Nghiên cứu các đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm

NGUYỄN NGỌC MINH

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

NGUYỄN NGỌC MINH

KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC DÒNG CHẢY TRONG
BƠM VẬN CHUYỂN BÙN CÁT ĐỂ CẢI TIẾN KẾT CẤU NÂNG
CAO HIỆU SUẤT CỦA BƠM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

2010-2011
Hà Nội – 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Ngọc Minh

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC DÒNG CHẢY TRONG BƠM VẬN
CHUYỂN BÙN CÁT ĐỂ CẢI TIẾN KẾT CẤU NÂNG CAO HIỆU SUẤT
CỦA BƠM

Chuyên ngành :

Kỹ thuật máy và thiết bị thủy khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
GS. TS LÊ DANH LIÊN

Hà Nội – 2011


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan

5

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

6

Danh mục các bảng

10

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

11

MỞ ĐẦU

13

Chương 1 –TỔNG QUAN CHUNG VỀ MÁY BƠM BÙN CÁT

15

1.1 Tổng quan các kết quả nghiên cứu về máy bơm bùn cát

15

1.1.1 Những đặc điểm chính của máy bơm bùn

15

1.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc của máy

16

bơm bùn
1.1.3 Đặc điểm cơ bản của môi trường dòng hai pha rắn-lỏng.

18

1.1.4 Ảnh hưởng của tính chất dòng hỗn hợp hai pha rắn – lỏng đến

23

tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn
1.1.5 Thông số hình dạng và kết cấu phần dẫn dòng của máy bơm bùn

24

1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng bơm bùn ở Việt nam

34

1.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

35

1.3.1 Nội dung nghiên cứu của luận văn

35

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu của luận văn

35

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA

36

MÁY BƠM BÙN
2.1 Máy bơm bùn làm việc trong môi trường nước sạch

36

2.1.1 Hiện tượng tách dòng của dòng chất lỏng trong rãnh dẫn bánh

36

công tác
2.1.2 Cột áp của máy bơm khi làm việc trong môi trường nước sạch

39

2.1.3 Công suất máy bơm khi làm việc trong môi trường nước sạch

42

2.1.4 Hiệu suất của máy bơm khi làm việc trong mội trường nước sạch

45

HV: Nguyễn Ngọc Minh

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.

2.2 Máy bơm bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn

46

2.2.1 Tổn thất cột áp bổ sung trong bánh công tác

46

2.2.2 Cột áp của máy bơm khi làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn

49

2.2.3 Công suất của máy bơm khi làm việc trong môi trường hỗn hợp

54

bùn
2.2.4 Hiệu suất làm việc của máy bơm khi làm việc trong môi trường

54

hỗn hợp bùn
2.3 Phân tích ảnh hưởng của các thông số hình học bánh công tác và

55

tính chất môi trường hỗn hợp bùn đến đặc tính làm việc của máy bơm
bùn
2.3.1 Ảnh hưởng của các thông số hình học bánh công tác

55

2.3.2 Ảnh hưởng của tính chất môi trường làm việc

59

2.4 Lựa chọn các thông số nghiên cứu

60

2.4.1 Lựa chọn các chỉ tiêu đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc

60

của máy bơm bùn
2.4.2 Lựa chọn các thông số nghiên cứu.

61

Chương 3: NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC DÒNG CHẢY

63

HAI PHA TRONG BƠM BÙN CÁT VÀ ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP
CẢI TIẾN ĐỂ TĂNG HIỆU SUẤT VÀ TUỔI THỌ CỦA BƠM BÙN
CÁT
3.1 Nghiên cứu đặc tính động học dòng chất lỏng chuyển động trong

63

bơm cát
3.2 Sự mài mòn của máy bơm bùn

71

3.3 Các biện pháp đảm bảo giảm thiểu mài mòn của máy bơm bùn

80

3.4 Sự ảnh hưởng của mài mòn đối với đặc tính của máy bơm bùn

82

3.4.1 Thay đổi kết cấu một vài thông số chi tiết bơm ly tâm

82

3.4.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo các chi tiết máy bơm bùn

83

HV: Nguyễn Ngọc Minh

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.

3.4.3 Giảm sự mài mòn do xuất hiện xâm thực

84

3.4.4 Duy trì các khe hở giữa các chi tiết

85

Chương 4 - ỨNG DỤNG CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH

90

TOÁN THIẾT KẾ BƠM BÙN
4.1 Xác định lưu lượng của bơm bùn

90

4.2 Xác định cột áp của bơm bùn

91

4.3 Xác định các kích thước chính của bánh công tác

92

4.3.1 Xác định các thông số kết cấu lối vào của bơm

92

4.3.2 Xác định các thông số kết cấu tại lối ra của bơm

94

4.4 Thiết kế hình dạng rãnh xe ở tiết diện kinh tuyến

99

4.5 Tính toán thiết kế buồng dẫn dòng ra

104

4.5.1 Thiết kế ống tháo

104

4.5.2 Xác định kích thước ống xả (ống chuyển tiếp)

111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

115

TÀI LIỆU THAM KHẢO

117

PHỤ LỤC
PHỤ LỤC 1: Bản vẽ xây dựng bánh công tác
PHỤ LỤC 2: Bản vẽ bánh công tác
PHỤ LỤC 3: Bản vẽ xây dựng buồng xoắn
PHỤ LỤC 4: Bản vẽ chung máy bơm bùn
PHỤ LỤC 5a: Các mác gang xám dùng chế tạo bơm bùn của một số nước

PHỤ LỤC 5b: Các mác thép rèn dùng chế tạo bơm bùn của một số nước
PHỤ LỤC 5c: Các mác thép không gỉ dùng chế tạo bơm bùn của một số nước

HV: Nguyễn Ngọc Minh

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của
riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả

Nguyễn Ngọc Minh

HV: Nguyễn Ngọc Minh

5

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
Q
QBhh
QBn
QBhr
Qtu
SABC
γ hh
γ
γ hr
γn
ηB
η pr
ηtl
ηQ
η Bhh
η Bn
ηck
ηtlbct
ξtlbct
H hh

