Tổng quan luận án
Nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí động lực tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội bởi nghiên cứu sinh Đỗ Hồng Vinh, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trương Việt Anh và TS. Đỗ Huy Cương vào năm 2021. Đề tài tập trung vào việc khảo sát sự biến thiên của đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực khi thay đổi góc đặt cánh công tác của máy bơm hướng trục có số vòng quay đặc trưng cao ($n_s = 1000 - 1200$ v/ph).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong hệ thống công trình thủy lợi phục vụ tưới tiêu tại Việt Nam, đặc biệt là các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và đồng bằng sông Cửu Long, trạm bơm động lực giữ vai trò chủ lực trong kiểm soát ngập úng và cấp thoát nước mùa lũ. Phần lớn các trạm bơm công suất lớn hiện hữu đang vận hành các tổ máy bơm hướng trục truyền thống có số vòng quay đặc trưng ở mức thấp và trung bình ($n_s = 500 - 900$ v/ph). Các tổ máy này có nhược điểm là kích thước buồng dẫn lớn, khối lượng kết cấu nặng, dẫn đến tổng mức đầu tư xây dựng công trình đầu mối và chi phí bảo trì cơ khí cao.
Việc chuyển hướng sang ứng dụng máy bơm hướng trục $n_s$ cao ($n_s > 1000$ v/ph) mang lại ưu thế rõ rệt nhờ khả năng thu gọn kích thước cụm máy bơm, giảm trọng lượng lắp ráp và tương thích với địa hình có cột nước thấp ($H = 1 - 2,5$ m). Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước trước đây về dòng bơm $n_s$ cao chỉ mới dừng lại ở việc khảo sát thực nghiệm các thông số hình học tĩnh của bánh công tác (như tỷ số đường kính bầu $d_b/D$, mật độ lưới cánh $L/T$, số lá cánh $Z$). Hiện tượng xâm thực và giải pháp mở rộng dải làm việc thông qua cơ cấu xoay cánh công tác trên dải $n_s = 1000 - 1200$ v/ph chưa được giải quyết đồng bộ cả về cơ sở lý thuyết, mô phỏng thủy lực lẫn kiểm chứng thực nghiệm chuyên sâu. Để điều chỉnh thông số cột áp và lưu lượng của bơm công suất lớn nhằm thích ứng với biến động mực nước, việc thay đổi góc xoay cánh là giải pháp khả thi hơn phương pháp thay đổi tốc độ quay của động cơ. Do đó, việc nghiên cứu định lượng ảnh hưởng của góc xoay cánh đến sự suy giảm hiệu suất và nguy cơ phát sinh xâm thực là yêu cầu kỹ thuật trực tiếp từ thực tế quản lý và chế tạo máy thủy khí.
Mục tiêu nghiên cứu
Tác giả xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- Nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số góc xoay cánh đến hiệu suất và đặc tính xâm thực của bơm hướng trục $n_s$ cao ($1000 - 1200$ v/ph).
- Đưa ra các khuyến cáo cho việc tính toán thiết kế và lựa chọn bơm cho khai thác vận hành các trạm bơm lớn sử dụng bơm $n_s$ cao.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Máy bơm hướng trục có số vòng quay đặc trưng cao trong phạm vi $n_s = 1000 - 1200$ v/ph.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Khảo sát các quy luật biến đổi thủy lực khi thay đổi góc xoay cánh công tác ($\Delta\alpha$) trong dải từ $-6^\circ$ đến $+6^\circ$ (các bước khảo sát gồm $-6^\circ, -3^\circ, 0^\circ, +3^\circ, +6^\circ$).
- Đối tượng thực nghiệm là mô hình bánh công tác buồng cầu có đường kính $D_{cầu} = 352$ mm hoạt động ở số vòng quay $n = 980$ v/ph tại hệ thống bệ thử nghiệm chuyên dụng của Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu ngoài nước
Vấn đề xâm thực và đặc tính thủy lực của máy cánh dẫn hướng trục đã được nhiều tác giả và tổ chức quốc tế công bố:
- Tại Liên Xô cũ: Các dòng bơm hướng trục cánh xoay kiểu OP (như OP6-145, OP2-110, OP5-110...) đã được gam hóa với dải $n_s$ từ 500 đến 900 v/ph. Tuy nhiên, các tài liệu chỉ cung cấp đường đặc tính tổng hợp không thứ nguyên hoàn chỉnh mà không trình bày chi tiết trình tự tính toán giải tích và phương pháp thực nghiệm xâm thực đi kèm.
