Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số

Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

MỞ ĐẦU
Việt Nam với bờ biển dài hơn 3000km, đứng thứ 32 về chiều dài bờ biển trong
tổng số 156 nƣớc có biển, cùng với đó là hệ thống các đảo, quần đảo và hệ thống
sông ngòi phong phú từ Bắc đến Nam cho phép nƣớc ta có một nguồn tài nguyên
thủy hải sản dồi dào. Cùng với thuận lợi nhƣ vậy, việc phát triển khoa học kỹ thuật
trong phƣơng tiện đƣờng thủy là nhu cầu thiết yếu. Trong đó, thiết bị động lực đẩy
đóng vai trò quan trọng, nó quyết định đến hiệu suất làm việc, tuổi thọ, khả năng
vận chuyển và hành trình của phƣơng tiện trên biển. Thiết bị đóng vai trò làm động
lực đẩy truyền thống là chân vịt, với những ƣu điểm nhƣ làm việc tin cậy, đơn giản
trong vận hành và thiết kế nên chân vịt đƣợc ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, với yêu
cầu ngày càng cao, chân vịt không thể đáp ứng đƣợc hết các yêu cầu đa dạng đƣợc
đặt ra. Thiết bị bơm tia với khả năng xoay trở cao, hiệu suất năng lƣợng và khả
năng hạn chế xâm thực tốt đã đƣợc phát triển ở các nƣớc tiên tiến. Do yêu cầu vận
hành, thiết kế thiết bị đẩy dạng bơm tia có những đặc điểm về kết cấu và dải thông
số làm việc rộng, khác với các bơm cánh dẫn thủy lợi thông thƣờng. Tuy nhiên việc
nghiên cứu trong nƣớc về vấn đề bơm tia chƣa có sự đầu tƣ nghiên cứu.
Với mục đích đóng góp vào việc tìm hiểu nghiên cứu thiết bị đẩy kiểu bơm tia
hiện nay đang chƣa đƣợc đầu tƣ nhiều tại Việt Nam, đề tài luận văn đƣợc chọn có
nội dung là “Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu
bơm tia bằng mô phỏng số”.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Nội dung luận văn này có tính chất kế thừa
các nghiên cứu trƣớc ở một số nội dung trong lý thuyết chung về thiết kế tính toán
thiết bị đẩy dạng bơm tia. Ở đây, đặc tính thủy động lực học đƣợc xem xét và dự
báo thông qua quá trình mô phỏng. Phần mềm thƣơng mại Ansys Fluent dựa trên
CFD code đƣợc ứng dụng để giải quyết vấn đề đƣa ra.
Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp lý thuyết , mô phỏng số và thực nghiệm.

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

1


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Nội dung: Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận thì nội dung gồm 4 chƣơng.
Chƣơng 1 là tổng quan các vấn đề về thiết bị đẩy, vấn đề xâm thực và các phƣơng
pháp thiết kế bơm hƣớng trục. Chƣơng 2 là nội dung tính toán bơm tia kiểu hƣớng
trục, dựa trên thiết kế thiết bị đẩy đã đƣợc thiết kế trƣớc đó trong tài liệu. Chƣơng 3
nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong bơm tia bằng mô phỏng số. Chƣơng 4
là thực nghiệm đặc tính làm việc của bơm mô hình.
Để thực hiện đƣợc nội dung nghiên cứu này, em xin chân thành cảm ơn sự giúp
đỡ rất nhiệt tình từ các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Máy và Tự động thủy khí. Đặc
biệt, sự hƣớng dẫn tận tình của thầy PGS.TS Trƣơng Việt Anh và TS. Vũ Văn
Trƣờng

đã

giúp

em

hoàn

thành

luận

văn

đúng

thời

hạn.

Luận văn này là một trong những kết quả nằm trong nội dung triển khai nghiên cứu
của Đề tài cấp Bộ B2012-01-26 do PGS. Trƣơng Việt Anh làm chủ nhiệm . Đặc
biệt, phần kết quả thực nghiệm đƣợc tiến hành nhờ sự hỗ trợ từ nhóm nghiên cứu
của Đề tài.

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

2


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về thiết bị đẩy và bơm tia
1.1.1 Lịch sử phát triển của thiết bị đẩy
Với diện tích bao phủ trên trái đất phần lớn là nƣớc, nên từ xa xƣa loài ngƣời
đã quan tâm đến các hoạt động đi lại trên biển. Lúc đầu ngƣời ta chỉ muốn làm thế
nào để đi đƣợc, sau đó yêu cầu cao hơn là đi xa hơn, đi nhanh hơn. Ngoài ra, càng
về sau sự đi lại càng có nhiều mục đích nhƣ là phục vụ du lịch, trao đổi hàng hóa,
buôn bán, khai thác tài nguyên cũng nhƣ phục vụ nhu cầu quân sự. Cùng với sự
phát triển của tàu thuyền trên biển, thiết bị động lực đẩy cũng có vai trò quan trọng

và phát triển không ngừng. Lúc đầu các tàu thuyền hoạt động trên biển thƣờng sử
dụng là các loại thiết bị đẩy thô sơ nhƣ buồm, guồng quay cho tới phát triển hơn là
chân vịt . Hiện này, chân vịt vẫn là sự lựa chọn phổ biến, tuy nhiên thiết bị đẩy này
cho tốc độ không nhanh và khả năng xử lý kém trong các tình huống bất ngờ, nhất
là với các tàu quân sự cần đổi hƣớng hay tăng tốc nhanh. Khi hoạt động dƣới nƣớc
chân vịt sẽ không tạo đƣợc lực đẩy mạnh do khi chân vịt làm việc với số vòng quay
lớn, trƣờng áp suất và tốc độ trên mặt đĩa chân vịt không đồng đều, các bọt khí sinh
ra trong các điều kiện xác định liên tục bị phá vỡ rồi lại sinh ra gây những tác dụng
cơ điện hóa phức tạp tác dụng phá hủy mặt cánh chân vịt dƣới dạng các vết rỗ kéo
theo các tác hại nhƣ giảm hiệu suất làm việc của chân vịt, giảm đáng kể độ bền các
cánh, thậm chí nhiều trƣờng hợp dẫn đến làm gẫy hỏng.
Ngày nay với công nghệ và khoa học phát triển loại hình chong chóng dần dần
đƣợc thay thế một phần bằng động cơ đẩy bằng tia nƣớc hay còn gọi là thiết bị đẩy
kiểu phụt hoạt động dƣới dạng hút nƣớc từ gầm tàu và đẩy ra sau đuôi tàu với vận tốc
lớn hơn vận tốc hút tạo lực lớn để đẩy tàu đi tốc độ cao. Rất nhiều tàu hiện nay đƣợc
thiết kế sử dụng thiết bị đẩy kiểu tia nƣớc (Water Jet Propulsion - WJP) đặc biệt
nhƣ là tàu tuần tra bờ biển, tàu hải quân hay các loại phà nhanh…

