4. Bố cục của Luận ỏn
3.2.3. Phõn tớch sự ảnh hưởng của gúc đặt cỏnh tới trạng thỏi xõm thực và hiệu suất
và hiệu suất bơm
Trỡnh tự nghiờn cứu: Thực hiện mụ phỏng trờn mụ hỡnh toỏn tại 5 vị trớ gúc xoay cỏnh: -60, -30, 00, +30 và +60.
Tại mỗi vị trớ gúc xoay, mụ phỏng xỏc định cỏc thụng số để xõy dựng đặc tớnh làm việc. Sau đú khảo sỏt xõm thực tại cỏc điểm mụ phỏng trờn đặc tớnh tại từng gúc xoay cỏnh. Dựa vào cỏc kết quả khảo sỏt để đưa ra bảng dự bỏo xõm thực tại cỏc điểm làm việc của bơm ứng với cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau.
3.2.3.1. Khảo sỏt ảnh hưởng của gúc xoay cỏnh tới đặc tớnh làm việc của bơm bằng mụ phỏng số.
Cỏc số liệu kết quả mụ phỏng cỏc thụng số làm việc của mỏy bơm tại cỏc vị trớ gúc xoay khỏc nhau cho trong cỏc bảng sau:
Bảng 3.5. Bảng kết quả mụ phỏng tại Gúc -6 độ TT (m) H (m3/s) Q (KW) Ntr Hiệu suất (%) 1 1.527 0.378 8.418 67.25 2 1.713 0.368 8.916 69.34 3 1.918 0.358 9.527 70.72 4 2.126 0.345 10.025 71.76 5 2.272 0.333 10.375 71.53 6 2.386 0.326 10.756 70.93 7 2.511 0.316 11.239 69.25 8 2.733 0.295 12.110 65.31 9 2.855 0.285 12.623 63.24 Bảng 3.6. Bảng kết quả mụ phỏng tại Gúc -3 độ TT (m) H (m3/s) Q (KW) Ntr Hiệu suất (%) 1 1.774 0.411 10.533 67.93 2 1.985 0.400 11.053 70.48 3 2.166 0.388 11.371 72.49 4 2.390 0.374 11.956 73.34 5 2.490 0.367 12.254 73.16 6 2.574 0.362 12.622 72.48 7 2.727 0.349 13.169 70.97 8 2.966 0.326 14.081 67.35 9 3.156 0.308 15.035 63.43
84 Bảng 3.7. Bảng kết quả mụ phỏng tại Gúc 0 độ TT (m) H (m3/s) Q (KW) Ntr Hiệu suất (%) 1 1.917 0.439 11.712 70.49 2 2.154 0.428 12.381 73.04 3 2.310 0.419 12.777 74.32 4 2.517 0.405 13.390 74.68 5 2.670 0.390 13.946 73.25 6 2.796 0.379 14.485 71.77 7 2.922 0.368 15.112 69.80 8 3.079 0.356 15.866 67.78 9 3.217 0.341 16.630 64.71 10 3.357 0.322 17.376 61.03 Bảng 3.8. Bảng kết quả mụ phỏng tại Gúc +3 độ TT (m) H (m3/s) Q (KW) Ntr Hiệu suất (%) 1 2.212 0.460 15.201 65.62 2 2.411 0.448 15.620 67.83 3 2.620 0.435 16.215 68.93 4 2.873 0.416 16.934 69.23 5 3.129 0.391 17.857 67.19 6 3.318 0.375 18.781 65.03 7 3.669 0.338 20.526 59.28 Bảng 3.9. Bảng kết quả mụ phỏng tại Gúc +6 độ TT (m) H (m3/s) Q (KW) Ntr Hiệu suất (%) 1 2.349 0.490 17.870 63.20 2 2.675 0.469 18.473 66.63 3 2.876 0.454 18.924 67.70 4 3.173 0.430 19.715 67.90 5 3.344 0.414 20.395 66.59 6 3.671 0.387 21.830 63.84 7 3.841 0.368 22.569 61.44
85
Trờn cơ sở cỏc kết quả khảo sỏt cỏc thụng số, ta xõy dựng được đặc tớnh làm việc của bơm tại từng gúc xoay cỏnh và đặc tớnh tổng hợp cho tất cả cỏc gúc xoay cỏnh như trong cỏc đồ thị dưới đõy:
Hỡnh 3.43. Đặc tớnh làm việc bơm mụ hỡnh tại Gúc -6 độ
Hỡnh 3.44. Đặc tớnh làm việc bơm mụ hỡnh tại Gúc -3 độ
86
Hỡnh 3.46. Đặc tớnh làm việc bơm mụ hỡnh tại Gúc +3 độ
Hỡnh 3.47. Đặc tớnh làm việc bơm mụ hỡnh tại Gúc +6 độ
87
Trong đồ thị trờn Q =Q/Qtư là lưu lượng tương đối với Qtư = 0.405 m3/s là lưu lượng tối ưu tại gúc 0 độ (khụng xoay cỏnh).
