(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 (1000-1200 V.ph).Pdf

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


- Chương 1. Tổng quan: 16 trang (tr.16 – tr.31)
- Chương 2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu: 28 trang (tr.32 - tr.59).
- Chương 3. Nghiên cứu bằng mô phỏng: 33 trang (tr.60 - tr.92).
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm: 20 trang (tr.93 – tr.112).
- Kết luận và kiến nghị: 2 trang (tr.113 – tr.114).

15


Chương 1.
TỔNG QUAN
1.1. Bơm hướng trục và các vấn đề cần nghiên cứu
1.1.1. Đặc điểm bơm hướng trục
1.1.1.1. Phạm vi làm việc của bơm hướng trục
Bơm hướng trục là bơm trong đó dịng chảy chuyển động qua phần dẫn dịng
theo phương hướng trục.
Các bơm hướng trục được nghiên cứu và thiết kế chế tạo hiện nay thường có cột
nước H từ 2m đến 20m, với lưu lượng Q lớn đến hơn 100.000 m3/h.
Để phân biệt các loại bơm người ta dựa vào số vòng quay đặc trưng ns.
Số vòng quay đặc trưng của máy bơm ns :
Bánh công tác của máy bơm có rất nhiều dạng. Để lập quan hệ tương tự giữa
các dạng khác nhau của bánh công tác và phân loại chúng, người ta sử dụng khái
niệm số vòng quay đặc trưng.

Số vòng quay đặc trưng ns của máy bơm được xác định theo công thức:
n Q
(v/ph)
(1-1)
H3/ 4
Trong đó:
- n: số vịng quay của bơm, tính bằng v/ph
- H : cột áp bơm, tính bằng m
- Q; lưu lượng bơm, tính bằng m3/s
Số vịng quay đặc trưng ns là yếu tố quan trọng quyết định hình dạng của bánh
công tác máy bơm. Khi ns tăng tỷ số D2/D1 giảm xuống, cịn chiều rộng bánh cơng
tác B2 sẽ tăng lên (xem hình 1.1) ( nguồn [1] [2] [3] [7]).
ns  3,65

Hình 1.1. Sự thay đổi hình dạng của bánh công tác theo ns (nguồn[2])

Việc phân loại máy bơm theo ns có thể có sự sai khác chút ít giữa các tài liệu
tùy theo quan điểm và kinh nghiệm của người thiết kế, tuy nhiên về cơ bản có thể
tham khảo phạm vi dải ns của từng loại bơm như trong Bảng 1.1.

16


Bảng 1.1. Bảng phân loại máy bơm theo ns (nguồn [3])

TT
Loại máy bơm
ns (v/ph)
1
Ly tâm ns thấp

50 - 80
2
Ly tâm ns trung bình
80 - 150
3
Ly tâm ns cao
150 - 300
4
Hướng chéo
300 - 600
5
Hướng trục
600 - 1800
Như vậy máy bơm hướng trục có số vịng quay đặc trưng ns nằm trong khoảng
từ 600 – 1.800 v/ph. Ở trong khoảng này, bơm hướng trục n s cao có số vịng quay đặc
trưng ns từ 1.000 - 1.800 v/ph.
1.1.1.2. Khả năng ứng dụng của bơm hướng trục.
Bơm hướng trục được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống và sản
xuất. Thông thường bơm hướng trục giới hạn phạm vi cột áp H < 20m. Trong phạm
vi này, tùy theo đặc điểm của máy bơm để xác định số vòng quay đặc trưng ns của
bánh công tác khác nhau. Để hiểu rõ hơn về vấn đề này, ta hãy phân tích phạm vi áp
dụng của các bơm hướng trục kiểu O và kiểu cánh quay O của Liên Xô trước đây
(nguồn [2] [20]).

