Nghiên cứu các đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT QBhh Lưu lượng máy bơm khi vận chuyển hỗn hợp bùn m3/s QBn Lưu lượng máy bơm khi làm việc trong môi trường Qtu Lưu lượng máy bơm bùn ở chế độ tối

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

Hà Nội – 2011

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

GS TS LÊ DANH LIÊN

Hà Nội – 2011

MỤC LỤC Trang Lời cam đoan 5 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 10

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 11

MỞ ĐẦU 13 Chương 1 –TỔNG QUAN CHUNG VỀ MÁY BƠM BÙN CÁT 15

1.1 Tổng quan các kết quả nghiên cứu về máy bơm bùn cát 15

1.1.1 Những đặc điểm chính của máy bơm bùn 15

1.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc của máy

bơm bùn

16

1.1.3 Đặc điểm cơ bản của môi trường dòng hai pha rắn-lỏng 18

1.1.4 Ảnh hưởng của tính chất dòng hỗn hợp hai pha rắn – lỏng đến

tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn

23

1.1.5 Thông số hình dạng và kết cấu phần dẫn dòng của máy bơm bùn 24

1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng bơm bùn ở Việt nam 34

1.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 35

1.3.1 Nội dung nghiên cứu của luận văn 35

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu của luận văn 35

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA

MÁY BƠM BÙN

36

2.1 Máy bơm bùn làm việc trong môi trường nước sạch 36

2.1.1 Hiện tượng tách dòng của dòng chất lỏng trong rãnh dẫn bánh

công tác

36

2.1.2 Cột áp của máy bơm khi làm việc trong môi trường nước sạch 39

2.1.3 Công suất máy bơm khi làm việc trong môi trường nước sạch 42

2.1.4 Hiệu suất của máy bơm khi làm việc trong mội trường nước sạch 45

2.2 Máy bơm bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn 46

2.2.1 Tổn thất cột áp bổ sung trong bánh công tác 46

2.2.2 Cột áp của máy bơm khi làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn 49

2.2.3 Công suất của máy bơm khi làm việc trong môi trường hỗn hợp

2.3 Phân tích ảnh hưởng của các thông số hình học bánh công tác và

tính chất môi trường hỗn hợp bùn đến đặc tính làm việc của máy bơm

bùn

55

2.3.1 Ảnh hưởng của các thông số hình học bánh công tác 55

2.3.2 Ảnh hưởng của tính chất môi trường làm việc 59

2.4 Lựa chọn các thông số nghiên cứu 60 2.4.1 Lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc

của máy bơm bùn

60

2.4.2 Lựa chọn các thông số nghiên cứu 61 Chương 3: NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC DÒNG CHẢY

HAI PHA TRONG BƠM BÙN CÁT VÀ ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP

CẢI TIẾN ĐỂ TĂNG HIỆU SUẤT VÀ TUỔI THỌ CỦA BƠM BÙN

3.3 Các biện pháp đảm bảo giảm thiểu mài mòn của máy bơm bùn 80

3.4 Sự ảnh hưởng của mài mòn đối với đặc tính của máy bơm bùn 82

3.4.1 Thay đổi kết cấu một vài thông số chi tiết bơm ly tâm 82

3.4.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo các chi tiết máy bơm bùn 83

3.4.3 Giảm sự mài mòn do xuất hiện xâm thực 84

3.4.4 Duy trì các khe hở giữa các chi tiết 85

Chương 4 - ỨNG DỤNG CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH

TOÁN THIẾT KẾ BƠM BÙN

90

4.1 Xác định lưu lượng của bơm bùn 90

4.3 Xác định các kích thước chính của bánh công tác 92

4.3.1 Xác định các thông số kết cấu lối vào của bơm 92

4.3.2 Xác định các thông số kết cấu tại lối ra của bơm 94

4.4 Thiết kế hình dạng rãnh xe ở tiết diện kinh tuyến 99

4.5 Tính toán thiết kế buồng dẫn dòng ra 104

PHỤ LỤC 2: Bản vẽ bánh công tác

PHỤ LỤC 3: Bản vẽ xây dựng buồng xoắn

PHỤ LỤC 4: Bản vẽ chung máy bơm bùn

PHỤ LỤC 5a: Các mác gang xám dùng chế tạo bơm bùn của một số nước

PHỤ LỤC 5b: Các mác thép rèn dùng chế tạo bơm bùn của một số nước

PHỤ LỤC 5c: Các mác thép không gỉ dùng chế tạo bơm bùn của một số nước

HV: Nguyễn Ngọc Minh 5 HD: GS.TS Lê Danh Liên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Ngọc Minh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

QBhh Lưu lượng máy bơm khi vận chuyển hỗn hợp bùn m3/s

QBn Lưu lượng máy bơm khi làm việc trong môi trường

Qtu Lưu lượng máy bơm bùn ở chế độ tối ưu m3/s

η Hiệu suất làm việc của máy bơm bùn khi làm việc

Bn

η Hiệu suất làm việc của máy bơm bùn khi làm việc

HBhh Cột áp của máy bơm khi vận chuyển hỗn hợp bùn m

HBntu Cột áp của máy bơm nước sạch ở chế độ tối ưu m

Hbxn Cột áp của buồng xoắn trong môi trường nước sạch m

Hbctn Cột áp của bánh công tác trong môi trường nước sạch m

Hltbctn Cột áp lý thuyết của bánh công tác khi làm việc trong

Hlthh Cột áp lý thuyết của máy bơm bùn khi làm việc trong

Hltn Cột áp lý thuyết của máy bơm bùn khi làm việc trong

hwbctn Tổng tổn thất cột áp trong bánh công tác khi máy bơm m

bùn làm việc trong môi trường nước sạch

hwbcthh Tổng tổn thất cột áp trong bánh công tác khi máy bơm

bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn m

hwbhhh Tổng tổn thất cột áp trong buồng hút khi máy bơm

bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn m

hwbhn Tổng tổn thất cột áp trong buồng hút khi máy bơm

bùn làm việc trong môi trường nước sạch m

hwbxn Tổng tổn thất cột áp trong buồng xoắn khi máy bơm

bùn làm việc trong môi trường nước sạch m

hwbxhh Tổng tổn thất cột áp trong buồng xoắn khi máy bơm

bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn m

Whh

h∑ Tổng tổn thất cột áp trong các bộ phận dẫn dòng khi máy bơm bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn m

Whn

h∑ Tổng tổn thất cột áp trong các bộ phận dẫn dòng khi máy bơm bùn làm việc trong môi trường nước sạch m