Để khảo sỏt sự thay đổi của hiệu suất cỏc điểm tối ưu khi xoay cỏnh, ta dựng đồ thị tưf như sau:
Hỡnh 3.49. Đồ thị tưf
Để kiểm tra tớnh đỳng đắn của cỏc dạng đường đồ thị trờn hỡnh 3.49, tỏc giả đó tiến hành mụ phỏng thờm tại 2 vị trớ gúc xoay cỏnh -4 độ và +4 độ và nhận được kết quả hiệu suất điểm tối ưu tại cỏc gúc xoay này như sau:
+ Với Gúc - 4 độ: Htư = 2.15m; Q = 0.360 m3/s; tư= 72.61% + Với gúc +4 độ: Htư = 2.15m ; Q = 0.420 m3/s; tư= 68.20%
Gắn thờm cỏc điểm tối ưu tại cỏc gúc xoay này vào đồ thị trờn hỡnh 3.49 như sau:
Hỡnh 3.50. Kiểm tra tớnh đỳng đắn cỏc hàm số đồ thị tưf
Tớnh toỏn và so sỏnh cỏc giỏ trị hiệu suất của cỏc gúc xoay này theo đồ thị và mụ phỏng thỡ sai số chỉ xấp xỉ 0.2% (bảng 3.10). Do đú dễ thấy cỏc điểm tối ưu mới này bỏm sỏt cỏc đồ thị tưfđó xõy dựng trước đú, phương trỡnh hàm số của cỏc đồ thị này gần như khụng thay đổi. Do đú cú thể sử dụng cỏc hàm số này để thể hiện tương đối chớnh xỏc sự thay đổi hiệu suất của bơm ảnh hưởng theo gúc xoay cỏnh.
= 0.4872() + 74.7 = 0.2293()2- 2.506() + 74.7 60 65 70 75 80 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 (%)
Đồ thị biến thiờn hiệu suất theo gúc xoay cỏnh
= 0.4872() + 74.7 = 0.2293()2- 2.506() + 74.7 60 65 70 75 80 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 (%)
88
Dĩ nhiờn chỳng ta cũn phải thực nghiệm để xỏc định lại phương trỡnh cỏc hàm số này, tuy nhiờn nhờ cú kết quả mụ phỏng mà chỳng ta định hướng và dự bỏo được xu hướng (dạng phương trỡnh hàm số quan hệ) của cỏc kết quả thực nghiệm. Từ đú giỳp giảm bớt khối lượng trong nghiờn cứu thực nghiệm.
Bảng 3.10: Sai số của hiệu suất giữa cỏch tớnh theo đồ thị và theo mụ phỏng Gúc xoay Hiệu suất Chờnh lệch Sai số tương đối (%) Tớnh theo đồ thị mụ phỏng Theo - 4 độ 72.7512 72.6100 0.1412 0.19 + 4 độ 68.3448 68.2000 0.1448 0.21
Ngoài ra, 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, từ đú đưa ra hàm nội suy khi thiết kế hay điều chỉnh điểm vận hành của bơm (nhất là cỏc bơm cỡ lớn).
Hỡnh 3.51. Đồ thị H=f()
Cần lưu ý rằng cỏc cụng thức đưa ra trờn đõy chỉ là cỏc cụng thức tớnh toỏn sơ bộ cho bơm ns1200 v/ph, khụng phải là cụng thức tổng quỏt.
3.2.3.2. Dự bỏo cỏc vựng bị xõm thực theo gúc xoay cỏnh
Để dễ dàng thống kờ cỏc vựng bị xõm thực khi mụ phỏng xõy dựng đặc tớnh làm việc tại cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau, ta sử dụng đặc tớnh tổng hợp đó xõy dựng ở phần 3.2.3.1 với dẫn xuất tọa độ trờn trục hoành là Q =Q/Qtư với Qtư = 0.405 m3/s như trờn hỡnh 3.48.