H
HB
HBhh
HBntu
Hbxn
HR
Hbctn
Hltbctn

Hlthh
Hltn
hwbctn

Ý nghĩa
Lưu lượng
Lưu lượng máy bơm khi vận chuyển hỗn hợp bùn
Lưu lượng máy bơm khi làm việc trong môi trường
nước sạch
Lưu lượng pha rắn
Lưu lượng máy bơm bùn ở chế độ tối ưu
Diện tích tam giác ABC
Trọng lượng riêng của hỗn hợp
Trọng lượng riêng
Trọng lượng riêng của hạt rắn
Trọng lượng riêng của nước
Hiệu suất làm việc của máy bơm bùn
Hiệu suất vận chuyển pha rắn của máy bơm bùn
Hiệu suất thủy lực
Hiệu suất lưu lượng
Hiệu suất làm việc của máy bơm bùn khi làm việc
trong môi trường hỗn hợp bùn
Hiệu suất làm việc của máy bơm bùn khi làm việc
trong môi trường nước sạch
Hiệu suất cơ khí
Hiệu suất thủy lực bánh công tác
Tổn thất thủy lực trong bánh công tác
Cột áp của bơm
Cột áp
Cột áp của máy bơm

Cột áp của máy bơm khi vận chuyển hỗn hợp bùn
Cột áp của máy bơm nước sạch ở chế độ tối ưu
Cột áp của buồng xoắn trong môi trường nước sạch
Độ suy giảm cột áp của máy bơm bùn
Cột áp của bánh công tác trong môi trường nước sạch
Cột áp lý thuyết của bánh công tác khi làm việc trong
môi trường nước sạch
Cột áp lý thuyết của máy bơm bùn khi làm việc trong
môi trường hỗn hợp bùn
Cột áp lý thuyết của máy bơm bùn khi làm việc trong
môi trường nước sạch
Tổng tổn thất cột áp trong bánh công tác khi máy bơm

HV: Nguyễn Ngọc Minh

6

Đơn vị
m3/s
m3/s
m3/s
m3/s
m3/s
m2
KG/m3
KG/m3
KG/m3
KG/m3
%
%

%
%
%
%
%
%
%
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m
m

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.

hwbcthh
hwbhhh
hwbhn
hwbxn

hwbxhh
h Whh
∑
h Whn
∑

Nhh
Ntrhh
Ntrn
'
NTL
'
NTLtu

NH
Ntr

∆N ck
∆NTN
∆N msd

∆N KH
∆NTTL
∆NTTT

CW
CV
Ccd
ER
kE

kQ
kH
kmsd
k1, k2

bùn làm việc trong môi trường nước sạch
Tổng tổn thất cột áp trong bánh công tác khi máy bơm
bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn
Tổng tổn thất cột áp trong buồng hút khi máy bơm
bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn
Tổng tổn thất cột áp trong buồng hút khi máy bơm
bùn làm việc trong môi trường nước sạch
Tổng tổn thất cột áp trong buồng xoắn khi máy bơm
bùn làm việc trong môi trường nước sạch
Tổng tổn thất cột áp trong buồng xoắn khi máy bơm
bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn
Tổng tổn thất cột áp trong các bộ phận dẫn dòng khi
máy bơm bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn
Tổng tổn thất cột áp trong các bộ phận dẫn dòng khi
máy bơm bùn làm việc trong môi trường nước sạch
Công suất của máy bơm khi vận chuyển hỗn hợp bùn
Công suất trên trục của máy bơm khi làm việc trong
môi trường hỗn hợp bùn
Công suất trên trục của máy bơm khi làm việc trong
môi trường nước sạch
Công suất thủy lực lý thuyết của bơm bùn
Công suất thủy lực lý thuyết của bơm bùn ở chế độ tối
ưu
Công suất có ích của bơm
Công suất trên trục bơm

Tổn thất công suất cơ khí
Tổn thất công suất do ma sát tại các ổ bi và bộ phận
làm kín gây ra
Tổn thất công suất do ma sát đĩa gây ra
Tổn thất công suất hãm
Công suất tiêu hao do tổn thất thủy lực gây ra
Công suất tiêu hao do tổn thất thể tích gây ra
Nồng độ thể tích của hỗn hợp bùn
Nồng độ khối lượng của hỗn hợp bùn
Hệ số cản động học của hạt rắn
Độ suy giảm cột áp của máy bơm bùn
Hệ số suy giảm hiệu suất của máy bơm bùn
Hệ số lưu lượng
Hệ số suy giảm cột áp của máy bơm bùn
Hệ số ma sát đĩa
Hệ số chèn dòng tại lối vào và lối ra của bánh công tác

HV: Nguyễn Ngọc Minh

7

m
m
m
m
m
m
m
kW
kW

kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
%
%
-

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.

k2'

ρ hr
ρn
Vgh
Fl

fch
Φ

Vhr
Shr
p1 , p2

Z1, Z 2
ZB
δC
b1, b2
D1, D2
Dh
dtb
dhr
fhr
β1 , β 2
t1 , t2

ω
nB
nS
∆w tb

C2m0
C1m, C2m
C1hh, C2hh
C1u, C2u
C1n, C2n

Hệ số chèn dòng tại lối ra của bánh công tác khi tính
đến vùng tách thành của dòng chất lỏng trong máng

dẫn bánh công tác
Khối lượng riêng của pha rắn
kg/m3
Khối lượng riêng của nước
kg/m3
Vận tốc lắng giới hạn
m/s
Hệ số thực nghiệm
Hệ số độ bền chắc của hạt rắn
Độ không tròn cầu của các hạt rắn
Thể tích của hạt rắn dạng cầu
m3
Diện tích bề mặt của hạt rắn dạng cầu
m2
Áp suất tại lối vào và lối ra của bánh công tác
atm
Độ cao hình học từ tâm của bánh công tác tới các
đồng hồ đo áp suất tại lối vào và lối ra của bánh công
m
tác
Số cánh của bánh công tác
Chiều dày lá cánh bánh công tác
m
Chiều rộng máng dẫn bánh công tác tại lối vào và lối
m
ra
Đường kính bánh công tác tại lối vào và lối ra của
m
bánh công tác
Đường kính ống hút

