KHẢO sát, ĐÁNH GIÁ sự ẢNH HƯỞNG của số lá CÁNH HƯỚNG DÒNG máy bơm CHÌM HƯỚNG TRỤC đến đặc TÍNH NĂNG LƯỢNG của bơm BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LÁ CÁNH HƯỚNG
DÒNG MÁY BƠM CHÌM HƯỚNG TRỤC ĐẾN ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG
CỦA BƠM BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
SURVEY AND ASSESS THE INFLUENCE OF THE NUMBER OF VANES IN
THE DIFFUSER CASING AXIAL FLOW SUBMERSIBLE PUMPS TO PUMP’S
ENERGY CHARACTERISTICS BY SIMULATION SOFTWARE
GS.TS. Nguyễn Thế Mịch, PGS.TS. Nguyễn Văn Bày, ThS. Nguyễn Minh Tuấn
Viện Cơ khí Động lực – Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT
Bài báo trình bày khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của số lá cánh bộ phận hướng dòng
đến đặc tính năng lượng của máy bơm chìm hướng trục phục vụ sản xuất nông nghiệp và các
mục đích khác thông qua mô phỏng số bằng phần mềm mô phỏng thủy lực chuyên dụng.
Từ khóa: máy bơm chìm hướng trục, số lá cánh bộ phận hướng dòng, đặc tính năng
lượng, phần mềm mô phỏng.
ABSTRACT
This paper present of survey and assess the influence of the number of vanes in the
diffuser casing axial flow submersible pump to pump’s energy characteristics service
agricultural production and other purposes by simulation software.
Keywords: Axial flow submersible pump, number of vanes in the diffuser casing,
energy characteristics, simulation software.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Bộ phận bánh công tác, buồng bánh công tác và miệng loe hút của máy bơm chìm
hướng trục không khác biệt đối với máy bơm hướng trục, tuy nhiên, bộ phận hướng dòng của
bơm chìm hướng trục có góc loe lớn hơn nhiều so với bơm hướng trục thông thường. Dòng
chảy qua hệ thống cánh dẫn dòng bơm chìm hướng trục không còn là dòng hướng trục mà
chuyển sang dòng chéo với góc lệch so với phương dọc trục một góc α = γ loe /2. Do đó, dòng
chảy trở nên phức tạp. Cần nghiên cứu đầy đủ bộ phận hướng dòng máy bơm chìm hướng
trục với sự tác động khác nhau về mặt thủy lực cũng như kết cấu (số lá cánh bộ phận hướng

dòng, góc loe, số vòng quay đặc trưng của máy bơm,…), trong đó số lá cánh bộ phận hướng
dòng là một trong những yếu tố cần nghiên cứu. Kết quả thu được sẽ cho phép đánh giá được
mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến đặc tính năng lượng của bơm, từ đó lựa chọn được
mẫu profin lá cánh hướng dòng, xác định được kết cấu và các kích thước cơ bản tối ưu của bộ
phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục.
Với sự phát triển ngày càng cao của công nghệ phần mềm, việc đánh giá chất lượng sản
phẩm thực tế thông qua mô phỏng số là đáng tin cậy và chính xác trước khi đưa vào sản xuất.
Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả trình bày kết quả khảo sát, đánh giá sự ảnh hưởng của số
lá cánh bộ phận hướng dòng máy bơm chìm hướng trục đến đặc tính năng lượng của bơm
thông qua mô phỏng số bằng phần mềm mô phỏng thủy lực chuyên dụng.

857


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LÁ CÁNH BỘ PHẬN HƯỚNG DÒNG
MÁY BƠM CHÌM HƯỚNG TRỤC BẰNG MÔ PHỎNG SỐ
2.1. Xác định sự ảnh hưởng của số lá cánh bánh công tác và cánh hướng dòng trong
bơm hướng trục chìm
Tổn thất trong máy cánh dẫn nói chung và máy bơm chìm hướng trục nói riêng là vấn
đề quan trọng, cần được quan tâm vì nó ảnh hưởng lớn đề hiệu suất của bơm. Khi tổn thất
nhỏ, hiệu suất của bơm sẽ cao và ngược lại. Giá trị hiệu suất cao của bơm là một trong những
yếu tố cơ bản để tính toán, lựa chọn kiểu bơm, kết cấu hệ thống dẫn dòng (miệng loe hút,
bánh công tác, bộ phận hướng dòng,…), phương pháp tính toán và công nghệ chế tạo các chi
tiết chính của máy bơm [1, 5].
Cũng như bơm hướng trục thông thường, tổn thất thủy lực trong máy bơm chìm hướng
trục chịu sự ảnh hưởng của các bộ phận chính của máy bơm là: miệng hút, miệng xả, bánh
công tác và cánh hướng dòng.
Ảnh hưởng của số lá cánh hướng dòng trong máy bơm chìm hướng trục được xác định
thông qua các thông số kết cấu của hệ thống cánh. Khi xét đến ảnh hưởng của bánh công tác