Hình 1.2. Biểu đồ vùng sử dụng bơm hướng trục kiểu O và kiểu cánh quay O  (nguồn [2])

Trên biểu đồ hình 1.2 ta nhận thấy trong vùng cột áp H từ 6 đến 20m có rất nhiều
loại bơm làm việc trong phạm vi này, với cột áp H < 6m thì số loại bơm làm việc
trong phạm vi này cịn rất ít. Đặc biệt với phạm vi làm việc có cột áp cực thấp H <
3,5 m ta dễ dàng thấy rằng chỉ có duy nhất một loại bơm làm việc trong phạm vi này

là bơm O6.

17


Như vậy, để mở rộng phạm vi làm việc của bơm hướng trục, nên ưu tiên xem xét
vùng làm việc với cột áp thấp (tương ứng với ns cao). Với vùng làm việc cột áp thấp,
như đã phân tích ở trên, chỉ có một mẫu bơm duy nhất là bơm O6 của Liên Xơ. Do
đó, ta có thể tham khảo mẫu bánh công tác O6 để nghiên cứu và xây dựng mơ hình
bơm hướng trục mới áp dụng cho điều kiện cụ thể của nước ta.
1.1.2. Các kết quả nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng bơm hướng trục
trong nước và nước ngoài
1.1.2.1. Nghiên cứu và sản xuất bơm hướng trục của các nước
Ở các nước tiên tiến, đặc biệt là ở Liên Xô cũ trước đây. Việc nghiên cứu thiết
kế, chế tạo bơm hướng trục đã thu được những thành tựu rất lớn. Các loại bơm hướng
trục có hiệu suất cao đã được gam hoá thành nhiều loại với phạm vi ứng dụng phủ
rộng từ lưu lượng một vài nghìn cho đến vài trăm nghìn m3/h và với cột áp từ một vài
mét tới hàng chục mét. Các ứng dụng chủ yếu của bơm hướng trục là ở trong các lĩnh
vực sau: chúng được dùng làm bơm tuần hoàn ở các khối máy cố định ở các nhà máy
nhiệt điện lớn, trong khối bơm ở các âu tàu, ở các kênh chính và trong hệ thống tưới
tiêu phục vụ nông nghiệp và thuỷ lợi, trong các nhà máy cấp nước cho thành phố và
công nghiệp…
- Ở Liên Xô cũ trước đây: Các bơm hướng trục được gam hoá thành 4 loại cơ
bản: O, O, B-60 và pB. Phạm vi làm việc của các bơm này rất rộng, lưu lượng
từ 1150 đến 66.000 m3/h, cột áp từ 1,7 đến 23 m, đặc biệt một số máy bơm cỡ lớn
như O11-260 có lưu lượng đạt tới 160.000 m3/h. Các loại máy bơm được sử dụng
rộng rãi nhất là: O-35, O2-87, O3-87, O2-110, O3-110,O4-110, O5-110,
O3-130, O2-145, O4-145, O5-145, O6-145, O2-185, B-60, 20pB-60,
30pB-60 và 75 pB-60…
Dưới đây là bảng các thông số cơ bản của một số bơm hướng trục được sử dụng

phổ biến ở Liên Xô cũ (nguồn [2] [13] [14]).
Bảng 1.2. Thông số cơ bản các bơm hướng trục phổ biến ở Liên Xô cũ (nguồn [2][20])

Loại bơm
O5-47
O5-55
O6-55
OP2-87
OP3-87
OP5-87
OP6-87
OP2-110
OP3-110
OP5-110
OP6-110
OP2-145
OP5-145

Q (m3/h)
1764-3996
3708-6444
2232-5580
7488-13284
8892-14580
8784-14220
5328-14544
11160-22320
14400-22500
14760-23892
7956-22392

19260-38448
24120-41040

H (m)
3.75-10.3
10-12.2
3.2-9.7
8.3-15.1
14.8-23.8
7.15-11.7
2.7-8.3
8.8-15.3
14.6-22.8
7.8-11.5
2.5-7.6
8.8-16.4
7.7-12.8

18

Nb (KW)
27-110
154-240
26-129
243-495
564-885
246-423
62-292
474-916
905-1368

455-750
86-487
830-1550
747-1380

n (v/ph)

ns (v/ph)

