3.4 điểm làm việc của bơm trong hệ thống lưới

Sự điều chỉnh lưu lượng có thể được thực hiện theo các cách sau: 1 Điều chỉnh van trên đường ống đẩy, giữ nguyên số vòng quay của bơm đặc tính lưới bị thay đổi ζđ → ζ'đ, giữ nguyên đặc t

3.4 Điểm làm việc của bơm trong hệ thống lưới - Sự điều chỉnh bơm ly tâm:

Khi bơm làm việc trong lưới:

Qbơm = Qlưới

Hbơm = Hlưới

lưới chính là điêím làm việc của bơm trong hệ thống lưới

3.4.1 Đường đặc tính lưới:

Xét 1 bơm làm việc trong hệ thống như hình vẽ, bơm nước từ bể A lên bể B qua ống hút lh,dh, λh, ζh và ống đẩy lđ,dđ, λđ, ζđ ⇒

xây dựng được pt cột áp lưới và đường đặc tính lưới

Lưu lượng và cột áp làm việc của bơm được xác định thông qua các thông số của hệ thống lưới

- Xây dựng đường đặc tính lưới:

Gọi ev, er là năng lượng đơn vị tại măt cắt vào và măt cắt ra của bơm: Hbơm= er -ev

Tính er và ev thông qua các thông số của hệ thống lưới:

HBơm(Q) [n]

Hlưới(Q)

A

Q A

H A

ηA

Q'

A'

A n'

HBơm(Q) [n']

H A,n'

H'

Viết pt Ber cho măt cắt A và măt cắt vào của bơm:

∑

+

= + γ

g 2

v p z

Viết pt Ber cho măt cắt ra và măt cắt B:

∑

+ + γ +

B

g 2

v p z

∑

+







γ +

−







γ +

=

−

A

2 B B B v

r

g 2

v p z g 2

v p z e e

H

















































luoi

2 tinh

luoi

H

Q K

w

2 A

2 B

H

A B A

B

g 2

v g 2

v p

p z

z









γ

− γ +

−

=

Kết luận:

1) Cột áp bơm dùng để khắc phục yêu cầu của cột áp lưới

2) Cột áp lưới bao gồm:

- Độ chênh Z của mặt thoáng bể đẩy và bể hút

- Độ chênh áp suất trên mặt thoáng bể đẩy và bể hút, = 0 nếu hai bể hở

- Độ chênh động năng giữa mặt thoáng bể đẩy và bể hút (thường bằng 0)

- Tổn thất năng lượng trong ống hút và ống đẩy

Vậy Hlưới = Hlưới tĩnh + K.Q

3.4.2 Điều chỉnh sự làm việc của bơm:

Nhiệm vụ của điều chỉnh bơm là để cung cấp cho hệ thống lưới 1 lưu lượng Q' theo yêu cầu

Điều này gây ra sự thay đổi các thông số làm việc cơ bản của bơm (Q,H,N,η) như đã thấy trong đường đặc tính Sự điều chỉnh lưu lượng có thể được thực hiện theo các cách sau:

1) Điều chỉnh van trên đường ống đẩy, giữ nguyên số vòng quay của bơm (đặc tính lưới bị thay đổi (ζđ → ζ'đ), giữ nguyên đặc tính bơm)

Khi điều chỉnh van (giảm độ mở), tổn thất qua van tăng lên, đường đặc tính lưới sẽ thay đổi (các đường nét đứt) điểm làm việc A sẽ dịch chuyển về phía trái trên đường đặc tính bơm đến A' có các thông số làm việc mới Q’,H’,N’ Tiếp tục giảm độ mở của van, tổn thất qua van càng tăng, đường đặc tính lưới

càng dốc lên và điểm làm việc tiếp tục dịch về phía trái

Tóm lại điều chỉnh lưu lượng bằng cách đóng dần van trên đường ống đẩy tức là đưa thêm vào hệ thống 1 sức cản thủy lực (tổn thất qua van), chỉ sử dụng khi cần điều chỉnh giảm lưu lượng so với lưu lượng ở chế độ làm việc tối ưu

Phương pháp điều chỉnh này không có lợi về tính kinh tế năng lượng, tuy nhiên do tính đơn giản, dễ vận hành nên phương pháp này thường được sử dụng rộng rãi

