Thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng phục vụ tưới nước trồng cây công nghiệp tại vùng núi tỉnh khánh hòa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

PHẠM VĂN QUANG

THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU BỘ DẪN ĐỘNG CỦA
BƠM THỦY NĂNG PHỤC VỤ TƯỚI NƯỚC TRỒNG CÂY
CÔNG NGHIỆP TẠI VÙNG NÚI TỈNH KHÁNH HÒA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khánh Hòa, 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

PHẠM VĂN QUANG

THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU BỘ DẪN ĐỘNG CỦA
BƠM THỦY NĂNG PHỤC VỤ TƯỚI NƯỚC TRỒNG CÂY
CÔNG NGHIỆP TẠI VÙNG NÚI TỈNH KHÁNH HÒA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành:

Kỹ thuật cơ khí

Mã số:

60520103

Quyết định giao đề tài:
Quyết định thành lập HĐ:

1079/QĐ-ĐHNT ngày 19/11/2015

Ngày bảo vệ:

16/01/2016

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. PHẠM HÙNG THẮNG
Chủ tịch Hội đồng:
Ts. NGUYỄN VĂN TƯỜNG
Khoa sau đại học:

Khánh Hòa, 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của đề tài:”Thiết kế tối ưu kết cấu
bộ dẫn động của bơm thủy năng phục vụ tưới nước trồng cây công nghiệp tại vùng
núi tỉnh Khánh Hòa” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chưa từng được
công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.
Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Nha trang, ngày

tháng

Tác giả luận văn

iii

năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và thực hiện luận văn này, tôi đã nhận
được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trong trường nói
chung cũng như quý thầy ngành cơ khí trường Đại học Nha Trang nói riêng. Lời đầu
tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình
dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy Phó Giáo sư – Tiến sĩ Phạm Hùng
Thắng đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn
thành luận văn tốt nghiệp. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất
cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót,
rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và tất cả bạn bè đã
giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Nha Trang, ngày

tháng

Tác giả luận văn

iv

năm 2015


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................iii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iv
MỤC LỤC................................................................................................................... v
DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT .........................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................viii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...............................................................................ix
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN..........................................................................................xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THỦY VĂN VÀ BƠM THỦY NĂNG1
1.1. Tổng quan về thủy văn và tình hình trồng cây công nghiệp của vùng núi tỉnh
Khánh Hòa ..............................................................................................................1
1.2. Tổng quan về bơm nước sử dụng năng lượng dòng suối tự chảy .......................3
1.2.1. Bơm cọn nước vùng cao. ...........................................................................3
1.2.2. Bơm va ......................................................................................................4
1.2.3 Bơm thủy luân ............................................................................................6
1.2.4 Bơm bánh xe xoắn ốc .................................................................................7
1.2.5 Bơm cáp treo ..............................................................................................9
1.3. Mục tiêu, phương pháp, nội dung và phạm vi nghiên cứu ...............................10
1.3.1. Lý do thực hiện đề tài ..............................................................................10
1.3.2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................11
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................11
1.3.4. Nội dung nghiên cứu................................................................................12
1.3.5. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ LÝ THUYẾT ĐỂ THIẾT KẾ TỐI ƯU ............. 13
2.1. Tổng quan về tối ưu hóa .................................................................................13
2.1.1. Các phương pháp cơ bản..........................................................................13

2.1.2. Phân loại các bài toán tối ưu ....................................................................14
2.1.3. Đặc điểm của bài toán tối ưu hóa kết cấu .................................................15
2.1.4. Ưu nhược điểm của các phương pháp tối ưu kết cấu hiện nay..................15
2.1.5. Đặc điểm của bài toán tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng.....17

v


2.1.6. Mô hình quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu .............................................17
2.2. Cơ sở lý thuyết về mô phỏng CFD ..................................................................20
2.2.1. Những phương trình chủ đạo của CFD ....................................................20
2.2.2. Trình tự giải bải toán CFD.......................................................................22
2.2.3. Giới thiệu về phần mềm ANSYS FLUENT .............................................22
CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA ...................................................................................... 23
3.1. Tổng quan về mẫu bơm đi tối ưu hóa..............................................................23
3.1.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động...................................................................24
3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới cột áp...............................................................26
3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới lưu lượng.........................................................28
3.2. Tính toán, mô phỏng xác định hình dạng cánh tối ưu ......................................31
3.2.1. Tính toán xác định hình dạng cánh tối ưu ................................................31
3.2.2. Mô phỏng xác định hình dạng cánh tối ưu ...............................................37
3.2.2.1. Mô tả bài toán...................................................................................37
3.2.2.2. Giải bài toán .....................................................................................38
3.3. Tối ưu hóa số lượng cánh, bề rộng guồng bơm ...............................................46
3.3.1. Chọn các biến thiết kế..............................................................................46
3.3.2. Xác định các điều kiện ràng buộc ............................................................47
3.3.3. Xây dựng hàm mục tiêu ...........................................................................49
3.3.4. Bài toán tối ưu .........................................................................................65
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG........................................................ 77
4.1. Mô hình thực nghiệm kiểm chứng ..................................................................77