730; 960
960
730; 960
585
730
585
485; 585
485
585
485
365; 485
365
365

680-695
680-695
850-875
510-530
495-515
680-695
850-875

510-530
495-515
680-695
850-875
510-530
680-695


OP6-145
OP10-145
OP2-185
OP6-185
OP10-185
OP11-185
OP10-260
OP11-260

14400-38520
25920-39960
27720-54900
26280-54720
49320-74880
52920-79920
102240-152640
109800-163440

2.7-8.2
12.9-18
6.8-12.7
3.25-6.1

17.7-24.5
12.7-20.4
21-27.8
15-22.2

172-800
1300-1985
817-1720
363-948
3400-4880
2680-4040
7960-11250
6400-10100

365
365
250
250
333
333
250
250

850-875
480-490
510-530
850-875
480-490
655-670
480-490

655-670

- Ở các nước tư bản tiên tiến:
Với sự phát triển và lớn mạnh không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật,
ngành chế tạo máy bơm nói riêng và ngành chế tạo máy thuỷ lực nói chung ở các
nước tiên tiến trên thế giới đã có những bước tiến đáng kể. Khoảng 10 năm trở lại
đây với sự trợ giúp của tin học, chương trình hố các phương pháp thiết kế về mặt
thuỷ lực và kết cấu, các hãng chế tạo bơm nổi tiếng trên thế giới đã cho ra đời nhiều
chủng loại bơm chất lượng cao phục vụ cho công tác tưới tiêu của ngành thuỷ lợi.
Trên cơ sở ứng dụng công nghệ vật liệu mới và công nghệ chế tạo tiên tiến, các loại
máy bơm này đều đạt được các tiêu chí sau: hiệu suất cao, kết cấu đơn giản, thuận
tiện cho việc quản lý vận hành, thích hợp với q trình tự động hố điều khiển và có
tuổi thọ rất cao. Có thể kể tên các hãng bơm lớn này, đó là: hãng ITT Flygt của Thụy
Điển, hãng Thyssen của Đức, hãng Hanjin của Hàn Quốc, hãng WEIR của Mỹ... Các
loại máy bơm như: bơm chìm, các loại máy bơm di chuyển theo sự thay đổi cột nước
địa hình…ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Trong những năm gần đây, với sự ảnh
hưởng của biến đổi khí hậu, nhu cầu xây dựng các trạm bơm có lưu lượng cực lớn và
cột áp thấp là rất lớn. Các hãng bơm lớn trên thế giới đã cho ra đời thêm hai loại trạm
bơm mới đáp ứng được nhu cầu bơm lưu lượng cực lớn và có tuổi thọ cũng như độ
bền rất cao, đó là trạm bơm buồng xoắn bê tông của các hãng Andriz (Áo), Flowserve
(Mỹ) … (sử dụng bơm hướng chéo cánh hở công suất lớn, có buồng xoắn bằng bê
tơng) và trạm bơm kiểu cánh cống của các hãng Minota, Ishigaki (Nhật bản) … sử
dụng bơm hướng trục chìm đặt ngang kiểu Gate pump.

Hình 1.3. Trạm bơm cánh cống dùng bơm hướng trục chìm loại ns cao
của hãng Ishigaky (Nhật)

