Chế tạo thiết bị và xõy dựng mụ hỡnh thớ nghiệm phục vụ nghiờn cứu thực

4. Bố cục của Luận ỏn

4.1. Chế tạo thiết bị và xõy dựng mụ hỡnh thớ nghiệm phục vụ nghiờn cứu thực

nghiờn cứu thực nghiệm

Phần nghiờn cứu thực nghiệm mỏy bơm mụ hỡnh được thực hiện trờn giỏ thớ nghiệm bơm của Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi như sơ đồ đo dưới đõy. Cỏc thụng tin về thiết bị đo và phương phỏp đo đó trỡnh bày trong mục 2.2.3. Thiết bị thớ nghiệm được lắp đặt từ thỏng 10 năm 2019 tại Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi. Thời gian thực hành thớ nghiệm từ thỏng 10 năm 2019 đến thỏng 8 năm 2020.

Hỡnh 4.1. Sơ đồ thớ nghiệm đo cỏc thụng số mỏy bơm mụ hỡnh ns  1200 v/ph 4.1.1. Chế tạo thiết bị

Căn cứ vào bản vẽ thiết kế và xõu cỏc biờn dạng cỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng cho bơm mụ hỡnh để nghiờn cứu xoay cỏnh, tỏc giả đó tiến hành thiết kế cỏc bản vẽ cơ khớ và cỏc bản vẽ cụng nghệ để chế tạo cỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng cũng như cỏc chi tiết khỏc của bơm mụ hỡnh.

Hỡnh 4.2. Bản vẽ lắp bơm mụ hỡnh cỏnh cầu Dcầu =352mm

Van tiết lưu

áp kế

Lưu lượng kế

Máy bơm TN Thiết bị đo mô men Động cơ

sơ đồ hệ thống thí nghiệm máy bơm kiểu kín

Bàn điều khiển

94

Hỡnh 4.3. Bỏnh cụng tỏc cỏnh xoay Dcầu = 352mm

Hỡnh 4.4. Cỏnh hướng bơm mụ hỡnh

95

4.1.2. Lắp đặt bơm mụ hỡnh vào hệ thống thớ nghiệm

Sau khi chế tạo và lắp rỏp hoàn chỉnh, bơm mụ hỡnh được lắp đặt vào giỏ thớ nghiệm. Dưới đõy là cỏc hỡnh ảnh mỏy bơm mụ hỡnh đó được lắp đặt hoàn chỉnh vào hệ thống thớ nghiệm.

Hỡnh 4.6. Mỏy bơm mụ hỡnh đó lắp đặt trong hệ thống thớ nghiệm

96

Hỡnh 4.8. Quan sỏt thớ nghiệm bằng đốn tần số 4.2. Đo cỏc thụng số của mỏy bơm

Cỏc thụng số chớnh cần đo đạc trong quỏ trỡnh thớ nghiệm bao gồm: - Lưu lượng

- Cột ỏp

- Số vũng quay - Áp suất hỳt

- Cụng suất trờn trục bơm - Hiệu suất mỏy bơm 4.2.1. Trỡnh tự thớ nghiệm

Tiờu chuẩn sử dụng trong quỏ trỡnh đo : ISO 9906 - 1999 Quỏ trỡnh đo được thực hiện theo trỡnh tự sau (nguồn [19]):

4.2.1.1. Chuẩn bị đo:

- Kiểm tra cỏc điều kiện làm việc của hệ thống thớ nghiệm và của mỏy cần kiểm tra

+ Kiểm tra mức nước trong hệ thống

+ Kiểm tra sự hoạt động của mỏy bơm chõn khụng, hệ thống van + Kiểm tra và hiệu chỉnh điểm ‘O’ của cỏc thiết bị đo lường

- Khởi động mỏy bơm cần khảo nghiệm, theo dừi cỏc thụng số của hệ thống trờn bàn điều khiển.

97

4.2.1.2. Đo cỏc thụng số

Quỏ trỡnh đo và lấy số liệu chỉ được thực hiện khi cỏc giỏ trị đo được ổn định. Tiến hành đo tuần tự cỏc điểm làm việc kể từ điểm cú cột ỏp nhỏ nhất tới lớn nhất mà hệ thống đỏp ứng được và ngược lại.

