Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LÁ CÁNH HƯỚNG DÒNG MÁY BƠM CHÌM HƯỚNG TRỤC ĐẾN ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG CỦA BƠM BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SURVEY AND ASSESS THE INFLUENCE OF THE NUMBER OF VANES IN THE DIFFUSER CASING AXIAL FLOW SUBMERSIBLE PUMPS TO PUMP’S ENERGY CHARACTERISTICS BY SIMULATION SOFTWARE GS.TS Nguyễn Thế Mịch, PGS.TS Nguyễn Văn Bày, ThS Nguyễn Minh Tuấn Viện Cơ khí Động lực – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội nguyentuan.ctb.hn@gmail.com TÓM TẮT Bài báo trình bày khảo sát, đánh giá ảnh hưởng số cánh phận hướng dòng đến đặc tính lượng máy bơm chìm hướng trục phục vụ sản xuất nông nghiệp mục đích khác thông qua mô số phần mềm mô thủy lực chuyên dụng Từ khóa: máy bơm chìm hướng trục, số cánh phận hướng dòng, đặc tính lượng, phần mềm mô ABSTRACT This paper present of survey and assess the influence of the number of vanes in the diffuser casing axial flow submersible pump to pump’s energy characteristics service agricultural production and other purposes by simulation software Keywords: Axial flow submersible pump, number of vanes in the diffuser casing, energy characteristics, simulation software ĐẶT VẤN ĐỀ Bộ phận bánh công tác, buồng bánh công tác miệng loe hút máy bơm chìm hướng trục không khác biệt máy bơm hướng trục, nhiên, phận hướng dòng bơm chìm hướng trục có góc loe lớn nhiều so với bơm hướng trục thông thường Dòng chảy qua hệ thống cánh dẫn dòng bơm chìm hướng trục không dòng hướng trục mà chuyển sang dòng chéo với góc lệch so với phương dọc trục góc α = γ loe /2 Do đó, dòng chảy trở nên phức tạp Cần nghiên cứu đầy đủ phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục với tác động khác mặt thủy lực kết cấu (số cánh phận hướng dòng, góc loe, số vòng quay đặc trưng máy bơm,…), số cánh phận hướng dòng yếu tố cần nghiên cứu Kết thu cho phép đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố đến đặc tính lượng bơm, từ lựa chọn mẫu profin cánh hướng dòng, xác định kết cấu kích thước tối ưu phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục Với phát triển ngày cao công nghệ phần mềm, việc đánh giá chất lượng sản phẩm thực tế thông qua mô số đáng tin cậy xác trước đưa vào sản xuất Trong phạm vi báo, nhóm tác giả trình bày kết khảo sát, đánh giá ảnh hưởng số cánh phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục đến đặc tính lượng bơm thông qua mô số phần mềm mô thủy lực chuyên dụng 857 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LÁ CÁNH BỘ PHẬN HƯỚNG DÒNG MÁY BƠM CHÌM HƯỚNG TRỤC BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 2.1 Xác định ảnh hưởng số cánh bánh công tác cánh hướng dòng bơm hướng trục chìm Tổn thất máy cánh dẫn nói chung máy bơm chìm hướng trục nói riêng vấn đề quan trọng, cần quan tâm ảnh hưởng lớn đề hiệu suất bơm Khi tổn thất nhỏ, hiệu suất bơm cao ngược lại Giá trị hiệu suất cao bơm yếu tố để tính toán, lựa chọn kiểu bơm, kết cấu hệ thống dẫn dòng (miệng loe hút, bánh công tác, phận hướng dòng,…), phương pháp tính toán công nghệ chế tạo chi tiết máy bơm [1, 5] Cũng bơm hướng trục thông thường, tổn thất thủy lực máy bơm chìm hướng trục chịu ảnh hưởng phận máy bơm là: miệng hút, miệng xả, bánh công tác cánh hướng dòng Ảnh hưởng số cánh hướng dòng máy bơm chìm hướng trục xác định thông qua thông số kết cấu hệ thống cánh Khi xét đến ảnh hưởng bánh công tác cánh hướng dòng thường đề cập đến yếu tố: độ mau lưới cánh