MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, dưới ảnh hưởng của biến đổi khí hậu,
nhu cầu tưới tiêu cho nông nghiệp và thủy lợi, đặc biệt là nhu cầu tiêu
thoát nước lũ vào mùa mưa bão khơng ngừng tăng lên. Nhiều trạm
bơm có lưu lượng và công suất lớn đã và đang được xây dựng để đáp
ứng nhu cầu đó. Hầu hết các trạm bơm lớn này được đầu tư xây dựng
với việc sử dụng các loại bơm truyền thống, mà chủ yếu là các loại
bơm hướng trục có số vịng quay đặc trưng (ns) vừa và thấp (ns=500900 v/ph). Với việc sử dụng bơm hướng trục ns cao (ns >1000 v/ph)
vào các trạm bơm lớn này, chi phí đầu tư xây dựng và chi phí vận hành
khai thác có thể giảm đánh kể so với việc sử dụng bơm hướng trục ns
thấp nhờ ưu thế về kích thước và khối lượng tổ máy bơm ns cao rất
nhỏ gọn (khối lượng nhỏ hơn nhiều so với kiểu truyền thống), tuổi thọ
và độ bền cao. Bên cạnh các ưu điểm đó, bơm hướng trục ns cao cịn
phù hợp với các địa bàn có cột nước địa hình thấp và trung bình của
hầu hết các tỉnh thành đồng bằng ven biển nước ta, đặc biệt là khu vực
đồng bằng sơng Cửu Long. Qua đó có thể khẳng định, việc xây dựng
các trạm bơm điện công suất lớn với việc sử dụng máy bơm hướng
trục ns cao sẽ đem lại hiệu quả kinh tế to lớn và lâu dài, rất phù hợp
với điều kiện Việt Nam.
Từ các đặc điểm về phạm vi ứng dụng và các thông số của bơm
hướng trục cột nước thấp cùng với thực tiễn nghiên cứu trong những
năm qua đã chỉ ra rằng nhiệm vụ cơ bản của việc nghiên cứu mở rộng
vùng làm việc của bơm hướng trục cột nước thấp là xây dựng được
mơ hình bơm có ns cao tức là tăng số vịng quay và tăng khả năng thốt
mà vẫn đảm bảo bơm có khả năng chống xâm thực tốt và có hiệu suất
cao. Hiện tại, chúng ta đã có một số nghiên cứu về bơm hướng trục ns
cao, trong đó dài ns1200v/ph được nghiên cứu nhiều nhất và có nhiều
kết quả có thể ứng dụng vào thực tiễn. Các nghiên cứu về bơm hướng
trục ns 1200v/ph có các đề tài nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực
nghiệm với nội dung chủ yếu là: đánh giá ảnh hưởng của các thơng số

hình học (tỷ số bầu db/D, mật độ lưới cánh l/t, số là cánh Z…) của
bánh công tác tới đặc tính làm việc và hiệu suất của bơm. Tuy nhiên,
về mặt xâm thực, chúng ta chưa có nghiên cứu chuyên sâu cả về lý
thuyết lẫn thực nghiệm. Việc nghiên cứu mở rộng vùng làm việc cho
bơm hướng trục ns cao cũng chưa được đề cập đến.
1


Để mở rộng phạm vi làm việc cho một máy bơm hướng trục,
chúng ta có hai phương pháp cơ bản: điều chỉnh số vịng quay và xoay
góc đặt cánh. Với các bơm hướng trục cơng suất lớn thì việc thay đổi
góc đặt cánh (xoay cánh) là phổ biến vì việc thay đổi số vịng quay
gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật và bị hạn chế về cơng suất. Như vậy
có thể thấy rằng việc nghiên cứu mở rộng phạm vi làm việc cho bơm
hướng trục ns cao bằng phương pháp xoay cánh là nhu cầu hết sức cấp
thiết hiện nay. Để mở rộng phạm vi làm việc bằng xoay cánh có hiệu
quả, cần nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh đến các thông số
làm việc của bơm như cột áp, lưu lượng, hiệu suất và chiều cao hút
của bơm … , từ đó đưa ra được các khuyến cáo cần thiết để giúp cho
nhà thiết kế chọn được điểm thiết kế tối ưu nhất cũng như giúp cho
nhà quản lý chọn được góc xoay cánh phù hợp để đảm bảo bơm vận
hành hiệu quả nhất.
Chính vì vậy, luận án này đã chọn lĩnh vực “Nghiên cứu ảnh
hưởng của góc xoay cánh cơng tác lên đặc tính xâm thực và hiệu suất
thủy lực của bơm hướng trục với ns cao (1000-1200 v/ph)” làm nội
dung nghiên cứu cơ bản.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng của thơng số góc xoay
cánh đến hiệu suất và đặc tính xâm thực của bơm hướng trục ns cao

