Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh công tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns cao (10001200 vph)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Hồng Vinh NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GĨC XOAY CÁNH CƠNG TÁC LÊN ĐẶC TÍNH XÂM THỰC VÀ HIỆU SUẤT THỦY LỰC CỦA BƠM HƯỚNG TRỤC VỚI ns CAO (1000-1200 v/ph) Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRƯƠNG VIỆT ANH TS ĐỖ HUY CƯƠNG Hà Nội - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác TẬP THỂ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PGS.TS Trương Việt Anh TS Đỗ Huy Cương TÁC GIẢ LUẬN ÁN NCS Đỗ Hồng Vinh LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận án với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực hiệu suất thủy lực bơm hướng trục với ns cao (1000-1200 v/ph)”, nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện tập thể lãnh đạo, nhà khoa học, cán Viện Bơm Thiết bị thủy lợi; tập thể Ban Giám hiệu, Bộ phận Đào tạo Sau Đại học - Phịng Đào tạo, Bộ mơn Máy Thủy Khí, Viện Cơ khí động lực, giảng viên, cán phòng, ban chức Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành giúp đỡ Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trương Việt Anh TS Đỗ Huy Cương – thầy giáo trực tiếp hướng dẫn bảo cho tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp công tác Viện Bơm Thiết bị thủy lợi gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình thực hồn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2021 TÁC GIẢ LUẬN ÁN NCS Đỗ Hồng Vinh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10 MỞ ĐẦU 13 Tính cấp thiết đề tài 13 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu 14 2.1 Mục đích nghiên cứu 14 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 14 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .14 3.1 Ý nghĩa khoa học đề tài 14 3.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 14 Bố cục Luận án 14 Chương TỔNG QUAN 16 1.1 Bơm hướng trục vấn đề cần nghiên cứu 16 1.1.1 Đặc điểm bơm hướng trục 16 1.1.2 Các kết nghiên cứu, sản xuất ứng dụng bơm hướng trục nước nước 18 1.1.3 Một số vấn đề cần nghiên cứu bơm hướng trục cỡ lớn 22 1.2 Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh đến đặc tính lượng xâm thực bơm hướng trục .22 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước xâm thực bơm hướng trục 24 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước xâm thực bơm hướng trục 28 1.3 Vấn đề nghiên cứu luận án 29 1.4 Nội dung luận án 30 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 2.1 Cơ sở lý thuyết 32 2.1.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế cánh bơm hướng trục theo phương pháp Vôzơnhexenski - Pêkin 32 2.1.2 Cơ sở lý thuyết để xây dựng đặc tính lượng ảnh hưởng góc xoay cánh .36 2.1.3 Cơ sở lý thuyết hình thành xâm thực bơm hướng trục ảnh hưởng góc xoay cánh đến đặc tính xâm thực .48 2.2 Phương pháp nghiên cứu .55 2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết 55 2.2.2 Nghiên cứu mơ hình tốn .56 2.