Bài giảng cao học Cơ sở khoa học nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực - Đại học Thuỷ lợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Bộ MÔN KỸ THUẬT HẠ TÀNG VÀ PHÁT TRIỀN NÔNG THÔN * BAI GIANG CAO HOC SỚ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TlỀu BẰNG ĐỘNG Lực GS TS.LÊ CHÍ NGUYỆN HÀ NỘI - 2013 MỞ ĐẦU Máy bơm trạm bơm loại thiết bị cơng trình sử dụng rộng rãi ngành kinh tế quốc dân Nhằm mục đích tưới tiêu cung cấp nước cho sinh hoạt công nghiệp, đến xây dựng nhiều trạm bơm lớn, nhỏ Tất trạm bơm cán kỹ thuật nước ta thiết kế, xây dựng quản lý vận hành phát huy hiệu tưới tiêu đảm bảo an toàn sản xuất nông nghiệp nâng cao suất sản lượng trồng Song song với trạm bơm tưới tiêu có áp lực thấp xây dựng chủ yếu vùng đồng bằng, trạm bơm áp lực cao dùng để tưới cho vùng đồi, chuyên canh, sử dụng kỳ thuật tưới phun, tưới gốc , trạm bơm cấp nước cho khu dân cư xây dựng phát triền Đe đáp ứng yêu cầu sản xuất, khơng ngừng đại hóa hệ thống thủy lợi nước ta yêu cầu cấp thiết phải: Nâng cao trình độ thiết kế, xây dựng đảm bảo cơng trình đại, họp lý Nâng cao trình độ khai thác vận hành để giảm chi phí quản lý, tăng hiệu tưới, tiêu cấp thoát nước Đe đáp ứng yêu cầu trên, cần thiết phải nghiên cứu để giải vấn đề sau : máy bơm : Xác định gam bơm hợp lý phủ toàn yêu cầu dùng bơm nước Hiện đại hóa thiết bị trình độ chế tạo Nghiên cứu hồn thiện hệ thống dẫn dịng thủy lực (bánh xe cánh quạt, cánh hướng nước ) đế nâng cao hiệu suất bơm, kết cấu bơm gọn nhẹ Nghiên cứu áp dụng vật liệu nâng cao độ bền, giảm trọng lượng, chống khí thực, nước va trạm bơm: Nghiên cứu xác định quy mô tối ưu hệ thống tưới tiêu động lực Nghiên cứu xác định thông số thiết kế hợp lý Zh, Zt, H, Q cho trạm bom tưới, tiêu cấp nước Nghiên cứu kết cấu nhà trạm phù hợp với loại thiết bị bơm yêu cầu móng điều kiện tự nhiên khác Nghiên cứu hình dạng cấu tạo hợp lý cơng trình hút nước, tháo nước Phương pháp tính tốn tối ưu mạng ống tưới cấp nước Nghiên cứu lập chương trình điều khiển, vận hành tối ưu trạm bơm hệ thống tưới tiêu cấp nước động lực Những vấn đề giải dựa vào sở - Lý thuyết phân tích hệ thống - Lý thuyết tối ưu - Lý thuyết thủy lực chất lỏng - Các phương pháp thí nghiệm mơ hình vật lý Cuốn sách giúp người đọc nâng cao số kiến thức chủ yếu máy bơm, trạm bơm cung cấp số vấn đề sở áp dụng để giải toán hệ thống tưới tiêu cấp nước 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 máy bơm có bánh xe công tác (BXCT) gắn cnh quạt V BXCT quay truyền luợng cho chất lỏng • Đây loại máy bơm dng phổ biến nghìn cứu đầy đủ Máy bơm cánh quạt phn thnh loại theo hướng ding chảy chuyển động máy bơm so với trục bơm: - Móy b-un ly t©m - M4y b-im hưíng trơc - M.y b^m hưíng chĐo MBLT MBHC MBHT Đặc tính cơng tác mồi loại máy bơm biểu thị đường đặc tính máy bơm Đường đặc tính máy bơm đường quan hệ thông số cột nước H, cơng suất N, hiệu suất đặc tính hút (Độ cao chân không cho phép, độ cao hút cho phép độ khí thực) với lưu lượng Q, số vịng quay n đường kính ngồi bánh xe cánh quạt D Với máy bơm (D = const) làm việc với số vịng quay n = const có họ đường đặc tính gồm H = f(Q), r| = f(Q), N = f(Q), AH(NPSH) = f(Q) (hoặc [Hck] = f(Q)) Họ đường đặc tính có dạng khác tùy theo loại khác máy bơm cánh quạt Máy bơm cánh quạt có loại: - Bơm ly tâm : ns < 300 - Bơm hướng chéo ns > 300 4- 500 - Bơm hướng trục ns > 500 Dạng đường đặc tính ba loại máy bơm cánh quạt (hình 1.1) có khác a Bơm ly tâm b Bơm hướng chéo c Bơm hướng trục Hìnhl : Dạng đường đặc tính máy bơm cánh quạt * Máy bơm ly tâm, 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 hình 1-la 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 hình 1.1.c Đường H = f(Q) N = f(Q) giảm với tốc độ lớn theo Q tăng xuất cực đại cực tiểu Vùng từ cực đại c phía Q giảm đột ngột Đường hiệu suất r| = f(Q) nhọn nên phạm vi hiệu suất cao thường bé Máy bơm hướng chéo (hỗn lưu) loại máy bơm truyền cho chất lỏng lực ly tâm lực nâng, hệ số tỷ tốc ns = 300 4- 500 Các dạng đường đặc tính nằm trung bình đường đặc tính hai