1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thiết kế, chế tạo v sử dụng máy bơm chìm trên thế giới 1.1.1.1 Tình hình nghiên cứu thiết kế, chế tạo v sử dụng máy bơm chìm trên thế giới
Cùng với sự phát triển nhanh của ngành cơ khí - điện nói chung, các máy bơm chìm - động cơ điện chìm đã được chú đầu tư nghiên cứu từ những năm 1920-1930 và đạt kết quả tốt vào những năm 1940–1950 phục vụ cho nhiều nhu cầu mục đích khác nhau: tưới tiêu trong nông nghiệp, bơm nước thải và cấp nước cho công nghiệp, sinh hoạt. Ở các nước công nghiệp phát triển, vấn đề nghiên cứu, chế tạo và sử dụng máy bơm chìm - động cơ điện chìm đã được quan tâm nhiều và đạt đến trình độ cao như sản phẩm của hãng Flygt( Thụy Điển), ABS, EMU, KSB (Đức), Omega (Tây Ban Nha), EBARA, Toshiba (Nhật), Huyndai, Sumjung, Daijin (Hàn Quốc), Energomash (Nga)... [10,29,37, 38].
Ngày nay, hàng vạn máy bơm chìm-động cơ điện chìm với các chủng loại: ly tâm, hướng trục, hỗn lưu kiểu trục đứng, trục ngang…có công suất N = (0,1–5.000) kW, cột áp H=(1-500) m, lưu lượng Q = (0,1-30.000) m3/h đã được thiết kế, chế tạo và sử dụng rộng rãi trong sản xuất, đóng góp quan trọng vào sự phát triển của các ngành nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải…[12,20,37].
Các thiết bị nêu trên vẫn đang được các nước trên thế giới, đặc biệt là các nước có nền công nghiệp phát triển và các nền kinh tế mới nổi, tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để ngày một nâng cao về số lượng cũng như chất lượng sản phẩm, phù hợp với nhiều điều kiện làm việc và các nhu cầu khác nhau…
Có thể tham khảo một số sản phẩm máy bơm chìm – động cơ điện chìm với kết cấu đặc trưng của các hãng khác nhau trên thế giới [19,20,21]: Hãng ABS (Đức) – hình 1.1, hãng Flygt (Thụy Điển) – hình 1.2, hãng EBARA (Nhật Bản) – hình 1.3 và hãng Dai Jin (Hàn Quốc) – hình 1. 4.
5
a)
b)
Hình 1.1 Sản phẩm máy bơm chìm hướng trục của hãng ABS (Đức) (a. Tổ máy bơm chìm hướng trục, b. Kết cấu phần dẫn dòng)
ABS là hãng nghiên cứu thiết kế, chế tạo và cung cấp sản phẩm các tổ máy bơm chìm nói chung và bơm chìm hướng trục nói riêng nổi tiếng của Đức cũng như trên thế giới. ABS đã nghiên cứu với đa dạng chủng loại máy bơm chìm hướng trục nhằm đáp ứng các yêu cầu sử dụng. Hãng đã chế tạo các động cơ điện với kích thước đường kính nhỏ, tăng kích thước chiều dài, khi ấy, cho phép làm giảm góc loe của bầu bộ phận hướng dòng.Với các máy bơm chìm hướng trục của ABS theo các tài liệu cung cấp về sản phẩm của hãng này thường có góc loe bộ phận hướng nhỏ (γloe < 450).
Flygt của Thụy Điển cũng là một trong các hãng bơm chìm có uy tín và chất lượng cao trên thế giới. Sản phẩm của hãng đã được đầu tư nghiên cứu từ những năm 1950, đến nay, đã đạt được nhiều thành công và đã cung cấp cho hầu khắp các nước trên thế giới.
Cũng như ABS, động cơ điện chìm của Flygt được thiết kế, chế tạo với đường kính nhỏ nhằm mục đích làm giảm góc loe của bộ phận hướng dòng. Theo đo đạc thực tế và tham khảo các tài liệu liên quan đối với dòng máy bơm chìm hướng trục đứng của Flygt, góc loe của bộ phận hướng dòng của hãng này tương
đối nhỏ (γloe < 400). Hình 1.2 Máy bơm chìm của Flygt
6 Ở châu Á, Nhật Bản là nước duy
nhất trong nhóm G7, có công nghệ chế tạo các sản phẩm máy bơm chìm nói chung và máy bơm chìm hướng trục nói riêng, đạt trình độ tương tự như ở các nước G7 khác. Sản phẩm máy bơm chìm hướng trục của Nhật bản, trong đó, tiêu biểu là của hãng EBARA, có kết cấu nhỏ gọn, hợp l . Động cơ điện chìm lắp với các máy bơm chìm thường có kích thước nhỏ về chiều ngang, góc loe của bộ phận hướng dòng
cũng nằm trong giới hạn chung (γloe = (350 - 450)).