- Nabil H. Mostafa và Mohamed Adel (2012): Sử dụng mã số Navier-Stokes (CFD-ACE+ 2008) kết hợp mô hình rối $k-\epsilon$ chuẩn và thực nghiệm quang học 3D để khảo sát hiện tượng xâm thực trên bơm hướng trục tại các góc đặt cánh 60°, 70° và 80°, ghi nhận hiện tượng xâm thực xuất hiện rõ rệt tại góc 60°.
- Phillipe Dupont (2005 - Nhóm CFD, Hãng bơm Sulzer Ltd, Thụy Sỹ): Xây dựng công cụ số rút gọn để tính toán dự báo sự phát triển của túi hơi xâm thực trong giai đoạn thiết kế bánh công tác máy bơm, đối chứng kết quả với dữ liệu thực nghiệm trên 5 mẫu bơm có tốc độ quay khác nhau.
- Masashi Fukaya, Tomoyoshi Okamura, Yoshiaki Tamura và Yoichiro Matsumoto (2003): Phát triển mã mô phỏng số kết hợp mô hình dòng bọt khí (bubble flow model) để dự đoán xác suất xâm thực, phân tích hành vi của đám mây bọt khí và xoáy xâm thực trong bơm hướng trục.
- Andrzej Blaszczyk, Adam Papierski, Radosaw Kunicki và Mariusz Susik (2012): Nghiên cứu sự hình thành xoáy bề mặt và biến động áp suất ở cửa vào của bơm hướng trục đặt đứng dùng làm mát tuabin nhiệt điện tại Ba Lan.
- K. Hosono, Y. Kajie, S. Saito và K. Miyagawa (2015): Ứng dụng camera tốc độ cao kết hợp phân tích CFD để làm rõ cơ chế suy giảm cột áp do ảnh hưởng của trị số NPSH thấp trong bơm hướng trục.
- Helmut Jaberg (2005): Khảo sát các điều kiện dòng chảy thủy lực trong thiết kế và vận hành máy bơm cánh dẫn cỡ lớn lưu lượng cao, cột áp thấp.
- Mohammad Taghi Shervani Tabar và Zahra Poursharifi (2011): Thực nghiệm quan sát hiện tượng xâm thực bọt xoáy tại khe hở đầu mút cánh và vỏ buồng bơm bằng thiết bị stroboscope, xác định vùng lưu lượng tới hạn phát sinh xoáy.
- Wen-Guang Li (2008 - Đại học Công nghệ Lan Châu): Đề xuất phương pháp hai bước nhằm tối ưu hóa thông số cột áp hút dương yêu cầu ($NPSHr$) của cánh bơm hướng trục, giúp giảm $NPSHr$ xuống 37,5% thông qua tối ưu hóa phân bố vận tốc tại đầu ra cánh.
Các hướng nghiên cứu trong nước
- TS. Phạm Văn Thu (2012 - Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi): Thiết kế và chế tạo mẫu bơm hướng trục ngang kiểu Capsule có $n_s = 1200$ v/ph, lưu lượng $5000 - 7000$ m³/h, cột áp dưới 2 m, đạt hiệu suất thủy lực xấp xỉ 75%.
- GS.TS. Lê Danh Liên, TS. Phạm Văn Thu, ThS. Kiều Tiến Mạnh (2014): Nghiên cứu mô hình trạm bơm hướng trục cột áp thấp, lưu lượng lớn nhằm giải quyết tình trạng cạn kiệt mực nước bể hút tại các trạm bơm hạ du lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình.
- Hà Trường Sang và Trương Việt Anh (2015): Mô phỏng số dòng chảy xâm thực trong thiết bị đẩy ống phun kiểu hướng trục.