19

1.1.2.2. Nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng bơm hướng trục ở nước ta
Ở Việt Nam, sau Cách mạng tháng 8, nhất là sau ngày hồ bình lặp lại đến nay,
nhiều trạm bơm phục vụ cho tưới tiêu nông nghiệp và thủy lợi đã được xây dựng và
khôi phục lại. Cho đến năm 1960 - 1965, tất cả các trạm bơm khơi phục lại đều được
trang bị các máy móc mới của Liên Xô (trừ trạm bơm Sơn Tây được lắp đặt máy bơm
của Pháp). Sau đó, một loạt các trạm bơm vừa và lớn được xây dựng để phục vụ cho
yêu cầu phát triển nông nghiệp. Các trạm bơm nhỏ có lưu lượng từ 0,1 đến 1m3/s
cũng phát triển nhanh chóng, phục vụ tưới tiêu cho hàng vạn hecta.
Về mặt chế tạo máy bơm chúng ta cũng có nhiều tiến bộ lớn. Từ chỗ chưa chế
tạo được máy bơm, đến nay chúng ta đã có nhiều nhà máy, xí nghiệp chế tạo hầu hết
các loại bơm: bơm li tâm, hướng chéo, hướng trục. Chất lượng các loại máy bơm chế
tạo ra ngày càng được nâng cao. Đi đôi với việc phát triển chế tạo máy, trình độ kỹ
thuật thiết kế, thi cơng, quản lí, khai thác, sử dụng máy móc cơng trình cũng có những
tiến bộ vượt bậc. Những trạm bơm lớn như Cổ Đam, Cốc Thành … (Nam Hà ), Trạm
bơm Yên Sở (Hà Nội) … có kết cấu phức tạp, trình độ tự động hố cao. Chúng ta đã
có khả năng sử dụng nhiều loại máy móc của nhiều nước với hiệu quả kinh tế ngày
càng cao, và một tác dụng lớn trong việc bảo đảm sản xuất nông nghiệp.
Về lĩnh vực ứng dụng của bơm hướng trục ở Việt Nam: Hiện nay, hầu hết các
trạm bơm lớn ở Bắc Bộ và Bắc Khu 4 cũ đều sử dụng máy bơm hướng trục có lưu
lượng lớn và cột áp thấp (đó là các loại bơm hướng trục có Q = 4000 m3/h, 8000 m3/h,
lớn nhất là Q = 36000 m3/h , cột áp phổ biến từ 3 đến 6 m) phục vụ nhu cầu tưới , tiêu
hay tưới tiêu kết hợp. Các loại máy bơm này hiện nay chúng ta có thể thiết kế, chế
tạo và lắp đặt. Ngồi ra các loại bơm hướng trục có lưu lượng lớn cánh xoay kiểu O
của Liên Xô cũng được ứng dụng rộng rãi tại một các trạm bơm lớn do máy bơm có
hiệu suất cao, tuổi thọ dài và đặc biệt là các mẫu cánh kiểu O đều có đặc tính chống
xâm thực tốt. Các loại máy bơm hướng trục được sử dụng phổ biến hiện nay ở nước
ta là:
- Máy bơm O6-145 của Liên Xơ cũ: gồm có 23 tổ máy lắp đặt tại 4 trạm: Cổ
Đam, Cốc Thành, Hữu Bị, Vĩnh Trị. Đây là loại máy bơm có cơng suất lớn nhất được
lắp đặt ở nước ta từ trước đến nay.

- Máy bơm OП6-87 của Liên Xô cũ và KP1-87 của Triều Tiên: có lưu lượng
12000m3/h. Đây là loại bơm có kết cấu trục trung gian nối cứng tương tự máy bơm
OП6-145. Hiện nay đa phần các tổ máy đều đã cũ khơng có phụ tùng nhập ngoại. Các
trạm này tập trung chủ yếu ở Bắc Ninh và Hà Nam.
- Máy bơm 8.000 m3/h nhập ngoại: CsV1000 của Triều Tiên và DU-750 của
Rumani. Đây là loại máy bơm có kết cấu tốt, ổn định, phần dẫn dịng có hiệu suất
cao.
- Máy bơm 8.000 m3/h do Việt Nam sản xuất (loại 30HTĐ90): phần bơm do các
nhà máy cơ khí trong nước sản xuất. Tuy nhiên độ chính xác các chi tiết cơ khí chưa
cao, phần dẫn dịng khơng được nghiên cứu kỹ lưỡng nên hiệu suất thấp (dưới 65%).
- Máy bơm 4.000 m3/h trục đứng 24HTD-90 do Việt Nam sản xuất: máy bơm
loại này có kết cấu phức tạp hơn loại trục ngang, có độ ổn định và độ bền khá cao.
Ưu điểm của loại này là vận hành đơn giản nhưng vốn đầu tư xây dựng lớn. Trước
đây loại bơm này dùng bạc đồng bôi trơn bằng mỡ từ trên bơm xuống. Hiện nay phần

