Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh công tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns cao (1000 1200 v ph)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Hồng Vinh NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GĨC XOAY CÁNH CƠNG TÁC LÊN ĐẶC TÍNH XÂM THỰC VÀ HIỆU SUẤT THỦY LỰC CỦA BƠM HƯỚNG TRỤC VỚI ns CAO (1000-1200 v/ph) Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRƯƠNG VIỆT ANH TS ĐỖ HUY CƯƠNG Hà Nội - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác TẬP THỂ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PGS.TS Trương Việt Anh TS Đỗ Huy Cương TÁC GIẢ LUẬN ÁN NCS Đỗ Hồng Vinh LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận án với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực hiệu suất thủy lực bơm hướng trục với ns cao (1000-1200 v/ph)”, nhận nhiều giúp đỡ, tạo điều kiện tập thể lãnh đạo, nhà khoa học, cán Viện Bơm Thiết bị thủy lợi; tập thể Ban Giám hiệu, Bộ phận Đào tạo Sau Đại học - Phịng Đào tạo, Bộ mơn Máy Thủy Khí, Viện Cơ khí động lực, giảng viên, cán phòng, ban chức Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành giúp đỡ Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trương Việt Anh TS Đỗ Huy Cương – thầy giáo trực tiếp hướng dẫn bảo cho tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp công tác Viện Bơm Thiết bị thủy lợi gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình thực hồn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2021 TÁC GIẢ LUẬN ÁN NCS Đỗ Hồng Vinh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10 MỞ ĐẦU 13 Tính cấp thiết đề tài 13 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu 14 2.1 Mục đích nghiên cứu 14 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 14 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 14 3.1 Ý nghĩa khoa học đề tài 14 3.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 14 Bố cục Luận án 14 Chương TỔNG QUAN 16 1.1 Bơm hướng trục vấn đề cần nghiên cứu 16 1.1.1 Đặc điểm bơm hướng trục 16 1.1.2 Các kết nghiên cứu, sản xuất ứng dụng bơm hướng trục nước nước 18 1.1.3 Một số vấn đề cần nghiên cứu bơm hướng trục cỡ lớn .22 1.2 Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh đến đặc tính lượng xâm thực bơm hướng trục 22 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước xâm thực bơm hướng trục 24 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước xâm thực bơm hướng trục 28 1.3 Vấn đề nghiên cứu luận án 29 1.4 Nội dung luận án 30 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 2.1 Cơ sở lý thuyết 32 2.1.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế cánh bơm hướng trục theo phương pháp Vôzơnhexenski - Pêkin 32 2.1.2 Cơ sở lý thuyết để xây dựng đặc tính lượng ảnh hưởng góc xoay cánh 36 2.1.3 Cơ sở lý thuyết hình thành xâm thực bơm hướng trục ảnh hưởng góc xoay cánh đến đặc tính xâm thực 48 2.2 Phương pháp nghiên cứu 55 2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết 55 2.2.2 Nghiên cứu mơ hình tốn 56 2.