và cánh hướng dòng thường đề cập đến những yếu tố: độ mau của lưới cánh l/t; góc đặt cánh
α; số lá cánh; vị trí tương đối giữa lưới cánh bánh công tác và cánh hướng dòng χ và góc loe
của bộ phận hướng dòng γ loe [1, 2, 4].
Các thông số trên đều có ý nghĩa quyết định đến hiệu suất của máy bơm chìm hướng trục.
Tuy nhiên, trong khuôn khổ của bài báo chỉ xem xét những ảnh hưởng của số lá cánh
bánh công tác và cánh hướng dòng cũng như cách lựa chọn số lá cánh của chúng.
a) Ảnh hưởng của số cánh dẫn hữu hạn tới cột áp máy bơm [1, 3, 4, 5]
Phương trình cơ bản của máy cánh dẫn được thành lập trên cơ sở lý thuyết dòng tia.
Điều kiện để có các giả thiết theo lý thuyết dòng tia là số cánh dẫn nhiều vô cùng và
cánh dẫn mỏng vô cùng, chất lỏng làm việc là chất lỏng lý tưởng (không nhớt).
Trong thực tế, số cánh dẫn của bánh công tác và cánh hướng dòng là có hạn, cánh dẫn
có chiều dầy và chất lỏng làm việc có độ nhớt, vì vậy, cột áp thực tế của máy sẽ khác với cột
áp lý thuyết tính theo phương trình cơ bản.
Tỷ số giữa cột áp lý thuyết với số cánh dẫn hữu hạn (H lt ) và cột áp lý thuyết với số cánh
dẫn nhiều vô cùng H lt∝ được ký hiệu bằng:
H lt
V'
1
= 2u =
= Kp .
H lt∞ V2u 1 + p

(1)

K p = 1/(1+p) là hệ số ảnh hưởng của số cánh hữu hạn của bánh công tác, có giá trị nhỏ hơn 1.

2

V

2

V’

2

W’

W

V2m=V’2m

V’ 2u và V 2u – thành phần vận tốc xoáy tại lối ra bánh công tác (hình 1)

2

V’2u

U2
V2u

Hình 1. Tam giác vận tốc của dòng chất lỏng ở lối ra của bánh công tác với sự ảnh
hưởng của số cánh hữu hạn
858


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Cột áp lý thuyết của bánh công tác có số cánh hữu hạn xác định theo (2):
H lt = K p H lt∞ =

H lt∞
.
1+ p

(2)

Hệ số K p (hay p) phụ thuộc vào kết cấu của bánh công tác và vào tính chất vật lý của
chất lỏng vận chuyển. Hệ số K p được tính gần đúng theo các công thức thực nghiệm khác
nhau của Prôskuara, Maizel, Stađôla, Phơlâyđererơ,…
Xác định hệ số p theo các công thức (3):

p=

ψ R 22
;
Z S

(3)

Trong đó:
S – mômen tĩnh của đường trung bình của cánh trong tiết diện kinh tuyến:
2

i=2

1

i =1

S = ∫ rdStb =

∑ ri ∆Stb .