4.2. Cách đo các thông số. .....................................................................................78
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ................................................................. 80
5.1. Kết luận ..........................................................................................................80
5.2. Đề xuất ...........................................................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 81

vi


DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

l: Chiều dài cánh (m)
b: Bề rộng cánh (m)
a: Chiều dày vật liệu làm cánh (m)
D: Khối lượng riêng (kg/m3)
Z: Số cánh
b: Bề rộng của guồng bơm (m)
m: Khối lượng vật liệu làm cánh (kg)
P: Trọng lực trên mỗi vùng chứa nước (N)
Si: Diện tích tiết diện của phần cánh bơm chứa nước (m2)
di: Cánh tay đòn (m)
g: Gia tốc trọng trường (g = 9.8m/s2)
Q: Lưu lượng (Lít / ngày)
M: Mô men quay bơm (N.m)
d: Đường kính ống quấn (mm)
k: Số vòng quấn ống (vòng)
D: Đường kính tang quay (m)
H: Chiều cao cột áp (m)
n: Tốc độ quay (vòng/phút)

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Bảng thông số diện tích và cánh tay đòn của hình dạng cánh tròn và hình
dạng cánh ban đầu sau khi tính toán ..........................................................37
Bảng 3.2. Bảng số liệu tính toán giữa giá trị Z, M, K .................................................47
Bảng 3.3. Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ giữa mô men quay M với số lượng cánh Z
và bề rộng cánh b. .....................................................................................52
Bảng 3.4. Bảng thông số thể hiện mối quan hệ giữa tỉ lệ vật liệu K với số lượng cánh Z
và bề rộng cánh b. .....................................................................................60

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Bơm cọn nước..............................................................................................3
Hình 1.2: Cấu tạo bơm va ............................................................................................4
Hình 1.3. Bơm va.........................................................................................................5
Hình 1.4: Bơm thủy luân..............................................................................................6
Hình 1.5: Cấu tạo bơm bánh xe xoắn ốc.......................................................................7
Hình 1.6: Bơm bánh xe xoắn ốc...................................................................................8
Hình 1.7: Bơm cáp treo................................................................................................9
Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động bơm cáp treo...............................................................9
Hình 3.1. Bơm xoắn đặt trên bờ suối đã được chế tạo trước đó ..................................23
Hình 3.2: Bản vẽ cấu tạo và tang quấn ống ................................................................24
Hình 3.3: Biểu đồ liên hệ giữa tốc độ quay và cột áp .................................................26
Hình 3.4: Biểu đồ liên hệ giữa ống quấn và cột áp .....................................................27
Hình 3.5: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính ống và cột áp...........................................27
Hình 3.6: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính tang và cột áp ..........................................28

Hình 3.7: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính ống và lưu lượng .....................................28
Hình 3.8: Biểu đồ liên hệ giữa tốc độ quay và lưu lượng............................................29
Hình 3.9: Biểu đồ liên hệ giữa số vòng ống và lưu lượng...........................................30
Hình 3.10: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính tang và lưu lượng ..................................30
Hình 3.11. Hình dạng cánh ban đầu ...........................................................................32
Hình 3.12. Hình vẽ tính toán theo mô hình ban đầu ...................................................33
Hình 3.13. Hình dạng cánh tròn .................................................................................34
Hình 3.14. Vẽ tính toán theo mô hình mới (hình dạng cánh tròn)...............................35
Hình 3.15. Diện tích các vùng chứa nước...................................................................35
Hình 3.16. Kết quả diện tích vùng chứa nước và trọng tâm vùng chứa nước ..............36
Hình 3.17a. Hình dạng cánh ban đầu ........................................................................38
Hình 3.17b. Hình dạng cánh tròn ...............................................................................38
Hình 3.18. Tạo mô hình chia lưới hình dạng cánh ban đầu và cánh tròn.....................39
Hình 3.19. Chia lưới mô hình.....................................................................................40
Hình 3.20. Đọc file ...................................................................................................41
Hình 3.21. Kiểm tra lưới ...........................................................................................41

ix


Hình 3.22. Chọn phương pháp giải ...........................................................................41
Hình 3.23. Chọn mô hình để giải ...............................................................................42
Hình 3.24. Chọn phương trình giải............................................................................42
Hình 3.25. Nhập thông số .........................................................................................42
Hình 3.26. Lựa chọn điều kiện biên ..........................................................................43
Hình 3.27. Đặt điều kiện biên của cửa vào ................................................................43
Hình 3.28. Đặt điều kiện biên đầu ra.........................................................................43
Hình 3.29. Nhập số lần lặp........................................................................................44
Hình 3.30. Xét độ hội tụ............................................................................................44
Hình 3.31. Lựa chọn kết quả mô phỏng .....................................................................44