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm mơ hình vật lý 56 2.2.4 Lựa chọn mơ hình bơm cho nghiên cứu 58 Chương 3.NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG 60 3.1 Nghiên cứu thiết kế lựa chọn mẫu bơm với ns cao khảo sát đánh giá mô 60 3.1.1 Lựa chọn thông số thiết kế mẫu đặc trưng 60 3.1.2 Mơ hình phương pháp tính tốn mơ 66 3.1.3 Phân tích kết mơ 73 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh đến đặc tính xâm thực hiệu suất bơm hướng trục ns cao mô 74 3.2.1 Mơ hình tính phương pháp tính toán 75 3.2.2 Phân tích kết mơ phân bố trường dòng chảy bơm điểm tối ưu mơ hình cánh cầu 79 3.2.3 Phân tích ảnh hưởng góc đặt cánh tới trạng thái xâm thực hiệu suất bơm 83 3.2.4 Kết luận việc lựa chọn mẫu khảo sát đánh giá góc xoay đặc tính thủy lực 91 Chương 4.NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 93 4.1 Chế tạo thiết bị xây dựng mơ hình thí nghiệm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm 93 4.1.1 Chế tạo thiết bị 93 4.1.2 Lắp đặt bơm mơ hình vào hệ thống thí nghiệm 95 4.2 Đo thông số máy bơm 96 4.2.1 Trình tự thí nghiệm 96 4.2.2 Tính tốn xử lý số liệu 97 4.2.3 Xác định sai số đo 97 4.3 Thí nghiệm xây dựng đặc tính xâm thực, thủy lực quan hệ hiệu suất với góc xoay cánh thay đổi 100 4.3.1 Kết thí nghiệm xây dựng đặc tính làm việc góc xoay cánh khác 101 4.3.2 Kết thí nghiệm xâm thực góc xoay cánh khác 105 4.4 Nhận xét bàn luận kết thí nghiệm 109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113 Kết luận 113 Kiến nghị 114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC 118 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nước ta nước mà ngành nơng nghiệp đóng vai trị quan trọng kinh tế quốc dân Chính công tác thuỷ lợi nhằm phục vụ tưới tiêu đảm bảo cho sản xuất nông nghiệp vấn đề coi trọng hàng đầu Đối với tỉnh đồng Bắc Bộ Bắc Trung Bộ, loại hình cơng trình thuỷ lợi để làm nhiệm vụ tưới tiêu cho lúa trồng khác trạm bơm động lực Các loại máy bơm nói chung máy bơm hướng trục nói riêng sử dụng rộng rãi Trong năm gần đây, ảnh hưởng biến đổi khí hậu, nhu cầu tưới tiêu cho nông nghiệp thủy lợi, đặc biệt nhu cầu tiêu thoát nước lũ vào mùa mưa bão khơng ngừng tăng lên Nhiều trạm bơm có lưu lượng công suất lớn xây dựng để đáp ứng nhu cầu Hầu hết trạm bơm lớn đầu tư xây dựng với việc sử dụng loại bơm truyền thống, mà chủ yếu loại bơm hướng trục có số vịng quay đặc trưng (n s) vừa thấp (ns=500-900 v/ph) Với việc sử dụng bơm hướng trục n s cao (ns >1000 v/ph) vào trạm bơm lớn này, chi phí đầu tư xây dựng chi phí vận hành khai thác giảm đáng kể so với việc sử dụng bơm hướng trục n s thấp nhờ ưu kích thước khối lượng tổ máy bơm n s cao nhỏ gọn (khối lượng nhỏ nhiều so với kiểu truyền thống), tuổi thọ độ bền cao Bên cạnh ưu điểm đó, bơm hướng trục ns cao cịn phù hợp với địa bàn có cột nước địa hình thấp trung bình hầu hết tỉnh thành đồng ven biển nước ta, đặc biệt khu vực đồng sông Cửu Long Qua khẳng định, việc xây dựng trạm bơm điện công suất lớn với việc sử dụng máy bơm hướng trục n s cao đem lại hiệu kinh tế to lớn lâu dài, phù hợp với điều kiện Việt Nam Từ đặc điểm phạm vi ứng dụng thông số bơm hướng trục cột nước thấp với thực tiễn nghiên cứu năm qua nhiệm vụ việc nghiên cứu mở rộng vùng làm việc bơm hướng trục cột nước thấp xây dựng mơ hình bơm có n s cao tức tăng số vòng quay tăng khả mà đảm bảo bơm có khả chống xâm thực tốt có hiệu suất cao Hiện tại, có số nghiên cứu bơm hướng trục n s cao, dài ns 1200v/ph nghiên cứu nhiều có nhiều kết ứng dụng vào