Đặc tính bơm cánh quạt Đặc tính bơm cánh quạt Bởi: Nguyễn Quang Đoàn ĐẶC TÍNH CỦA BƠM CÁNH QUẠT Tổn thất máy bơm hiệu suất máy bơm Các phương trình máy bơm chưa xét đến tổn thất sinh cấu làm việc bơm Việc xét đầy đủ đến tổn thất đến chưa thực được, công thức lý thuyết người ta 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 khí Chúng ta xem xét tổn thất, hiệu suất công suất liên quan : Tổn thủy lực : Tổn thất sinh chất lỏng chuyển qua tất cấu công tác động tĩnh máy bơm, bao gồm: - Tổn thất ma sát chất lỏng tiếp xúc với vật thể rắn ( gồm tổn thất dọc đường cục ): hms1 = SQ2 , S hệ số dọc đường cục bộ; - Tổn thất xung kích hms2 sinh nơi mép cánh, cửa vào, cửa tạo xoáy nước chế độ dòng chảy không giữ trạng thái làm việc thiết kế Lưu lượng qua bơm xa lưu lượng thiêt kế ( Qtk ) xoáy lớn tổn thất lớn: hms2 = S2 ( Q - Qtk )2 , S2 hệ số tổn thất xung kích Tổng hai thành phần lại ta tổn thất thủy lực : hms = hms1 + hms2 Hình - 5,a biểu thị dạng tổn thất thủy lực máy bơm Cột nước thực tế máy bơm H cột nước lý thuyết Hl trừ hms: H = Hl - hms = K H ∞ ∣ − hms Hiệu suất thủy lực máy bơm : ηtl = H / Hl = ( Hl - hms ) / Hl ( - 14 ) Giá trị hiệu suất thủy lực phụ thuộc vào độ nhám tương đối bề mặt phần chảy và, chế độ làm việc bơm kích thước máy bơm A.I Mikhailôv V.V Maliusenkô đưa công thức thực nghiệm xác định hiệu suất thủy lực bơm làm việc chế độ thiết kế: 1/14 Đặc tính bơm cánh quạt ηtl = 0,7 + 0,0835logD0 ( - 15 ) D0 đường kính cửa vào BXCT ( mm ) Công suất tiêu hao để khắc phục tổn thất thủy lực: Ntl = 9,81( Q + ΔQ )hms ( - 16 ) Tổn thất dung tích ΔQ: Là lượng nước rò rỉ qua khe rãnh phần quay phần tĩnh bơm chênh lệch áp lực ống đẩy ống hút, làm giảm lưu lượng bơm hiệu suất chung bơm Việc giảm khe hở phần cần thiết để hạn chế ΔQ điều kiện kết cấu vận hành việc giảm trường hợp làm Hiệu suất dung tích: ηd = Q / ( Q + ΔQ ) ( - 17 ) A.A Lômankin đưa công thức thực nghiệm xác định hiệu suất dung tích bơm làm việc chế độ thiết kế: ηd = / ( + 0,68ns-2/3 ), ns tỷ tốc bơm ( - 18 ) Công suất tiêu hao để khắc phục tổn thất dung tích là: Nd = 9,81 ( H + hms ) ΔQ ( - 19 ) Tổn thất khí ΔNck: Tổn thất khí máy bơm bao gồm: tổn thất ma sát chât lỏng mặt đĩa BXCT , giữ chất lỏng với vỏ bơm ma sát vật chèn kín nước, ma sát trục ổ trục Tổn thất ma sát chất lỏng mặt đĩa −5 2 10 U D BXCT ( kW ): ΔNmsđ = 1,13 ( - 20 ) Tổn thất ma sát vật chèn kín nước ổ trục thường chiếm 4% công suất yêu cầu bơm ( N ), bơm lớn tổn hao naỳ bé Hiệu suất khí bơm: ηck = - ΔNck / N ( - 21 ) A.A Lômankin đưa công thức xác định hiệu suất khí máy bơm làm việc 0,97 chế độ thiết kế: ηck = ( - 22 ) + 820 / n s 2/14 Đặc tính bơm cánh quạt Để nâng cao hiệu suất khí bơm cần gia công bề mặt đĩa BXCT vỏ bơm, đặc biệt bơm tỷ tốc thấp Hiệu suât chung máy bơm : Quan hệ hiệu suất máy bơm tỷ tốc ns D0 Hiệu suất máy bơm phụ thuộc vào tủy tốc ns đường kính cửa vào BXCT Xem Hình - 9,b Từ hình vẽ ta thấy: hiệu suất cao máy bơm đạt tỷ tốc ns > 100 Tất nhiên máy bơm có đặc tính riêng kết cấu nó, hai vòng chống rò , phận giảm lực dọc ( có ảnh hưởng đến hiệu suất bơm ), mức độ gia công nhẵn bề mặt đĩa phần