20


lớn đã được thay thế bằng bạc phi kim loại bơi trơn bằng nước, giảm chi phí vận hành.
Tuy nhiên tuổi thọ của loại bạc này không cao (800-1.500h)
- Máy bơm 20pB-60, O5-47 của Liên Xô cũ: kết cấu giống với loại 24HTD90, có độ bền, độ ổn định cao. Tuy nhiên do hoạt động lâu năm trong điều kiện khơng
có phụ tùng thay thế nên chất lượng hiện tại rất xấu.
- Máy bơm 2.500 m3/h trục đứng HTD-45: đây là loại máy đã được cải tiến cho
phù hợp với điều kiện địa hình có cột nước thấp (H=2,5-3,5m). Kết cấu máy và cơng
trình giống loại 24HTD-90. Đây là loại máy nhỏ, dễ chế tạo phù hợp với điều kiện
của các cơ sở sản xuất nhỏ nên phát triển khá mạnh. Bộ phận dẫn dòng được chế tạo
từ nhiều nguồn khác nhau nên chất lượng thấp và không đồng đều, hiệu suất ở mức
thấp (dưới 62%).
- Máy bơm 1.500 m3/h trục đứng: (15HTD-70): đây là loại máy nhỏ, lưu lượng
1.500 m3/h, cột áp H = 5m, công suất N = 33KW. Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và sửa

chữa…
Trong lĩnh vực nghiên cứu máy bơm, hiện nay ở nước ta các cơ sở nghiên cứu
lớn như Viện Khoa học Thuỷ lợi, Đại học Bách Khoa Hà nội… cùng các nhà máy
chế tạo lớn như Bơm Hải Dương, Cơ khí Hà Nội…với đội ngũ cán bộ có trình độ cao
và trang thiết bị phịng thí nghiệm hiện đại đã nghiên cứu và thiết kế thành công một
số loại máy bơm có kết cấu tốt, hiệu suất cao, có thể kể tên một số máy bơm: máy
bơm hướng trục xiên TX-33, TX-55, TX-75; máy bơm hướng trục đứng kiểu giàn
cọc lòng sông HTD2000-9; máy bơm hướng trục đứng VB-HTD12000-7; máy bơm
hướng trục đứng VB-HT-9050-3.25; các loại máy bơm chìm BC-37, BC-55, BC75…; các loại máy bơm kiểu Capsule cột nước thấp lưu lượng đến 10.000m3/h (có ns
từ 1000 v/ph lên đến gần 1800v/ph); các loại bơm hướng trục buồng xoắn HT36005; HT2500-3; HT6500-3.5…
Trong khuôn khổ Đề tài trọng điểm cấp nhà nước của chương trình khoa học
cơng nghệ 1995 - 2000, máy bơm hướng trục HT-145 (H = 6 m, Q = 36.000 m3/h,
N=750 KW, n=365 v/p, tl84%) do Viện Khoa học Thuỷ lợi chủ trì nghiên cứu thiết
kế đã được chế tạo, lắp đặt và đưa vào vận hành thành công tại tổ máy số 7 - trạm
bơm Cốc Thành, là tiền đề nhằm thay thế cho 23 tổ máy bơm OП6-145 của Liên Xô
cũ. Trong các năm từ 2014 đến 2018, Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi (thuộc Viện
Khoa học Thủy lợi Việt Nam) cùng Công ty chế tạo Bơm Hải Dương đã chủ trì thành
cơng Dự án cải tạo nâng cấp 23 tổ máy bơm OП6-145 này với nội dung công việc
chủ yếu là thiết kế, chế tạo, thay thế rotor và phần dẫn dòng 23 tổ máy bơm OП6145.
Với các sản phẩm bơm hướng trục cỡ lớn dùng trong cơng nghiệp như bơm tuần
hồn trong các nhà máy nhiệt điện, Công ty chế tạo bơm Hải Dương đã tham gia thiết
kế, chế tạo, lắp đặt thay thế một số phụ tùng bơm hướng trục tuần hoàn nước tại nhà
máy nhiệt điện Quảng Ninh với công suất động cơ lên đến 4.200KW với lưu lượng
bơm 48.000m3/h. Loại bơm này ngoài yêu cầu chất lượng thủy lực của bộ dẫn dịng
cịn có u cầu đặc tính vật liệu phải chịu được nhiệt độ cao và làm việc liên tục
24/24h trong thời gian dài.

