4. Bố cục của Luận ỏn
1.2.1. Tỡnh hỡnh nghiờn cứu ở ngoài nước về xõm thực trong bơm hướng trục
hướng trục
Cỏc nghiờn cứu ở nước ngoài chủ yếu tập trung ở cỏc vấn đề sau:
- Cỏc nghiờn cứu cơ bản và chuyờn sõu để tỡm hiểu bản chất vật lý của hiện tượng xõm thực và cỏc điều kiện xảy ra xõm thực
- Cỏc nghiờn cứu về cỏc dạng xõm thực trong mỏy cỏnh dẫn. Khảo sỏt và tỡm hiểu cơ chế xuất hiện xõm thực trong mỏy bơm, xõy dựng đặc tớnh xõm thực, đỏnh giỏ sự ảnh hưởng và đề xuất giải phỏp
- Cỏc nghiờn cứu về ứng dụng cỏc phương phỏp để tiờn đoỏn (dự đoỏn) xõm thực, bao gồm:
a) - Phương phỏp số:
+ Phương phỏp vi phõn hữu hạn (FDM) + Phương phỏp phần tử hữu hạn (FEM) + Phương phỏp phổ (SEM)
+ Phương phỏp thể tớch hữu hạn (FVM) + Phương phỏp phần tử biờn (BEM) b)- Phương phỏp mặt nõng
c)- Phương phỏp phần tử biờn
d)- Phương phỏp EULER, RANS và dũng 2 pha…
Mặc dự cú nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu song cỏc nghiờn cứu này đều độc lập và mang tớnh chất cụng bố, kết quả thu được chỉ bú buộc trong phạm vi hẹp, chưa nõng
25
lờn được tầm lý thuyết cú cơ sở nghiờn cứu một cỏch cụ thể và rừ nột. Tuy nhiờn chỳng ta vẫn cú thể tham khảo và vận dụng để triển khai cỏc nghiờn cứu khỏc, trong đú cú nội dung nghiờn cứu của luận ỏn.
Dưới đõy là một số cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu tiờu biểu, cú liờn quan đến nội dung nghiờn cứu của luận ỏn:
- Tỏc giảNabil H. Mostafa và Mohamed Adel (nguồn [26]) năm 2012 đó cụng bố nghiờn cứu về ảnh hưởng của gúc cỏnh cụng tỏc trờn hiện tượng xõm thực trong bơm hướng trục.Nghiờn cứu phương phỏp số và thực nghiệm 3-D về ảnh hưởng của gúc cỏnh đến hiện tượng xõm thực. Việc tớnh toỏn số trong dũng chảy xõm thực thực hiện bằng cỏch sử dụng mó Navier-Stokes (CFD-ACE + 2008) được trỡnh bày. Cỏc phương trỡnh điều chỉnh được phõn loại trờn một mạng lưới cú cấu trỳc bằng cỏch sử dụng một sơ đồ chờnh lệch hướng giú. Mụ phỏng số sử dụng mụ hỡnh hỗn loạn K-ε chuẩn để giải thớch hiệu ứng nhiễu loạn. Phõn bố ỏp suất và phần thể tớch hơi thu được bằng số ở cỏc gúc cỏnh thay đổi. Ngoài ra đường cong hiệu suất của bơm hướng trục được lấy tại cỏc gúc cỏnh 60°, 70° và 80°. Kết quả số và thử nghiệm cho thấy hiện tượng xõm thực chỉ xuất hiện ở gúc cỏnh 60°. Mó tớnh toỏn đó được xỏc nhận bằng cỏch so sỏnh cỏc kết quả số được dự đoỏn với cỏc kết quả thử nghiệm. Bờn cạnh đú, sự phỏt triển khụng gian được dự đoỏn và phõn bố xõm thực trờn lưỡi cỏnh bỏnh cụng tỏc phự hợp với những hỡnh ảnh thu được bằng mỏy ảnh tốc độ cao.