chảy v.v Tất có ảnh hưởng đến trị số tổn thất hiệu suất tương ứng máy bơm Đường đặc tính máy bơm cánh quạt Đường đặc tính máy bơm đồ thị biểu thị quan hệ phụ thuộc thông số cột nước H, công suất N, hiệu suất η vào lưu lượng Q với vòng quay n không đổi rô to tổ máy bơm Đường đặc tính máy bơm thường vẽ từ kết thực nghiệm giá thí nghiệm chuyên ngành điều kiện thí nghiêm 3/14 Đặc tính bơm cánh quạt Đường đặc tính bơm li tâm vẽ theo lý thuyết Do số lượng cánh bơm hữu hạn chất lỏng lý tưởng làm việc có tổn hao giá trị Q, H, N lý thuyết thực tế có khác Biểu thức xác định cột nước lý thuyết, cánh vô hạn chất lỏng lý tưởng biết ( phương trình - ) Đa số trường hợp hướng vào chất lỏng cánh BXCT có hướng bán kính α1 = 900, tương ứng C1u = C1cosα1 = nên : H ∞l = UC g 2u (3-2) Sau trình bày cụ thể cách vẽ đường đặc tính bơm li tâm theo lý thuyết: Vẽ đường đặc tính Q - H Dùng phương trình ( - ) ta tiến hành vẽ đường đặc tính bơm li tâm Từ tam giác tốc độ cửa BXCT ta thấy : lượng lý thuyết C =U −W 2u , 2u W = C ctgβ , lưu 2u 2r Q = πD b C Vậy : l 2 2r Biểu thức ( - 22 ) phương trình đường thẳng tùy thuộc vào góc β2: đường 4/14 Đặc tính bơm cánh quạt Đường đặc tính cột nước H - Q bơm li tâm đường tương ứng với góc β2 = 900 β2 > 900 đường vẽ ứng với β2 < 900 Như phân tích chọn góc β2 < 900 làm góc thiết kế, ta vẽ đường H - Q theo góc sau: H U Q DbU β = g , H ∞ ∣ = Khi Ql = = π 2 2? / ?ctg 2, ta vẽ ∞l l đường Để xác định cột nước lý thuyết bơm có số cánh hữu hạn số tác giả đề nghị dùng công thức hiệu chỉnh Hl = K H ∞ ∣để vẽ đường Tuy nhiên lấy K số không đổi giá trị Hl gần Hl = Ql H ∞ ∣= Trong thực tế đường Hl - Q ( đường ) gần song song với đường thẳng H ∞ ∣- Q ( đường ), nghĩa giá trị Ql tương ứng dường nhỏ so với H ∞ ∣= Trong thực tế chất lỏng chảy qua bơm có tổn thất, vậy: Lấy đường trừ cột nước tổn thất ma sát với F diện tích qua nước, S hệ số tổn thất ma sát ta đường 5/14 Đặc tính bơm cánh quạt Lấy đường trừ cột nước tổn thất xung kích ta đường Đường đặc tính thực tế dịch trái ứng với lượng tổn thất dung tích từ máy bơm Đường đặc tính thực tế H - Q máy bơm cánh quạt có nhiều đặc trưng khác nhau, ta gọi tỷ số Kd đặc trưng độ dốc: Kd = 100 ( H0 - H ηmax ) / H ηmax ( - 23 ) Trong H0 cột nước Q = 0; H ηmax - cột nước ứng với hiệu suất cực đại Khi Kd ≈ 10% đường H - Q có độ dốc thoải ( Hình 3-11, a) đường ); Kd ≈ 30% đường H - Q có độ dốc lớn ( đường ) Nếu cột nước lớn không rơi vào lưu lượng Q = đường Q - H có đoạn dốc ngược ( đường ) Độ dốc đường H - Q phụ thuộc vào nhiều vào hệ số tỷ tốc ns ( xem Hình - 11,b ); tỷ tốc lớn đường dốc Đường đặc tính cột nước bơm li tâm a) Các dạng đường H - Q; b) Sự phụ thuộc H - Q vào tỷ tốc ns: : 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 đường đặc tính công suất N - Q máy bơm li tâm ( xem Hình - 12 a ): Khi β2 ≥ 900 công suất lý thuyết tăng lớn lưu lượng tăng, 6/14 Đặc tính bơm cánh quạt β2 < 900 công suất tăng chậm đạt giá trị lớn giá trị Q Q < Q Trong chế tạo máy bơm ta dùng góc β2 < 900, ta vẽ đường đặc tính công suất cho β2 < 900 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 vẽ Nl - Q, sau ta