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

3


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Cụ thể về sự phát triển của loại thiết bị này là vào cuối thế kỷ 20, đã có các
thuyền chạy với 50 hải lý (khoảng 90 km/h) trong dịch vụ thƣơng mại trên toàn thế
giới ra đời. Có thể nói hệ thống động cơ bằng tia nƣớc là một sự phát triển đáng kể
trong công nghiệp đóng tàu tốc độ cao. Hiện nay bơm tia đƣợc sử dụng dựa trên các

nguyên tắc áp dụng bởi Riva Calzoni trong năm 1932. Tuy nhiên, loại đầu tiên của
động cơ đẩy bằng tia nƣớc đƣợc phát minh ra đã đƣợc 300 năm trƣớc đó bởi David
Ramseye. Từ năm 1980 trở đi việc sử dụng các bơm tia đƣợc sử dụng trong hầu hết
các phƣơng tiện đƣờng thủy cần tốc độ cao. Vào đầu thế kỷ 21 các kích thƣớc của
bơm tia thiết kế đã tăng đƣờng kính lên khoảng 3m và có công suất 25MW, tốc độ
hơn 65 hải lý. Cho đến nay WJP cùng chân vịt đang đƣợc sử dụng trên tàu để phục
vụ cuộc sống của nhân loại từ quân sự đến thƣơng mại du dịch.
1.1.2 Tìm hiểu về t ết ị đẩ

ểu p

t bơm t a)

 Nguyên lý hoạt động
Động lực phụt dựa trên cơ sở phản lực dòng nƣớc tốc độ cao ở đuôi
của tàu (độ giãn nƣớc nhỏ), thổi về phía sau.
Nguyên tắc chính của động lực phụt là: Khi hoạt động, thiết bị này làm việc
nhƣ một bơm, hút nƣớc từ sàn tàu đẩy ra vòi phun. Vòi phun đƣợc thiết kế có tiết
diện côn nhằm tăng vận tốc dòng tia ra khỏi thiết bị để tạo lực đẩy cho tàu di chuyển.
Vòi phun có thể lắc qua lại 15-20 độ giúp tàu thay đổi hƣớng khi cần thiết. Khi chạy
lùi thì có thiết bị phụ để hƣớng vận tốc dòng chảy ra sau, hình 1.1, 1.2.
 Phân loại
Đến này bơm tia đã đƣợc phát triển với nhiều loại khác nhau bao gồm bơm
tia cánh dẫn, bơm tia piston và bơm tia khí nén. Bơm tia piston và bơm tia khí nén
thƣờng đƣợc sử dụng trong các ngành công nghiệp hơn là bơm tia cánh dẫn.

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

4

Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Hình 1.1 : Nguyên lý hoạt động của mô tô trên nước[3]

Hình 1.2: Bố trí bơm tia trong kết cấu tàu[9]
Trong phạm vi luận văn, chỉ quan tâm đến loại bơm tia cánh dẫn, loại này đƣợc chia
ra thành bơm tia ly tâm, bơm tia hƣớng chéo, và bơm tia hƣớng trục. Về cơ bản
chúng dựa trên nguyên lý hoạt động của ba loại bơm cánh dẫn cùng tên, nhƣng có
kết hợp với nguyên lý hoạt động đặc thù của các loại bơm tia, hình 1.3.
 Ưu điểm của thiết bị đẩy kiểu bơm tia
An toàn hơn khi ma nơ điều động ở vùng nƣớc cạn, giảm sức cản của tàu.
Giảm công suất cần thiết ở tốc độ trên 25Kn. Giảm tiếng ồn trong tàu, giảm tiếng ồn
dƣới nƣớc. Giảm khoảng cách trôi khi dừng tàu, giảm hao mòn và hỏng hóc ở động
cơ và bộ truyền, không cần bộ bánh răng đảo chiều. Ít nhạy cảm với xâm thực hơn
tàu cao tốc dùng chân vịt, khả năng cơ động cao khi cần thiết tăng tốc.
 Nhược điểm
Kết cấu và vận hành phức tạp hơn chân vịt, trong nhiều trƣờng hợp hiệu suất
không tối ƣu. Ngoài ra quá trình sửa chữa thay thế phức tạp hơn.

