Với hệ thống thí nghiệm trên, các phần mềm hỗ trợ đã đƣợc kết hợp để hiển thị các thông số Q, H, N, của bơm trên màn hình máy tính (hình vẽ 4.6) và lƣu lại
Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 69
Hình 4.6: Màn hình hiển thi số liệu đo trên máy tính của hệ thống thí nghiệm
Tiến hành thí nghiệm với tốc độ vòng n = 1500 v/ph. Trên cơ sở đƣờng đặc tính thu đƣợc sẽ phân tích, so sánh về hiệu suất, đánh giá kết quả thiết kế, phạm vi hoạt động của bơm.
Với tần suất 200 Hz lấy số liệu tại mỗi điểm đo, đồng thời phụ thuộc vào độ trễ vận hành điều khiển van xả tạo áp, nên dải số liệu tại mỗi điểm đo có dao động khá rộng. Phép đo thực hiện liên tục theo thời gian để lấy đƣờng đặc tính máy khi vận hành ở vận tốc vòng n =1500 v/ph.
Sau khi lƣu trữ dữ liệu, kết quả đặc tính máy bơm đƣợc tính toán lấy giá trị trung bình nhƣ ở 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 là 74%. Ở giá trị cột áp thiết kế Htk = 5.16 mH2O, giá trị lƣu lƣợng đạt Q = 0,19 m3/s. Nhƣ vậy so với thiết kế ban đầu, cánh bơm có khả năng đạt áp cao, giúp cho bơm có dự trữ áp lực tốt hơn, hiệu suất vƣợt hơn so với lý thuyết tính toán (72%) là 2%. Thiết kế bơm đạt tốt yêu cầu tại điểm thiết kế.
Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 70
Hình 4.7: Kết quả đo đặc tính thiết bị đẩy ống phun [16]
Hình 4.8: Kết quả đo đặc tính thiết bị đẩy ống phun theo giá trị trung bình[16]
Hình 4.9 Vùng xâm thực ăn mòn trên phần cánh và bầu BCT [16]
Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 71
Trong quá trình vận hành, ở cuối đặc tính, ta thấy có sự suy giảm hiệu suất rất nhanh từ mức trên 60% xuống dƣới 30%. Nguyên nhân của hiện tƣợng này chính là do có hiện tƣợng xâm thực xuất hiện trong bơm. Để thấy đƣợc ảnh hƣởng của xâm thực trên mặt cánh, phải tiến hành thử nghiệm với thời gian đủ lớn. Hình 4.9 và hình 4.10 thể hiện ảnh hƣởng của xâm thực sau thời gian chạy bơm 60 phút ở vùng cột áp dƣới 6m, lƣu lƣợng trên 0,2 m3/h.
Đánh giá mô phỏng
Kết quả mô phỏng đặc tính H-Q và -Q của bơm khá gần với thực nghiệm trong vùng tính toán. Khi áp suất cao thì có sự chênh lệch khá lớn. Hiệu suất mô phỏng cũng gần với thực nghiệm, do chƣa tính hết đƣợc các tổn thất trong thực tế nên mô phỏng có hiệu suất cao hơn so với thực nghiệm. Với kết quả mô phỏng hiện tƣợng xâm thực đã dự báo khá tốt về những vùng xảy ra xâm thực, ảnh hƣởng của xâm thực lên cánh công tác của bơm.
Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 72
4.4 Kết luận chương 4
Thực nghiệm đã kiểm tra đƣợc việc thiết kế bơm đạt chất lƣợng tốt so với yêu cầu tại điểm thiết kế về thông số thủy lực. Hiệu suất cao nhất có thể đạt 76 %, cho thấy chất lƣợng cánh cao ở dải bơm cùng công suất. Vùng vận hành của bơm có thể khai thác tốt trong dải cột áp trên 8 m, lƣu lƣợng dƣới 0,2 m3/s. Bơm có thể khai thác tốt trong vùng hiệu suất trên 65% với Q = 0,12 – 0,2 m3/s, H = 7-9 m H2O.
Hiện tƣợng xâm thực xuất hiện trong buồng công tác của thiết bị ở tốc độ vòng cao n = 1500 v/ph gây ra sự suy sụp lớn ở cuối đặc tính từ mức trên 60% xuống dƣới 30%. Nguyên nhân do xâm thực bề mặt cánh công tác, xâm thực lối vào tại lƣng dãy cánh hƣớng và lối ra bụng cánh hƣớng.
Việc mô phỏng có thể áp dụng cho các trƣờng hợp khác vì qua kiểm chứng cho thấy kết quả mô phỏng dự đoán khá tốt đặc điểm làm việc của bơm. Mô hình xâm thực cho kết quả gần với yêu cầu thiết kế hơn so với mô hình không xâm thực trong vùng lƣu lƣợng thiết kế trở lên. Khi lƣu lƣợng giảm xuống, không có hiện tƣợng xâm thực thì mô hình phi xâm thực nên đƣợc ƣu tiên sử dụng.
Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 73
KẾT LUẬN
Luận văn đã tập trung nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật và thiết kế thiết bị đẩy ống phun dạng bơm cánh dẫn hƣớng trục. Mẫu thiết kế đã đƣợc nghiên cứu theo phƣơng pháp tiên tiến kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm. Các kết quả cụ thể nhƣ sau:
1. Về mặt học thuật:
Tổng quan: Đã tìm hiểu đƣợc vấn đề kỹ thuật thiết bị đẩy tàu, trong đó, thiết bị
ống phun dạng bơm tia là kỹ thuật mới trong nƣớc, phù hợp với yêu cầu ngày càng đa dạng trong thực tế. Các vấn đề về xâm thực và phƣơng pháp nghiên cứu về xâm thực đƣợc làm rõ.
Thiết kế bơm tia cho thiết bị đẩy ống phun: Đã tìm hiểu tổng quan về thiết kế
bơm phụt, quy trình thiết kế cũng nhƣ đặc điểm của bơm tia; đã thiết kế đạt yêu cầu mẫu cánh mô hình phù hợp với một bộ thông số bơm để đạt đƣợc yêu cầu về lƣu lƣợng và cột áp. Bản thiết kế cánh đƣợc chỉnh sửa trên Solid work để có cả hình ảnh trực quan và các kích thƣớc chế tạo.
Ứng dụng CFD : Đã tìm hiểu tổng quan về CFD, trong đó có phần mềm
chuyên dụng Ansys Fluent. Áp dụng phƣơng pháp mô phỏng với các mô hình K-E, multiphase và mô hình xâm thực để giải quyết bài toán mô phỏng 2D và 3D cho bơm tia.
2. Về mặt khoa học:
Với việc mô phỏng đã đƣa ra đƣợc dự đoán về trƣờng vận tốc, áp suất cũng
nhƣ đánh giá khả năng làm việc của bơm thông qua các đƣờng đặc tính. Vùng xâm thực trong cánh bơm đƣợc làm rõ, ảnh hƣởng của vòng quay, hệ số áp suất đến sự hình thành bọt khí trên cánh. Các vùng xâm thực và mức độ xâm thực đƣợc dự báo thông qua mô phỏng số.
Kết quả 3D cho thấy với số vòng quay n ≥ 1200v/ph thì xâm thực xuất hiện và
phát triển ở vùng mép vào cánh và lan rộng trên lƣng và bụng cánh. Đã đƣa ra dự báo xâm thực thông qua các thông số là chiều dài tƣơng đối của túi khí LC% , phần trăm diện tích tƣơng đối túi khí trong mô hình 2D và phần trăm thể tích tƣơng đối trong mô hình 3D.
So sánh đã đƣa ra mô hình mô phỏng phù hợp theo chế độ hoạt động của bơm,
theo đó với số vòng quay không lớn (n1200v/ph) thì mô hình không xâm
thực tỏ ra hiệu quả hơn. Mô phỏng đƣa ra dự báo về đặc tính thủy động lực học của bơm tia, xây dựng các đƣờng đặc tính trong bơm. Đã tiến hành thử
Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 74
nghiệm bơm và kiểm nghiệm cho thấy sự phù hợp tƣơng đối giữa mô phỏng và thực nghiệm.
Kết quả đã đạt đƣợc một số đóng góp vào việc nghiên cứu và phát triển ứng
dụng thiết bị đẩy dạng bơm tia trong việc hiện đại hóa trang bị công nghiệp hàng hải.
Luận văn đã giải quyết các vấn đề đặt ra. Phƣơng pháp Vôzơnhexenski- Pêkin trong tính toán bơm hƣớng trục đã cho kết quả tốt. Phần mềm thƣơng mại Ansys Fluent dựa trên phƣơng pháp số thể tích hữu hạn giải hệ phƣơng trình Navie- Stock theo phƣơng pháp RANS tỏ ra hữu hiệu khi cần mô phỏng dòng chảy rối có nhớt trong bơm, biên dạng cánh phức tạp cùng với sự chuyển động quay với vấn tốc lớn. Nhìn chung với sự hỗ trợ mạnh mẽ các mô hình trong AF, các bài toán kỹ thuật của dòng chảy đã đƣợc giải quyết. Kết quả 2D khá phù hợp với khi mô phỏng trƣờng hợp 3D cho phép dùng mô hình 2D để nghiên cứu những đặc tính chuyên sâu hoặc mang tính học thuật hơn.
3. Đề xuất và hướng nghiên cứu tiếp theo:
Với tài nguyên máy tính chƣa thực sự lớn, nên việc cần thiết là mô phỏng toàn bộ thiết bị đẩy cũng chƣa thực hiện đƣợc, ngoài ra việc khảo sát ảnh các thông số khác đến đặc tính thủy động học của bơm cũng chƣa đƣợc tìm hiểu kỹ.
Việc ứng dụng các phƣơng pháp số có độ chính xác cao hơn nhƣ LES, DNS để đánh giá đặc tính của bơm cần đƣợc tìm hiểu nghiên cứu cụ thể và đƣa ra đánh giá so sánh. Đó là những nội dung mà bản thân mong muốn sẽ nghiên cứu sau này./.
Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN 75