Van điều chỉnh thường đặt trên đường ống đẩy, tránh đặt van trên đường ống hút vì có thể dẫn đến xâm thực, ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống

2) Điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng quay của trục bơm (thay đổi đường đặc tính bơm, giữ nguyên đường đặc tính lưới: điểm làm việc được xác định trên đường đặc tính lưới)

Nếu bơm có thể điều chỉnh được số vòng quay, thì phương pháp điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi số vòng quay thể hiện nhiều ưu điểm

Trên đồ thị là các đường đặc tính của bơm ứng với các số vòng quay n và n'<n Với hệ thống lưới có đường đặc tính cho trên đồ thị Các điểm làm việc tương ứng với các số vòng quay sẽ là A và Ao' và các lưu lượng tuơng ứng là Q,Q’, các cột áp tương ứng là H, Ho’ Bằng phương pháp này, cả lưu lượng và cột áp đều giảm khi số vòng quay giảm, không có một phần năng lượng tổn thất nào phát sinh thêm và do đó phương pháp này có nhiều ưu điểm so với phương pháp trên, tuy nhiên vẫn không được thông dụng bằng phương pháp trên do phải sử dụng động cơ điện có thể thay đổi số vòng quay là rất tốn kém

3) Điều chỉnh bằng phương pháp đặt bánh dẫn hướng tại cửa vào bánh công tác :

Sử dụng 1 bánh dẫn hướng bao gồm nhiều cánh dẫn hướng đặt tại lối vào của bánh công tác Các cánh dẫn hướng có thể xoay quanh trục của nó và do đó làm thay đổi độ mở, khi các cánh đóng hoàn toàn thì Q=0

4) Điều chỉnh bằng phương pháp kết hợp:

Trong thực tế ta thường kết hợp 2 phương pháp 1 và 2, dùng động cơ có nhiều cấp tốc độ và kết hợp với van trên đường ống đẩy để điều chỉnh đạt lưu lượng yêu cầu

3.5 Ghép bơm:

3.5.1 Ghép song song:

Một hệ thống lưới có thể được cung cấp chất lỏng bởi nhiều bơm Khi lưu lượng thay đổi lớn do yêu cầu theo ngày hay theo mùa của mạng lưới, việc điều chỉnh lưu lượng được thực hiện tốt nhất là bằng cách ghép song song các bơm và thay đổi số bơm làm việc để thay đổi lưu lượng

Q∑ = Q1 + Q2 + Q3 +

Hlưới = H1 = H2 = H3 =

3.5.2 Ghép nối tiếp:

Trong trương hợp hệ thống có yêu cầu về cột áp lớn hơn cột áp của 1 bơm, ta có thể ghép nối tiếp các bơm để thỏa mãn yêu cầu về cột áp của hệ thống Cột áp làm việc của hệ thống bằng tổng cột áp của các bơm ghép khi bơm làm việc tại chế độ lưu lượng này

Q1 = Q2 = = Qlưới

Hlưới= H1+H2+

A

B

Khi điều kiện cho phép, việc chọn 1 bơm khác có đủ cột áp yêu cầu để làm việc trong hệ thống sẽ thuận tiện và kinh tế hơn nhiều so với ghép nối tiếp các bơm

3.6 Luật tương tự (đồng dạng trong máy cánh dẫn) :

3.6.1 Nhắc lại các quan hệ tương tự của 2 máy cánh dẫn ở chế độ làm việc tương tự:

Các thông số Khi D 2 thay đổi Khi n thay đổi Khi D 2 ,n cùng thay đổi

Q

3

b

a 2 b a

D

D Q Q









= =  b 

a b a

n

n Q Q

















=

b a 3

b

a 2 b a

n

n D

D Q Q

H

2

b

a 2 b a

D

D H H









=

2

b

a b a

n

n H H









=

2

b a 2

b

a 2 b a

n

n D

D H H

















=

N

5

b

a 2 b a

D

D N N









=

3

b

a b a

n

n N N









=

3

b a 5

b

a 2 b a

n

n D

D N N

















=

3.6.2 Lập đường đặc tính mới của bơm khi số vòng quay thay đổi:

Cho đường đặc tính H=f(Q) tương ứng với số vòng quay na, đường đặc tính của bơm khi bơm làm việc với số vòng quay nb