Cỏc thụng số cần đo bao gồm:

- Áp suất tại cửa hỳt mỏy bơm Ph (bar) - Áp suất tại cửa đẩy mỏy bơm Px (bar)

- Lưu lượng mỏy bơm Q ( m3/s)

- Tốc độ quay n (v/ph)

- Momen trờn trục M (N.m)

- Cụng suất tiờu thụ N (KW) 4.2.2. Tớnh toỏn xử lý số liệu

Cỏc tớn hiệu đo được đưa về trung tõm mỏy tớnh để xử lý số liệu, tớnh toỏn cỏc thụng số cần thiết và xõy dựng đường đặc tớnh.

Cỏc thụng số tớnh toỏn bao gồm:

- Cột ỏp hỳt Hh (m)

- Cột ỏp toàn phần Htp (m)

- Cụng suất thuỷ lực Ntl (kW)

- Cụng suất trờn trục Ntr (kW)

- Hiệu suất mỏy bơm  (%).

- Vẽ cỏc đường đặc tớnh H(Q); N(Q); (Q).

Trờn cơ sở đú tớnh được cột ỏp, cụng suất trờn trục, cụng suất hữu ớch và hiệu suất của bơm. Với cỏc thụng số đo đạc và tớnh toỏn ở trờn ta sẽ xõy dựng được đường đặc tớnh làm việc của bơm.

Trờn cơ sở cỏc số liệu đo được ta tớnh cỏc thụng số làm việc bao gồm cột ỏp, cụng suất trờn trục, cụng suất thủy lực và hiệu suất bơm tương ứng theo cỏc cụng thức (2- 56), (2-57), (2-58) và (2-59) đó trỡnh bày trong chương 2.

Khi làm thớ nghiệm, cỏc số liệu khảo nghiệm và tớnh toỏn được ghi lại trong File dữ liệu và được lưu trong mỏy tớnh. Cỏc File dữ liệu được in ra để lấy số liệu xõy dựng đường đặc tớnh năng lượng của bơm.

Dựa vào cỏc số liệu khảo nghiệm ta xõy dựng được cỏc đường đặc tớnh hiệu suất và đường đặc tớnh tổng hợp của bơm cần kiểm tra.

4.2.3. Xỏc định sai số đo

Trong thớ nghiệm núi chung và khảo nghiệm bơm núi riờng, đo đạc lấy số liệu để xõy dựng cỏc đường đặc tớnh chỉ mới cho ta những khỏi niệm tương đối. Để đỏnh giỏ được mức độ đo, độ chớnh xỏc của phộp đo cần thiết phải xỏc định được sai số. Sai số của phộp đo phụ thuộc nhiều yếu tố, sau đõy chỳng tụi xin giới thiệu phương phỏp tớnh sai số trong cỏc phộp đo mà chỳng tụi đó thực hiện [19].

Sai số đo tương đối của cỏc giỏ trị đo xỏc định theo sai số của thiết bị đo bằng:

98 trong đú :

x : Sai số đo tương đối của giỏ trị đo

M : Cấp chớnh xỏc của thiết bị đo. XM : Giỏ trị đo giới hạn

x : Giỏ trị đo thực.

y: Sai số giới hạn của cỏc kết quả đo.

Trong trường hợp chung cỏc kết quả đo thường là một hàm của nhiều thụng số

y = f(a,b,...x ) (4-2)

Khi đo i số giới hạn tuyệt đối của kết quả đo được xỏc định bằng:

y = ((y/a)2a2 + (y/b)2b2 + ...+ (y/x)2 +X2x2)0.5 (4-3) Trong đú a , b ,... x sai số giới hạn đo tuyệt đối của cỏc thụng số đo tương ứng. Sai số giới hạn tương đối y = y/y được xỏc định theo cụng thức

y = 1/y.((y/a)2a2 + (y/b)2 b2b2 + ...+ (y/x)2 +X2x2)0.5 (4-4) Trong đú : a , b , .... x sai số giới hạn tương đối của cỏc thụng số đo

Khi làm khảo nghiệm, số vũng quay làm việc của bơm cú thể thay đổi với cỏc chế làm việc khỏc nhau . Để xõy dựng đường đặc tớnh làm việc của bơm ta phải tớnh quy chiếu về một số vũng quay làm việc (số vũng quay danh nghĩa hay vũng quay định mức). Vỡ vậy, sai số giới hạn của kết quả đo cũng phải tớnh quy chiếu về số vũng quay định mức.