m
Kích thước trung bình của hạt
m
Đường kính của hạt rắn
m
Diện tích tiết diện ngang của hạt rắn
m
Góc đặt cánh tại lối vào và lối ra của bánh công tác
Độ
Bước cánh tại lối vào và lối ra của bánh công tác
m
Vận tốc góc của bánh công tác
Rad/s
Số vòng quay của máy bơm
Vòng/phút
Số vòng quay đặc trưng
Vòng/phút
Vận tốc trung bình của khối chất lỏng dọc theo mép ra
m/s
của bánh công tác
Thành phần vận tốc kinh tuyến của chất lỏng tại lối ra
m/s
của bánh công tác không tính đến sự chèn dòng
Thành phần vận tốc kinh tuyến của chất lỏng tại lối
m/s
vào và lối ra của bánh công tác
Thành phần vận tốc tuyệt đối của hỗn hợp tại lối vào
m/s
và lối ra của bánh công tác
Thành phần vận tốc tuyệt đối của dòng chảy tại lối vào

m/s
và lối ra của bánh công tác
Thành phần vận tốc tuyệt đối của pha nước tại lối vào
m/s

HV: Nguyễn Ngọc Minh

8

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.

u2
V
n1
S
n2
u
u0
kM
kr
uH
σb
ak

và ra của bánh công tác
Thành phần vận tốc theo tại lối ra của bánh công tác

Vận tốc chuyển động của nước
Số lượng ảnh trên phim (giữa các dấu thời gian) chụp
sau 0,01 giây
Khoảng cách trên màn ảnh giữa các tâm của bi khi
thay một ảnh
Tần suất đánh dấu thời gian trên phim
Cường độ mài mòn của mẫu thử
Cường độ chịu mài mòn của mẫu thử với tia thử
vuông góc với bề mặt của nó
Hệ số chịu mòn tương đối của vật liệu
Hệ số tính đến độ cứng
Khả năng chịu mài mòn bình thường
Độ cứng của hạt rắn
Độ dai va đập

HV: Nguyễn Ngọc Minh

9

m/s
m/s
cm3
cm3
cm3
HB
HB

HD: GS.TS Lê Danh Liên

Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1-1

Bánh công tác dạng rãnh

26

Hình 1-2

Bánh công tác kiểu hở

26

Hình 1-3

Bánh công tác kiểu nửa kín

27

Hình 1-4

Bánh công tác kiểu kín

28

Hình 2-1

Sơ đồ dòng chảy trong rãnh dẫn bánh công tác

37

Hình 2-2

Tam giác vận tốc tại lối ra của bánh công tác có tính đến

37

số lá cánh hữu hạn
Hình 2-3

Sơ đồ tính toán xác định hệ số điều chỉnh góc β 2

40

Hình 2-4

Đồ thị cân bằng năng lượng

44

Hình 2-5

Sơ đồ các lực tác dụng lên hạt rắn

46

Hình 3-1

Thí nghiệm quan sát đặc tính của chuyển động trong cánh

63

của bánh xe công tác
Hình 3-2

Quỹ đạo chuyển động trong bánh xe công tác của các bi

65

cao su có đặc tính đường dòng ở mép vào của các cánh
Hình 3-3

Quỹ đạo chuyển động tương đối của các hạt

68

Hình 3-4

Quan hệ giữa góc β và cỡ hạt tương đối d/b

67

Hình 3-5

Quỹ đạo chuyển động của những hạt rơi trực tiếp tại đầu

68

vào của cánh
Hình 3-6

Đặc điểm mòn của thân máy bơm bùn 1000-80 tương ứng

69

với sự phân bố vận tốc
Hình 3-7

Đặc tính chuyển động của các viên bi với đường kính từ

70

40-50mm trong mặt cắt đầu tiên của máng dẫn dòng ra
Hình 3-8

Phương pháp xác định cấp độ ép của hạt

74

Hình 3-9

Đặc trưng định tính của sự tương quan cường độ mài

75

mòn
Hình 3-10

Đặc tính mài mòn của vật liệu

78

Hình 3-11

Kết quả nghiên cứu tính chịu mòn của các chi tiết

81

HV: Nguyễn Ngọc Minh

11

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
Hình 3-12

Hai kiểu bịt kín của khe hở nhờ đệm cao su

87

Hình 3-13

Giải pháp cụm điều chỉnh

88

Hình 4-1

Phương pháp tính cánh bánh công tác

101

Hình 4-2

Biểu đồ phụ thuộc của vận tốc V’m, W và độ dầy δ vào

103

bán kính R
Hình 4-3

Biên dạng cánh trên mặt cắt ngang

103

Hình 4-4

Sơ đồ buồng dẫn dòng ra của bơm và tiết diện tính toán

105

Hình 4-5

Đồ thị phụ thuộc của thông số A và Fp vào hiệu bán kính

108

R3-R2

HV: Nguyễn Ngọc Minh

12

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài

Hiện tượng bồi lắng phù sa sông hồ, cửa biển nói chung và bể hút, bể xả trạm
bơm, kênh mương tưới tiêu trong thủy lợi nói riêng là vấn đề phức tạp không những
ở nước ta mà trên khắp thế giới. Sử dụng các thiết bị nạo vét cơ-thủy lực kết hợp
với máy bơm bùn để nạo vét phù sa bồi lắng ở các bể hút, bể xả trạm bơm và kênh
mương thủy lợi là giải pháp hợp lý đem lại hiệu quả tốt. Ngoài ra, việc sử dụng các
bơm cát để phục vụ cho các công tác khai thác và san lấp mặt bằng trong xây dựng
cũng đem lại hiệu quả kinh tế cao, giảm thời gian thi công các công trình.
Nước ta đang sử dụng số lượng lớn máy bơm bùn và tàu hút bùn phục vụ
công tác nạo vét. Tuy nhiên, các máy bơm bùn cỡ lớn và vừa đang hoạt động thực
tế đều phải nhập khẩu. Các cơ sở sản xuất trong nước đã sản xuất được các chi tiết
của máy bơm bùn song chủ yếu dựa vào các mẫu của nước ngoài. Vì vậy, chất
lượng sản phẩm các máy bơm bùn do Việt Nam sản xuất còn chưa cao. Do máy
bơm bùn làm việc trong môi trường hai pha rắn – lỏng rất phức tạp. Nên việc
nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến

nâng cao hiệu suất của bơm bùn là một vấn đề cấp thiết với sản xuất.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong máy bơm bùn cát để cải tiến
nâng cao hiệu suất làm việc, làm cơ sở thiết kế, chế tạo máy bơm phục vụ công tác
nạo vét bể hút, bể xả trạm bơm và kênh mương thủy lợi, cũng như trong công tác sử
dụng bơm cát để khai thác cát, san lấp mặt bằng.
2.2 Đối tượng nghiên cứu:
Máy bơm vận chuyển bùn, cát với nồng độ hỗn hợp không quá lớn. Trọng
lượng riêng của hỗn hợp γ = (1200 ÷ 1500 ) kG / m3
2.3 Phạm vi nghiên cứu:
Trong máy bơm bùn, sự vận chuyển của dòng chất lỏng hai pha rắn-lỏng qua
bộ phận dẫn dòng là rất quan trọng và vô cùng phức tạp. Nghiên cứu đặc tính động

HV: Nguyễn Ngọc Minh

13

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
học dòng chảy trong bơm để từ đó đưa ra một số biện pháp cải tiến nâng cao hiệu
suất của bơm. Từ đó ứng dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế bơm bùn.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
3.1 Ý nghĩa khoa học
Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã có, đề tài đã tổng hợp, phân
tích đặc tính động học dòng chảy hai pha rắn – lỏng trong bơm bùn cát và đưa ra
một số biện pháp cải tiến nâng cao hiệu suất làm việc của bơm. Từ đó làm cơ sở

thiết kế bơm bùn cát cho hiệu suất cao và tuổi thọ cao.
3.2 Ý nghĩa thực tiễn
Góp phần nâng cao chất lượng làm việc, hiệu suất, tuổi thọ của máy bơm bùn
thiết kế, chế tạo mới và các phụ tùng thay thế, đem lại hiệu quả kinh tế, giúp ích cho
các cơ sở sản xuất. Kết quả của luận văn sẽ làm tài liệu tham khảo tốt cho các công
trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy bơm bùn cát.
Luận văn bao gồm bốn chương:
Chương 1: Tổng quan chung về máy bơm bùn cát
Chương 2: Cơ cở lý thuyết quá trình làm việc của máy bơm bùn
Chương 3: Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy hai pha trong bơm bùn cát và
đề xuất biện pháp cải tiến để tăng hiệu suất và tuổi thọ của bơm bùn cát
Chương 4: Ứng dụng các kết quả nghiên cứu tính toán thiết kế bơm bùn
Trong quá trình làm luận văn, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn tận tình
của các Thầy, Cô giáo, sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy Cô giáo để hoàn thành
luận văn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy Cô giáo trong bộ
môn Máy và Tự động Thủy khí- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là
thầy giáo GS.TS Lê Danh Liên đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt thời
gian làm luận văn.

HV: Nguyễn Ngọc Minh

14

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
Chương 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ MÁY BƠM BÙN CÁT
1.1 Tổng quan các kết quả nghiên cứu về máy bơm bùn cát

1.1.1 Những đặc điểm chính của máy bơm bùn
Máy bơm bùn là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống khai thác và vận
chuyển hỗn hợp bùn bằng phương pháp thủy lực. Tính chất đặc thù của hỗn hợp
bùn cát là tính mài mòn và sự hiện diện của các hạt rắn có kích thước lớn trong nó
đã quyết định cấu tạo của máy bơm. Do vậy, kết cấu và chế độ vận hành của máy
bơm bùn khác với máy bơm ly tâm dùng để bơm nước sạch. Những đặc thù riêng
của máy bơm bùn bao gồm:
• Buồng xoắn có cấu tạo tròn hoặc dạng nửa xoắn ốc. Các tiết diện theo toàn
bộ chu vi không thay đổi hoặc thay đổi rất ít và đủ lớn để cho các hạt rắn có
kích thước lớn đi qua.
• Số lá cánh của bánh công tác ít (2 đến 6 lá cánh), tiết diện kinh tuyến có đĩa
trước và đĩa sau song song với nhau, máng dẫn rộng để đảm bảo khả năng
thoát.
• Các bộ phận dẫn dòng được làm dày (đặc biệt là lá cánh bánh công tác và
thành buồng xoắn) để đảm bảo khả năng chống mài mòn
• Độ tin cậy của máy bơm bùn phụ thuộc vào số vòng quay. Giảm số vòng
quay là một trong những biện pháp hiệu quả để tăng khả năng chống mài
mòn của máy. Do đó, số vòng quay của máy bơm bùn thường thấp hơn so
với máy bơm ly tâm dùng để bơm nước sạch.
• Do yêu cầu khả năng thoát, khả năng chống mài mòn dẫn đến hiệu suất, khả
năng tạo cột áp của máy bơm bùn thường thấp hơn so với máy bơm dùng cho
nước sạch. Giảm số vòng quay, tăng chiều dày các chi tiết dẫn đến kích
thước và trọng lượng của máy bơm bùn lớn hơn so với máy bơm nước sạch.
• Thời gian làm việc của các chi tiết ngắn, đòi hỏi máy bơm bùn phải có kết
cấu đơn giản, dễ tháo lắp và thay thế sửa chữa.
• Tính chất cơ lý của môi trường làm việc đóng vai trò rất quan trọng và có
ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của bơm bùn.