21

1.1.3. Một số vấn đề cần nghiên cứu đối với bơm hướng trục cỡ lớn
1.1.3.1. Về thiết kế:
+ Nghiên cứu các giải pháp tăng hiệu suất và khả năng làm việc trong dải cột
áp rộng của bơm hướng trục cỡ lớn nhằm tăng phạm vi ứng dụng cũng như tăng hiệu
quả kinh tế của việc ứng dụng bơm hướng trục cỡ lớn
+ Nghiên cứu các biện pháp giảm xâm thực, tăng chiều cao hút của bơm. Với
các bơm hướng trục cỡ lớn, việc tăng chiều cao hút có ý nghĩa kinh tế vô cùng to lớn,
việc tăng được chiều cao hút sẽ làm giảm suất đầu tư xây dựng trạm bơm rất nhiều.
+ Nghiên cứu các biện pháp để thu gọn kích thước máy bơm: liên quan đến vấn
đề này chính là nghiên cứu bơm hướng trục dải ns cao mà luận án đề cập.
1.1.3.2. Về công nghệ:
+ Nghiên cứu cứu các qui trình cơng nghệ để chế tạo cơ khí các thiết bị và chi
tiết có kích thước lớn. Nghiên cứu công nghệ chế tạo các kết cấu cơ khí (ổ trục, cơng
nghệ khn mẫu, cơng nghệ đúc, cơng nghệ vật liệu…) nhằm tăng độ chính xác chế
tạo, tăng độ bền và tuổi thọ của máy bơm.
+ Nghiên cứu các kết cấu tối ưu (kết cấu dễ chế tạo, dễ lắp đặt: kết cấu trục
trung gian sử dụng khớp nối mềm bằng các lá thép không rỉ…; kết cấu kết hợp phần
cơ khí và kết cấu bê tơng nhà trạm: bơm có buồng xoắn bằng bê tơng, bơm có vỏ
bằng vật liệu siêu bền và siêu nhẹ…, bơm lùa (khơng có ống hút và ống xả)…
1.1.3.3. Về hiệu quả kinh tế - xã hội:
Tính cấp thiết và nhu cầu cần thiết phải bổ sung phát triển ứng dụng bơm hướng
trục lưu lượng lớn, cột áp thấp (ns cao).
Do sự chuyển đổi cơ cấu của các ngành kinh tế, việc ứng dụng máy bơm nói
chung và bơm hướng trục nói riêng càng trở nên phổ biến và phạm vi ngày càng được
mở rộng.
Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo các loại máy bơm hướng trục cột nước thấp
và cực thấp H = 1 m ÷ 2,5 m, với lưu lượng lớn có ns lớn hơn 1000v/ph là nhu cầu
cấp bách nhằm phục vụ nhiều ngành kinh tế: nuôi trồng thuỷ sản; tiêu thoát nước lũ
cho các vùng đồng bằng ven biển; cấp nước bổ sung cho các trạm bơm ven sơng; hỗ
trợ thốt nước cho các khu cơng nghiệp hay các thành phố lớn; ứng phó biến đổi khí

hậu; ứng dụng cho giải pháp bồi đắp và lấn biển…
Trên cơ sở đó tính tốn được hiệu quả kinh tế đem lại khi ứng dụng các kết quả
nghiên cứu của loại bơm này vào thực tiễn.