- Sai số giới hạn tương đối của cột ỏp :

Cột ỏp tớnh quy chiếu về số vũng quay định mức bằng ;

H = Hi (n/ni )2=[Pm2-Pm1/+0,81Qi2( 1/d24- /d14 )+9,81(Z2-Z1 ](n/ni)2 (4-5) trong đú :

n và ni vũng quay định mức và vũng quay làm việc của bơm. Hi cột ỏp xỏc định ứng với số vũng quay làm việc.

PM1 và PM2 ỏp suất đo ở trước bỏnh cụng tỏc và sau cỏnh hướng dũng ra của bơm. Z1 và Z2 chiều cao tiết diện đo ỏp suất so với mặt chuẩn.

H = 1/Hi [P2M2 2PM+P2M1 2PM1 /2 +(2.0,81 )2( 1/d41-1/d14 )Q142Q+(4. 0,81)2

(2d2/d28+2d1/d18)Q14+(PM2-PM1 /)22+(9,81Z)22Z+4Hi22n ]1/2 %. (4-6) Trong đú : p, Q , n - Sai số giới hạn tương đối của cỏc thụng số đo xỏc định theo cấp chớnh xỏc của dụng cụ đo.

Z , d ,  Sai số giới hạn tương đối của thụng số đo xỏc định bởi dụng cụ đo của nhõn viờn thực hiện.

Bỏ qua ảnh hưởng của sai số khối lượng riờng ( ) và sai số kớch thước (d), đồng thời do khụng đo ỏp suất cửa vào (PM1) nờn ta cú

H = 1/Hi [P2M22PM / 2 +(2.0,81)2( 1/d41-1/d14 )Q142Q +( 9,81Z)22Z + 4Hi22n ]1/2 %. (4-7)

Khi tớnh toỏn ta cú thể xỏc định sai số cột ỏp theo cụng thức gần đỳng bằng :

99

- Sai số giới hạn tương đối của lương quy chiếu được xỏc định bằng :

Q = (2Q +2n)1/2 % (4-9)

trong đú :

Q; n sai số giới hạn đo lưu lượng và vũng quay phụ thuộc vào cấp chớnh xỏc của dụng cụ đo.

- Sai số giới hạn tương đối của cụng suất trục (quy chiếu về số vũng quay danh nghĩa):

Ntr = [(100M/M)2 + 2M +42n]1/2 (4-10) Trong đú :

M giới hạn độ nhạy của thiết bị đo mụ men.

M ;n sai số giới hạn đo tương đối của mụ men và vũng quay.

- Sai số giới hạn tương đối của hiệu suất được xỏc định bằng cụng thức:

 = [2Q + (100M/M)2 + 2M +2n + 2PM ]1/2 (4-11) Hay:  = (Q2+ H2 + N2tr )1/2 % (4-12) Về nguyờn tắc, ứng với mỗi giỏ trị đo cú một sai số khỏc nhau. Như vậy về mặt lý thuyết ta phải xỏc định sai số đo cho mọi giỏ trị. Song để đỏnh giỏ sai số một cỏch khỏi quỏt ta sẽ xỏc định sai số cho một chế độ làm việc đặc trưng ( = max) với số vũng quay danh nghĩa (n= ndn) chung cho mọi chế độ khảo nghiệm.

Sai số thực tế của cỏc số liệu đo được xỏc định theo hai yếu tố. - Sai số xỏc định theo cấp chớnh xỏc của thiết bị đo

- Sai số xỏc định theo sự mạch động của cỏc thụng số đo (sai số ngẫu nhiờn). Khi làm khảo nghiệm cỏc đại lượng đo hiển thị trờn cỏc thiết bị đo và trờn màn hỡnh mỏy tớnh cú sự mạch động nhất định. Sự mạch động này gõy ra sai số của cỏc số liệu đo. Sai số đo mạch động cú thể giảm bớt nếu người làm khảo nghiệm ghi số liệu khi chế độ làm việc đó ổn định và ghi được giỏ trị trung bỡnh của cỏc thụng số đo. Tuy nhiờn người làm việc khảo nghiệm khụng phải khi nào cũng lấy được giỏ trị trung bỡnh mạch động của thụng số đo và trong chế độ làm việc đó hoàn toàn ổn định. Vỡ vậy sai số này cần phải tớnh tới.

