(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh công tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns cao (10001200 v.ph)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đỗ Hồng Vinh

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC XOAY CÁNH CƠNG TÁC
LÊN ĐẶC TÍNH XÂM THỰC VÀ HIỆU SUẤT THỦY LỰC
CỦA BƠM HƯỚNG TRỤC VỚI ns CAO (1000-1200 v/ph)

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
2. TS. ĐỖ HUY CƯƠNG

Hà Nội - 2021


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.

TẬP THỂ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS. Trương Việt Anh

TS. Đỗ Huy Cương

1

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

NCS. Đỗ Hồng Vinh


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận án với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay
cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns
cao (1000-1200 v/ph)”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập
thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi; tập thể Ban
Giám hiệu, Bộ phận Đào tạo Sau Đại học - Phịng Đào tạo, Bộ mơn Máy Thủy Khí,
Viện Cơ khí động lực, giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tơi xin
bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trương Việt Anh và TS. Đỗ Huy Cương –
những thầy giáo trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho tơi hồn thành luận án này. Tơi
xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của tôi đang công tác tại Viện Bơm và
Thiết bị thủy lợi cùng gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tơi
trong suốt q trình thực hiện và hồn thành luận án này.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2021

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

NCS. Đỗ Hồng Vinh

2


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................ 10
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 13
1. Tính cấp thiết của đề tài. ................................................................................. 13
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................. 14
2.1. Mục đích nghiên cứu .................................................................................. 14
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................... 14
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................ 14
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài ........................................................................ 14
3.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ........................................................................ 14
4. Bố cục của Luận án .......................................................................................... 14
Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 16
1.1. Bơm hướng trục và các vấn đề cần nghiên cứu ........................................... 16
1.1.1. Đặc điểm bơm hướng trục ....................................................................... 16
1.1.2. Các kết quả nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng bơm hướng trục trong nước và
nước ngoài ........................................................................................................ 18
1.1.3. Một số vấn đề cần nghiên cứu đối với bơm hướng trục cỡ lớn .................. 22
1.2. Tổng quan các nghiên cứu về ảnh hưởng của góc xoay cánh đến đặc tính
năng lượng và xâm thực trong bơm hướng trục. .............................................. 22
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước về xâm thực trong bơm hướng trục .... 24
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước về xâm thực trong bơm hướng trục .... 28
1.3. Vấn đề nghiên cứu của luận án ................................................................... 29
1.4. Nội dung cơ bản của luận án ........................................................................ 30

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......... 32
2.1. Cơ sở lý thuyết .............................................................................................. 32
2.1.1. Cơ sở lý thuyết thiết kế cánh bơm hướng trục theo phương pháp
Vôzơnhexenski - Pêkin...................................................................................... 32
2.1.2. Cơ sở lý thuyết để xây dựng đặc tính năng lượng và ảnh hưởng của góc xoay
cánh .................................................................................................................. 36
2.1.3. Cơ sở lý thuyết sự hình thành xâm thực trong bơm hướng trục và ảnh hưởng
của góc xoay cánh đến đặc tính xâm thực. ......................................................... 48
2.2. Phương pháp nghiên cứu. ............................................................................. 55
2.2.1. Nghiên cứu lý thuyết ............................................................................... 55
2.2.2. Nghiên cứu trên mơ hình tốn. ................................................................. 56
2.2.3. Nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình vật lý ........................................... 56

3


2.2.4. Lựa chọn mơ hình bơm cho nghiên cứu.................................................... 58
Chương 3.NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG................................................. 60
3.1. Nghiên cứu thiết kế và lựa chọn mẫu bơm với ns cao và khảo sát đánh giá
bằng mô phỏng..................................................................................................... 60
3.1.1. Lựa chọn thông số và thiết kế mẫu đặc trưng ........................................... 60
3.1.2. Mơ hình và phương pháp tính tốn mơ phỏng .......................................... 66
3.1.3. Phân tích kết quả mơ phỏng ......................................................................... 73
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh đến đặc tính xâm thực và hiệu
suất của bơm hướng trục ns cao bằng mô phỏng ............................................... 74
3.2.1. Mơ hình tính và phương pháp tính tốn .................................................... 75
3.2.2. Phân tích kết quả mơ phỏng về sự phân bố của trường dòng chảy trong bơm
tại điểm tối ưu của mơ hình cánh cầu ................................................................. 79
3.2.3. Phân tích sự ảnh hưởng của góc đặt cánh tới trạng thái xâm thực và hiệu suất
bơm .................................................................................................................. 83