(4)

Hệ số ψ phụ thuộc vào số vòng quay đặc trưng. Đối với các bánh công tác có n S > 200,
hệ số ψ xác định theo công thức (5):
2

 Vm 2  


ψ = 1,7 + 13,3
  sin β2 .
β
U
tg

 2 2 


(5)

Hệ số K p được xác định theo công thức của Stadora theo gia số vận tốc xoáy (6):
∆V2 u = V2 u − V2' u =

π
U 2 sin β 2 .
Z

(6)

Qua đó xác định vận tốc V' 2u và hệ số K p :

Kp = 1 −

π U2
sin β2 .
Z V2u

(7)

b) Chọn số lá cánh bánh công tác và cánh hướng dòng trong bơm chìm hướng trục
Theo kinh nghiệm thiết kế, số lá cánh bánh công tác được chọn theo quan điểm về kết
cấu. Số cánh của bánh công tác bơm hướng trục xác định theo công thức (8) [1, 3, 4, 5]:

l
R tb (α b − α m )  tb
t
Z1 = (0,12 ÷ 0,15)
R mep − R bau

(8)

Trong đó: R tb – bán kính trung bình tiết diện prôfin cánh bánh công tác
α b , α m – góc đặt cánh ở tiết diện bầu và mép ngoài
Đối với máy bơm hướng trục, số lá cánh hướng dòng được xác định theo công thức của
Stariski khi biết số lá cánh bánh công tác (9):
Z1
l

≥ 2 
0,164 K Q2 + 0,247η tl−2 K H2
Z2
 t  bien
Ở đây:

Z 1 – số lá cánh bánh công tác; Z 2 – số lá cánh hướng dòng;
859

(9)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
K Q – hệ số lưu lượng; K H – hệ số cột áp và η tl – hiệu suất thủy lực
Ngoài ra, có thể dựa vào số vòng quay đặc trưng để chọn số lá cánh bánh công tác, cánh
hướng dòng và tỷ số bầu cánh, cụ thể như trong bảng 1.
Bảng 1. Lựa chọn số lá cánh bánh công tác dựa vào số vòng quay đặc trưng [2, 5]
Thông số
Số vòng quay đặc trưng (n s )
400

600

800

1000

1.200

1.700

db

0,6

0,55

0,5

0,45

0,4

0,25

Z1

6

5

4

3

2

2

Z2

9

9

7

5

5

5

H max

25

15

10

6

4

3

Quá trình tính toán thiết kế máy bơm hướng trục chìm cũng tuân thủ theo các quy tắc
của bơm hướng trục, số lượng lá cánh bánh công tác và cánh hướng dòng cũng được tính toán
lựa chọn theo các phương pháp khác nhau. Tùy từng trường hợp yêu cầu về thông số máy

bơm cụ thể, có thể chọn phương pháp xác định số lá cánh cho phù hợp. Thông qua thực
nghiệm mới đánh giá đúng được tỷ số giữa lá cánh bánh công tác và cánh hướng dòng đã lựa
chọn là tối ưu hay chưa.
Công nghệ tin học ngày càng phát triển nhanh, do đó, trước khi đưa vào sản xuất để
phục vụ phải tiến hành thử nghiệm máy bơm trên hệ thống thử ở phòng thí nghiệm. Thông
qua kết quả thử nghiệm, có thể đánh giá sơ bộ kết quả tính toán, lựa chọn kết cấu hệ thống
dẫn dòng của bơm bằng phần mềm mô phỏng dòng chảy chuyên dụng. Có nhiều chương trình
phần mềm để thực hiện công việc này.
2.2. Mô phỏng dòng chảy trong máy bơm chìm hướng trục bằng phần mềm mô phỏng số
Dòng chảy trong máy bơm chìm hướng trục thường được mô phỏng bằng các phần
mềm: Fluent – Ansys, Flex PDE, Pumpal,… Mỗi phần mềm có những ưu điểm và nhược
điểm riêng, tuy nhiên, các phần mềm trên đều dựa trên nền tảng của CFD. Thuật ngữ CFD Computational Fluid Dynamics (tính toán động lực học lưu chất có sự trợ giúp của máy tính)
là một ngành khoa học chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chảy, truyền nhiệt, các phản
ứng hóa học bằng việc sử dụng quá trình tính toán số để giải các phương trình toán học
liên quan.
Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả trình bày sự ảnh hưởng của các trường hợp số lá
cánh thông dụng hiện nay thông qua mô phỏng số với các trường hợp khác nhau [1, 2, 3]:
Trường hợp 1: số lá cánh bánh công tác Z 1 = 3, số lá cánh hướng dòng Z 2 = 8 của máy
bơm chìm hướng trục.
Thông số kỹ thuật của máy bơm mô hình sử dụng để mô phỏng (công suất động cơ điện
chìm: N = 55kW, cột áp thiết kế: H tk = 3m, lưu lượng tính toán: Q tt = 3.300m3/h, số vòng
quay: n = 590v/ph)
Với thông số nêu trên, ta tính được số vòng quay đặc trưng n s = 916, tương đương với
mẫu bơm OП6 (Liên Xô cũ), với số lá cánh bơm mẫu là Z 1 = 3, Z 2 = 8.
Bằng chương trình phần mềm CFD, xét ở trường hợp góc loe bộ phận hướng dòng
γ loe = 420; khi đó, dòng chảy trong hệ thống cánh được thể hiện trên các hình (2÷6).

