏi bộ phận hướng dòng, tại mép ra phía lưng của lá cánh hướng dòng xuất hiện vùng vận tốc nhỏ hơn nhiều so với vận tốc dòng chảy ở vùng lân cận (vùng màu xanh đậm), ở đó, trị số vận tốc v ≤ 3m/s. Điều này gây ra hiện tượng xoáy dòng sau khi dòng chất lỏng đi ra khỏi bộ phận hướng dòng. Khi ấy, dòng chảy đổi chiều với góc của véc tơ vận tốc dòng chảy (1350 – 1800). Điều này là nguyên nhân gây tổn thất trong bơm.
Trên cơ sở kết quả mô phỏng số, tác giả tiếp tục tiến hành khảo sát bằng mô hình vật lý trên hệ thống thí nghiệm bơm với các thiết bị đo hiện đại nhằm kiểm chứng sự sai khác giữa kết quả mô phỏng số và kết quả đo đạc thực tế.
Tóm lại
Kết quả phân tích trên mô phỏng số, cho thấy, với giá trị số số vòng quay đặc trưng vừa và nhỏ ns ≤1.000, thì hiệu suất của bơm không thay đổi nhiểu ở các bơm chìm hướng trục và hiệu suất đều đạt ηb>70%. Tuy nhiên, với máy bơm chìm hướng trục có số vòng quay đặc trưng cao ns = 1.400, hiệu suất của máy bơm giảm nhanh chóng, mô phỏng số trường hợp này cho kết quả ηb,5 =55%.
Theo mô phỏng số, đối với máy bơm chìm hướng trục chỉ nên sử dụng các máy bơm có các mẫu cánh bánh công tác và cánh hướng dòng với số vòng quay đặc trưng ns<1.000, khi ấy,
88
sự ảnh hưởng của số vòng quay đặc trưng đến hiệu suất của máy bơm là không nhiều. Tuy nhiên, để khẳng định chính xác điều này, cần tiến hành thí nghiệm mô hình vật lý trên hệ thống thí nghiệm thực tế.
Hiện nay, đối với máy bơm hướng trục nói chung và máy bơm chìm hướng trục nói riêng trên thực tế thường sử dụng máy bơm có số vòng quay đặc trưng ns = (600-1.000). Trong phạm vi luận án, tác giả lựa chọn giá trị ns = 900 ( đây cũng là một trong các giá trị số vòng quay đặc trưng phổ biến rộng rãi trong thực tế hiện nay) để phục vụ nghiên cứu sự ảnh hưởng tiếp theo của các yếu tố kỹ thuật của máy bơm chìm hướng trục.
3.2.2 Khảo sát đánh giá sự ảnh hưởng của số lá cánh đến hiệu suất máy bơm chìm hướng trục [1,2,22,44],
Theo phân tích phần cơ sở lý thuyết, với máy bơm hướng trục nói chung và máy bơm chìm hướng trục nói riêng, số lá cánh bánh công tác, cánh hướng dòng (ở cùng điều kiện về góc loe bộ phận hướng dòng γloe) không ảnh hưởng nhiều đến đặc tính năng lượng của máy bơm. Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể để lựa chọn số lá cánh phù hợp. Cần tiến hành mô phỏng sự ảnh hưởng của số lá cánh đến hiệu suất máybơm chìm hướng trục bằng phần mềm chuyên dụng. Ở phạm vi luận án,có thể sử dụng phần mềm Pumpal của hãng Concept Nrec ( Mỹ) để thực hiện.
Mặc dù vấn đề ảnh hưởng của số lá cánh bánh công tác và số lá cánh bộ phận hướng dòng đến hiệu suất máy bơm chìm hướng trục không phải là mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài, tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu về ảnh hưởng của trị số góc loe bộ phận hướng dòng, tác giả đã xác định được một số kết luận đáng lưu ý, do vậy, tác giả cũng giới thiệu sơ bộ một vài kết quả nghiên cứu để bổ sung các thông tin mới về máy bơm chìm hướng trục , cũng như nêu bật sự liên quan đến vấn đề góc loe bộ phận hướng dòng.
Việc lựa chọn số lá cánh bánh công tác và cánh hướng dòng trên lý thuyết chỉ mang tính tương đối, cần qua phân tích bằng phần mềm mô phỏng số và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm để đánh được tác động của số lá cánh hướng dòng, cánh bánh công tác đến hiệu suất của bơm chìm hướng trục. Luận án sử dụng tổ máy bơm chìm hướng trục có số vòng quay đặc trưng ns = 900 có các thông số kỹ thuật cụ thể như sau:
+ 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, có thể xác định 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.