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.
Bơm hướng trục cột nước thấp với H từ 1m - 2.5m, lưu lượng Q lớn, thường trên
2000m3/h, có ns lớn hơn 1000v/ph có nhu cầu cao trong thực tế sản xuất.
Vấn đề đặt ra là:
Hiện nay, đã xuất hiện một số bơm có ns lớn hơn 1000v/ph trong thực tế sản xuất
và sử dụng ở Việt Nam cũng như ở Nhật hay một số nước khác. Nhưng, trong lý

22


thuyết tính tốn cũng như trong các tạp chí chun ngành chưa có các kết quả hoặc
các mẫu cánh với các ns lớn hơn 1000v/ph có hiệu suất cao được cơng bố.
Các bơm có ns lớn hơn 1000v/ph lắp ở nước ta hiện nay có hiệu suất khơng cao,
đa số có hiệu suất xấp xỉ 70%. Những bơm này thường được thiết kế dựa trên các
bảng biểu và đồ thị xây dựng cho việc lựa chọn các thông số kết cấu của các loại cánh
có ns khơng lớn hơn 1000v/ph, hoặc dựa trên các mẫu có hiệu suất cao nhưng có ns
dưới 1000v/ph.
Do đó, nhu cầu về việc nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh đến đặc tính
năng lượng và xâm thực của bơm hướng trục với ns cao từ 1000v/ph-1200v/ph có
hiệu suất cao, có kết cấu nhỏ gọn, đáp ứng được nhu cầu thực tế, tăng hiệu quả đầu
tư, tạo điều kiện mở rộng các loại hình nhà trạm phù hợp với các mơ hình canh tác
hiện nay của nông nghiệp và thuỷ lợi cũng như các ngành kinh tế biển và tiêu thoát
nước, xử lý nước thải, thuận tiện trong vận hành khai thác là cấp thiết, có ý nghĩa
thực tiễn cao.
Để đạt được mục đích này, chúng ta phân tích thêm về thơng số  (góc xoay

cánh) có liên quan đến đặc tính năng lượng và xâm thực của cánh bánh công tác của
bơm hướng trục như thế nào?
Chúng ta đã có nhiều kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số kết cấu
(như L/T, d, Z…) đến đặc tính làm việc và xâm thực của bơm hướng trục. Về mặt
bản chất, khi thay đổi góc đặt cánh (xoay cánh), chúng ta đã thay đổi kết cấu (hình
dáng và kích thước) của bánh cơng tác. Do đó, có thể xem góc xoay cánh cũng là một
thông số kết cấu của bánh công tác bơm hướng trục. Tuy nhiên việc nghiên cứu xoay
cánh đòi hỏi khối lượng công việc lớn hơn nhiều nên thực tế hiện nay ngoài các mẫu
cánh bơm cánh xoay O của Liên Xô cũ được đưa vào sách giáo khoa và tài liệu
nghiên cứu, cịn lại gần như vắng bóng các mẫu cánh của các hãng bơm lớn ở nước
ngoài cũng như Việt Nam. Điều này một phần có thể do định hướng chiến lược nghiên
cứu hoặc một phần do chính sách bảo mật của các hãng bơm liên quan đến yếu tố
thương mại.
Với các loại bơm cánh xoay O của Liên Xơ cũ, việc nghiên cứu ảnh hưởng của
góc xoay cánh đến đặc tính năng lượng và xâm thực được thực hiện rất công phu và
bài bản, các kết quả nghiên cứu phủ rộng hầu hết các gam bơm hướng trục có ns từ
500 đến 900v/ph. Tuy nhiên trong các tài liệu này, các cơ sở lý thuyết và trình tự tính
tốn thực hiện thí nghiệm khơng được nhắc đến, kết quả cuối cùng công bố chỉ là các
đồ thị đặc tính tổng hợp khơng thứ ngun KH, KQ, trong đó ngồi các đường H-Q tại
các góc xoay cánh khác nhau, cịn có thêm các đường đồng hiệu suất và các đường
kh1 để tính tốn cột áp dự trữ chống xâm thực cho phép của bơm hxt  và chiều cao
đặt bơm.
Để xác định độ an toàn về xâm thực của chiều cao đặt bơm Zh và khả năng
chống xâm thực của bơm ở các chế độ nguy hiểm, cần thiết phải tiến hành kiểm tra
các thông số về chỉ tiêu chống xâm thực của bơm.
Để chống xâm thực chiều cao cho phép đặt bơm phải thoả mãn điều kiện sau:
Z h   (Pa  PS )   h1  hxt  (m)
(1-2)