Hình 3.32. Lựa chọn biến đầu ra ...............................................................................45
Hình 3.33. Kết quả mô phỏng với cánh tròn...............................................................45
Hình 3.34. Kết quả mô phỏng với cánh ban đầu.........................................................45
Hình 3.35. Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa mô men quay bơm với số lượng cánh.....48
Hình 3.36. Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa tỉ lệ mô men với với tổng khối lượng làm cánh. 48
Hình 3.37: Hộp thoại chứa các công cụ phân tích dữ liệu..........................................50
Hình 3.38: Hộp thoại khai báo các thông số của mô hình hồi quy ..............................51
Hình 4.1. Mẫu bơm mới được tối ưu và đưa vào sử dụng...........................................77

x


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Chủ đề nghiên cứu
Miền núi tỉnh Khánh Hoà gồm hai huyện Khánh Sơn và Khánh Vĩnh và một số
xã thuộc các huyện Cam Ranh, Cam Lâm, Ninh Hoà và Vạn Ninh với diện tích tự
nhiên khoảng 290.500ha, chiếm 63,5% diện tích toàn tỉnh. Với đặc trưng là vùng đồi
cao khá khô hạn mặc dù sen lẫn nhiều dòng suối nhỏ ít nước về mùa khô nhưng khá
hung hãn về mùa mưa. Do khó khăn về khả năng tài chính và tập quán canh tác còn
khá lạc hậu nên việc tưới nước phục vụ trồng trọt cho các vùng miền núi của tỉnh cơ
bản nhờ mưa tự nhiên. Chính hạn chế này đã làm giảm năng suất cây trồng và tạo
không ít khó khăn cho công cuộc phát triển kinh tế - xóa đói giảm nghèo cho cư dân
miền núi của Tỉnh.
Nhận thức được vai trò quan trọng của nước tưới trong phát triển cây trồng và khả
năng sử dụng thủy năng của các dòng suối để cấp nước tưới phục vụ sản xuất cho đồng
bào trên các vùng núi của Tỉnh, các mẫu máy bơm nước sử dụng thủy năng của dòng suối
phục vụ tưới cây phù hợp với điều kiện địa hình vùng núi của tỉnh đã được trường Đại học
Nha Trang nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đưa vào sử dụng khá thành công.
Tuy nhiên, các Bơm thủy năng hiện nay vẫn còn một số hạn chế: hiệu suất sử
dụng nước chưa cao do hình dáng, kết cấu của phần tạo động lực sinh ra mômen để

quay bơm vẫn chưa được hợp lí dẫn đến giảm công suất của bơm. Mặt khác, kích cỡ
của bơm tương đối cồng kềnh, tăng chi phí vật liệu, chi phí gia công chế tạo bơm dẫn
đến giá thành của bơm còn khá cao. Vì vậy việc áp dụng lý thuyết tối ưu để thiết kế tối
ưu kết cấu bộ dẫn động của Bơm thủy năng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động & hạ
giá thành bơm hiện đang là vấn đề cấp thiết.
Trong đề tài luận văn tập trung đi nghiên cứu mẫu bơm sử dụng cho những
trang trại với những dòng suối nhỏ, dòng chảy của suối thấp không ổn định. Mẫu bơm
phù hợp với qui mô trang trại là mẫu bơm đặt gần bờ, trên dòng suối có xây đập tràn.
Đập tràn có tác dụng chứa nước khi dòng chảy thấp và xả tràn nước khi lượng nước
của suối nhiều giúp ổn định được lưu lượng nước dẫn và đảm bảo an toàn cho bơm.
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là áp dụng lý thuyết tối ưu để thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động
của Bơm thủy năng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động & hạ giá thành Bơm thủy năng.

xi


Phương pháp nghiên cứu
Trong đề tài có sử dụng các phương pháp nghiên cứu cơ bản sau:
-

Phương pháp điều tra thực tế và tổng quan tài liệu để xác định chi tiết mục tiêu
nghiên cứu.

-

Phương pháp mô hình hóa để tối ưu hóa kết cấu bộ dẫn động.

-

Phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng và hoàn chỉnh kết quả nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của Bơm
thủy năng cho thấy cùng một khối lượng vật liệu giống nhau, khi thiết kế chế tạo bơm
theo hướng đã được tối ưu sẽ giúp tăng mô men để quay bơm lên 1.2 lần so với mẫu
bơm đã được chế tạo và đi vào hoạt động trước đó.
Về mặt thực nghiệm cũng cho thấy kết quả tính toán trên lý thuyết tương đối
phù hợp với việc thử nghiệm mô hình tối ưu thực tế. So sánh lưu lượng nước bơm
được giữa mẫu bơm chưa tối ưu và mẫu bơm đã được tối ưu cho thấy lưu lượng nước
bơm được của mẫu bơm tối ưu (Q = 8512.3(lít/ngày) cao hơn 1.2 lần mẫu bơm chưa
được tối ưu (Q = 7149 lít/ngày).
Đề tài đã xác định được hình dạng cánh mới tốt hơn hình dạng cánh ban đầu. Mặt
khác đã tìm ra được số lượng cánh phù hợp đảm bảo đạt được ngưỡng mô men lớn nhất
để quay bơm. Từ đó giúp cho nâng cao hiệu quả sử dụng nước cũng như nâng cao được
lưu lượng của bơm. Qua đó giúp giảm số lượng cánh không cần thiết, tiết kiệm chi phí vật
liệu, giảm chi phí gia công, nâng cao khả năng hoạt động hiệu quả của bơm.
Kết luận và khuyến nghị
Trong phạm vi đề tài đi nghiên cứu thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm
thủy năng với mô hình bơm đặt gần bờ ứng dụng qui mô trang trại với những dòng
suối nhỏ và tốc độ dòng chảy thấp, không ổn định. Hiện tại thực tế vẫn còn một số
mẫu bơm đặt giữa dòng ứng với các dòng suối lớn kết cấu tương đối cồng kềnh và
hiệu quả hoạt động vẫn chưa cao. Qua đây tác giả xin đề xuất tiếp tục áp dụng lý
thuyết được sử dụng trong đề tài để đi xây dựng tối ưu cho mô hình bơm giữa dòng và
các mẫu bơm khác.