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

5


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Hình 1.3: Phân loại thiết bị đẩy a) Ly tâm b) Hướng trục c) hướng chéo[9]

 Kết cấu và vận hành thiết bị đẩy
Thiết bị đẩy dạng hƣớng trục có kết cấu tƣơng tự với dạng bơm hƣớng trục,
tuy nhiên do yêu cầu về tạo lực đẩy cho tàu chuyển động và yêu cầu về lắp đặt trên
tàu mà nó có những cấu tạo khác biệt và khá đa dạng nhƣ: Tại lối ra thì tạo thành
một ống dạng côn với mục đích làm tăng vận tốc dòng chất lỏng để tạo lực đẩy, ống
hút có cấu tạo khá đặc biệt để giảm sức cản của nƣớc khi vào bơm, ngoài ra có thể
có các cơ cấu điều chỉnh hƣớng, chắn rác…hình 1.4.
Lắp đặt bơm tia ở sau đuôi tàu. Khi động cơ điện quay, trục động cơ và trục
bơm tia sẽ đƣợc nối với nhau bằng khớp nối. Tốc độ quay của động cơ điện sẽ
chính là tốc độ quay của trục bơm.
 Ứng dụng của thiết bị đẩy
Sau một thời gian dài phát triển,ngày nay bơm tia đƣợc ứng dụng rộng rãi
trong ngành hàng hải, từ các thiết bị phục vụ nhu cầu đi lại nhƣ các loại tàu cánh
ngầm, các du thuyền đến các loại trang thiết bị quân sự nhƣ tầu ngầm, tàu chiến
vv.... đến các phƣơng tiện hay thiết bị giải trí nhƣ cano du lịch, moto nƣớc, hình 1.5.
1.1.3 Đặc đ ểm thiết kế ơm t a
Thiết bị đẩy đƣợc cấu tạo từ các phần cơ bản là: phần hút, phần cánh, phần
đẩy và bộ phận điều chỉnh hƣớng, góc. Đặc điểm cơ bản của bơm tia trong thiết bị
đẩy là vùng hoạt động của bơm khá lớn, đáp ứng đƣợc các yêu cầu của thiết bị đẩy.

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

6


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

1-Lối vào, 2-Trục, 3-Bánh
Công tác, 4-Xilanh lái thủy

lực, 5-Bộ phun, phần lái , 6Xilanh thủy lực đổi chiều lực
phụt, 7-Tấm đảo chiều , 8Mặt đảo chiều 9-Hộp kín
tránh nước xâm nhập vào
tàu, 10-Ổ đỡ dẫn hướng và
chặn tổng hợp, 11-Buồng
Hình 1.4: Kết cấu thiết bị đẩy dạng hướng trục [9]

cánh hướng

Hình 1.5: Tàu phục vụ cho mục đích thương mại vận chuyển hàng hóa[6]
Hoạt động của tàu rất đa dạng, vận tốc từ thấp đến cao, yêu cầu về thay đổi tốc độ
quay nhiều, ngoài ra còn có các bộ phận đảo hƣớng chuyển động tịnh tiến hoặc
quay. Bộ phận hút làm sao để hạn chế tối đa đƣợc sức cản thủy lực nhƣ độ rẽ nƣớc,
sức cản sóng…Và tạo đƣợc dòng chảy đi vào bơm ít bị xoáy nhất. Bộ phận đẩy rất
quan trọng để tạo ra đƣợc lực đẩy cần thiết cho thiết bị, các bộ phận điều chỉnh cần
bố trí sao cho phù hợp với kích thƣớc và thiết kế chung cả tàu. Từ các đặc điểm đó

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

7


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

nên việc thiết kế bơm tia thực tế yêu cầu cao hơn và phức tạp hơn bơm hƣớng trục
thông thƣờng, ngoài ra các tiêu chí để đánh giá bơm tia cũng đòi hỏi cao về độ tin
cậy khi vận hành ở công suất lớn.
1.2 Xâm thực trong máy cánh dẫn
1.2.1 Khái niệm

Hiện tƣợng xâm thực, nghĩa là sự xuất hiện của những khoảng trống dạng
hơi bên trong một môi trƣờng chất lỏng đồng nhất vào lúc ban đầu, đƣợc tìm thấy
và xảy ra ở rất nhiều những trạng thái khác nhau. Tùy theo hình thể của dòng chảy
và các thuộc tính vật lý của chất lỏng, nó có thể mang những đặc điểm khác biệt [8].
Hiện tƣợng xâm thực có thể đƣợc định nghĩa nhƣ sự thay đổi của một môi
trƣờng chất lỏng dƣới điều kiện áp suất rất thấp. Điều này khiến cho sự xâm thực
liên quan đến lĩnh vực cơ toán học và nó đƣợc áp dụng đối với các trƣờng hợp mà ở
đó chất lỏng ở dạng tĩnh hoặc dạng chuyển động.
Nhìn chung, về hiện tƣợng thì xâm thực khá giống với sự sôi, tuy nhiên về
bản chất sự sôi là do ảnh hƣởng của sự thay đổi nhiệt độ, còn xâm thực là do áp suất
giảm xuống thấp. Khi xảy ra xâm thực, các bọt khí đƣợc hình thành trong chất lỏng
và di chuyển cùng chất lỏng theo dòng chảy vào nơi có áp cao hơn. Tại đây hơi bị
ngƣng tụ tạo ra các lỗ trống trong lòng chất lỏng, do đó hút các phần tử chất lỏng xô
vào với vận tốc rất lớn. Khi đó các phần tử chất lỏng này bị dừng lại đột ngột làm
áp suất ở đó tăng lên rất cao. Do áp lực tăng nên xuất hiện sóng áp lực ngƣợc làm
giảm áp đột ngột và chất lỏng có thể bị sôi trở lại sau đó lại ngƣng tụ. Quá trình
tăng giảm kích thƣớc của bọt khí này có thể xảy ra nhiều lần. Do áp suất cục bộ này
rất lớn nên nó có thể phá hủy bề mặt kim loại, làm hỏng các bộ phận làm việc của
máy, làm giảm hiệu suất máy và có thể làm máy mất khả năng làm việc, gây ra
tiếng ồn và rung động.
1.2.2 Phân loại xâm thực