Nhh Công suất của máy bơm khi vận chuyển hỗn hợp bùn kW

Ntrhh Công suất trên trục của máy bơm khi làm việc trong

Ntrn Công suất trên trục của máy bơm khi làm việc trong

kE Hệ số suy giảm hiệu suất của máy bơm bùn -

m

C

b1, b2 Chiều rộng máng dẫn bánh công tác tại lối vào và lối

t t Bước cánh tại lối vào và lối ra của bánh công tác m

tb

∆w Vận tốc trung bình của khối chất lỏng dọc theo mép ra

C2m0 Thành phần vận tốc kinh tuyến của chất lỏng tại lối ra

của bánh công tác không tính đến sự chèn dòng m/s

C1m, C2m Thành phần vận tốc kinh tuyến của chất lỏng tại lối

C1hh, C2hh Thành phần vận tốc tuyệt đối của hỗn hợp tại lối vào

C1u, C2u Thành phần vận tốc tuyệt đối của dòng chảy tại lối vào

C , C Thành phần vận tốc tuyệt đối của pha nước tại lối vào m/s

và ra của bánh công tác

u2 Thành phần vận tốc theo tại lối ra của bánh công tác m/s

V Vận tốc chuyển động của nước m/s

n1 Số lượng ảnh trên phim (giữa các dấu thời gian) chụp

S Khoảng cách trên màn ảnh giữa các tâm của bi khi

n2 Tần suất đánh dấu thời gian trên phim -

u0 Cường độ chịu mài mòn của mẫu thử với tia thử

Hình 2-1 Sơ đồ dòng chảy trong rãnh dẫn bánh công tác 37

Hình 2-2 Tam giác vận tốc tại lối ra của bánh công tác có tính đến

số lá cánh hữu hạn

37

Hình 2-3 Sơ đồ tính toán xác định hệ số điều chỉnh góc β2 40

Hình 3-1 Thí nghiệm quan sát đặc tính của chuyển động trong cánh

của bánh xe công tác

63

Hình 3-2 Quỹ đạo chuyển động trong bánh xe công tác của các bi

cao su có đặc tính đường dòng ở mép vào của các cánh

65

Hình 3-4 Quan hệ giữa góc β và cỡ hạt tương đối d/b 67

Hình 3-5 Quỹ đạo chuyển động của những hạt rơi trực tiếp tại đầu

Hình 3-7 Đặc tính chuyển động của các viên bi với đường kính từ

40-50mm trong mặt cắt đầu tiên của máng dẫn dòng ra

Hình 3-10 Đặc tính mài mòn của vật liệu 78

Hình 3-11 Kết quả nghiên cứu tính chịu mòn của các chi tiết 81

Hình 3-12 Hai kiểu bịt kín của khe hở nhờ đệm cao su 87

Hình 3-13 Giải pháp cụm điều chỉnh 88 Hình 4-1 Phương pháp tính cánh bánh công tác 101

Hình 4-2 Biểu đồ phụ thuộc của vận tốc V’m, W và độ dầy δ vào

bán kính R

103

Hình 4-4 Sơ đồ buồng dẫn dòng ra của bơm và tiết diện tính toán 105

Hình 4-5 Đồ thị phụ thuộc của thông số A và Fp vào hiệu bán kính

R3-R2

108

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Hiện tượng bồi lắng phù sa sông hồ, cửa biển nói chung và bể hút, bể xả trạm bơm, kênh mương tưới tiêu trong thủy lợi nói riêng là vấn đề phức tạp không những

ở nước ta mà trên khắp thế giới Sử dụng các thiết bị nạo vét cơ-thủy lực kết hợp với máy bơm bùn để nạo vét phù sa bồi lắng ở các bể hút, bể xả trạm bơm và kênh mương thủy lợi là giải pháp hợp lý đem lại hiệu quả tốt Ngoài ra, việc sử dụng các bơm cát để phục vụ cho các công tác khai thác và san lấp mặt bằng trong xây dựng cũng đem lại hiệu quả kinh tế cao, giảm thời gian thi công các công trình

Nước ta đang sử dụng số lượng lớn máy bơm bùn và tàu hút bùn phục vụ công tác nạo vét Tuy nhiên, các máy bơm bùn cỡ lớn và vừa đang hoạt động thực

tế đều phải nhập khẩu Các cơ sở sản xuất trong nước đã sản xuất được các chi tiết của máy bơm bùn song chủ yếu dựa vào các mẫu của nước ngoài Vì vậy, chất lượng sản phẩm các máy bơm bùn do Việt Nam sản xuất còn chưa cao Do máy bơm bùn làm việc trong môi trường hai pha rắn – lỏng rất phức tạp Nên việc nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến nâng cao hiệu suất của bơm bùn là một vấn đề cấp thiết với sản xuất

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong máy bơm bùn cát để cải tiến nâng cao hiệu suất làm việc, làm cơ sở thiết kế, chế tạo máy bơm phục vụ công tác nạo vét bể hút, bể xả trạm bơm và kênh mương thủy lợi, cũng như trong công tác sử dụng bơm cát để khai thác cát, san lấp mặt bằng

2.2 Đối tượng nghiên cứu:

Máy bơm vận chuyển bùn, cát với nồng độ hỗn hợp không quá lớn Trọng lượng riêng của hỗn hợp γ =(1200 1500 ÷ )kG m/ 3

2.3 Phạm vi nghiên cứu:

Trong máy bơm bùn, sự vận chuyển của dòng chất lỏng hai pha rắn-lỏng qua

bộ phận dẫn dòng là rất quan trọng và vô cùng phức tạp Nghiên cứu đặc tính động

học dòng chảy trong bơm để từ đó đưa ra một số biện pháp cải tiến nâng cao hiệu suất của bơm Từ đó ứng dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế bơm bùn

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

3.1 Ý nghĩa khoa học

Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã có, đề tài đã tổng hợp, phân tích đặc tính động học dòng chảy hai pha rắn – lỏng trong bơm bùn cát và đưa ra một số biện pháp cải tiến nâng cao hiệu suất làm việc của bơm Từ đó làm cơ sở thiết kế bơm bùn cát cho hiệu suất cao và tuổi thọ cao

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Góp phần nâng cao chất lượng làm việc, hiệu suất, tuổi thọ của máy bơm bùn thiết kế, chế tạo mới và các phụ tùng thay thế, đem lại hiệu quả kinh tế, giúp ích cho các cơ sở sản xuất Kết quả của luận văn sẽ làm tài liệu tham khảo tốt cho các công trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy bơm bùn cát

Luận văn bao gồm bốn chương:

Chương 1: Tổng quan chung về máy bơm bùn cát

Chương 2: Cơ cở lý thuyết quá trình làm việc của máy bơm bùn

Chương 3: Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy hai pha trong bơm bùn cát và

đề xuất biện pháp cải tiến để tăng hiệu suất và tuổi thọ của bơm bùn cát

Chương 4: Ứng dụng các kết quả nghiên cứu tính toán thiết kế bơm bùn

Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của các Thầy, Cô giáo, sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy Cô giáo để hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy Cô giáo trong bộ môn Máy và Tự động Thủy khí- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là thầy giáo GS.TS Lê Danh Liên đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt thời gian làm luận văn

Chương 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ MÁY BƠM BÙN CÁT

1.1 Tổng quan các kết quả nghiên cứu về máy bơm bùn cát

1.1.1 Những đặc điểm chính của máy bơm bùn

Máy bơm bùn là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống khai thác và vận chuyển hỗn hợp bùn bằng phương pháp thủy lực Tính chất đặc thù của hỗn hợp bùn cát là tính mài mòn và sự hiện diện của các hạt rắn có kích thước lớn trong nó

