4. Mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
4.1.3. Khảo sát lưu lượng dòng chảy sông suối
Qua số liệu điều tra cho thấy mạng lưới sông suối ở tỉnh Lào Cai, Yên Bái có 3 sông chính và 300 suối chính, mật độ dày đặc 1.75 km sông suối chính/km2 đất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.1. Suối Thia – dòng chảy mùa cạn
Đặc điểm các dòng chảy các sông suối ở các vùng khảo sát trên về mùa mưa có lưu lượng và vận tốc dòng chảy lớn. Lưu lượng sông có mức từ vài trăm đến 1.000m3/s. Lưu lượng suối có mức từ vài chục đến 100m3/s.Vận tốc dòng chảy sông khoảng 1,2m2/s, có chỗ đạt tới 1,8-2,0m2/s. Tốc độ suối khoảng 0,8m2/s.
Về mùa khô lưu lượng và vận tốc dòng chảy ở các con sông, suối giảm nhiều nhưng cũng còn khá lớn.
Lưu lượng sông ở mức 50-100m3/s, suối 10-15m3/s. Vận tốc dòng chảy sông là 0,6-0,9m2/s, còn đối với dòng chảy suối có vận tốc 0,25m2
/s - 0,32m2/s.
Sở dĩ trong mùa khô, mưa ít lượng nước bốc hơi nhiều hơn lượng mưa nhưng sông suối vẫn có lưu lượng và vận tốc dòng chảy đó là do nước nguồn.
4.1.4. Đánh giá khả năng ứng dụng bơm xoắn ốc chạy bằng sức nước dòng chảy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Điều kiện để dòng chảy tác động quay được bơm là lưu lượng dòng chảy phải đủ mạnh và vận tốc dòng chảy phải đủ nhanh.
Vòng quay bơm quay được tính theo công thức:
k D v n s . (4.1) Trong đó: n - Vòng quay của bơm, vòng /phút;
v - Vận tốc dòng chảy sông, suối, m/s;
D - Đường kính cuộn ống ( bánh xe bơm) 2,5 3 m
k - Hệ số hiệu suất sử dụng dòng chảy, k = 0,6
Áp dụng ứng với số liệu khảo sát
Với sông có vận tốc trung bình: v = 0,6 0,9 m/s bơm sẽ quay được
k D v n . .0.6 2,29 3,34 3 54 36 v/ph
Với suối, vận tốc trung bình dòng chảy là: v = 0,25 0,32 m/s hay 15 19,2 m/ph. Bơm sẽ quay được số vòng quay là:
n = .0.6 0,95 1,22 3 2 , 19 15 v/ph
Qua tính toán trên ta thấy rằng với dòng chảy của sông có thể quay được bơm, nhưng tốc độ quá thấp còn đối với dòng suối thì không chạy được bơm.
Tốc độ đưa vào công thức tính ở trên là tốc độ thống kê khảo sát, đó là vận tốc trung bình trên toàn bộ mặt cắt sông suối tại điểm đo.
Trong thực tế có nhiều chỗ sông suối có địa hình đặc biệt, nước bị dồn nén lại, tạo nên dòng chảy mạnh có vận tốc đạt trên 1m/s, có nơi đạt 1,2 2,0 m/s.
Qua điều tra khảo sát trực tiếp vào tháng mùa khô nhất, ở một số nơi trong xã Tân Thành, huyện Trấn Yên, tỉnh Yên Bái thuộc hữu ngạn sông Hồng có số đo vận tốc dòng chảy cách bờ 5m đạt 1,25m/s. Tại suối Nhì xã Sơn Tịnh huyện Văn Chấn có vận tốc dòng chảy v =1,43m/s. Tại Ngòi Thia - Tú Lệ - Văn Chấn có vận tốc dòng chảy v = 0,85m/s.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 0,6 4,2 3 60 1 , 1 . D k v n v/phút
Đây là vận tốc trong vùng làm việc thích hợp của bơm xoắn ốc. Trong thực tế khi bố trí nơi đặt bơm có nhiều cách tạo nên dòng chảy có vận tốc lớn.
Đối với trường hợp đặt bơm trên các con suối, ta có thể gom đá sỏi làm phai để tạo dòng chảy mạnh.
Trường hợp đặt bơm ở dưới sông thì dùng tấm hướng dòng đặt dưới phao,... Như vậy để sử dụng bơm xoắn ốc trong mùa khô, ở nhiều chỗ sông suối đã có sẵn hoặc có thể tự tạo nên dòng chảy đủ mạnh quay được bơm.