(1000 – 1200 v/ph).
- Đưa ra các khuyến cáo cho việc tính tốn thiết kế và lựa chọn
bơm cho khai thác vận hành các trạm bơm lớn sử dụng bơm ns cao.
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Bơm hướng trục có số vịng quay đặc trưng ns cao (1000-1200
v/ph).
- Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh cơng tác lên đặc tính
xâm thực và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns cao (10001200 v/ph).
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Xây dựng được đặc tính làm việc tổng hợp và đặc tính tổng hợp
khơng thứ nguyên của gam bơm hướng trục ns1200v/ph, bổ sung vào
dãy gam bơm hướng trục được thiết kế, sản xuất ở nước ta đáp ứng
được nhu cầu cấp thiết hiện nay.
2


- Cung cấp các kết quả nghiên cứu khảo sát về trường dòng chảy
trong bơm hướng trục ns cao, bổ sung cho khoa học cơ bản trong lĩnh
vực bơm hướng trục nói chung và bơm hướng trục ns cao nói riêng.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Mơ hình bơm hướng trục ns = 1200 v/ph được chế tạo sẽ đáp
ứng được nhu cầu bơm nước tưới tiêu cho điều kiện cột nước địa hình
thấp và lưu lượng lớn.
- Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng để xây dựng qui trình
vận hành với việc xác định vùng làm việc tối ưu của bơm khi mở rộng
phạm vi làm việc bằng xoay cánh cũng như tham khảo để thiết kế tính
tốn thiết kế bơm hướng trục ns cao.
4. Bố cục của Luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận với tổng

số 117 trang (chưa kể phần phụ lục), 16 bảng, 107 hình vẽ và đồ thị
cùng 33 tài liệu tham khảo.
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Bơm hướng trục và các vấn đề cần nghiên cứu
- Về thiết kế
- Về công nghệ
- Về hiệu quả kinh tế - xã hội
1.2. Tổng quan các nghiên cứu về ảnh hưởng của góc xoay cánh
đến đặc tính năng lượng và xâm thực trong bơm hướng trục.
Phần nghiên cứu xoay cánh và có cơ sở lý thuyết rõ ràng là phần
ảnh hưởng góc xoay cánh đến đặc tính năng lượng. Với phần đặc tính
xâm thực thì các nghiên cứu này vẫn mang tính chất bó hẹp trong phạm
vi từng mẫu cánh riêng biệt, chưa tổng quát hóa và nâng tầm lên thành
lý thuyết với một lộ trình nghiên cứu rõ ràng. Mặt khác, việc nghiên
cứu ảnh hưởng của góc xoay đến đặc tính làm việc có thể được thực
hiện dễ dàng trong các hệ thống thí nghiệm thơng thường. Nhưng đối
với nghiên cứu xâm thực thì cần phải có các hệ thống thí nghiệm và
thiết bị đo đạc hiện đại hơn nhiều. Đây cũng là một khó khăn khiến
cho các kết quả nghiên cứu về xâm thực bị hạn chế.
1.3. Vấn đề nghiên cứu của luận án.
- Vấn đề thủy lực
- Vấn đề năng lượng
- Vấn đề thiết kế thủy lực tối ưu
3


1.4. Nội dung cơ bản của luận án
1/ Nghiên cứu cơ sở tính tốn lý thuyết
2/ Nghiên cứu thiết kế và lựa chọn mẫu bơm với ns cao và khảo
sát đánh giá bằng mô phỏng