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

8


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Theo trạng thái xâm thực có thể phân ra thành xâm thực sơ khai, xâm thực
phát triển, xâm thực triệt tiêu và siêu xâm thực (Super Cavitation)
Theo mô tả trực quan có thể phân xâm thực thành xâm thực dạng bọt (Travelling
bubble cavitation), xâm thực xoáy (Vortex cavitation), xâm thực dạng tấm (Sheet
cavitation) và xâm thực dạng mây (cloud cavitation).
 Xâm thực dạng bọt
Các loại hình xâm thực xảy ra phụ thuộc vào đặc tính của chất lỏng làm việc. Loại
xâm thực dạng bọt xảy ra trong chất lỏng có lẫn các bọt khí nhỏ cỡ micro bubble.
Những bọt khí nhỏ này sẽ phát triển lớn dần lên khi ở giá trị áp suất thấp và bị phá
hủy khi áp suất ban đầu đƣợc tạo lập lại. Loại hình xâm thực này thƣờng xảy ra ở
cánh bánh công tác của bơm: lối vào bơm ly tâm, lối ra tuabin Frances…hình 1.6.
 Xâm thực xoáy
Loại hình xâm thực này xuất hiện ở dòng chảy có chuyển động quay. Sự khác nhau
giữa áp suất phần có áp và phía cửa hút của hydrofoil tạo ra 1 dòng chảy thứ 2 chảy
vòng quanh đầu của hydrofoil, từ đó khai sinh ra xoáy ở đầu của hydrofoil. Do có
chuyển động quay nên dƣới ảnh hƣởng của lực ly tâm, áp suất ở tâm nhỏ hơn áp
suất ở phía ngoài. Do đó áp suất nhỏ nhất xuất hiện ở tâm của đầu hydrofoil. Từ đó
xâm thực sẽ có thể xảy ra ở chính vị trí này. Loại hình xâm thực này thƣờng xuất
hiện ở chân vịt tàu thủy, cụ thể là ở đầu mỗi cánh, hình 1.7.
 Xâm thực dạng tấm
Loại hình xâm thực này xuất hiện ở những vật thể có hình dạng khối có góc
cạnh hoặc ở tia nƣớc ngầm. Nó xuất hiện khi các vùng hút lớn tạo thành gần mép
vào của cánh. Điểm tách xâm thực xảy ra khi dòng phân chia làm tăng góc tới hoặc
giảm áp suất bao quanh khi đó xâm thực lớn dần theo hƣớng dây cung và sải cánh,
hình 1.8.
 Xâm thực dạng mây

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

9

Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Hình 1.6: Xâm thực dạng
bọt

xảy

ra

trên

hydrofoil[9]

Hình 1.7: Xâm thực xoáy [9]

Hình 1.8: Xâm thực dạng tấm[4]

Hình 1.9: Các dạng xâm thực [4]

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

10


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Loại xâm thực dạng mây thƣờng xảy ra ở trong chất lỏng đã đƣợc rút hết khí [4].
Các dạng xâm thực đƣợc thể hiện rõ trong hình 1.9.
1.2.3 Nghiên cứu mô phỏng số dự đoán xâm t ực
Phƣơng pháp số bao gồm các phƣơng pháp không lƣới và phƣơng pháp lƣới.
Với phƣơng pháp lƣới gồm có các dạng là:
 Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method: FDM)
Phƣơng pháp sai phân hữu hạn sử dụng sơ đồ sai phân để xấp xỉ các toán tử
(toán tử đạo hàm riêng, toán tử tích phân, …) để giải các hệ phƣơng trình mà không
xét đến các đặc tính vật lý của mô hình. Phƣơng pháp FDM mô tả các biến của bài
toán dòng chảy bằng cách lấy trung bình các giá trị tại các điểm nút trong mạng lƣới
tọa độ. Khai triển chuỗi Taylor đã bỏ đi sai số bậc cao đƣợc dùng để tạo ra một xấp
xỉ vi phân hữu hạn của các biến đó theo các điểm đã biết trƣớc thông tin tại mỗi
điểm lƣới và các phần tử ngay cạnh nó. Các đạo hàm xuất hiện trong phƣơng trình
tổng quát đƣợc thay thế bởi các vi phân hữu hạn để tạo ra một hệ phƣơng trình đại
số cho các giá trị của biến đó tại mỗi nút lƣới. Phƣơng pháp FDM khá đơn giản và
tỏ ra hữu hiệu trong nhiều bài toán thƣờng gặp.
 Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM)
Phƣơng pháp FVM (Finite Volume Method) tiếp cận theo cách đƣa các phƣơng
trình mô tả bài toán về dạng tích phân trên các phần tử lƣới. Rời rạc hóa các phƣơng
trình dạng tích phân về các phƣơng trình đại số theo các biến. Các thông số tính
toán thƣờng đƣợc tính trên tâm của lƣới, các giá trị tại biên đƣợc nội suy từ tâm ra
theo một quy luật nào đó.
Việc tích phân khối là điểm khác biệt cơ bản so với các phƣơng pháp khác.
Ngoài ra, mối tƣơng quan rõ ràng giữa thuật toán số và các định luật bảo toàn chính
là điểm nổi cơ bản của phƣơng pháp FVM và tạo cho các khái niệm của nó trở nên
dễ hiểu. Chính vì điều đó nên phƣơng pháp thể tích hữu hạn đƣợc sử dụng phổ biến

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

11

Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

để giải các bài toán về dòng lƣu chất. Các phần mềm thƣơng mại phổ biến nhƣ
Ansys Fluent, Phoenics, Flow3D…đều dựa trên phƣơng pháp thể tích hữu hạn. So
với FDM thì FVM bảo toàn hơn vì nó tiếp cận đúng bản chất vật lý hơn so với
FDM là chỉ quan tâm tới việc giải phƣơng trình.
 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
Cơ sở của phƣơng pháp FEM (Finite Element Method) là làm rời rạc hóa các
miền liên tục phức tạp của bài toán. Các miền liên tục đƣợc chia thành nhiều miền
con (phần tử) và đƣợc liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền con này, dạng
biến phân tƣơng đƣơng với bài toán đƣợc giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên
từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các
phần tử [10].
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn thƣờng đƣợc dùng trong các bài toán Cơ học
(cơ học kết cấu, cơ học môi trƣờng liên tục) để xác định trƣờng ứng suất và biến
dạng của vật thể. Ngoài ra, phƣơng pháp phần tử hữu hạn cũng đƣợc dùng trong vật
lý học để giải các phƣơng trình sóng, nhƣ trong vật lý plasma, các bài toán về
truyền nhiệt, động lực học chất lỏng, trƣờng điện từ. Tuy nhiên trong cơ học chất
lỏng hiện nay phƣơng pháp FEM tỏ ra chƣa hiệu quả bằng FVM nên chƣa đƣợc ứng
dụng rộng rãi trong CFD. So với FDM thì FEM phức tạp hơn nhƣng hiệu quả và độ
chính xác nó mang lại thì lại cao hơn. Ngoài ra, FEM thích hợp đƣợc với những
dạng lƣới phức tạp khác nhau trong khi FDM hầu nhƣ thích hợp với lƣới chữ nhật
hoặc lập phƣơng (3D).
Từ các lý thuyết đó, ngƣời ta có các phƣơng pháp để nghiên cứu về xâm thực
nhƣ phƣơng pháp mặt nâng, phƣơng pháp phần tử biên (BEM) [14], phƣơng pháp
RANS và dòng 2 pha…
1.3 Vấn đề nghiên cứu