đã quyết định cấu tạo của máy bơm Do vậy, kết cấu và chế độ vận hành của máy bơm bùn khác với máy bơm ly tâm dùng để bơm nước sạch Những đặc thù riêng của máy bơm bùn bao gồm:

• Buồng xoắn có cấu tạo tròn hoặc dạng nửa xoắn ốc Các tiết diện theo toàn

bộ chu vi không thay đổi hoặc thay đổi rất ít và đủ lớn để cho các hạt rắn có kích thước lớn đi qua

• Số lá cánh của bánh công tác ít (2 đến 6 lá cánh), tiết diện kinh tuyến có đĩa trước và đĩa sau song song với nhau, máng dẫn rộng để đảm bảo khả năng thoát

• Các bộ phận dẫn dòng được làm dày (đặc biệt là lá cánh bánh công tác và thành buồng xoắn) để đảm bảo khả năng chống mài mòn

• Độ tin cậy của máy bơm bùn phụ thuộc vào số vòng quay Giảm số vòng quay là một trong những biện pháp hiệu quả để tăng khả năng chống mài mòn của máy Do đó, số vòng quay của máy bơm bùn thường thấp hơn so với máy bơm ly tâm dùng để bơm nước sạch

• Do yêu cầu khả năng thoát, khả năng chống mài mòn dẫn đến hiệu suất, khả năng tạo cột áp của máy bơm bùn thường thấp hơn so với máy bơm dùng cho nước sạch Giảm số vòng quay, tăng chiều dày các chi tiết dẫn đến kích thước và trọng lượng của máy bơm bùn lớn hơn so với máy bơm nước sạch

• Thời gian làm việc của các chi tiết ngắn, đòi hỏi máy bơm bùn phải có kết cấu đơn giản, dễ tháo lắp và thay thế sửa chữa

• Tính chất cơ lý của môi trường làm việc đóng vai trò rất quan trọng và có ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của bơm bùn

1.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn

Do đặc điểm cấu tạo, mục đích sử dụng cũng như tính chất đặc thù của môi trường làm việc, các chỉ tiêu đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn khác hơn so với máy bơm ly tâm dùng cho nước sạch Tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn đặc trưng bằng các chỉ tiêu:

1 Hiệu suất máy bơm ηB

Giống như máy bơm nước sạch, lưu lượng máy bơm bùn được xác định bởi lượng hỗn hợp vận chuyển được trong một đơn vị thời gian Lưu lượng của máy bơm bùn được xác định theo thể tích QBhh(m3/h) hay theo trọng lượng Ghh(KG/s, T/h) với mối liên hệ theo công thức:

Bơm làm việc với hỗn hợp bùn, công suất có ích được xác định:

hh hh hh hh

N

Khác với bơm nước sạch, nhiệm vụ của bơm bùn là vận chuyển hỗn hợp rắn lên độ cao hoặc theo độ dài cho trước, mặc dù việc vận chuyển chất rắn bằng thủy lực không thể thiếu nước, nhưng năng lượng tiêu hao của bơm cho lượng nước đi cùng chất rắn không thể công nhận là năng lượng có ích Công thức (1.3) mới chỉ ra năng lượng di chuyển của hỗn hợp chất rắn và nước có trị số (γhh, QBhh) đạt đến cột

áp Hhh Do đó, công suất có ích thực sự của máy bơm bùn phải là:

Bhh R

Bhh Bn R

k

η

ηη

Phân tích các chi phí trong quá trình vận hành bơm bùn cho thấy các chi phí

cơ bản là: chi phí thay thế, sửa chữa các chi tiết bị mài mòn trong quá trình làm việc, chi phí cho thời gian chờ đợi, thay thế, sửa chữa các chi tiết thường bị mài mòn, chi phí liên quan đến sự ngừng làm việc không sản xuất chờ thay thế, sửa chữa Do đó, khi đánh giá chất lượng làm việc của máy bơm bùn, chỉ tiêu đầu tiên được đánh giá là khả năng chống mài mòn

3 Khả năng thoát của máy bơm

Máy bơm bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn, do sự có mặt của các hạt rắn với kích thước lớn trong hỗn hợp, đặt ra yêu cầu các bộ phận dẫn dòng của máy bơm phải có kết cấu sao cho đảm bảo các hạt rắn có thể đi qua mà không bị tắc, kẹt Do đó, khả năng thoát là chỉ tiêu để đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn

4 Khả năng tạo cột áp của máy bơm

Khi máy bơm bùn làm việc, bơm hỗn hợp bùn lên một độ cao hoặc đi xa với một độ dài xác định Do khối lượng riêng của hỗn hợp bùn lớn hơn nhiều so với khối lượng riêng của nước dẫn đến cột áp của máy bơm bùn thấp hơn so với máy bơm dùng cho nước sạch Điều này ảnh hưởng rất nhiều trong quá trình vận hành máy bơm Độ suy giảm cột áp của máy bơm khi bơm hỗn hợp bùn so với khi bơm nước sạch là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn Do đó, có thể xác định tính năng làm việc của bơm bùn thông qua độ suy giảm cột áp

hh Bn R R

H

H H

H H H

5 Khả năng hút của máy bơm bùn

Khả năng hút của máy bơm bùn là một chỉ tiêu dùng để đánh giá tính năng

và hiệu quả làm việc của bơm Nó cho phép đánh giá độ sâu khai thác hỗn hợp

1.1.3 Đặc điểm cơ bản của môi trường dòng hai pha rắn-lỏng

Do mỗi pha có những đặc tính riêng và tác động qua lại lẫn nhau tạo nên sự phức tạp của dòng chảy trong máy bơm Sự có mặt của các hạt rắn trong dòng chảy

sẽ ảnh hưởng nhiều đến tính năng và hiệu quả làm việc, đến kết cấu của máy, đặt ra nhiều vấn đề cần phải lưu ý khi thiết kế máy bơm Nói chung, bài toán dòng hai pha phức tạp hơn nhiều so với bài toán dòng một pha khi xét đến các yếu tố ảnh hưởng

đến quá trình làm việc Khi nghiên cứu tính toán, phải giới hạn các thành phần các pha đang xét

• Dòng hai pha rắn-lỏng gồm có pha rắn và pha lỏng hòa trộn với nhau

- Pha rắn bao gồm các loại hạt rắn có các tính chất khác nhau như: cỡ hạt, hình dạng hạt, khối lượng riêng, độ cản động học, nồng độ và thành phần cỡ hạt rắn…

- Pha lỏng bao gồm các phần tử chất lỏng có các tính chất gần giống nhau như: mật độ, độ nhớt, khối lượng riêng, tính dễ chảy…và tạo thành dòng chảy để vận chuyển hỗn hợp lỏng – rắn

• Hỗn hợp bùn là trường hợp riêng của dòng hai pha rắn lỏng

- Pha rắn bao gồm tổ hợp các hạt rắn như: đất, cát, cát sa, phù sa, sỏi, á sét, đất sét, đất than bùn…

- Pha lỏng là nước

Nghiên cứu dòng chảy hai pha rắn-lỏng trong máy bơm cần phải chú ý tới một số tính chất cơ-lý chính của chúng, vì các tính chất cơ-lý của hỗn hợp nói chung và từng pha nói riêng ảnh hưởng nhiều đến tính năng làm việc của máy bơm bùn

1 Nồng độ hỗn hợp C:

Là mức độ bão hòa của hạt rắn trong hỗn hợp, biểu thị mối tương quan giữa thể tích (hay khối lượng) các hạt rắn với thể tích (hay khối lượng) nước hoặc hỗn hợp Nồng độ hỗn hợp được thể hiện bởi nồng độ thể tích CV và nồng độ khối lượng

hr hr

V

V C

ρ

ρρ

ρ

=

=

.