Dựa vào đặc tớnh tổng hợp xõy dựng được và dựa vào kết quả thống kờ về xõm thực trong quỏ trỡnh mụ phỏng, ta xõy dựng được bảng dự bỏo cỏc vựng bị xõm thực và cỏc dạng xõm thực xảy ra trong bơm khi xoay cỏnh.
Cỏc kết quả mụ phỏng về phõn bố ỏp suất và phõn bố bọt khớ trờn hai mặt cỏnh bỏnh cụng tỏc được trỡnh bày trong phần phụ lục.
H = 0.0652() + 2.54 H = 0.1093( )+ 2.54 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Hm độ
89
Bảng 3.11 . Bảng dự bỏo cỏc vựng bị xõm thực và cỏc dạng xõm thực khi xoay cỏnh
- Cỏc vựng khụng xuất hiện xõm thực: 0 - Cỏc vựng xõm thực bao gồm:
+ XT1: xuất hiện xõm thực tại mộp vào cỏc tiết diện sỏt vành mũn của cỏnh + XT2: xuất hiện xõm thực tại mộp vào cỏc tiết diện sỏt bầu của cỏnh
+ XT3: xuất hiện xõm thực tại mộp vào cỏc tiết diện sỏt vành mũn của cỏnh và tại khe hở đầu cỏnh.
Hỡnh ảnh cỏc dạng xõm thực như trong cỏc hỡnh sau:
a) Dạng XT1 ( =1.748) b) Dạng XT2 ( =1.563) c) Dạng XT3 ( =1.395) Hỡnh 3.52. Hỡnh ảnh mụ phỏng cỏc dạng xõm thực Q/Qtư Gúc 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 -6 XT2 XT1 0 0 0 0 -3 XT2 XT1 0 0 0 0 0 XT2 XT1 0 0 0 0 0 3 XT1 XT1 XT2 XT2 XT2 XT2 XT2 6 XT3 XT3 XT2 XT2 XT2 XT2 XT2
90
a) Dạng XT1
b) Dạng XT2
c) Dạng XT3
91
3.2.3.3. Nhận xột và kết luận về kết quả mụ phỏng.
- Dựa vào cỏc kết quả mụ phỏng thu được cựng với việc xử lý xõy dựng đặc tớnh làm việc và bảng dự bỏo xõm thực tại cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau mà ta dự bỏo được vựng làm việc ổn định cú hiệu suất cao của mỏy, đưa ra cỏc chế độ vận hành phự hợp.
- Dựa vào đặc tớnh tổng hợp xõy dựng được, ta thấy rằng nếu khụng tớnh đến yếu tố xõm thực, khi xoay gúc đặt cỏnh từ -60 đến +60, vựng làm việc của bơm được mở rộng từ phạm vi 𝑄 = 𝑄/𝑄ư (0.8ữ1.1) lờn phạm vi 𝑄 = 𝑄/𝑄ư (0.7ữ1.2). Vựng làm việc hiệu suất cao (vựng lõn cận 5% hiệu suất điểm tối ưu, trong trường hợp này là vựng hiệu suất lớn hơn 70%) cũng mở rộng từ phạm vi 𝑄 (0.9ữ1.1) lờn phạm vi 𝑄 (0.8ữ1.1).
- Qua cỏc đồ thị hỡnh 3.48 và hỡnh 3.50 cho thấy thấy việc sử dụng gúc xoay dương ảnh hưởng đỏng kể và suy giảm hiệu suất của bơm mạnh hơn so với việc sử dụng gúc xoay õm. Nguyờn nhõn lớn nhất là do ảnh hưởng của chế độ chảy bao gõy ra xõm thực. Ở gúc xoay õm, quan hệ hiệu suất tối ưu với gúc xoay ở dạng hàm số tuyến tớnh, dễ dàng giỳp cho việc nội suy và điều khiển khi tớnh toỏn vận hành bơm ở nhiều chế độ. Cột ỏp suy giảm đỏng kể nhưng hiệu suất giảm chậm.
