Máy bơm và trạm bơm - Chương 1: Lý thuyết cơ bản về máy bơm

www.tainguyennuoc.vn 5 MÁY BƠM VÀ TRẠM BƠM Chương 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MÁY BƠM I- Nguyên lý cơ bản của máy bơm cấp nước Nguyên lý làm việc của máy bơm cấp nước là dựa trên cơ sở hút và đẩy chất lỏng. Bơm là một loại máy có thể biến cơ năng nhận được từ động cơ thành năng lượng chuyển động của dòng chất lỏng. Máy bơm cần nhiều năng lượng nhất trong các thiết bị của hệ thống cấp nước, chi phí quản lý cho máy bơm chiếm tỉ lệ lớn trong tổng kinh phí cho việc vận hành một hệ thống cấp nước. II- Định luật đồng dạng. Sự chuyển động của chất lỏng trên bánh xe công tác (b.x.c.t) ở trong buồng bơm của máy bơm không những tùy thuộc vào hình dạng, kích thước của các bộ phận dẫn dòng, mà còn phụ thuộc vào độ nhám của thành dẫn , độ nhớt của bản thân chất lỏng và động năng truyền tải lên chất lỏng. Do vậy ở đây có sự tác động cả về mặt hình học lẫn động học và động lực học. A. Sự đồng dạng về hình học. Là sự tỉ lệ giữa các kích thước tương ứng của 2 loại máy bơm : máy bơm mẫu (thí nghiệm) và máy bơm thực tế. T T T e M M M D B L= = = i = C onst (1.1) D B L Trong đó: DT, BT, LT - là đường kính, bề rộng, chiều dài b.x.c.t máy bơm thực DM, BM, LM - là đường kính, bề rộng, chiều dài b.x.c.t máy bơm mẫu ie - là hệ số tỉ lệ một chiều B. Sự đồng dạng về động học. Hai hệ thống máy bơm đồng dạng nhau nếu chế độ chảy của chúng như nhau. Hay nói cách khác nếu các thông số đặc trưng cho quá trình chuyển động như Raynol, Frut, Strukhan của hai hệ thống máy bơm như nhau thì chúng đồng dạng nhau về động học, nghĩa là: ReT=ReM FrT =FrM (1.2) ShT =ShM Trong đó: Re - Hệ số Raynol đặc trưng cho sự ch/động của nước dưới tác dụng của lực nhớt Fr - Hệ số Frut đặc trưng cho sự ch/động của nước chịu tác dụng của trọng lực là chính. Sh - Hệ số Strukhan đặc trưng cho sự ch/động của nước dưới tác dụng của lực quán tính. www.tainguyennuoc.vn 6 C. Sự đồng dạng về động lực học. Đó là tỉ lệ giữa các lực tác dụng lên bộ phận tương ứng của máy bơm mẫu và máy bơm thực. - Quan hệ về áp lực: 2 2 2 2T T T D n M M M H D n= . = i .i (1 .3 ) H D n             - Quan hệ về lưu lượng: 3 3T T T D n M M M Q D n= . = i .i (1 .4 ) Q D n             - Quan hệ về công suất: 5 3 5 3T T T D n M M M N D n= . = i .i (1 .5 ) N D n             Trong đó: TD M D i D  - Hệ số tỉ lệ về kích thước một chiều (đường kính) T n M n i n  - Hệ số tỉ lệ về số vòng quay hay tốc độ quay của b.x.c.t III- Hệ số tỉ tốc (số vòng quay đơn vị) 1. Định nghĩa : Hệ số tỉ tốc (ns) của bánh xe công tác là số vòng quay của bánh xe công tác mô hình tương tự với bánh xe công tác của máy bơm ta đang xét nhưng với bánh xe mô hình đó có : Lưu lượng là Qs = 1 (m3/s) và Cột áp là Hs=1m 2. Công thức