Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số

Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” MỞ ĐẦU Việt Nam với bờ biển dài 3000km, đứng thứ 32 chiều dài bờ biển tổng số 156 nƣớc có biển, với hệ thống đảo, quần đảo hệ thống sông ngòi phong phú từ Bắc đến Nam cho phép nƣớc ta có nguồn tài nguyên thủy hải sản dồi Cùng với thuận lợi nhƣ vậy, việc phát triển khoa học kỹ thuật phƣơng tiện đƣờng thủy nhu cầu thiết yếu Trong đó, thiết bị động lực đẩy đóng vai trò quan trọng, định đến hiệu suất làm việc, tuổi thọ, khả vận chuyển hành trình phƣơng tiện biển Thiết bị đóng vai trò làm động lực đẩy truyền thống chân vịt, với ƣu điểm nhƣ làm việc tin cậy, đơn giản vận hành thiết kế nên chân vịt đƣợc ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, với yêu cầu ngày cao, chân vịt đáp ứng đƣợc hết yêu cầu đa dạng đƣợc đặt Thiết bị bơm tia với khả xoay trở cao, hiệu suất lƣợng khả hạn chế xâm thực tốt đƣợc phát triển nƣớc tiên tiến Do yêu cầu vận hành, thiết kế thiết bị đẩy dạng bơm tia có đặc điểm kết cấu dải thông số làm việc rộng, khác với bơm cánh dẫn thủy lợi thông thƣờng Tuy nhiên việc nghiên cứu nƣớc vấn đề bơm tia chƣa có đầu tƣ nghiên cứu Với mục đích đóng góp vào việc tìm hiểu nghiên cứu thiết bị đẩy kiểu bơm tia chƣa đƣợc đầu tƣ nhiều Việt Nam, đề tài luận văn đƣợc chọn có nội dung “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Nội dung luận văn có tính chất kế thừa nghiên cứu trƣớc số nội dung lý thuyết chung thiết kế tính toán thiết bị đẩy dạng bơm tia Ở đây, đặc tính thủy động lực học đƣợc xem xét dự báo thông qua trình mô Phần mềm thƣơng mại Ansys Fluent dựa CFD code đƣợc ứng dụng để giải vấn đề đƣa Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp lý thuyết , mô số thực nghiệm Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Nội dung: Luận văn phần mở đầu kết luận nội dung gồm chƣơng Chƣơng tổng quan vấn đề thiết bị đẩy, vấn đề xâm thực phƣơng pháp thiết kế bơm hƣớng trục Chƣơng nội dung tính toán bơm tia kiểu hƣớng trục, dựa thiết kế thiết bị đẩy đƣợc thiết kế trƣớc tài liệu Chƣơng nghiên cứu đặc tính thủy động lực học bơm tia mô số Chƣơng thực nghiệm đặc tính làm việc bơm mô hình Để thực đƣợc nội dung nghiên cứu này, em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình từ Thầy, Cô giáo Bộ môn Máy Tự động thủy khí Đặc biệt, hƣớng dẫn tận tình thầy PGS.TS Trƣơng Việt Anh TS Vũ Văn Trƣờng giúp em hoàn thành luận văn thời hạn Luận văn kết nằm nội dung triển khai nghiên cứu Đề tài cấp Bộ B2012-01-26 PGS Trƣơng Việt Anh làm chủ nhiệm Đặc biệt, phần kết thực nghiệm đƣợc tiến hành nhờ hỗ trợ từ nhóm nghiên cứu Đề tài Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan thiết bị đẩy bơm tia 1.1.1 Lịch sử phát triển thiết bị đẩy Với diện tích bao phủ trái đất phần lớn nƣớc, nên từ xa xƣa loài ngƣời quan tâm đến hoạt động lại biển Lúc đầu ngƣời ta muốn làm để đƣợc, sau yêu cầu cao xa hơn, nhanh Ngoài ra, sau lại có nhiều mục đích nhƣ phục vụ du lịch, trao đổi hàng hóa, buôn bán, khai thác tài nguyên nhƣ phục vụ nhu cầu quân Cùng với phát triển tàu thuyền biển, thiết bị động lực đẩy có vai trò quan trọng phát triển không ngừng Lúc đầu tàu thuyền hoạt động biển thƣờng sử dụng loại thiết bị đẩy thô sơ nhƣ buồm, guồng quay phát triển chân vịt Hiện này, chân vịt lựa chọn phổ biến, nhiên thiết bị đẩy cho tốc độ không nhanh khả xử lý tình bất ngờ, với tàu quân cần đổi hƣớng hay tăng tốc nhanh Khi hoạt động dƣới nƣớc chân vịt không tạo đƣợc lực đẩy mạnh chân vịt làm việc