HV: Nguyễn Ngọc Minh

15

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
1.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn
Do đặc điểm cấu tạo, mục đích sử dụng cũng như tính chất đặc thù của môi
trường làm việc, các chỉ tiêu đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm
bùn khác hơn so với máy bơm ly tâm dùng cho nước sạch. Tính năng và hiệu quả
làm việc của máy bơm bùn đặc trưng bằng các chỉ tiêu:
1. Hiệu suất máy bơm η B
Giống như máy bơm nước sạch, lưu lượng máy bơm bùn được xác định bởi
lượng hỗn hợp vận chuyển được trong một đơn vị thời gian. Lưu lượng của máy
bơm bùn được xác định theo thể tích QBhh(m3/h) hay theo trọng lượng Ghh(KG/s,
T/h) với mối liên hệ theo công thức:
Ghh = γ hh . Q Bhh

(1.1)

Bơm làm việc với hỗn hợp bùn, công suất có ích được xác định:
N hh =

γ hh .Q B hh .H hh
102

(1.2)

Hiệu suất máy bơm bùn được xác định:

η Bhh =

N hh
N tr

(1.3)

Khác với bơm nước sạch, nhiệm vụ của bơm bùn là vận chuyển hỗn hợp rắn
lên độ cao hoặc theo độ dài cho trước, mặc dù việc vận chuyển chất rắn bằng thủy
lực không thể thiếu nước, nhưng năng lượng tiêu hao của bơm cho lượng nước đi
cùng chất rắn không thể công nhận là năng lượng có ích. Công thức (1.3) mới chỉ ra
năng lượng di chuyển của hỗn hợp chất rắn và nước có trị số ( γ hh , Q Bhh ) đạt đến cột
áp Hhh. Do đó, công suất có ích thực sự của máy bơm bùn phải là:

Hay

N pr = CW

γ hh .Q B hh .H hh
102

(1.4)

N pr = CV

γ hr .Q B hh .H hh
102

(1.5)

Hiệu suất của bơm trong trường hợp này sẽ bằng tỷ số giữa năng lượng di
dời chất rắn trên tổng năng lượng bùn đã tiêu thụ. Công thức (1.4) sẽ được thay thế
bằng:

HV: Nguyễn Ngọc Minh

16

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.

ηpr =

Hoặc ηpr =

N pr
N tr
N pr
N tr

= CW

γ hh .Q B hh .H hh
102. N tr

(1.6)

= CV

γ hr .Q B hh .H hh
102. N tr

(1.7)

Trong đó
CV : nồng độ thể tích

CW : nồng độ khối lượng

Có thể gọi η pr là hiệu suất vận chuyển pha rắn của bơm bùn. Hiệu suất này
cho phép đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của bơm bùn.
Máy bơm bùn làm việc với hỗn hợp hai pha rắn-lỏng nên có hiệu suất nhỏ
hơn so với khi vận chuyển nước sạch. Do vậy, tính năng làm việc của bơm bùn có
thể xác định thông qua độ suy giảm hiệu suất:
ER =

η Bhh
η Bn

(1.8)

Hoặc hệ số suy giảm hiệu suất:
k E = 1 − ER =

η Bn − η Bhh ∆η
=
η Bn

η Bn

(1.9)

Hiệu suất là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng làm
việc của máy bơm. Hiệu suất toàn phần của máy bơm phụ thuộc vào độ hoàn thiện
về mặt thủy động của phần dẫn dòng, chất lượng của các bộ phận làm kín và tổn
thất năng lượng do ma sát cơ khí gây ra.
2. Khả năng chống mài mòn
Phân tích các chi phí trong quá trình vận hành bơm bùn cho thấy các chi phí
cơ bản là: chi phí thay thế, sửa chữa các chi tiết bị mài mòn trong quá trình làm
việc, chi phí cho thời gian chờ đợi, thay thế, sửa chữa các chi tiết thường bị mài
mòn, chi phí liên quan đến sự ngừng làm việc không sản xuất chờ thay thế, sửa
chữa. Do đó, khi đánh giá chất lượng làm việc của máy bơm bùn, chỉ tiêu đầu tiên
được đánh giá là khả năng chống mài mòn.
3. Khả năng thoát của máy bơm

HV: Nguyễn Ngọc Minh

17

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
Máy bơm bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp bùn, do sự có mặt của các
hạt rắn với kích thước lớn trong hỗn hợp, đặt ra yêu cầu các bộ phận dẫn dòng của
máy bơm phải có kết cấu sao cho đảm bảo các hạt rắn có thể đi qua mà không bị
tắc, kẹt. Do đó, khả năng thoát là chỉ tiêu để đánh giá tính năng và hiệu quả làm

việc của máy bơm bùn.
4. Khả năng tạo cột áp của máy bơm
Khi máy bơm bùn làm việc, bơm hỗn hợp bùn lên một độ cao hoặc đi xa với
một độ dài xác định. Do khối lượng riêng của hỗn hợp bùn lớn hơn nhiều so với
khối lượng riêng của nước dẫn đến cột áp của máy bơm bùn thấp hơn so với máy
bơm dùng cho nước sạch. Điều này ảnh hưởng rất nhiều trong quá trình vận hành
máy bơm. Độ suy giảm cột áp của máy bơm khi bơm hỗn hợp bùn so với khi bơm
nước sạch là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá tính năng và hiệu quả làm việc của máy
bơm bùn. Do đó, có thể xác định tính năng làm việc của bơm bùn thông qua độ suy
giảm cột áp.
HR =

H Bhh
H Bn

(1.10)

Hoặc qua hệ số suy giảm cột áp:
kR = 1− H R =

H Bn − H hh ∆H
=
H Bn
H Bn

(1.11)

5. Khả năng hút của máy bơm bùn
Khả năng hút của máy bơm bùn là một chỉ tiêu dùng để đánh giá tính năng
và hiệu quả làm việc của bơm. Nó cho phép đánh giá độ sâu khai thác hỗn hợp.