3/ Nghiên cứu ảnh hưởng của góc đặt cánh đến đặc tính xâm thực
và hiệu suất của bơm hướng trục bằng mơ phỏng
4/ Nghiên cứu thí nghiệm
5/ Kết luận và kiến nghị
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NC
2.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.1. Cơ sở lý thuyết thiết kế cánh bơm hướng trục theo phương pháp
Vôzơnhexenski - Pêkin.
2.1.2. Cơ sở lý thuyết để xây dựng đặc tính năng lượng và ảnh hưởng
của góc xoay cánh
2.1.3. Cơ sở lý thuyết sự hình thành xâm thực trong bơm hướng trục
và ảnh hưởng của góc xoay cánh đến đặc tính xâm thực
Để đánh giá chất lượng xâm thực của máy bơm nói chung, người
ta dùng hệ số xâm thực Thomat:
(2-44)

𝜎 =

Điều kiện để xuất hiện xâm thực trong bơm là: 1  gh (2-45)
Đồ thị xác định gh theo KHtư:
σth

(l/t)min

4

1.4

3.5


1.2

(l/t)min
σth

3

1

2.5

0.8

2

0.6

1.5

0.4

1

0.2

0.5
0

0.05


0.1

0.15

0.2

0.25

0
( KH)tu 0.3

Hình 2-24. Đồ thị (L/T)D=f(KHtư) và gh=f(KHtư)
2.2. Phương pháp nghiên cứu.
2.2.1. Nghiên cứu lý thuyết
Tác giả chọn và sử dụng phương pháp Vonznhexenski - Pekin để
thiết kế cánh mẫu thử nghiệm cho bơm mơ hình. Đây là phương pháp
4


có độ phức tạp ở mức trung bình, được dùng phổ biến trong ngành chế
tạo bơm.
2.2.2. Nghiên cứu trên mô hình tốn.
Sử dụng phần mềm Ansys CFX để mơ phỏng, kiểm tra chất lượng
thủy lực của bơm mơ hình. Trình tự tính tốn trong Ansys Flow (CFX)
như trong sơ đồ sau:

2.2.3. Nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình vật lý
Thực hiện trên giá thí nghiệm của Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi

2.2.4. Lựa chọn mơ hình bơm cho nghiên cứu.

Để phù hợp với giá thí nghiệm đã có sẵn, bơm mơ hình phục vụ
cho nghiên cứu thực nghiệm là bơm hướng trục ngang có dải ns=10001200v/p. Mặt ngồi của bánh cơng tác là mặt cầu có đường kính D cầu
352mm. Vỏ buồng bánh cơng tác có dạng mặt cầu tương ứng với
đường kính đảm bảo khe hở làm việc khoảng 0.001D và có cấu tạo hai
5


nửa để đảm bảo tháo lắp được. Trên vỏ cầu được bố trí 02 cửa quan
sát trong suốt bằng mi ca có mặt trong là mặt cầu trùng với mặt cầu
của vỏ buồng bánh công tác.
Chương 3. NGHIÊN CỨU BẰNG MÔ PHỎNG
3.1. Nghiên cứu thiết kế và lựa chọn mẫu bơm với ns cao và khảo
sát đánh giá bằng mô phỏng
3.1.1. Lựa chọn thông số và thiết kế mẫu đặc trưng
Các thơng số của bơm mơ hình thí nghiệm là :
Dm = 340 mm
nm = 980 v/ph
Hm = 3.25.(980/498)2.(340/800)2 = 2,348m
Qm = 9050.(980/490).(340/800)3 = 1390 m3/h = 0.386 m3/s
ns = 1172 v/ph
3.1.2. Một số kết quả tính tốn thiết kế
51.62

48.26

45.04

42.26

28.4


27.13

27.3

27.15

30.68

55.96

Mép ra

70
93.5
119
144.5

Mộp vo

170

Mộp ra

Mộp vo

Bản vẽ cánh công tác mô hình D=340 mm

Hình 3.1. Bản vẽ thiết kế cánh cơng tác mơ hình D340mm trên Solid Works


Hình 3.2. Bản vẽ mơ phỏng 3D bánh cơng tác bơm mơ hình D340mm
6


3.1.2. Mơ hình và phương pháp tính tốn mơ phỏng
3.1.2.1. Xây dựng mơ hình tính trên Solidworks và chia lưới.

Hình 3.5. Bản vẽ thiết kế bộ dẫn
dịng bơm mơ hình

Hình 3.6. Thiết kế mơ phỏng 3D
phần dẫn dịng bằng SolidWorks

- Chia mơ hình thành 3 vùng: Rotor (bánh cơng tác), Stator (phần
đẩy), Suction (phần hút).