- Về vấn đề nghiờn cứu và dự bỏo xõm thực, tỏc giả Phillipe Dupont - Trưởng nhúm CFD, hóng Bơm Sulzer Ltd, Thụy Sỹ (nguồn [27]) năm 2005 đó cụng bố cụng trỡnh nghiờn cứu và dự bỏo xõm thực trong mỏy bơm.
Theo tỏc giả, với sự gia tăng sức mạnh trờn một đơn vị thể tớch cho cỏc mỏy bơm hiện đại, do việc giảm chi phớ sản xuất, cavitation càng ngày càng trở thành yếu tố hạn chế chớnh trong thiết kế bơm. Cỏc quy tắc thiết kế một chiều cổ điển được ỏp dụng trong nhiều thập kỷ khụng cũn hiệu quả nữa, và vỡ lý do này, cú một nhu cầu mạnh mẽ cho cỏc cụng cụ số chớnh xỏc hơn để dự đoỏn hành vi cavitation của mỏy bơm.
Một phương phỏp dự đoỏn xõm thực ban đầu được trỡnh bày và kết quả của nú được so sỏnh với dữ liệu thực nghiệm cho năm mỏy bơm cú tốc độ khỏc nhau. Phương phỏp số được giới thiệu trong bài bỏo này để dự đoỏn sự phỏt triển xõm thực trong mỏy bơm là một phiờn bản đơn giản của một chương trỡnh đó phỏt triển trước đú được sử dụng thành cụng trong cỏc trường hợp tương tự. Động lực cho việc đơn giản húa này là cho phộp sử dụng chương trỡnh trong suốt quỏ trỡnh thiết kế cỏc bỏnh cụng tỏc. Độ chớnh xỏc của điều này được đơn giản húa cũng như việc sử dụng nú như một cụng cụ thiết kế sẽ được thảo luận
- Cỏc tỏc giả Masashi Fukaya,Tomoyoshi Okamura, Yoshiaki Tamura và Yoichiro Matsumoto (nguồn [28]) năm 2003 đó đưa ra phương phỏp “Dự đoỏn hiệu ứng hay xỏc suất xõm thực của bơm hướng trục bằng cỏch sử dụng phương phỏp số Mụ phỏng dũng xõm thực với mụ hỡnh dũng bọt khớ."
Dự đoỏn hiệu suất xõm thực bằng cỏch sử dụng một mụ phỏng dũng chảy số là đỏng kể để giảm chi phớ sản xuất khi thiết kế một cỏnh quạt mỏy bơm cỏnh. Cỏc xõm thực cú một số lần xuất hiện trong cỏc mỏy bơm như búng xõm thực, đỏm mõy xõm thực, và xoỏy xõm thực. Mõy xõm thực bao gồm rất nhiều bong búng nhỏ với hành vi phức tạp. Mụ hỡnh dũng chảy bong búng là một mụ hỡnh xõm thực cho mụ phỏng
26
số, trong đú động lực bong búng được xử lý một cỏch chi tiết.
Trong nghiờn cứu này, cỏc tỏc giả phỏt triển một mó mụ phỏng số mới bao gồm mụ hỡnh dũng chảy bong búng. Mó này xem xột sự phõn bố mật độ số của bong búng, và chuyển động và thể tớch của bong búng. Nú được ỏp dụng cho một dũng luõn phiờn trong một mỏy bơm dũng hướng trục. Hiệu suất xõm thực dự đoỏn của mỏy bơm cũng phự hợp về mặt chất lượng với thử nghiệm. Sự phõn bố xõm thực dự đoỏn trờn cỏnh bỏnh cụng tỏc cũng phự hợp với cỏc hỡnh ảnh thấy được. Mó này cú khả năng mụ phỏng hành vi bong búng trong ăn mũn xõm thực.