l/t; góc đặt cánh α; số cánh; vị trí tương đối lưới cánh bánh công tác cánh hướng dòng χ góc loe phận hướng dòng γ loe [1, 2, 4] Các thông số có ý nghĩa định đến hiệu suất máy bơm chìm hướng trục Tuy nhiên, khuôn khổ báo xem xét ảnh hưởng số cánh bánh công tác cánh hướng dòng cách lựa chọn số cánh chúng a) Ảnh hưởng số cánh dẫn hữu hạn tới cột áp máy bơm [1, 3, 4, 5] Phương trình máy cánh dẫn thành lập sở lý thuyết dòng tia Điều kiện để có giả thiết theo lý thuyết dòng tia số cánh dẫn nhiều vô cánh dẫn mỏng vô cùng, chất lỏng làm việc chất lỏng lý tưởng (không nhớt) Trong thực tế, số cánh dẫn bánh công tác cánh hướng dòng có hạn, cánh dẫn có chiều dầy chất lỏng làm việc có độ nhớt, vậy, cột áp thực tế máy khác với cột áp lý thuyết tính theo phương trình Tỷ số cột áp lý thuyết với số cánh dẫn hữu hạn (H lt ) cột áp lý thuyết với số cánh dẫn nhiều vô H lt∝ ký hiệu bằng: H lt V' = 2u = = Kp H lt∞ V2u + p (1) K p = 1/(1+p) hệ số ảnh hưởng số cánh hữu hạn bánh công tác, có giá trị nhỏ V V’ W’ W V2m=V’2m V’ 2u V 2u – thành phần vận tốc xoáy lối bánh công tác (hình 1) V’2u U2 V2u Hình Tam giác vận tốc dòng chất lỏng lối bánh công tác với ảnh hưởng số cánh hữu hạn 858 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Cột áp lý thuyết bánh công tác có số cánh hữu hạn xác định theo (2): H lt = K p H lt∞ = H lt∞ 1+ p (2) Hệ số K p (hay p) phụ thuộc vào kết cấu bánh công tác vào tính chất vật lý chất lỏng vận chuyển Hệ số K p tính gần theo công thức thực nghiệm khác Prôskuara, Maizel, Stađôla, Phơlâyđererơ,… Xác định hệ số p theo công thức (3): p= ψ R 22 ; Z S (3) Trong đó: S – mômen tĩnh đường trung bình cánh tiết diện kinh tuyến: i=2 i =1 S = ∫ rdStb = ∑ ri ∆Stb (4) Hệ số ψ phụ thuộc vào số vòng quay đặc trưng Đối với bánh công tác có n S > 200, hệ số ψ xác định theo công thức (5): Vm ψ = 1,7 + 13,3 sin β2 β U tg 2 (5) Hệ số K p xác định theo công thức Stadora theo gia số vận tốc xoáy (6): ∆V2 u = V2 u − V2' u = π U sin β Z (6) Qua xác định vận tốc V' 2u hệ số K p : Kp = − π U2 sin β2 Z V2u (7) b) Chọn số cánh bánh công tác cánh hướng dòng bơm chìm hướng trục Theo kinh nghiệm thiết kế, số cánh bánh công tác chọn theo quan điểm kết cấu Số cánh bánh công tác bơm hướng trục xác định theo công thức (8) [1, 3, 4, 5]: l R tb (α b − α m ) tb t Z1 = (0,12 ÷ 0,15) R mep − R bau (8) Trong đó: R tb – bán kính trung bình tiết diện prôfin cánh bánh công tác α b , α m – góc đặt cánh tiết diện bầu mép Đối với máy bơm hướng trục, số cánh hướng dòng xác định theo công thức Stariski biết số cánh bánh công tác (9): Z1 l ≥ 2 0,164 K Q2 + 0,247η tl−2 K H2 Z2 t bien Ở đây: Z – số cánh bánh công tác; Z – số cánh hướng dòng; 859 (9) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV K Q – hệ số lưu lượng; K H – hệ số cột áp η tl – hiệu suất thủy lực Ngoài ra, dựa vào số vòng quay đặc trưng để chọn số cánh bánh công tác, cánh hướng dòng tỷ số bầu cánh, cụ thể bảng Bảng Lựa chọn số cánh bánh công tác dựa vào số vòng quay đặc trưng [2, 5] Thông số Số vòng quay đặc trưng (n s ) 400 600 800 1000 1.200 1.700 db 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,25 Z1 2 Z2 9 5 H max 25 15 10 Quá trình tính toán thiết kế máy bơm hướng trục chìm tuân thủ theo quy tắc bơm hướng trục, số lượng cánh bánh công tác cánh hướng dòng tính toán lựa chọn theo phương pháp khác Tùy trường hợp yêu cầu thông số máy bơm cụ thể, chọn phương pháp xác định số cánh cho phù hợp Thông qua thực nghiệm đánh giá tỷ số cánh bánh công tác cánh