với số vòng quay lớn, trƣờng áp suất tốc độ mặt đĩa chân vịt không đồng đều, bọt khí sinh điều kiện xác định liên tục bị phá vỡ lại sinh gây tác dụng điện hóa phức tạp tác dụng phá hủy mặt cánh chân vịt dƣới dạng vết rỗ kéo theo tác hại nhƣ giảm hiệu suất làm việc chân vịt, giảm đáng kể độ bền cánh, chí nhiều trƣờng hợp dẫn đến làm gẫy hỏng Ngày với công nghệ khoa học phát triển loại hình chong chóng đƣợc thay phần động đẩy tia nƣớc hay gọi thiết bị đẩy kiểu hoạt động dƣới dạng hút nƣớc từ gầm tàu đẩy sau đuôi tàu với vận tốc lớn vận tốc hút tạo lực lớn để đẩy tàu tốc độ cao Rất nhiều tàu đƣợc thiết kế sử dụng thiết bị đẩy kiểu tia nƣớc (Water Jet Propulsion - WJP) đặc biệt nhƣ tàu tuần tra bờ biển, tàu hải quân hay loại phà nhanh… Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Cụ thể phát triển loại thiết bị vào cuối kỷ 20, có thuyền chạy với 50 hải lý (khoảng 90 km/h) dịch vụ thƣơng mại toàn giới đời Có thể nói hệ thống động tia nƣớc phát triển đáng kể công nghiệp đóng tàu tốc độ cao Hiện bơm tia đƣợc sử dụng dựa nguyên tắc áp dụng Riva Calzoni năm 1932 Tuy nhiên, loại động đẩy tia nƣớc đƣợc phát minh đƣợc 300 năm trƣớc David Ramseye Từ năm 1980 trở việc sử dụng bơm tia đƣợc sử dụng hầu hết phƣơng tiện đƣờng thủy cần tốc độ cao Vào đầu kỷ 21 kích thƣớc bơm tia thiết kế tăng đƣờng kính lên khoảng 3m có công suất 25MW, tốc độ 65 hải lý Cho đến WJP chân vịt đƣợc sử dụng tàu để phục vụ sống nhân loại từ quân đến thƣơng mại du dịch 1.1.2 Tìm hiểu t ết ị đẩ ểu p t bơm t a)  Nguyên lý hoạt động Động lực dựa sở phản lực dòng nƣớc tốc độ cao đuôi tàu (độ giãn nƣớc nhỏ), thổi phía sau Nguyên tắc động lực là: Khi hoạt động, thiết bị làm việc nhƣ bơm, hút nƣớc từ sàn tàu đẩy vòi phun Vòi phun đƣợc thiết kế có tiết diện côn nhằm tăng vận tốc dòng tia khỏi thiết bị để tạo lực đẩy cho tàu di chuyển Vòi phun lắc qua lại 15-20 độ giúp tàu thay đổi hƣớng cần thiết Khi chạy lùi có thiết bị phụ để hƣớng vận tốc dòng chảy sau, hình 1.1, 1.2  Phân loại Đến bơm tia đƣợc phát triển với nhiều loại khác bao gồm bơm tia cánh dẫn, bơm tia piston bơm tia khí nén Bơm tia piston bơm tia khí nén thƣờng đƣợc sử dụng ngành công nghiệp bơm tia cánh dẫn Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Hình 1.1 : Nguyên lý hoạt động mô tô nước[3] Hình 1.2: Bố trí bơm tia kết cấu tàu[9] Trong phạm vi luận văn, quan tâm đến loại bơm tia cánh dẫn, loại đƣợc chia thành bơm tia ly tâm, bơm tia hƣớng chéo, bơm tia hƣớng trục Về chúng dựa nguyên lý hoạt động ba loại bơm cánh dẫn tên, nhƣng có kết hợp với nguyên lý hoạt động đặc thù loại bơm tia, hình 1.3  Ưu điểm thiết bị đẩy kiểu bơm tia An toàn ma nơ điều động vùng nƣớc cạn, giảm sức cản tàu Giảm công suất cần thiết tốc độ 25Kn Giảm tiếng ồn tàu, giảm tiếng ồn dƣới nƣớc Giảm khoảng cách trôi dừng tàu, giảm hao mòn hỏng hóc động truyền, không cần bánh đảo chiều Ít nhạy cảm với xâm thực tàu cao tốc dùng chân vịt, khả động cao cần thiết tăng tốc  Nhược điểm Kết cấu vận hành phức tạp chân vịt, nhiều trƣờng hợp hiệu suất không tối ƣu Ngoài trình sửa chữa thay phức tạp Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Hình 1.3: Phân loại thiết bị đẩy a) Ly tâm b) Hướng trục c) hướng chéo[9]  Kết cấu vận hành thiết bị đẩy Thiết bị đẩy dạng hƣớng trục có kết cấu tƣơng tự với dạng bơm hƣớng trục, nhiên yêu cầu tạo lực đẩy cho tàu chuyển động yêu cầu lắp đặt tàu mà có cấu tạo khác biệt đa dạng nhƣ: Tại lối tạo thành ống dạng côn với mục đích làm tăng vận tốc dòng chất lỏng để tạo lực đẩy, ống