loại máy bơm li tâm hướng trục Đặc biệt đường N = f(Q) thay đối Q thay đối làm cho động làm việc ổn định 1.1.2 Sự tương tự đường đặc tỉnh máy bơm Việc xác định đường đặc tính máy bơm lý thuyết có nhiều khó khăn Vì để có đường đặc tính mồi loại máy bơm dựa vào kết thí nghiệm đồng thời dùng phương pháp tương tự phân tích thứ nguyên làm sở để tổng họp phát triển kết thí nghiệm Phương pháp tương tự thứ nguyên cho ta tìm quy luật quan hệ cột nước H = f(Q,n,D), công suất N = f(Q,n,D) với lưu lượng Q, số vòng quay n đường kính ngồi bánh xe cánh quạt D, đồng dạng hình học máy bơm xác lập, tức tỷ số kích thước hình học hai phận dẫn dòng máy bơm luôn không thay đổi (ị- = = const) Với máy bơm (D = const) lưu lượng Q số vòng quay n đại lượng xác định chế độ làm việc bơm; Tính chất chất lỏng biếu thị mật độ p hệ số nhớt q Đối với chất lỏng không nén được, chuyển động chất lỏng máy bơm xác định thơng số có thứ nguyên D,Q,n,p,q Cột nước H bơm tạo cho chất lỏng công suất N biếu thị qua mô men quay M xác định dạng chuyển động chất lỏng bánh xe cánh quạt, xác định thơng số có thứ ngun nêu Cơng thức thứ ngun thông số : D = (m); Q = (m3/s); n = (1/s); p = (KG.s2/m4); ụ = (KG.s/m2) Theo lý thuyết thứ nguyên số tổ họp đại lượng không thứ nguyên m hiệu số số đại lượng có thứ nguyên p số đại lượng có thứ nguyên độc lập k Ớ số tổ họp đại lượng không thứ nguyên m = p- k- 5- = Do ta có tổ họp Dp Q Tố họp thứ có dạng số Raynơn tố hợp thứ hai có dạng số Strukhan Ta có đại lượng thứ nguyên mô men quay M = pn' fM ■ Qụ Q công suất N = pn3D5 fM Dụ Q Đại lượng không thứ nguyên cột nước có the xác định tỷ số : TT_ D2n2 g (Qp nưỵ [Dp Q ; Các quan hệ chưa tính đến tổn thất bề mặt thành khe cánh quạt tổn thất ổ trục Cột nước H công suất N phụ thuộc vào 0^Dụ hạn chế vùng rộng, tượng chuyến động có tương tự học khi: Hai máy bơm đồng dạng hình học Đảm bảo quan hệ = const Q Từ ta có cơng thức đồng dạng : 61 _ Q2 DỊn, H2 Dịnị Nt _ N2 ~ DỊnị Neu tính đến tốn thất bề mặt có the viết: 61 Dị3»! 62 D2n2 ĩ]d2 Hị = Dị2/?2! ỉỊtí H2 Nt n2 Dịn22 ĩ?,2 _ Dfn3! Ĩĩcl DỊn32 nc2 1.1.3 Đường đặc tính tổng hợp máy bơm Với máy bơm -ậ- = 1, loại tổn thất thủy lực, tổn thất dung ^2 tích tổn thất khí phạm vi rộng thay đối khơng đáng kể Vì quan hệ đồng dạng có dạng : QỴ _nỴ Q2 HỴ _ nị Nỵ _ nị n2 H2 n2 N2 n2 Trong vùng mơ hình tự động có thê coi r| = const điếm nằm đuờng parabol H-|k Từ kết thí nghiệm máy bơm ứng với số vịng quay cho trước vẽ lại đường đặc tính số vịng quay thay đổi Và ta có đường đặc tính tống hợp máy bơm (hình - 2) Đường đặc tính tống hợp máy bơm có cách đồ thị vẽ đường đặc tính Hi = f(Q) ứng với số vòng quay ni = const đường đẳng hiệu suất r| Xác định đường đặc tính máy bơm thí nghiệm thường có khó khăn tốn Vì có đường đặc tính với số vịng quay người ta mở rộng phạm vi hoạt động bơm ứng với số vòng quay cần thiết hiệu suất máy bơm đạt đuợc ứng với giá trị cột nước lưu lượng Đường đặc tính tổng hợp máy bơm xác định cơng thức đồng dạng có mức độ xác cần thiết điều kiện mơ hình tự động hiệu suất thủy lực, hiệu suất dung tích hiệu suất khí bơm giữ không đổi giới hạn rộng sử dụng phổ biến xác định điểm làm việc bơm điều tốc, ứng dụng biến tần để thay đổi vịng quay bơm 1.1.4 Đường đặc tính tồn phần bơm Khi máy bơm làm việc bình thường số vòng quay n, lưu lượng Q, cột áp H mơ men quay M có trị số dương Trong trường họp có cố mức độ đó, máy bơm làm việc chế độ thuận nghịch Đường đặc tính tồn phần máy bơm biểu thị tính máy bơm trạng thái cơng tác q độ Neu biếu thị: Hh Qh nH MH Trong hệ số h, q,ơ, m tỷ số cột nước, lưu lượng, số vòng quay mô men quay so với chế độ định mức (ứng với TỊmax) Quan hệ hệ số biếu thị hệ tọa độ hình (1.3) gọi đường đặc tính tồn phần máy bơm Hình 3: Đường đặc tính tồn phần máy bơm Ghi : : Đường m Quy ước sau: : Đường h Quay thuận chiều (n>0), quay ngược chiều (n0, Q>0; Tự chảy qua máy bơm Q>0, H0) : bơm làm việc với trạng thái bơm thuận chiều Khu vực B : Bơm quay thuận lưu lượng chảy ngược trường họp bơm nhận lượng dòng chảy (bắt đầu chảy ngược n>0, H>0, Q