hướng dòng lựa chọn tối ưu hay chưa Công nghệ tin học ngày phát triển nhanh, đó, trước đưa vào sản xuất để phục vụ phải tiến hành thử nghiệm máy bơm hệ thống thử phòng thí nghiệm Thông qua kết thử nghiệm, đánh giá sơ kết tính toán, lựa chọn kết cấu hệ thống dẫn dòng bơm phần mềm mô dòng chảy chuyên dụng Có nhiều chương trình phần mềm để thực công việc 2.2 Mô dòng chảy máy bơm chìm hướng trục phần mềm mô số Dòng chảy máy bơm chìm hướng trục thường mô phần mềm: Fluent – Ansys, Flex PDE, Pumpal,… Mỗi phần mềm có ưu điểm nhược điểm riêng, nhiên, phần mềm dựa tảng CFD Thuật ngữ CFD Computational Fluid Dynamics (tính toán động lực học lưu chất có trợ giúp máy tính) ngành khoa học chuyên dự đoán đặc tính dòng chảy, truyền nhiệt, phản ứng hóa học việc sử dụng trình tính toán số để giải phương trình toán học liên quan Trong phạm vi báo, nhóm tác giả trình bày ảnh hưởng trường hợp số cánh thông dụng thông qua mô số với trường hợp khác [1, 2, 3]: Trường hợp 1: số cánh bánh công tác Z = 3, số cánh hướng dòng Z = máy bơm chìm hướng trục Thông số kỹ thuật máy bơm mô hình sử dụng để mô (công suất động điện chìm: N = 55kW, cột áp thiết kế: H tk = 3m, lưu lượng tính toán: Q tt = 3.300m3/h, số vòng quay: n = 590v/ph) Với thông số nêu trên, ta tính số vòng quay đặc trưng n s = 916, tương đương với mẫu bơm OП6 (Liên Xô cũ), với số cánh bơm mẫu Z = 3, Z = Bằng chương trình phần mềm CFD, xét trường hợp góc loe phận hướng dòng γ loe = 420; đó, dòng chảy hệ thống cánh thể hình (2÷6) 860 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Lựa chọn kết cấu bánh công tác, phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục có Z =3, Z = Hình Mô véctơ vận tốc hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có Z =3, Z = Hình Mô độ lớn vận tốc dòng chảy hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có Z =3, Z = Hình Mô góc véctơ vận tốc dòng chảy hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có Z =3, Z = 861 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Đường cong đặc tính theo mô số trường hợp trình bày hình Hình Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục có Z =3, Z = Với trường hợp này, hiệu suất thủy lực máy bơm điểm thiết kế (Q tt = 3.300m3/h, H tk = 3m), qua mô số, hiệu suất đạt η b ≈ 72,5% Trường hợp 2: Cũng với thông số máy bơm trường hợp 1, số cánh bánh công tác Z = 4, số cánh hướng dòng Z = Khi đó, tình hình dòng chảy máy bơm chìm hướng trục mô hình (7÷9) Hình Lựa chọn kết cấu bánh công tác, phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục có Z =4, Z = Hình Mô giá trị độ lớn vận tốc dòng chảy hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có Z =4, Z = 862 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Mô góc véc tơ vận tốc dòng chảy hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có Z =4, Z = Đường cong đặc tính lượng bơm trường hợp thể hình 10 Hình 10 Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục có Z = 4, Z = Qua mô số hình 10, ta có mẫu cánh với Z1 = 4; Z2 = 5, hiệu suất đạt η b ≈ 73% điểm Q tt = 3.300m3/h, H tk = 3,0m Trường hợp 3: Xét dòng chảy hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có số cánh bánh công tác Z = 5, số cánh hướng dòng Z =9 (mẫu OП2) máy bơm chìm hướng trục Các thông số kỹ thuật máy bơm mẫu để mô sau: + Công suất động điện chìm: N = 55kW, cột áp thiết kế: H tk = 4,5m, lưu lượng tính toán: Q tt = 2.600m3/h số vòng quay: n = 590v/ph Khi đó, số vòng quay đặc trưng bơm là: n s = 592 Tình