- Các công trình nghiên cứu của các tác giả trong nước về dòng chảy bao quanh chân vịt tàu thủy sử dụng phương pháp phần tử biên (BEM), phương pháp RANS và LES để khảo sát kích thước túi hơi xâm thực cục bộ.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Các mẫu bơm $n_s > 1000$ v/ph chế tạo tại Việt Nam trước đây có hiệu suất vận hành không cao (thường chỉ xấp xỉ 70%) do chủ yếu phóng chuyển từ các đồ thị thiết kế của dòng bơm có $n_s < 1000$ v/ph. Luận án giải quyết khoảng trống về việc thiếu vắng một quy trình nghiên cứu tích hợp: từ thiết kế lý thuyết giải tích theo phương pháp Voznhexenxki - Pekin, mô phỏng số 3D khảo sát dòng chảy hai pha xâm thực bằng ANSYS CFX, đến thực nghiệm đo đạc trường thủy lực và quan sát xâm thực trực quan bằng đèn stroboscope qua cửa sổ kính buồng cánh cầu đối với dải góc xoay cánh biến thiên từ $-6^\circ$ đến $+6^\circ$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết
Luận án dựa trên ba nội dung lý thuyết thủy lực cơ học chất lỏng:
- Phương pháp Voznhexenxki - Pekin:
- Dùng để tính toán thiết kế cánh công tác và cánh hướng dòng. Đường nhân của các profil cánh tại các mặt cắt hình trụ đồng tâm được coi là các cung tròn mỏng vô cùng. Dòng chảy bao quanh được thay thế bằng hệ xoáy có mật độ phân bố $\gamma(s)$ trên đường nhân.
- Lưu số vận tốc trên phân tố đường nhân $ds$ xác định bằng: $$d\Gamma = (W_x - W_y) ds = \gamma(s) ds$$
- Lưu số tổng cộng theo chu tuyến profil: $$\Gamma = \oint (W_x - W_y) ds = \int_0^L \gamma(s) ds$$
- Hàm dòng tại điểm $M(t)$ trên đường nhân thỏa mãn phương trình tích phân: $$\psi(t) = \psi_0(t) + \frac{1}{2\pi} \int_0^L \gamma(s) \ln r(s,t) ds = \text{const}$$
- Điều kiện biên: $\psi(L) = 0$ tại mép sau và $\psi(0) = 0$ tại mép vào không va. Ảnh hưởng chiều dày thực tế được hiệu chỉnh bổ sung độ cong $\Delta \theta_0$: $$\Delta \theta_0 = 2 \arctan\left(\frac{c_{\max}}{L} \cdot \frac{2}{\bar{c}} \dots \right)$$
- Profil mẫu được lựa chọn để phủ độ dày là profin VIGM 420. Bảng tọa độ tương đối của profil VIGM 420 được áp dụng như sau:
| $X$ | 0,0 | 0,002 | 0,005 | 0,010 | 0,025 | 0,050 | 0,100 | 0,150 | 0,200 | 0,300 | 0,400 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $Y$ | 0,0 | 0,147 | 0,196 | 0,294 | 0,405 | 0,516 | 0,662 | 0,763 | 0,840 | 0,949 | 0,998 |
| $X$ | 0,450 | 0,500 | 0,600 | 0,700 | 0,800 | 0,900 | 0,950 | 0,970 | 0,990 | 1,00 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $Y$ | 1,00 | 0,982 | 0,895 | 0,756 | 0,560 | 0,342 | 0,220 | 0,168 | 0,092 | 0,00 |
-
Lý thuyết xác định tổn thất thủy lực:
- Cột áp thực tế được xác định từ cột áp lý thuyết trừ đi các thành phần tổn thất: $H = H_{lt} - h_{tt}$, với $h_{tt} = h_{ms} + h_{vd}$.
- Tổn thất ma sát profil $h_p$ được xác định thông qua hệ số lực cản $C_{xp}$ dựa trên phương pháp một thông số của Loixenski đối với lớp biên dòng chảy rối: $$C_{xp} = \frac{0,0306}{Re^{1/7}} \left( \frac{W_k}{W_2} \right)^{0,2} \left[ \int_0^1 \bar{W}^{3,8}(X) dX \right]^{6/7}$$
- Tổn thất qua khe hở đầu mút cánh $h_k$ do rò rỉ dòng và xoáy đỉnh cánh sinh ra: $$h_k = C_{xk} \left(\frac{L}{t}\right) \left(\frac{\rho}{2}\right) \frac{W^2}{\sin\beta}$$ với hệ số cản $C_{xk}$ phụ thuộc vào khe hở tương đối $\bar{\delta} = \delta / b$.