4.1.5. Khả năng đưa nước lên cao
Vào thời kỳ mùa khô, ở những cánh đồng so với mực nước dòng chảy sông suối rất lớn, thường trung bình 5- 6 mét có nơi cao đến 10-15 mét. Vì vậy đưa nước tưới lên đến độ cao như vậy là rất cần thiết phục vụ nhu cầu sản xuất.
Bơm xoắn ốc quay chậm, đường kính bánh xe nhỏ nhưng đưa được nước lên rất cao, hoàn toàn đáp ứng được bình độ mặt đồng như trên. Khi thiết kế tăng độ cao nâng nước của bơm bằng cách:
- Tăng số vòng xoắn ốc trong mỗi cuộn ống.
- Tăng đường kính cuộn ống (đường kính bánh xe).
Qua các số liệu điều tra khảo sát và phân tích ở trên nhận thấy sông suối ở miền núi có 2 lợi thế là có mạng lưới các con sông suối dày đặc, và trong mùa khô – mùa cần tưới nước nhất thì lưu lượng và vận tốc dòng chảy của các sông suối vẫn khá lớn, đủ để làm quay bơm xoắn ốc.
Rõ ràng là bơm nước xoắn ốc có thể ứng dụng được tại nhiều địa điểm sông suối để lấy nước tưới cây trồng. Đây là một biện pháp kỹ thuật phù hợp để giải quyết việc tưới nước cho cây trồng hai bên bờ sông suối ở các tỉnh miền núi.
4.2. Thiết kế và chế tạo bơm xoắn ốc
Qua tham khảo các tư liệu đã có về loại bơm xoắn ốc ở trong và ngoài nước, đồng thời căn cứ vào điều kiện địa hình tự nhiên và dòng chảy sông suối ở địa phương triển khai ứng dụng, đề tài đã chọn kết cấu bơm nước xoắn ốc bằng sức
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
nước dòng chảy sông suối, đặt trên phao nổi được thiết kế về cơ bản có các bộ phận chính như sau:
Bơm nước xoắn ốc có cấu tạo chính bao gồm 2 bánh xe trên có gắn 4 cuộn ống xoắn ốc (hình 4.2). Đầu ngoài cùng của của mỗi cuộn ống xoắn ốc gắn ống múc có kích thước đường kính lớn hơn để múc nước nạp vào cuộn ống xoắn ốc. Đầu phía trong của cuộn ống xoắn ốc nối vào trục bơm. Các ống múc của các cuộn bơm đặt đối xứng nhau qua tâm trục bơm theo từng cặp phân bố đều trên chu vi bánh xe. Giữa 2 bánh xe gắn các cánh nhận nước, dưới tác động của dòng chảy lên cánh làm quay bơm. Trục quay của bơm là trục rỗng nằm ngang, vừa là trục bơm nhưng đồng thời cũng là ống thu gom dẫn nước ra ngoài đặt trên 2 gối đỡ. Một đầu trục bịt kín, còn đầu kia kết nối với ống xả nước bằng một khớp nối kín quay.
Ống xả nước ra có thể đặt ở vị trí thẳng đứng hoặc ngiêng với bất kỳ góc nào tuỳ thuộc vào địa thế nơi xả nước.
Toàn bộ các bộ phận trên của bơm được đặt trên khung có hai cụm phao nổi. Bơm xoắn ốc được thiết kế đặt trên phao nổi có lưu lượng và độ cao nâng nước phù hợp với thực trạng bình độ cánh đồng, vận tốc dòng chảy, lưu lượng dòng chảy đã được khảo sát.
4.2.1. Kết cấu các bộ phận kết cấu bơm xoắn ốc đặt trên phao nổi
1). Bánh xe bơm (hình 4.3): Kết cấu bánh xe bơm bao gồm đĩa moayơ, trên đó
gắn các nan hoa bằng thép góc và các thanh giằng nan hoa bằng thép lặp là.
Kích thước bánh xe bơm có đường kính ngoài cùng D = 2,5m, khoảng cách
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.2. Bơm xoắn ốc đặt trên phao nổi
1 - Bánh xe bơm, 2 - Cuộn ống xoắn ốc, 3 - Gối đỡ trục, 4 - Khớp nối ống kín quay, 5 - Trụ đỡ, 6 - Cánh nhận nước, 7 - Trục bơm, 8 - Khung bơm, 9 - Phao
2). Cuộn ống nước: Có đường kính trong của ống d = 58mm. Số cuộn ống của
bơm có thể tăng hay giảm được tùy ý, mỗi bên bánh xe gắn 2 cuộn.Vật liệu chế cuộn ống là nhựa PVC mềm hoặc loại dễ uốn.
