Đặc tính của bơm cánh quạt

Đặc tính của bơm cánh quạt Đặc tính của bơm cánh quạt Bởi: Nguyễn Quang Đoàn ĐẶC TÍNH CỦA BƠM CÁNH QUẠT Tổn thất trong máy bơm và hiệu suất máy bơm Các phương trình cơ bản của máy bơm chưa xét đến những tổn thất sinh ra trong các cơ cấu làm việc của bơm. Việc xét đầy đủ đến các tổn thất này đến nay còn chưa thực hiện được, ngoài các công thức lý thuyết người ta còn phải dựa vào thí nghiệm để bổ sung. Trong máy bơm có ba dạng tổn thất : tổn thất thủy lực, tổn thất dung tích, tổn thất cơ khí. Chúng ta lần lượt xem xét các tổn thất, hiệu suất và công suất liên quan : Tổn thủy lực : Tổn thất này sinh ra khi chất lỏng chuyển qua tất cả các cơ cấu công tác động hoặc tĩnh tại của máy bơm, bao gồm: - Tổn thất ma sát giữa chất lỏng tiếp xúc với vật thể rắn ( gồm tổn thất dọc đường và cục 2 bộ ): hms1 = SQ , trong đó S là hệ số dọc đường và cục bộ; - Tổn thất xung kích hms2 sinh ra ở những nơi như mép cánh, cửa vào, cửa ra ... do tạo xoáy nước khi chế độ dòng chảy không giữ được ở trạng thái làm việc đã thiết kế. Lưu lượng qua bơm càng xa lưu lượng thiêt kế ( Qtk ) thì xoáy càng lớn do vậy tổn thất này 2 càng lớn: hms2 = S2 ( Q - Qtk ) , trong đó S2 là hệ số tổn thất xung kích. Tổng hai thành phần trên lại ta được tổn thất thủy lực : hms = hms1 + hms2. Hình 3 - 5,a biểu thị dạng các tổn thất thủy lực trong máy bơm. Cột nước thực tế của máy bơm H bằng cột nước lý thuyết Hl trừ đi hms: H = Hl - hms = K. H ∞ ∣ − hms. Hiệu suất thủy lực của máy bơm : ηtl = H / Hl = ( Hl - hms ) / Hl ( 3 - 14 ). Giá trị của hiệu suất thủy lực phụ thuộc vào độ nhám tương đối của bề mặt phần chảy và, chế độ làm việc của bơm và kích thước máy bơm. A.I. Mikhailôv và V.V. Maliusenkô đưa ra công thức thực nghiệm xác định hiệu suất thủy lực khi bơm làm việc ở chế độ thiết kế: 1/14 Đặc tính của bơm cánh quạt ηtl = 0,7 + 0,0835logD0. ( 3 - 15 ) D0 là đường kính cửa vào BXCT ( mm ). Công suất tiêu hao để khắc phục tổn thất thủy lực: Ntl = 9,81( Q + ΔQ )hms ( 3 - 16 ) Tổn thất dung tích ΔQ: Là lượng nước rò rỉ qua các khe rãnh giữa các phần quay và phần tĩnh của bơm do chênh lệch áp lực giữa ống đẩy và ống hút, làm giảm lưu lượng bơm và hiệu suất chung của bơm. Việc giảm khe hở giữa các phần là cần thiết để hạn chế ΔQ tuy vậy về điều kiện kết cấu và vận hành việc giảm này không phải trường hợp nào cũng làm được. Hiệu suất dung tích: ηd = Q / ( Q + ΔQ ) ( 3 - 17 ) A.A. Lômankin đã đưa ra công thức thực nghiệm xác định hiệu suất dung tích khi bơm làm việc ở chế độ thiết kế: -2/3 ηd = 1 / ( 1 + 0,68ns ), ns là tỷ tốc của bơm ( 3 - 18 ). Công suất tiêu hao để khắc phục tổn thất dung tích là: Nd = 9,81 ( H + hms ) ΔQ ( 3 - 19 ). Tổn thất cơ khí ΔNck: Tổn thất cơ khí trong máy bơm bao gồm: tổn thất do ma sát giữa chât lỏng và 2 mặt ngoài của đĩa BXCT , giữ chất lỏng với vỏ của bơm và ma sát trong các vật chèn kín nước, ma sát giữa trục và ổ trục. Tổn thất do ma sát giữa chất lỏng và các mặt ngoài đĩa − 5 3 2 BXCT ( kW ): ΔNmsđ = 1,13.10 .U2.D2 ( 3 - 20 ). Tổn thất ma sát ở vật chèn kín nước và ổ trục thường chiếm 2 ... 