Hình 3.8. Lưới cấu trúc Hình 3.9. Lưới cấu trúc
cho stator (Phần đẩy)
cho Rotor (BCT)

Hình 3.10. Lưới cấu
trúc phần Suction (hút)

3.1.2.2. Chọn mơ hình tính tốn và thiết lập điều kiện biên
a/ Mơ hình tính tốn:
+ Mơ hình rối
+ Mơ hình xâm thực
b/ Thiết lập các điều kiện biên:
- Đơn vị bài toán là (mm);
- Chọn thuật giải: Solver CFX

Type: Pressure-Based
Velocity Formulation: Absolute
Time: Transient
Chiều tính tốn: 3D
- Chọn vật liệu: nước, nhiệt độ 25oC; bọt khí, nhiệt độ 25oC và áp
suất hơi bão hòa là Pv=3173 Pa;
- Đặt các điều kiện biên:
+ Vùng bánh công tác: n = 980 (v/p).
+ Các vùng Stator, đầu vào là áp suất và ra dạng áp suất hoặc lưu
lượng; nếu chọn đầu ra là lưu lượng nên cẩn thận vì bơm chỉ tạo ra
7


một lưu lượng tối đa nào đó tại 1 vịng quay nhất định, nếu chọn sai
kết quả tính khơng có giá trị. Tuy nhiên thời gian hội tụ lại nhanh.
+ Biên tường là dạng biên không trượt No-slip wall.
+ Áp suất tham chiếu: 1 atm
+ Áp suất tĩnh đầu vào: Static pressure inlet= 0.9 (bar), áp suất
này lấy sát với thực tế kể đến sự chênh lệch mặt thoáng với tâm máy
là 1 m. Trong trường hợp khơng rõ thì có thể đặt áp là 0 (pa) để khảo
sát đặc tính năng lượng máy truyền cho chất lỏng.
+ Lưu lượng đầu ra: Outlet= 1390/3600= 0.386 (m3/s);
+ Trong phần solver-setting phải thêm các điều kiện biên periodic
(tuần hoàn) cho các mặt cắt.
+ Các interface để dạng Rotor-Stator, Specific angle 120 độ cho
Rotor (3 lá cánh bánh công tác), 90 độ cho Suction (4 lá cánh hướng
dòng vào) và 45 độ cho Stator (8 lá cánh hướng dòng ra).
- Đặt tiêu chuẩn hội tụ: 0,00001.
- Bước thời gian (Timestep size for pump): ∆t = 0.002s, lấy theo
hướng dẫn của CFX và đã đánh giá sự hội tụ về bước thời gian. Nhận

thấy với giá trị này cho kết quả chạy ra mịn ít bị dao động và đảm bảo
tính tuần hoàn trong mô phỏng.
- Đặt Total time là 100s và bắt đầu tính tốn.
3.1.2.3. Đánh giá sự hội tụ về mơ hình lưới

Hình 3.12. Độ nhạy cảm của lưới

3.1.2.4. Tiến hành giải và xuất kết quả
Bảng 3.1. Các thông số mô phỏng tại điểm thiết kế
H
Q
Ntr
Ntl
Hiệu suất
(m)
(m3/s)
(kW)
(kW)
(%)
2.37
0.386
11.07
8.98
81.1
8


