tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật đến lưu lượng và độ cao nâng nước của bơm xoắn ốc dùng sức nước dòng chảy sông suối

Điều tra khảo sát tình hình cây trồng, lượng mưa, sông suối ở một số tỉnh miền núi phía Bắc, đánh giá khả năng ứng dụng bơm xoắn ốc .... Đánh giá khả năng ứng dụng ứng dụng bơm xoắn ốc c

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan 1

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 8

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 9

MỞ ĐẦU 11

1 Tính cấp thiết của đề tài 11

2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 11

3 Tổng quan nội dung nghiên cứu của đề tài 11

4 Mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu 12

Chương I 13

NĂNG LƯỢNG DÒNG CHẢY SÔNG SUỐI VÀ VIỆC SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG THIÊN NHIÊN PHỤC VỤ SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG Ở MIỀN NÚI 1.1 Dòng chảy sông suối – nguồn năng lượng sạch của thiên nhiên 13

1.1.1 Mạng lưới sông suối ở nước ta 13

1.1.2 Thủy chế của sông ngòi Việt nam 14

1.1.3 Dòng chảy sông suối 14

1.1.4 Dòng chảy sông suối Việt Nam và các yếu tố địa lý tác động tới nó 15

1.2 Nhu cầu cung cấp nước cho sản xuất ở vùng cao 27

1.3 Sử dụng năng lượng dòng chảy sông suối phục vụ đời sống và sản xuất 29

1.4 Các loại phương tiện cung cấp nước tưới dùng năng lượng dòng chảy 29 1.4.1 Cọn nước truyền thống 30

1.4.2 Bơm thủy luân 32

1.4.3 Bơm va 33

1.4.4 Bơm cuộn - xoắn ốc 34

1.4.5 Ưu, nhược điểm của bơm xoắn ốc và sự lựa chọn để cung cấp nước tưới cây trồng vùng cao 36

1.5 Nghiên cứu và ứng dụng bơm xoắn ốc trên thế giới và trong nước 37

1.5.1 Nghiên cứu, ứng dụng bơm cuộn và bơm xoắn ốc trên thế giới 37 1.5.2 Nghiên cứu và ứng dụng bơm cọn xoắn ốc trong nước 41

1.6 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn 44

Chương II 45

MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 45

2.1.1 Mục tiêu chung 45

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 45

2.2 Phương pháp nghiên cứu 45

2.3 Thiết bị khảo sát dòng chảy và các phương pháp đo 46

2.3.1 Lưu tốc dòng chảy và phương pháp đo 46

2.3.2 Các phương pháp đo lưu tốc 48

2.4 Các dụng cụ đo vận tốc 49

2.4.1 Lưu tốc kế - phân loại lưu tốc kế 49

2.4.2 Các bộ phận chủ yếu của lưu tốc kế 49

2.4.3 Ống đo thủy văn 49

2.4.4 Xác định vận tốc bằng xác định lực tác động của dòng chảy lên vật trôi 52

2.5 Lưu lượng dòng chảy và phương pháp đo 53

2.6 Trang thiết bị đo khảo sát dòng chảy và thí nghiệm bơm 56

Chương III 60

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH CỦA BƠM XOẮN ỐC 3.1 Cơ sở nguyên lý hoạt động của bơm xoắn ốc 60

3.2 Lý thuyết về quá trình hoạt động của bơm 64

3.2.1 Nguyên lý bơm - áp kế tầng 64

3.2.2 Sự chuyển động của phân đoạn chứa khí và nước 65

3.2.3 Đổ nước ngược 68

3.2.4 Mực nước dâng lên trong các cuộn ống 69

3.2.5 Ống dẫn xả nước 71

3.3 Xây dựng công thức tính thông số kỹ thuật của bơm xoắn ốc 73

3.3.1 Lượng nước gầu múc 73

3.3.2 Lưu lượng bơm 74

3.3.3 Công thức tính độ cao nâng nước tối đa của bơm xoắn ốc 75

3.4 Kết luận 75

Chương IV 77

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BƠM XOẮN ỐC QUAY BẰNG SỨC NƯỚC DÒNG CHẢY 4.1 Điều tra khảo sát tình hình cây trồng, lượng mưa, sông suối ở một số tỉnh miền núi phía Bắc, đánh giá khả năng ứng dụng bơm xoắn ốc 77