hình dòng chảy máy bơm chìm hướng trục với thông số nêu với trường hợp góc loe phận hướng dòng γ loe = 420 mô hình (11÷14) 863 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 11 Lựa chọn kết cấu bánh công tác, phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục có Z =5, Z = Hình 12 Mô véctơ vận tốc dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm hướng trục có Z =5, Z = Hình 13 Mô giá trị vận tốc dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm hướng trục có Z =5, Z = Hình 14 Mô góc véctơ vận tốc dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm hướng trục có Z =5, Z = 864 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Đường đặc tính lượng máy bơm trường hợp trình bày hình 15 Hình 15 Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục có Z = 5, Z = Khi ấy, hiệu suất máy bơm qua mô số điểm thiết kế Q tt = 2.600m3/h, H tk = 4,5m η b ≈ 73% NHẬN XÉT CHUNG Bằng phần mềm chuyên dụng, sau khảo sát dòng chảy qua bánh công tác cánh hướng dòng trường hợp khác với số cánh khác nhau, nhận định sau: - Ở 03 mẫu cánh xuất vùng có vận tốc dòng chảy qua phận hướng dòng nhỏ so với dòng chảy xung quanh (thể hình mầu xanh lam hình 4; 13) Áp suất vùng nhỏ áp suất vùng xung quanh, nghĩa xuất chân không khu vực nêu Vùng dòng chảy lân cận có xu hướng bị “hút” vào để cân áp suất, vậy, tạo nên dòng xoáy bơm gây tổn thất thủy lực làm giảm hiệu suất máy bơm Điều thể góc véctơ vận tốc thay đổi (vùng màu cam – đỏ hình 5; 14) Các trường hợp xuất vùng xoáy dòng Phân tích tình hình dòng chảy phần dẫn dòng bơm chìm hướng trục thông qua chương trình phần mềm mô cho thấy, tượng vật lý theo mô phù hợp với tượng quan sát thực tế phần dẫn dòng máy bơm chìm hướng trục công suất 55kW Các thông số đầu vào phục vụ cho tính toán chương trình mô phù hợp với điều kiện biên dùng cho thiết kế bơm chìm hướng trục Hơn nữa, phần mềm mô tiên tiến giới ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác có lĩnh vực máy thủy lực cánh dẫn Bên cạnh đó, thực tế sử dụng đơn vị nghiên cứu đơn vị sản xuất chuyên ngành máy thủy lực nước cho thấy đạt kết tốt Thực tế cho phép khẳng định toán mô phù hợp tin cậy - Các đường đặc tính trường hợp số cánh khác mô số, ta nhận thấy, máy bơm chìm hướng trục trị số góc loe γ loe , số cánh hệ thống cánh không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất máy bơm Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế, định lựa chọn trị số hệ thống cánh cho phù hợp - Nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng (trị số góc loe phận hướng dòng, hệ số tỷ tốc) máy bơm chìm hướng trục nhằm đánh giá toàn điện ảnh hưởng yếu tố đến đặc tính lượng bơm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Bày Báo cáo khoa học đề tài cấp thành phố Hà Nội: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lắp đặt máy bơm chìm hướng trục trục đứng phục vụ tưới tiêu nông nghiệp chống úng ngập cho thành phố Hà Nội, 2011 865 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [2] Gorơghi gian nhiân S.A, Diaghilep A.I Máy bơm chìm dùng cho cấp nước NXB Chế tạo máy, Leningrat, 1968 [3] A J Stepanoff, Ph.D Lý thuyết tính toán máy bơm ly tâm bơm hướng trục NXB Krieger, Malabar, Frorida (Mỹ), 1992 [4] Lômakin A.A Bơm ly tâm hướng trục Bản dịch từ tiếng Nga Lê Phu, Lê Duy Tùng, Đặng Xuân Thi NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1971 [5] Mikhailôp A.K, Maliusenko V.V Máy bơm cánh dẫn - lý thuyết, tính toán kết cấu NXB Chế tạo máy, Moscơva, 1977 866