Phương phỏp nghiờn cứu

Chương 2 CƠ SỞ Lí THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU

2.2. Phương phỏp nghiờn cứu

Phương phỏp nghiờn cứu của luận ỏn là kết hợp giữa nghiờn cứu lý thuyết với thớ nghiệm trờn mụ hỡnh toỏn bằng phần mềm mụ phỏng Ansys CFX và nghiờn cứu thực nghiệm trờn mụ hỡnh vật lý tại giỏ thớ nghiệm bơm hệ kớn của Phũng Thớ nghiệm Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi. Dựa vào kết quả mụ phỏng để hiệu chỉnh và tối ưu húa thiết kế, sau đú mới tiến hành thực nghiệm. Toàn bộ cỏc kết quả thớ nghiệm được tổng hợp, phõn tớch. Trờn cơ sở đỏnh giỏ cỏc sai số thớ nghiệm, tiến hành xử lý cỏc kết quả thớ nghiệm, kiểm chứng kết quả mụ phỏng so với thực nghiệm. Từ đú rỳt ra cỏc nhận xột và kết luận quan trọng.

2.2.1. Nghiờn cứu lý thuyết

Việc nghiờn cứu cỏc mẫu cỏnh cú hiệu suất cao với ns lớn hơn 1000v/ph là nhu cầu quan trọng trong việc phỏt triển cỏc loại bơm tiờu cú kớch thước gọn, cú tớnh cơ động cao trong khai thỏc vận hành. Ngoài ra, việc ra đời cỏc loại gam bơm cú ns lớn hơn 1000v/ph sẽ là cơ sở quan trọng để cải tiến kết cấu cả phần bơm, động cơ và cụng trỡnh nhằm giảm giỏ thành, cú tớnh cạnh tranh cao trong cơ chế thị trường. Về khoa học, là cơ sở ban đầu để cỏc nhà khoa học tiếp tục khai thỏc cỏc vấn đề mang ý nghĩa thực tiễn mà cỏc nghiờn cứu cũ chưa đỏp ứng được.

Trong cỏc phương phỏp thiết kế cỏnh bơm hướng trục, tỏc giả luận ỏn chọn và sử dụng phương phỏp Vonznhexenski - Pekin để thiết kế cỏnh mẫu thử nghiệm cho bơm mụ hỡnh. Đõy là phương phỏp cú độ phức tạp ở mức trung bỡnh, được dựng phổ biến trong ngành chế tạo bơm. Trong nhiều năm nghiờn cứu cỏc loại bơm hướng trục cú cột nước thấp và ns cao, tỏc giả nhận thấy rằng cỏc bơm tớnh toỏn theo phương phỏp này đều cú chất lượng thuỷ lực tốt. Đõy cũng là điều được đỳc rỳt từ thực tế chế tạo bơm ở Liờn Xụ cũ. 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 (l/t)min σth (KH)tu σth (l/t)min

56 2.2.2. Nghiờn cứu trờn mụ hỡnh toỏn.

Sử dụng phần mềm Ansys CFX để mụ phỏng, kiểm tra chất lượng thủy lực của bơm mụ hỡnh. Trỡnh tự tớnh toỏn như trong sơ đồ sau (nguồn[25]):

Hỡnh 2.24. Sơ đồ tớnh toỏn trong Ansys Flow (CFX)

Trước tiờn trong mụ phỏng cần cú mụ hỡnh, Ansys cung cấp phần mềm DesignModeler để người dựng cú thể xõy dựng cỏc mụ hỡnh dạng hỡnh học của mụ hỡnh nghiờn cứu. DesignModeler cú đầy đủ cỏc cụng cụ vẽ đồ họa để cú thể xõy dựng được cỏc mụ hỡnh từ đơn giản tới phức tạp. Người dựng cũng cú thể sử dụng bất cứ phần mềm đồ họa kĩ thuật nào để xõy dựng mụ hỡnh để đưa vào mụ phỏng. Cỏc phần mềm hỗ trợ trực tiếp như: ACIS, CATIA v5, IGES, Parasoild, ProENGINEER, Solid Edge, SolidWorks và Inventor Professional

Mụ hỡnh dạng hỡnh học xõy dựng được sẽ được chuyển sang bước lưới húa trong phần MESHING. Nú cung cấp khả năng linh hoạt trong việc chia lưới cho mụ hỡnh hoàn chỉnh, bao gồm cả khả năng sử dụng lưới phi cấu trỳc cú thể tạo được lưới cho cỏc mụ hỡnh hỡnh học phức tạp tương đối dễ dàng.