hút có cấu tạo đặc biệt để giảm sức cản nƣớc vào bơm, có cấu điều chỉnh hƣớng, chắn rác…hình 1.4 Lắp đặt bơm tia sau đuôi tàu Khi động điện quay, trục động trục bơm tia đƣợc nối với khớp nối Tốc độ quay động điện tốc độ quay trục bơm  Ứng dụng thiết bị đẩy Sau thời gian dài phát triển,ngày bơm tia đƣợc ứng dụng rộng rãi ngành hàng hải, từ thiết bị phục vụ nhu cầu lại nhƣ loại tàu cánh ngầm, du thuyền đến loại trang thiết bị quân nhƣ tầu ngầm, tàu chiến vv đến phƣơng tiện hay thiết bị giải trí nhƣ cano du lịch, moto nƣớc, hình 1.5 1.1.3 Đặc đ ểm thiết kế ơm t a Thiết bị đẩy đƣợc cấu tạo từ phần là: phần hút, phần cánh, phần đẩy phận điều chỉnh hƣớng, góc Đặc điểm bơm tia thiết bị đẩy vùng hoạt động bơm lớn, đáp ứng đƣợc yêu cầu thiết bị đẩy Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” 1-Lối vào, 2-Trục, 3-Bánh Công tác, 4-Xilanh lái thủy lực, 5-Bộ phun, phần lái , 6Xilanh thủy lực đổi chiều lực phụt, 7-Tấm đảo chiều , 8Mặt đảo chiều 9-Hộp kín tránh nước xâm nhập vào tàu, 10-Ổ đỡ dẫn hướng chặn tổng hợp, 11-Buồng Hình 1.4: Kết cấu thiết bị đẩy dạng hướng trục [9] cánh hướng Hình 1.5: Tàu phục vụ cho mục đích thương mại vận chuyển hàng hóa[6] Hoạt động tàu đa dạng, vận tốc từ thấp đến cao, yêu cầu thay đổi tốc độ quay nhiều, có phận đảo hƣớng chuyển động tịnh tiến quay Bộ phận hút để hạn chế tối đa đƣợc sức cản thủy lực nhƣ độ rẽ nƣớc, sức cản sóng…Và tạo đƣợc dòng chảy vào bơm bị xoáy Bộ phận đẩy quan trọng để tạo đƣợc lực đẩy cần thiết cho thiết bị, phận điều chỉnh cần bố trí cho phù hợp với kích thƣớc thiết kế chung tàu Từ đặc điểm Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” nên việc thiết kế bơm tia thực tế yêu cầu cao phức tạp bơm hƣớng trục thông thƣờng, tiêu chí để đánh giá bơm tia đòi hỏi cao độ tin cậy vận hành công suất lớn 1.2 Xâm thực máy cánh dẫn 1.2.1 Khái niệm Hiện tƣợng xâm thực, nghĩa xuất khoảng trống dạng bên môi trƣờng chất lỏng đồng vào lúc ban đầu, đƣợc tìm thấy xảy nhiều trạng thái khác Tùy theo hình thể dòng chảy thuộc tính vật lý chất lỏng, mang đặc điểm khác biệt [8] Hiện tƣợng xâm thực đƣợc định nghĩa nhƣ thay đổi môi trƣờng chất lỏng dƣới điều kiện áp suất thấp Điều khiến cho xâm thực liên quan đến lĩnh vực toán học đƣợc áp dụng trƣờng hợp mà chất lỏng dạng tĩnh dạng chuyển động Nhìn chung, tƣợng xâm thực giống với sôi, nhiên chất sôi ảnh hƣởng thay đổi nhiệt độ, xâm thực áp suất giảm xuống thấp Khi xảy xâm thực, bọt khí đƣợc hình thành chất lỏng di chuyển chất lỏng theo dòng chảy vào nơi có áp cao Tại bị ngƣng tụ tạo lỗ trống lòng chất lỏng, hút phần tử chất lỏng xô vào với vận tốc lớn Khi phần tử chất lỏng bị dừng lại đột ngột làm áp suất tăng lên cao Do áp lực tăng nên xuất sóng áp lực ngƣợc làm giảm áp đột ngột chất lỏng bị sôi trở lại sau lại ngƣng tụ Quá trình tăng giảm kích thƣớc bọt khí xảy nhiều lần Do áp suất cục lớn nên phá hủy bề mặt kim loại, làm hỏng phận làm việc máy, làm giảm hiệu suất máy làm máy khả làm việc, gây tiếng ồn rung động 1.2.2 Phân loại xâm thực Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Theo trạng thái xâm thực phân thành xâm thực sơ khai, xâm thực phát triển, xâm thực triệt tiêu siêu xâm thực (Super Cavitation) Theo mô tả trực quan phân xâm thực thành xâm thực dạng bọt (Travelling bubble cavitation), xâm thực xoáy (Vortex cavitation), xâm thực dạng (Sheet cavitation) xâm thực dạng mây (cloud cavitation)  Xâm thực dạng bọt Các loại hình xâm thực xảy phụ thuộc vào đặc tính chất lỏng làm việc Loại xâm thực dạng bọt xảy