> na sẽ được xây dựng từ các điểm làm việc tương tự giưã 2 số vòng quay này

Gọi Qa’ và Ha’ là tọa độ của 1 điểm 1a bất kỳ trên đường đặc tính ứng với số vòng quay na, điểm làm việc 1b tại số vòng quay nb và tương tự (cùng hiệu suất) với điểm 1a sẽ thỏa mãn phương trình tương tự sau:

Q Q n

n

b a

b a

' = ' 



 



 ; Hb Ha nnb

a

' = ' 



 



 2

Xác định được Qb’ và Hb’ ta sẽ xác định được điểm 1b trên đồ thị

Các điểm 2b, 3b, 4b sẽ được xác định tương tự như trên

Nối các điểm 1b, 2b, 3b, 4b ta được đường đặc tính của bơm tại số vòng quay nb

3.6.3 Xây dựng parabol đồng dạng với 1 điểm làm việc: Các điểm 1a, 1b, 1c là 3 diểm làm việc tương tự (cùng hiệu suất) khi bơm làm việc với các số vòng quay na, nb ,nc Các điểm này có hiệu suất η1a là hiệu suất của điểm 1a (tương ứng với số vòng quay na)

Nối các điểm 1a, 1b, 1c ta được tập hợp các điểm cùng hiệu suất η1a, ta gọi đây là đường đồng hiệu suất eta1

- Phương trình của đường đồng hiệu suất:

1 điểm làm việc tại số vòng quay n và đồng hiệu suất (tương tự) với điểm 1a sẽ thỏa mãn phương trình đồng dạng sau:

Q Qa nn nn QQ

a a a

= 



 



 ⇒



 



 =

Q Q

a

a a a

= 



 



 = 



 





'

Q Q K Q

a a

= ''2 ⋅ 2 = ⋅ 2

K là hằng số phụ thuộc vào cac thông số của điểm 1a

Vậy khi n thay đổi, các điểm làm việc đồng dạng với điểm 1a sẽ nằm trên parabol đồng dạng qua điểm 1a có phương trình H

= K.Q2, đường parabol đồng dạng này còn được gọi là đường cùng hiệu suất η1a

3.6.3 Xác định số vòng quay n’ của bơm khi điều chỉnh lưu lượng bằng cách điều chỉnh số vòng quay:

Yêu cầu xác định số vòng quay n’ của bơm để bơm làm việc tại điểm A’1 với lưu lượng Q’1, cột áp H’1 , điểm A’1này không nằm trên đường đặc tính đã cho trước H=f(Q) ứng với số vòng quay n

Trước tiên phải xác định parabol biểu diễn các điểm làm việc tương tự với điểm A’1, parabol này được xác định qua phương trình H=K.Q2 với K = QH''1

12 Do đã biết được K, ta có thể vẽ được parabol, giao điểm của parabol này với đường đặc tính H(Q) là điểm A1 Do A1 và A’1 là 2 điểm làmviệc tương tự nên ta có thể tìm ra số vòng quay n’ của bơm để bơm có thể làm việc theo yêu cầu cho trước

n n Q

H H

' = ⋅ '1 = ⋅ '

1

1 1

3.7 Lực hướng trục trong bơm ly tâm:

3.7.1 Lực hướng trục do áp suất không cân bằng:

Khi bơm làm việc, bánh công tác của bơm chịu lực ngang (thẳng góc với trục bơm) và lực hướng trục (cùng phương với trục bơm) Lực ngang xuất hiện là do nguyên nhân dòng chảy khi đi vào bánh công tác và đi ra khỏi bánh công tác là không đối xứng và do đó phần quay của bơm sẽ mất cân bằng tĩnh và cân bằng động Do đó nếu bơm được thiết kế tốt, dòng chảy sẽ có tính đối xứng tốt hơn và do đó lực ngang còn kại rất bé Tuy

nhiên trong thực tế lực ngang là không thể tránh được và có thể dẽ dàng chống đỡ bằng các ổ trục

Lực hướng trục xuất hiện do sự không cân bằng áp lực tác dụng lên phía ngoài của đỉatước và đĩa sau của bánh công tác Ngoài ra tác động của dòng chảy khi chảy vào bánh công tác cũng gây ra 1 phần lực hướng trục

Trong bơm ly tâm nhiều cấp lực hướng trục có thể đạt giá trị rất lớn (hàng chục tấn) Do đó cần phải nghiên cứu tính toán và phương pháp khắc phục lực này

