Giáo trình Bơm và trạm bơm

MÁY BƠM VÀ TRẠM BƠM Chương 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MÁY BƠM I- Nguyên lý máy bơm cấp nước Nguyên lý làm việc máy bơm cấp nước dựa sở hút đẩy chất lỏng Bơm loại máy biến nhận từ động thành lượng chuyển động dòng chất lỏng Máy bơm cần nhiều lượng thiết bò hệ thống cấp nước, chi phí quản lý cho máy bơm chiếm tỉ lệ lớn tổng kinh phí cho việc vận hành hệ thống cấp nước II- Đònh luật đồng dạng Sự chuyển động chất lỏng bánh xe công tác (b.x.c.t) buồng bơm máy bơm tùy thuộc vào hình dạng, kích thước phận dẫn dòng, mà phụ thuộc vào độ nhám thành dẫn , độ nhớt thân chất lỏng động truyền tải lên chất lỏng Do có tác động mặt hình học lẫn động học động lực học A Sự đồng dạng hình học Là tỉ lệ kích thước tương ứng loại máy bơm : máy bơm mẫu (thí nghiệm) máy bơm thực tế DT B L = T = T = i e = C o nst (1.1) DM BM LM Trong đó: DT, BT, LT - đường kính, bề rộng, chiều dài b.x.c.t máy bơm thực DM, BM, LM - đường kính, bề rộng, chiều dài b.x.c.t máy bơm mẫu ie - hệ số tỉ lệ chiều B Sự đồng dạng động học Hai hệ thống máy bơm đồng dạng chế độ chảy chúng Hay nói cách khác thông số đặc trưng cho trình chuyển động Raynol, Frut, Strukhan hai hệ thống máy bơm chúng đồng dạng động học, nghóa là: ReT=ReM FrT =FrM (1.2) ShT =ShM Trong đó: Re - Hệ số Raynol đặc trưng cho ch/động nước tác dụng lực nhớt Fr - Hệ số Frut đặc trưng cho ch/động nước chòu tác dụng trọng lực Sh - Hệ số Strukhan đặc trưng cho ch/động nước tác dụng lực quán tính www.tainguyennuoc.vn C Sự đồng dạng động lực học Đó tỉ lệ lực tác dụng lên phận tương ứng máy bơm mẫu máy bơm thực - Quan hệ áp lực: 2  DT   nT  HT 2 =     = i D i n (1 ) HM D n  M   M  - Quan hệ lưu lượng:  DT   nT  QT =     = i D i n QM  DM   nM  - Quan hệ công suất:  D   n  NT =  T   T  = i D i n NM  DM   nM  Trong đó: i D  D T (1 ) (1 ) - Hệ số tỉ lệ kích thước chiều (đường kính) DM n in  T nM - Hệ số tỉ lệ số vòng quay hay tốc độ quay b.x.c.t III- Hệ số tỉ tốc (số vòng quay đơn vò) Đònh nghóa : Hệ số tỉ tốc (ns) bánh xe công tác số vòng quay bánh xe công tác mô hình tương tự với bánh xe công tác máy bơm ta xét với bánh xe mô hình có : Lưu lượng Qs = (m3/s) Cột áp Hs=1m Công thức tính : ns = n Q H (1 ) Trong đó: n - số vòng quay bơm xét (v/ph) Q - lưu lượng máy bơm xét ứng với điểm làm việc có hiệu suất lớn nhất, đơn vò (m3/s) Nếu máy bơm có hai cửa nước vào: Q  Qb H - áp lực bơm xét ứng với điểm làm việc có hiệu suất lớn (m) Nếu máy bơm có nhiều b.x.c.t H  Hb ( m ) , với x số bánh xe công tác bơm x Các công thức tương đương : Hệ số tỷ tốc công thức (5) có thứ nguyên phụ thuộc vào thứ nguyên n, Q, H Hệ số tỷ tốc thứ nguyên ký hiệu ns/ đại lượng sử dụng rộng rãi: n s/ = 3 n Q (g H ) (1 ) www.tainguyennuoc.vn Trong : n - tính (vòng/giây), g- gia tốc trọng trường= 9,81m/s2 Nếu n - tính (vòng/phút) thì: , 5 