Hình 3.15. Phân bố đường
dịng trong hệ thống


3.1.3. Phân tích kết quả mô phỏng
- Sai số cột áp tại điểm thiết kế là: H/H = (2,37-2,348)/2,37 
0,9%. Do đó kết quả mô phỏng là tương đối sát với yêu cầu thiết kế
và hồn tồn tin cậy.
- Với kết quả mơ phỏng xâm thực, ta có thể nhận thấy tại điểm
thiết kế không xảy ra xâm thực, không xuất hiện bọt khí tại mép vào
cánh.
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xoay cánh đến đặc tính xâm
thực và hiệu suất của bơm HT ns cao bằng mơ phỏng
3.2.1. Mơ hình tính và phương pháp tính tốn
3.2.1.1. Xây dựng mơ hình tính trên Solidworks và chia lưới.
Các thông số thiết kế của cánh trụ mơ hình D352mm:
H=2,517m; Q=0,4283m3/s; n=980v/ph; D=352mm; ns=1172

Hình 3.22. Bản vẽ thiết kế bộ dẫn Hình 3.23. Mơ hình tính tốn trong cơng
cụ thiết kế mơ hình (Design modler)
dịng bơm MH Dcầu = 352mm

3.2.1.2. Lựa chọn mơ hình tính toán và thiết lập điều kiện biên:
Tương tự như mục 3.1.2.2.
3.2.1.3. Đánh giá sự hội tụ về mơ hình lưới

Hình 3.28. Độ nhạy cảm lưới

9


3.2.2. Phân tích kết quả mơ phỏng về sự phân bố của trường dòng
chảy trong bơm tại điểm tối ưu của mơ hình cánh cầu
3.2.2.1. Kết quả tính tốn thơng số làm việc tại điểm tối ưu

Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng phương án D352 trụ tại điểm thiết kế
H (m)
Q(m3/s)
Ntr (kW)
Ntl (kW) Hiệu suất (%)

2.54

0.428

13.160

10.674

81.10

Bảng 3.4. Kết quả mô phỏng phương án D352 cầu tại điểm tối ưu
H (m)
Q(m3/s)
Ntr (kW)
Ntl (kW) Hiệu suất (%)

2.517
0.405
13.39
10.0001
74.68
Nhận xét:Tại điểm tối ưu, hiệu suất cánh cầu nhỏ hơn cánh trụ một
lượng: =81.1% -74.68%  6.42%
3.2.2.2. Các kết quả mơ phỏng về trường dịng chảy trong bơm


Hình 3.29. Phân bố áp suất
trên mặt lưng cánh

Hình 3.39. Phân bố đường dịng
trong bơm

Hình 3.33. Phân bố bọt khí
trên mặt lưng cánh

Hình 3.37. Phân bố vận tốc tại
khe hở đầu cánh View3D

Hình 3.38. Hình ảnh chi tiết phân bố
vận tốc trong buồng bánh cơng tác

Hình 3.32. Phân bố áp suất tiết
diện sát vành mòn R0.995

10


3.2.3. Phân tích sự ảnh hưởng của góc đặt cánh tới trạng thái xâm
thực và hiệu suất bơm
3.2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của góc xoay cánh tới đặc tính làm việc
của bơm bằng mơ phỏng số.

Hình 3.48. Đặc tính làm việc bơm ns  1200 tại các góc xoay cánh

Hình 3.49. Đồ thị tưf


3.2.3.2. Dự báo các vùng bị xâm thực theo góc xoay cánh
Bảng 3.11 . Bảng dự báo các vùng bị xâm thực và các dạng XT khi xoay cánh
Q/Q tư
Góc
-6
-3

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

XT2

XT1

0

0

0


0

XT2

XT1

0

0

0

XT2

XT1

0

0

0

0

0

XT1

XT1


XT2

XT2

XT2

XT2

XT2

XT3

XT3

XT2

XT2

XT2

XT2

0
3
6

a) dạng XT1
( =1.748)

b) dạng XT2

( =1.563)

1

1.05

1.1

1.15

1.2

0

XT2

c) Dạng XT3
( =1.395)

Hình 3.52. Hình ảnh mơ phỏng các dạng xâm thực
11


3.2.3.3. Nhận xét và kết luận về kết quả mô phỏng.
- Nếu khơng tính đến yếu tố xâm thực, khi xoay góc đặt cánh từ -60
đến +60, vùng làm việc của bơm được mở rộng từ phạm vi 𝑄 = 𝑄/𝑄 ư
 (0.8÷1.1) lên phạm vi 𝑄 = 𝑄/𝑄 ư  (0.7÷1.2). Vùng làm việc hiệu
suất cao (vùng lân cận 5% hiệu suất điểm tối ưu, trong trường hợp này
là vùng hiệu suất lớn hơn 70%) cũng mở rộng từ phạm vi 𝑄  (0.9÷1.1)
lên phạm vi 𝑄  (0.8÷1.1).