- Tổn thất va đập tại mép vào khi làm việc ngoài điểm thiết kế tính theo công thức Lomakin: $$h_{vd} = \frac{\zeta_{vd}}{2g} \left[ \frac{4}{\pi(D^2 - d^2) \tan\beta_1} \right]^2 (Q - Q_{TK})^2$$
-
Cơ sở lý thuyết xâm thực và điều kiện không xâm thực:
- Xâm thực phát sinh khi áp suất tĩnh cục bộ tại một điểm trên bề mặt cánh giảm xuống thấp hơn hoặc bằng áp suất bốc hơi bão hòa của chất lỏng ($p \le p_{bh}$).
- Đánh giá chất lượng xâm thực thông qua hệ số xâm thực Thoma $\sigma$: $$\sigma = \frac{p_1 - p_{bh}}{\frac{1}{2}\rho V_1^2}$$
- Điều kiện vận hành an toàn không xảy ra xâm thực là $\sigma > \sigma_{gh}$ hoặc $NPSHa > NPSHr$. Chiều cao hút cho phép đặt bơm được giới hạn bởi biểu thức: $$Z_h \le \frac{P_a - P_s}{\gamma} - \sum h_1 - \Delta h_{xt}$$
Phương pháp nghiên cứu thực tế
Luận án kết hợp 3 phương pháp bổ trợ lẫn nhau:
- Phương pháp giải tích lý thuyết: Xây dựng hệ phương trình tính toán thủy động, giải các tích phân hàm dòng để tìm góc đặt cánh và phân bố tam giác vận tốc.
- Phương pháp mô hình toán (Mô phỏng số CFD): Sử dụng phần mềm ANSYS CFX. Mô hình hình học 3D được thiết kế trên SolidWorks và xử lý miền dòng chảy trong DesignModeler. Chia lưới cấu trúc định hướng (hexahedral grid) cho ba miền tính toán riêng biệt: ống hút (suction), bánh công tác quay (rotor) và cánh hướng dòng tĩnh (stator). Áp dụng mô hình chảy rối hai phương trình và giải bài toán dòng chảy hai pha lỏng - hơi có xét chuyển pha xâm thực.
- Phương pháp thực nghiệm trên mô hình vật lý: Chế tạo mẫu bơm thử nghiệm buồng cầu $D_{cầu} = 352$ mm, lắp đặt vào bệ thử nghiệm vòng tuần hoàn hở của Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi. Tiến hành đo lưu lượng bằng ống đo chuẩn, đo cột áp bằng chênh lệch áp kế và chân không kế, đo công suất trên trục bằng cảm biến lực mô-men kết hợp đồng hồ vòng quay, quan sát vị trí và hình thái bóng hơi xâm thực bằng đèn tần số stroboscope qua nắp quan sát trong suốt bằng mica.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Bơm hướng trục và các vấn đề cần nghiên cứu
Chương 1 tổng hợp các đặc tính kỹ thuật cơ bản của bơm hướng trục, trong đó số vòng quay đặc trưng $n_s$ được xác định theo biểu thức: $$n_s = 3,65 \frac{n \sqrt{Q}}{H^{3/4}} \quad (\text{v/ph})$$
Dựa trên số vòng quay đặc trưng, máy bơm được phân loại theo dải $n_s$ như sau:
| TT | Loại máy bơm | Dải $n_s$ (v/ph) |
|---|---|---|
| 1 | Ly tâm $n_s$ thấp | 50 - 80 |
| 2 | Ly tâm $n_s$ trung bình | 80 - 150 |
| 3 | Ly tâm $n_s$ cao | 150 - 300 |
| 4 | Hướng chéo | 300 - 600 |
| 5 | Hướng trục | 600 - 1800 |
Trong phạm vi cột áp cực thấp ($H < 3,5$ m), các trạm bơm trên thế giới chủ yếu áp dụng mẫu bơm OP6 của Liên Xô cũ (điển hình là tổ máy OP6-145 tại các trạm Cổ Đam, Cốc Thành với lưu lượng đến 38.520 m³/h, công suất lớn). Tại Việt Nam, nhiều tổ máy bơm trục đứng như 24HTD-90, 30HTĐ-90, HTD-45 có hiệu suất tương đối thấp (thường dưới 65%), phần dẫn dòng chưa được tối ưu hóa thủy lực.