Để có độ cao nâng nước cần thiết đến bình độ cánh đồng cần tưới, số vòng xoắn ốc của cuộn ống có thể tăng hoặc giảm được. Đầu trong của mỗi cuộn ống nối thông với trục bơm để chuyển nước vào trục. Đầu ngoài mỗi cuộn gắn ống múc.
3). Ống múc: Là đoạn ống có đường kính lớn hơn đường kính cuộn ống nước.
Số lượng ống múc là 4, mỗi bánh xe có gắn 2 ống múc cho 2 cuộn ống. Mỗi bánh xe gắn 2 ống múc đối xứng qua tâm trục bánh xe và xen kẽ giữa 2 ống của bánh xe bên đối diện. Ống múc có kích thước đường ống D = 100mmm, độ dài ống L = 2,4 m. Vật liệu ống múc là ống nhựa PVC mềm dễ uốn cong được.
1 2 3 5 6 4 9 8 7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.3. Bánh xe bơm
1- Moay ơ, 2 - Nan hoa, 3 - Thanh giằng
Hình 4.4. Cuộn ống nước - nhựa PVC
4). Khung bơm: Được chế tạo chủ yếu từ vật liệu thép góc.
5).Cánh nhận nước: Số lượng cánh là 12, vật liệu chế tạo là gỗ tấm có kích
thước hình chữ nhật 1,2 m x 0,5 m chiều dày 20 mm. Cánh nhận nước được gắn trên nan hoa, liên kết 2 bánh xe với nhau tạo thành khối hình lồng.
6). Trục bơm: Trục của bơm có kết cấu hình ống, là trục quay của bơm nhưng
đồng thời cũng là ống gom nhận nước từ 4 cuộn ống để chuyển ra ngoài phía đầu 2
3 1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
trục, qua khớp nối kín quay và ra ống xả. Vật liệu trục là thép ống có đường kính D = 86 mm, một đầu bịt kín, đầu kia gắn với khớp nối ống kín quay dẫn nước ra.
Hình 4.5. Trục bơm ( đồng thời là ống thu gom nước) 1 - Trục bơm, 2 - Đầu nối với cuộn ống nước - Khớp nối ống kín quay.
Hình 4.6. Khớp nối ống kín quay
1 - Ống bán trục, 2 - Ổ bi , 4 - Thân khớp nối, 5 - Gioăng cao su, 6 - Nắp bao ngoài, 7 - Giăng cao su, 8 - Cút nối với trục bơm, 10 - Cút nối với ống dẫn nước ra.
- Phao nổi: Sử dụng 4 hoặc 6 thùng phuy nhiên liệu ghép thành 2 mảng. 2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.7. Cụm phao nổi
1 - Khung đỡ cụm phao, 2 - Thùng phuy nhiên liệu tận dụng
4.2.2. Tính toán các thông số kỹ thuật của bơm xoắn ốc
Để thiết kế chế tạo bơm xoắn ốc, trước hết cần tính toán xác định các thông số cơ bản của bơm. Trên cơ sở nguyên lý làm việc của bơm và nghiên cứu phân tích lý thuyết, đã thiết lập các công thức tính toán xác định các thông số kỹ thuật chính của bơm xoắn ốc.
1/ Lưu lượng bơm trong một vòng quay (q) và trong 1 đơn vị thời gian (Q);
Để thuận đơn giản việc tính lưu lượng và xác định thông qua các mối liên hệ bằng công thức sau, trong đó đưa vào hệ số K1 :
4 2 2 1 D d N K q
Trong đó K1 - Hệ số nạp đầy của ống và luôn luôn nhỏ hơn < 0,5. Chọn K1 = 0,45.