n Q n s/ = (1 ) (g H ) Hệ số tỉ tốc thông số tổng hợp đặc trưng cho bánh xe công tác máy bơm Người ta dựa vào ns để xác đònh đặc tính máy bơm Các kiểu bánh xe công tác tương ứng với hệ số Tỷ tốc nS ns Ý nghóa hệ số tỷ tốc a) Từ công thức (6) nhận thấy: - Máy bơm có trò số ns nhỏ lưu lượng nhỏ cột áp lớn - Máy bơm có trò số ns lớn lưu lượng lớn cột áp nhỏ - Máy bơm có lưu lượng cột áp bơm máy bơm có trò số ns lớn có kích thước nhỏ chi phí thấp b) Từ bảng phân loại nhận thấy: - Nếu trò số ns nhỏ chiều rộng cánh dẫn đường kính b.x.c.t hẹp ngược lại - Nếu trò số ns lớn hơn, kiểu bơm chuyển thành bơm có kiểu hướng trục - Hệ số tỷ tốc cao có khả giảm nhỏ kích thước máy bơm giá thành chế tạo lại dẫn đến việc giảm chiều cao hút máy bơm c) Khi thay đổi đường kính b.x.c.t cách gọt cần lưu ý: - Khi chế tạo b.x.c.t phải cân quay Vì b.x.c.t gia công lại phải đảm bảo yêu cầu www.tainguyennuoc.vn IV- Luật quan hệ tương tự bơm Ngoài ứng dụng nêu trên, luật tương tự ứng dụng thực tế sử dụng bơm ly tâm để nghiên cứu quan hệ tương tự máy bơm Quan hệ tốc độ quay n (hoặc D, ) với thông số làm việc khác máy bơm Q, H, N n (hoặc D, ) thay đổi * Quan hệ thông số Q, H, N Quan hệ Q, H, N thay đổi thông số khác (n, D, ) thể bảng sau gọi quan hệ tỷ lệ bơm Quan hệ tương tự bơm ly tâm Thông số Khi thay đổi n Khi thay đổi D Q Q n =  Q1  n1  Q D =  Q1  D1  H H n =  H1  n1  N N n =  N1  n1  H D =  H1  D1  N D =  N1  D1  Khi thay đổi  Khi thay đổ n,D,  Q = Q1 Q nD =     Q1  n1   D1  2 H P = H1 P1 H n =  H1  n1  N P  N1 P1 N n =  N1  n1  2 D P    D1  P1 D P    D1  P1 V- Đường biểu diễn chế độ làm việc tương tự Từ quan hệ tương tự bảng ta có : hay : H Q =  (1.9) H1  Q1  H H1 = = k = const (1.10) Q Q12 Khi bơm làm việc chế độ tương tự hiệu suất coi không đổi nên đường biểu diễn điểm làm việc chế độ làm việc tương tự gọi đường hiệu Các điểm làm việc chế dộ tương tự www.tainguyennuoc.vn Chương 2: CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MÁY BƠM I- Lưu lượng Đònh nghóa : Lưu lượng máy bơm cấp nước lượng chất lỏng máy bơm cấp đơn vò thời gian Kí hiệu : Q Đơn vò thể tích Thứ nguyên : Tức là: (m3/h), (m3/s), (l/ph) (l/s) Đơn vò thời gian II- Cột áp Đònh nghóa : Cột áp máy bơm độ gia tăng lượng mà đơn vò trọng lượng chất lỏng nhận từ vào khỏi máy bơm Ký hiệu : H Thứ nguyên : m Công thức xác đònh : H = Er – Ev (2.1) Theo đònh nghóa : Pr α r Vr2 P α V Er = + + Zr (2.2) E v = v + v v + Zv (2.3) γ.g 2.g γ.g 2.g Trong : Er, Ev - lượng đơn vò chất lỏng vào máy bơm (m) v , r - hệ số vận tốc dòng chảy vào khỏi máy bơm pr, Vr, Zr - áp suất, vận tốc cao độ dòng chảy khỏi máy bơm pv, Vv, Zv - áp suất, vận tốc cao độ dòng chảy vào máy bơm  - khối lượng riêng chất lỏng bơm (kg/m3) g - gia tốc trọng trường (m/s2) Như cột áp bơm (bao gồm thành phần : động năng) là: Pr - Pv α r Vr2 - α v Vv2 H= + Zr - Z v + (2.4) γ.g 2.g Thành phần gọi cột áp tónh: Ht P -P H t = r v + Zr - Zv (2.5) γ.g Thành phần động gọi cột áp động: Hđ α V - α v Vv2 Hd = r r (2.6) 2.g Cột áp toàn phần máy bơm : H = Ht + Hđ (m) (2.7) Sơ đồ xác đònh cột áp bơm www.tainguyennuoc.vn III- Công suất A Công suất hữu ích máy bơm Đònh nghóa : Toàn độ gia tăng lượng mà dòng chảy nhận qua máy bơm đơn vò thời gian gọi Công suất hữu ích Ký hiệu : Ph Theo đònh nghóa công suất hữu ích xác đònh công thức: Ph = G.H(kGm/s) = g.Q.H γ.g.Q.H (kW) = (kW) 102 1000 (2.8) Trong : H - cột áp toàn phần máy bơm (m) G - lưu lượng trọng lượng (kG/s) Q - lưu lượng thể tích máy bơm (m3/s)  - trọng lượng riêng chất lỏng (kG/m3) (với nước từ 5-400C, =1000kG/m3) g - gia tốc trọng trường (m/s2) B Công suất trục máy bơm Đònh nghóa : Toàn lượng mà phần đầu bơm tiêu thụ để máy bơm bơm dòng chất lỏng Q đạt cột áp toàn phần H gọi Công suất trục Ký hiệu : P2 Theo đònh ngóa công suất hữu ích xác đònh công thức: γ.Q.H γ.g.Q.H P2 = (kW) = (kW) (2.9) 102.η 1000.η Trong :  - hiệu suất máy bơm (%); g- gia tốc trọng trường (m/s2) H - cột áp toàn phần máy bơm (m) Q - lưu lượng máy bơm (m3/s)  - trọng lượng riêng chất lỏng bơm (kG/m3) C Hiệu suất máy bơm Máy bơm nhận từ bên công suất trục máy bơm P2, phần công suất bò tiêu hao lúc máy bơm chuyển động, phần lại công suất hiệu Ph trực tiếp truyền cho chất lỏng bơm Đònh nghóa : Hiệu suất máy bơm tỷ số công suất hữu ích công suất trục máy bơm P Công thức tính toán : η = h 100 (%) (2.10) P2 D Điện tiêu thụ máy bơm Công suất động dẫn động: P2đc = K.P2 (kW) (2.11) P T Điện tiêu thụ máy bơm : P1dc = 2dc (kW/h) (2.12) ηdc Trong : đc - hiệu suất động (%) P2dc - công suất trục động (kW) T - thời gian máy bơm hoạt động (giờ) K - hệ số trữ công suất (K=1, 05 - 1,5 Công suất lớn lấy K nhỏ) www.tainguyennuoc.vn 10 IV- Tốc độ quay máy bơm Đònh nghóa : Tốc độ vòng quay số vòng quay trục máy bơm đơn vò thời gian Kí hiệu: n Đơn vò: vòng/phút Tốc độ quay cao động nhỏ đi, chi phí hạ thấp Nhưng phải đảm bảo tốc độ có giá trò không xảy tượng xâm thực bánh xe công tác buồng bơm Tốc độ quay động nối với máy bơm phải đáp ứng điều kiện sau: Hệ số trượt N - Công suất biểu kiến (kW) 100 > 100 s - Hệ số trượt (giá trò gần đúng) 3–5 1–3 Tốc độ đồng (đối với động pha) Tần số 50 Hz 60 Hz Số lưỡng cực 3.000 (vòng/phút) 3.600 (vòng/phút) 1.500 (vòng/phút) 1.800 (vòng/phút) 1.000 (vòng/phút) 1.200 (vòng/phút) 750 (vòng/phút) 900 (vòng/phút) Tốc độ quay thực bơm  Tốc độ quay lý thuyết : n  nlt 120 X Tần số Tốc độ quay đồng = Số lưỡng cực động V- Đường kính máy bơm Khái niệm : Kích thước bơm biểu thò theo đường kính nó: - Đối với bơm trục đứng, bơm chìm đường kính cửa đẩy, - Còn với loại máy bơm khác đường kính cửa hút Công thức : Đường kính bơm xác đònh theo công thức sau: Q D = 145 (mm) (2.13) v Trong đó: D: Đường kính bơm (mm) Q: Lưu