23


Trong đó:
- Pa/ : Cột áp khí quyển ở vị trí đặt bơm, thường chọn: Pa/ = 10,33 m ;
- Ps/ : Cột áp bốc hơi bão hoà của nước bơm, ở 250C: Ps/ = 0,33 m

h : Tổng tổn thất trong phần hút của bơm
- hxt  : Cột áp dự trữ chống xâm thực cho phép của bơm.
hxt   kh1.n2 .D2
-

1

Giá trị của kh1 được tra bảng theo đặc tính khơng thứ ngun của bơm O tương
ứng với dải ns của bơm nghiên cứu trong trường hợp L/T khơng đổi, các trường hợp
khác tính nội suy theo theo giá trị áp suất chân không trên cánh.
Như đã nói ở trên về vấn đề nghiên cứu xoay cánh của các bơm cánh xoay O,
phần nghiên cứu xoay cánh và có cơ sở lý thuyết rõ ràng là phần ảnh hưởng góc xoay
cánh đến đặc tính năng lượng. Cịn với phần đặc tính xâm thực thì các nghiên cứu
này vẫn mang tính chất bó hẹp trong phạm vi từng mẫu cánh riêng biệt, chưa tổng
quát hóa và nâng tầm lên thành lý thuyết với một lộ trình nghiên cứu rõ ràng. Mặt
khác, việc nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay đến đặc tính làm việc có thể được
thực hiện dễ dàng trong các hệ thống thí nghiệm thơng thường. Nhưng đối với nghiên
cứu xâm thực thì cần phải có các hệ thống thí nghiệm và thiết bị đo đạc hiện đại hơn
nhiều. Đây cũng là một khó khăn khiến cho các kết quả nghiên cứu về xâm thực bị
hạn chế.
Để làm rõ hơn về vấn đề này, chúng ta cùng tìm hiểu về tình hình nghiên cứu
xâm thực trong nước cũng như trên thế giới.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước về xâm thực trong bơm

hướng trục
Các nghiên cứu ở nước ngoài chủ yếu tập trung ở các vấn đề sau:
- Các nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu để tìm hiểu bản chất vật lý của hiện
tượng xâm thực và các điều kiện xảy ra xâm thực
- Các nghiên cứu về các dạng xâm thực trong máy cánh dẫn. Khảo sát và tìm
hiểu cơ chế xuất hiện xâm thực trong máy bơm, xây dựng đặc tính xâm thực, đánh
giá sự ảnh hưởng và đề xuất giải pháp
- Các nghiên cứu về ứng dụng các phương pháp để tiên đoán (dự đoán) xâm
thực, bao gồm:
a) - Phương pháp số:
+ Phương pháp vi phân hữu hạn (FDM)
+ Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
+ Phương pháp phổ (SEM)
+ Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM)
+ Phương pháp phần tử biên (BEM)
b)- Phương pháp mặt nâng
c)- Phương pháp phần tử biên
d)- Phương pháp EULER, RANS và dòng 2 pha…
Mặc dù có nhiều cơng trình nghiên cứu song các nghiên cứu này đều độc lập và
mang tính chất cơng bố, kết quả thu được chỉ bó buộc trong phạm vi hẹp, chưa nâng

24