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm mơ hình vật lý .56 2.2.4 Lựa chọn mơ hình bơm cho nghiên cứu 58 Chương 3.NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG 60 3.1 Nghiên cứu thiết kế lựa chọn mẫu bơm với ns cao khảo sát đánh giá mô .60 3.1.1 Lựa chọn thông số thiết kế mẫu đặc trưng .60 3.1.2 Mơ hình phương pháp tính tốn mơ 66 3.1.3 Phân tích kết mô 73 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh đến đặc tính xâm thực hiệu suất bơm hướng trục ns cao mô 74 3.2.1 Mơ hình tính phương pháp tính tốn 75 3.2.2 Phân tích kết mơ phân bố trường dòng chảy bơm điểm tối ưu mơ hình cánh cầu 79 3.2.3 Phân tích ảnh hưởng góc đặt cánh tới trạng thái xâm thực hiệu suất bơm 83 3.2.4 Kết luận việc lựa chọn mẫu khảo sát đánh giá góc xoay đặc tính thủy lực 91 Chương 4.NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .93 4.1 Chế tạo thiết bị xây dựng mơ hình thí nghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm 93 4.1.1 Chế tạo thiết bị 93 4.1.2 Lắp đặt bơm mơ hình vào hệ thống thí nghiệm 95 4.2 Đo thông số máy bơm 96 4.2.1 Trình tự thí nghiệm .96 4.2.2 Tính tốn xử lý số liệu 97 4.2.3 Xác định sai số đo .97 4.3 Thí nghiệm xây dựng đặc tính xâm thực, thủy lực quan hệ hiệu suất với góc xoay cánh thay đổi 100 4.3.1 Kết thí nghiệm xây dựng đặc tính làm việc góc xoay cánh khác .101 4.3.2 Kết thí nghiệm xâm thực góc xoay cánh khác .105 4.4 Nhận xét bàn luận kết thí nghiệm .109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113 Kết luận 113 Kiến nghị 114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC 118 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT N Nđc Ntl Ntr Công suất Công suất động Công suất thuỷ lực Công suất trục  đc Hiệu suất Hiệu suất động tl Hiệu suất thuỷ lực Q Hiệu suất lưu lượng ck K KZi KCDi KQ KH KHtư C C* Cy Cx Hiệu suất khí Hệ số dự trữ công suất Hệ số phân bố vận tốc hướng trục Hệ số chèn dòng tiết diện thứ i Hệ số lưu lượng Hệ số cột áp Hệ số cột áp tối ưu Hệ số xâm thực Hằng số tích phân Hệ số lực nâng Hệ số lực cản C = max/L Độ dày tương đối max profil Z Z1 Z2 Ztư n ni ns ntd H H1t Htt Htb Htư Hhd Số cánh Số cánh bánh cơng tác Số cánh cánh hướng dịng Số cánh tối ưu Số vòng quay làm việc bơm Vòng quay làm việc điểm i bơm Số vòng quay đặc trưng bơm Số tiết diện tính tốn Cột áp Cột áp lý thuyết Cột áp tính tốn Giá trị trung bình áp suất điểm đo Cột áp điểm làm việc tối ưu Cột áp hút dư nhỏ H Tổn thất cột nước lưới HM Giá trị mạch động áp suất hh Độ giảm động áp lực Tổn thất lượng tương đối Lưu lượng Giá trị trung bình lưu lượng điểm đo Lưu lượng điểm làm việc tối ưu h Q Qtb Qtư 𝑄̅ = Q/Qtư Lưu lượng tương đối so với lưu lượng điểm tối ưu D Đường kính bánh cơng tác d Đường kính bầu bánh cơng tác d Rb Ri Rtb RD Tỷ số bầu cánh Bán kính bầu cánh Bán kính tiết diện tính tốn thứ i Bán kính trung bình Bán kính lớn cánh ngồi biên maxi Chiều dày max tiết diện i (max/L)b Độ dày tương đối max tiết diện sát bầu (max/L )D Độ dày tương đối max tiết diện biên a, b, , x: Sai số giới hạn tương đối thông số đo u Vận tốc theo  Vận tốc góc  Khe hở bánh cơng tác vành mịn a, b, , x: Sai số giới hạn đo tuyệt đối thông số đo  w w2u w1u wz Khoảng cách hai lưới bánh công tác cánh hướng Vận tốc tương đối Thành phần theo phương u vận tốc tương đối sau khỏi cánh Thành phần theo phương u vận tốc tương đối trước vào cánh Thành phần theo phương dọc trục vận tốc tương đối w Vận tốc tương đối vô cực Lưu số bánh công tác Lưu số cánh   p1 p2 Áp suất trước vào cánh Áp suất sau khỏi cánh p Tổn thất lượng   g Trọng lượng riêng nước Khối lượng riêng nước Gia tốc trọng trường X Lực theo phương x Y Lực theo phương y  = 2 - 1 Góc ngoặt vận tốc bt Góc ngoặt bình thường vận tốc max Góc ngoặt max vận tốc o õ0 Gia số độ cong profil Góc đặc trưng cho độ cong profil 2 Góc W2 với phương u  Góc W với phương u 1 Góc W với phương u 2 = 90o- 2 Góc tạo phương vận tốc W2 trục z  Góc đặt cánh  Góc hướng vận tốc tuyệt đối  goc + Góc va (trong trường hợp tính tốn cánh cơng tác) + Góc xoay cánh (trong trường hợp xoay cánh) Góc đặt profin gốc cánh bien T Góc đặt profin ngồi biên Bước lưới To = T/L Bước lưới L = T/L Bước lưới tương đối dãy cánh L Chiều dài dây cung đường nhân cánh L1 Chiều dài dây cung bánh công tác lưới thứ L/T Mật độ dãy cánh (L/T)D Mật độ dãy cánh biên (L/T)b Mật độ dãy cánh bầu (L/T)tb Mật độ dãy cánh tiết diện trung bình (L/T)tuD Mật độ dãy cánh biên tối ưu (L/T)tu Mật độ dãy cánh tối ưu lmơ Chiều dài bầu cánh ltđ Chiều dài cung tương đương V Vận tốc tuyệt đối Vu Thành phần theo phương u vận tốc tuyệt đối Vz Thành phần dọc trục vận tốc tuyệt đối V1u Thành phần theo phương u vận tốc tuyệt đối trước vào cánh V2u Thành phần theo phương u vận tốc tuyệt đối sau khỏi cánh Va1u Thành phần theo phương u vận tốc tuyệt đối trước cánh hướng Va2u Thành phần theo phương u vận tốc tuyệt đối sau cánh hướng MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM Kết hình ảnh khảo sát thí nghiệm xây dựng đặc tính 1.1 Góc độ: Điểm 1: H=1.79m; Q=0.439 m3/s Điểm 2: H=1.98m; Q=0.428 m3/s Điểm 3: H=2.19m; Q=0.419 m3/s Điểm 4: H=2.32m; Q=0.409 m3/s Điểm 5: H=2.38m; Q=0.405 m3/s Điểm 6: H=2.52m; Q=0.390 m3/s Điểm 7: H=2.65m; Q=0.379 m3/s Điểm 8: H=2.80m; Q=0.368 m3/s 159 Điểm 9: H=2.96m; Q=0.356 m3/s Điểm 10: H=3.12m; Q=0.341 m3/s Điểm 11: H=3.28m; Q=0.322 m3/s 1.2 Góc -6 độ: Điểm 1: H=1.55m; Q=0.378 m3/s Điểm 2: H=1.71m; Q=0.368 m3/s Điểm 3: H=1.87m; Q=0.358 m3/s Điểm 4: H=2.08m; Q=0.345 m3/s 160 Điểm 5: H=2.21m; Q=0.333 m3/s Điểm 6: H=2.30m; Q=0.326 m3/s Điểm 7: H=2.42m; Q=0.316 m3/s Điểm 8: H=2.65m; Q=0.395 m3/s Điểm 9: H=2.76m; Q=0.285 m3/s 1.3 Góc -3 độ: Điểm 1: H=1.62m; Q=0.411 m3/s Điểm 2: H=1.84m; Q=0.400 m3/s 161 Điểm 3: H=2.05m; Q=0.388 m3/s Điểm 4: H=2.24m; Q=0.374 m3/s Điểm 5: H=2.32m; Q=0.367 m3/s Điểm 6: H=2.43m; Q=0.355 m3/s Điểm 7: H=2.65m; Q=0.334 m3/s Điểm 8: H=2.81m; Q=0.326 