4% công suất yêu cầu của bơm ( N ), bơm càng lớn thì tổn hao naỳ càng bé. Hiệu suất cơ khí của bơm: ηck = 1 - ΔNck / N ( 3 - 21 ). A.A. Lômankin cũng đưa ra công thức xác định hiệu suất cơ khí khi máy bơm làm việc 0,97 ở chế độ thiết kế: ηck = 2 ( 3 - 22 ). 1 + 820 / ns 2/14 Đặc tính của bơm cánh quạt Để nâng cao hiệu suất cơ khí của bơm cần gia công bề mặt đĩa BXCT và vỏ bơm, đặc biệt đối với bơm tỷ tốc thấp. Hiệu suât chung của máy bơm : . Quan hệ giữa hiệu suất máy bơm và tỷ tốc ns và D0 Hiệu suất của máy bơm phụ thuộc vào tủy tốc ns và đường kính cửa vào BXCT. Xem Hình 3 - 9,b . Từ hình vẽ ta thấy: hiệu suất cao của máy bơm chỉ đạt được khi tỷ tốc ns > 100. Tất nhiên mỗi máy bơm có đặc tính riêng về kết cấu của nó, một hoặc hai vòng chống rò , bộ phận giảm lực dọc ( có ảnh hưởng đến hiệu suất bơm ), mức độ gia công nhẵn bề mặt đĩa hoặc phần chảy ..v.v.. . Tất cả đều có ảnh hưởng đến trị số các tổn thất và hiệu suất tương ứng của máy bơm. Đường đặc tính của máy bơm cánh quạt Đường đặc tính của máy bơm là đồ thị biểu thị quan hệ phụ thuộc giữa các thông số cột nước H, công suất N, hiệu suất η ... vào lưu lượng Q với vòng quay n không đổi của rô to tổ máy bơm. Đường đặc tính của máy bơm thường được vẽ từ kết quả của thực nghiệm trên các giá thí nghiệm chuyên ngành và điều kiện thí nghiêm. 3/14 Đặc tính của bơm cánh quạt Đường đặc tính của bơm li tâm vẽ theo lý thuyết Do số lượng cánh bơm là hữu hạn và chất lỏng không phải là lý tưởng và khi làm việc có tổn hao ... do vậy các giá trị Q, H, N lý thuyết và thực tế có khác nhau. Biểu thức xác định cột nước lý thuyết, cánh vô hạn và chất lỏng lý tưởng như đã biết ( phương trình 3 - 1 ). Đa số trường hợp hướng vào của chất lỏng trên cánh BXCT có hướng bán kính 0 bởi vậy α1 = 90 , tương ứng C1u = C1cosα1 = 0 nên : U2C2u H ∞ l = g ( 3 - 2 ) Sau đây trình bày cụ thể cách vẽ đường đặc tính của bơm li tâm theo lý thuyết: Vẽ đường đặc tính Q - H Dùng phương trình ( 3 - 2 ) ta tiến hành vẽ các đường đặc tính của bơm li tâm. Từ tam giác tốc độ cửa ra BXCT ta thấy : C2u = U2 − W2u, còn W2u = C2r.ctgβ2, lưu lượng lý thuyết Ql = πD2b2C2r. Vậy : Biểu thức ( 3 - 22 ) là phương trình đường thẳng tùy thuộc vào góc β2: đường 2 và 3 là 4/14 Đặc tính của bơm cánh quạt Đường đặc tính cột nước H - Q của bơm li tâm. 0 0 0 đường tương ứng với góc β2 = 90 và β2 > 90 còn đường 1 được vẽ ứng với β2 < 90 0 . Như đã phân tích chọn góc β2 < 90 làm góc thiết kế, do vậy ta vẽ đường H - Q theo góc này như sau: 2 U2 Khi Ql = 0 thì H ∞ l = g , khi H ∞ ∣ = 0 thì Ql = πD2b2U2? / ?ctgβ2, ta vẽ được đường 1 Để xác định cột nước lý thuyết của bơm có số cánh hữu hạn một số tác giả đề nghị dùng công thức hiệu chỉnh Hl = K. H ∞ ∣để vẽ đường 4. Tuy nhiên nếu lấy K là số không đổi thì giá trị Hl chỉ là gần đúng vì rằng khi Hl = 0 thì Ql sẽ bằng khi H ∞ ∣= 0. Trong thực tế đường Hl - Q ( đường 4 ) gần như song song với đường thẳng H ∞ ∣- Q ( đường 1 ), nghĩa là giá trị Ql tương ứng trên dường 4 sẽ nhỏ hơn so với khi H ∞ ∣= 0. Trong thực tế chất lỏng chảy qua bơm sẽ có tổn thất, do vậy: Lấy đường 1 trừ cột nước tổn thất ma sát với F là diện tích qua nước, S hệ số tổn thất ma sát ta được đường 5. 