37,5 4 25 . 58 . 0 . 4 . 45 , 0 2 2 q lít/vòng
Áp dụng công thức: Qn.q .Uớc lượng n = 4 5 vòng/phút
Q(45).37,5149,4186,8 lít /phút = 8,9611,21 m3/giờ. Hoặc Q =215-269 m3/ngày đêm
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2/ Tính chiều cao nâng nước tối đa của bơm nước Hmax
Áp dụng công thức: . 4 1 2 max K Dn H
Trong đó: K2 - hệ số độ cao nâng nước. K2 bằng = 1,01,2 (theo thực nghiệm). Chọn K2 = 1,0
Hmax 1,0(2,42,342,282,22)9,24.m
4.3. Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa các thông số kỹ thuật của bơm. Để đánh giá và xác định ảnh hưởng của các thông số và chế độ làm việc của Để đánh giá và xác định ảnh hưởng của các thông số và chế độ làm việc của bơm đến chỉ tiêu của bơm, đề tài đã tiến hành thực nghiệm các thí nghiệm với các thông số và chỉ tiêu sau:
a) Các thông số thí nghiệm:
- Số vòng ống trong một cuộn ống, z; - Đường kính của ống, d;
- Đường kính cuộn ống, D (cũng là đường kính bơm); - Số cuộn ống trên bơm, N;
- Đường kính gầu múc, dgm; - Vòng quay của bơm, n;
b) Chỉ tiêu đánh giá:
- Lưu lượng nước bơm được trong một vòng quay, q - Độ cao nâng nước lên cao tối đa H, m.
- Lưu lượng bơm Q, l/s
- Đánh giá hiệu quả kinh tế sử dụng và ý nghĩa thực của việc sử dụng loại bơm này phục vụ đời sống dân sinh và sản xuất nông nghiệp, bảo vệ môi trường.
Bảng 1. Kết quả thí nghiệm thay đổi số vòng ống của cuộn bơm
Các thông số thay đổi là: D = 2,5m, d = 58mm, N = 4 cuộn, dgm = 100mm,
n = 7 vòng/ph và mức nước ngập bánh xe bơm h = 320mm.
TT Số vòng ống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
(vòng) Hmax, m độ cao xả nước = 2/3
Hmax, q (lít/vòng) n (vòng/ph) 1 2 4,62 5,84 3,63 2 3 6,85 5,80 7,32 3 4 9,24 6,08 6,93 4 5 11,33 6,22 7,01 5 6 13,56 6,10 6,90
Qua thí nghiệm trên ta nhận thấy rằng số vòng quay bơm (n) không ảnh hưởng đến lưu lượng nước q. Nhưng số vòng ống tăng lên làm tăng nhanh độ
cao nâng nước (Hmax).
Ảnh hưởng của số vòng cuộn bơm đến độ cao nâng nước
0 2 4 6 8 10 12 14 16 2 3 4 5 6 Số vòng của cuộn, z Đ ộ c a o n â n g n ư ớ c , H
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Ảnh hưởng của số vòng cuộn bơm đến lưu lượng 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 19.8 2 3 4 5 6
Số vòng của cuộn ông, n
L ư u lư ợ n g b ơ m H , m 3 /p h ú t
Hình 4.9. Ảnh hưởng của số vòng cuộn đến lưu lượng nước một vòng quay Bảng 2. Kết quả thí nghiệm thay đổi kích thước gầu múc dgm.
Các thông số không tay đổi là: D = 2,5 m, d = 58mm, N = 4 cuộn,
n = 7 vòng/ph, h = 320mm.
Số vòng ống trong mỗi cuộn z (vòng
ống) Thông số được đo
Loại gầu múc lắp cho ống bơm 3,0 Hmax(m) 4,60 4,60 4,60 Lưu lượng một vòng ở 2/3 Hmax 4,12 5,80 7,48 6,0 Hmax 9,10 9,10 9,10
Lưu lượng một vòng quay
ở 2/3 Hmax q (lít/vòng) 4,5 6,10 7,20
Tăng kích thước gầu múc làm tăng lưu lượng, nhưng không ảnh hưởng đến chiều cao nâng nước. Với gầu múc D = 90mm có hiện tượng nước đổ ngược lại ở nửa vòng sau khi gầu múc quay từ đỉnh bơm xuống. Đối với 2 gầu múc nhỏ hơn thì hiện tượng này không xảy ra.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Như vậy mỗi vòng quay chỉ nạp được một lượng nước nhất định vào bơm và gầu múc phải có kích thước vừa đủ để nạp được lượng nước đó. Gầu múc nhỏ quá làm giảm lưu lượng bơm, nhưng to quá không tăng được lưu lượng bơm mà còn có hại là tăng lực quay bơm vì phải mang lượng nước thừa của gầu múc. Đây chính là cơ sở để tính toán kích thước gầu múc.