1.1.3 Đặc điểm cơ bản của môi trường dòng hai pha rắn-lỏng
Do mỗi pha có những đặc tính riêng và tác động qua lại lẫn nhau tạo nên sự
phức tạp của dòng chảy trong máy bơm. Sự có mặt của các hạt rắn trong dòng chảy
sẽ ảnh hưởng nhiều đến tính năng và hiệu quả làm việc, đến kết cấu của máy, đặt ra
nhiều vấn đề cần phải lưu ý khi thiết kế máy bơm. Nói chung, bài toán dòng hai pha
phức tạp hơn nhiều so với bài toán dòng một pha khi xét đến các yếu tố ảnh hưởng

HV: Nguyễn Ngọc Minh

18

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
đến quá trình làm việc. Khi nghiên cứu tính toán, phải giới hạn các thành phần các
pha đang xét.
• Dòng hai pha rắn-lỏng gồm có pha rắn và pha lỏng hòa trộn với nhau.
-

Pha rắn bao gồm các loại hạt rắn có các tính chất khác nhau như: cỡ hạt, hình
dạng hạt, khối lượng riêng, độ cản động học, nồng độ và thành phần cỡ hạt
rắn…

-

Pha lỏng bao gồm các phần tử chất lỏng có các tính chất gần giống nhau như:
mật độ, độ nhớt, khối lượng riêng, tính dễ chảy…và tạo thành dòng chảy để
vận chuyển hỗn hợp lỏng – rắn.

• Hỗn hợp bùn là trường hợp riêng của dòng hai pha rắn lỏng
-

Pha rắn bao gồm tổ hợp các hạt rắn như: đất, cát, cát sa, phù sa, sỏi, á sét, đất
sét, đất than bùn…

-

Pha lỏng là nước
Nghiên cứu dòng chảy hai pha rắn-lỏng trong máy bơm cần phải chú ý tới

một số tính chất cơ-lý chính của chúng, vì các tính chất cơ-lý của hỗn hợp nói
chung và từng pha nói riêng ảnh hưởng nhiều đến tính năng làm việc của máy bơm
bùn.
1. Nồng độ hỗn hợp C:
Là mức độ bão hòa của hạt rắn trong hỗn hợp, biểu thị mối tương quan giữa
thể tích (hay khối lượng) các hạt rắn với thể tích (hay khối lượng) nước hoặc hỗn
hợp. Nồng độ hỗn hợp được thể hiện bởi nồng độ thể tích CV và nồng độ khối lượng
CW, biểu thị bằng đơn vị %:
Vhr ρ hh − ρ n
=
Vhh ρ hr + ρ n

-

Nồng độ thể tích: CV =

-

Nồng độ khối lượng: CW =

ρ
Vhr .ρ hr
= CV hr
ρ hh
Vhh .ρ hh

(1.12)
(1.13)

Nồng độ hỗn hợp là một thông số quan trọng, quyết định năng suất khai thác
và vận tải của hệ thống cơ giới thủy lực. Nồng độ hỗn hợp phụ thuộc vào tính chất

HV: Nguyễn Ngọc Minh

19

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
cơ lý của hỗn hợp như: Kích thước của pha rắn, tỷ lệ phần trăm các hạt, khối lượng
riêng của hỗn hợp.
2. Khối lượng riêng của pha rắn ρ hr
Khối lượng riêng của pha rắn quyết định khối lượng riêng của hỗn hợp, ảnh
hưởng đến nồng độ của hỗn hợp và ảnh hưởng tới năng suất vận chuyển của máy
bơm. Đối với than đá có khối lượng riêng ρ hr = (1200 ÷ 1700) kg/m 3 , đối với các loại
đất, cát, cát pha, đất cát phù sa có khối lượng riêng ρ hr = ( 2600 ÷ 2750 ) kg/m3, đối

với các hạt sắt, sắt từ tạo nên các huyền phù nặng thì có khối lượng riêng
ρ hr = ( 4700 ÷ 7000 ) kg/m3.

3. Cỡ hạt dhr
Cỡ hạt là một đặc tính quan trọng của hỗn hợp, nó có ảnh hưởng lớn đến quá
trình làm việc của máy bơm. Cỡ hạt ảnh hưởng đến khả năng thoát và khả năng
chống mài mòn của máy bơm.
4. Thành phần cỡ hạt
Là phần trăm các hạt có kích thước giống nhau trong hỗn hợp. Thành phần
cỡ hạt ảnh hưởng đến khối lượng riêng và nồng độ của hỗn hợp.
5. Vận tốc giới hạn vgh
Trạng thái dòng chảy mà ở đó các phần tử chất rắn bắt đầu sa lắng gọi là
trạng thái gới hạn, vận tốc trung bình ứng với trạng thái giới hạn gọi là vận tốc giới
hạn. Như vậy, vận tốc giới hạn là vận tốc hỗn hợp bùn tại trước thời điểm bắt đầu sa
lắng của các hạt rắn trong đường ống.
Hỗn hợp lắng được đặc trưng bằng vận tốc lắng của hạt rắn. Theo A.J
.Stepanoff [2], vận tốc lắng trung bình của hạt hình cầu trong chất lỏng tĩnh xác
định theo công thức:
1

⎡
⎛ ρ hr
⎞⎤ 2
⎜
⎟⎟ ⎥
.
1
g
d
−

⎢
hr ⎜
ρn
4
⎝
⎠⎥
⎢
v1 =
⎥
⎢3
Cα
⎥
⎢
⎥⎦
⎣⎢

HV: Nguyễn Ngọc Minh

(1.15)

20

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
Trong đó
Cα : Hệ số cản động học của hạt rắn