Hình 1.3 Máy bơm chìm của EBARA (Nhật Bản)
Nga là quốc gia có nền khoa học công nghệ phát triển. Các nhà khoa học đã đạt nhiều thành tựu trong lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo các loại máy bơm cho nhiều mục đích khác nhau. Hiện nay, Tập đoàn Sverdmash là một trong những hãng sản xuất bơm lớn nhất của Nga. Hãng đã có quan hệ tốt với Việt nam, đã chuyển giao nhiều công nghệ tiên tiến trong thiết kế, chế tạo máy bơm, trong đó có máy bơm chìm kiểu giếng sâu cho Việt nam.. Máy bơm chìm – động cơ điện chìm của Sverdmash đã chế tạo đạt lưu lượng 20.000m3/h, công suất động cơ điện chìm tới 1.000 kW.
Hãng Sverdmash hiện nay chủ yếu sản xuất các loại máy bơm chìm với công suất lớn phục vụ nhu cầu tưới tiêu đòi hỏi lưu lượng lớn. Các máy bơm chìm hướng trục của Nga thường có góc loe bộ phận hướng dòng (γloe = (400 - 500).
Hình 1.4 Kết cấu tổ máy bơm chìm – động cơ điện chìm của hãng Sverdmash (Nga)
7
Hàn Quốc cũng là một trong các nước đầu tư rất lớn về nghiên cứu phát triển các sản phẩm máy bơm chìm nói chung và máy bơm chìm hướng trục nói riêng. Hiện nay, có nhiều hãng chế tạo máy bơm. Một trong những hãng nổi tiếng về chế tạo bơm của Hàn Quốc là Daijin.Với phương châm học hỏi, chuyển giao công nghệ của các nước tiên tiến, trong đó, chủ yếu là Nga và Nhật Bản, các hãng bơm của Hàn Quốc thường có kết cấu tương tự như đối với các sản phẩm của hai nước này. Tuy nhiên, trong điều kiện công nghệ của Hàn Quốc, các tổ máy bơm chưa thực sự nhỏ gọn như đối với các nước G7. Góc loe của các loại máy bơm chìm hướng trục của hãng DaiJin nói riêng và của các hãng khác ở Hàn Quốc nói chung, thường có góc loe bộ phận hướng dòng (γloe < 500), điều này được thể hiện rõ qua mặt cắt tổng thể máy bơm hướng trục chìm của hãng DaiJin (Hàn Quốc – hình 1.5) [12,18].Thông số kỹ thuật của tổ máy bơm chìm hướng trục DAF 48-19012: Công suất động cơ điện chìm: N = 190 kW, số vòng quay: n = 590v/ph, lưu lượng tính toán: Qtt = 8.160m3/h, cột nước thiết kế: Htk = 5,7m.
Với thông số kỹ thuật đã cho, xác định được số vòng quay đặc trưng của máy bơm là: ns ≈ 878.
Hiệu suất máy bơm tại điểm thiết kế: ηbtk ≈ 74,5% (với hiệu suất động cơ điện chìm ηđc,max = 89%).
Theo hình 1.11, có thể xác định các kích thước cơ bản của bộ phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục DAF 48-19012[19]:
+ Chiều cao bộ phận hướng dòng: h = 535mm
+ Đường kính miệng vào bộ phận hướng dòng: Dv = 760mm
+ Đường kính miệng ra bộ phận hướng dòng: Dr = 1.090mm
+ Góc loe của bầu bộ phận hướng dòng: γloe = 47o.
Hình 1.5 Kết cấu máy bơm chìm hướng trục
DAF 48-19012 (N=190kW, n=590v/ph) của hãng DaiJin – H n Quốc
(a. Mặt cắt dọc tổ máy bơm chìm; b. Kết cấu bộ phận hướng dòng)
Máy bơm chìm hướng trục của hãng DaiJin được chế tạo theo gam (với số vòng quay đặc trưng và kết cấu tương tự cho các tổ máy bơm với công suất khác nhau) với các sai lệch về kích thước hình học trong điều kiện cho phép.