4.1.1 Điều tra khảo sát tình hình cây trồng hai bên bờ suối 77

4.1.2 Điều tra khảo sát tình hình thời tiết khí hậu mùa khô Nhu cầu và khó khăn trong việc tưới nước mùa khô 78

4.1.3 Khảo sát lưu lượng dòng chảy sông suối 78

4.1.4 Đánh giá khả năng ứng dụng ứng dụng bơm xoắn ốc chạy bằng sức nước dòng chảy 79

4.1.5 Khả năng đưa nước lên cao 81

4.2 Thiết kế và chế tạo bơm xoắn ốc 81

4.2.1 Kết cấu các bộ phận kết cấu bơm xoắn ốc đặt trên phao nổi 82

4.2.2 Tính toán các thông số kỹ thuật của bơm xoắn ốc 86

4.3 Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa các thông số kỹ thuật của bơm 87 4.4 Khảo nghiệm thực tế sử dụng 93

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 98

Tài liệu tham khảo 99

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hàng năm vào mùa khô cánh đồng bên các bờ sông suối thường thiếu nướcnghiêm trọng, nên việc canh tác sản xuất gặp khó khăn do nguồn nước sông suối ởdưới thấp Vào thời kỳ này bình độ các cánh đồng so với mặt nước sông suối thườngcao từ 5-15 mét Để lấy nước sông suối tưới cho cây trồng phải lội xuống sông gánhnước rất khó khăn vất vả Hộ có điều kiện phải dùng bơm cao áp chạy động cơ nhưngchi phí tốn kém, lại gây ô nhiễm môi trường Việc sử dụng bơm nước xoắn ốc dùngsức nước dòng chảy sông suối để tưới cho cây trồng vào mùa khô có ý nghĩa thực tiễn

và hiệu quả kinh tế cao, không những cung cấp nước tưới liên tục mà bơm còn khôngdùng nhiên liệu nên thân thiện với môi trường

Đề tài được chọn là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật đến

lưu lượng và độ cao nâng nước của bơm xoắn ốc dùng sức nước dòng chảy sông suối”

2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

*Ý nghĩa khoa học:

- Phát triển bổ xung thêm về loại hình bơm xoắn ốc ứng dụng trong thực tế

- Sử dụng nguồn năng lượng sạch thiên nhiên phục vụ đời sống, là xu hướng đangđược quan tâm và phát triển

- Nghiên cứu khoa học gắn kết với phát triển kinh tế, xã hội vùng cao

*Ý nghĩa thực tiễn:

Tạo ra sản phẩm, kết quả nghiên cứu và sản phẩm mới phục vụ thiết thực cho sảnxuất nông nghiệp và phục vụ đời sống đồng bào vùng cao (miền núi)

Chương I NĂNG LƯỢNG DÒNG CHẢY SÔNG SUỐI VÀ VIỆC SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG THIÊN NHIÊN PHỤC VỤ SẢN

XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG Ở MIỀN NÚI

1.1 Dòng chảy sông suối – nguồn năng lượng sạch của thiên nhiên

1.1.1 Mạng lưới sông suối ở nước ta

Địa hình Việt nam chủ yếu là đồi núi được Tân Kiến Tạo làm trẻ lại do đó có độdốc lớn, trên đó lại được nhận lượng mưa khá lớn tập trung vào mùa hạ đã tạo nênmạng lưới sông ngòi (nước chảy tràn) bao gồm hàng ngàn sông suối lớn nhỏ với hìnhdạng, tính chất, hướng chảy khác nhau