tính : s 3 4 n . Q n = (1 .6 ) H Trong đó: n - là số vòng quay của bơm đang xét (v/ph) Q - là lưu lượng của máy bơm đang xét ứng với điểm làm việc có hiệu suất lớn nhất, đơn vị (m3/s) . Nếu máy bơm có hai cửa nước vào: 2 bQQ  . H - là áp lực của bơm đang xét ứng với điểm làm việc có hiệu suất lớn nhất (m) . Nếu máy bơm có nhiều b.x.c.t thì ( )bHH m x  , với x là số bánh xe công tác của bơm 3. Các công thức tương đương : Hệ số tỷ tốc ở công thức (5) có thứ nguyên phụ thuộc vào thứ nguyên của n, Q, H Hệ số tỷ tốc không có thứ nguyên ký hiệu là /sn cũng là một đại lượng được sử dụng rộng rãi: /s 3 4 333.n . Qn = (1 .7 ) (g .H ) www.tainguyennuoc.vn 7 Trong đó : n - tính bằng (vòng/giây), g- là gia tốc trọng trường= 9,81m/s2 Nếu n - tính bằng (vòng/phút) thì: / s 3 4 5 , 55.n. Qn = (1 .8) (g.H ) Hệ số tỉ tốc là một thông số tổng hợp đặc trưng cho bánh xe công tác của máy bơm. Người ta dựa vào ns để có thể xác định được đặc tính của máy bơm. 4. Các kiểu bánh xe công tác tương ứng với hệ số Tỷ tốc nS 5. Ý nghĩa của hệ số tỷ tốc a) Từ công thức (6) nhận thấy: - Máy bơm có trị số ns nhỏ thì lưu lượng nhỏ và cột áp lớn - Máy bơm có trị số ns lớn thì lưu lượng lớn và cột áp nhỏ - Máy bơm có lưu lượng và cột áp bơm bằng nhau thì máy bơm nào có trị số ns lớn hơn sẽ có kích thước nhỏ hơn và chi phí sẽ thấp hơn b) Từ bảng phân loại nhận thấy: - Nếu trị số ns nhỏ đi thì chiều rộng của cánh dẫn và đường kính ngoài của b.x.c.t sẽ hẹp đi và ngược lại - Nếu trị số ns lớn hơn, kiểu bơm sẽ chuyển thành bơm có kiểu hướng trục - Hệ số tỷ tốc càng cao càng có khả năng giảm nhỏ kích thước máy bơm và giá thành chế tạo nhưng lại dẫn đến việc giảm chiều cao hút của máy bơm. c) Khi thay đổi đường kính b.x.c.t bằng cách gọt cần lưu ý: - Khi chế tạo b.x.c.t phải cân bằng khi quay. Vì vậy b.x.c.t được gia công lại cũng phải đảm bảo yêu cầu này. ns www.tainguyennuoc.vn 8 IV- Luật quan hệ tương tự trong một bơm Ngoài những ứng dụng nêu trên, luật tương tự còn được ứng dụng trong thực tế sử dụng bơm ly tâm để nghiên cứu quan hệ tương tự trong một máy bơm. Quan hệ giữa tốc độ quay n (hoặc D, ) với các thông số làm việc khác của máy bơm Q, H, N khi n (hoặc D, ) thay đổi. * Quan hệ giữa các thông số Q, H, N . Quan hệ giữa Q, H, N khi thay đổi các thông số khác (n, D, ) được thể hiện trong bảng sau còn gọi là quan hệ tỷ lệ trong một bơm Quan hệ tương tự trong một bơm ly tâm Thông số Khi thay đổi n Khi thay đổi D Khi thay đổi  Khi thay đổ n,D,  Q 1 1 Q n= Q n       2 1 1 Q D= Q D       1Q = Q 2 1 1 1 Q n D= . Q n D             H 2 1 1 H n= H n       2 1 1 H D= H D       1 1 H P= H P 2 2 1 1 1 1 H n D P= . . H n D P             N 3 1 1 N n= N n       4 1 1 N D= N D       1 1 N P N P  3 4 1 1 1 1 N n D P= . . N n D P             V- Đường