Hiện nay trên thế giới đã ứng dụng thiết bị đẩy kiểu bơm tia cho tàu thủy để
thực hiện các mục đích khác nhau. Với những ƣu điểm lớn nhƣ khả năng tăng tốc,
hiệu suất tốt khi vận hành ở công suất lớn, thích hợp cho những trƣờng hợp đặc

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

12


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

biệt, nên ngƣời ta không ngừng nghiên cứu để phát triển thiết bị này. Sự đa dạng
của các loại tàu thủy cần có các dạng thiết bị đẩy phù hợp cho thiết kế tàu luôn là
vấn đề cần quan tâm và phát triển. Các vấn đề liên quan đến hiệu suất thủy lực, tính
chất thủy động lực học, đặc tính xâm thực là các bài toán đƣợc đặt ra và cần giải
quyết bên cạnh các yêu cầu kỹ thuật về vận hành tàu.
Xâm thực là một hiện tƣợng quan trọng trong tự nhiên và đời sống. Nó đƣợc
phát hiện từ lâu, tuy nhiên để nghiên cứu sâu về xâm thực thì hiện nay vẫn là một
bài toán khó. Trong máy cánh dẫn, sự phát sinh các xoáy đỉnh cánh và bầu cánh
công tác gây ra hiện tƣợng tạo bọt khí xâm thực gây nguy hại cho bề mặt cánh cũng
nhƣ phát sinh tiếng ồn, điều đó ảnh hƣởng không nhỏ đến những công tác đặc biệt
khi cần sự bí mật.
Trong nƣớc, việc khai thác các ứng dụng của thiết bị đẩy kiểu phụt cũng có xu
hƣớng phát triển, tuy nhiên việc đầu tƣ nghiên cứu thì còn rất hạn chế. Sự hạn chế
về công nghệ, thiết bị cũng nhƣ phƣơng tiện mô phỏng là những nguyên nhân chủ
yếu. Để quan sát đƣợc quá trình diễn ra hiện tƣợng xâm thực cần những thiết bị rất
hiện đại mà với điều kiện trong nƣớc là một thử thách lớn. Trƣớc yêu cầu lớn về các
vấn đề kinh tế, quân sự hiện nay, việc đầu tƣ nghiên cứu các phƣơng tiện trên biển
nói chung và thiết bị đẩy kiểu phụt nói riêng cần đƣợc ƣu tiên lớn.

Nội dung luận văn đề cập đến những vấn đề nhƣ trên, trong đó đã góp phần vào
việc tìm hiểu nghiên cứu và thiết kế chế tạo thiết bị đẩy kiểu bơm tia hƣớng trục.
Bơm tia đã đƣợc thiết kế dựa trên cơ sở tính toán thiết kế bơm hƣớng trục, đồng
thời khảo sát trƣờng vận tốc, áp suất và đặc tính xâm thực cũng nhƣ ảnh hƣởng của
áp suất, số vòng quay lên các đại lƣợng đó. Việc mô phỏng đƣợc thực hiện trên
phần mềm chuyên dụng dựa trên lý thuyết CFD.

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

13


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐẨY KIỂU HƢỚNG TRỤC
2.1 Yêu cầu tính toán thiết kế thiết bị đẩy
Để thiết kế đƣợc thiết bị đẩy kiểu bơm tia thì cần phải tính đến các thông số
nhƣ lực đẩy cần thiết của thiết bị đẩy, lực cản của tàu, hệ số rẽ nƣớc của thiết bị,
…Và phải tuân theo các quy định của lý thuyết thiết kế tàu thủy, vấn đề tính toán
các đại lƣợng trên nằm ngoài nội dung của luận văn, và đƣợc lấy từ các nghiên cứu
trƣớc của các nội dung trong đề tài[16] và trong tài liệu [9].
Quy trình tính toán thiết bị đẩy dạng bơm tia nhƣ sau
Tính toán yêu cầu cầu của thiết bị đẩy: lực đẩy F, vận tốc tàu V

1
Tính toán các thông số đầu vào, ra của thiết bị. Đƣờng kính lối vào D1, đƣờng kính
lối ra D2, vận tốc dòng vào V1, vận tốc dòng ra V2

2

Tính toán thông số cơ bản của bơm trong thiết bị đẩy.
Áp suất bơm P, lƣu lƣợng bơm Q

3
Tính toán thiết kế bộ phận dẫn dòng của bơm để tạo đƣợc áp suất P và lƣu lƣợng Q.
(cánh công tác, cánh hƣớng dòng)

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

14


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Nội dung tính toán lực đẩy cần thiết và vận tốc tàu từ đó tính đƣợc các thông
số của thiết bị đẩy ( nội dung 1 và 2) đƣợc lấy từ tài liệu [16], [9].
TT

Thông số

Đơn vị

Giá trị

01

Lực đẩy cần thiết của WJP (F)

N

1154

02

Vận tốc tàu

Knot(*)