- Nghiờn cứu về “Xoỏy bề mặt và ỏp suất ở miệng hỳt bơm hướng trục đứng" năm 2012, cỏc tỏc giả Andrzej Blaszczyk; Adam Papierski; Radosaw Kunicki; Mariusz Susik (nguồn[29]) đó cụng bố cụng trỡnh nghiờn cứu về vấn đề này
Do nhu cầu về điện và nhiệt gia tăng, cỏc nhà mỏy điện mới được xõy dựng ở Ba Lan, cũng như hiện đang được hiện đại húa. Cỏc nhà mỏy năng lượng khổng lồ mới và những thiết bị này đang được nõng cấp về cụng suất tăng thờm, cả hai đều yờu cầu nguồn cung cấp lớn của nước làm mỏt cho bỡnh ngưng tuabin.Thụng thường, cú mỏy bơm hỗn lưu hoặc mỏy bơm hướng trục trong hệ thống đứng được xõy dựng trong hệ thống nước làm mỏt.
Do việc xõy dựng đứng cỏc mỏy bơm nước làm mỏt, trong khu vực lấy nước của chỳng, dũng chảy trong nước phải thay đổi hướng của nú từ ngang sang đứng. Thay đổi hướng dũng chảy của một lượng lớn nước, cỏc kờnh ở lối vào, là nguyờn nhõn tồn tại của cỏc hiện tượng thủy lực cú thể làm giỏn đoạn hoặc thậm chớ dừng hoạt động của mỏy bơm. Thay đổi hướng dũng chảy từ ngang sang đứng được thực hiện trong cỏc cửa hỳt được hỡnh thành, trong đú nước được hỳt từ cỏc giếng khoan.
- Nghiờn cứu về ảnh hưởng xõm thực đến cột ỏp bơm trong mỏy bơm hướng trục, năm 2015, cỏc tỏc giả K Hosono, Y Kajie, S Saito và K Miyagawa (nguồn [30]) đó cụng bố cụng trỡnh nghiờn cứu về vấn đề này.
Theo cỏc tỏc giả, kớch thước của mỏy bơm hướng trục được sử dụng trong cỏc trạm bơm thoỏt nước gần đõy đó giảm, và tốc độ quay của chỳng đó tăng lờn, làm tăng nguy cơ gõy ra xõm thực. Vỡ vậy, để cung cấp mỏy bơm cú độ tin cậy cao, điều quan trọng là phải hiểu được dũng chảy bờn trong của mỏy bơm trong điều kiện xõm thực. Trong nghiờn cứu này, cỏc phộp đo mỏy ảnh tốc độ cao và phõn tớch động lực học chất lỏng được thực hiện để hiểu hiệu suất xõm thực của một mỏy bơm hướng trục. Cơ chế làm cho cột nước thay đổi do kết quả của xõm thực dưới ảnh hưởng của giỏ trị NPSH thấp được thể hiện là sự cõn bằng giữa việc tăng vận tốc và việc gia tăng tổn thất do sự thay đổi dũng chảy.
- Cụng trỡnh "Nghiờn cứu thủy lực trong thiết kế và vận hành bơm hướng trục" được cụng bố năm 2005 bởi tỏc giả Helmut Jaberg (nguồn [31]).
Cỏc mỏy tốt nhất để điều khiển lưu lượng lớn ở những khỏc biệt nhỏ của cột ỏp là cỏc mỏy bơm cỏnh dẫn. Cỏc điều kiện dũng chảy trong loại bơm này được giải thớch chi tiết, và nú được chỉ ra tại sao, trong cỏc mỏy bơm cỏnh dẫn đặc biệt, chỳng yờu cầu cỏc yờu cầu chất lượng chớnh xỏc như vậy liờn quan đến thiết kế và chế tạo.
Cụng trỡnh này, trờn tất cả, gửi đến cỏc nhà tư vấn và điều hành cỏc trạm bơm lắp đặt mỏy bơm cỏnh dẫn những thụng tin mụ tả dễ hiểu nhất về cụng nghệ bơm cỏnh dẫn hiện đại.