xii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THỦY VĂN VÀ BƠM

THỦY NĂNG
1.1 . Tổng quan về thủy văn và tình hình trồng cây công nghiệp của vùng núi tỉnh
Khánh Hòa [6]
Tỉnh Khánh Hòa ở về phía khu vực duyên hải Nam Trung Bộ của Việt Nam,
phía Bắc giáp ba huyện Sông Hinh, Đông Hòa và Tây Hòa của tỉnh Phú Yên, phía Tây
giáp hai huyện M'Drăk và Krông Bông của tỉnh Đắk Lắk, phía Nam giáp huyện Bác
Ái và Thuận Bắc của tỉnh Ninh Thuận, phía Tây Nam giáp huyện Lạc Dương của tỉnh
Lâm Đồng, phía Đông giáp Biển Đông. Tỉnh lỵ của Khánh Hòa là thành phố Nha
Trang, cách Thành phố Hồ Chí Minh 447 km và cách thủ đô Hà Nội 1.278 km đường
bộ Khánh Hòa có diện tích tự nhiên là 5.197 km². Phần đất liền của tỉnh nằm kéo dài
từ tọa độ địa lý 12°52’15" đến 11°42’50" vĩ độ Bắc và từ 108°40’33" đến 109°27’55"
kinh độ Đông. Là một tỉnh nằm sát dãy núi Trường Sơn, đa số diện tích Khánh Hòa là
núi non, miền đồng bằng rất hẹp, chỉ khoảng 400 km², chiếm chưa đến 1/10 diện tích
toàn tỉnh. Miền đồng bằng lại bị chia thành từng ô, cách ngăn bởi những dãy núi ăn ra
biển. Do đó để đi suốt dọc tỉnh phải đi qua rất nhiều đèo như đèo Cả, đèo Cổ Mã, đèo
Chín Cụm, đèo Bánh Ít, đèo Rọ Tượng, đèo Rù Rì. [6]
Tỉnh Khánh Hoà có hai huyện miền núi là Khánh Sơn, Khánh Vĩnh và một số
xã miền núi của các huyện Cam Ranh, Diễn Khánh, Ninh Hoà, Vạn Ninh, có diện tích
tự nhiên là 290.500 ha, chiếm 63,5% của tỉnh. Toàn tỉnh có 49 xã thuộc khu vực miền
núi, vùng cao, do điều kiện tự nhiên, những con suối được hình thành tại các huyện
miền núi này, hầu hết nước sinh hoạt của những người dân vùng cao đều lấy tại các
con suối này. Sông suối ở Khánh Hòa nhìn chung ngắn và dốc, cả tỉnh có khoảng 40
con sông dài từ 10km trở lên, tạo thành một mạng lưới sông suối phân bố khá dày.
Hiện nay có 32 dân tộc đang sinh sống trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa, trong đó dân tộc
Kinh chiếm 95,3% sống phân bố đều khắp huyện, thị, thành phố, nhưng tập trung
nhiều nhất vẫn là các vùng đồng bằng, thành phố, thị xã, thị trấn. Dân tộc Raglai
chiếm 3,4% sống tập trung chủ yếu ở hai huyện Khánh Sơn, Khánh Vĩnh trong các bản
làng (palây). Dân tộc Hoa chiếm 0,86% sống chủ yếu ở Nha Trang và Ninh Hòa Các
nhóm chính khác gồm Cơ-ho chiếm 0,34%, Ê-đê chiếm 0,25%... Ngoài ra, còn có các