5.0

03

Vận tốc lối vào thiết bị đẩy

m/s

2.056

04

Vận tốc lối ra thiết bị đẩy (vận tốc phụt nƣớc)

m/s

9.0

05

Công suất động cơ cần thiết

KW

8.47

06

Đƣờng kính lối vào bơm

mm

255

07

Đƣờng kính lối ra WJP (ống phụt)

mm

150

08

Vận tốc quay động cơ điện (n)

v/ph

1500

09

Lƣu lƣợng bơm tạo ra (Q)

m3/s

0.152

10

Áp suất bơm (p)

m (H2O)

5.16

Bảng 2.1: Các thông số của thiết bị đẩy dạng bơm tia[9]
(*) 1Knot=1 hải lý/giờ (0.5144m/s)
Nội dung chính của chƣơng là tính toán thiết kế bộ phận dẫn dòng của bơm hƣớng
trục để khi làm việc tạo đƣợc áp suất p và lƣu lƣợng Q theo yêu cầu. (nội dung 3)
Trong thực tế ngƣời ta thƣờng dùng bơm hƣớng trục (Axial Pump) hoặc bơm
hƣớng chéo (Diagonal Pump), tuy nhiên bơm hƣớng trục vẫn thông dụng hơn vì sẽ

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

15


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

cho lực cản ít hơn do tiết diện ngang ít hơn khi có cùng đƣờng kính lối vào (2 bơm
hƣớng chéo sẽ chiếm diện tiện ngang bằng 3 bơm hƣớng trục), hình 2.1.

Hình 2.1: So sánh kích thước bơm tia dạng hướng trục và hướng chéo
2.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế bơm hướng trục
2.2.1 Các p ương pháp thiết kế ơm ướng tr c
Bơm cánh dẫn nói chung và bơm hƣớng trục nói riêng đƣợc đƣa vào nội dung đào
tạo của chƣơng trình cho sinh viên ngành máy thủy khí, trong đó lý thuyết tính toán
và thiết kế đƣợc phân tích đầy đủ trong các tài liệu [1], [7], [12], [13]. Để tính toán
bánh công tác và hƣớng dòng bơm hƣớng trục có thể sử dụng một trong các phƣơng
pháp sau[7]:
 Phƣơng pháp tƣơng tự hình học.
 Phƣơng pháp một tọa độ.
 Phƣơng pháp lực nâng.
 Phƣơng pháp XTZ.
 Phƣơng pháp phƣơng trình tích phân của Vôzơnhexenski-Pê kin.
 Phƣơng pháp phân bố xoáy trên cung mỏng của Lêxôkhin-Simônôv.
 Phƣơng pháp các điểm kỳ dị của Lêxôkhin
 Phương pháp tương tự hình học

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

16


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Là phƣơng pháp thiết kế đơn giản nhất dựa vào các mẫu bơm có sẵn hoặc các
mẫu bơm mô hình có ns tƣơng đƣơng. Theo phƣơng pháp này chỉ phải nhân các

kích thƣớc bơm mẫu với một hệ số dựa theo các thông số làm việc của bơm thực và
bơm mẫu.
 Phương pháp một tọa độ
Việc tính toán khá đơn giản, song cần phải ứng dụng biến hình bảo giác trên mặt
phẳng để xây dựng profil và lƣới cánh. Profil cánh thiết kế theo phƣơng pháp này
có thể đảm bảo đƣợc góc vào và góc ra phù hợp với đặc tính dòng chảy. Song khi
sử dụng phƣơng pháp này đòi hỏi ngƣời thiết kế phải có kinh nghiệm chọn một số
thông số ban đầu của lƣới cánh.
 Phương pháp lực nâng
Dựa trên cơ sở xác định lực nâng tác dụng lên profil theo định luật
Giucôpski. Dựa vào đặc tính khí động lực học của các profin có sẵn, chọn profin có
hệ số lực nâng tƣơng ứng với hệ số lực nâng tính toán. Từ đó xây dựng đƣợc bánh
công tác của bơm.
 Phương pháp XTZ
Dựa trên giả thiết là độ cong của đƣờng nhân profil có ảnh hƣởng quyết định
tới lƣu số vận tốc hay cột áp do cánh tạo nên, do vậy cũng ảnh hƣởng quyết định tới
lực nâng tác dụng lên profin cánh. Dựa trên quan hệ của lực nâng Cy với lƣu số vận
tốc bao quanh profin Г và quan hệ của lực nâng với góc đặc trƣng cho độ cong của
profil βo, ta xác định đƣợc góc βo theo các thông số hình học và động học của cánh.
Trong trƣờng hợp này đƣờng nhân của profil cánh là một cung tròn.
 Phương pháp phương trình tích phân của Vôzơnhexenski-Pêkin và phương
pháp phân bố xoáy trên cung mỏng của Lêxôkhin-Simônôv