(1.13)

Nồng độ hỗn hợp là một thông số quan trọng, quyết định năng suất khai thác

và vận tải của hệ thống cơ giới thủy lực Nồng độ hỗn hợp phụ thuộc vào tính chất

cơ lý của hỗn hợp như: Kích thước của pha rắn, tỷ lệ phần trăm các hạt, khối lượng riêng của hỗn hợp

2 Khối lượng riêng của pha rắn ρhr

Khối lượng riêng của pha rắn quyết định khối lượng riêng của hỗn hợp, ảnh hưởng đến nồng độ của hỗn hợp và ảnh hưởng tới năng suất vận chuyển của máy bơm Đối với than đá có khối lượng riêng ( ) 3

hr 1200 1700 kg/m

đất, cát, cát pha, đất cát phù sa có khối lượng riêng ρhr =(2600 2750 ÷ )kg/m3, đối với các hạt sắt, sắt từ tạo nên các huyền phù nặng thì có khối lượng riêng

4 Thành phần cỡ hạt

Là phần trăm các hạt có kích thước giống nhau trong hỗn hợp Thành phần

cỡ hạt ảnh hưởng đến khối lượng riêng và nồng độ của hỗn hợp

5 Vận tốc giới hạn v gh

Trạng thái dòng chảy mà ở đó các phần tử chất rắn bắt đầu sa lắng gọi là trạng thái gới hạn, vận tốc trung bình ứng với trạng thái giới hạn gọi là vận tốc giới hạn Như vậy, vận tốc giới hạn là vận tốc hỗn hợp bùn tại trước thời điểm bắt đầu sa lắng của các hạt rắn trong đường ống

Hỗn hợp lắng được đặc trưng bằng vận tốc lắng của hạt rắn Theo A.J Stepanoff [2], vận tốc lắng trung bình của hạt hình cầu trong chất lỏng tĩnh xác định theo công thức:

2 1

1

1

C

d g

hr hr

(1.15)

Trong đó

: α

C Hệ số cản động học của hạt rắn Khi vận chuyển hỗn hợp bằng đường ống, vận tốc chuyển động của dòng hỗn hợp phải lớn hơn vận tốc lắng giới hạn để tránh bị tắc nghẽn đường ống Theo Vocadlo[13], vận tốc lắng giới hạn có thể xác định bằng thực nghiệm thông qua chỉ

số Reynolds và chỉ số Ácximét đối với hạt hình cầu Đurand [5] đưa ra công thức tính toán vận tốc lắng tới hạn:

0

.

Trong đó f là hệ số hình dạng của hạt được xác định bằng thực nghiệm, nếu hạt hình cầu, hoặc hạt có kích thước nhỏ: f=1; nếu hạt không hình cầu và có kích thước lớn: dhr>5 mm thì f=0,6÷0,8

6 Độ nhớt µhh

Hỗn hợp hai pha rắn – lỏng có thể xem như là chất lỏng phi Newton Độ nhớt của chất lỏng phi Newton gọi là độ nhớt tương đương, để phân biệt với độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng Newton Độ nhớt tương đương chịu ảnh hưởng bởi nồng độ hỗn hợp, được xác định theo công thức:

Q

k V

V Vmax Q

hh

C

C 1

C C

k 2,5 exp

Trong đó:

kQ: Hệ số lưu lượng Các hạt rắn trong chất lỏng sẽ ảnh hưởng đến độ nhớt và sức cản dòng chảy Trong dòng hỗn hợp, nếu hỗn hợp không lắng sẽ làm tăng độ nhớt, nếu có hiện tượng lắng sẽ làm tăng sức cản của dòng chảy Cả hai yếu tố này đều làm tăng tổn thất năng lượng của dòng chảy và làm tăng độ mài mòn các chi tiết của máy bơm Kích cỡ các hạt rắn trong hỗn hợp cũng ảnh hưởng tới độ nhớt tương đương, khi hạt nhỏ thì độ nhớt tương đương cao, nếu hạt lắng đọng thì độ nhớt tương đương giảm

7 Độ cứng của hạt rắn

Độ cứng hạt rắn được đánh giá theo chỉ số độ cứng Phổ biến nhất là thang

đo MUS, trong đó có 10 khoáng chất phân bố theo thứ tự tăng độ cứng (bột lalk -1, thạch cao -2, ….ôxit nhôm -9, kim cương -10) Độ cứng của các hạt rắn trong hỗn hợp bùn được bơm thay đổi từ 2 đến 7

8 Độ bền các hạt rắn

Độ bền các hạt rắn được đặc trưng bằng hệ số độ chắc fch Theo thang M.M.Photodiakonob cho các khoáng chất khác nhau, thay đổi từ 0,3 đến 20 Hỗn hợp bùn chứa các hạt cứng như đá hoa cương, quặng sắt, thạch anh có fch>1 hoặc các hạt sét mềm, than bùn có fch<1

9 Độ mài mòn

Một trong những đặc tính chung của hỗn hợp bùn xác định chỉ tiêu vận hành của máy bơm là độ mài mòn của chúng Hiện nay chưa có chỉ tiêu tổng thể về độ mài mòn của hỗn hợp bùn Có thể đánh giá độ mài mòn dựa trên cơ sở các tính chất tương ứng của hạt rắn như: kích thước, thành phần cỡ hạt, độ sắc cạnh, độ cứng, khối lượng riêng, nồng độ

10 Độ sắc cạnh

Độ sắc cạnh được đặc trưng bằng độ sắc nhọn của các cạnh và đỉnh của các hạt rắn Giới hạn độ đa cạnh của các hạt rắn là hình cầu mà ở đó hoàn toàn không có góc cạnh Do đó, độ sắc cạnh còn gọi là độ không tròn Có nhiều phương pháp khác nhau để đánh giá độ sắc cạnh: phương pháp trực quan, đồ thị, tính toán Theo

Đurand [5] đã đưa ra độ không tròn cầu Φ của các các hạt, xác định bằng tỷ số thể tích bề mặt hình cầu Vhr trên diện tích bề mặt Shr của hạt rắn:

1.1.4 Ảnh hưởng của tính chất dòng hỗn hợp hai pha rắn – lỏng đến tính năng

và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn

Máy bơm bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp hai pha rắn-lỏng có tính mài mòn, tính chất môi trường làm việc ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu làm việc của máy Đã có nhiều công trình nghiên cứu và đưa ra các kết luận quan trọng:

a Ảnh hưởng của tính chất dòng hỗn hợp đến cột áp của máy bơm bùn

• Yếu tố đầu tiên để phân biệt giữa hỗn hợp hai pha rắn-lỏng với nước sạch là khối lượng riêng Khối lượng riêng của hỗn hợp lớn hơn khối lượng riêng của nước sạch Coi hỗn hợp là đồng nhất, khi đó có thể sử dụng phương trình Béc nu li để xác định cột áp của máy bơm bùn:

1 2

2 1

2 1 2

c c p p

hh

B B

Trong dòng hai pha rắn-lỏng, pha rắn không tham gia vào sự chuyển đổi năng lượng-áp suất Để phù hợp với bản chất vật lí đó, Zhao Zhen Hai[15] đã đưa ra công thức tính cột áp bơm bùn:

hh

B B V

b Ảnh hưởng của tính chất dòng hỗn hợp đến hiệu suất của máy bơm bùn

• Khi làm việc trong môi trường hai pha rắn-lỏng, hiệu suất của máy bơm bùn

sẽ bị giảm đi so với môi trường nước sạch Sự suy giảm hiệu suất chủ yếu là do C,

C k

• Cường độ mài mòn tỷ lệ thuận với khối lượng hạt, mật độ hạt trong dòng chảy, thời gian làm việc và tỷ lệ bậc ba với vận tốc Quá trình mài mòn các chi tiết phụ thuộc vào các yếu tố C, ρhr, dhr, phân phối kích thước hạt rắn

Tóm lại, môi trường làm việc hỗn hợp hai pha rắn-lỏng có tính mài mòn nên ảnh hưởng rất lớn đến tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn Các thông

số ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng làm việc của máy là C, ρhr, dhr, thành phần

cỡ hạt rắn Đối với môi trường làm việc cụ thể đều có C, ρhr, dhr, thành phần cỡ hạt rắn nào đó để đảm bảo các chỉ tiêu làm việc của máy bơm bùn là tốt nhất

1.1.5 Thông số hình dạng và kết cấu phần dẫn dòng của máy bơm bùn

Trong máy thủy lực cánh dẫn thì phần dẫn dòng đóng vai trò quan trọng nhất Phần dẫn dòng bao gồm:

và kích thước của mỗi bộ phận riêng biệt mà còn từ tổ hợp hài hòa giữa ba bộ phận trên Ý nghĩa thực tiễn lớn nhất là khi bộ phận dẫn dòng của máy bơm phù hợp với chế độ làm việc sẽ tạo chuyển động ổn định của dòng chảy trong bơm Khi đó, chế

độ làm việc của bơm là tối ưu và hiệu suất của máy có thể đạt giá trị cao nhất

1 Hình dạng và kết cấu bánh công tác của máy bơm bùn

Bánh công tác là bộ phận quan trọng nhất của máy bơm, nó làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng trên trục quay thành năng lượng của dòng chất lỏng Bánh công tác đóng vai trò chủ đạo trong kết cấu máy bơm, do đó, nó quyết định kết cấu Các thông số hình dạng và kết cấu bánh công tác đã được nhiều tác giả chú ý nghiên cứu[27,28], khi xem xét ảnh hưởng của nó đến tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn

Hình 1-1 Bánh công tác dạng rãnh

Bánh công tác dạng rãnh cho phép tạo ra áp lực bơm lớn, lưu lượng nhỏ tương ứng với chế độ làm việc tối ưu khi vẫn giữ nguyên tiết diện thoát đủ lớn Do không có đĩa trước và đĩa sau tại các khoảng trống giữa các rãnh sẽ gây tổn thất lớn, làm cho hiệu suất thủy lực của bánh công tác thấp hơn nhiều so với bánh công tác dạng cánh

+ Bánh công tác kiểu hở:

Hình 1-2 Bánh công tác kiểu hở

Có kết cấu đơn giản, khả năng thoát lớn, giảm tắc kẹt, dễ phủ lớp bảo vệ chống mài mòn, dễ tháo lắp bảo hành sửa chữa Tuy vậy, bánh công tác kiểu hở ít được dùng do hiệu suất thấp ηB < 0 , 4, độ bền thấp Ngoài ra, còn có bánh công tác kiểu hở một phần, có chất lượng thủy lực tương tự như bánh công tác kiểu hở nhưng độ bền cao hơn, vì đĩa sau có kết cấu như các xương làm tăng đáng kể độ

cứng

+ Bánh công tác kiểu nửa kín:

Hình 1-3 Bánh công tác kiểu nửa kín

Không có đĩa trước, đĩa sau gắn liền với moay ơ lắp vào trục Bánh công tác kiểu nửa kín được sử dụng rộng rãi cho các máy bơm bùn cỡ nhỏ khi cần quan tâm đến vấn đề tắc kẹt các hạt cứng, các phần tử dạng sợi bông và khi cần phải làm sạch các rãnh dẫn theo chu kỳ Kết cấu loại bánh công tác này đơn giản, dễ đúc, dễ phủ lớp chống mài mòn, độ bền và hiệu suất cao hơn hẳn kiểu hở

+ Bánh công tác kiểu kín:

Hình 1-4 Bánh công tác kiểu kín

Bánh công tác kiểu kín có chất lượng thủy lực tốt nhất, độ bền và hiệu suất cao hơn hẳn các kiểu bánh công tác ở trên Nhược điểm của kiểu này là kết cấu phức tạp, khó đúc và phủ lớp chống mài mòn lên bề mặt lá cánh Đặc biệt kiểu bánh công tác này dễ gây tắc kẹt

đủ để vượt qua ma sát đĩa Các cánh phụ có thể cải thiện một phần hiệu suất của máy bơm bùn Số cánh phụ thường gấp đôi số lá cánh của bánh công tác

b Biên dạng cánh và hình dạng tiết diện kinh tuyến bánh công tác

Biên dạng cánh và hình dạng tiết diện kinh tuyến ảnh hưởng rất nhiều đến sự hình thành dòng chảy trong bánh công tác Để giảm tối đa sự mài mòn lá cánh, đĩa trước, đĩa sau và tăng khả năng thoát của bánh công tác hầu hết các công trình nghiên cứu [24, 25, 27, 28,30,33,34] đều đi đến kết luận: Biên dạng cánh bơm bùn

chỉ nên thiết kế theo biên dạng cánh trụ, tiết diện kinh tuyến gần như không thay đổi

từ lối vào đến lối ra bánh công tác (đĩa trước và đĩa sau song song với nhau)

c Số lá cánh Z B

Số lá cánh bánh công tác là thông số rất quan trọng, nó ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc dòng chảy, đến đặc tính làm việc của máy bơm Số lá cánh ZB ảnh hưởng đến độ mau L/t của dãy cánh

Số lá cánh ZB quá ít, bước cánh lớn, chiều dài tương đối của cánh dẫn bị nhỏ lại, làm tăng độ mở rộng của cánh dẫn Khi máy bơm làm việc, trong rãnh dẫn xuất hiện dòng xoáy, làm cho dòng chất lỏng bị tách thành, gây ra sự mất ổn định của dòng chảy Do vậy, chất lượng làm việc của máy bơm sẽ bị giảm nhiều Số lá cánh

ZB quá nhiều, làm tăng sự chèn ép dòng chảy, tổn thất thủy lực của dòng chất lỏng chảy qua bánh công tác cũng sẽ tăng lên Do vậy, chất lượng làm việc của máy bơm cũng bị giảm đi