1


dân tộc Tày, Nùng, Mường, Chăm.... Người Chăm là cư dân bản địa ở Khánh Hòa.
Tuy nhiên do những điều kiện lịch sử, từ giữa thế kỷ XVII về sau này, người Chăm ở
Khánh Hòa lần lượt di chuyển vào các tỉnh phía Nam. Vì vậy mà ngày nay, người
Chăm ở Khánh Hòa còn lại số lượng không đáng kể.
Khánh Hòa nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới xavan. Song khí hậu Khánh
Hòa có những nét biến dạng độc đáo với các đặc điểm riêng biệt. So với các tỉnh,
thành phía Bắc từ Đèo Cả trở ra và phía Nam từ Ghềnh Đá Bạc trở vào, khí hậu ở
Khánh Hòa tương đối ôn hòa hơn do mang tính chất của khí hậu đại dương. Thường
chỉ có 2 mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa nắng. Mùa mưa ngắn, từ khoảng giữa tháng 9
đến giữa tháng 12 dương lịch, tập trung vào 2 tháng 10 và tháng 11, lượng mưa thường
chiếm trên 50% lượng mưa trong năm. Những tháng còn lại là mùa nắng, trung bình
hàng năm có tới 2.600 giờ nắng. Nhiệt độ trung bình hàng năm của Khánh Hòa cao
khoảng 26,7°C riêng trên đỉnh núi Hòn Bà (cách Nha Trang 30 km đường chim bay)
có khí hậu như Đà Lạt. Độ ẩm tương đối khoảng 80,5%.
Từ tháng 1 đến tháng 8, có thể coi là mùa khô, thời tiết thay đổi dần. Những
tháng đầu mùa, trời mát, nhiệt độ từ 17-25°C, nhưng từ tháng 5 đến tháng 8 trời nóng
nực, nhiệt độ có thể lên tới 34°C (ở Nha Trang) và 37-38°C (ở Cam Ranh). Tháng 9
đến tháng 12, được xem như mùa mưa, nhiệt độ thay đổi từ 20-27°C (ở Nha Trang) và
20-26°C (ở Cam Ranh). Khánh Hòa là vùng ít gió bão, tần số bão đổ bộ vào Khánh
Hòa thấp chỉ có khoảng 0,82 cơn bão/năm so với 3,74 cơn bão/năm đổ bộ vào bờ biển
Việt Nam. Các trận bão được dự đoán sẽ đổ bộ vào Khánh Hòa trong những năm gần
đây thường lệch hướng vào Nam hoặc tan ngay khi gần vào bờ. Tuy vậy, do địa hình
sông suối có độ dốc cao nên khi có bão kèm theo mưa lớn, làm nước dâng cao nhanh
chóng, trong khi đó sóng bão và triều dâng lại cản đường nước rút ra biển, nên thường
gây ra lũ lụt.
Cây công nghiệp ngắn ngày được trồng nhiều nhất là cây mía, sau đó là đậu
phộng, cây lương thực được trồng nhiều nhất trong tỉnh là cây khoai mì và cây bắp.

Việc trồng cây bắp đã mang lại giá trị kinh tế cao cho nhiều hộ đồng bào dân tộc thiểu
số ở huyện Khánh Vĩnh.
Ta thấy được rằng, mức nước cũng như tốc độ dòng chảy của suối vào mùa
mưa và mùa nắng là hoàn toàn khác nhau, về mùa mưa nước nhiều và chảy mạnh, mùa

2


nắng suối cạn, tốc độ dòng chảy chậm, để tăng dòng chảy của suối về mùa nắng ta
phải tiến hành dẫn dòng.
1.2. Tổng quan về bơm nước sử dụng năng lượng dòng suối tự chảy [5]
1.2.1. Bơm cọn nước vùng cao.
a. Nguyên lý hoạt động của cọn nước.
- Tận dụng sức đẩy của dòng chảy người dân ở các huyện vùng núi đã biết chế
tạo ra những chiếc bơm cọn nước, dùng chính năng lượng của dòng nước để làm quay
guồng.

Hình 1.1: Bơm cọn nước
Nhờ lực đẩy của dòng nước tác dụng lên cánh của cọn nước làm cọn nước
quay, các ống nước thường được lắp trên mỗi cánh quạt nước, khi cọn nước quay thì
các ống nước thay nhau múc nước và đổ vào máng. Quan trọng nhất đối với mỗi chiếc
cọn nước là việc đặt và bố trí những ống đựng nước trên thân cọn. Thông thường mỗi
ống đựng nước thường được buộc kèm chéo theo mỗi cánh quạt nước và phải buộc tất
cả các ống cùng nghiêng một độ nhất định thì mới khiến cọn không bị lỗi nhịp khi
guồng nước

3


b. Ưu và nhược điểm của cọn nước.

- Ưu điểm:
+ Giá thành rẻ, dễ chế tạo, dễ sử dụng.
+ Lắp đặt và phục hồi đơn giản,
- Nhược điểm:
+ Lưu lượng nước thấp.
+ Chỉ đưa được nước từ nơi có vị trí cao đến nơi có vị trí thấp.
1.2.2. Bơm va
a. Nguyên lý làm việc
Bơm va (hay còn gọi là bơm nước va) là một thiết bị bơm nước lên cao bằng
cách dùng hiệu ứng nước va, trực tiếp biến năng lượng cột nước thấp thành năng lượng
cột nước cao (tối đa tới 130m). Dùng loại máy bơm này, người sử dụng có thể đưa
nước từ sông suối lên phục vụ cho các vùng đất dốc (có độ cao 30- 80m). Bơm va có
10 bộ phận chính sau: đường ống nước vào, cụm van 1 chiều, cửa làm vệ sinh máy,
bình tích áp, đường ống bơm lên, cụm van va, cần khởi động, đế máy và thân bơm va.
Hiện có 4 loại bơm va chính có ký hiệu: HBIL 840, HBIL 630, HBIL 420 và BV 2000.

Hình 1.2: Cấu tạo bơm va

4


Về nguyên lý hoạt động, khi chưa khởi động, nước từ bể áp lực theo đường ống
áp lực vào bình điều áp, rồi ép không khí lại với áp lực ban đầu bằng áp lực thuỷ tĩnh.
Để khởi động, chỉ cần ấn cho van mở ra, dưới tác động của đầu nước, nước sẽ trào ra
khiến lưu lượng nước qua cửa van tăng dần. Khi tốc độ đạt đến mức độ nhất định,
nước kéo van va lên, van va đóng lại và trong hệ thống van va sẽ xảy ra hiện tượng
nước va. Lúc này, áp lực tăng lên, van được mở để đẩy nước ra, nước theo quán tính
và áp lực chảy vào bình điều áp ép không khí lại, nước sẽ theo đường ống đẩy dâng lên
và chảy ra bể xả. Cứ như vậy, sau một thời gian, ở pha âm van đẩy đóng lại, van va
mở ra, nước trào ra và tốc độ chảy trong đường ống tăng dần. Khi tốc độ đạt đến mức

nhất định, van va đóng lại, van đẩy mở ra và quá trình được lặp lại tự động theo một
chu kỳ nhất định...