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

17


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Theo các phƣơng pháp này, tác động của profil lên dòng chất lỏng đƣợc thay
thế bởi các xoáy phân bố dọc theo đƣờng nhân theo một quy luật xác định. Dòng
chảy tổng hợp đƣợc xác định bằng tổng của dòng song phẳng không nhiễu và dòng
xoáy tạo bởi các xoáy phân bố dọc theo đƣờng nhân profil (sẽ trình bày cụ thể ở
mục sau). Điều khác nhau chính giữa hai phƣơng pháp là: Theo phƣơng pháp
phƣơng trình tích phân của Vôzơnhexenski-Pêkin coi đƣờng nhân là một cung tròn.
Còn theo phƣơng pháp phân bố xoáy trên cung mỏng của Lêxôkhin-Simônôv,
đƣờng nhân của profil là một cung cong bất kì xác định bởi dòng song phẳng không
nhiễu và các xoáy phân bố trên đƣờng nhân của tất cả các profil. Trong trƣờng hợp
đó không thể giải phƣơng trình tích phân bằng phƣơng pháp giải tích mà phải giải
bằng phƣơng pháp số gần đúng liên tiếp. Việc giải các phƣơng trình này trở nên đơn
giản hơn khi ta ứng dụng phƣơng pháp số vào giải.
 Phương pháp các điểm kỳ dị của Lêxôkhin
Phƣơng pháp tính toán cánh có độ dày hữu hạn tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp
phân bố xoáy trên cung mỏng của Lêxôkhin-Simônôv, theo phƣơng pháp này tác
động của profil cánh lên dòng chất lỏng đƣợc thay thế bởi các xoáy nguồn và tụ
phân bố tạo các điểm trên đƣờng nhân profil.
2.2.2 Cơ sở lý thuyết p ương p áp Vôzơn exens -Pêkin (PP V-P)
Để tính toán thiết kế bơm hƣớng trục cho thiết bị đẩy dạng bơm tia thì có nhiều
phƣơng pháp, tuy nhiên phƣơng pháp Vôzơnhexenski-Pêkin là thông dụng nhất, cho
kết quả tin cậy, đã đƣợc kiểm chứng và ứng dụng tại hầu hết đơn vị thiết kế bơm
hƣớng trục ở Việt Nam.
Để xây dựng cánh công tác và cánh dẫn hƣớng ngƣời ta phải tính toán xây
dựng các profil cánh ở các tiết diện khác nhau của lá cánh. Các tiết diện này đƣợc
tạo bởi các mặt trụ đồng tâm cắt các lá cánh. Trải các tiết diện này ra trên mặt
phẳng và kéo dài về hai phía ta sẽ có lƣới thẳng vô tận của các profil[1].

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

18


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Trong phƣơng pháp của Vozonhexenski - Pekin đƣờng nhân của các profil là các
cung tròn, có thể coi nhƣ các profil có chiều dầy mỏng vô cùng. Tác động của các
đƣờng nhân này lên dòng chất lỏng chảy bao đƣợc thay bằng các xoáy với cƣờng
độ (s) phân bố trên đƣờng nhân (hình 2.2).
Lƣu số vận tốc trên phân tố đƣờng nhân ds: d = (Wx - Wy) ds = (s)ds
L

L

L

0

0

0

Lƣu số vận tốc theo chu tuyến profil:    d   (WX  WY )ds    (s)ds
Trong chảy bao profil có chiều dầy mỏng vô cùng, đƣờng nhân profil có thể xem
nhƣ đƣờng dòng tổng hợp của chuyển động tƣơng đối. Vì vậy, hàm dòng tại điểm
M bất kỳ của đƣờng nhân đƣợc xác định bằng tổng hàm dòng của dòng song phẳng
không nhiễu o và hàm dòng cảm ứng tạo bởi các xoáy liên hợp 1. Ta có:
1 L
( t )  o ( t ) 

  (s) ln r (s, t )ds  const ;
2 0

Trong đó: t - Toạ độ điểm khảo sát,
r(s,t) - Khoảng cách từ điểm khảo sát của profin tới điểm có phân bố xoáy d.
Trong chảy bao profin, hàm dòng của dòng không nhiễu o xác định bởi vận tốc
trung bình Wtb. Hàm dòng 1 là hàm dòng tổng cộng của tất cả các xoáy phân bố
trên tất cả các profin trong lƣới. Vì vậy cần phải tích phân hàm dòng d1 không chỉ
theo đƣờng nhân profil từ 0 tới l mà còn theo trục lƣới từ +  tới - . Khi đó ta có:
1


(t )  0 (t ) 
 ( s) ln sin 2 ( x  x0 )  sh 2 ( y  y0 ) .ds ;

2 0
T
T
L

(2-1)

Biểu thức dƣới dấu căn ký hiệu là K2, ta sẽ có:
( t )  0 ( t ) 

1 L
  (s) ln K(s, t ). ds  const ;
2 0

Các điều kiện biên để giải phƣơng trình hàm xoáy (s) này là:

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

19


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Hình 2.2: Sơ đồ lưới profin
Px

l

Py

dT

dT

dT

mỏng vô cùng và phân bố

.

dT

ds

S

Wx

. 0
Wy

y0
T

.

Bl

xoáy trên đường nhân[1]

y
x
x0

W2

Wtb

t

W1
V1

Btb

U

 Trong chảy bao đuôi profil (L) = 0,
 Trong chảy bao không va mép vào profil (0) = 0.

Do ảnh hƣởng của các profil kề nhau, góc vào không va đối với các profil
trong lƣới sẽ lệch so với góc đặt l của dây cung một giá trị bằng:  = l - tb.
Trong trƣờng hợp chung  = f(T,l,o). Với o là góc đặc trƣng cho độ cong của
profil. Với góc đặt của profil l  30o, góc  chỉ phụ thuộc vào góc o và bƣớc
lƣới T (hình 2.3). Với góc đặt l > 30o góc  không chỉ phụ thuộc vào góc o,
bƣớc lƣới T mà còn phụ thuộc vào góc l. Giải phƣơng trình hàm dòng (2-1) ở trên
với các giá trị khác nhau của bƣớc lƣới tƣơng đối To=T/L, góc đặt cánh ∞ và góc
đặc trƣng cho độ cong của profil o cho thấy rằng, hàm L*( To, ∞) = /(WtbLo) ít
phụ thuộc vào góc o. Với các giá trị o nhỏ, đại lƣợng (WtbLo) tỷ lệ với lƣu số .
Trên hình 2.3 là các đƣờng cong để xác định giá trị hàm L* phụ thuộc vào bƣớc
lƣới tƣơng đối To ứng với các giá trị ∞ khác nhau của prôphin trong lƣới, hình 2.7.
Hình 2.3: Biểu đồ quan hệ
  f (T0 ,  0 )

với

   35  40 0

Và

 0  20  26 0

[7],[1]

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

20


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

21


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Hình 2.3:(tiếp). Biểu đồ để xác định góc va  ứng với các độ cong  0 khác nhau
a)  0  20 0 ;  /  0  22 0 ; b)   24 0 2)   26 0 ;  )  0  28 0 ; c)  0  30 0 ; k)
 0  32 0 z)  0  34 0 ; n)  0  36 0 ; k)  0  38 0 ; r)  0  40 0 [1]