Đối với máy bơm chìm công suất N=190kW, hiệu suất máy bơm ηb = 74,5% thực sự chưa cao (máy bơm hướng trục thông thường công suất tương đương (N > 180kW) do Việt Nam
8
chế tạo có hiệu suất bơm ηb ≥ 78 %). Tuy nhiên, hãng DaiJin là một trong những hãng bơm có uy tín với các sản phẩm xuất khẩu đi nhiều nước trên thế giới và được thị trường các nước công nghiệp phát triển chấp nhận ( Nhật, Mỹ, Singapor…).
Bên cạnh các nước có nền công nghiệp tiên tiến, Trung Quốc là quốc gia có ngành chế tạo máy bơm phát triển nhanh. Hiện nay, Trung Quốc có nhiều công ty tự thiết kế, chế tạo các loại máy bơm chìm hướng trục đứng và hướng trục ngang kiểu capsul (tiêu biểu là Công ty Cam Tuyền (Thiên Tân), Công ty Khải Tuyền và Công ty YATHAI) [15,16,26]. Công ty Cam Tuyền đã chế tạo bơm capsul đạt công suất N=800kW, Q=30.000m3/h (hình 1.6). Hình 1.7 giới thiệu một loại bơm capsul của Công ty Khải Tuyền.
Hình 1.6 Bơm capsul của Công ty Cam
Tuyền (Trung Quốc) Hình 1.7 Bơm capsul của Công ty Khải Tuyền (Trung Quốc)
Đối với Trung Quốc, các máy bơm chìm hướng trục được thiết kế, chế tạo với kết cầu thường lớn hơn khá nhiều so với sản phẩm cùng loại của các nước công nghiệp phát triển.
Qua nghiên cứu và khảo sát một số loại máy bơm chìm hướng trục của các hãng chế tạo bơm chìm Trung Quốc cho thấy, góc loe bộ phận hướng dòng thường được lấy với giá trị γloe =( 45o – 550). Chính vì góc loe của bộ phận hướng dòng lớn, do đó, khi thử nghiệm thực tế, các máy bơm chìm hướng trục của Trung Quốc thường có hiệu suất thấp hơn so với sản phẩm cùng loại của các hãng bơm tiên tiến của các nước Đức, Thụy Điển,Nga, Hàn Quốc, Nhật Bản…
Từ phân tích nêu trên, cho thấy rằng, sản phẩm máy bơm chìm - động cơ điện chìm hướng trục của các nước trên thế giới đã chế tạo với nhiều loại thông số kỹ thuật khác nhau nhằm đáp ứng các điều kiện làm việc, nhu cầu sử dụng trong các ngành kinh tế kỹ thuật và phục vụ nhu cầu sinh hoạt.
Các hãng sản xuất máy bơm chìm trên thế giới khác nhau có các kết cấu phần dẫn dòng khác nhau, đặc biệt, đối với máy bơm chìm hướng trục, tùy theo điều kiện công nghệ của từng hãng sản xuất sẽ có kích thước hình học chi tiết hướng dòng phù hợp. Những nước công nghiệp phát triển có xu hướng chế tạo động cơ điện chìm với kích thước nhỏ hơn so với sản phẩm cùng loại của những nước đang phát triển, từ đó, dẫn đến góc loe của bầu bộ phận
9
hướng dòng cũng sẽ nhỏ hơn. Tuy nhiên, các máy bơm chìm hướng trục của các nước trên thế giới đều có bộ phận hướng dòng với góc loe hạn chế (γloe, max < 600).
Ngoài ra, đối với các máy bơm chìm hướng trục, theo kinh nghiệm của các nước, cho thấy, nên tập trung nghiên cứu tính toán, thiết kế phần dẫn dòng, trong đó, có bộ phận hướng dòng, với số vòng quay đặc trưng ns = (600-1.200) [19,20,21].
1.1.1.2. Tình hình nghiên cứu máy bơm chìm hướng trục
Sản phẩm máy bơm chìm nói chung, trong đó có các máy bơm chìm hướng trục, đã được các hãng bơm lớn của các nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu, phát triển đa dạng về chủng loại với các thông số kỹ thuật cũng như kích thước hình học, kết cấu phù hợp, đáp ứng các điều kiện làm việc trong thực tế sản xuất. Tuy nhiên, hiện nay có rất ít hãng công bố các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của thông số kích thước và kết cấu bộ phận hướng dòng đến hiệu suất máy bơm [13,14,18]
a) Tại Trung Quốc
Năm 2009, tại Hội thảo kỹ thuật chất lỏng (ASME 2009 Fluids Engineering Division Summer Meeting) diễn ra tại bang Cororado (Mỹ), nhóm tác giả Bin Chen, Lanjin Zhang, Kewei Zhang và Guangjie Peng ( Trung quốc), đã công bố kết quả sử dụng phần mềm mô phỏng với công cụ CFD và kết quả thí nghiệm về hiệu suất máy bơm chìm hướng trục khi tính toán thiết kế cánh hướng dòng máy bơm chìm hỗn lưu bằng phương pháp mới trong bài báo về nghiên cứu cánh hướng dòng máy bơm chìm [18] ( hình 1.8).