27
- Cỏc kết quả “Nghiờn cứu thực nghiệm về xõm thực dạng xoỏy trong bơm hướng trục” năm 2011 của cỏc tỏc giả Mohammad Taghi Shervani Tabar, Zahra Poursharifi (nguồn [32]).
Sự tương tỏc của đầu cỏnh với lớp ranh giới vỏ và dũng rũ rỉ cú thể dẫn đến một loại xõm thực là xõm thực dạng xung bọt xoỏy. Trong nghiờn cứu này, sự khởi đầu của bọt xoỏy đó được nghiờn cứu thực nghiệm trong một mỏy bơm hướng trục. Với tốc độ khụng đổi và gúc cố định của cỏnh và bằng cỏch thay đổi tốc độ dũng chảy, đầu bơm, cụng suất đầu vào, cụng suất đầu ra và hiệu suất được tớnh toỏn và cỏc đường cong đặc tớnh của bơm thu được. Hiện tượng xõm thực đó được quan sỏt với một mỏy ảnh và một stroboscope. Cuối cựng, vựng lưu lượng tới hạn, cú thể xảy ra hiện tượng hốc xoỏy, đó được xỏc định. Cỏc kết quả cho thấy rằng chỉ bằng cỏch điều chỉnh tốc độ dũng chảy, ra khỏi khu vực quy định, khả năng xảy ra xung bọt xoỏy, giảm đến một mức độ lớn...
- Về vấn đề Tối ưu húa NPSHr của mỏy bơm hướng trục, năm 2008, tỏc giả Wen-Guang Li, Đại học Cụng nghệ Lan Chõu (nguồn [33]) đó đưa ra phương phỏp hai bước để tối ưu húa đầu hỳt dương (NPSHr) của bơm hướng trục.
Đầu tiờn, NPSHr ở đầu cỏnh quạt được tối ưu húa với đường kớnh cỏnh quạt dựa trờn dữ liệu thực nghiệm của cỏc dũng 2D trong cỏc đường hầm giú cú sẵn. Sau đú, nú được tối ưu húa một lần nữa với thời điểm vận tốc tại đầu ra cỏnh quạt, được thể hiện dưới dạng hai thụng số. Hỡnh dạng cỏnh được tạo ra và chi tiết dũng chảy được xỏc định bằng cỏch sử dụng phương trỡnh cõn bằng xuyờn tõm, lý thuyết tớnh toỏn thiết bị truyền động, và phương phỏp phần tử xoỏy 2D trong quỏ trỡnh tối ưu húa. Mặt đỏp ứng NPSHr đó được thiết lập theo hai tham số này. Kết quả cho thấy việc tối ưu húa thứ hai cho phộp giảm NPSHr xuống 37,5% so với lần đầu tiờn. Do đú, phương phỏp hai bước này cú hiệu quả và dự kiến sẽ được ỏp dụng trong thiết kế cỏnh quạt mỏy bơm hướng trục. Cỏc mụ phỏng của dũng chảy hỗn loạn 3D với cỏc mụ hỡnh xõm thực khỏc nhau và cỏc thớ nghiệm xỏc nhận liờn quan sẽ được thực hiện trong cỏc bỏnh cụng tỏc bơm hướng trục được thiết kế với phương phỏp này.
Ở đõy, NPSH (Net Positive Suction Head) chớnh là lượng dự trữ xõm thực của bơm được xỏc định theo điều kiện:
𝐻 = (1-3) NPSHa (Net Positive Suction Head available) là năng lượng dự trữ của bơm, nếu po = pa :
NPSHa = (1-4) NPSHr (Net Positive Suction Head required) là năng lượng yờu cầu khi bơm làm việc:
NPSHr = hs + + hw-h (1-5) Điều kiện để bơm làm việc khụng xảy ra xõm thực là:
28