tiến hành tính công suất tiêu thụ để khắc phục tổn thất thủy lực ( Ntl ), tổn thất khí (Nck ), tổn thất dung tích ( Nd ) cộng tung độ công suất khắc phục tổn thất ta nhận công suất máy bơm yêu cầu N - Q ( xem Hình - 12, b ) Đường đặc tính N - Q bơm cánh quạt khác nhiều đường H - Q Dạng đường đặc tính N - Q phụ thuộc vào tỷ tốc ns ( Hình - 12,c ) Đường đặc tính công suất N - Q bơm li tâm a) Quan hệ phụ thuộc Nhi vào β2 ; b) Vẽ đường đặc tính N - Q Công suất bơm li tâm có tỷ tốc không lớn tăng theo Q cách đáng kể bơm tỷ tốc cao Tuy vậy, điều tăng lưu lượng đến một giá trị công suất bắt đầu giảm Khi N = bơm li tâm làm việc turbin với vòng quay không đổi Công suất bơm cánh quạt có ns = 300 v/p ( xem đường Hình -12,c ) Khi ns > 300 v/p công suất tăng lưu lượng giảm ( xem Hình - 12, c đường ) 7/14 Đặc tính 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 - 13, đường 100% biểu thị công suất hữu ích công suất trục máy bơm ( đường 1) Đường biểu thị hiệu suất sau trừ tổn hao khí Đường hiệu suất sau từ tổn hao dung tích Đường hiệu suất sau trừ tổn hao ma sát thủy lực hms1 Cuối lấy đường trừ tổn thất xung kích hms2 ta hiệu suất η - Q Đưa đường đặc tính H - Q, N - Q η - Q lên chung tờ giấy ta đường đặc tính bơm li tâm ( ví dụ Hình - 14,a ) Trên đường đặc tính đầy đủ có thêm đường biểu thị độ chân không cho phép [ Hck ] theo Q 8/14 Đặc tính bơm cánh quạt Dạng đường đặc tính bơm li tâm a) Đường đặc tính đơn; b) Đường đặc tính tổng hợp bơm li tâm Việc lựa chọn máy bơm xác với thông số Q H thường khó có thể, trường hợp cần phải thay đổi đường đặc tính Một cách thay đổi đường đặc tính máy bơm thay đổi số vòng quay n nhờ động truyền tới, bơm li tâm tỷ tốc thấp dùng cách gọt bớt D2 để mở rộng phạm vi công tác máy bơm Những cách làm nghiên cứu chương sau Đường đặc tính tổng hợp chủ yếu Hình - 14,b biểu thị quan hệ H - Q công suất vòng quay thay đổi Từ Hình - 14, a ta có nhận xét tính làm việc bơm li tâm: Công suất yêu cầu bơm tăng dần lưu lượng tăng, muốn công suất khởi động nhỏ ta nên đóng van ống đẩy trước khởi động Q = công suất khởi động nhỏ Mặt khác công suất yêu cầu lại tăng cột nước giảm, nghĩa máy bơm làm việc với cột nước thấp động kéo bơm bị tải, ta cần kiểm tra tải động với trường hợp Và hiệu suất bơm cánh quạt nói phụ thuộc vào tỷ tốc ns, thấy Hình - 12,d : tỷ tốc lớn ( đường 5, ) dạng đường quan hệ hiệu suất η - Q dốc, vùng làm việc có hiệu suất cao bị thu hẹp lại Tuy nhiên thực tế người ta dùng thí nghiệm để vẽ đường đặc tính cho loại máy bơm bảo đảm thực tế, phần trình bày phần sau 9/14 Đặc tính bơm cánh quạt Đường đặc tính bơm hướng trục hướng chéo Đường đặc tính bơm hướng trục hướng chéo a) Khi tỷ tốc ns = 200 300; b) ns = 500 800 ( v / p ) Đường đặc tính bơm hướng trục hướng chéo H - Q N - Q ( Hình - 15 ) phụ tuộc nhiều vào tỷ tốc; tỷ tốc ns < 300 v/p bơm hướng chéo gần giống với bơm li tâm, tỷ tốc cao giống bơm hướng trục Hình - 11, b đặc trưng cho bơm hướng trục, thường có điểm uốn vùng làm việc với lưu lượng nhỏ, nghĩa cột nước công suất thay đổi Q tăng; giảm, sau tăng, lại giảm Vùng A B đường đặc tính cột nước H - Q bơm làm việc