Hình 1.3. Bơm va
+ Ưu điểm:
- Cột áp cao
- Dễ vận hành
- Thích hợp với những dòng suối dốc và nhỏ
+ Nhược điểm:
- Giá thành khá cao so với các loại bơm tự chảy khác
- Chế tạo phức tạp hơn so với các bơm tự chảy khác
- Phải xây ngăn dòng chảy để tạo lực đẩy
- Phù hợp với dòng suối sâu

5


1.2.3 Bơm thủy luân
a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm
Bơm thuỷ luân (hay còn gọi là bơm tua bin). Loại bơm này thực chất là một
thiết bị gồm bơm và tua - bin, trong đó cánh bơm và cánh tua- bin được lắp đặt trên
cùng một trục, năng lượng của nước làm quay cánh tua- bin, kéo theo cánh bơm cũng
quay và đưa nước lên cao . Tua- bin của bơm thuỷ luân là loại tua- bin hướng trục, ly
tâm. Ngoài những nguyên lý trên, bơm thuỷ luân có một số ưu điểm chính: tua- bin và
bơm là một khối thống nhất, nội dung một trục nên tiết kiệm được cơ cấu truyền
chuyển động mà kết cấu rất chặt chẽ. Do máy bơm làm việc ở trong nước nên tiết kiệm
được các thiết bị và thủ tục mồi nước ban đầu, hơn nữa vì máy bơm không có quá trình
hút nước, do đó máy rất ít bị hư hỏng. Công suất trục của máy bơm được thiết kế bằng
công suất trục của tua- bin, nên khi làm việc, nếu phụ tải của máy bơm thay đổi, bộ
phận trong tua- bin sẽ tự động điều chỉnh tốc độ cho phù hợp. Còn về bản chất, tuabin và máy bơm giống như máy phát điện và động cơ điện, đây là đặc điểm rất phù

hợp cho việc lắp đặt máy móc trên địa hình các tỉnh miền núi. Bơm có khả năng đưa
nước lên độ cao 10- 15m.

Hình 1.4: Bơm thủy luân

6


Cấu tạo: Bao gồm các cụm chính
- Cụm tuabin hướng trục – bánh công tác tua bin - buồng tua bin
- Cụm bơm ly tâm – bánh công tác bơm - buồng bơm
- Cụm ổ bi, ổ bạc đỡ trục
Nguyên lý làm việc: Bơm thủy luân thường làm việc ngập dưới nước. Nước
chảy qua tua bin làm quay bánh công tác tua bin đồng thời làm quay bánh công tác
bơm ly tâm (do nối liền trục) – bơm quay tạo sức ly tâm đưa nước lên cao.
b. Ưu và nhược điểm của bơm
+ Ưu điểm:
-

Cột áp cao

-

Dễ vận hành

-

Thích hợp với những dòng suối dốc và nhỏ

+ Nhược điểm:

-

Giá thành khá cao so với các loại bơm tự chảy khác

-

Chế tạo phức tạp hơn so với các bơm tự chảy khác

-

Phải ngăn dòng chảy để tạo lực đẩy

-

Bảo trì khó và tốn kém

1.2.4 Bơm bánh xe xoắn ốc
a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 1.5: Cấu tạo bơm bánh xe xoắn ốc
Máy bơm gồm các bộ phận: bánh xe bơm, cuộn ống, vòng xoắn ốc, gầu múc,
khung bơm, bàn đạp quay bơm, trục bơm, phao nổi, gối đỡ đầu trục bơm, ống khít
quay (đây là bộ phận liên kết để chuyền nước từ trục bơm vào ống dẫn nước lên cao).

7


Máy bơm có hình dáng giống như guồng nước (từng được người dân vùng cao sử
dụng để đưa nước lên ruộng) nhưng trên guồng máy bơm gắn thêm các cuộn ống nước
xếp hình xoắn ốc.

Hình 1.6: Bơm bánh xe xoắn ốc
Nguyên lý hoạt động: Đặt xuống suối, guồng tự quay theo sức đẩy của nước,
mỗi vòng sẽ lấy một lượng nước và không khí vào ống cuộn. Cứ theo các vòng quay
của guồng, lượng nước và không khí liên tục đi vào ống sẽ dồn ép tạo ra áp suất lớn
nhất ở vòng quay cuối cùng, đẩy nước phụt qua ống xả lên cao. Trục bơm luôn quay
còn ống dẫn nước lên cao phải cố định; ống khít quay được cấu tạo đặc biệt để nước
tuy dưới áp suất lớn nhưng không bị phụt rỉ ra ngoài. Vỏ ống khít quay làm bằng thép
hoặc nhựa, các bộ phận liên kết được chế tạo bằng cao su, đồng, thép không gỉ; hai ổ
bi là loại có chất lượng cao, ngăn được nước không vào bi, không phải bơm mỡ.
b. Ưu và nhược điểm
+ Ưu điểm:
-