Nước ta có mật độ sông suối dày đặc với 2360 con sông Trung bình cứ 1kmsông/1km2 Tuy nhiên có sự phân bố không đồng đều giữa các nơi: những vùng núi đárắn, đá vôi mưa ít có mật độ sông ngòi thấp 0,5km sông/1km2 Tại các sườn núi đóngió, có lượng mưa nhiều, mật độ sông suối khoảng 1,5km sông/1km2 Riêng ở khu vựcđồng bằng mật độ khá lớn khoảng 3-4 km sông/1km2 Sông có lưu lượng lớn do ởnước ta có lượng mưa lớn, lưu lượng bình quân là 26.200m3/s, tương ứng với tổnglượng nước là 839 tỉ m3/năm (trong số này chỉ có 38,5% được sinh ra trong lãnh thổViệt Nam) Trong tổng lượng nước nói trên thì nước chảy tràn trên mặt chiếm 637 tỷ

m3/năm (76%), còn lại là nước ngầm

1.1.2 Thủy chế của sông ngòi Việt nam

1.1.3 Dòng chảy sông suối

1.1.4 Dòng chảy sông suối Việt Nam và các yếu tố địa lý tác động tới nó

1.2 Nhu cầu cung cấp nước cho sản xuất ở vùng cao

1.3 Sử dụng năng lượng dòng chảy sông suối phục vụ đời sống và sản xuất

1.4 Các loại phương tiện cung cấp nước tưới dùng năng lượng dòng chảy

1.4.1 Cọn nước truyền thống

1.4.2 Bơm thủy luân

1.4.3 Bơm va

1.4.4 Bơm cuộn - xoắn ốc

1.4.5 Ưu, nhược điểm của bơm xoắn ốc và sự lựa chọn để cung cấp nước tưới cây trồng vùng cao

1.5 Nghiên cứu và ứng dụng bơm xoắn ốc trên thế giới và trong nước

1.5.1 Nghiên cứu, ứng dụng bơm cuộn và bơm xoắn ốc trên thế giới

1.5.2 Nghiên cứu và ứng dụng bơm cọn xoắn ốc trong nước

1.6 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn

Chương II MỤC TIÊU, NỘI DUNG

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

2.1.1 Mục tiêu chung

Nghiên cứu thiết kế bơm xoắn ốc đặt trên phao nổi sử dụng sức nước dòng chảysông suối bơm tưới nước phục vụ sản xuất và đời sống sinh hoạt cho người dân vùngcao

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số và chế độ làm việc của bơm làm cơ

sở cho việc thiết kế chế tạo các kiểu cỡ bơm khác nhau phục vụ nhu cầu tưới nước vàđời sống sinh hoạt phù hợp với đặc điểm từng vùng

2.1.2 Nội dung nghiên cứu

1) Khảo sát đặc điểm dòng chảy sông suối về mùa cạn ở một số địa điểm ứng dụngbơm xoắn ốc cung cấp nước tưới phục vụ sản xuất và đời sống dân sinh

2) Thiết kế và chế tạo mẫu bơm xoắn ốc đặt trên phao nổi

Bơm xoắn ốc dùng sức nước dòng chảy có thể được thiết kế có kết cấu với cáckích cỡ lớn nhỏ khác nhau tùy theo yêu cầu về lưu lượng và khả năng đưa nước lên độcao cánh đồng cần tưới so với mực nước nguồn sông suối Bơm có thể đặt cố địnhhoặc đặt trên phao nổi tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng

Trong thiết kế và chế tạo, đề tài đã lựa chọn các nguyên vật liệu dễ tìm kiếm ở địaphương, dễ chế tạo và chi phí thấp, phù hợp với khả năng kinh tế của đối tượng sửdụng – đồng bào dân tộc vùng cao

3) Thí nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ tiêu làm việc của bơm

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.3 Thiết bị khảo sát dòng chảy và các phương pháp đo

2.3.1 Lưu tốc dòng chảy và phương pháp đo

2.3.2 Các phương pháp đo lưu tốc

2.4 Các dụng cụ đo vận tốc

2.4.1 Lưu tốc kế - phân loại lưu tốc kế

2.4.2 Các bộ phận chủ yếu của lưu tốc kế

2.4.3 Ống đo thủy văn

2.4.4 Xác định vận tốc bằng xác định lực tác động của dòng chảy lên vật trôi

2.5 Lưu lượng dòng chảy và phương pháp đo

2.6 Trang thiết bị đo khảo sát dòng chảy và thí nghiệm bơm

- Máy đo lưu tốc

- Thước đo sâu chuyên dụng – vật liệu bằng gỗ đầu bịt sắt

Thước đo là cây sào hình trụ đường kính 6 - 8 cm làm bằng gỗ độ dài 3- 4 m.Trên sào có khắc chia mực khoảng cách nhau 5cm