5/14 Đặc tính của bơm cánh quạt Lấy đường 5 trừ cột nước tổn thất xung kích ta được đường 6 Đường đặc tính thực tế 7 dịch về trái ứng với lượng tổn thất dung tích từ máy bơm. Đường đặc tính thực tế H - Q của máy bơm cánh quạt có nhiều đặc trưng khác nhau, ta gọi tỷ số Kd là đặc trưng độ dốc: Kd = 100 ( H0 - H ηmax ) / H ηmax ( 3 - 23 ) Trong đó H0 là cột nước khi Q = 0; H ηmax - cột nước ứng với hiệu suất cực đại. Khi Kd ≈ 10% thì đường H - Q có độ dốc thoải ( Hình 3-11, a) đường 1 ); khi Kd ≈ 30% thì đường H - Q có độ dốc lớn ( đường 2 ). Nếu cột nước lớn nhất không rơi vào lưu lượng Q = 0 thì đường Q - H sẽ có đoạn dốc ngược ( đường 3 ). Độ dốc của đường H - Q phụ thuộc vào nhiều vào hệ số tỷ tốc ns ( xem Hình 3 - 11,b ); tỷ tốc càng lớn thì đường càng dốc. Đường đặc tính cột nước của bơm li tâm a) Các dạng đường H - Q; b) Sự phụ thuộc H - Q vào tỷ tốc ns: 1... 7 : tương ứng với ns = 64, 106, 155, 212, 282, 402, 650 (vòng / ph ) Vẽ đường đặc tính công suất N - Q Góc β2 có ảnh hưởng đến dạng của đường đặc tính công suất N - Q của máy bơm li tâm 0 ( xem Hình 3 - 12 a ): Khi β2 ≥ 90 thì công suất lý thuyết tăng lớn khi lưu lượng tăng, 6/14 Đặc tính của bơm cánh quạt 0 còn khi β2 < 90 thì công suất tăng chậm và đạt giá trị lớn nhất ở một giá trị Q nào đó 0 Q < Q Trong chế tạo máy bơm ta chỉ dùng góc β2 < 90 , do vậy ta sẽ vẽ đường đặc tính 0 công suất cho β2 < 90 . Để bơm lưu lượng Q lên độ cao Hl ta dùng công thức tính công suất lý thuyết số cánh hữu hạn Nl = 9,81 QHl và vẽ Nl - Q, sau đó ta tiến hành tính các công suất tiêu thụ để khắc phục các tổn thất về thủy lực ( Ntl ), tổn thất cơ khí (Nck ), tổn thất dung tích ( Nd ) rồi cộng tung độ các công suất khắc phục tổn thất trên ta nhận được công suất máy bơm yêu cầu N - Q ( xem Hình 3 - 12, b ). Đường đặc tính N - Q của các bơm cánh quạt khác nhau nhiều hơn đường H - Q . Dạng đường đặc tính N - Q cũng phụ thuộc vào tỷ tốc ns ( Hình 3 - 12,c ). Đường đặc tính công suất N - Q bơm li tâm. a) Quan hệ phụ thuộc của Nhi vào β2 ; b) Vẽ đường đặc tính N - Q. Công suất của bơm li tâm có tỷ tốc không lớn tăng theo Q một cách đáng kể hơn là đối với bơm tỷ tốc cao. Tuy vậy, điều này chỉ đúng khi tăng lưu lượng đến một một giá trị nào đó thì công suất bắt đầu giảm. Khi N = 0 thì bơm li tâm làm việc như turbin với vòng quay không đổi. Công suất của bơm cánh quạt có ns = 300 v/p ( xem đường 5 Hình 3 -12,c ). Khi ns > 300 v/p thì công suất tăng khi lưu lượng giảm ( xem Hình 3 - 12, c đường 6 và 7 ). 7/14 Đặc tính của bơm cánh quạt Vẽ đường đặc tính hiệu suất η size 12{η} {} - Q Vẽ đường đặc tính hiệu suất η - Q bơm li tâm. Trên Hình 3 - 13, đường 100% biểu thị công suất hữu ích bằng công suất trục máy bơm ( đường 1). Đường 2 biểu thị hiệu suất sau khi trừ tổn hao cơ khí. Đường 3 là hiệu suất sau khi từ tổn hao dung tích. Đường 4 là hiệu suất sau khi trừ tổn hao ma sát thủy lực hms1 . Cuối cùng lấy đường 4 trừ tổn thất xung kích hms2 ta được hiệu suất η - Q. Đưa các đường đặc