3.2.4. Kết luận việc lựa chọn mẫu khảo sát đánh giá về góc xoay và đặc tính thủy
lực .................................................................................................................... 91
Chương 4.NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM...................................................... 93
4.1. Chế tạo thiết bị và xây dựng mô hình thí nghiệm phục vụ nghiên cứu thực
nghiệm .................................................................................................................. 93
4.1.1. Chế tạo thiết bị ........................................................................................ 93
4.1.2. Lắp đặt bơm mô hình vào hệ thống thí nghiệm ......................................... 95
4.2. Đo các thơng số của máy bơm ...................................................................... 96
4.2.1. Trình tự thí nghiệm .................................................................................. 96
4.2.2. Tính tốn xử lý số liệu ............................................................................. 97
4.2.3. Xác định sai số đo ................................................................................... 97
4.3. Thí nghiệm xây dựng đặc tính xâm thực, thủy lực và quan hệ hiệu suất với
góc xoay cánh thay đổi....................................................................................... 100
4.3.1. Kết quả thí nghiệm xây dựng đặc tính làm việc tại các góc xoay cánh khác
nhau ................................................................................................................. 101
4.3.2. Kết quả thí nghiệm xâm thực tại các góc xoay cánh khác nhau ................ 105
4.4. Nhận xét và bàn luận về kết quả thí nghiệm.............................................. 109
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 113
1. Kết luận .......................................................................................................... 113
2. Kiến nghị ........................................................................................................ 114
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.............. 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 116
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 118

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
N
Nđc

Ntl
Ntr

đc
tl
Q
ck
K
KZi
KCDi
KQ
KH
KHtư
C
C*
Cy
Cx

Công suất
Công suất động cơ
Công suất thuỷ lực
Công suất trên trục
Hiệu suất
Hiệu suất động cơ
Hiệu suất thuỷ lực
Hiệu suất lưu lượng
Hiệu suất cơ khí
Hệ số dự trữ cơng suất
Hệ số phân bố vận tốc hướng trục
Hệ số chèn dòng tiết diện thứ i

Hệ số lưu lượng
Hệ số cột áp
Hệ số cột áp tối ưu
Hệ số xâm thực
Hằng số tích phân
Hệ số lực nâng
Hệ số lực cản

C = max/L Độ dày tương đối max của profil
Z
Z1
Z2
Ztư
n
ni
ns
ntd
H
H1t
Htt
Htb
Htư
Hhd
H

Số lá cánh
Số lá cánh của bánh công tác
Số lá cánh của cánh hướng dòng
Số lá cánh tối ưu
Số vòng quay làm việc của bơm

Vòng quay làm việc ở điểm i của bơm
Số vòng quay đặc trưng của bơm
Số tiết diện tính tốn
Cột áp
Cột áp lý thuyết
Cột áp tính tốn
Giá trị trung bình của áp suất tại điểm đo
Cột áp tại điểm làm việc tối ưu
Cột áp hút dư nhỏ nhất
Tổn thất cột nước trong lưới

5


HM
hh

Giá trị mạch động áp suất
Độ giảm động áp lực
Tổn thất năng lượng tương đối
h
Q
Lưu lượng
Qtb
Giá trị trung bình của lưu lượng tại điểm đo
Qtư
Lưu lượng tại điểm làm việc tối ưu
𝑄 = Q/Qtư Lưu lượng tương đối so với lưu lượng điểm tối ưu
D
Đường kính bánh cơng tác

d
Đường kính bầu bánh cơng tác
d
Tỷ số bầu cánh
Rb
Bán kính bầu cánh
Ri
Bán kính của các tiết diện tính tốn thứ i
Rtb
Bán kính trung bình
RD
Bán kính lớn nhất của cánh ở ngồi biên
maxi
Chiều dày max của các tiết diện i
(max/L)b Độ dày tương đối max ở tiết diện sát bầu
(max/L )D Độ dày tương đối max ở tiết diện ngoài biên
a, b, ..., x: Sai số giới hạn tương đối của các thông số đo
u
Vận tốc theo

Vận tốc góc

Khe hở giữa bánh cơng tác và vành mòn
a, b, ... , x: Sai số giới hạn đo tuyệt đối của các thông số đo

