Nghiên cứu thực nghiệm mô hình bơm hướng trục chìm trục ngang tỷ tốc cao (nS = 1715V/PH VÀ 2065V/PH)

Bài báo giới thiệu phương pháp thí nghiệm m ô hình và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm mô hình bơm hướng trục chìm trục ngang với nS lớn (bằng 1715 v/ph và 2065 v/ph). Trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm đã kiểm nghiệm được kết quả nghiên cứu tính toán lý thuyết và tìm được mô hình có hiệu suất cao và đặc tính phù hợp dùng để chế tạo bơm thực ứng dụng để cấp nước cho bể hút các trạm bơm ven sông vào mùa kiệt.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH BƠM HƯỚNG TRỤC CHÌM TRỤC NGANG TỶ TỐC CAO (nS = 1715V/PH VÀ 2065V/PH) GS.TS Lê Danh Liên, ThS Nguyễn Q uang Minh, KS Vũ Đình Hưng, ThS Kiều Tiến Mạnh Viện Bơm Thiết bị Thủy lợi Tóm tắt: Bài báo giới thiệu phương pháp thí nghiệm m hình kết nghiên cứu thực nghiệm m ô hình bơm hướng trục chìm trục ngang với nS lớn (bằng 1715 v/ph 2065 v/ph) Trên sở nghiên cứu thực nghiệm kiểm nghiệm kết nghiên cứu tính tốn lý thuyết tìm m hình có hiệu suất cao đặc tính phù hợp dùng để chế tạo bơm thực ứng dụng để cấp nước cho bể hút trạm bơm ven sơng vào m ùa kiệt Từ khóa: mơ hình, đặc tính, thí nghiệm , lưu lượng, cột áp, cơng suất, hiệu suất, tỷ tốc Summary: This paper presents m ethod of experiment for models and results of experim ental studies for m odels of submersible horizontal axial pum p with grand nS (equal 1715 rev/min and 2065 rev/min) According to the results of experimental studies the theoretic calculating results have been tested and the m odel with high efficient and favourable characteristic for production and application for water supply to the suction channel of riverside pum p stations in dry season has been discovered I ĐẶT VẤN ĐỀ C ác trạm bơm ven sơng Hồng Thái Bình vào m ùa kiệt (m ùa khô) m ực nước bể hút thường bị cạn m ức thiết kế từ 0,5 đến 1,5m nên m áy bơm hoạt động Để khắc phục tình trạng đó, biện pháp ứng dụng sử dụng bơm hướng trục lưu lượng lớn, cột nước thấp để tiếp nước cho bể hút Do lưu lượng lớn cột áp thấp nên bơm thường có tỷ tốc cao (thướng nS ≥ 1600 v/ph) Những bơm hướng trục tỷ tốc cao chưa phổ biến thực tế Vì vậy, ứng dụng loại bơm cần phải khai thác nguồn: nhập nước chế tạo theo m ẫu nước ngồi Trong trường hợp khơng có m ẫu nước cần phải tự nghiên cứu chế tạo mẫu để chủ động thiết bị, không phụ thuộc vào máy ngoại nhập Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học độc lập cấp nhà nước m ã số ĐTĐL-2011T/08 “Nghiên cứu giải pháp nhằm đảm bảo lấy nước tưới chủ động cho hệ thống trạm Người phản biện: GS.TS Lê Chí Nguyện Ngày nhận bài: 17/7/2013, Ngày thông qua phản biện: 20/3/2014, Ngày duyệt đăng: 16/6/2014 bơm hạ du hệ thống Sông Hồng - Thái Bình điều kiện m ực nước sơng xuống thấp” nhóm nghiên cứu thiết kế 02 loại mẫu cánh bánh cơng tác cánh hướng dịng với tỷ tốc nS = 1715 v/ph nS = 2065 v/ph Các mẫu có đường kính D = 300mm, số cánh cánh Do m hình có nS cao nên hiệu suất theo tính tốn lý thuyết đạt ηm ax = 0,735 (với m ẫu cánh) ηmax = 0,752 (với m ẫu cánh) Tuy nhiên giá trị tính tốn