Sau khi chia lưới mụ hỡnh được đưa vào khai bỏo và tớnh toỏn xử lý trong Ansys Flow (CFX). Ansys Flow cung cấp mụi trường làm việc rất trực quan giỳp người dựng cú thể thao tỏc một cỏch thuận tiện đặt điều kiện biờn, xuất và xử lớ số liệu một cỏch dễ dàng.

2.2.3. Nghiờn cứu thực nghiệm trờn mụ hỡnh vật lý

Sau khi chế tạo, bơm mụ hỡnh được tiến hành thớ nghiệm trờn giỏ thử bơm của Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi (Hỡnh 2.8) với đầy đủ cỏc thiết bị đo ỏp suất, lưu lượng, mụ men, vũng quay cú dải đo rộng. Cỏc thụng số đo được đưa về trung tõm xử lý số liệu để tớnh toỏn cỏc thụng số cần thiết phục vụ cho việc xõy dựng cỏc đường đặc tớnh năng lượng của bơm (nguồn [19]).

Design Modeler

• Xõy dựng mụ hỡnh bài toỏn;

• Ngoài ra cú thể xõy dựng mụ hỡnh tớnh bằng cỏc phần mềm 3D như Solidworks, Inventor Professional...;

Meshing

• Chia lưới mụ hỡnh tớnh và vựng khụng gian tớnh Domain; • Định nghĩa cỏc đường, mặt và khối của mụ hỡnh.

Ansys Flow CFX

• Khai bỏo, đặt cỏc điều kiện biờn để tớnh toỏn; • Tiến hành cỏc cụng việc tiền xử lý số liệu;

57

Cỏc thiết bị chớnh của hệ thống thớ nghiệm bao gồm: a/ Thiết bị động lực

Bơm hướng trục mụ hỡnh được đặt nằm ngang dẫn động bởi động cơ điện xoay chiều 55 Kw, vũng quay 1500 v/ph (số vũng quay cú thể thay đổi bằng bộ biến tần để phự hợp với số vũng quay của bơm thớ nghiệm).

Thõn bơm tại vị trớ bỏnh cụng tỏc cú dạng hỡnh cầu để cú thể xoay gúc cỏnh bỏnh cụng tỏc khi thớ nghiệm bơm.

Với giỏ thử này cỏnh bỏnh cụng tỏc mụ hỡnh cú kớch thước tối đa là cầu 352mm. Kớch thước này tương tự với quy chuẩn thử nghiệm bơm của nứơc ngoài.

Với cụng suất và vũng quay của động cơ nờu trờn và với kớch thước mụ hỡnh 352 mm , trờn giỏ thớ nghiệm này cú thể thử cỏc loại bơm mụ hỡnh cú thụng số làm việc tối ưu trong phạm vi: Q = 50 - 1500 m3/h; H = 2 - 20 m; N đến 55kw.

Ống hỳt của bơm cú dạng cụn để tạo trường vận tốc đều ở lối vào. Ống đẩy của bơm đường kớnh 370 mm được nối với thõn bơm mụ hỡnh.

Ống đẩy cú tổng chiều dài 20 m. Trờn đú được lắp van tiết lưu và cỏc thiết bị đo lưu lượng dạng cảm ứng từ.

b/ Thiết bị đo

Thiết bị đo giỏ thớ nghiệm gồm cú:

Thiết bị đo lưu lượng do hóng SIEMEN Cộng hoà Liờn bang Đức (CHLB Đức) chế tạo. Thiết bị đo dựa trờn nguyờn lý cảm ứng điện từ cú độ chớnh xỏc 0.3%, cú thể đo được lưu lượng từ 0 ữ 4500 m3/h. Thiết bị cú ký hiệu là 7ME2531 400.

Thiết bị đo ỏp suất do hóng HBM CHLB Đức chế tạo. Thiết bị cú độ chớnh xỏc 0.1%, cú thể đo được ỏp suất từ 0 ữ 2 bar. Thiết bị cú ký hiệu là PE200.