Khoảng cách giữa hai lưới bánh công tác và cánh hướng
w
Vận tốc tương đối
w2u
Thành phần theo phương u của vận tốc tương đối sau khi ra khỏi cánh

w1u
Thành phần theo phương u của vận tốc tương đối trước khi vào cánh
wz
Thành phần theo phương dọc trục của vận tốc tương đối
w
Vận tốc tương đối ở vô cực
Lưu số của bánh công tác

Lưu số mỗi lá cánh
1

p1
p2
p


g
X

Áp suất trước khi vào cánh
Áp suất sau khi ra khỏi cánh
Tổn thất năng lượng
Trọng lượng riêng của nước
Khối lượng riêng của nước
Gia tốc trọng trường
Lực theo phương x

6

Y
Lực theo phương y
 = 2 - 1 Góc ngoặt của vận tốc
bt
Góc ngoặt bình thường của vận tốc
max
Góc ngoặt max của vận tốc
o
Gia số độ cong profil
õ0
Góc đặc trưng cho độ cong của profil
2
Góc W2 với phương u

Góc của W với phương u
1
Góc W 1 với phương u
2 = 90o- 2 Góc tạo bởi phương của vận tốc W2 và trục z

Góc đặt cánh

Góc chỉ hướng của vận tốc tuyệt đối

goc
bien
T

+ Góc va (trong trường hợp tính tốn cánh cơng tác)
+ Góc xoay cánh (trong trường hợp xoay cánh)
Góc đặt profin gốc cánh

Góc đặt profin ngồi biên
Bước lưới

To = T/L Bước lưới khi L 0 = 1
T/L
Bước lưới tương đối dãy cánh
L
Chiều dài dây cung đường nhân lá cánh
L1
Chiều dài dây cung của bánh công tác lưới thứ nhất
L/T
Mật độ dãy cánh
(L/T)D
Mật độ dãy cánh ở ngoài biên
(L/T)b
Mật độ dãy cánh ở bầu
(L/T)tb Mật độ dãy cánh ở tiết diện trung bình
(L/T)tuD Mật độ dãy cánh ở ngồi biên tối ưu
(L/T)tu Mật độ dãy cánh ở tối ưu
lmơ
Chiều dài bầu cánh
ltđ
Chiều dài của cung tương đương
V
Vận tốc tuyệt đối
Vu
Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối
Vz
Thành phần dọc trục của vận tốc tuyệt đối
V1u

Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối trước khi vào cánh
V2u
Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối sau khi ra khỏi cánh
Va1u
Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối trước cánh hướng
Va2u
Thành phần theo phương u của vận tốc tuyệt đối sau cánh hướng

Hệ số xâm thực

7


gh
Re
v
t1
t2
(s)
o (t)
1 (t)
r(s,t)

Hệ số xâm thực tới hạn
Số Reynolds
Hệ số nhớt động năng
Thời gian chuyển dịch tương đối của lưới trên một bước của lưới thứ nhất
Thời gian chuyển động của sóng dọc theo profil
Mật độ phân bố xốy trên đường nhân
Hàm dịng của dịng song phẳng khơng nhiễu

Hàm dịng cảm ứng tạo bởi các xoáy liên hợp
Khoảng cách từ điểm khảo sát của profil tới điểm A, tại đó có
phân bố xốy d
rk
Khoảng cách giữa điểm z của dịng chảy mà tại đó xác định hàm
số dịng và điểm s trên cung thứ k của lưới.
f = ftđ - ftt : Chênh lệch độ cong của cung tương đương và cung tính tốn

f = f/L : Độ cong tương đối tính bổ sung thêm của cung tương đương.
y
Chiều dày lớp biên
b = (D1 - dmo)/2 : Chiều dày cánh theo phương hướng kính.
Lc
Chiều dài profil cánh ở tiết diện biên.