Tác giả chỉ ra rằng đối với các máy bơm cỡ lớn, việc thay đổi góc đặt cánh ($\Delta\alpha$) làm biến thiên thành phần vận tốc kinh tuyến $C_m$, dẫn đến thay đổi lưu lượng và dịch chuyển tam giác vận tốc tại lối ra của bánh công tác. Phương trình lưu lượng khi thay đổi góc đặt cánh được thiết lập: $$Q = C_m \cdot \frac{\pi}{4}(D^2 - d^2) \cdot \tan(\beta + \Delta\alpha)$$
Việc thay đổi góc xoay cánh làm thay đổi trực tiếp sự phân bố áp suất trên bề mặt profin, gây nguy cơ phát sinh xâm thực cục bộ tại các vị trí mép vào hoặc khe hở vành mòn.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 trình bày chi tiết thuật toán thiết kế biên dạng cánh công tác bơm hướng trục $n_s$ cao theo lý thuyết lưới profil mỏng phẳng của Voznhexenxki - Pekin. Từ điều kiện không tách dòng, góc ngoặt dòng chảy được xác định dựa trên quan hệ hàm dòng giữa bước lưới tương đối $T/L$ và góc đặt cánh $\beta_l$.
Chương này phân tích các dạng xâm thực cơ bản xảy ra trên máy cánh dẫn hướng trục, bao gồm:
- Xâm thực bọt (bubble cavitation) trên mặt lưng và mặt bụng cánh.
- Xâm thực dạng tấm (sheet cavitation) tại mép vào profil.
- Xâm thực dạng mây (cloud cavitation) do sự cuộn xoáy không ổn định.
- Xâm thực xoáy mút cánh (tip vortex cavitation) tại khe hở giữa đỉnh cánh và thành buồng vành mòn.
Tác giả xây dựng phương pháp xác định hệ số lưu lượng $K_Q$ và hệ số cột áp $K_H$ không thứ nguyên để biểu diễn đặc tính năng lượng tổng quát: $$K_H = \frac{gH}{n^2 D^2}; \quad K_Q = \frac{Q}{n D^3}$$ trong đó $n$ tính bằng vòng/giây (v/s), $H$ tính bằng mét (m), $D$ tính bằng mét (m).
Chương 3. Nghiên cứu bằng mô phỏng
Chương 3 trình bày các bước tính toán động lực học dòng chảy số (CFD) trên phần mềm ANSYS CFX:
- Thiết kế hình học: Tạo mô hình 3D cho hai phương án bánh công tác: phương án buồng hình trụ ($D = 340$ mm) và phương án buồng cánh cầu ($D_{cầu} = 352$ mm). Bộ cánh hướng dòng gồm các cánh tĩnh được định vị sau bánh công tác để khử xoáy dòng chảy.
- Tạo lưới và kiểm tra độ nhạy: Toàn bộ miền tính toán được chia lưới cấu trúc lục giác (structured mesh). Tác giả tiến hành kiểm tra tính độc lập của lưới để đảm bảo sai số giữa các mật độ lưới nằm trong ngưỡng cho phép trước khi lựa chọn lưới tính toán chính thức. Tiêu chuẩn hội tụ sai số bình phương trung bình (RMS) được đặt dưới $10^{-4}$.
- Phân tích kết quả tại các góc xoay cánh: Khảo sát trường dòng chảy tại 5 góc xoay: $-6^\circ, -3^\circ, 0^\circ, +3^\circ, +6^\circ$ (tương ứng với các Bảng 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9 trong luận án).