Lực hướng trục do áp suất chất lỏng tác dụng lên bề mặt cong của đĩa bánh công tác gây nên, theo cơ sở của thủy tĩnh học, ta có thể tính thành phần lực tác dụng lên mp thẳng góc với trục bánh công tác (hình 3.32)

Gọi p1 là áp suất tại cửa vào của bánh công tác ,bánh công tác có đệm chống thấm a đặt tại vị trí ngang với cửa vào Dòng chảy tại cửa ra có áp suất p2 sẽ vào khe hở b,c ở phía trước và phía sau bánh công tác, áp suất tại 1 điểm nào đó trong khe hở này sẽ bằng:

p = p2 + pω

pω là áp suất do lực ly tâm của chất lỏng quay trong không gian giữa vỏ bơm và đĩa bánh công tác., thực nghiệm chứng tỏ chất lỏng quay trong không gian này với vận tốc bằng 0,5 vận tốc vòng của bánh công tác

Khảo sát khối chất lỏng nằm trong khoảng bán kính r và r+dr trong buồng c với bề rộng bằng 1 đơn vị Do chất lỏng quay với vận tốc vòng bằng 0,5 ω nên bề mặt sau của đĩa bánh công tác trong giới hạn bán kính đó sẽ chịu 1 lực:

dPω = ⋅ ρ π2 ⋅ ⋅ ⋅ r dr ω2 ⋅ r

2

Aïp suất do lực ly tâm nêu trên sẽ là :

π ρ

ω

= −

⋅ = − ⋅  ⋅ ⋅

2

Dấu trừ trong công thức trên cho thấy áp suất của lực ly tâm trong buồng c có tác dụng làm giảm áp suất chất lỏng trong buồng c Aïp suất của lực ly tâm tác dụng tại bán kính r sẽ được tính theo công thức sau:

r

R

ω = −∫ρ ⋅ω2 ⋅ ⋅ = − ⋅2 ρ ω82 22 − 2 2

Vậy áp suất tại 1 điểm trong buồng c sẽ là:

p = p2 − ⋅ ρ ω2 ( 22 − 2)

8 R r (3.7.1) Trong buồng (b) qui luật phân bố áp suất là tương tự như trên,

do đó ta có trong khỏng từ R2 đến Rsl, , áp suất tác dụng trên 2 bề mặt ngoài của đĩa trước và đĩa sau của bánh công tác sẽ cân bằng nhau Phần còn lại từ Rsl ,đến Rin là phần chịu áp suất không cân bằng,mặt trước của bánh công tác chịu áp suất vào p1 trong khi mặt sau chịu áp suất p tính toán theo công thức (3.7.1), như vậy sẽ sinh ra 1 lực dọc trục có chiều từ phải sang trái:

R

R

sl in in

sl

= ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ −





 − − ⋅

1

Tích phân và biến đổi đại số phương trình trên trở thành:

PI = π Rsl2 − Rin2 ⋅ p − p −ρπω Rsl − Rin ⋅ R − Rsl + Rin

2

2

3.7.2 Lực hướng trục do sự đổi hướng của dòng chảy:

Dòng chất lỏng qua bánh công tác sẽ bị đổi hướng từ dọc trục (cửa vào) đến ly tâm (tại cửa ra), từ đó gây nên 1 lực dọc trục PII tính theo phương trình biến đổi động lượng

Gọi co là vận tốc tại miệng vào của bánh công tác, phương trình biến thiên động lượng chiếu lên phương trục sẽ cho:

PII = ρ Q co

Lực PII cùng chiều với vận tốc co của dòng chảy tại lối vào bánh công tác và giá trị nhỏ hơn PI rất nhiều

Như vậy lực hướng trục tổng cộng sẽ bằng tổng đại số của PI, PII và có chiều của PII (từ phải sang trái, ngược chiều với dòng chảy vào bánh công tác)

P = π Rsl2 − Rin2 ⋅ p − p −ρπω Rsl − Rin ⋅ R − Rsl + Rin − ⋅ ⋅ ρ Q co

2

2

Như vậy lực hướng trục phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó chủ yếu là các kích thước của bánh công tác, vận tốc vòng và cột áp của bánh công tác

Nếu bơm có nhiều cấp thì tổng lực hướng trục sẽ là:

P∑ = i.P

Đối với bơm ly tâm trục đứng, trong công thức tính lực hướng trục cần bổ sung vào thành phần trọng lượng của roto G

P∑ = i.P ± G Lực hướng trục trong bơm làm mòn các ổ chặn tạo nên sự sai lệch các khe hở trong bơm và làm cho roto cọ vào vỏ bơm khi làm việc, ảnh hưởng xấu đến hiệu suất và làm hỏng bơm Vì vậy khi thiết kế chế tạo bơm cần phải có các biện pháp khắc phục lực dọc trục

3.7.3 Các biện pháp khắc phục lực dọc trục:

1) Cho chất lỏng đi vào bánh công tác từ hai phía:

Hình 3.33a biểu diễn bánh công tác 2 miệng hút của bơm ly tâm 1 cấp, do cửa vào đối xứng từ 2 phía do đó lực hướng trục sẽ triệt tiêu nhau và do đó không còn lực dọc trục trên trục bơm

Hình 3.33 trình bày 1 bơm ly tâm 4 cấp trong đó 2 cấp đầu có cửa vào đối xứng với 2 cấp sau và do đó lực hướng trục đã phân tích ở phần trên sẽ triệt tiêu Bơm chỉ chịu 1 lực hướng trục nhỏ do để cố định roto theo phương trục và 1 lực không đáng kể do sự thiếu đối xứng của roto mà nguyên nhân là do sai số trong chế tạo và lắp ráp

2) Cân bằng áp suất ở 2 bên của bánh công tác bằng cách khoan lỗ cân bằng trên đĩa sau của bánh công tác :

Lực dọc trục xuất hiện chủ yếu là do chênh lệch áp suất ở 2 phía của bánh công tác trong khoảng bán kính từ Rsl đến Rin Để cân bằng áp suất ở vùng này ta cấu tạo vành lót kín thứ hai

s tại vị trí ngang với bán kính Rsl chia khe hở giữa thân bơm và đĩa sau của bánh công tác thành 2 phần, phần trên đã cân bằng áp suất với đĩa trước, phần dưới thông với buồng hút bằng các lỗ cân bằng khoan trên đĩa sau của bánh công tác (số lỗ thường từ 3 ÷ 6)

Nhược điểm của biện pháp này là làm giảm hiệu suất lưu lượng của bơm do chất lỏng chảy qua các lỗ khoan về lại buồng hút Tuy nhiên do đơn giản trong chế tạo, phương pháp này thường được sử dụng nhất là đối với bơm ly tâm 1 cấp

3) Sử dụng đĩa cân bằng:

Trong bơm ly tâm nhiều cấp, lực dọc trục thường được khắc phục bằng 1 đĩa cân bằng lắp chặt trên trục bơm ở cấp cuối cùng (Hình 3.35)

Chất lỏng có áp suất p2 tại cửa ra của cấp cuối cùng sẽ đi qua khe hở δr vào buồng C tác dụng lên đĩa cân bằng theo chiều mũi tên Buồng A ở phía sau đĩa do thông với buồng hút nên có áp suất bằng áp suất p1 tại ống hút của bơm Aïp suất ở buồng A chỉ có thể bằng p1 khi khe hở δa giưã đĩa cân bằng và bề măt vỏ bơm là rất bé A gọi là buồng cân bằng áp lực Do sự chênh lệch áp suất giữa buồng A và buồng C mà đĩa cân bằng sẽ chịu 1 lực từ trái sang phải (ngược chiều với lực hướng trục) góp phần triệt tiêu lực hướng trục sinh ra trong bơm

Đĩa cân bằng là 1 thiết bị tự đông điều chỉnh.Giả sử do tác dụng của lực hướng trục, roto di chuyển về phía trái, khe hở δa sẽ giảm đi làm cho áp suất trong buồng C tăng lên và áp suất trong buồng cân bằng A giảm đi cho đến khi roto cân bằng không dịch chuyển nữa Khi roto dịch chuyển về phía trái , khe hở δa tăng, dòng chảy từ buồng C đi vào buồng A và áp suất trong buồng A sẽ tăng lên, áp suất buồng C giảm đi cho đến khi roto đạt sự cân bằng mới

3.8 Một số lưu ý khi sử dụng bơm ly tâm:

- Chọn bơm đúng yêu cầu kỹ thuật, dựa vào đặc tính bơm và đặc tính lưới