- Đồng hồ đo thời gian

Chương III NGHIÊN CỨU CƠ SỞ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Hình 3.1 Sơ đồ một cuộn ống bơm xoắn ốc

Dưới tác động của sức nước dòng suối chảy lên cánh nhận nước làm bơm quay,

cứ mỗi vòng quay đầu cuộn ống múc nạp một lượng nước và một lượng không khívào trong vòng ống Như vậy trong mỗi vòng ống có một phân đoạn ống chứa nước vàmột phân đoạn chứa không khí Quá trình quay tiếp tục tuần tự với các phân đoạn

nước và không khí mới được nạp vào di chuyển trong đường ống, dồn ép các phânđoạn nước và khí trước đó tạo áp lực cao nâng đẩy nước thoát ra theo đường ống trụcđẩy nước lên cao

3.2 Lý thuyết về quá trình hoạt động của bơm

3.2.1 Nguyên lý bơm - áp kế tầng

3.2.3 Đổ nước ngược

3.2.4 Mực nước dâng lên trong các cuộn ống

3.2.5 Ống dẫn xả nước

3.3 Xây dựng công thức tính thông số kỹ thuật của bơm xoắn ốc

3.3.1 Lượng nước gầu múc

Khi làm việc, dưới tác dụng của sức nước dòng suối làm bơm quay, gầu múc - đầuvào của cuộn ống xoắn ốc di chuyển ngập dần vào dòng suối từ vị trí A và thoát ra ởđiểm C Trong khoảng thời gian đó lượng nước chứa đầy phân đoạn ống có độ dài

cung tròn là L, là độ dài cung A - B - C Lượng nước múc được mỗi lần của một cuộn

ống là:

q S L d .L

4   2

Trong đó: h - Mức ngập sâu trong nước của cuộn ống xoắn ốc

Từ đó ta nhận được lượng nước gầu múc được ứng với mỗi vòng quay của mộtcuộn ống:

R

h R R

d R

h R R

d

360 arccos

2 180 4

2 2



(3.31)

3.3.2 Lưu lượng bơm

Theo lý thuyết lưu lượng bơm xoắn ốc được tính theo công thức sau:

Q nr2.L W 1 (3.32)

Trong đó: r – Bán kính của ống xoắn ốc (gầu múc ống ống xoắn ốc);

n – Số vòng quay của bơm

L W.1 – Là độ dài của phân đoạn nước múc vào được;

Nếu tính không có tổn thất năng động thì L w.1 = 1.R

Trong thực tế lưu lượng của bơm phụ thuộc vào lượng nước nạp được vào đườngống theo đơn vị thời gian và số lượng cuộn ống của bơm, có tính đến ảnh hưởng việcnạp nước vào ống phụ thuộc vào lượng khí chứa trong ống, áp suất dòng chảy, thông

qua hệ số k 1:

Qk1Nq (3.33)

Trong đó: N – Số cuộn ống xoắn ốc lắp trên bơm

K 1 – Hệ số nạp đầy, luôn nhỏ hơn 1, để xác định cần tiến hành qua thựcnghiệm

Mức ngập sâu của cuộn ống trong dòng chảy cũng được thể hiện thông qua công

thức xác định lượng múc nước q ở trên, từ đó ta có lượng nước bơm tính được là:

R

h R R

d N k

360

2 2 1



; (3.34)

3.3.3 Công thức tính độ cao nâng nước tối đa của bơm xoắn ốc:

4

1 2

H (3.35)

Trong đó: H ma x - Độ cao nâng nước tối đa của bơm, m

D n - Các đường kính của các vòng xoắn ốc, từ vòng ngoài cùng (D 1)

đến vòng trong cùng (D n ), m

k 2 - Hệ số độ cao nâng nước, k 2 xác định bằng kết quả thực nghiệm

3.4 Kết luận

Ý tưởng về loại bơm sử dụng cuộn ống đã được ứng dụng từ rất lâu xong đến nay

nó vẫn tiếp tục được nghiên cứu triển khai ứng dụng và phát triển

- Lý thuyết được đưa ra trong bài viết này không mô tả chi tiết tất cả các hoạtđộng bên trong của máy bơm nhưng nó mô tả dự đoán hoạt động của máy bơm với độcần đủ phục vụ mục đích thiết kế