biểu diễn chế độ làm việc tương tự Từ các quan hệ tương tự ở bảng trên ta có : 2 1 1 H Q = (1.9) H Q       hay : 1 2 2 1 HH = = k = const (1.10) Q Q Khi bơm làm việc ở chế độ tương tự thì hiệu suất coi như không đổi nên đường biểu diễn các điểm làm việc ở chế độ làm việc tương tự gọi là đường cùng hiệu quả. Các điểm làm việc ở chế dộ tương tự www.tainguyennuoc.vn 9 Chương 2: CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MÁY BƠM I- Lưu lượng Định nghĩa : Lưu lượng của máy bơm cấp nước là lượng chất lỏng do máy bơm cấp được trong một đơn vị thời gian. Kí hiệu là : Q Thứ nguyên : Đơn vị thể tích Tức là: (m3/h), (m3/s), (l/ph) hoặc (l/s). Đơn vị thời gian II- Cột áp Định nghĩa : Cột áp của máy bơm là độ gia tăng năng lượng mà một đơn vị trọng lượng chất lỏng nhận được từ khi vào cho đến khi ra khỏi máy bơm. Ký hiệu : H Thứ nguyên : m Công thức xác định : H = Er – Ev (2.1) Theo định nghĩa ở trên thì : 2 r r r r r P α .V E = + + Z (2.2) γ.g 2.g và 2 v v v v v P α .V E = + + Z (2.3) γ.g 2.g Trong đó : Er, Ev - năng lượng đơn vị của chất lỏng khi ra và khi vào máy bơm (m). v , r - là hệ số vận tốc dòng chảy khi vào và khi ra khỏi máy bơm pr, Vr, Zr - là áp suất, vận tốc và cao độ dòng chảy khi ra khỏi máy bơm. pv, Vv, Zv - là áp suất, vận tốc và cao độ dòng chảy khi vào máy bơm.  - là khối lượng riêng của chất lỏng bơm (kg/m3) g - là gia tốc trọng trường (m/s2) Như vậy cột áp của bơm (bao gồm 2 thành phần : thế năng và động năng) sẽ là: 2 2 r v r r v v r v P - P α .V - α .V H = + Z - Z + (2.4) γ.g 2.g Thành phần thế năng gọi là cột áp tĩnh: Ht r v t r v P - P H = + Z - Z (2.5) γ.g Thành phần động năng gọi là cột áp động: Hđ 2 2 r r v v d α .V - α .V H = (2.6) 2.g Cột áp toàn phần của máy bơm là : H = Ht + Hđ (m) (2.7) Sơ đồ xác định cột áp của bơm www.tainguyennuoc.vn 10 III- Công suất A. Công suất hữu ích của máy bơm Định nghĩa : Toàn bộ độ gia tăng năng lượng mà dòng chảy nhận được khi đi qua máy bơm trong một đơn vị thời gian gọi là Công suất hữu ích Ký hiệu : Ph Theo định nghĩa trên công suất hữu ích được xác định bằng công thức: h g.Q.H γ.g.Q.H = G.H(kGm/s) = (kW) = (kW) (2.8) 102 1000 P Trong đó : H - là cột áp toàn phần của máy bơm (m) G - là lưu lượng trọng lượng (kG/s) Q - là lưu lượng thể tích của máy bơm (m3/s)  - là trọng lượng riêng của chất lỏng (kG/m3) (với nước sạch từ 5-400C, =1000kG/m3) g - là gia tốc trọng trường (m/s2) B. Công suất trên trục của máy bơm Định nghĩa : Toàn bộ năng lượng mà phần đầu bơm tiêu thụ để máy bơm bơm được dòng chất lỏng là Q và đạt được cột áp toàn phần là H gọi là Công suất trên trục Ký hiệu : P2 Theo định ngĩa trên công suất hữu ích được xác định bằng công thức: 2 γ.Q.H γ.g.Q.H P = (kW) = (kW) (2.9) 102.η 1000.