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm mô phỏng thủy lực thương mại Star – CD để mô phỏng dòng chảy trong bơm và phân tích hiệu suất thủy lực. Mô hình máy bơm chìm được nhóm tác giả lựa chọn để nghiên cứu có công suất động cơ điện chìm N = 14 kW và số vòng quay n = 1.450 v/ph. Mô hình bơm được lựa chọn trình bày tại hình 1.9.
Hình 1.8 Sơ đồ miền tính toán cánh
hướng dòng máy bơm chìm tại Trung Quốc Hình 1.9 Mô hình bơm của Trư ng Đại học Thanh Hoa, Bắc Kinh
10
Nhóm tác giả đã phân tích sự khác nhau giữa bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm hỗn lưu và máy bơm hỗn lưu thông thường là trị số góc loe (góc khuyếch tán) của bầu bộ phận hướng dòng máy bơm chìm lớn hơn nhiều so với máy bơm thông thường. Các tác giả cũng giải thích về một số nguyên nhân làm cho hiệu suất máy bơm chìm hỗn lưu với góc loe lớn thấp hơn máy bơm hỗn lưu cùng loại với góc loe nhỏ hơn, đồng thời, đã đưa ra kết quả nghiên cứu về hiệu suất thủy lực của máy bơm đạt được bằng mô phỏng số và bằng thực nghiệm.
Bài báo trình bày phương pháp thiết kế mới cho cánh hướng dòng có thể giúp cho hiệu suất thủy lực tăng thêm 5%. Cánh hướng dòng là yếu tố ảnh hưởng khá nhiều đến hiệu suất thủy lực của bơm chìm kiểu hỗn lưu.
Tuy nhiên, bài báo mới chỉ để cập đến vấn đề phương pháp thiết kế mới cho cánh hướng dòng với một vài giá trị số vòng quay đặc trưng, sau đó, thử nghiệm nhằm kiểm chứng mức độ chính xác của kết quả mô phỏng mà không đề cập đến giá trị góc loe của bộ phận hướng dòng.
Cũng liên quan đến vấn đề nghiên cứu cánh hướng dòng máy bơm chìm, năm 2015, tại Hội nghị quốc tế về điện tử và kỹ thuật năng lượng (PEEE 2015) nhóm tác giả H.M. Zhang và L.X. Zang thuộc khoa kỹ thuật cơ khí – trường đại học khoa học và công nghệ Côn Minh, Trung Quốc, đã công bố kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng số về vấn đề mài mòn của hạt rắn trong máy bơm chìm hướng trục phục vụ bơm nước thải trong bài báo:” Nghiên cứu mô phỏng số sự mài mòn cánh hướng dòng trong máy bơm chìm hướng trục[36].
Nhóm tác giả đã sử dụng code OpenFOAM với công cụ CFD để mô phỏng sự mài mòn cánh hướng dòng trong máy bơm chìm hướng trục. Với các thông số kỹ thuật của máy bơm mô hình để nghiên cứu như sau:
- Đường kính bánh công tác: D1 = 165mm - Số lá cánh bánh công tác: Z1 = 3
- Số lá cánh hướng dòng: Z2 = 8 - Cột nước thiết kế: Htk = 5,85m - Số vòng quay: n = 580v/ph
- Lưu lượng tính toán: Qtt= 0,981m3/h Mô hình máy bơm chìm hướng trục trong bài báo được lựa chọn trình bày trên hình 1.10.
Kết quả mô phỏng bằng phần mềm sử dụng công cụ CFD về sự tác động hạt rắn gây mài mòn cánh hướng dòng được trình bày trên hình 1.11 và hình 1.12.
Hình 1.10 Mô hình 3D máy bơm chìm hướng trục phục vụ thoát nước thải
11
Hình 1.11 Phân bố áp suất trên bề mặt cánh hướng dòng bơm nước thải
Hình 1.12 Sự tác động hạt rắn gây m i mòn cánh hướng dòng bơm nước thải (a. Độ m i mòn của hạt rắn phân bố trên cánh hướng dòng, b. Thể tích cát (hạt rắn) phân
bố trên cánh hướng dòng)
Nhóm tác giả đã giải thích rằng, trong nước thải có chứa cả các hạt rắn mà cụ thể ở nghiên cứu trong bài báo này, hạt rắn được đề cập đến là cát. Bơm chìm hướng trục sử dụng thoát nước thải làm việc ở chế độ dòng hai pha (nước – cát).