chất lỏng có lẫn bọt khí nhỏ cỡ micro bubble Những bọt khí nhỏ phát triển lớn dần lên giá trị áp suất thấp bị phá hủy áp suất ban đầu đƣợc tạo lập lại Loại hình xâm thực thƣờng xảy cánh bánh công tác bơm: lối vào bơm ly tâm, lối tuabin Frances…hình 1.6  Xâm thực xoáy Loại hình xâm thực xuất dòng chảy có chuyển động quay Sự khác áp suất phần có áp phía cửa hút hydrofoil tạo dòng chảy thứ chảy vòng quanh đầu hydrofoil, từ khai sinh xoáy đầu hydrofoil Do có chuyển động quay nên dƣới ảnh hƣởng lực ly tâm, áp suất tâm nhỏ áp suất phía Do áp suất nhỏ xuất tâm đầu hydrofoil Từ xâm thực xảy vị trí Loại hình xâm thực thƣờng xuất chân vịt tàu thủy, cụ thể đầu cánh, hình 1.7  Xâm thực dạng Loại hình xâm thực xuất vật thể có hình dạng khối có góc cạnh tia nƣớc ngầm Nó xuất vùng hút lớn tạo thành gần mép vào cánh Điểm tách xâm thực xảy dòng phân chia làm tăng góc tới giảm áp suất bao quanh xâm thực lớn dần theo hƣớng dây cung sải cánh, hình 1.8  Xâm thực dạng mây Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Hình 1.6: Xâm thực dạng bọt xảy hydrofoil[9] Hình 1.7: Xâm thực xoáy [9] Hình 1.8: Xâm thực dạng tấm[4] Hình 1.9: Các dạng xâm thực [4] Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 10 90 Hình 3.24: 80 Hiệu suất 70 bơm theo 60 áp suất 50 40 30 20 η(%) Hb (mH2O) 10 H (m) η(%) Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Hiệu suất Q (m3/s) 95 85 75 65 55 45 35 25 15 HS1 HSxt H (m) 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 Q(m3/s) 0.2 0.16 0.2 0.22 0.24 Hb1 Hbxt 0.1 0.12 0.14 0.18 0.22 0.24 Q Hình 3.25: so sánh mô hình không xâm thực xâm thực 3.6.3 Ản ưởng số vòng qua Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 61 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” n=1200v/ph n=1500v/ph n=1800v/ph n=2000v/ph Hình 3.26: xâm thực bụng cánh công tác theo số vòng quay Hình 3.27: Xâm thực lưng cánh CT với n=2000v/ph n=1800v/ph n=2000v/ph Hình 3.28: xâm thực cánh hướng theo số vòng quay Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 62 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Xâm thực bụng cánh công tác tăng lên theo số vòng quay, hình 3.26 Với n=2000v/ph xuất xâm thực lƣng cánh hƣớng, hình 3.27 Khi n=1800v/ph có xâm thực mép vào cánh hƣớng, rõ ràng n=2000v/ph, hình 3.28  Khảo sát ảnh hưởng hệ số xâm thực Xét ảnh hƣởng hệ số xâm thực đến phần trăm thể tích bọt khí Phần trăm bọt khí V%=Vbk/Vinct*100 Trong Vbk thể tích toàn bọt khí có phần cánh công tác Vinct thể tích toàn phần chất lỏng phần khối công tác Vinct=0.00075979927(m3) Với Vref=Vct tiết diện trung tâm N(v/ph) Vct(m/s) pin(Pa) pbh(Pa)  V% 1200 12.3150328 94435.28909 3540 1.200833126 0.039937205 1500 15.393791 90953.46825 3540 0.739093887 0.45323125 1800 18.4725492 87139.53141 3540 0.490865613 1.5231233 2000 3540 2.8496506 20.52505467 84554.42162 0.38530631 Bảng 3.7 :Ảnh hưởng hệ số xâm thực toán 3D Hình 3.29 thể ảnh hƣởng hệ số xâm thực Kết gần giống với trƣờng hợp 2D Xâm thực chất lỏng giảm nhanh hệ số xâm thực lớn  Đánh giá hiệu suất, cột áp lưu lượng bơm theo số vòng quay n ptb inlet (at) p(at) Q1/4b Q (m3/s) M1/4 (N.m) η (%) (m3/s) (v/ph) 1200 0.9320038 0.0679961 0.043515 0.1740617 8.3127409 28.69541 1500 0.8976409 0.1029 0.053496 0.2139851 12.909192 27.36201 1800 0.8600003 0.1406432 0.062874 0.2514942 18.124229 25.97436 2000 0.1662762 0.067728 0.2709111 22.071882 0.8344872 24.67679 Bảng 3.8: Các thông số bơm theo số vòng quay Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 63 