m3/s Điểm 9: H=3.03m; Q=0.380 m3/s 162 1.4 Góc +3 độ: Điểm 1: H=2.08m; Q=0.460 m3/s;  Điểm 2: H=2.27m; Q=0.448 m3/s,  Điểm 3: H=2.48m; Q=0.435 m3/s;  Điểm 4: H=2.7m; Q=0.416 m3/s;  Điểm 5: H=2.96m; Q=0.391 m3/s;  Điểm 6: H=3.19m; Q=0.372 m3/s;  163 1.5 Góc +6 độ: Điểm 1: H=2.19m; Q=0.490 m3/s;  Điểm 2: H=2.50m; Q=0.469 m3/s;  Điểm 3: H=2.73m; Q=0.454 m3/s;  Điểm 4: H=2.99m; Q=0.430 m3/s;  Điểm 5: H=3.18m; Q=0.414 m3/s;  Điểm 6: H=3.40m; Q=0.387 m3/s;  Thí nghiệm xâm thực điểm tối ưu: 2.1 Góc độ Vị trí 1;  Vị trí 2;  164 Vị trí 3;  Vị trí 4,  Vị trí 5;  Vị trí 6;  Vị trí 7;  2.2 Góc -6 độ: Vị trí 1;  Vị trí 2;  165 Vị trí 3;  Vị trí 4;  Vị trí 5;  Vị trí 6;  Vị trí 7;  2.3 Góc -3 độ: Vị trí 1;  Vị trí 2;  166 Vị trí 3;  Vị trí 4;  Vị trí 5,  Vị trí 6;  Kết mô để so sánh đối chứng với thực nghiệm 3.1 Mô số điểm thí nghiệm xây dựng đặc tính xâm thực 3.1.1 Góc độ Điểm tối ưu phần xây dựng đặc tính H=2.517m; Q=0.405 m3/s Phân bố áp suất phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt hút 167 Phân bố pha (xâm thực) cánh Phân bố vận tốc tiết diện biên Điểm 4; Phần khảo sát xâm thực,  Xâm thực phía mặt hút Xâm thực phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt hút Phân bố áp suất phía mặt đẩy Nhiễu loạn kết hợp dòng chảy ngược dòng xâm thực Phân bố áp suất vùng bánh công tác 168 3.1.2 Góc -6 độ Điểm 4; Điểm tối ưu khảo sát đặc tính H=2.126m; Q=0.345 m3/s Xâm thực phía mặt hút Xâm thực phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt hút Phân bố áp suất phía mặt đẩy Điểm 5; Khảo sát xâm thực;  =1.909 Xâm thực phía mặt hút Xâm thực phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt đẩy 169 Phân bố bọt khí vùng bánh công tác Phân bố áp suất vùng bánh công tác Xâm thực vùng bánh công tác Nhiễu loạn kết hợp dòng chảy ngược dòng xâm thực 3.1.3 Góc -3 độ Điểm 4; Điểm tối ưu khảo sát đặc tính H=2.39m; Q=0.374 m3/s Phân bố áp suất cánh Phân bố bọt khí cánh Phân bố áp suất vùng bánh cơng tác Đườn dịng ổn định không xâm thực 170 Điểm 2; Khảo sát xâm thực;  =2.454 Phân bố áp suất vùng bánh công tác Xâm thực bánh công tác Phân bố áp suất cánh Phân bố đường dòng 3.1.4 Góc +3 độ Điểm 1; Khảo sát đặc tính;  =1.93 H=2.212m; Q=0.460 m3/s Phân bố áp suất cánh Phân bố bọt khí cánh Phân bố bọt khí tiết diện ngồi Đường dịng phân bố vùng bánh công tác 171 Chiều dài túi tiết diện cánh R=0.99RN Phát triển xâm thực tiết diện 3.1.5 Góc +6 Điểm 3; Khảo sát đặc tính;  =1.5365 H=2.876m; Q=0.454 m3/s Xâm thực phía mặt hút Xâm thực phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt hút Phân bố áp suất phía mặt đẩy Chiều dài túi tiết diện cánh R=0.99RN Phân bố đường dịng vùng bánh cơng tác 172 Điểm 4; Khảo sát đặc tính; 1,417 H=3.173m; Q=0.430 m3/s Xâm thực phía mặt hút Xâm thực phía mặt đẩy Xâm thực phía mặt hút Mật độ pha phía mặt hút Xâm thực phía mặt hút Chiều dài túi tiết diện cánh biên Nhiễu loạn kết hợp dòng chảy ngược dòng xâm thực Phân bố bọt khí khe hở vành mịn 173