8


DANH MỤC CÁC BẢNG
1

Bảng 1.1

Bảng phân loại máy bơm theo ns

2

Bảng 1.2

Thông số cơ bản các bơm hướng trục phổ biến ở Liên Xô cũ

3

Bảng 2.1

Bảng tọa độ Profil mẫu VIGM 420

4

Bảng 3.1

Các thông số mô phỏng tại điểm thiết kế

5

Bảng 3.2

Các thông số thực nghiệm đối chứng kết quả mô phỏng tại
điểm thiết kế

6

Bảng 3.3

Kết quả mô phỏng phương án D352 trụ tại điểm thiết kế

7

Bảng 3.4

Kết quả mô phỏng phương án D352 cầu tại điểm tối ưu

8

Bảng 3.5

Bảng kết quả mơ phỏng tại Góc -6 độ

9

Bảng 3.6

Bảng kết quả mơ phỏng tại Góc -3 độ

10

Bảng 3.7

Bảng kết quả mơ phỏng tại Góc 0 độ

11

Bảng 3.8

Bảng kết quả mơ phỏng tại Góc +3 độ

12

Bảng 3.9

Bảng kết quả mơ phỏng tại Góc +6 độ

13

Bảng 3.10

Sai số của hiệu suất giữa tính theo đồ thị và theo mơ phỏng

14

Bảng 3.11

Bảng dự báo các vùng bị xâm thực và các dạng xâm thực
xảy ra theo góc xoay

15

Bảng 4.1

Bảng thống kê các vùng bị xâm thực khi xoay cánh

16

Bảng 4.2

Bảng tính gíá trị KHtư và th tại các góc xoay cánh  khác
nhau

9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
1

Hình 1.1 Sự thay đổi hình dạng của bánh cơng tác theo ns

2
3
4
5
6

Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3

7

Hình 2.4

8

Hình 2.5

9
10

Hình 2.6

Hình 2.7

Biểu đồ vùng sử dụng bơm hướng trục kiểu O và kiểu cánh quay OП
Trạm bơm cánh cống dùng bơm HT chìm hãng Ishigaky (Nhật)
Sơ đồ lưới profil mỏng vô cùng và phân bố xoáy trên đường nhân
Biểu đồ quan hệ =f(T0,0) với 0 < 35÷40o và 0 < 20÷26o
Biểu đồ để xác định góc va  ứng với các độ cong 0 khác nhau
Các đường cong biểu diễn quan hệ phụ thuộc của L* vào
bước lưới tương đối T/L và góc đặt i của profil
Đồ thị xác định bổ sung độ cong tính tới ảnh hưởng chiều dày
profil
Sơ đồ để tính tổn thất do va đập
Đường đặc tính lý thuyết =f(Q)

11 Hình 2.8 Hệ thống thiết bị thí nghiệm để vẽ đặc tính máy bơm
12 Hình 2.9 Đường đặc tính làm việc của bơm hướng trục
13 Hình 2.10 Sơ đồ các tam giác vận tốc
14 Hình 2.11 Các thành phần tam giác vận tốc khi tăng giảm góc đặt cánh
Đường đặc tính làm việc ở các góc xoay cánh khác nhau của bơm
15 Hình 2.12
hướng trục
16 Hình 2.13 Đặc tính tổng hợp máy bơm OП6-145 với n=300 vịng/phút
17 Hình 2.14Đặc tính tổng hợp khơng thứ ngun máy bơm OП6
18 Hình 2.15 Dịng chảy bao profil
19
20
21
22
23
24

25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36

Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18
Hình 2.19
Hình 2.20
Hình 2.21
Hình 2.22
Hình 2.23
Hình 2.24
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8

Hình 3.9

Các dạng xâm thực xẩy ra trên chân vịt tàu thủy
Xâm thực riêng phần
Siêu xâm thực
Xâm thực dạng tấm
Xâm thực dạng bọt
Xâm thực dạng mây trên cánh thủy động
Xâm thực xoáy chân vịt tàu thủy
Đồ thị quan hệ (L/T) =f(K )và  th  f ( K Htu )
Sơ đồ tính tốn trong Ansys Flow (CFX)
Bản vẽ thiết kế cánh cơng tác mơ hình D340mm trên SolidWorks
Bản vẽ mơ phỏng 3D bánh cơng tác bơm mơ hình D340mm
Bản vẽ thiết kế cánh hướng mơ hình trên SolidWorks
Bản vẽ mơ phỏng 3D cánh hướng bơm mơ hình
Bản vẽ thiết kế bộ dẫn dịng bơm mơ hình
Thiết kế mơ phỏng 3D phần dẫn dịng bằng phần mềm SolidWorks
Mơ hình bánh cơng tác trong môi trường Design modeler
Lưới cấu trúc cho Rotor (Bánh công tác)
Lưới cấu trúc cho stator (Phần đẩy)