lượng bơm (m3/s) v: Vận tốc dòng chảy cửa hút cửa xả (m/s) www.tainguyennuoc.vn 11 VI- Đường đặc tính bơm Các thông số lưu lượng (Q), cột áp (H), công suất (N) hiệu suất () thay đổi theo chế độ làm việc bơm với số vòng quay (n) không đổi thay đổi Các quan hệ H = f1(Q), N = f2(Q),  = f3(Q) biểu thò đặc tính làm việc bơm, biểu diễn dạng giải tích gọi phương trình đặc tính biểu diễn đồ thò gọi đường đặc tính bơm Trong thực tế kỹ thuật thường dùng đường đặc tính Các đường đặc tính xây dựng nên từ số liệu tính toán gọi đường đặc tính lý thuyết, xây dựng từ giá trò đo qua thí nghiệm gọi đường đặc tính thực nghiệm Các đường đặc tính ứng với số vòng quay làm việc không đổi (n=const) gọi đường đặc tính làm việc ứng với nhiều số vòng quay khác (n=var) gọi đường đặc tính tổng hợp Trong đường đặc tính: cột áp, công suất, hiệu suất Quan trọng đường cột áp H = f1(Q) cho biết khả làm việc bơm nên gọi đường đặc tính Từ đường đặc tính H = f1(Q) tính toán suy đường đặc tính N = f2(Q)  = f3(Q) Qua đường đặc tính biết cách tổng quát đặc tính làm việc bơm, cho phép mở rộng phạm vi làm việc sử dụng hợp lý chế độ làm việc khác bơm Hình dạng đường đặc tính thực nghiệm phụ thuộc vào loại bơm, thông thường có ba dạng sau : Dạng dốc đứng (đường 1) - Đường đặc tính ổn đònh Dạng dốc vừa (đường 2) Dạng lồi (đường 3) - Đường đặc tính không ổn đònh Bởi ứng với giá trò cột áp H có hai trò số lưu lượng Các dạng đường đặc tính bơm ly tâm 1- Đường đặc tính thoải; 2- Đường đặc tính dốc; 3- Đường đặc tính lồi www.tainguyennuoc.vn 12 Chương 3: PHÂN LOẠI VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG CỦA BƠM I- Phân loại máy bơm Máy bơm phân loại theo nhiều cách Thông dụng phân loại theo cấu tạo nguyên lý làm việc máy bơm Bơm cánh Bộ phận làm việc bơm bánh xe công tác có cánh dẫn dòng, phận chủ yếu để trao đổi lượng với chất lỏng Loại bơm gồm: Bơm ly tâm, bơm hướng trục, bơm xoáy Bơm thể tích Việc trao đổi lượng với chất lỏng tiến hành theo nguyên1ý nén chất lỏng thể tích kín áp suất thủy tónh Loại bơm gồm: Bơm pit tông, bơm trục vít, bơm rôto cánh trượt Bơm phun tia Loại bơm chi tiết chuyển động Việc truyền lượng cho chất lỏng thực nhờ dòng chất lỏng (hoặc khí) khác có lượng cao Bơm khí ép Loại bơm chi tiết chuyển động Bơm làm việc dựa nguyên tắc bình thông Bơm nước va Lợi dụng lượng nước va để vận chuyển chất lỏng Bơm chân không Cũng thuộc loại bơm thể tích làm việc theo nguyên lý thay đổi áp suất II- Phạm vi sử dụng loại máy bơm Bơm pittông thường sử dụng với cột áp cao lưu lượng nhỏ Bơm rôto, trục vít, khía khó chế tạo ổ trục, sử dụng với cột áp < 300m Bơm cánh có kết cấu gọn nhẹ nên dùng rộng rãi với cột áp thấp lưu lượng trung bình đến lớn Phạm vi sử dụng kiểu bơm thể cụ thể đồ thò (hình 03) tọa độ Logarit Q-H www.tainguyennuoc.vn 13 Khu vực sử dụng loại bơm khác www.tainguyennuoc.vn 14