thực tiễn Các nghiên cứu bơm hướng trục ns 1200v/ph có đề tài nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm với nội dung chủ yếu là: đánh giá ảnh hưởng thơng số hình học (tỷ số bầu db/D, mật độ lưới cánh l/t, số cánh Z…) bánh cơng tác tới đặc tính làm việc hiệu suất bơm Tuy nhiên, mặt xâm thực, chưa có nghiên cứu chuyên sâu lý thuyết lẫn thực nghiệm Việc nghiên cứu mở rộng vùng làm việc cho bơm hướng trục ns cao chưa đề cập đến Để mở rộng phạm vi làm việc cho máy bơm hướng trục, có hai phương pháp bản: điều chỉnh số vịng quay xoay góc đặt cánh Với bơm hướng trục cơng suất lớn việc thay đổi góc đặt cánh (xoay cánh) phổ biến việc thay đổi số vịng quay gặp nhiều khó khăn kỹ thuật bị hạn chế cơng suất Như thấy việc nghiên cứu mở rộng phạm vi làm việc cho bơm 13 hướng trục ns cao phương pháp xoay cánh nhu cầu cấp thiết Để mở rộng phạm vi làm việc xoay cánh có hiệu quả, cần nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh đến thơng số làm việc bơm cột áp, lưu lượng, hiệu suất chiều cao hút bơm … , từ đưa khuyến cáo cần thiết để giúp cho nhà thiết kế chọn điểm thiết kế tối ưu giúp cho nhà quản lý chọn góc xoay cánh phù hợp để đảm bảo bơm vận hành hiệu Chính vậy, luận án chọn lĩnh vực “Nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực hiệu suất thủy lực bơm hướng trục với ns cao (1000-1200 v/ph)” làm nội dung nghiên cứu Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng thơng số góc xoay cánh đến hiệu suất đặc tính xâm thực bơm hướng trục ns cao (1000 – 1200 v/ph) - Đưa khuyến cáo cho việc tính tốn thiết kế lựa chọn bơm cho khai thác vận hành trạm bơm lớn sử dụng bơm n s cao 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài - Bơm hướng trục có số vịng quay đặc trưng ns cao (1000-1200 v/ph) - Nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực hiệu suất thủy lực bơm hướng trục với ns cao (1000-1200 v/ph) Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 3.1 Ý nghĩa khoa học đề tài - Xây dựng đặc tính làm việc tổng hợp đặc tính tổng hợp không thứ nguyên gam bơm hướng trục ns 1200v/ph, bổ sung vào dãy gam bơm hướng trục thiết kế, sản xuất nước ta đáp ứng nhu cầu cấp thiết - Cung cấp kết nghiên cứu khảo sát trường dòng chảy bơm hướng trục ns cao, bổ sung cho khoa học lĩnh vực bơm hướng trục nói chung bơm hướng trục ns cao nói riêng 3.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài - Mơ hình bơm hướng trục ns = 1200 v/ph chế tạo đáp ứng nhu cầu bơm nước tưới tiêu cho điều kiện cột nước địa hình thấp lưu lượng lớn - Các kết nghiên cứu ứng dụng để xây dựng qui trình vận hành với việc xác định vùng làm việc tối ưu bơm mở rộng phạm vi làm việc xoay cánh tham khảo để thiết kế tính tốn thiết kế bơm hướng trục n s cao Bố cục Luận án Luận án gồm phần mở đầu, chương phần kết luận với tổng số 117 trang (chưa kể phần phụ lục), 16 bảng, 107 hình vẽ đồ thị 33 tài liệu tham khảo Các phần luận án phân bố sau: 14 - Chương Tổng quan: 16 trang (tr.16 – tr.31) - Chương Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu: 28 trang (tr.32 - tr.59) - Chương Nghiên cứu mô phỏng: 33 trang (tr.60 - tr.92) - Chương Nghiên cứu thực nghiệm: 20 trang (tr.93 – tr.112) - Kết luận kiến nghị: trang (tr.113 – tr.114) 15 Chương TỔNG QUAN 1.1 Bơm hướng trục