- Tại góc xoay $\Delta\alpha = 0^\circ$ (góc thiết kế), dòng chảy bao quanh cánh êm thuận, vùng áp suất thấp phân bố đều tại mép vào phía mặt lưng cánh.
- Khi xoay cánh về góc âm ($\Delta\alpha = -3^\circ, -6^\circ$), lưu lượng và cột áp giảm, xuất hiện hiện tượng tăng vận tốc cục bộ và giảm áp suất ở mặt bụng mép vào, làm tăng nguy cơ xâm thực dạng tấm tại mặt bụng.
- Khi xoay cánh về góc dương ($\Delta\alpha = +3^\circ, +6^\circ$), cột áp và lưu lượng tăng mạnh, gradien áp suất giữa mặt bụng và mặt lưng gia tăng đáng kể, dẫn đến xuất hiện các dải bọt khí xâm thực đậm đặc tại vùng đỉnh cánh sát vành mòn và phát triển xâm thực dạng xoáy mút cánh.
- Tác giả lập bảng so sánh sai số hiệu suất giữa phương pháp đồ thị giải tích và kết quả mô phỏng CFD (Bảng 3.10), đồng thời xây dựng bảng tổng hợp dự báo các vùng bị xâm thực và dạng xâm thực theo từng góc xoay cánh (Bảng 3.11).
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4 thực hiện việc kiểm chứng mô hình vật lý tại phòng thí nghiệm chuyên dụng:
- Chế tạo mẫu thử nghiệm: Chế tạo bánh công tác cánh xoay buồng cầu có đường kính $D_{cầu} = 352$ mm, cơ cấu xoay cánh cho phép định vị góc chính xác bằng chốt định vị. Vỏ buồng bánh công tác dạng bán cầu hai nửa bằng kim loại có bố trí các cửa quan sát bằng kính mica trong suốt.
- Hệ thống đo đạc: Sử dụng động cơ điện dẫn động bánh công tác ở số vòng quay ổn định $n = 980$ v/ph. Lưu lượng được kiểm soát thông qua hệ thống van điều tiết trên đường ống đẩy. Sử dụng đèn stroboscope đồng bộ tần số quay để "đóng băng" hình ảnh chuyển động của lá cánh nhằm quan sát vị trí hình thành bọt khí xâm thực bằng mắt thường và ghi hình quang học.
- Kết quả thực nghiệm thủy lực và xâm thực:
- Đo đạc và xây dựng các đường cong đặc tính làm việc đơn lẻ $H - Q$, $\eta - Q$, $N - Q$ tại các góc xoay cánh $-6^\circ, -3^\circ, 0^\circ, +3^\circ, +6^\circ$.
- Xây dựng hệ thống đường cong đặc tính tổng hợp $H - Q - \eta$ và đường đặc tính tổng hợp không thứ nguyên $K_H - K_Q$ cho gam bơm $n_s = 1200$ v/ph.
- Ghi nhận diễn biến xâm thực: Khi áp suất buồng hút hạ thấp, tại góc $0^\circ$ xâm thực xuất hiện chủ yếu ở mép vào mặt lưng cánh; tại góc $-3^\circ$ và $-6^\circ$ xuất hiện xâm thực mặt bụng; tại góc $+3^\circ$ và $+6^\circ$ hiện tượng xâm thực xoáy đỉnh cánh xảy ra với cường độ mạnh dọc theo khe hở buồng cầu.
- Tổng hợp số liệu vùng xâm thực thực nghiệm qua Bảng 4.1 và tính toán các giá trị hệ số cột áp tối ưu $K_{Htư}$ cùng hệ số xâm thực tới hạn $\sigma_{th}$ tương ứng tại từng góc xoay (Bảng 4.2).
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Xây dựng hoàn chỉnh đường đặc tính tổng hợp năng lượng và đường đặc tính tổng hợp không thứ nguyên ($K_H - K_Q$) cho gam bơm hướng trục có số vòng quay đặc trưng cao $n_s = 1200$ v/ph, bổ sung vào hệ thống dữ liệu thiết kế máy thủy lực cánh dẫn của Việt Nam.