860

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2. Lựa chọn kết cấu bánh công tác, bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm
hướng trục có Z 1 =3, Z 2 = 8

Hình 3. Mô phỏng véctơ vận tốc trong hệ thống cánh máy bơm chìm
hướng trục có Z 1 =3, Z 2 = 8

Hình 4. Mô phỏng độ lớn vận tốc dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm
hướng trục có Z 1 =3, Z 2 = 8

Hình 5. Mô phỏng góc của véctơ vận tốc dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm
hướng trục có Z 1 =3, Z 2 = 8
861


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Đường cong đặc tính theo mô phỏng số trong trường hợp này được trình bày trên hình 6.

Hình 6. Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục có Z 1 =3, Z 2 = 8
Với trường hợp này, hiệu suất thủy lực của máy bơm tại điểm thiết kế
(Q tt = 3.300m3/h, H tk = 3m), qua mô phỏng số, hiệu suất đạt η b ≈ 72,5%.
Trường hợp 2: Cũng với các thông số của máy bơm như trong trường hợp 1, nhưng số
lá cánh bánh công tác Z 1 = 4, số lá cánh hướng dòng Z 2 = 5. Khi đó, tình hình dòng chảy
trong máy bơm chìm hướng trục được mô phỏng trên các hình (7÷9).

Hình 7. Lựa chọn kết cấu bánh công tác, bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm
hướng trục có Z 1 =4, Z 2 = 5

Hình 8. Mô phỏng giá trị độ lớn vận tốc dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm

hướng trục có Z 1 =4, Z 2 = 5

862


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 9. Mô phỏng góc của véc tơ vận tốc dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm
hướng trục có Z 1 =4, Z 2 = 5
Đường cong đặc tính năng lượng của bơm trong trường hợp này được thể hiện trên
hình 10.

Hình 10. Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục có Z 1 = 4, Z 2 = 5
Qua mô phỏng số trên hình 10, ta có mẫu cánh với Z1 = 4; Z2 = 5, hiệu suất đạt η b ≈ 73%
tại điểm Q tt = 3.300m3/h, H tk = 3,0m.
Trường hợp 3: Xét dòng chảy trong hệ thống cánh máy bơm chìm hướng trục có số lá
cánh bánh công tác Z 1 = 5, số lá cánh hướng dòng Z 2 =9 (mẫu OП2) của máy bơm chìm
hướng trục.
Các thông số kỹ thuật của máy bơm mẫu để mô phỏng như sau:
+ Công suất động cơ điện chìm: N = 55kW, cột áp thiết kế: H tk = 4,5m, lưu lượng tính
toán: Q tt = 2.600m3/h và số vòng quay: n = 590v/ph
Khi đó, số vòng quay đặc trưng của bơm là: n s = 592.
Tình hình dòng chảy trong máy bơm chìm hướng trục với thông số nêu trên với trường
hợp góc loe bộ phận hướng dòng γ loe = 420 được mô phỏng trên các hình (11÷14)

863


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

.
Hình 11. Lựa chọn kết cấu bánh công tác, bộ phận hướng dòng của máy bơm chìm
hướng trục có Z 1 =5, Z 2 = 9

Hình 12. Mô phỏng véctơ vận tốc dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm
hướng trục có Z 1 =5, Z 2 = 9

Hình 13. Mô phỏng giá trị vận tốc dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm
hướng trục có Z 1 =5, Z 2 = 9

Hình 14. Mô phỏng góc véctơ vận tốc dòng chảy qua hệ thống dẫn dòng máy bơm chìm
hướng trục có Z 1 =5, Z 2 = 9
864


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Đường đặc tính năng lượng của máy bơm trong trường hợp 3 được trình bày trên hình 15.