vấn đề cần nghiên cứu 1.1.1 Đặc điểm bơm hướng trục 1.1.1.1 Phạm vi làm việc bơm hướng trục Bơm hướng trục bơm dịng chảy chuyển động qua phần dẫn dịng theo phương hướng trục Các bơm hướng trục nghiên cứu thiết kế chế tạo thường có cột nước H từ 2m đến 20m, với lưu lượng Q lớn đến 100.000 m /h Để phân biệt loại bơm người ta dựa vào số vòng quay đặc trưng ns Số vòng quay đặc trưng máy bơm ns : Bánh cơng tác máy bơm có nhiều dạng Để lập quan hệ tương tự dạng khác bánh công tác phân loại chúng, người ta sử dụng khái niệm số vòng quay đặc trưng Số vòng quay đặc trưng ns máy bơm xác định theo cơng thức: Trong đó: - H : cột áp bơm, tính m - Q; lưu lượng bơm, tính m /s Số vòng quay đặc trưng ns yếu tố quan trọng định hình dạng bánh cơng tác máy bơm Khi n s tăng tỷ số D2/D1 giảm xuống, chiều rộng bánh công tác B2 tăng lên (xem hình 1.1) ( nguồn [1] [2] [3] [7]) Hình 1.1 Sự thay đổi hình dạng bánh cơng tác theo ns (nguồn[2]) Việc phân loại máy bơm theo ns có sai khác chút tài liệu tùy theo quan điểm kinh nghiệm người thiết kế, nhiên tham khảo phạm vi dải ns loại bơm Bảng 1.1 16 Bảng 1.1 Bảng phân TT Loại máy bơm Ly tâm ns thấp Ly tâm ns trung bình Ly tâm ns cao Hướng chéo Hướng trục Như máy bơm hướng trục có số vịng quay đặc trưng n s nằm khoảng từ 600 – 1.800 v/ph Ở khoảng này, bơm hướng trục ns cao có số vịng quay đặc trưng ns từ 1.000 - 1.800 v/ph 1.1.1.2 Khả ứng dụng bơm hướng trục Bơm hướng trục sử dụng rộng rãi lĩnh vực đời sống sản xuất Thông thường bơm hướng trục giới hạn phạm vi cột áp H < 20m Trong phạm vi này, tùy theo đặc điểm máy bơm để xác định số vòng quay đặc trưng ns bánh công tác khác Để hiểu rõ vấn đề này, ta phân tích phạm vi áp dụng bơm hướng trục kiểu O kiểu cánh quay O Liên Xô trước (nguồn [2] [20]) Hình 1.2 Biểu đồ vùng sử dụng bơm hướng trục kiểu O kiểu cánh quay O [2]) (nguồn Trên biểu đồ hình 1.2 ta nhận thấy vùng cột áp H từ đến 20m có nhiều loại bơm làm việc phạm vi này, với cột áp H < 6m số loại bơm làm việc phạm vi cịn Đặc biệt với phạm vi làm việc có cột áp cực thấp H < 3,5 m ta dễ dàng thấy có loại bơm làm việc phạm vi bơm O 17 MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM Kết hình ảnh khảo sát thí nghiệm xây dựng đặc tính 1 Góc độ: Điểm 1: H=1.79m; Q=0.439 m /s Điểm 3: H=2.19m; Q=0.419 m /s Điểm 5: H=2.38m; Q=0.405 m /s Điểm 7: H=2.65m; Q=0.379 m /s 132 Điểm 2: H=1.98m; Q=0.428 m /s Điểm 4: H=2.32m; Q=0.409 m /s Điểm 6: H=2.52m; Q=0.390 m /s Điểm 8: H=2.80m; Q=0.368 m /s Điểm 9: H=2.96m; Q=0.356 m /s Điểm 10: H=3.12m; Q=0.341 m /s Điểm 11: H=3.28m; Q=0.322 m /s 1.2 Góc -6 độ: Điểm 1: H=1.55m; Q=0.378 m /s Điểm 3: H=1.87m; Q=0.358 m /s 133 Điểm 2: H=1.71m; Q=0.368 m /s Điểm 4: H=2.08m; Q=0.345 m /s Điểm 5: H=2.21m; Q=0.333 m /s Điểm 7: H=2.42m; Q=0.316 m /s Điểm 6: H=2.30m; Q=0.326 m /s Điểm 8: H=2.65m; Q=0.395 m /s Điểm 9: H=2.76m; Q=0.285 m /s 1.3 Góc -3 độ: Điểm 1: H=1.62m; Q=0.411 m /s 134 Điểm 2: H=1.84m; Q=0.400 m /s Điểm 3: H=2.05m; Q=0.388 m /s Điểm 5: H=2.32m; Q=0.367 m /s Điểm 7: H=2.65m; Q=0.334 m /s Điểm 4: H=2.24m; Q=0.374 m /s Điểm 6: H=2.43m; Q=0.355 m /s Điểm 8: H=2.81m; Q=0.326 m /s Điểm 9: H=3.03m; Q=0.380 m /s 135 1.4 Góc +3 độ: Điểm 5: H=2.96m; Q=0.391 m /s; Điểm 6: H=3.19m; Q=0.372 m /s; 136 1.5 Góc +6 độ: Điểm 1: H=2.19m; Q=0.490 m /s; Điểm 2: H=2.50m; Q=0.469 m /s; Điểm 5: H=3.18m; Q=0.414 m /s; Thí nghiệm xâm thực điểm tối ưu: Góc độ Vị trí 1; Vị trí 2; 137 Vị trí 3; Vị trí 5; Vị trí 6; Vị trí 7; 2.2 Góc -6 độ: Vị trí 1; Vị trí 2; 138 Vị trí 4, Vị trí 3; Vị trí 4; Vị trí 5; Vị trí 6; Vị trí 7; 2.3 Góc -3 độ: Vị trí 1; 139 Vị trí 2; Vị trí 3; Vị trí 4; Vị trí 5, Vị trí 6; Kết mô để so sánh đối chứng với thực nghiệm 3.1 Mơ số điểm thí nghiệm xây dựng đặc tính xâm thực 3.1.1 Góc độ Điểm tối ưu phần xây dựng đặc tính H=2.517m; Q=0.405 m /s Phân bố áp suất phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt hút 140 Phân bố pha (xâm thực) cánh Phân bố vận tốc tiết diện biên Điểm 4; Phần khảo sát xâm thực, Xâm thực phía mặt hút Xâm thực phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt hút Phân bố áp suất phía mặt đẩy Nhiễu loạn kết hợp dòng chảy ngược Phân bố áp suất vùng bánh cơng dịng xâm thực tác 141 3.1.2 Góc -6 độ Điểm 4; Điểm tối ưu khảo sát đặc tính Xâm thực phía mặt hút H=2.126m; Q=0.345 m /s Xâm thực phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt hút Điểm 5; Khảo sát xâm thực; =1.909 Xâm thực phía mặt hút Xâm thực phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt đẩy 142 Phân bố áp suất phía mặt đẩy Phân bố bọt khí vùng bánh cơng tác Phân bố áp suất vùng bánh công tác Nhiễu loạn kết hợp dòng chảy ngược dịng xâm thực Xâm thực vùng bánh cơng tác 3.1.3 Góc -3 độ Điểm 4; Điểm tối ưu khảo sát đặc tính Phân bố áp suất cánh H=2.39m; Q=0.374 m /s Phân bố bọt khí cánh Phân bố áp suất vùng bánh công tác 143 Đườn dịng ổn định khơng xâm thực Điểm 2; Khảo sát xâm thực; =2.454 Phân bố áp suất vùng bánh công tác Xâm thực bánh công tác Phân bố áp suất cánh 3.1.4 Góc +3 độ Điểm 1; Khảo sát đặc tính; Phân bố đường dịng H=2.212m; Q=0.460 m /s =1.93 Phân bố bọt khí cánh Phân bố áp suất cánh Đường dòng phân bố vùng bánh cơng tác Phân bố bọt khí tiết diện 144 Chiều dài túi tiết diện cánh R=0.99RN 3.1.5 Góc +6 Điểm 3; Khảo sát đặc tính; =1.5365 Xâm thực phía mặt hút Phát triển xâm thực tiết diện H=2.876m; Q=0.454 m /s Xâm thực phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt đẩy Phân bố áp suất phía mặt hút Phân bố đường dòng vùng bánh Chiều dài túi tiết diện cánh công tác R=0.99RN 145 Điểm 4; Khảo sát đặc tính; 1,417 Xâm thực phía mặt hút Xâm thực phía mặt hút H=3.173m; Q=0.430 m /s Xâm thực phía mặt đẩy Mật độ pha phía mặt hút Chiều dài túi tiết diện cánh biên Xâm thực phía mặt hút Phân bố bọt khí khe hở vành mịn Nhiễu loạn kết hợp dòng chảy ngược dòng xâm thực 146 ... - Bơm hướng trục có số v? ??ng quay đặc trưng ns cao (1000- 1200 v/ ph) - Nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực hiệu suất thủy lực bơm hướng trục v? ??i ns cao (1000- 1200 v/ ph). .. chọn góc xoay cánh phù hợp để đảm bảo bơm v? ??n hành hiệu Chính v? ??y, luận án chọn lĩnh v? ??c ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực hiệu suất thủy lực bơm hướng trục v? ??i ns. .. LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận án v? ??i đề tài ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng góc xoay cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực hiệu suất thủy lực bơm hướng trục v? ??i ns cao (1000- 1200 v/ ph)? ??, nhận nhiều giúp