Thiết bị đo mụ men do hóng HBM CHLB Đức chế tạo. Thiết bị cú độ chớnh xỏc 0.1%, cú thể đo được mụ men từ 0 ữ 1kNm. Thiết bị cú ký hiệu là T32FN.

Thiết bị đo vũng quay do hóng HBM CHLB Đức chế tạo. Thiết bị cú độ chớnh xỏc 0.1%, cú thể đo được số vũng quay từ 0 ữ 10.000 v/ph. Thiết bị được gắn đồng thời trờn bộ đo momen cú ký hiệu là T32FN.

Cỏc tớn hiệu đo được đưa về trung tõm mỏy tớnh để xử lý số liệu bằng chương trỡnh thu thập và xử lý số liệu NEXVIEW (Hóng HBM-CHLB Đức), tớnh toỏn cỏc thụng số cần thiết để xõy dựng đường đặc tớnh.

c/ Hệ thống thu thập và xử lý số liệu

Cỏc tớn hiệu đo lường từ cỏc thiết bị đo được đưa về khối xử lý trung tõm. Khối này cú chức năng xử lý và hiển thị kết quả đo. Khối này bao gồm:

- Bộ thu thập và biến đổi tớn hiệu analog ra digital sau đú đưa vào mỏy tớnh. - Card giao tiếp và phần mềm đo lường, xử lý kết quả đo và hiển thị trờn màn hỡnh của mỏy tớnh.

Kết quả cỏc phộp đo Q, P, M, n cũng như giỏ trị của cỏc thụng số đó được tớnh toỏn khỏc như H, N, h . . . được hiển thị đồng thời trờn màn hỡnh mỏy tớnh và được lưu trữ phục vụ cho cụng tỏc xử lý sau này.

d/. Cỏc thiết bị phụ trợ . - Hệ thống đường ống và bỡnh chứa    

58

- Cỏc van khớ nộn gõy tải lắp trờn cỏc đường ống - Bơm chõn khụng

- Hệ thống điện, điều khiển …

Trong quỏ trỡnh thớ nghiệm tiến hành đo đạc cỏc thụng số cần thiết để tớnh toỏn cỏc thụng số đặc tớnh của bơm. Cỏc thụng số cần đo đạc, tớnh toỏn gồm:

- Lưu lượng của bơm: Lưu lượng của bơm được đo bằng thiết bị đo lưu lượng cảm ứng điện từ. Thụng số đo được tớnh bằng m3/s và được truyền tới trung tõm xử lý số liệu.

- Cột ỏp của bơm: Cột ỏp của bơm được xỏc định trờn cơ sở của phương trỡnh Bộcnuli viết cho hai mặt cắt vào và ra khỏi bơm:

𝐻 = 𝐸 − 𝐸 = + + 𝑍 − 𝑍 + ℎ (2-56)

: độ chờnh ỏp giữa hai mặt cắt vào và ra khỏi bơm được đo bởi thiết bị đo - độ chờnh ỏp lắp ở hai điểm trờn ống hỳt và ống đẩy.

Z2 – Z1 = 0 do tõm hai mặt cắt nằm trờn cựng một mặt phẳng v2 và v1 : vận tốc trờn ống hỳt và vận tốc trờn ống đẩy

hw; tổn thất trong bơm, giữa hai mặt cắt đo ra vào và ra - Cụng suất trờn trục bơm:

Cụng suất trờn trục bơm xỏc định theo mụ men và vũng quay của trục bơm theo cụng thức sau: Ntr = Mω = Mπn/30 (Nm). (2-57)

Cụng suất hữu ớch của bơm: N = γQH = 9810.QH (KW) (2-58) Hiệu suất của bơm:

= . (%) (2-59)

Cỏc số liệu thớ nghiệm và cỏc thụng số tớnh toỏn được xuất thành bảng kết quả đo và tớnh toỏn cỏc thụng số làm việc của bơm mụ hỡnh.