lý thuyết cần kiểm nghiệm qua thực tế m ới khẳng định II SƠ ĐỒ GIÁ TH Í NGH IỆM BƠ M Bơm mơ hình tiến hành thí nghiệm giá thử bơm Viện Bơm Thiết bị thủy lợi Do nhu cầu việc nghiên cứu thử nghiệm m hình bơm thực, từ trước năm 1995 Viện Bơm Thiết bị Thủy lợi đầu tư xây dựng m ột phịng thí nghiệm đại với đầy đủ thiết bị đo áp suất, lưu lượng, mơ m en, vịng quay đo thông số làm việc m ột dải rộng [1] Các thông số đo đưa trung tâm xử lý số liệu để tính tốn thơng số cần thiết phục vụ cho việc xây dựng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ đường đặc tính lượng bơm 20kW) Tại phịng thí nghiệm có hai giá thí nghiệm 01 giá thí nghiệm kiểu kín để thử bơm cơng suất nhỏ (dưới 20kW), 01 giá thí nghiệm kiểu hở để thí nghiệm bơm cơng suất lớn (từ Giá thí nghiệm bơm kiểu kín thường sử dụng để thí nghiệm bơm mơ hình, sơ đồ giá thí nghiệm giới thiệu hình Hình Sơ đồ giá thí nghiệm bơm kiểu kín Giá thí nghiệm có đầy đủ thiết bị đo cần thiết, đo xác định thông số làm việc bơm lưu lượng, cột áp, mô m en trục, vịng quay, cơng suất hiệu suất bơm III G IA CÔ NG SỐ LIỆU THỬ NGH IỆM 3.1 Xác định thơng số đặc tính bơm Trong q trình thí nghiệm tiến hành đo đạc thơng số cần thiết để tính tốn thơng số đặc tính bơm Các thơng số cần đo đạc, tính tốn gồm : Lưu lượng bơm Lưu lượng bơm đo thiết bị đo lưu lượng cảm ứng điện từ Thông số đo tính m3/s truyền tới trung tâm xử lý số liệu Cột áp bơm Cột áp bơm xác định sở phương trình Béc nu li viết cho hai mặt cắt vào khỏi bơm: 2 p  p V  V1 V H  E2  E1    Z2  Z1   c ; 2g  2g Trong đó: p  p1  p - độ chênh áp hai mặt cắt  vào khỏi bơm đo thiết bị đo độ chênh áp m ắc hai điểm ống hút ống đẩy V22  V12  , ống đẩy ống hút có 2g đường kính xấp xỉ nhau, Z2 – Z1 = tâm hai mặt cắt nằm m ột mặt phẳng, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 KHOA HỌC V2  - tổn thất hai khuỷu ống nằm 2g phạm vi bơm , khuỷu ống với góc ngoặt 30º hệ số ξ = 0,2 Từ ta có cột áp bằng: H V2 p  2g  Vận tốc V2 ống đẩy xác định bằng: V2  4Q d 22 CƠNG NGHỆ Khi làm thí nghiệm đại lượng đo hiển thị thiết bị đo hình máy tính có m ạch động định Sự mạch động gây sai số số liệu đo Đối với thí nghiệm mơ hình cụ thể đề tài ta xác định sai số cho chế độ làm việc tối ưu o mẫu với góc đặt cánh φ = sau: Sai số xác định theo cấp xác thiết bị đo [3]: - Sai số đo cột áp: H  2PM  2Q  2 Z  42n = Trong đường kính ống đẩy d2 = 400mm ,3  0,5  0,5  4.0 ,12  ,79% Công suất trục bơm - Sai số đo lưu lượng: Công suất trục bơm xác định theo m men vịng quay trục bơm bằng: Q  2Q  2n  0,52  0,12  0,51% Ntr = Mω = Mπn/30, Nm - Sai số đo công suất trục: Cơng suất hữu ích bơm: 100 M  N tr     2M  42n   M  N = γQH = 9810QH, Nm 100.0,1     0,12  0,12  0,23%  194  Hiệu suất bơm :  N 9810QH  N tr M - Sai số hiệu suất: Các số liệu thí nghiệm thơng số tính tốn ghi thành bảng kết đo tính tốn thơng số làm việc m hình 3.2 Xác định sai số đo Về nguyên tắc ứng với giá trị đo có m ột sai số khác Như mặt lý thuyết ta phải xác định sai số đo cho giá trị Tuy nhiên, để đánh giá sai số m ột cách khái quát ta xác định sai số cho chế độ làm việc đặc trưng (η = ηm ax) với số