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

22


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Hình 2.4: Biểu đồ
quan hệ L* =f(T0,

∞)[7]

Để tính toán lƣới cánh theo phƣơng pháp Vozonhexenski - Pekin, cần xác
định sơ bộ trƣớc các thông số kết cấu chính của phần dẫn dòng và các tam giác vận
tốc. Trƣớc khi xây dựng đƣờng nhân profil hoàn chỉnh cần phải tính bổ sung độ
cong kể tới ảnh hƣởng của chiều dầy của profil sao cho đặc tính tổng hợp của lƣới
profil có độ dầy sai khác không nhiều so với đặc tính của lƣới tính toán. Giá trị độ
cong bổ sung cho profil có thể xác định theo biểu đồ (hình 2.5).
Trên đồ thị: f = f/L - độ cong tính bổ sung thêm của cung tƣơng đƣơng so
với cung tính toán; f = ftđ - ftt; C = max/L - độ dầy tƣơng đối max của profil, 2 =
90o - 2 - góc tạo bởi phƣơng của vận tốc W2 và trục lƣới z: 2 = arctg(Wz/W2u).
Đại lƣợng  f liên hệ với độ cong của cung bằng: tg

 o
f  max
2
;
2
C L

 f  max 
.;
 C L 

Từ đó ta có:  o  2arctg 2

Độ cong của cung tƣơng đƣơng: tđ = o + o.
Trong đó, o - Độ cong tính toán.
Chiều dài cung tƣơng đƣơng và bán kính cong của cung tƣơng đƣơng sẽ đƣợc xác
định bằng các biểu thức:

Ltđ = 0,0175 Ltđ/sintđ;

Rtđ = L/2sintđ

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

23


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Hình 2. 5: Đồ thị để
xác định bổ sung
độ cong tính tới
ảnh hưởng của
chiều dầy profil[7]

Cung tƣơng đƣơng chính là profil có chiều dầy mỏng vô cùng hay là đƣờng nhân
của profil. Để nhận đƣợc profil có độ dầy ta dùng quy luật phân bố độ dầy của các
profil mẫu có đặc tính động học tốt và dựa vào chiều dày max chọn trƣớc ta "đắp"
độ dày cho cung tƣơng đƣơng. Xâu các profil lại với nhau theo quy luật xác định ta
sẽ nhận đƣợc cánh hoàn chỉnh của bánh công tác.
Nhận thấy rằng trong phƣơng pháp tính toán, thiết kế bơm nhƣ trên thì ngoài
những công thức tính theo lý thuyết, thì khá nhiều đại lƣợng, thông số chúng ta phải
tra bảng, đồ thị và nhiều khi cũng chọn theo kinh nghiệm. Do đó cùng một phƣơng
pháp nhƣng nhiều ngƣời thiết kế sẽ cho biên dạng cánh bơm không giống nhau, do
đó sai số sau khi thiết kế của các đại lƣợng đặc trƣng nhƣ lƣu lƣợng, áp suất, hiệu
suất sẽ khác nhau. Để có kết quả thiết kế tốt thì cần có các thử nghiệm nhiều lần,
ngoài ra, biên dạng sau khi thiết kế cần điều chỉnh để cho hiệu quả tốt nhất, chúng

ta có công cụ để thực hiện điều đó là xây dựng mô 3D hình trên Solid work, từ hình
dạng trực quan ta có thể có những điều chỉnh nhỏ giúp hiệu quả thiết kế tốt hơn.
Một lƣu ý nữa là “tất cả các phương pháp tính toán thủy động các lưới profil
đều được nghiên cứu cho chất lỏng lý tưởng. Trong thực tế là chất lỏng thực nghĩa
là có nhớt. Do nhớt nên đã tạo ra lớp biên ở profil và lớp biên đó đã ảnh hưởng
ngược trở lại và làm thay đổi tính chất dòng chảy xung quanh profil” [1,p265]
2.3 Tính toán, thiết kế bơm hướng trục theo PP V-P
2.3.1 Tính toán các thông số cơ ản
Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

24


Luận văn Thạc sỹ khoa học máy cánh dẫn.
“Nghiên cứu đặc tính thủy động lực học trong thiết bị động lực đẩy kiểu bơm tia bằng mô phỏng số”

Tính toán các thông số cơ bản của bơm theo trình tự sau:
 Tính số vòng quay đặc trưng
 Tính tỷ số đường kính bầu
 Tính đường kính ngoài bơm
 Tính đường kính bầu
 Tính các hệ số không thứ nguyên của lưu lượng, áp suất bơm
Các thông số yêu cầu của bơm:
Áp suất p=5.16 m(H2O), lƣu lƣợng Q=0.152 m3/s, số vòng quay n=1500v/ph, khối
lƣợng riêng  =998.2 (kg/m3).
Lựa chọn sơ bộ: Hiệu suất:  dc  0,9 ;  P  0, 8; Q  0,9 ; b  0, 72 ; Hệ số dự trữ
công suất động cơ K=1,1.
Tính số vòng quay đặc trƣng: ns 

3,65n Q 3,65.1500 0,152


 623, 47
H 3/4
5,163/4

Nhận thấy số vòng quay ns  600 nên bơm hƣớng trục là lựa chọn hợp lý.
Công suất bơm theo yêu cầu N b 

 QH
b

Thay số ta có Nb = 11,16 (kW). Công suất cần thiết của bơm tính tới hệ số dự trữ
công suất Nbmax= 12,78 kW. Mô men trên trục:
M  97500

Nb max
12, 78
 97500
 830, 7kGcm
n
1500

Đƣờng kính trục
dtr 

3

M
830, 7
3

 3, 25cm
0, 2 th
0, 2.120

Bộ môn Máy và Tự động Thủy khí-Viện Cơ khí Động lực-Đại học BKHN

25