- Làm rõ quy luật định lượng về sự thay đổi của trường vận tốc, trường áp suất và cơ chế hình thành các dạng xâm thực đặc thù (xâm thực mép vào, xâm thực mặt bụng, xâm thực xoáy khe hở mút cánh buồng cầu) dưới tác động của việc điều chỉnh góc xoay cánh công tác trong dải từ $-6^\circ$ đến $+6^\circ$.
- Xác lập mối tương quan giữa kết quả tính toán giải tích theo phương pháp Voznhexenxki - Pekin, mô phỏng số dòng chảy hai pha 3D (CFD) và dữ liệu thực nghiệm vật lý trên bơm buồng cầu $D_{cầu} = 352$ mm.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật
- Cung cấp mẫu bánh công tác buồng cầu hoàn chỉnh ($D_{cầu} = 352$ mm, $n_s = 1200$ v/ph) đã qua thử nghiệm thực tế, có thể làm mẫu chuẩn để phóng chuyển kích thước chế tạo các máy bơm hướng trục cỡ lớn cột nước thấp phục vụ tiêu thoát úng ngập vùng đồng bằng ven biển và tưới tiêu nông nghiệp.
- Đề xuất quy trình điều chỉnh góc đặt cánh phục vụ công tác quản lý và khai thác trạm bơm:
- Không nên vận hành bơm ở góc xoay âm quá lớn ($\Delta\alpha < -3^\circ$) do hiệu suất suy giảm nhanh và xuất hiện hiện tượng không ổn định dòng chảy ở mặt bụng cánh.
- Khi cần tăng lưu lượng ở góc xoay dương ($\Delta\alpha = +3^\circ, +6^\circ$), trạm bơm phải đảm bảo mực nước bể hút duy trì ở cao trình an toàn nhằm cung cấp đủ cột áp hút dự trữ, tránh tình trạng phá hủy do xâm thực khe hở đầu mút cánh.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Các thí nghiệm và mô phỏng được thực hiện trên mô hình bơm buồng cầu có đường kính xác định ($D_{cầu} = 352$ mm) ở số vòng quay $n = 980$ v/ph; chưa có điều kiện khảo sát thực tế trên nguyên mẫu kích thước thật tại hiện trường trạm bơm công nghiệp.
- Môi trường chất lỏng trong nghiên cứu được chuẩn hóa là nước sạch; chưa xét đến tác động đồng thời của các hạt mài mòn cơ học (phù sa, cát hạt mịn lơ lửng) và các tác nhân ăn mòn hóa học vốn phổ biến tại các vùng cửa sông ven biển Việt Nam.
- Dải góc xoay cánh khảo sát bị giới hạn trong phạm vi từ $-6^\circ$ đến $+6^\circ$, chưa khảo sát các góc xoay lớn hơn do kết cấu cơ khí của khớp cầu bánh công tác.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Triển khai nghiên cứu hiệu ứng tỷ lệ (scale effect) khi phóng chuyển từ mô hình phòng thí nghiệm ra tổ máy nguyên mẫu có đường kính bánh công tác trên 1 mét.
- Khảo sát bài toán tương tác đồng thời giữa hiện tượng xâm thực thủy lực và hiện tượng xói mòn do phù sa của dòng chảy sông ngòi lên bề mặt lá cánh công tác.
Giá trị tham khảo
Đối tượng thụ hưởng
- Học viên, nghiên cứu sinh và giảng viên: Phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu trong các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Máy Thủy khí và Kỹ thuật Thủy lợi.
- Kỹ sư và chuyên gia thiết kế: Làm tài liệu tham khảo tính toán tại các viện nghiên cứu chuyên ngành (Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi) và các nhà máy chế tạo cơ khí (Công ty Cổ phần Chế tạo Bơm Hải Dương).
- Cán bộ quản lý và vận hành trạm bơm: Giúp các kỹ sư trạm bơm xây dựng biểu đồ điều tiết góc cánh hợp lý theo mùa lũ và mùa kiệt, tối ưu hóa chi phí điện năng tiêu thụ và kéo dài tuổi thọ cụm bánh công tác.
Phần nội dung đáng tham khảo nhất
- Quy trình ứng dụng phương pháp giải tích Voznhexenxki - Pekin kết hợp bảng tọa độ mẫu VIGM 420 để thiết kế lá cánh bơm hướng trục tỷ tốc cao.