Hình 15. Đường cong hiệu suất máy bơm chìm hướng trục có Z 1 = 5, Z 2 = 9
Khi ấy, hiệu suất máy bơm qua mô phỏng số tại điểm thiết kế là Q tt = 2.600m3/h,
H tk = 4,5m và η b ≈ 73%.
3. NHẬN XÉT CHUNG
Bằng phần mềm chuyên dụng, sau khi khảo sát dòng chảy qua bánh công tác và cánh
hướng dòng trong mỗi trường hợp khác nhau với số lá cánh khác nhau, có thể nhận định
như sau:
- Ở cả 03 mẫu cánh đều xuất hiện vùng có vận tốc dòng chảy qua bộ phận hướng dòng
nhỏ hơn so với dòng chảy xung quanh (thể hiện bằng hình mầu xanh lam tại các hình 4; 8 và
13). Áp suất tại các vùng này nhỏ hơn áp suất của các vùng xung quanh, nghĩa là xuất hiện
chân không tại khu vực đã nêu. Vùng dòng chảy lân cận có xu hướng bị “hút” vào để cân
bằng áp suất, vì vậy, tạo nên dòng xoáy trong bơm gây tổn thất thủy lực và làm giảm hiệu suất

của máy bơm. Điều này được thể hiện bằng góc của véctơ vận tốc thay đổi (vùng màu cam –
đỏ trên hình 5; 9 và 14). Các trường hợp trên đều xuất hiện vùng xoáy dòng. Phân tích tình
hình dòng chảy trong phần dẫn dòng bơm chìm hướng trục thông qua các chương trình phần
mềm mô phỏng cho thấy, các hiện tượng vật lý theo mô phỏng phù hợp với hiện tượng quan
sát được trong thực tế ở các phần dẫn dòng máy bơm chìm hướng trục công suất 55kW. Các
thông số đầu vào phục vụ cho tính toán trong chương trình mô phỏng cũng phù hợp với các
điều kiện biên dùng cho thiết kế bơm chìm hướng trục. Hơn nữa, các phần mềm mô phỏng
tiên tiến hiện nay trên thế giới được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có
lĩnh vực máy thủy lực cánh dẫn. Bên cạnh đó, thực tế sử dụng của các đơn vị nghiên cứu cũng
như các đơn vị sản xuất chuyên ngành máy thủy lực ở trong và ngoài nước cho thấy đạt kết
quả tốt. Thực tế trên cho phép khẳng định bài toán mô phỏng là phù hợp và tin cậy.
- Các đường đặc tính của các trường hợp số lá cánh khác nhau bằng mô phỏng số, ta
nhận thấy, đối với máy bơm chìm hướng trục cùng trị số góc loe γ loe , số lá cánh của hệ thống
cánh không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất của máy bơm. Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế, có
thể quyết định lựa chọn các trị số hệ thống cánh cho phù hợp.
- Nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng (trị số góc loe bộ phận
hướng dòng, hệ số tỷ tốc) của máy bơm chìm hướng trục nhằm đánh giá toàn điện sự ảnh
hưởng các yếu tố trên đến đặc tính năng lượng của bơm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Bày. Báo cáo khoa học đề tài cấp thành phố Hà Nội: Nghiên cứu, thiết kế,
chế tạo và lắp đặt máy bơm chìm hướng trục trục đứng phục vụ tưới tiêu trong nông
nghiệp và chống úng ngập cho thành phố. Hà Nội, 2011.
865


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[2] Gorơghi gian nhiân S.A, Diaghilep A.I. Máy bơm chìm dùng cho cấp nước. NXB Chế tạo
máy, Leningrat, 1968.
[3] A. J. Stepanoff, Ph.D. Lý thuyết tính toán máy bơm ly tâm và bơm hướng trục. NXB
Krieger, Malabar, Frorida (Mỹ), 1992.

[4] Lômakin. A.A. Bơm ly tâm và hướng trục. Bản dịch từ tiếng Nga của Lê Phu, Lê Duy
Tùng, Đặng Xuân Thi. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1971.
[5] Mikhailôp A.K, Maliusenko V.V. Máy bơm cánh dẫn - lý thuyết, tính toán và kết cấu.
NXB Chế tạo máy, Moscơva, 1977.

866