tính H - Q, N - Q và η - Q lên chung một tờ giấy ta được đường đặc tính của bơm li tâm ( ví dụ Hình 3 - 14,a ). Trên đường đặc tính đầy đủ còn có thêm đường biểu thị độ chân không cho phép [ Hck ] theo Q. 8/14 Đặc tính của bơm cánh quạt Dạng đường đặc tính của bơm li tâm . a) Đường đặc tính đơn; b) Đường đặc tính tổng hợp của bơm li tâm. Việc lựa chọn máy bơm chính xác với các thông số Q và H thường là khó có thể, trường hợp này cần phải thay đổi đường đặc tính của nó. Một trong những cách thay đổi đường đặc tính của máy bơm là thay đổi số vòng quay n nhờ động cơ truyền tới, đối với bơm li tâm tỷ tốc thấp còn dùng cách gọt bớt D2 để mở rộng phạm vi công tác của máy bơm. Những cách làm này chúng ta sẽ nghiên cứu ở các chương sau. Đường đặc tính tổng hợp chủ yếu ở Hình 3 - 14,b biểu thị quan hệ H - Q khi công suất và vòng quay thay đổi . Từ Hình 3 - 14, a ta có nhận xét về tính năng làm việc của bơm li tâm: Công suất yêu cầu của bơm tăng dần khi lưu lượng tăng, do vậy muốn công suất khởi động nhỏ ta nên đóng van trên ống đẩy trước khi khởi động vì khi Q = 0 thì công suất khởi động nhỏ nhất. Mặt khác công suất yêu cầu lại tăng khi cột nước giảm, nghĩa là khi máy bơm làm việc với cột nước quá thấp động cơ kéo bơm có thể bị quá tải, do vậy ta cần kiểm tra quá tải động cơ với trường hợp này. Và hiệu suất bơm cánh quạt nói trên đều phụ thuộc vào tỷ tốc ns, như đã thấy trên Hình 3 - 12,d : tỷ tốc càng lớn ( đường 5, 6 ) thì dạng đường quan hệ hiệu suất η - Q càng dốc, vùng làm việc có hiệu suất cao bị thu hẹp lại. Tuy nhiên trên thực tế hiện nay người ta dùng thí nghiệm để vẽ đường đặc tính cho các loại máy bơm mới bảo đảm thực tế, phần này sẽ trình bày ở phần sau. 9/14 Đặc tính của bơm cánh quạt Đường đặc tính của bơm hướng trục và hướng chéo Đường đặc tính của bơm hướng trục và hướng chéo. a) Khi tỷ tốc ns = 200 ... 300; b) khi ns = 500 ... 800 ( v / p ) Đường đặc tính của bơm hướng trục và hướng chéo H - Q và N - Q ( Hình 3 - 15 ) phụ tuộc nhiều vào tỷ tốc; khi tỷ tốc ns < 300 v/p thì bơm hướng chéo gần giống với bơm li tâm, còn khi tỷ tốc cao thì giống bơm hướng trục. Hình 3 - 11, b đặc trưng cho bơm hướng trục, thường có điểm uốn ở vùng làm việc với lưu lượng nhỏ, nghĩa là cột nước và công suất thay đổi khi Q tăng; đầu tiên thì giảm, sau đó tăng, rồi lại giảm. Vùng A - B trên đường đặc tính cột nước H - Q bơm làm việc không ổn định, bởi vậy vùng này gọi là "vùng không làm việc". Hiệu suất quyết định vùng làm việc của máy bơm, thường vùng làm việc từ 0,9 ηmax ... ηmax . Đường đặc tính đầy đủ của bơm hướng trục còn có đường dự trữ khí thực Δh - Q. Đường đặc tính tổng hợp của bơm trục cũng có thể thay đổi góc xoay cánh quạt φ của BXCT ( xem Hình 3 - 16 ). 