vòng quay danh nghĩa (n = 1450v/ph) chung cho m ọi chế độ thử nghiệm Sai số thực tế số liệu đo xác định theo hai yếu tố: - Sai số xác định theo cấp xác thiết bị đo - Sai số xác định m ạch động thông số đo   Q  H  N 2tr  2  0, 51  0, 79  0,23  0,97 % Sai số m ạch động thông số đo: - Sai số cột áp:  H*  H M ,01   ,186% H tb 5,37 - Sai số lưu lượng: Q*  QM 0,001   0,327 % Qtb 0,306 - Sai số công suất: N*  N M 0,01   0,047% N tb 21,22 - Sai số hiệu suất:   0,1862  0,3272  0,0472  0,379% TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 43 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - Sai số cột áp: Mơ hình 1c: bánh cơng tác cánh (ns=1715) với góc đặt cánh φ = -3o H  0,79  0,1862  0,81% Mô hình 2a: bánh cơng tác cánh (ns=1715) với góc đặt cánh φ = 0o Sai số tổng cộng: - Sai số lưu lượng: Q  0, 51  , 327 Mơ hình 2b: bánh cơng tác cánh (ns=1715) o với góc đặt cánh φ = +3  0, 606 % Mơ hình 2c: bánh cơng tác cánh (ns=1715) o với góc đặt cánh φ = -3 - Sai số công suất: N  0,23  0,0472  0,235% Mô hình 3a: bánh cơng tác cánh (ns=2065) o với góc đặt cánh φ = - Sai số hiệu suất: 2 Mơ hình 3b: bánh cơng tác cánh (ns=2065) o với góc đặt cánh φ = +3   0,81  0,606  0,235  1,04% IV XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH MƠ HÌNH Dựa kết đo tính tốn thông số làm việc ta xây dựng đường đặc tính làm việc bơm [2] Ở chúng tơi xây dựng đường đặc tính làm việc bơm đường đặc tính cột áp H = f(Q) đường đặc tính hiệu suất η = f(Q) Các đường đặc tính xây dựng cho 10 mơ hình thử nghiệm, mơ hình: Mơ hình 1a: bánh cơng tác cánh (ns=1715) o với góc đặt cánh φ = Mơ hình 1b: bánh cơng tác cánh (ns=1715) o với góc đặt cánh φ = +5 Mơ hình 4a: bánh cơng tác cánh (ns=2065) o với góc đặt cánh φ = Mơ hình 4b: bánh cơng tác cánh (ns=2065) với góc đặt cánh φ = +3o Các mơ hình 3a,b 4a,b có số vịng quay đặc trưng ns có thơng số tương tự không thứ nguyên KQ KH khác Trong khuôn khổ báo giới thiệu đường đặc tính đặc trưng cho mẫu có tỷ tốc nS = 1715 v/ph (loại cánh cánh) đường đặc tính cho mẫu có tỷ tốc nS = 2065 v/ph Các đường đặc tính cho hình 2, 3,4 M hình 1a: cá nh g óc 0o 2xH,m 80 72 64 56 H 48 40 32 24 Q,m3 /s Hình Đặc tính bơm hướng trục nstt = 1715v/ph, m hình 1a 44 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 Hình Đặc tính bơm hướng trục nstt = 1715v/ph, m hình 2a KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Mơ hìn h a: 3cánh , 0o xH,m 80 70 60 50 H 40 30 20 Q,m /s Hình Đặc tính bơm hướng trục nstt = 2065v/ph, m hình 3a Hình Đặc tính bơm hướng trục nstt = 2065v/ph, m hình 4a V PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1 C ác mẫu cánh có số vịng quay đặc trưng n s = 1715v/ph: o Các mẫu cánh: Mẫu 1a (góc ) có hiệu suất đỉnh cao 78,34%, sau đến mẫu 1c (góc – 3º) hiệu suất đỉnh 76,97%, thấp o mẫu 1b (góc +5 ) hiệu suất đỉnh 74,32% Chế độ làm việc tối ưu lệch phía tỷ tốc thấp Tại chế độ làm việc hiệu suất thấp hiệu suất tối ưu từ đến 5% o Các mẫu cánh: Mẫu 2a (góc ) có hiệu suất đỉnh cao 77,45%, sau đến mẫu 2c (góc -3º) hiệu suất đỉnh 75,87% Mẫu 2b (góc +3o) có hiệu suất đỉnh thấp 72,57% Chế độ làm việc