η Trong đó :  - là hiệu suất của máy bơm (%); g- là gia tốc trọng trường (m/s2) H - là cột áp toàn phần của máy bơm (m) Q - là lưu lượng của máy bơm (m3/s)  - là trọng lượng riêng của chất lỏng bơm (kG/m3) C. Hiệu suất máy bơm Máy bơm nhận được từ bên ngoài công suất trên trục máy bơm P2, nhưng một phần công suất này bị tiêu hao trong lúc máy bơm chuyển động, phần còn lại là công suất hiệu quả Ph trực tiếp truyền cho chất lỏng bơm. Định nghĩa : Hiệu suất của máy bơm là tỷ số giữa công suất hữu ích và công suất trên trục của máy bơm Công thức tính toán : h 2 η = .100 (%) (2.10) P P D. Điện năng tiêu thụ của máy bơm Công suất của động cơ dẫn động: P2đc = K.P2 (kW) (2.11) Điện năng tiêu thụ của máy bơm : 2dc1dc dc P T P = (kW/h) (2.12) η Trong đó : đc - là hiệu suất của động cơ (%) P2dc - là công suất trên trục của động cơ (kW) T - là thời gian máy bơm hoạt động (giờ) K - là hệ số dữ trữ công suất (K=1, 05 - 1,5 Công suất lớn lấy K nhỏ) www.tainguyennuoc.vn 11 IV- Tốc độ quay của máy bơm Định nghĩa : Tốc độ vòng quay là số vòng quay trên trục của máy bơm trong một đơn vị thời gian Kí hiệu: n Đơn vị: vòng/phút Tốc độ quay càng cao thì động cơ có thể nhỏ đi, chi phí hạ thấp. Nhưng phải đảm bảo tốc độ có giá trị không xảy ra hiện tượng xâm thực trên bánh xe công tác và trong buồng bơm. Tốc độ quay của động cơ khi nối với máy bơm phải đáp ứng các điều kiện sau: 1. Hệ số trượt N - Công suất biểu kiến (kW) s - Hệ số trượt (giá trị gần đúng) 100 3 – 5 > 100 1 – 3 2. Tốc độ đồng bộ (đối với động cơ 3 pha) Tần số Số lưỡng cực 50 Hz 60 Hz 2 4 6 8 3.000 (vòng/phút) 1.500 (vòng/phút) 1.000 (vòng/phút) 750 (vòng/phút) 3.600 (vòng/phút) 1.800 (vòng/phút) 1.200 (vòng/phút) 900 (vòng/phút) Tốc độ quay thực của bơm luôn  Tốc độ quay lý thuyết : n  nlt Tốc độ quay đồng bộ = 120 X Tần số Số lưỡng cực của động cơ V- Đường kính của máy bơm 1. Khái niệm : Kích thước của bơm được biểu thị theo đường kính của nó: - Đối với bơm trục đứng, bơm chìm đó là đường kính cửa đẩy, - Còn với các loại máy bơm khác đó là đường kính cửa hút. 2. Công thức : Đường kính của bơm được xác định theo công thức sau: Q D = 145 (mm) (2.13) v Trong đó: D: Đường kính bơm (mm) Q: Lưu lượng bơm (m3/s) v: Vận tốc dòng chảy tại cửa hút hoặc cửa xả (m/s) www.tainguyennuoc.vn 12 VI- Đường đặc tính của bơm Các thông số lưu lượng (Q), cột áp (H), công suất (N) và hiệu suất () thay đổi theo các chế độ làm việc của bơm với số vòng quay (n) không đổi hoặc thay đổi. Các quan hệ H = f1(Q), N = f2(Q),  = f3(Q) biểu thị đặc tính làm việc của bơm, được biểu diễn dưới dạng giải tích gọi là các phương trình đặc tính hoặc biểu diễn bằng các đồ thị gọi là các đường đặc tính của bơm. Trong thực tế kỹ thuật thường dùng các đường đặc tính. Các đường đặc tính được xây dựng nên từ các số liệu tính