- Để đỏnh giỏ mức độ thay đổi cột ỏp bơm khi xoay 1 độ (H/độ), cú thể tra đồ thị trờn hỡnh 3.51 hoặc tớnh nội suy theo cỏc quan hệ sau:
+ Khi xoay sang gúc õm: H = 0.0652() + 2.54 + Khi xoay sang gúc dương: H = 0.1093() + 2.54
- Theo bảng dự bỏo xõm thực tại mục 3.2.3.2, tại gúc xoay +30 và +60 với giỏ trị Q/Qtư từ 0.85 đến 1.2 thỡ bơm làm việc luụn xuất hiện xõm thực với dạng xõm thực chủ yếu là XT2. Tại cỏc gúc -60, -30 và 00 dạng xõm thực chủ yếu xuất hiện là XT1. Cú thể thấy rằng vựng làm việc khụng xuất hiện xõm thực của bơm tương đối hẹp. Tuy nhiờn dựa theo đặc tớnh thuỷ lực thu được thỡ vẫn cú thể vận hành bơm tại những điểm cú xõm thực nhưng khụng ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất và độ bền mỏy. 3.2.4. Kết luận việc lựa chọn mẫu khảo sỏt đỏnh giỏ về gúc xoay và đặc tớnh thủy lực
Qua cỏc kết quả nghiờn cứu bằng mụ phỏng trờn mụ hỡnh toỏn đó trỡnh bày trong cỏc phần trờn đõy, chỳng ta nhận thấy:
- Cỏc kết quả mụ phỏng mụ hỡnh cỏnh cầu tại cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau đó thể hiện đầy đủ cỏc trạng thỏi làm việc của bơm trong toàn bộ dải làm việc được khảo sỏt. Nhờ kết quả mụ phỏng, ta xõy dựng được đặc tớnh làm việc của bơm tại từng gúc xoay cỏnh và đặc tớnh tổng hợp của bơm tại cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau. Căn cứ vào đú ta cú thể mở rộng vựng làm việc cú hiệu suất cao của bơm cho phự hợp với điều kiện vận hành.
- Với việc khảo sỏt trạng thỏi xõm thực của bơm tại cỏc điểm làm việc ứng với cỏc xoay cỏnh khỏc nhau, ta dự bỏo được cỏc vựng làm việc an toàn và cỏc vựng làm việc bị xõm thực của bơm. Việc dự bỏo được vựng xõm thực là rất quan trọng, nú giỳp chỳng ta giới hạn được phạm vi mở rộng vựng làm việc mà vẫn đảm bảo an toàn vận hành cho mỏy bơm. Trong trường hợp cần thiết, khi cần mở rộng vựng làm việc về phớa tăng lưu lượng hay tăng cột ỏp của bơm, nú cũng giỳp chỳng ta dự bỏo được
92
mức độ xõm thực của cỏc điểm làm việc mà chỳng ta cần điều chỉnh để quyết định chọn điểm làm việc ớt bị ảnh hưởng nhất bởi xõm thực.
Trong cỏc chương trước, chỳng ta đó nghiờn cứu mụ phỏng (cú kết hợp thớ nghiệm đối chứng kết quả) trờn mụ hỡnh cỏnh trụ D340, rồi mới đi đến mụ phỏng đặc tớnh thủy lực và xõm thực theo gúc xoay trờn mụ hỡnh cỏnh cầu D352. Để hoàn thiện nghiờn cứu gúc xoay trờn mụ hỡnh cỏnh cầu, chỳng ta cũn phải tiếp tục nghiờn cứu thớ nghiệm trờn mụ hỡnh vật lý phương ỏn cỏnh cầu D352 như đó mụ phỏng trờn đõy. Sau đú sẽ đối chiếu so sỏnh cỏc kết quả giữa thực nghiệm và mụ phỏng để đưa ra được những nhận xột đỏnh giỏ về mức độ chớnh xỏc của việc nghiờn cứu mụ phỏng so với thực tiễn, qua đú đỏnh giỏ được độ tin cậy của mụ hỡnh toỏn và điều kiện biờn sử dụng. Việc làm này là hết sức cần thiết để khẳng định lại tớnh đỳng đắn của việc nghiờn cứu trờn mụ hỡnh toỏn bằng mụ phỏng. Khụng chỉ vậy, quỏ trỡnh nghiờn cứu đó chứng minh rằng việc nghiờn cứu bằng mụ phỏng cũn cú thể giỳp mở rộng được vựng khảo sỏt của mụ hỡnh mà trong thực tiễn nghiờn cứu thực nghiệm khú cú thể quan sỏt hay thực hiện được.
Toàn bộ phần nghiờn cứu thực nghiệm được trỡnh bày trong Chương 4. Tất cả cỏc chi tiết của mụ hỡnh vật lý được thiết kế, chế tạo và lắp đặt hoàn toàn giống với thiết kế mụ phỏng trờn mụ hỡnh toỏn đó thực hiện trờn đõy.
93
Chương 4.
NGHIấN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Chế tạo thiết bị và xõy dựng mụ hỡnh thớ nghiệm phục vụ nghiờn cứu thực nghiệm 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