10


37
38
39
40
41
42

43
44
45
46
47
48
49
50

Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 3.22
Hình 3.23

Lưới cấu trúc cho phần Suction (hút)
Mơ hình tính trong CFX
Độ nhạy cảm của lưới
Số lượng lưới tại các domain
Tiêu chuẩn hội tụ mơ hình lưới cấu trúc
Phân bố đường dòng trong hệ thống

Phân bố vận tốc trên mặt cắt dọc trục
Phân bố áp suất trên mặt cắt dọc trục
Phân bố áp suất trên cánh bánh cơng tác
Phân bố bọt khí trên cánh bánh cơng tác
Hình ảnh các tổ máy bơm lắp đặt tại trạm bơm Phí Xá, Hải Dương
Bản vẽ xâu cánh cơng tác mơ hình Dcầu = 352mm
Bản vẽ thiết kế bộ dẫn dịng bơm mơ hình Dcầu = 352mm
Mơ hình tính tốn trong cơng cụ thiết kế mơ hình (Design modeler)

51 Hình 3.24 Mơ hình tính tốn phần động (bánh cơng tác)
52 Hình 3.25 Mơ hình tính tốn phần tĩnh
53 Hình 3.26 Mặt cắt cánh hướng
54 Hình 3.27 Mơ hình tính trong CFX
55 Hình 3.28 Độ nhạy cảm lưới
56 Hình 3.29 Phân bố áp suất trên mặt lưng cánh
57 Hình 3.30 Phân bố áp suất trên mặt bụng cánh
58 Hình 3.31 Phân bố áp suất trên cánh View 3D
59 Hình 3.32 Phân bố áp suất tiết diện sát vành mịn R0.995
60 Hình 3.33 Phân bố bọt khí trên mặt lưng cánh
61 Hình 3.34 Phân bố bọt khí trên mặt bụng cánh
62 Hình 3.35 Phân bố bọt khí trên cánh View 3D
63 Hình 3.36 Phân bố vận tốc tại khe hở đầu cánh
64 Hình 3.37 Phân bố vận tốc tại khe hở đầu cánh View 3D
65 Hình 3.38 Hình ảnh chi tiết phân bố vận tốc trong buồng bánh cơng tác
66 Hình 3.39 Phân bố đường dịng trong bơm
67 Hình 3.40 Phân bố đường dịng trong vùng sát vành mịn mơ hình cánh cầu
68 Hình 3.41 Phân bố áp suất dọc trục
69 Hình 3.42 Phân bố vận tốc dọc trục
70 Hình 3.43 Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại Góc -6 độ
71 Hình 3.44 Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại Góc -3 độ

72 Hình 3.45 Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại Góc 0 độ

11


73
74
75
76
77
78
79

Hình 3.46
Hình 3.47
Hình 3.48
Hình 3.49
Hình 3.50
Hình 3.51
Hình 3.52

Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại Góc +3 độ
Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại Góc +6 độ
Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại các góc xoay cánh khác nhau
Đồ thị tưf
Kiểm tra tính đúng đắn các hàm số đồ thị tưf
Đồ thị H=f()
Hình ảnh mơ phỏng các dạng xâm thực
Hình ảnh mơ phỏng đường dịng vùng mép cánh các dạng xâm
80 Hình 3.53