Ta sẽ xỏc định sai số cho chế độ làm việc tối ưu của bơm được đo (lấy điểm cú hiệu suất cao nhất khi thử nghiệm mụ hỡnh bơm OП6 để tớnh).

a) Sai số xỏc định theo cấp chớnh xỏc của thiết bị đo: Độ chớnh xỏc của cỏc thiết bị đo xem trong mục 2.2.3. - Sai số cột ỏp :

H = (2PM + 2Q +2Z + 42n)1/2 = (0,32 + 0,32 +0,32 + 4.0,12)1/2= 0,557% - Sai số lưu lượng :

Q = (2Q + 2n )1/2 = (0,32 +0,12)1/2 = 0,316% - Sai số đo cụng suất trờn trục.

Ntr = ((100M/M)2 + 2M+42)1/2 = (100 /194 .0,1)2 0,12+4.0,12)1/2 = 0,230% - Sai số hiệu suất

100

b) Sai số do mạch động cỏc thụng số đo (sai số ngẫu nhiờn) : - Sai số cột ỏp

H* = HM /Htb = 0,02/4,09 = 0,489%

Trong đú : HM : giỏ trị mạch động ỏp suất.

Htb : giỏ trị trung bỡnh của ỏp suất tại điểm đo. - Sai số lưu lượng :

Q* = QM /Qtr = 0,002/0,412 = 0,485 %.

Trong đú: QM : giỏ trị mạch động lưu lượng.

Qtr : giỏ trị trung bỡnh của lưu lượng tại điểm đo. - Sai số cụng suất: N* = NM/Ntrtb=0,1/30 =0,333%.

- Sai số hiệu suất:  = (0,4892+ 0,4852 +0,3332)0.5 = 0,765%. c) Sai số tổng cộng

- Sai số cột ỏp: H = (0,5572 +0,4892)0.5 = 0,741%. - Sai số lưu lượng: Q = (0,3162+ 0,4852)0.5 = 0,579%. - Sai số cụng suất: N = (0,232+0,3332)0.5 = 0,405%.

- Sai số hiệu suất:  = (0,7412 + 0,5792 +0.405 2)0.5 = 1,024%  1%. Như vậy cỏc phộp khảo nghiệm được tiến hành tại giỏ thớ nghiệm sẽ cho sai số là 1%. Do đú cỏc thụng số xõy dựng đường đặc tớnh làm việc là hoàn toàn tin cậy. 4.3. Thớ nghiệm xõy dựng đặc tớnh xõm thực, thủy lực và quan hệ hiệu suất với gúc xoay cỏnh thay đổi

Trỡnh tự nghiờn cứu thực nghiệm:

Thớ nghiệm trờn bơm mụ hỡnh được tiến hành tại 5 vị trớ gúc xoay cỏnh: 00, -30, -60, +30 và +60

Tại mỗi vị trớ gúc xoay, tiến hành thớ nghiệm đo đạc cỏc thụng số của bơm để xõy dựng đặc tớnh làm việc. Dựa vào đặc tớnh làm việc, xỏc định điểm làm việc tối ưu của bơm và tiến hành thớ nghiệm xõm thực tại điểm tối ưu này.

- Thớ nghiệm xõy dựng đặc tớnh làm việc: Ban đầu, van trờn đường ống xả mở hết cỡ, quỏ trớnh thớ nghiệm, ta đúng dần van trờn đường ống xả đến vị trớ đúng tối đa mà hệ thống cú thể đỏp ứng được (là vị trớ làm việc cú cụng suất rất lớn gõy quỏ tải động cơ hoặc vị trớ tại đú cú xõm thực rất mạnh gõy rung động mỏy quỏ mạnh). Khụng nờn đúng thờm van để chạy mỏy vỡ lý do an toàn.

- Thớ nghiệm xõm thực: Sau khi thớ nghiệm xõy dựng được đặc tớnh làm việc và xỏc định được điểm làm việc tối ưu. Điều chỉnh van trờn đường ống xả về vị trớ tương ứng với điểm làm việc tối ưu đó xỏc định và tiến hành thớ nghiệm xõm thực tại điểm tối ưu này. Thớ nghiệm xõm thực được tiến hành bằng cỏch đúng dần van phớa đường hỳt của bơm (bỡnh thường van này luụn được mở hết cỡ) cho đến vị trớ mà hệ thống cú thể đỏp ứng được (vị trớ cú xõm thực rất mạnh, gõy tiếng ồn và rung động rất lớn). Khi xõm thực quỏ mónh liệt, khụng nờn đúng thờm van hỳt để chạy mỏy vỡ lớ do an

101

toàn. Cỏc thớ nghiệm xõm thực sẽ gắn liền với kết quả đo rung động và độ ồn của bơm trong quỏ trỡnh chạy mỏy thớ nghiệm.