- Để đánh giá mức độ thay đổi cột áp bơm khi xoay 1 độ (H/độ), tra
đồ thị trên hình 3.51 hoặc tính nội suy như sau:
+ Khi xoay sang góc âm: H = 0.0652()+ 2.54
+ Khi xoay sang góc dương: H= 0.1093()+ 2.54
3.2.4. Kết luận việc lựa chọn mẫu khảo sát đánh giá về góc xoay và
đặc tính thủy lực
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Chế tạo thiết bị và xây dựng mơ hình thí nghiệm phục vụ
nghiên cứu thực nghiệm
4.1.1. Chế tạo thiết bị

Hình 4.2. Bản vẽ lắp bơm mơ hình cánh cầu Dcầu =352mm

4.1.2. Lắp đặt bơm mơ hình vào hệ thống thí nghiệm

Hình 4.6. Máy bơm mơ hình đã lắp đặt trong hệ thống thí nghiệm
12


Hình 4.7. Cửa quan sát trên vỏ buồng cầu bánh cơng tác

Hình 4.8. Quan sát thí nghiệm bằng đèn tần số

4.2. Đo các thông số của máy bơm
Các thông số chính cần đo đạc trong q trình thí nghiệm bao
gồm: Q, H, n, Ntr, 
4.2.1. Trình tự thí nghiệm
Tiêu chuẩn sử dụng trong quá trình đo : ISO 9906 - 1999
4.2.1.1. Chuẩn bị đo:
- Kiểm tra các điều kiện làm việc của hệ thống thí nghiệm và của

máy cần kiểm tra
+ Kiểm tra mức nước trong hệ thống
+ Kiểm tra sự hoạt động của máy bơm chân không, hệ thống van
+ Kiểm tra và hiệu chỉnh điểm ‘O’ của các thiết bị đo lường
- Khởi động máy bơm cần khảo nghiệm, theo dõi các thông số của
hệ thống trên bàn điều khiển.
4.2.1.2. Đo các thơng số
Q trình đo và lấy số liệu chỉ được thực hiện khi các giá trị đo
được ổn định. Tiến hành đo tuần tự các điểm làm việc kể từ điểm có
cột áp nhỏ nhất tới lớn nhất mà hệ thống đáp ứng được và ngược lại.
Các thông số cần đo bao gồm:
13


- Áp suất tại cửa hút máy bơm
Ph (bar)
- Áp suất tại cửa đẩy máy bơm
Px (bar)
- Lưu lượng máy bơm
Q ( m3/s)
- Tốc độ quay
n (v/ph)
- Momen trên trục
M (N.m)
- Cơng suất tiêu thụ
N (KW)
4.2.2. Tính tốn xử lý số liệu
Các tín hiệu đo được đưa về trung tâm máy tính để xử lý số liệu,
tính tốn các thơng số cần thiết và xây dựng đường đặc tính.
Các thơng số tính tốn bao gồm:

- Cột áp hút
Hh (m)
- Cột áp tồn phần
Htp (m)
- Cơng suất thuỷ lực
Ntl (kW)
- Cơng suất trên trục
Ntr (kW)
- Hiệu suất máy bơm
 (%).
- Vẽ các đường đặc tính H(Q); N(Q); (Q).
Trên cơ sở đó tính được cột áp, cơng suất trên trục, cơng suất hữu
ích và hiệu suất của bơm. Với các thơng số đo đạc và tính tốn ở trên
ta sẽ xây dựng được đường đặc tính làm việc của bơm.
Trên cơ sở các số liệu đo được ta tính các thơng số làm việc bao
gồm cột áp, công suất trên trục, công suất thủy lực và hiệu suất bơm
tương ứng theo các cơng thức (2-64), (2-65), (2-66) và (2-67) đã trình
bày trong chương 2.
Khi làm thí nghiệm, các số liệu khảo nghiệm và tính tốn được ghi
lại trong File dữ liệu và được lưu trong máy tính. Các File dữ liệu được
in ra để lấy số liệu xây dựng đường đặc tính năng lượng của bơm.
Dựa vào các số liệu khảo nghiệm xây dựng các đường đặc tính
hiệu suất và đường đặc tính tổng hợp của bơm cần kiểm tra.
4.2.3. Xác định sai số đo
- Sai số cột áp:
H = (0,5572 +0,4892)0.5 = 0,741%.
- Sai số lưu lượng: Q = (0,3162+ 0,4852)0.5 = 0,579%.
- Sai số công suất: N = (0,232+ 0,3332)0.5 = 0,405%.
- Sai số hiệu suất:  = (0,7412 + 0,5792 +0.405 2)0.5  1%.
Phép khảo nghiệm được tiến hành tại giá thí nghiệm sẽ cho sai số