Khi vận chuyển hỗn hợp bằng đường ống, vận tốc chuyển động của dòng
hỗn hợp phải lớn hơn vận tốc lắng giới hạn để tránh bị tắc nghẽn đường ống. Theo
Vocadlo[13], vận tốc lắng giới hạn có thể xác định bằng thực nghiệm thông qua chỉ
số Reynolds và chỉ số Ácximét đối với hạt hình cầu. Đurand [5] đưa ra công thức
tính toán vận tốc lắng tới hạn:
V gh = Fl [2.g .D0 (ρ hr − ρ n )]

1

(1.16)

2

Trong đó: Fl là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào đường kính ống D0 và C
Trong thực tế vận tốc lắng của các hạt trong chất lỏng chuyển động phụ
thuộc vào hình dạng hạt, nồng độ hỗn hợp, vận tốc chuyển động của dòng chảy
mang hạt…Các hạt hình cầu có tốc độ lắng cao hơn các hạt không hình cầu. Theo
Vocadlo[5] vận tốc lắng của các hạt hình cầu lớn hơn 10% đến 20% so với các hạt
không hình cầu. Vì vậy trong tính toán đường kính trung bình vật rắn, người ta xét
đến yếu tố hình dạng hạt. Theo Li.W.G [7], đường kính hạt rắn được xác định theo
công thức:
dhr*= f.dhr

(1.17)

Trong đó f là hệ số hình dạng của hạt được xác định bằng thực nghiệm, nếu
hạt hình cầu, hoặc hạt có kích thước nhỏ: f=1; nếu hạt không hình cầu và có kích
thước lớn: dhr>5 mm thì f=0,6 ÷ 0,8
6. Độ nhớt µ hh
Hỗn hợp hai pha rắn – lỏng có thể xem như là chất lỏng phi Newton. Độ

nhớt của chất lỏng phi Newton gọi là độ nhớt tương đương, để phân biệt với độ
nhớt tuyệt đối của chất lỏng Newton. Độ nhớt tương đương chịu ảnh hưởng bởi
nồng độ hỗn hợp, được xác định theo công thức:

µ hh

⎡⎛
kQ ⎞ ⎤
⎟⎟ C V ⎥
exp ⎢⎜⎜ 2,5 −
C
Vmax
⎝
⎠ ⎦
⎣
=
kQ
⎛
CV ⎞
⎜⎜1 −
⎟⎟
⎝ C Vmax ⎠

HV: Nguyễn Ngọc Minh

(1.18)

21

HD: GS.TS Lê Danh Liên

Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
Trong đó:
kQ: Hệ số lưu lượng
Các hạt rắn trong chất lỏng sẽ ảnh hưởng đến độ nhớt và sức cản dòng chảy.
Trong dòng hỗn hợp, nếu hỗn hợp không lắng sẽ làm tăng độ nhớt, nếu có hiện
tượng lắng sẽ làm tăng sức cản của dòng chảy. Cả hai yếu tố này đều làm tăng tổn
thất năng lượng của dòng chảy và làm tăng độ mài mòn các chi tiết của máy bơm.
Kích cỡ các hạt rắn trong hỗn hợp cũng ảnh hưởng tới độ nhớt tương đương, khi hạt
nhỏ thì độ nhớt tương đương cao, nếu hạt lắng đọng thì độ nhớt tương đương giảm.
7. Độ cứng của hạt rắn
Độ cứng hạt rắn được đánh giá theo chỉ số độ cứng. Phổ biến nhất là thang
đo MUS, trong đó có 10 khoáng chất phân bố theo thứ tự tăng độ cứng (bột lalk -1,
thạch cao -2, ….ôxit nhôm -9, kim cương -10). Độ cứng của các hạt rắn trong hỗn
hợp bùn được bơm thay đổi từ 2 đến 7.
8. Độ bền các hạt rắn
Độ bền các hạt rắn được đặc trưng bằng hệ số độ chắc fch. Theo thang
M.M.Photodiakonob cho các khoáng chất khác nhau, thay đổi từ 0,3 đến 20. Hỗn
hợp bùn chứa các hạt cứng như đá hoa cương, quặng sắt, thạch anh có fch>1 hoặc
các hạt sét mềm, than bùn có fch<1
9. Độ mài mòn
Một trong những đặc tính chung của hỗn hợp bùn xác định chỉ tiêu vận hành
của máy bơm là độ mài mòn của chúng. Hiện nay chưa có chỉ tiêu tổng thể về độ
mài mòn của hỗn hợp bùn. Có thể đánh giá độ mài mòn dựa trên cơ sở các tính chất
tương ứng của hạt rắn như: kích thước, thành phần cỡ hạt, độ sắc cạnh, độ cứng,
khối lượng riêng, nồng độ.
10. Độ sắc cạnh
Độ sắc cạnh được đặc trưng bằng độ sắc nhọn của các cạnh và đỉnh của các

hạt rắn. Giới hạn độ đa cạnh của các hạt rắn là hình cầu mà ở đó hoàn toàn không có
góc cạnh. Do đó, độ sắc cạnh còn gọi là độ không tròn. Có nhiều phương pháp khác
nhau để đánh giá độ sắc cạnh: phương pháp trực quan, đồ thị, tính toán. Theo

HV: Nguyễn Ngọc Minh

22

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
Đurand [5] đã đưa ra độ không tròn cầu Φ của các các hạt, xác định bằng tỷ số thể
tích bề mặt hình cầu Vhr trên diện tích bề mặt Shr của hạt rắn:
2

⎛ 6V ⎞ 3
π ⎜ hr ⎟
π ⎠
Φ= ⎝
S hr

(1.19)