Kết quả mô phỏng đã chỉ rõ, tỷ lệ mài mòn của hạt rắn phần phía dưới (lưng cánh) của cánh hướng dòng lớn hơn so với phần trên cánh hướng (phần bụng cánh). Thông qua OpenFoam có thể mô phỏng đạt kết quả tốt. Bài báo công bố kết quả nghiên cứu về sự mài mòn của cánh hướng dòng máy bơm chìm hướng trục dưới tác động của hạt rắn trong bơm nước thải.
b) Tại Na Uy
Năm 2005, tại Hội nghị chuyên đề quốc tế về công nghệ sử dụng máy bơm, nhóm tác giả Adrea Hosy, Sigve Gjerstad và Jostein Smaamo ( Na Uy), đã công bố kết quả nghiên cứu
12
trong bài báo “ Thiết kế và phát triển các máy bơm điện chìm dùng cho lưu lượng lớn (Design and development electric submersible pumps for large capacities)”. [24].
Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng mô hình bơm hỗn lưu với thông số kỹ thuật:
- Lưu lượng: Q = 7.000m3/h - Cột nước: H = 213 ft ≈ 64 m - Số vòng quay: n = 980v/ph
- Đường kính bánh công tác: D1 = 825mm
- Số lá cánh bánh công tác: Z1 = 6 - Số lá cánh hướng dòng: Z2 = 11 - Chất lỏng bơm: Nước biển - Tần số: f = 50Hz
Mô hình 3D của máy bơm và hình ảnh thực tế trình bày trên hình 1.13.
Hình 1.13 Mô hình 3D và hình ảnh thực tế máy bơm chìm dùng cho bơm nước biển Nhóm tác giả đã sử dụng công cụ CFD để mô phỏng dòng chảy trong máy bơm (hình 2.14).
Hình 1.14 Mô hình 3D CFD kết hợp giữa bánh công tác v bộ phận
hướng dòng
Hình 1.15 Hiệu suất máy bơm chìm hỗn lưu theo mô ph ng số
13
Theo kết quả đạt được từ nhóm tác giả công bố, với các thông số kỹ thuật máy bơm chìm đã được chọn, tại điểm có công suất trục Ntr = 800kW, hiệu suất của máy bơm chìm theo mô phỏng số có thể đạt trên 80% (máy bơm hỗn lưu với cánh hướng dòng và cánh bánh công tác phù hợp) (hình 2.16).
Tại Na Uy, đã có những công trình nghiên cứu về nâng cao hiệu suất của máy bơm chìm với công suất lớn, lưu lượng lớn. Tuy nhiên, trên thực tế, chưa có cá nhân và tập thể nào công bố kết quả nghiên cứu về phương pháp tính toán, xác định sự ảnh hưởng của một số thông số kỹ thuật của cánh hướng dòng máy bơm chìm đến đặc tính năng lượng của bơm.
c) Tại Ucraina
Năm 2004, nhóm tác giả gồm Anatoliy A. Yevtushenko, Alexey N. Kochevsky, Natalya A. Fedotova (Đại học tổng hợp Ki ép, Ucraina) đã công bố công trình nghiên cứu của mình trên bài báo [35]. Máy bơm chìm hướng trục kiểu GV-IMP đã sử dụng bộ phận cánh hướng dòng với góc loe (góc khuyếch tán lớn). Mô hình nghiên cứu được nhóm tác giả lựa chọn thể hiện trên hình 1.16.
Hình 1.16 Mặt cắt kinh tuyến máy bơm hướng trục kiểu GV - IMP
Một số thông số kỹ thuật của máy bơm chìm mô hình với phần dẫn dòng được nhóm tác giả sử dụng là:
- Đường kính bánh công tác: D1 = 180mm - Số lá cánh bánh công tác: Z1 = 4
- Số lá cánh hướng dòng: Z2 = 5 - Góc bộ phận hướng dòng: γloe = 240
Công trình nghiên cứu với 03 giá trị tỷ số bầu cánh: d b = 0,28; 0,39 và 0,5.
Nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm CFX – TASCflow với sự hỗ trợ của CFD để mô phỏng dòng chảy trong máy bơm chìm hỗn lưu (hình 1.17).