Số lá cánh ZB vừa đủ, có tác dụng tạo nên sự phân bố vận tốc của dòng chảy trong máng dẫn đều, dòng chảy ổn định, chất lượng làm việc của máy bơm sẽ tăng lên

Đối với máy bơm ly tâm dùng bơm nước sạch, bánh công tác có chất lượng thường có lá cánh từ 6 đến 8 cánh Đối với máy bơm bùn, để tăng khả năng thoát và khả năng chống mài mòn thường số lá cánh ít hơn số lá cánh bánh công tác của bơm

ly tâm dùng cho nước sạch Số lá cánh bơm bùn thường từ 2 đến 6 cánh Hiện nay chưa có công thức xác định số lá cánh bánh công tác máy bơm bùn Khi thiết kế, ZBđược lựa chọn theo kinh nghiệm của người thiết kế, điều này ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của máy Số lá cánh bánh công tác ZB của máy bơm bùn đặc trưng cho khả năng thoát của máy, do đó, số lá cánh ZB phụ thuộc vào các tính chất của môi trường làm việc (nồng độ, cỡ hạt, thành phần cỡ hạt) Đối với mỗi môi trường làm việc đều có ZB nào đó vừa đủ để tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn là tối ưu

d Chiều dày lá cánh δC

Đối với máy bơm ly tâm nói chung và máy bơm bùn nói riêng, chiều dày lá cánh ảnh hưởng đến cột áp và hiệu suất của máy bơm bùn Theo lý thuyết, chiều dày cánh δC càng bé thì sự chèn ép dòng chảy trong rãnh dẫn bánh công tác càng ít, chất lượng làm việc của máy bơm càng tốt Trên thực tế, lá cánh phải có chiều dày tối thiểu nào đó để đảm bảo độ bền kết cấu Đối với máy bơm bùn, chiều dày lá cánh δC ảnh hưởng nhiều đến tuổi thọ bánh công tác Chiều dày δC lớn làm tăng góc bao quỹ đạo ϕhr và vận tốc tương đối W2hr của hạt rắn tại lối ra bánh công tác, dẫn đến, làm tăng khả năng va đập của các hạt rắn lên mặt cánh dẫn và làm tăng sự mài mòn cánh dẫn Khi chiều dày δC lớn quỹ đạo hạt sẽ va đập vào lá cánh sớm hơn so với bánh công tác có chiều dày nhỏ Vì vậy, không nên chọn cánh dẫn có chiều dày quá lớn Tuy nhiên, nếu chọn chiều dày bé thì không đảm bảo tuổi thọ của lá cánh bánh công tác Đối với mỗi loại máy bơm cần chọn phù hợp với môi trường làm việc Trên quan điểm đảm bảo độ bền, một số tác giả đề nghị:

• Chiều dày δC lựa chọn theo tác giả Vũ Nam Ngạn [31]

- Đối với máy bơm cỡ lớn N>100 kW thường dùng để bơm hạt rắn có dhr > 10

Chiều rộng bánh công tác của máy bơm bùn bc ảnh hưởng đến khả năng chống xâm thực, khả năng chống mài mòn, khả năng thoát và khả năng tạo cột áp của máy Để các hạt rắn dễ lưu thông, đĩa trước và đĩa sau của bánh công tác có khả năng chống mài mòn, hầu hết các tác giả [24, 25, 27, 29, 30, 31, 33] đều thống nhất lấy chiều rộng của bánh công tác bằng nhau từ lối vào đến lối ra

f Các thông số hình học D1, β1 tại lối vào của bánh công tác

Các thông số hình học tại lối vào bánh công tác (D1, β1) ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng hút, khả năng chống xâm thực và khả năng chống mài mòn tại mép vào của bánh công tác của máy bơm bùn Hầu hết các công trình nghiên cứu đều theo hướng đảm bảo khả năng chống mài mòn tại lối vào bánh công tác

- Đường kính lối vào bánh công tác D1: Phải đảm bảo chỉ tiêu khả năng chống mài mòn và khả năng thoát của máy bơm

- Góc đặt cánh tại lối vào bánh công tác β1: Đối với máy bơm ly tâm dùng cho nước sạch, trên cơ sở phân thích kích thước bánh công tác có hiệu suất thủy lực cao, để đảm bảo khả năng chống xâm thực của máy bơm thường lấy β1 từ 150 đến

230 Đối với máy bơm bùn, góc β1 ảnh hưởng lớn đến sự mài mòn mép vào của cánh Góc β1 nếu nhỏ sẽ làm tăng khả năng va đập do ϕhr và w2hr tăng Xu hướng là làm tăng β1 tuy nhiên phải lưu ý đề phòng hiện tượng xâm thực do β1 quá lớn Độ lớn của β1 được xác định theo khả năng chống mài mòn tại mép vào của lá cánh

g Các thông số hình học D2, β2 tại lối ra của bánh công tác

Các thông số hình học tại lối ra của bánh công tác (D2, β2) ảnh hưởng đến khả năng chống mài mòn, khả năng tạo cột áp và hiệu suất của máy bơm bùn Đã có một số công trình nghiên cứu về thông số (D2, β2) trên cơ sở đảm bảo chỉ tiêu khả năng chống mài mòn và khả năng thoát của máy bơm

Góc β2: Đối với máy bơm ly tâm dùng cho nước sạch, trên cơ sở lý thuyết

và các số liệu thực nghiệm Lômakin đã đưa ra trị số góc β2 Để nhận được đặc tính

ổn định thì β2= 180÷200 Giá trị tối ưu của β2 để có hiệu suất lớn nhất là β2 =

220÷230 Đối với máy bơm bùn, góc β2 được xác định theo khả năng chống mài mòn của mép ra lá cánh bánh công tác, độ lớn của β2 được đề nghị: Theo Mei Zu Yan [8] lấy β2=(160 ÷ 220)

1.1.5.2 Hình dạng và kết cấu buồng xoắn

Nhiệm vụ cơ bản của buồng xoắn là dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra đường ống đẩy, đảm bảo chất lượng cho quá trình biến đổi năng lượng của bơm bùn Buồng xoắn có hai nhiệm vụ:

- Đảm bảo sự phân bố vận tốc dòng chảy đối xứng ra khỏi bánh công tác để tạo điều kiện cho dòng tương đối trong bánh công tác là dòng ổn định Dòng tương đối trong bánh công tác không ổn định thì tổn thất thủy lực tăng và gây ra hiện tượng rung, ồn

- Dẫn chất lỏng ra khỏi bánh công tác, giảm mô men vận tốc vòng và biến đổi một phần động năng này thành áp năng để giảm tổn thất trong đường ống

đẩy và ngay trong buồng xoắn

Về kết cấu: Buồng xoắn có tác dụng dùng để liên kết các bộ phận của máy bơm với nhau