thực
81 Hình 4.1 Sơ đồ thí nghiệm đo các thơng số máy bơm mơ hình ns 1200v/ph
82 Hình 4.2 Bản vẽ lắp bơm mơ hình cánh cầu Dcầu =352mm
83 Hình 4.3 Bánh cơng tác cánh xoay Dcầu = 352mm
84 Hình 4.4 Cánh hướng bơm mơ hình
85 Hình 4.5 Vành mịn dạng buồng cầu hai nửa có cửa quan sát
86 Hình 4.6 Máy bơm mơ hình đã lắp đặt trong hệ thống thí nghiệm
87 Hình 4.7 Cửa quan sát trên vỏ buồng cầu bánh cơng tác
88 Hình 4.8 Quan sát thí nghiệm bằng đèn tần số
89 Hình 4.9 Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại Góc -6 độ
90 Hình 4.10 Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại Góc -3 độ
91 Hình 4.11 Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại Góc 0 độ
92 Hình 4.12 Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại Góc +3 độ
93 Hình 4.13 Đặc tính làm việc bơm mơ hình tại Góc +6 độ
94 Hình 4.14 Đặc tính làm việc bơm mơ hình ns 1200 tại các góc xoay cánh
95 Hình 4.15 Đặc tính tổng hợp bơm mơ hình ns 1200 với Dcầu=352; n=980v/ph
96 Hình 4.16 Đặc tính tổng hợp khơng thứ ngun bơm ns  1200 v/ph
97 Hình 4.17 Đồ thị biến thiên hiệu suất bơm theo góc xoay cánh  =f()
98 Hình 4.18 Đồ thị biến thiên cột áp bơm theo góc xoay cánh H =f()
99 Hình 4.19 Đồ thị L/Lc=f() và H=f() tại Góc 0 độ
100 Hình 4.20 Đồ thị L/Lc=f() và H=f() tại Góc -3 độ
101 Hình 4.21 Đồ thị L/Lc=f() và H=f() tại Góc -6 độ
102 Hình 4.22 Đồ thị L/Lc=f() và H=f() tại Góc +3 độ
103 Hình 4.23 Đồ thị L/Lc=f() và H=f() tại Góc +6 độ
104 Hình 4.24 Đồ thị biến thiên của hệ số xâm thực tới hạn theo góc xoay cánh
105 Hình 4.25 Đồ thị biến thiên của hàm số H = f()
Hình ảnh xâm thực mạnh trong thí nghiệm xâm thực tại điểm làm
106 Hình 4.26 việc tối ưu của Góc 0 độ khi áp suất hút giảm xuống cịn 0.847
bar.
Xâm thực tại điểm làm việc tối ưu Góc-3 độ khi áp suất hút giảm

107 Hình 4.27.
cịn 0.832bar (và 0,799 bar (1.229)

12


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Nước ta là một nước mà ngành nơng nghiệp đóng một vai trị rất quan trọng
trong nền kinh tế quốc dân. Chính vì thế công tác thuỷ lợi nhằm phục vụ tưới tiêu
đảm bảo cho sản xuất nông nghiệp luôn là vấn đề được coi trọng hàng đầu. Đối với
các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, loại hình cơng trình thuỷ lợi chính để
làm nhiệm vụ tưới tiêu cho lúa và các cây trồng khác là các trạm bơm động lực. Các
loại máy bơm nói chung và máy bơm hướng trục nói riêng được sử dụng hết sức rộng
rãi.
Trong những năm gần đây, dưới ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, nhu cầu tưới
tiêu cho nông nghiệp và thủy lợi, đặc biệt là nhu cầu tiêu thoát nước lũ vào mùa mưa
bão khơng ngừng tăng lên. Nhiều trạm bơm có lưu lượng và công suất lớn đã và đang
được xây dựng để đáp ứng nhu cầu đó. Hầu hết các trạm bơm lớn này được đầu tư
xây dựng với việc sử dụng các loại bơm truyền thống, mà chủ yếu là các loại bơm
hướng trục có số vịng quay đặc trưng (ns) vừa và thấp (ns=500-900 v/ph). Với việc
sử dụng bơm hướng trục ns cao (ns >1000 v/ph) vào các trạm bơm lớn này, chi phí
đầu tư xây dựng và chi phí vận hành khai thác có thể giảm đáng kể so với việc sử
dụng bơm hướng trục ns thấp nhờ ưu thế về kích thước và khối lượng tổ máy bơm ns
cao rất nhỏ gọn (khối lượng nhỏ hơn nhiều so với kiểu truyền thống), tuổi thọ và độ
bền cao. Bên cạnh các ưu điểm đó, bơm hướng trục ns cao cịn phù hợp với các địa
bàn có cột nước địa hình thấp và trung bình của hầu hết các tỉnh thành đồng bằng ven
biển nước ta, đặc biệt là khu vực đồng bằng sơng Cửu Long. Qua đó có thể khẳng
định, việc xây dựng các trạm bơm điện công suất lớn với việc sử dụng máy bơm
hướng trục ns cao sẽ đem lại hiệu quả kinh tế to lớn và lâu dài, rất phù hợp với điều