10/14 Đặc tính của bơm cánh quạt Đường đặc tính tổng hợp của máy bơm OΠ10 - 260. Từ dạng đường đặc tính bơm trục ta nhận thấy rằng: Khi Q nhỏ thì cột nước và công suất tăng vọt, do vậy rất bất lợi khi khởi động máy bơm, vậy để giảm công suất khi khởi động thì trước lúc khởi động phải tăng Q bằng cách mở toàn bộ ống đẩy ( nếu có van ống đẩy ). Mặt khác công suất yêu cầu của bơm cũng cao khi cột nước làm việc lớn, do vậy có thể dẫn tới quá tải động cơ kéo bơm nên ta phải kiểm tra công suất quá tải nầy Ngoài các đường đặc tính ở trên, trong thực tế người ta cũng còn xây dựng những đường đặc tính máy bơm không thứ nguyên dùng chung cho một kiểu máy bơm. Để vẽ loại đường đặc tính này ta dùng các công thức đồng dạng và các đại lượng không thứ nguyên − − − Q gH gΔh sau: Q = 3 ,H = 2 2 ,Δh = 2 2 . Sau đây là ví dụ: nD n D n D 11/14 Đặc tính của bơm cánh quạt Đường đặc tính không thứ nguyên của 1 kiểu bơm li tâm. Vẽ đường đặc tính máy bơm bằng thực nghiệm Đường đặc tính vẽ theo công thức lý thuyết còn có sai khác so với thực tế vì chưa đề cập đầy đủ và chính xác những các yếu tố có ảnh hưởng, do vậy thực tế vẫn phải dùng thực nghiệm để đo, tính toán và vẽ các đường. Sau đây trình bày một trong những sơ đồ thí nghiệm được dùng. Qua sơ đồ Hình 3 - 14, các bộ phận chính và quy trình thử nghiệm như sau: Đóng động cơ điện kéo máy bơm 1 quay ở trị số n không đổi, nước được hút từ bể 4 vào BXCT và được đẩy lên ống thoát 6 chảy vào bể đo lưu lượng 5 về lại bể 4 và lại được 12/14 Đặc tính của bơm cánh quạt bơm lên ... Ta dùng van đặt trên ống đẩy để thay đổi lưu lượng từ 0 đến Qmax . Ứng với từng độ mở của van, tiến hành : - Đo lưu lượng Q nhờ bể đo 5. Có nhièu cách đo lưu lượng: khi lưu lượng nhỏ Thiết bị thí nghiệm đơn giản vẽ đặc tính máy bơm. thường dùng thùng để đo rồi chia cho thời gian tương ứng khối nước trong thùng; khi lưu lượng lớn hơn có thể dùng các thiết bị đo như văng tu ri, diaphơram ... đặt trực tiếp trên ống đẩy hoặc dùng đập tràn thành mỏng, vận tốc kế ..v.v.. để đo. - Đo cột nước H và vẽ đường H - Q: dùng chân không kế 2 đặt ngay ở gần cửa vào BXCT để đo độ chân không Hck, dùng áp lực kế 3 để đo cột nước cột nước áp lực Hak ở ngay sau cửa ra BXCT , tính ra cột nước H theo công thức sau: 2 2 − v2 v1 H = Hak + Hck + Z + 2g , trong đó Z- khoảng cách hai điểm đo giữa áp kế và chân không kế, v1, v2 - vận tốc nước ở hai điểm đo tương ứng. 13/14 Đặc tính của bơm cánh quạt Mỗi lần thí nghiệm phải giữ vòng quay n không đổi. Điều chỉnh độ mở van trên ống đẩy để có lưu lượng khác nhau. Đọc chân không kế và áp kế tương ứng với các lưu lượng rồi tính ra cột nước H. Dùng tọa độ Đề các, tung độ biểu diễn H, hoành độ biểu diễn Q vẽ ra đường H - Q với n không đổi. - Đo công suất N và vẽ đường N - Q: Tương ứng với các điểm đo Q tiến hành đo các công suất N. Có các cặp Q, H ta vẽ được đường N - Q với n không đổi. Có thể có những cách đo công suất . Trong phòng thí nghiệm, để đo công suất động cơ có công suất nhỏ nối trực tiếp vào máy bơm có thể dùng đíamômet xoắn hoặc động cơ treo để xác điịnh mô men xoắn Mx tại trục máy bơm, và tính ra công suất trục máy bơm π?n N = Mx. ω với tốc độ góc ω = 30 ; Trong sản xuất đo công suất trục động cơ Nđc bằng ampe kế, vôn kế và oát kế ( phương pháp này kém chính xác hơn ) rồi tính ra công suất trục máy bơm N = Nđc. ηđc. ηtđ . Nhi 9,81.Q.H - Vẽ đường η - Q: với từng Q, H, N đã đo ta tính ra η = N = N .100 và vẽ ra đường η - Q. 14/14