Cột áp cao

-

Dễ vận hành

-

Thích hợp với nhiều địa hình

-

Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

-

Kinh phí thấp vì có thể chế tạo bằng những vật liệu rẻ tiền như gỗ, tre…

-

Tính cơ động cao

8


+ Nhược điểm:
-

Lưu lượng thấp hơn bơm va và bơm thủy luân

-

To, cồng kềnh hơn các loại trên

1.2.5 Bơm cáp treo
a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm

Hình 1.7: Bơm cáp treo
Bơm cáp treo là một ứng dụng hiện đại của một Snail Archimedes, bao gồm
một ống xoắn ốc- hở trong một thân hình ống, có một cánh quạt ở phía trước. Một
khớp nối xoay ở cuối phía trước của máy bơm cho phép than của máy bơm có thể xoay
tự do mà không ảnh hưởng đến các đường ống xả. Nước chảy qua các cánh quạt ở phía
trước bơm trong chuyển động quay. Bơm được giữ cố định bằng một hoặc hai dây cáp.

Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động bơm cáp treo

9


Cấu tạo của bơm cáp treo cơ bản gồm có thân bơm hình nón thường được làm
bằng nhựa, cánh quạt được làm bằng nhôm, cuộn ống, ống khít quay (bạc chà), dây
cáp giữ bơm. Nguyên lý hoạt động của bơm cáp treo cũng tương tự của bơm bánh xe
xoắn ốc.
b. Ưu nhược điểm của bơm
+ Ưu điểm:
-

Cột áp cao

-

Dễ vận hành

-

Nhỏ gọn

-

Đơn giản, dễ chế tạo, tuổi thọ cao

-

Gọn nhẹ, tính cơ động cao

+ Nhược điểm:

-

Lưu lượng thấp hơn cá loại bơm trên

-

Không thích hợp với địa hình gồ ghề

-

Cánh quạt dễ bị vướng mắc bởi các vật trên dòng suối nên phải theo dõi thường
xuyên

-

Vì được cố định bằng sợi cáp ở giữa dòng nên tính ổn định lâu dài không cao.
Thông qua đặc điểm của các dòng suối tự chảy cũng như địa hình và yêu cầu tưới

tiêu của các huyện vùng núi tỉnh Khánh Hòa ta đưa ra được cách chọn loại bơm sử dụng
năng lượng dòng suối tự chảy là tốt nhất, phù hợp nhất thỏa mãn các yêu cầu:
+ Giá thành bơm rẻ, vì người dân ở các khu vực miền núi thường có kinh tế khó khăn
+ Dễ lắp đặt, sử dụng và bảo trì, vì trình độ người dân còn hạn chế và các thiết
bị kỹ thuật ít.
+ Bơm phải có khả năng đưa được nước lên cao và lưu lượng ổn định
 Từ các yêu cầu trên chúng ta có thể chọn được loại bơm sử dụng năng

lượng dòng suối phù hợp nhất đó là bơm xoắn ốc.
1.3.

Mục tiêu, phương pháp, nội dung và phạm vi nghiên cứu

1.3.1. Lý do thực hiện đề tài
Miền núi tỉnh Khánh Hoà gồm hai huyện Khánh Sơn và Khánh Vĩnh và một số
xã thuộc các huyện Cam Ranh, Cam Lâm, Ninh Hoà và Vạn Ninh với diện tích tự
nhiên khoảng 290.500ha, chiếm 63,5% diện tích toàn tỉnh. Với đặc trưng là vùng đồi

10


cao khá khô hạn mặc dù sen lẫn nhiều dòng suối nhỏ ít nước về mùa khô nhưng khá
hung hãn về mùa mưa. Do khó khăn về khả năng tài chính và tập quán canh tác còn
khá lạc hậu nên việc tưới nước phục vụ trồng trọt cho các vùng miền núi của tỉnh cơ
bản nhờ mưa tự nhiên. Chính hạn chế này đã làm giảm năng suất cây trồng và tạo
không ít khó khăn cho công cuộc phát triển kinh tế - xóa đói giảm nghèo cho cư dân
miền núi của Tỉnh.
Nhận thức được vai trò quan trọng của nước tưới trong phát triển cây trồng và khả
năng sử dụng thủy năng của các dòng suối để cấp nước tưới phục vụ sản xuất cho đồng
bào trên các vùng núi của Tỉnh, các mẫu máy bơm nước sử dụng thủy năng của dòng suối
phục vụ tưới cây phù hợp với điều kiện địa hình vùng núi của tỉnh đã được trường Đại học
Nha Trang nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đưa vào sử dụng khá thành công.
Về mặt tổng quan kết cấu bơm đã đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật. Tuy
nhiên, các bơm thủy năng hiện nay nói chung và loại bơm đặt gần bờ nói riêng vẫn còn
một số hạn chế: hiệu suất sử dụng nước chưa cao do hình dáng, kết cấu của phần tạo
động lực (ở đây chính là những cánh bơm) sinh ra mômen để quay bơm vẫn chưa được
hợp lí dẫn đến giảm công suất của bơm. Mặt khác, kích cỡ của bơm tương đối cồng
kềnh, tăng chi phí vật liệu, chi phí gia công chế tạo bơm dẫn đến giá thành của bơm
còn khá cao. Vì vậy việc áp dụng lý thuyết tối ưu để thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn
động của bơm thủy năng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động & hạ giá thành Bơm hiện
đang là vấn đề cấp thiết. Với ý tưởng tạo lập cơ sở khoa học tin cậy trên cơ sở các
thành tựu mới về khoa học thiết kế máy, Tác giả xin chọn đề tài nghiên cứu nêu trên