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” 2.8496506 V% 2.5 1.5231233 1.5 0.5 0.45323125 0 0.2 0.4 0.6  0.8 0.039937205 1.2 1.4 Hình 3.29: Phần trăm thể tích bọt khí theo hệ số xâm thực (3D) 1.8 1.6 3.30: cột 0.25 1.2 0.2 0.15 0.8 0.6 Hb (mH2O) 0.4 Qb(m3/s) 0.2 500 1000 1500 2000 0.1 áp lưu Q(m3/s) 1.4 H (m) Hình 0.3 lượng theo số vòng quay 0.05 2500 n(v/ph) Việc tính toán mô số thành lập đƣợc đƣờng đặc tính bơm theo số vòng quay Với điều kiện áp suất Pout=1 at (áp suất môi trƣờng) thấy lƣu lƣợng bơm lớn so với thiết kế, cột áp bơm tạo nhƣ hiệu suất bơm thấp Ngoài ra, số vòng quay lớn, xâm thực cánh xảy nhiều nên hiệu suất giảm theo Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 64 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” 3.7 Kết luận chương  Dòng chảy lƣới cánh thỏa mãn yêu cầu thiết kế, dòng vào suôn Tuy nhiên xuất xoáy bụng cánh hƣớng, xoáy lớn vận tốc quay lớn, từ ta có phƣơng án điều chỉnh thiết kế  Xuất vùng áp suất thấp mặt cánh công tác chuyển động Vùng áp suất thấp mép vào bụng cánh khoảng lƣng cánh Những vùng cho ta dự đoán vùng xảy trình xâm thực  Xâm thực cánh xảy mạnh vận tốc quay lớn, bụng cánh xâm thực có xu hƣớng lan phía đuôi cánh, vận tốc đủ lớn xuất thêm xâm thực lƣng cánh công tác, đồng thời có xuất xâm thực mép vào cánh hƣớng  Mô so sánh nhận thấy dùng mô hình xâm thực dự đoán tốt đặc tính làm việc bơm  Cũng cần lƣu ý khái niệm „ổn định‟ tƣơng đối Dòng coi ổn định sau thời gian bơm tạo đƣợc áp suất p=constant, lƣu lƣợng Q=constant (điều theo dõi đƣợc mô fluent cách đƣa biến lƣu lƣợng áp suất trung bình đầu vào) Nhƣ biết, cánh công tác cánh hƣớng quay tƣơng nhau, ảnh hƣởng tƣơng hỗ lẫn mà đặc tính bơm liên tục thay đổi Tuy nhiên, sƣ thay đổi có tính chất chu kỳ, không ảnh hƣởng nhiều đến làm việc bơm Với vấn đề xâm thực, quay xâm thực cánh có dao động đó, nhƣng nhỏ nên ko xét Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 65 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” CHƢƠNG 4: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM MẪU BƠM TIA HƢỚNG TRỤC 4.1 Tổng quan hệ thử nghiệm bơm Bơm cánh dẫn sau đƣợc chế tạo cần kiểm tra thông số làm việc nhƣ khả làm việc bơm Tùy vào mục đích có hệ thống kiểm tra khác Thông thƣờng hay sử dụng hai phƣơng pháp hệ thống thí nghiệm hở hệ thống thí nghiệm kín 4.1.1 Hệ t ống t í ng ệm Hệ thống thí nghiệm kiểu hở dùng thí nghiệm để tìm đặc tính làm việc H-Q, đặc tính toàn tổng hợp bơm cánh dẫn Trong hệ thống thí nghiệm kiểu hở, thông số lƣu lƣợng, áp suất cửa xả bơm đƣợc đo lƣu lƣợng kế áp kế (hoặc sensor áp suất, sensor lƣu lƣợng), thông số momen, vòng quay trục bơm đƣợc đo đòn cân momen đồng hồ contermet Vòng quay động lai bơm điều chỉnh đƣợc đƣợc hộp số hay biến tần băm xung nghịch lƣu hình 4.1 Qua việc đo đại lƣợng Q, H…chúng ta dựng đƣợc đƣờng đặc tính thí nghiệm Do đƣờng đặc tính thực nghiệm cần thiết để điểu chỉnh chế độ làm việc bơm 4.1.2 Hệ thống thí nghiệm kiểu kín Hệ thống thí nghiệm kiểu kín dùng thí nghiệm xâm thực bơm cánh dẫn Trong thí nghiệm xâm thực bơm lƣu lƣợng đƣợc đo lƣu lƣợng kế (màng chắn ống Venturi) Áp suất dòng chất lỏng lối bơm đƣợc xác đo áp kế Mô-men quay động số vòng quay làm việc bơm đƣợc xác định tƣơng tự nhƣ thí nghiệm xây dựng đặc tính bơm Lƣu lƣợng bơm thay đổi nhờ van khóa đƣờng ống Áp suất không khí bề mặt thoáng bể hút thay đổi đƣợc bơm chân không Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 66 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm bơm kiểu hở Hình 