kiện Việt Nam.
Từ các đặc điểm về phạm vi ứng dụng và các thông số của bơm hướng trục cột
nước thấp cùng với thực tiễn nghiên cứu trong những năm qua đã chỉ ra rằng nhiệm
vụ cơ bản của việc nghiên cứu mở rộng vùng làm việc của bơm hướng trục cột nước
thấp là xây dựng được mơ hình bơm có ns cao tức là tăng số vòng quay và tăng khả
năng thốt mà vẫn đảm bảo bơm có khả năng chống xâm thực tốt và có hiệu suất cao.
Hiện tại, chúng ta đã có một số nghiên cứu về bơm hướng trục ns cao, trong đó dài
ns1200v/ph được nghiên cứu nhiều nhất và có nhiều kết quả có thể ứng dụng vào
thực tiễn. Các nghiên cứu về bơm hướng trục ns 1200v/ph có các đề tài nghiên cứu
cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm với nội dung chủ yếu là: đánh giá ảnh hưởng của các
thơng số hình học (tỷ số bầu db/D, mật độ lưới cánh l/t, số là cánh Z…) của bánh cơng
tác tới đặc tính làm việc và hiệu suất của bơm. Tuy nhiên, về mặt xâm thực, chúng ta
chưa có nghiên cứu chuyên sâu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm. Việc nghiên cứu mở
rộng vùng làm việc cho bơm hướng trục ns cao cũng chưa được đề cập đến.
Để mở rộng phạm vi làm việc cho một máy bơm hướng trục, chúng ta có hai
phương pháp cơ bản: điều chỉnh số vịng quay và xoay góc đặt cánh. Với các bơm
hướng trục cơng suất lớn thì việc thay đổi góc đặt cánh (xoay cánh) là phổ biến vì
việc thay đổi số vịng quay gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật và bị hạn chế về công
suất. Như vậy có thể thấy rằng việc nghiên cứu mở rộng phạm vi làm việc cho bơm

13


hướng trục ns cao bằng phương pháp xoay cánh là nhu cầu hết sức cấp thiết hiện nay.
Để mở rộng phạm vi làm việc bằng xoay cánh có hiệu quả, cần nghiên cứu ảnh hưởng
của góc xoay cánh đến các thông số làm việc của bơm như cột áp, lưu lượng, hiệu
suất và chiều cao hút của bơm … , từ đó đưa ra được các khuyến cáo cần thiết để giúp
cho nhà thiết kế chọn được điểm thiết kế tối ưu nhất cũng như giúp cho nhà quản lý
chọn được góc xoay cánh phù hợp để đảm bảo bơm vận hành hiệu quả nhất.
Chính vì vậy, luận án này đã chọn lĩnh vực “Nghiên cứu ảnh hưởng của góc

xoay cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục
với ns cao (1000-1200 v/ph)” làm nội dung nghiên cứu cơ bản.

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng của thơng số góc xoay cánh đến hiệu
suất và đặc tính xâm thực của bơm hướng trục ns cao (1000 – 1200 v/ph).
- Đưa ra các khuyến cáo cho việc tính toán thiết kế và lựa chọn bơm cho khai
thác vận hành các trạm bơm lớn sử dụng bơm ns cao.
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Bơm hướng trục có số vịng quay đặc trưng ns cao (1000-1200 v/ph).
- Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực và
hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns cao (1000-1200 v/ph).

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Xây dựng được đặc tính làm việc tổng hợp và đặc tính tổng hợp không thứ
nguyên của gam bơm hướng trục ns1200v/ph, bổ sung vào dãy gam bơm hướng trục
được thiết kế, sản xuất ở nước ta đáp ứng được nhu cầu cấp thiết hiện nay.
- Cung cấp các kết quả nghiên cứu khảo sát về trường dòng chảy trong bơm
hướng trục ns cao, bổ sung cho khoa học cơ bản trong lĩnh vực bơm hướng trục nói
chung và bơm hướng trục ns cao nói riêng.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Mơ hình bơm hướng trục ns = 1200 v/ph được chế tạo sẽ đáp ứng được nhu
cầu bơm nước tưới tiêu cho điều kiện cột nước địa hình thấp và lưu lượng lớn.
- Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng để xây dựng qui trình vận hành với
việc xác định vùng làm việc tối ưu của bơm khi mở rộng phạm vi làm việc bằng xoay
cánh cũng như tham khảo để thiết kế tính tốn thiết kế bơm hướng trục n s cao.

4. Bố cục của Luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận với tổng số 117 trang
(chưa kể phần phụ lục), 16 bảng, 107 hình vẽ và đồ thị cùng 33 tài liệu tham khảo.
Các phần chính của luận án được phân bố như sau:

14