là 1%.

14


4.3. Thí nghiệm xây dựng đặc tính xâm thực, thủy lực và quan
hệ hiệu suất với góc xoay cánh thay đổi
4.3.1. Kết quả thí nghiệm xây dựng đặc tính làm việc tại các góc
xoay cánh khác nhau

Hình 4.14. Đặc tính làm việc bơm mơ hình ns  1200 v/ph
tại các gúc xoay cỏnh khỏc nhau
ĐặC TíNH TổNG HợP BƠM MÔ HìNH ns = 1172 v/ph
(D cầu = 352mm; n =980 v/ph)

H(m)
4

58

3
60

62

64

63

66

68

2

=71%

70

69
69

+30
68
66
64

00

-30

-60

+60

1
0.5
0.25

0.3
0.65


0.7

0.75

0.35
0.8

0.85

0.4
0.9

0.95

1

0.45
1.05

1.1

1.15

1.2

Q(m3/s)
0.5
Q/Qt­


Hình 4.15. Đặc tính tổng hợp bơm mơ hình ns  1200 v/ph
với Dcầu=352mm; n=980v/ph

15


KH

ĐặC TíNH TổNG HợP KHÔNG THứ NGUYÊN BƠM ns = 1172 v/ph

0.12
58

0.09
60

62

64

63

66
68

0.06

=71%

70


69
69

+30
68

+60

0

66
64

-30

-60

0

0.03
0.015
0.35

0.42

0.49

0.56


0.63

0.70

KQ

Hình 4.16. Đặc tính tổng hợp khơng thứ ngun bơm ns  1200 v/ph

Các vùng bị xâm thực quan sát được khi xoay cánh để xây dựng
đặc tính như sau:

16


4.3.2. Kết quả thí nghiệm xâm thực tại các góc xoay cánh khác nhau
Thí nghiệm xâm thực bằng cách giảm cột áp hút lối vào bơm. Dưới
đây là các đặc tính xâm thực xây dựng được từ thực nghiệm.

Bảng 4.2 . Bảng tính gíá trị KHtư và th tại các góc xoay cánh  khác nhau

17


(độ)
0
-3
-6
3
6


Htư (m)
2.38
2.24
2.08
2.7
2.99

D (m)
0.352
0.352
0.352
0.352
0.352

n (v/ph)
980
980
980
980
980

KHtư
0.072
0.068
0.063
0.082
0.090

th
2.3

2.5
2.7
2.2
1.9

Hình 4.24. Đồ thị biến thiên của hệ số xâm thực tới hạn theo góc xoay cánh

Khảo sát các đồ thị ta nhận thấy khi giá trị L/Lc đạt ngưỡng L/Lc
0.4, cột áp bơm dao động mạnh và sau đó giảm nhanh. Giá trị  ứng
với ngưỡng L/Lc 0.4 tại đó xảy ra hiện tượng tụt cột áp ký hiệu là
H..