Xuất phát từ điều kiện cho phép các hạt rắn lớn thoát ra và đảm bảo khả năng chống mài mòn, hầu hết các công trình nghiên cứu [24,25,27,28, 30, 31, 33,34] đều đưa ra các kết luận: buồng xoắn của máy bơm dùng cho dòng hỗn hợp hai pha rắn-lỏng có hình dạng vòng tròn hoặc nửa vòng xoắn hay hơi xoắn Đây là đặc điểm khác nhau rất cơ bản giữa buồng xoắn bơm bùn và bơm ly tâm dùng cho nước sạch

1.1.5.3 Hình dạng kết cấu của buồng hút

Buồng hút có nhiệm vụ dẫn chất lỏng vào bánh công tác Hình dạng và kết cấu của buồng hút quyết định sự phân bố vận tốc trước lối vào của bánh công tác

Vì vậy, buồng hút ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng chống xâm thực của bơm bùn Để đảm bảo chất lượng làm việc của máy bơm, buồng hút phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Tổn thất thủy lực trong buồng hút phải nhỏ để tăng khả năng chống xâm thực

- Đảm bảo phân bố vận tốc trước lối vào bánh công tác phải đều, nghĩa là phân

bố vận tốc phải đối xứng (trường hợp dòng vào theo phương ngang), tạo chuyển động tương đối trong bánh công tác phải ổn định

Kích thước và cấu tạo của buồng hút xác định điều kiện vào của chất lỏng lên cánh bánh công tác, ảnh hưởng trước tiên là đến khả năng hút và ảnh hưởng chút ít đến hiệu suất của máy bơm Khả năng hút ảnh hưởng nhiều đến đặc tính của máy bơm áp lực nhỏ với số vòng quay đặc trưng lớn

Trong máy bơm bùn, dòng chất lỏng vào bánh công tác theo hai dạng chủ yếu: theo dạng dọc trục và từ phía bên Tương ứng có hai dạng buồng hút:

+ Buồng hút thẳng dạng hướng trục hình côn

+ Buồng hút dạng nửa xoắn

Trong thực tế đa số các máy bơm bùn, thường sử dụng buồng hút có kết cấu hướng trục hình côn, vì nó đáp ứng điều kiện hút tốt nhất, ổn định dòng, tạo trường đồng đều của vận tốc ở lối vào bánh công tác Khả năng chống mài mòn tốt.

1.1.5.4 Chế độ vận hành máy bơm bùn

- Chế độ vận hành của máy bơm bùn ảnh hưởng rất lớn đến thời hạn làm việc của máy Số vòng quay của bơm nB đặc trưng cho chế độ vận hành của máy

- Số vòng quay tăng lên sẽ làm tăng vận tốc tương đối của hạt tại lối vào w1hr

và lối ra w2hr của bánh công tác, do vậy làm tăng khả năng va đập của hạt rắn vào đĩa sau của bánh công tác và vào thành buồng xoắn

- Hiện nay chưa có công thức chính xác xác định số vòng quay của bơm bùn, khi thiết kế số vòng quay của máy bơm bùn được lấy theo kinh nghiệm Số vòng quay nB có thế chọn theo máy mẫu

1.1.5.5 Vật liệu chế tạo máy bơm bùn

Vật liệu chế tạo các chi tiết máy bơm bùn là yếu tố quan trọng nhất làm tăng

độ bền chống mài mòn Hiện nay, trên thế giới cũng như Việt Nam đã quan tâm đến việc ứng dụng các loại vật liệu có khả năng chống mài mòn cao Các giải pháp sử dụng vật liệu có độ bền mòn cao:

- Bọc cao su cho các chi tiết dẫn dòng: Ưu điểm của phương pháp này làm tăng khả năng chống mài mòn cơ học và ăn mòn hóa học Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là ma sát lớn, không chịu được áp lực cắt Các hạt rắn sắc cạnh va đập nghiêng một góc nào đó tới bề mặt chi tiết sẽ gây các vết rách, chiều dày cánh tăng làm giảm khả năng thoát và tăng khả năng xảy ra xâm thực

- Dùng vật liệu gốm, nhựa tổng hợp: Ưu điểm của loại vật liệu này là chịu mài mòn cơ học và ăn mòn hóa học tốt, độ bóng bề mặt cao nên ma sát nhỏ, các chi tiết cấu tạo khối lượng riêng nhỏ, độ bền cao, giá thành rẻ Nhược điểm

cơ bản là chịu va đập kém nên dễ vỡ và gãy đứt khi va đập cơ học mạnh

- Dùng vật liệu hợp kim chống mài mòn cao: Loại vật liệu này được sử dụng nhiều để chế tạo bánh công tác và buồng xoắn Ưu điểm là các hợp kim chịu được va đập cơ học do các xung ngoại lực tác động, tuổi thọ cao Có thể tạo

ra độ cứng, độ bền cơ học khác nhau theo yêu cầu Ngoài ra còn sử dụng phương pháp phun phủ lên bề mặt kim loại chống mòn

Hiện nay, nước ta đang sử dụng hàng ngàn máy bơm bùn phục vụ các ngành khai thác mỏ, năng lượng, luyện kim, thủy lợi, giao thông vận tải và xây dựng Các loại máy bơm bùn công suất lớn thường được nhập từ nước ngoài (Mỹ, Nhật, Đức…) Một số máy bơm lớn được các cơ sở trong nước chế tạo và sửa chữa Các loại máy bơm bùn vừa và nhỏ phần lớn được sản xuất trong nước, một số được nhập khẩu từ Trung Quốc

Cho đến nay, chưa có cơ sở sản xuất nào đầu tư nghiên cứu một cách đầy đủ

về bơm bùn Do đó, máy bơm bùn do các nhà máy chế tạo có hiệu suất chưa cao, các máy bơm bùn cỡ nhỏ hiệu suất còn thấp, và thường được chế tạo theo máy bơm mẫu nhập từ nước ngoài Do vậy có sự sai khác lớn về hình dạng các bộ phận dẫn dòng Ngoài ra, chất lượng máy bơm còn phụ thuộc vào môi trường làm việc Khi thiết kế, chế tạo và đưa vào sử dụng các nhà thiết kế chưa tính hết điều kiện môi trường làm việc Đó là nguyên nhân làm giảm chất lượng làm việc của bơm bùn

Các công trình nghiên cứu về bơm bùn:

- Trong khai thác mỏ: Các công trình nghiên cứu đưa ra giải pháp chống mòn các bộ phận dẫn dòng của máy bơm như lựa chọn các thông số hình học của

lá cánh(số cánh, góc đặt cánh, chiều dày lá cánh), nghiên cứu vật liệu chống mài mòn cho bộ phận dẫn dòng [31, 33]

- Trong Thủy lợi và xây dựng: Chưa có công trình nghiên cứu chuyên sâu Chỉ đưa ra các kỹ thuật trong tính toán thiết kế bơm bùn, bơm cát phục vụ cho thủy lợi và xây dựng [24,25,27,28,34]

1.3.1 Nội dung nghiên cứu của luận văn

- Tổng quan về máy bơm bùn

- Cơ sở lý thuyết quá trình làm việc của máy bơm bùn

- Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy hai pha rắn lỏng trong bơm bùn cát

và đưa ra một số phương pháp thiết kế cải tiến kết cấu của bơm

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán thiết kế máy bơm bùn

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu của luận văn

- Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực tế đã có, tiến hành tổng hợp nghiên cứu phân tích, đánh giá đặc tính động học của bơm bùn cát và đưa ra các biện pháp cải tiến để tính toán thiết kế bơm có hiệu suất cao