- Hệ thống đồ thị đặc tính tổng hợp không thứ nguyên $K_H - K_Q$ của gam bơm $n_s = 1200$ v/ph.
- Phương pháp bố trí cửa sổ mica trên vỏ buồng cầu hai nửa và kỹ thuật sử dụng đèn chớp stroboscope để nhận diện các dạng túi hơi xâm thực trong bệ thử nghiệm hở.
Câu hỏi thường gặp
1. Số vòng quay đặc trưng $n_s$ của máy bơm trong luận án được xác định theo công thức nào và bơm hướng trục thuộc dải nào?
Số vòng quay đặc trưng $n_s$ được xác định theo công thức:
$$n_s = 3,65 \frac{n \sqrt{Q}}{H^{3/4}} \quad (\text{v/ph})$$
trong đó $n$ tính bằng v/ph, $Q$ tính bằng m³/s, $H$ tính bằng m. Theo bảng phân loại máy bơm trong luận án, bơm hướng trục có $n_s$ nằm trong dải từ 600 đến 1800 v/ph; đề tài tập trung vào dải $n_s$ cao từ 1000 đến 1200 v/ph.
2. Luận án lựa chọn phương pháp giải tích nào để thiết kế cánh bơm và dùng biên dạng mẫu nào?
Tác giả lựa chọn phương pháp Voznhexenxki - Pekin, trong đó đường nhân của profil là các cung tròn mỏng vô cùng được thay thế bằng phân bố xoáy $\gamma(s)$. Để tạo chiều dày thực tế cho profil cánh, tác giả sử dụng quy luật phân bố độ dày của biên dạng mẫu VIGM 420.
3. Luận án khảo sát biến thiên của góc xoay cánh công tác tại những giá trị cụ thể nào?
Luận án tiến hành mô phỏng số và thí nghiệm thực nghiệm tại 5 giá trị góc xoay cánh công tác: $-6^\circ, -3^\circ, 0^\circ, +3^\circ, +6^\circ$, trong đó góc $0^\circ$ tương ứng với góc đặt cánh tại chế độ thiết kế ban đầu.
4. Kích thước hình học của mẫu bơm mô hình dùng trong nghiên cứu thực nghiệm là bao nhiêu?
Bơm mô hình dùng trong thực nghiệm có bánh công tác dạng buồng cầu với đường kính $D_{cầu} = 352$ mm, thử nghiệm ở số vòng quay ổn định $n = 980$ v/ph trên hệ thống thí nghiệm của Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi.
5. Hiện tượng xâm thực được quan sát trực tiếp trong thực nghiệm bằng thiết bị và phương thức nào?
Hiện tượng xâm thực được quan sát qua các cửa sổ bằng kính mica bố trí trực tiếp trên vỏ vành mòn dạng buồng cầu hai nửa của máy bơm. Tác giả sử dụng đèn tần số stroboscope phát xung chớp đồng bộ với tốc độ quay của trục bơm để quan sát hình thái và vị trí xuất hiện của bọt khí xâm thực.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Đỗ Hồng Vinh đã giải quyết trọn vẹn bài toán xác định ảnh hưởng của góc xoay cánh công tác (từ $-6^\circ$ đến $+6^\circ$) lên hiệu suất năng lượng và đặc tính xâm thực của bơm hướng trục có số vòng quay đặc trưng cao ($n_s = 1000 - 1200$ v/ph). Bằng việc kết hợp phương pháp thiết kế giải tích Voznhexenxki - Pekin, mô phỏng số dòng hai pha trên ANSYS CFX và thực nghiệm buồng cầu $D_{cầu} = 352$ mm tại Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi, công trình đã xây dựng thành công đường đặc tính tổng hợp không thứ nguyên $K_H - K_Q$ cho gam bơm $n_s = 1200$ v/ph. Các kết quả và khuyến cáo kỹ thuật của luận án cung cấp cơ sở tin cậy cho công tác thiết kế chế tạo nội địa hóa và điều hành vận hành an toàn các trạm bơm tiêu thoát nước cột nước thấp quy mô lớn tại Việt Nam.