4.3: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm bơm kiểu kín Hình 4.4: mặt hệ thống thử nghiệm bơm lưu lượng lớn Ngoài mô hình thử nghiệm trên, với bơm có lƣu lƣợng lớn, thử nghiệm bơm cần mô hình lớn để chứa thể tích dòng chảy cho bơm Các bể thử có kết cấu nhƣ hình 4.4 4.2 Thiết bị phương pháp thí nghiệm Bơm mô hình sau chế tạo cần đƣợc thử nghiệm để đánh giá đặc tính làm việc Mô hình thử nghiệm bơm kiểu kín (hình vẽ 4.5) viện Bơm Thiết bị thủy lợi đáp ứng đƣợc yêu cầu độ xác, đại thao tác thuận tiện thử nghiệm nhƣ xử lý số liệu Bơm hƣớng trục mô hình đƣợc đặt nằm ngang dẫn động động điện xoay chiều 55 KW, vòng quay 990 v/ph có biến tần điều khiển Cánh công tác mô hình Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 67 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Hình 4.5: Giá thử nghiệm bơm ống phun (viện Bơm Thiết bị thủy lợi)[16] kích thƣớc 250 - 350 mm (tƣơng tự với quy chuẩn thử nghiệm bơm nứơc ngoài) Bể thử thử loại bơm mô hình có thông số làm việc tối ƣu phạm vi: Q = 50  1500 m3/h, H =  20 m, N đến 55KW Ống hút bơm có dạng côn để tạo trƣờng vận tốc lối vào Ống đẩy bơm đƣờng kính 400 mm, chiều dài 20 m Trên đƣợc lắp thiết bị đo lƣu lƣợng dạng cảm ứng từ Thiết bị đo đạc phục vụ thí nghiệm gồm:  Đo áp suất cửa máy bơm: thiết bị sử dụng PDE-200 hãng HBM chế tạo, dải đo từ 0-2bar sai số 0,5%  Đo số vòng quay: thiết bị sử dụng CT-70 hãng HBM chế tạo, dải đo từ 010.000 v/ph sai số 0,1%  Đo Momen trục: thiết bị sử dụng T32FNA hãng HBM chế tạo, sai số 0,5%  Đo lƣu lƣợng: Sử dụng thiết bị SIESMEN chế tạo với sai số 0,5%  Đo độ dài: dùng thƣớc dây loại 5m thông thƣờng 4.3 Kết đánh giá phân tích Với hệ thống thí nghiệm trên, phần mềm hỗ trợ đƣợc kết hợp để hiển thị thông số Q, H, N,  bơm hình máy tính (hình vẽ 4.6) lƣu lại dƣới dạng số Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 68 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Hình 4.6: Màn hình hiển thi số liệu đo máy tính hệ thống thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm với tốc độ vòng n = 1500 v/ph Trên sở đƣờng đặc tính thu đƣợc phân tích, so sánh hiệu suất, đánh giá kết thiết kế, phạm vi hoạt động bơm Với tần suất 200 Hz lấy số liệu điểm đo, đồng thời phụ thuộc vào độ trễ vận hành điều khiển van xả tạo áp, nên dải số liệu điểm đo có dao động rộng Phép đo thực liên tục theo thời gian để lấy đƣờng đặc tính máy vận hành vận tốc vòng n =1500 v/ph Sau lƣu trữ liệu, kết đặc tính máy bơm đƣợc tính toán lấy giá trị trung bình nhƣ hình 4.8  Đánh giá thiết kế Ở dải tốc độ thiết kế n = 1500 v/ph (hình 4.8), với giá trị thiết kế Q = 0.152 m3/s, giá trị cột áp H = 7.9 m H2O vƣợt mức tính toán thiết kế Htk = 5.16 mH2O, hiệu suất đo đƣợc 74% Ở giá trị cột áp thiết kế Htk = 5.16 mH2O, giá trị lƣu lƣợng đạt Q = 0,19 m3/s Nhƣ so với thiết kế ban đầu, cánh bơm có khả đạt áp cao, giúp cho bơm có dự trữ áp lực tốt hơn, hiệu suất vƣợt so với lý thuyết tính toán (72%) 2% Thiết kế bơm đạt tốt yêu cầu điểm thiết kế Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 69 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Hình 4.7: Kết đo đặc tính thiết Hình 4.8: Kết đo đặc tính thiết bị đẩy bị đẩy ống phun [16] ống phun theo giá trị trung bình[16] Hình 4.9 Vùng xâm thực ăn mòn phần cánh bầu BCT [16] Hình 4.10 Vùng xâm thực ăn mòn phần cánh hướng[16] Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 70 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” Trong trình vận hành, cuối đặc tính, ta thấy có suy giảm hiệu suất