- Mẫu bơm xoắn ốc mà đề tài thực hiện nghiên cứu ứng dụng chỉ là một kiểudạng trong phạm vi rộng của nhiều kiểu, dạng máy bơm sử dụng cuộn ống khác có thểphát triển ứng dụng rộng trong lĩnh vực cung cấp nước, cũng như các hình thức kháchữu ích của loại máy bơm ứng dụng nguyên lý này

- Các máy bơm cuộn ống sẽ không thay thế các loại máy bơm hiện có Nó chỉ bổsung thêm một loại thiết bị cung cấp nước mang lại hữu ích và hiệu quả kinh tế choviệc cung cấp nước tưới tiêu quy mô nhỏ và vừa, đặc biệt phù hợp đối với vùng caomiền núi

Chương IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BƠM XOẮN ỐC QUAY BẰNG SỨC NƯỚC DÒNG CHẢY4.1 Điều tra khảo sát tình hình cây trồng, lượng mưa, sông suối ở một số tỉnh miền núi phía Bắc, đánh giá khả năng ứng dụng bơm xoắn ốc

Đề tài đã tiến hành điều tra khảo sát dòng chảy sông suối một số tỉnh miền núiphía Bắc, trong đó trọng tâm là tỉnh Yên Bái nhằm mục đích xem xét khả năng ứngdụng bơm xoắn ốc ở những địa bàn trong các lưu vực có nguồn sông suối

- Xem xét khả năng có ứng dụng được bơm xoắn ốc không

- Thu thập số liệu thực trạng làm cơ sở cho việc thiết kế, sử dụng bơm xoắn ốc

Đã điều tra trong các lĩnh vực:

- Cây trồng hai bên bờ suối

- Lượng mưa hàng năm, phân bố theo mùa, độ chênh mức nước

- Lưu lượng, vận tốc dòng chảy sông suối

Để thực hiện các công việc này, đề tài đã tiến hành khảo sát thực địa, đến các địađiểm để khảo sát, đo đạc, thu thập thông tin từ người dân địa phương

Bằng cách gián tiếp đến các cơ quan có liên quan như địa chính, thủy văn, nônghọc xin tài liệu, xin ý kiến tư vấn

Từ các kết quả thu được qua khảo sát, tìm hiểu và thu hập tài liệu, đề tài phân tích,lựa chọn, đánh giá tổng hợp để định hướng cho công việc tiếp theo của đề tài

4.1.1 Điều tra khảo sát tình hình cây trồng hai bên bờ suối

4.1.2 Điều tra khảo sát tình hình thời tiết khí hậu mùa khô Nhu cầu và khó khăn trong việc tưới nước mùa khô

4.1.3 Khảo sát lưu lượng dòng chảy sông suối

4.1.4 Đánh giá khả năng ứng dụng bơm xoắn ốc chạy bằng sức nước dòng chảy 4.1.5 Khả năng đưa nước lên cao

4.2 Thiết kế và chế tạo bơm xoắn ốc

4.2.1 Kết cấu các bộ phận kết cấu bơm xoắn ốc đặt trên phao nổi

Hình 4.2 Bơm xoắn ốc đặt trên phao nổi

1 - Bánh xe bơm, 2 - Cuộn ống xoắn ốc, 3 - Gối đỡ trục, 4 - Khớp nối ống kín quay, 5

- Trụ đỡ, 6 - Cánh nhận nước, 7 - Trục bơm, 8 - Khung bơm, 9 - Phao

4.2.2 Tính toán các thông số kỹ thuật của bơm xoắn ốc

1/ Lưu lượng bơm trong một vòng quay (q) và trong 1 đơn vị thời gian (Q);

Để thuận đơn giản việc tính lưu lượng và xác định thông qua các mối liên hệ bằng

công thức sau, trong đó đưa vào hệ số K 1 :

4

2 2 1

D d N K

2 2

Hoặc Q =215-269 m3/ngày đêm

2/ Tính chiều cao nâng nước tối đa của bơm nước H max