để nghiên cứu phục vụ đề tài tốt nghiệp ngành kỹ thuật cơ khí.
1.3.2. Mục tiêu nghiên cứu
Áp dụng lý thuyết tối ưu để thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy
năng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động & hạ giá thành sản phẩm.
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau như phương pháp điều tra
thực tế và tổng quan tài liệu, phương pháp mô hình hóa, phương pháp thực nghiệm.
- Phương pháp điều tra thực tế và tổng quan tài liệu để xác định chi tiết mục tiêu
nghiên cứu.

11


- Phương pháp mô hình hóa để tối ưu hóa kết cấu bộ dẫn động.
- Phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng và hoàn chỉnh kết quả nghiên cứu.
1.3.4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung luận văn được kết cấu thành 5 chương cụ thể như sau :
Chương 1 : Tổng quan
Nội dung chương trình bày những vấn đề tổng quan về thủy văn và tình hình
trồng cây công nghiệp của vùng núi tỉnh Khánh Hòa, tổng quan về bơm nước sử dụng
năng lượng dòng suối tự chảy, tổng quan về mẫu bơm đi tối ưu, lý do lựa chọn đề tài,
mục tiêu, phương pháp, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Chương 2 : Cơ sở khoa học và lý thuyết để thiết kế tối ưu
Nội dung chương trình bày tổng quan về tối ưu hóa và cơ sở lý thuyết về mô
phỏng CFD, trong đó có giới thiệu về phần mềm mô phỏng Ansys.
Chương 3 : Tối ưu hóa
Nội dung chương trình bày tổng quan về mẫu bơm đi tối ưu; tính toán, mô
phỏng xác định biên dạng cánh bơm tối ưu và tối ưu số lượng cánh, bề rộng của guồng
bơm.
Chương 4 : Thực nghiệm kiểm chứng

Nội dung chương đi thực nghiệm kiểm chứng mẫu bơm tối ưu nhằm khẳng định
lại kết quả nghiên cứu trong đề tài
Chương 5 : Kết luận và đề xuất
Nội dung chương trình bày các kết luận và khuyến nghị rút ra trong quá trình
thực hiện đề tài
1.3.5. Phạm vi nghiên cứu
Kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng phục vụ tưới cây cho vùng núi tỉnh
Khánh Hòa qui mô trang trại.

12


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ LÝ THUYẾT ĐỂ THIẾT KẾ TỐI ƯU
2.1. Tổng quan về tối ưu hóa
Trong lĩnh vực thiết kế kết cấu hiện nay, ngoài các yêu cầu về độ bền, độ cứng, độ
ổn định, đảm bảo được nhiệm vụ đặt ra người thiết kế phải thiết kế được kết cấu sao cho
chi phí vật liệu là nhỏ nhất, giá thành thấp nhất, trọng lượng toàn kết cấu là bé nhất…Với
yêu cầu như vậy, việc tính toán kết cấu theo lý thuyết tối ưu là hết sức cần thiết.
2.1.1. Các phương pháp cơ bản [2] [3]
Cho đến nay, xét trên cả cơ sở lý luận cũng như ứng dụng tính toán, có thể phân
ra hai dòng phương pháp chính để giải bài toán tối ưu hóa kết cấu, đó là lý thuyết quy
hoạch toán học và tiêu chuẩn tối ưu.
* Phương pháp quy hoạch toán học
Thiết kế tối ưu kết cấu thực chất là bài toán xác định đặc điểm hình học hợp lí
của kết cấu thỏa mãn một số điều kiện ràng buộc và đảm bảo một số tiêu chuẩn nào
đó, là lớn nhất hay bé nhất. Nói cách khác, bài toán thiết kế tối ưu nói chung và tối ưu
kết cấu nói riêng có thể phát biểu như sau:
Tìm tập hợp các giá trị X = (x1, x2,…,xn) để sao cho hàm số Z = f(x1, x2, …, xn)
đạt cực trị (cực đại hay cực tiểu), đồng thời thỏa mãn các điều kiện sau [2] [3]:

(2.1)
Trong đó, hàm Z gọi là hàm mục tiêu, điều kiện (2.1) là hệ các ràng buộc gồm
nhiều hàm ràng buộc. Riêng đối với bài toán bài toán tối ưu hóa kết cấu, hàm mục tiêu
Z có thể là trọng lượng, giá thành …, các hàm ràng buộc có thể là ràng buộc về độ
bền, độ cứng, độ ổn định hoặc điều kiện cân bằng v.v…, còn ximin, ximax là giá trị nhỏ
nhất và giá trị lớn nhất của biến thiết kế, có thể là các kích thước kết cấu.

13