nhanh từ mức 60% xuống dƣới 30% Nguyên nhân tƣợng có tƣợng xâm thực xuất bơm Để thấy đƣợc ảnh hƣởng xâm thực mặt cánh, phải tiến hành thử nghiệm với thời gian đủ lớn Hình 4.9 hình 4.10 thể ảnh hƣởng xâm thực sau thời gian chạy bơm 60 phút vùng cột áp dƣới 6m, lƣu lƣợng 0,2 m3/h  Đánh giá mô Kết mô đặc tính H-Q  -Q bơm gần với thực nghiệm vùng tính toán Khi áp suất cao có chênh lệch lớn Hiệu suất mô gần với thực nghiệm, chƣa tính hết đƣợc tổn thất thực tế nên mô có hiệu suất cao so với thực nghiệm Với kết mô tƣợng xâm thực dự báo tốt vùng xảy xâm thực, ảnh hƣởng xâm thực lên cánh công tác bơm Hình 4.11 So sánh mô (mô hình xâm thực) với thực nghiệm Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 71 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” 4.4 Kết luận chương Thực nghiệm kiểm tra đƣợc việc thiết kế bơm đạt chất lƣợng tốt so với yêu cầu điểm thiết kế thông số thủy lực Hiệu suất cao đạt 76 %, cho thấy chất lƣợng cánh cao dải bơm công suất Vùng vận hành bơm khai thác tốt dải cột áp m, lƣu lƣợng dƣới 0,2 m3/s Bơm khai thác tốt vùng hiệu suất 65% với Q = 0,12 – 0,2 m3/s, H = 7-9 m H2O Hiện tƣợng xâm thực xuất buồng công tác thiết bị tốc độ vòng cao n = 1500 v/ph gây suy sụp lớn cuối đặc tính từ mức 60% xuống dƣới 30% Nguyên nhân xâm thực bề mặt cánh công tác, xâm thực lối vào lƣng dãy cánh hƣớng lối bụng cánh hƣớng Việc mô áp dụng cho trƣờng hợp khác qua kiểm chứng cho thấy kết mô dự đoán tốt đặc điểm làm việc bơm Mô hình xâm thực cho kết gần với yêu cầu thiết kế so với mô hình không xâm thực vùng lƣu lƣợng thiết kế trở lên Khi lƣu lƣợng giảm xuống, tƣợng xâm thực mô hình phi xâm thực nên đƣợc ƣu tiên sử dụng Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 72 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” KẾT LUẬN Luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề kỹ thuật thiết kế thiết bị đẩy ống phun dạng bơm cánh dẫn hƣớng trục Mẫu thiết kế đƣợc nghiên cứu theo phƣơng pháp tiên tiến kết hợp mô số thực nghiệm Các kết cụ thể nhƣ sau: Về mặt học thuật:  Tổng quan: Đã tìm hiểu đƣợc vấn đề kỹ thuật thiết bị đẩy tàu, đó, thiết bị ống phun dạng bơm tia kỹ thuật nƣớc, phù hợp với yêu cầu ngày đa dạng thực tế Các vấn đề xâm thực phƣơng pháp nghiên cứu xâm thực đƣợc làm rõ  Thiết kế bơm tia cho thiết bị đẩy ống phun: Đã tìm hiểu tổng quan thiết kế bơm phụt, quy trình thiết kế nhƣ đặc điểm bơm tia; thiết kế đạt yêu cầu mẫu cánh mô hình phù hợp với thông số bơm để đạt đƣợc yêu cầu lƣu lƣợng cột áp Bản thiết kế cánh đƣợc chỉnh sửa Solid work để có hình ảnh trực quan kích thƣớc chế tạo  Ứng dụng CFD : Đã tìm hiểu tổng quan CFD, có phần mềm chuyên dụng Ansys Fluent Áp dụng phƣơng pháp mô với mô hình K-E, multiphase mô hình xâm thực để giải toán mô 2D 3D cho bơm tia Về mặt khoa học:  Với việc mô đƣa đƣợc dự đoán trƣờng vận tốc, áp suất nhƣ đánh giá khả làm việc bơm thông qua đƣờng đặc tính Vùng xâm thực cánh bơm đƣợc làm rõ, ảnh hƣởng vòng quay, hệ số áp suất đến hình thành bọt khí cánh Các vùng xâm thực mức độ xâm thực đƣợc dự báo thông qua mô số  Kết 3D cho thấy với số vòng quay n ≥ 1200v/ph xâm thực xuất phát triển vùng mép vào cánh lan rộng lƣng bụng cánh Đã đƣa dự báo xâm thực thông qua thông số chiều dài tƣơng đối túi khí LC% , phần trăm diện tích tƣơng đối túi khí mô hình 2D phần trăm thể tích tƣơng đối mô hình 3D  So sánh đƣa mô hình mô phù hợp theo chế độ hoạt động bơm, theo với số vòng quay không lớn (n1200v/ph) mô hình không xâm thực tỏ hiệu Mô đƣa dự báo đặc tính thủy