toán gọi là đường đặc tính lý thuyết, nếu xây dựng từ các giá trị đo được qua thí nghiệm gọi là đường đặc tính thực nghiệm. Các đường đặc tính ứng với số vòng quay làm việc không đổi (n=const) gọi là đường đặc tính làm việc và ứng với nhiều số vòng quay khác nhau (n=var) gọi là đường đặc tính tổng hợp. Trong 3 đường đặc tính: cột áp, công suất, hiệu suất. Quan trọng hơn là đường cột áp H = f1(Q) nó cho biết khả năng làm việc của bơm nên còn gọi là đường đặc tính cơ bản. Từ đường đặc tính cơ bản H = f1(Q) bằng tính toán có thể suy ra các đường đặc tính N = f2(Q) và  = f3(Q). Qua các đường đặc tính có thể biết được một cách tổng quát các đặc tính làm việc của bơm, cho phép mở rộng phạm vi làm việc và sử dụng hợp lý các chế độ làm việc khác nhau của bơm. Hình dạng các đường đặc tính thực nghiệm phụ thuộc vào từng loại bơm, thông thường có ba dạng sau đây : Dạng dốc đứng (đường 1) - Đường đặc tính ổn định Dạng dốc vừa (đường 2) Dạng lồi (đường 3) - Đường đặc tính không ổn định. Bởi vì ứng với mỗi giá trị cột áp H có thể có hai trị số lưu lượng. Các dạng đường đặc tính của bơm ly tâm 1- Đường đặc tính thoải; 2- Đường đặc tính dốc; 3- Đường đặc tính lồi www.tainguyennuoc.vn 13 Chương 3: PHÂN LOẠI VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG CỦA BƠM I- Phân loại máy bơm Máy bơm có thể phân loại theo nhiều cách. Thông dụng nhất là phân loại theo cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy bơm. 1. Bơm cánh Bộ phận làm việc chính của bơm là bánh xe công tác có các cánh dẫn dòng, nó là bộ phận chủ yếu để trao đổi năng lượng với chất lỏng. Loại bơm này gồm: Bơm ly tâm, bơm hướng trục, bơm xoáy. 2. Bơm thể tích Việc trao đổi năng lượng với chất lỏng được tiến hành theo nguyên1ý nén chất lỏng trong một thể tích kín dưới một áp suất thủy tĩnh. Loại bơm này gồm: Bơm pit tông, bơm trục vít, bơm rôto cánh trượt. 3. Bơm phun tia Loại bơm này không có chi tiết chuyển động. Việc truyền năng lượng cho chất lỏng được thực hiện nhờ một dòng chất lỏng (hoặc khí) khác có năng lượng cao hơn. 4. Bơm khí ép Loại bơm này cũng không có chi tiết chuyển động. Bơm làm việc dựa trên nguyên tắc bình thông nhau. 5. Bơm nước va Lợi dụng năng lượng nước va để vận chuyển chất lỏng. 6. Bơm chân không Cũng thuộc loại bơm thể tích nhưng làm việc theo nguyên lý thay đổi áp suất. II- Phạm vi sử dụng các loại máy bơm Bơm pittông thường được sử dụng với cột áp cao và lưu lượng nhỏ. Bơm rôto, trục vít, răng khía khó chế tạo ổ trục, sử dụng với cột áp < 300m. Bơm cánh có kết cấu gọn nhẹ nên được dùng rộng rãi với cột áp thấp và lưu lượng trung bình đến rất lớn. Phạm vi sử dụng các kiểu bơm được thể hiện cụ thể trên đồ thị (hình 03) trong tọa độ Logarit Q-H www.tainguyennuoc.vn 14 Khu vực sử dụng các loại bơm khác nhau