2.2.4. Lựa chọn mụ hỡnh bơm cho nghiờn cứu.

Để phự hợp với giỏ thớ nghiệm đó cú sẵn, bơm mụ hỡnh phục vụ cho nghiờn cứu thực nghiệm của luận ỏn là bơm hướng trục ngang cú dải ns=1000-1200v/p. Mặt ngoài của bỏnh cụng tỏc là mặt cầu cú đường kớnh D cầu 352mm. Vỏ buồng bỏnh cụng tỏc cú dạng mặt cầu tương ứng với đường kớnh đảm bảo khe hở làm việc khoảng 0.001D và cú cấu tạo hai nửa để đảm bảo thỏo lắp được. Trờn vỏ cầu được bố trớ 02 cửa quan sỏt trong suốt bằng mi ca cú mặt trong là mặt cầu trựng với mặt cầu của vỏ buồng bỏnh cụng tỏc.

Để cú được bơm mụ hỡnh cỏnh cầu phục vụ thớ nghiệm xoay cỏnh, trước đú cần phải nghiờn cứu trờn bơm mụ hỡnh cỏnh trụ cú chất lượng thủy lực của bộ dẫn dũng tốt, rồi mới tiến hành gia cụng cỏnh cầu trờn cơ sở cỏnh trụ hiệu suất cao cú được. Núi cỏch khỏc, trờn cựng một bơm mụ hỡnh nhưng phải cú hai bộ dẫn dũng khỏc nhau, một bộ là cỏnh trụ và một bộ là cỏnh cầu. Cỏc thụng số cụ thể của bơm mụ hỡnh tương ứng với cỏc bộ dẫn dũng cỏnh trụ và bộ dẫn dũng cỏnh cầu sẽ được trỡnh bày cỏch tớnh chọn trong cỏc chương sau.

59

Như vậy, bơm mụ hỡnh được lắp đặt vào hệ thống thớ nghiệm cú bộ dẫn dũng phự hợp với từng giai đoạn nghiờn cứu. Cỏc giai đoạn nghiờn cứu đú là:

* Giai đoạn 1: Nghiờn cứu với bơm hướng trục ns1200 cỏnh trụ D340mm (là đường kớnh danh nghĩa được chọn của bơm mụ hỡnh cỏnh trụ trờn giỏ thớ nghiệm). Giai đoạn này gồm cỏc bước chớnh sau:

- Bộ dẫn dũng (bao gồm bỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng) và cỏc chi tiết rụ-to truyền động cựng thõn vỏ bơm ... được thiết kế và xuất ra cỏc bản vẽ ACAD và SOLID.

- Mụ hỡnh húa bơm thớ nghiệm bằng phần mềm mụ phỏng Solid và Ansyx CFX. - Tiến hành mụ phỏng tại điểm thiết kế đặc tớnh làm việc của bơm, trường phõn bố vận tốc và phõn bố ỏp suất trước và sau cỏnh cụng tỏc.

- Hiệu chỉnh thiết kế để đạt được thụng số làm việc và biờn dạng cỏc bộ phận dẫn dũng phự hợp về mặt thủy lực.

- Dựa vào kết quả mụ phỏng số thu được để đưa ra thiết kế kết cấu của bơm phục vụ cho mục đớch thớ nghiệm.

* Giai đoạn 2: Nghiờn cứu xoay cỏnh trờn bộ dẫn dũng bơm hướng trục ns  1200 cú mặt ngoài cỏnh là mặt cầu D352mm.

Trờn cơ sở cỏnh trụ D340mm đó thiết kế và hiệu chỉnh ở giai đoạn 1, tiến hành tớnh toỏn đồng dạng cho cỏnh trụ D352mm, sau đú tiện cầu mặt ngoài bỏnh cụng tỏc Dtrụ352mm thành Dcầu352mm ta được bỏnh cụng tỏc cầu để nghiờn cứu.

Phần nghiờn cứu cỏnh xoay trải qua 2 bước chớnh:

- Thớ nghiệm trờn mụ hỡnh toỏn bằng phương phỏp mụ phỏng.

- Thớ nghiệm trờn mụ hỡnh vật lý là bơm mụ hỡnh cỏnh cầu lắp đặt trờn giỏ thớ nghiệm.

Toàn bộ cỏc kết quả thớ nghiệm được tổng hợp, phõn tớch. Trờn cơ sở đỏnh giỏ cỏc sai số thớ nghiệm, tiến hành xử lý cỏc kết quả thớ nghiệm, kiểm chứng kết quả mụ phỏng so với thực nghiệm. Rỳt ra cỏc nhận xột và kết luận.

60