không ổn định, vùng gọi "vùng không làm việc" Hiệu suất định vùng làm việc máy bơm, thường vùng làm việc từ 0,9 ηmax ηmax Đường đặc tính đầy đủ bơm hướng trục có đường dự trữ khí thực Δh - Q Đường đặc tính tổng hợp bơm trục thay đổi góc xoay cánh quạt φ BXCT ( xem Hình - 16 ) 10/14 Đặc tính bơm cánh quạt Đường đặc tính tổng hợp máy bơm OΠ10 - 260 Từ dạng đường đặc tính bơm trục ta nhận thấy rằng: Khi Q nhỏ cột nước công suất tăng vọt, bất lợi khởi động máy bơm, để giảm công suất khởi động trước lúc khởi động phải tăng Q cách mở toàn ống đẩy ( có van ống đẩy ) Mặt khác công suất yêu cầu bơm cao cột nước làm việc lớn, dẫn tới tải động kéo bơm nên ta phải kiểm tra công suất tải nầy Ngoài đường đặc tính trên, thực tế người ta xây dựng đường đặc tính máy bơm không thứ nguyên dùng chung cho kiểu máy bơm Để vẽ loại đường đặc tính ta dùng công thức đồng dạng đại lượng không thứ nguyên − sau: − Q= Q n D H= 3, − gH nD ,Δ h= gΔh nD Sau ví dụ: 11/14 Đặc tính bơm cánh quạt Đường đặc tính không thứ nguyên kiểu bơm li tâm Vẽ đường đặc tính máy bơm thực nghiệm Đường đặc tính vẽ theo công thức lý thuyết có sai khác so với thực tế chưa đề cập đầy đủ xác yếu tố có ảnh hưởng, thực tế phải dùng thực nghiệm để đo, tính toán vẽ đường Sau trình bày sơ đồ thí nghiệm dùng Qua sơ đồ Hình - 14, phận quy trình thử nghiệm sau: Đóng động điện kéo máy bơm quay trị số n không đổi, nước hút từ bể vào BXCT đẩy lên ống thoát chảy vào bể đo lưu lượng lại bể lại 12/14 Đặc tính bơm cánh quạt bơm lên Ta dùng van đặt ống đẩy để thay đổi lưu lượng từ đến Qmax Ứng với độ mở van, tiến hành : - Đo lưu lượng Q nhờ bể đo Có nhièu cách đo lưu lượng: lưu lượng nhỏ Thiết bị thí nghiệm đơn giản vẽ đặc tính máy bơm thường dùng thùng để đo chia cho thời gian tương ứng khối nước thùng; lưu lượng lớn dùng thiết bị đo văng tu ri, diaphơram đặt trực tiếp ống đẩy dùng đập tràn thành mỏng, vận tốc kế v.v để đo - Đo cột nước H vẽ đường H - Q: dùng chân không kế đặt gần cửa vào BXCT để đo độ chân không Hck, dùng áp lực kế để đo cột nước cột nước áp lực Hak sau cửa BXCT , tính cột nước H theo công thức sau: 2 v v , Z- khoảng cách hai điểm đo áp kế chân H=H +H +Z+ − ak ck 2g không kế, v1, v2 - vận tốc nước hai điểm đo tương ứng 13/14 Đặc tính bơm cánh quạt Mỗi lần thí nghiệm phải giữ vòng quay n không đổi Điều chỉnh độ mở van ống đẩy để có lưu lượng khác Đọc chân không kế áp kế tương ứng với lưu lượng tính cột nước H Dùng tọa độ Đề các, tung độ biểu diễn H, hoành độ biểu diễn Q vẽ đường H - Q với n không đổi - Đo công suất N vẽ đường N - Q: Tương ứng với điểm đo Q tiến hành đo công suất N Có cặp Q, H ta vẽ đường N - Q với n không đổi Có thể có cách đo công suất Trong phòng thí nghiệm, để đo công suất động có công suất nhỏ nối trực tiếp vào máy bơm dùng đíamômet xoắn động treo để xác điịnh mô men xoắn Mx trục máy bơm, tính công suất trục máy bơm N = Mx ω với tốc độ góc ω = π?n 30 ; Trong sản xuất đo công suất trục động Nđc ampe kế, vôn kế oát kế ( phương pháp xác ) tính công suất trục máy bơm N = Nđc ηđc ηtđ - Vẽ đường η - Q: với Q, H, N đo ta tính η = η - Q N N hi = 9,81.Q.H 100 N vẽ đường 14/14