1.1.4 Ảnh hưởng của tính chất dòng hỗn hợp hai pha rắn – lỏng đến tính năng
và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn
Máy bơm bùn làm việc trong môi trường hỗn hợp hai pha rắn-lỏng có tính
mài mòn, tính chất môi trường làm việc ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu làm việc
của máy. Đã có nhiều công trình nghiên cứu và đưa ra các kết luận quan trọng:

a. Ảnh hưởng của tính chất dòng hỗn hợp đến cột áp của máy bơm bùn
• Yếu tố đầu tiên để phân biệt giữa hỗn hợp hai pha rắn-lỏng với nước sạch là
khối lượng riêng. Khối lượng riêng của hỗn hợp lớn hơn khối lượng riêng của nước
sạch. Coi hỗn hợp là đồng nhất, khi đó có thể sử dụng phương trình Béc nu li để xác
định cột áp của máy bơm bùn:
H Bhh =

p 2 B − p1B

γ hh

+

2
cchh
− c12hh
+ Z 2 − Z1
2g

(1.20)

Trong dòng hai pha rắn-lỏng, pha rắn không tham gia vào sự chuyển đổi
năng lượng-áp suất. Để phù hợp với bản chất vật lí đó, Zhao Zhen Hai[15] đã đưa ra
công thức tính cột áp bơm bùn:
H Bhh = (1 − CV )

p 2 B − p1B

γ hh

+

c 22chh − c12hh
+ Z 2 − Z1
2g

(1.21)

• Kích thước và khối lượng riêng của hạt rắn ảnh hưởng nhiều đến tổn thất ma
sát và sức cản của dòng chảy…
Khi làm việc trong môi trường hỗn hợp hai pha rắn-lỏng, cột áp của máy
bơm bùn sẽ bị giảm đi so với môi trường nước sạch. Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu
đến độ suy giảm cột áp của máy bơm bùn là C, ρ hr ,d hr , thành phần cỡ hạt.
b. Ảnh hưởng của tính chất dòng hỗn hợp đến hiệu suất của máy bơm bùn

HV: Nguyễn Ngọc Minh

23

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
• Khi làm việc trong môi trường hai pha rắn-lỏng, hiệu suất của máy bơm bùn
sẽ bị giảm đi so với môi trường nước sạch. Sự suy giảm hiệu suất chủ yếu là do C,
ρ hr , dhr, thành phần cỡ hạt rắn gây nên.

• Wiedenroth [16] cho rằng hệ số kE chịu ảnh hưởng nhiều bởi nồng độ hỗn
hợp và số Reynolds Rehh:

kE =

CV
20η Bn

3

(1.22)

Re hh

c. Ảnh hưởng của tính chất dòng hỗn hợp đến quá trình mài mòn các chi tiết
máy bơm bùn
• Do sự có mặt của các hạt rắn trong dòng chảy, các chi tiết bị mài mòn nhanh
chóng, dẫn đến sự thay đổi về kích thước hình học, phá vỡ điều kiện thủy lực của
máy bơm. Cột áp của máy bơm bị giảm và năng lượng tiêu hao nhiều hơn.
• Cường độ mài mòn tỷ lệ thuận với khối lượng hạt, mật độ hạt trong dòng
chảy, thời gian làm việc và tỷ lệ bậc ba với vận tốc. Quá trình mài mòn các chi tiết
phụ thuộc vào các yếu tố C, ρ hr , dhr, phân phối kích thước hạt rắn.
Tóm lại, môi trường làm việc hỗn hợp hai pha rắn-lỏng có tính mài mòn nên
ảnh hưởng rất lớn đến tính năng và hiệu quả làm việc của máy bơm bùn. Các thông
số ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng làm việc của máy là C, ρ hr , dhr, thành phần
cỡ hạt rắn. Đối với môi trường làm việc cụ thể đều có C, ρ hr , dhr, thành phần cỡ hạt
rắn nào đó để đảm bảo các chỉ tiêu làm việc của máy bơm bùn là tốt nhất.
1.1.5 Thông số hình dạng và kết cấu phần dẫn dòng của máy bơm bùn
Trong máy thủy lực cánh dẫn thì phần dẫn dòng đóng vai trò quan trọng
nhất. Phần dẫn dòng bao gồm:
• Dẫn dòng vào (ống hút và buồng hút)
• Bánh công tác
• Dẫn dòng ra (buồng xoắn)

Sự phân chia này xuất phát từ cấu tạo của máy. Tuy nhiên, dòng chảy trong
máy bơm là dòng liên tục. Cấu tạo của máy không chỉ được xác định bởi hình dạng

HV: Nguyễn Ngọc Minh

24

HD: GS.TS Lê Danh Liên


Nghiên cứu đặc tính động học dòng chảy trong bơm vận chuyển bùn cát để cải tiến
kết cấu nâng cao hiệu suất của bơm.
và kích thước của mỗi bộ phận riêng biệt mà còn từ tổ hợp hài hòa giữa ba bộ phận
trên. Ý nghĩa thực tiễn lớn nhất là khi bộ phận dẫn dòng của máy bơm phù hợp với
chế độ làm việc sẽ tạo chuyển động ổn định của dòng chảy trong bơm. Khi đó, chế
độ làm việc của bơm là tối ưu và hiệu suất của máy có thể đạt giá trị cao nhất.
1. Hình dạng và kết cấu bánh công tác của máy bơm bùn
Bánh công tác là bộ phận quan trọng nhất của máy bơm, nó làm nhiệm vụ
biến đổi cơ năng trên trục quay thành năng lượng của dòng chất lỏng. Bánh công tác
đóng vai trò chủ đạo trong kết cấu máy bơm, do đó, nó quyết định kết cấu. Các
thông số hình dạng và kết cấu bánh công tác đã được nhiều tác giả chú ý nghiên
cứu[27,28], khi xem xét ảnh hưởng của nó đến tính năng và hiệu quả làm việc của
máy bơm bùn.
a. Hình dạng bánh công tác
Bánh công tác của máy bơm bùn có các dạng chính sau:
-

Bánh công tác dạng rãnh

-

Bánh công tác dạng cánh

Trong bánh công tác dạng cánh có các kiểu:
-

Bánh công tác kiểu kín

-

Bánh công tác kiểu nửa kín

-

Bánh công tác kiểu hở

+ Bánh công tác dạng rãnh:

HV: Nguyễn Ngọc Minh

25

HD: GS.TS Lê Danh Liên