Tất cả cỏc điểm đo đều cú hỡnh ảnh và số liệu được lưu lại trong cỏc file để sử dụng trong quỏ trỡnh xử lý số liệu thớ nghiệm.

4.3.1. Kết quả thớ nghiệm xõy dựng đặc tớnh làm việc tại cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau cỏnh khỏc nhau

Cỏc số liệu thớ nghiệm thu được tại cỏc vị trớ gúc xoay cỏnh khỏc nhau được xử lý và cho trong cỏc bảng kết quả thớ nghiệm trỡnh bày trong phần Phụ lục.

Trờn cơ sở cỏc kết quả đo, ta xõy dựng được đặc tớnh làm việc của bơm tại từng gúc xoay cỏnh và đặc tớnh làm việc cho tất cả cỏc gúc xoay cỏnh như trong cỏc đồ thị dưới đõy:

Hỡnh 4.9. Đặc tớnh làm việc bơm mụ hỡnh tại Gúc -6 độ

102

Hỡnh 4.11. Đặc tớnh làm việc bơm mụ hỡnh tại Gúc 0 độ

Hỡnh 4.12. Đặc tớnh làm việc bơm mụ hỡnh tại Gúc +3 độ

103

Hỡnh 4.14. Đặc tớnh làm việc bơm mụ hỡnh ns  1200 tại cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau Ngoài cỏc đặc tớnh làm việc cho từng gúc xoay và tổng hợp cho tất cả cỏ gúc xoay, ta xõy dựng thờm đặc tớnh tổng hợp và đặc tớnh tổng hợp khụng thứ nguyờn bơm mụ hỡnh ns1200 như cỏc đồ thị dưới đõy:

Hỡnh 4.15. Đặc tớnh tổng hợp bơm mụ hỡnh ns  1200 với Dcầu=352mm; n=980v/ph

Q/Qtư 1 1.05 1.1 1.15 1.2 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 H(m) 1 2 3 4 Q(m3/s) 0.25 ĐặC TíNH TổNG HợP BƠM MÔ HìNH ns = 1172 v/ph (D cầu = 352mm; n =980 v/ph) =71% 70 69 68 66 64 62 60 58 69 68 66 64 63 -60 -30 00 +30 +60 0.5

104

Hỡnh 4.16. Đặc tớnh tổng hợp khụng thứ nguyờn bơm ns  1200 v/ph

Trong cỏc đồ thị tổng hợp ở trờn Q =Q/Qtư là lưu lượng tương đối với Qtư = 0.405 m3/s là lưu lượng của điểm tối ưu tại gúc 0 độ.

Để khảo sỏt sự biến thiờn của hiệu suất tại điểm làm việc tối ưu của bơm ứng với cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau, ta dựng đồ thị = f() như hỡnh 4.17.

Hỡnh 4.17. Đồ thị biến thiờn hiệu suất bơm theo gúc xoay cỏnh  =f() Để đỏnh giỏ mức độ thay đổi cột ỏp khi xoay 1 độ (H/độ), ta xõy dựng đồ thị quan hệ giữa cột ỏp với gúc xoay như hỡnh 4.18.

Hỡnh 4.18. Đồ thị biến thiờn cột ỏp bơm theo gúc xoay cỏnh H =f() = 0.24() + 70.74 = 0.1194()2-1.5617()+70.74 65 66 67 68 69 70 71 72 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 % (°) H = 0.05() + 2.38 H = 0.1017() + 2.38 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.93 3.1 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 H (m) (°)

105

Quỏ trỡnh thớ nghiệm xoay cỏnh để xõy dựng đặc tớnh đó quan sỏt được nhiều vựng bị xõm thực. Cỏc vựng xõm thực này được thống kờ trong bảng 4.1. Dựa vào bảng này ta dễ dàng xỏc định được vựng làm việc an toàn (khụng bị xõm thực) của mỏy bơm, từ đú cú sự tớnh toỏn lựa chọn gúc xoay cỏnh phự hợp tương ứng với cột ỏp bơm để mỏy bơm luụn làm việc ở vựng tối ưu nhất.

Bảng 4.1 . Bảng thống kờ cỏc vựng bị xõm thực khi xoay cỏnh