tối ưu lệch phía tỷ tốc thấp Tại chế độ làm việc cột áp làm việc cao cột áp tính tốn, thấp so với mẫu cánh Để tăng khả thoát bơm tức để tăng tỷ tốc chế độ tính tốn cần giảm mật độ dẫy cánh bánh cơng tác, ta biết cột áp tỷ lệ thuận với mật độ dãy cánh [2]: U W l sin(    ) Hlt  pC yd g t cos  sin  Tuy nhiên việc giảm mật độ dẫy cánh tùy ý, giảm tới cịn chưa xảy xâm thực bơm làm việc phải đảm bảo độ bền cánh 5.2 Các mẫu có số vòng quay đặc trưng ns = 2065 v/ph Các mẫu có hệ số tương tự khơng thứ ngun KQ = 0,659, KH = 0,038: o Mẫu 3a (góc ) có hiệu suất đỉnh đạt 72,68%, mẫu 3b (góc +3º) có hiệu suất đỉnh 70,33% Các mẫu có hệ số tương tự không thứ nguyên KQ = 0,535, KH = 0,033: Mẫu 4a (góc 0o) có hiệu suất đỉnh đạt 76,27%, mẫu 4b (góc +3º) có hiệu suất đỉnh 74,95% Như mẫu với hệ số tương tự không thứ nguyên thấp cho hiệu suất cao Song khả thoát mẫu lớn chút so với mẫu So với mẫu 2, mẫu nói chung có khả lớn (trừ mẫu 1b) Trong số mẫu có mẫu 4a đạt hiệu suất cao tương đương mẫu có hiệu suất cao Về tổng thể mẫu 4a có hiệu suất gần tương đương mẫu có tỷ tốc lớn, điều cho phép giảm kích thước bơm động (do số vịng quay tăng) kèm theo giảm giá thành chế tạo bơm động TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 45 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ giảm khối lượng xây dựng nhà trạm Vì chúng tơi sử dụng mẫu 4a để thiết kế chế tạo bơm thực VI KẾT LUẬN Thông qua việc nghiên cứu thực nghiệm loại mẫu cánh bánh cơng tác bơm hướng trục chìm với tỷ tốc cao khác nhau, số cánh khác hệ số tương tự không thứ nguyên khác tìm mẫu cánh thích hợp có thơng số làm việc hiệu suất đáp ứng yêu cầu đặt đề tài nghiên cứu, mẫu cánh 4a có tỷ tốc nS = 2065v/ph, số cánh 3, hiệu suất đỉnh đạt 76,27% Với việc sử dụng mẫu cánh tỷ tốc cao giảm kích thước bơm động máy thực (do số vịng quay tăng), kèm theo giảm giá thành chế tạo thiết bị giảm khối lượng xây dựng nhà trạm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Báo cáo khoa học đề tài NCKH độc lập cấp Nhà nước bơm thủy lợi lưu lượng lớn: “Nghiên cứu thiết kế thử nghiệm mơ hình bơm hướng trục loại 20.000m3/h 36.000m 3/h” Chủ nhiệm đề tài: Phạm Văn Thu Hà Nội 1996 [2] A A Lô-Ma-Kin Bơm ly tâm hướng trục Bản dịch từ tiếng Nga Người dịch: Lê Phu, Lê Duy Tùng, Đặng Xuân Thi Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 1971 [3] О В Яременко Испытание Насосов Справочное Пособие Москва “Машиностроение” 1976 46 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 21 - 2014 ... đặt cánh φ = Mơ hình 1b: bánh cơng tác cánh (ns= 1715) o với góc đặt cánh φ = +5 Mơ hình 4a: bánh cơng tác cánh (ns= 2065) o với góc đặt cánh φ = Mơ hình 4b: bánh cơng tác cánh (ns= 2065) với... cho mẫu có tỷ tốc nS = 2065 v/ph Các đường đặc tính cho hình 2, 3,4 M hình 1a: cá nh g óc 0o 2xH,m 80 72 64 56 H 48 40 32 24 Q,m3 /s Hình Đặc tính bơm hướng trục nstt = 1715v/ph, m hình 1a 44... tính bơm hướng trục nstt = 2065v/ph, m hình 3a Hình Đặc tính bơm hướng trục nstt = 2065v/ph, m hình 4a V PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1 C ác mẫu cánh có số vịng quay đặc trưng n s = 1715v/ph: o