- Thiết kế bơm mẫu tính đến các yếu tố cải tiến

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÁY BƠM

BÙN

Trong môi trường dòng hỗn hợp hai pha rắn - lỏng, các hạt rắn không thể tự

di chuyển được mà chúng lơ lửng trong chất lỏng, nhờ chất lỏng để di chuyển Các phần tử chất rắn nhận năng lượng từ chất lỏng, vì vậy tổn thất trong dòng chất lỏng mang hạt sẽ tăng lên, đồng thời giảm hiệu suất và cột áp của máy bơm Các phần tử hạt rắn và các phần tử nước chuyển động với vận tốc khác nhau, do đó trong dòng hỗn hợp chảy qua máy bơm luôn luôn tồn tại hai pha riêng biệt: pha rắn và pha lỏng Do vậy, quá trình trao đổi năng lượng giữa bánh công tác với dòng hỗn hợp thực chất là quá trình với pha lỏng (nước) Vì thế, có thể nghiên cứu quá trình trao đổi năng lương giữa bánh công tác với dòng hỗn hợp thông qua môi trường nước sạch Nghĩa là, có thể sử dụng các lý thuyết cơ bản của máy bơm ly tâm trong môi trường nước sạch và bổ sung thêm các yếu tố đặc thù cho máy bơm bùn trong môi trường hỗn hợp

2.1 Máy bơm bùn làm việc trong môi trường nước sạch

2.1.1 Hiện tượng tách thành của dòng chất lỏng trong máng dẫn bánh công tác

Bánh công tác của máy bơm bùn có tiết diện kinh tuyến rộng, tiết diện thoát lớn, số lá cánh ít và chiều dày lá cánh lớn hơn nhiều so với bánh công tác của máy bơm ly tâm dùng cho nước sạch Khi máy bơm bùn làm việc, vận tốc dòng chất lỏng không hướng theo tiếp tuyến với bề mặt lá cánh, đã gây ra sự tách thành của dòng chất lỏng khỏi bề mặt lá cánh tại lối ra của bánh công tác Hiện tượng tách thành nói trên đã được các công trình nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Máy thuỷ lực, Viện Nghiên cứu khoáng sản và Trường Đại học Mỏ địa chất Matxcơva (Nga) chứng minh: Trong máy bơm ly tâm dùng cho nước sạch, hiện tượng tách thành chỉ xảy ra ở các chế độ khác nhiều với chế độ tối ưu Trong máy bơm bùn, hiện tượng tách thành xảy ra ở tất cả các chế độ làm việc của máy

Hiện tượng tách thành là nguyên nhân chính làm giảm cột áp lý thuyết của máy bơm, sinh ra tổn thất công suất hãm trong bánh công tác, làm cho dòng chất

lỏng chảy qua máy bơm không ổn định Dẫn đến, cột áp và hiệu suất của máy bơm bùn bị giảm đi so với máy bơm ly tâm dùng cho nước sạch có cùng thông số kỹ thuật

Đặc trưng cho hiện tượng tách thành là hệ số chèn dòng k2 tại lối ra của bánh công tác Xét điều kiện tách thành của dòng chất lỏng chảy trong bánh công tác (để xác định mối liên hệ giữa hệ số chèn dòng k2 với các thông số hình học của bánh công tác và dòng chất lỏng)

Khi xem xét tam giác vận tốc tại lối ra của bánh công tác, có thể bổ sung thêm thành phần tiếp tuyến của vận tốc của dòng chất lỏng khi có sự tách thành và giả thiết:

1- Sự tách thành xảy ra khi dòng chảy ra khỏi bụng cánh Tại lối ra của bánh công tác dòng bị nén lại Diện tích tiết diện dòng tại lối ra của bánh công tác là S2 =

пD2b2k2 (có tính đến chiều dày lá cánh và sự tách thành của dòng chất lỏng)

2- Trong chuyển động tương đối, dòng tia xác định lưu lượng tại lối ra của bánh công tác giữ nguyên hướng chuyển động Nghĩa là, bề mặt giới hạn vùng tách thành của dòng chảy chuyển dịch song song với lá cánh công tác (đường gạch EA hình 2.1) Theo [21], lưu số vận tốc do xoáy của dòng chảy dọc theo mép ra của bánh công tác là Г = 2ωSABC = k2t2∆wtb (Hình 2.1)

của khối chất lỏng trong rãnh dẫn bánh công tác Diện tích tam giác cong (ABC) được thay bằng diện tích tam giác phẳng, khi đó:

ω

sin β2 = ωR2 2

B

k Z

π sin β

2 (2.2) Thành phần vận tốc kinh tuyến của chất lỏng tại lối ra của bánh công tác

⎝ ⎠ Thành phần vận tốc kinh tuyến tại

lối ra của bánh công tác khi có sự tách thành dòng chất lỏng và tính đến độ dày của

lá cánh bánh công tác là

2

0 2

π β (2.4)

Khi số vòng quay và lưu lượng không đổi, vế phải của đẳng thức (2.4) có giá trị bé nhất khi c2u có giá trị lớn nhất và hệ số chèn dòng k2 = const Giả sử, ở điều kiện nhất định nào đó, trong rãnh dẫn bánh công tác tạo nên sự tách thành với cường độ khác nhau Nếu coi: sự tách thành của dòng chảy ổn định trong điều kiện được cung cấp tối đa năng lượng Nghĩa là, thành phần vận tốc c2u có giá trị cực đại Như vậy, điều kiện tạo nên sự tách thành ổn định trong bánh công tác:

k luôn nhỏ hơn 1

2.1.2 Cột áp của máy bơm khi làm việc trong môi trường nước sạch

2.1.2.1.Cột áp lý thuyết của máy bơm khi làm việc trong môi trường nước sạch

Đối với máy bơm ly tâm dùng cho nước sạch, cột áp lý thuyết xác định theo công thức (2.9):

Z (2.10) Thành phần vận tốc c2u được xác định:

c2u = u2 2 2m0

c πsinβ

Xác định hệ số hiệu chỉnh số lá cánh hữu hạn (y) của máy bơm bùn: Hiện

tượng tách thành của dòng chất lỏng tại lối ra của bánh công tác về lý thuyết xảy ra theo đường EA, trên thực tế nó xảy ra theo đường DA (hình 2.1) Mặt cắt lưới cong được thay bằng lưới thẳng (hình2.3), đường AE song song với lá cánh bánh công tác và chia bước lá cánh ra các đoạn k2t2 và (1 −k2)t2 Đường cong ED (đường liền)

là hình chiếu bề mặt tách thành của dòng trong rãnh dẫn bánh công tác Giả thiết, trong vùng lân cận của điểm E, góc θ tạo nên do đường DE và AE chia đường cong

DE làm đôi Do đó, đường OC (điểm O là giao điểm vuông góc với các đường dòng xoáy và là điểm B ở (hình 2.1) không đổi hướng, còn đường OE chiếm vị trí O’E Trong tam giác O’EC, các góc tương ứng bằng 2