động lực học bơm tia, xây dựng đƣờng đặc tính bơm Đã tiến hành thử Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 73 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” nghiệm bơm kiểm nghiệm cho thấy phù hợp tƣơng đối mô thực nghiệm  Kết đạt đƣợc số đóng góp vào việc nghiên cứu phát triển ứng dụng thiết bị đẩy dạng bơm tia việc đại hóa trang bị công nghiệp hàng hải Luận văn giải vấn đề đặt Phƣơng pháp VôzơnhexenskiPêkin tính toán bơm hƣớng trục cho kết tốt Phần mềm thƣơng mại Ansys Fluent dựa phƣơng pháp số thể tích hữu hạn giải hệ phƣơng trình NavieStock theo phƣơng pháp RANS tỏ hữu hiệu cần mô dòng chảy rối có nhớt bơm, biên dạng cánh phức tạp với chuyển động quay với vấn tốc lớn Nhìn chung với hỗ trợ mạnh mẽ mô hình AF, toán kỹ thuật dòng chảy đƣợc giải Kết 2D phù hợp với mô trƣờng hợp 3D cho phép dùng mô hình 2D để nghiên cứu đặc tính chuyên sâu mang tính học thuật Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo: Với tài nguyên máy tính chƣa thực lớn, nên việc cần thiết mô toàn thiết bị đẩy chƣa thực đƣợc, việc khảo sát ảnh thông số khác đến đặc tính thủy động học bơm chƣa đƣợc tìm hiểu kỹ Việc ứng dụng phƣơng pháp số có độ xác cao nhƣ LES, DNS để đánh giá đặc tính bơm cần đƣợc tìm hiểu nghiên cứu cụ thể đƣa đánh giá so sánh Đó nội dung mà thân mong muốn nghiên cứu sau này./ Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 74 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.A.Lomakin (1971), Bơm ly tâm bơm hướng trục, NXB KHKT [2] Stepano AJ (1993), Centrifugal and Axial Flow Pump [3] Norbert Willem Herman Bulten (2006) , Numerical Analysis of a Waterjet Propulsion System [4] Final report and recommendation to the 22 nd ITTC, Specialist committee on computational method for propeller cavitation [5] Christopher E Brennen, California Institute of Technology Pasadena, California Hydrodynamics of Pumps, Concepts ETI, Inc and Oxford University Press [6] Twindisc, MJP, WaterJet, Brochure [7] Lê Danh Liên.(1975), Tài liệu hướng dẫn thiết kế bơm hướng trục, ĐH BKHN [8] Lê Thị Thái (2013), Nghiên cứu tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thủy, Luận án tiến sĩ, Thƣ viện Tạ Quang Bửu, Đại học Bách Khoa Hà nội [9] Lê Đình Anh (2013), Tính toán thiết kế bơm tia kiểu hướng trục, Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn Máy tự động thủy khí, Đại học Bách khoa Hà Nội [10] Trần Ích Thịnh (2006), Phương pháp phần tử hữu hạn, NXB KHKT [11] Ansys –Fluent guide 14.5 (2014), Theory and Tutorial [12] Hoàng Thị Bích Ngọc (2014) Máy thủy khí cánh dẫn, Bơm ly tâm & Bơm hướng trục Lý thuyết-tính toán-thiết kế [13] Bùi Quốc Thái Bơm hướng trục [14] Quản Trọng Hùng, Vũ Văn Duy.(2010), Nghiên cứu mô số xâm thực cục máy thủy lực cánh dẫn hướng trục Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 21 – 01/2010 [15] Solid Work Tutorial (2014), www.Solidwork.com [16] Trƣơng Việt Anh-Đề tài cấp Bộ B2012-01-26 Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 75 ... lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số” CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐẨY KIỂU HƢỚNG TRỤC 2.1 Yêu cầu tính toán thiết kế thiết bị đẩy Để thiết kế đƣợc thiết bị đẩy kiểu bơm tia. .. hợp đặc Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực- Đại học BKHN 12 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số”... hình học Bộ môn Máy Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực- Đại học BKHN 16 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia mô số”