Hình 4.25. Đồ thị biến thiên của hàm số H = f()

- Hình ảnh kết quả thí nghiệm xây dựng đặc tính tại Góc -3 độ:
18


- Hình ảnh kết quả thí nghiệm xâm thực tại Góc 0 độ:

- Hình ảnh kết quả thí nghiệm xâm thực tại Góc -3 độ:

- Hình ảnh kết quả thí nghiệm xâm thực tại Góc -6 độ:

4.4. Nhận xét và bàn luận về kết quả thí nghiệm
19


Nhận xét 1:
Khi chuyển từ cánh trụ sang cánh cầu (với đường kính D=352mm),

hiệu suất của bơm giảm đi: tn = 77.5% – 70.74%  6.76% ;
Đối chiếu và so sánh với độ chênh hiệu suất giữa cánh trụ và cánh
cầu khi mô phỏng ở chương 3 (xem mục 3.2.2.1) là mp = 6.42%, ta
thấy sai số giữa thực nghiệm và mô phỏng chỉ là 6.76% - 6.42% =
0.34%. Điều này cho thấy kết quả thu được từ việc nghiên cứu bằng
mơ phỏng trên mơ hình tốn là rất đáng tin cậy.
Nhận xét 2:
Chênh lệch kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm về hiệu suất tại
điểm tối ưu của mơ hình cánh cầu D352 là: 74.68% - 70.74%  3.9%
Chênh lệch kết quả mô phỏng và thực nghiệm về hiệu suất tại điểm
thiết kế của mơ hình cánh trụ D340 (trình bày ở mục 3.1.3) là 3.6%.
Như vậy độ chênh lệch hiệu suất tối ưu giữa mô phỏng và thực
nghiệm của hai mơ hình cánh trụ D340 và cánh cầu D352 là xấp xỉ
nhau (sai lệch khoảng 0.3%). Nếu tính đến sai số tổng hợp khi thực
nghiệm là ±1% thì sai lệch này là rất nhỏ và hồn tồn chấp nhận được.
Các kết quả này cho thấy sự tương đồng hợp lý trong việc lựa chọn
mơ hình tính tốn mơ phỏng và triển khai thực nghiệm. Qua đó khẳng
định được độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu.
Nhận xét 3:
Nếu khơng tính đến yếu tố xâm thực, khi xoay góc đặt cánh từ -60
đến +60, vùng làm việc của bơm được mở rộng từ phạm vi 𝑄 = 𝑄/𝑄 ư
 (0.8÷1.1) lên phạm vi 𝑄 = 𝑄/𝑄 ư  (0.7÷1.2). Vùng làm việc hiệu
suất cao (vùng lân cận 5% hiệu suất điểm tối ưu, trong trường hợp này
là vùng hiệu suất lớn hơn 65%) cũng mở rộng từ phạm vi 𝑄  (0.9÷1.1)
lên phạm vi 𝑄  (0.8÷1.1)
Nhận xét 4:
Xét trong phạm vi  = -6 độ ÷ +6 độ: Khi xoay sang góc âm,
hiệu suất (tại điểm tối ưu) của bơm giảm không đáng kể, quan hệ hiệu
suất  với góc xoay cánh  gần như tuyến tính với độ dốc rất nhỏ
theo hàm số:  = 0,24() + tư. Khi xoay sang góc dương, hiệu suất

này có sự tụt giảm đáng kể, và khi xoay sang góc dương càng lớn thì
hiệu suất càng giảm, Quan hệ giữa hiệu suất và góc xoay cánh gần
đúng theo dạng đường cong parabol:  = 0,1194()2 – 1,5617() +
tư. Trong đó tư là hiệu suất làm việc tối ưu của mơ hình. Đối với mơ
hình nghiên cứu của luận án tư = 70,74.
20


Để đánh giá mức độ thay đổi cột áp bơm khi xoay 1 độ (H/độ),
tra đồ thị trên hình 4.18 hoặc tính nội suy như sau:
+ Khi xoay sang góc âm: H = 0,05() + Htư
+ Khi xoay sang góc dương: H = 0,1017() + Htư
Trong đó Htư là cột áp làm việc tại điểm tối ưu của mơ hình. Đối
với mơ hình nghiên cứu của luận án Htư = 2,38m.
Nhận xét 5:
Kết quả khảo sát cho thấy rằng:
- Vùng làm việc an tồn và có hiệu suất cao của bơm ns1200v/ph
giới hạn trong vùng Q=(0.8-1.1)Qtư với phạm vi xoay cánh từ góc -3o
đến góc 0o.
- Ưu tiên xoay sang các góc âm để mở rộng phạm vi làm việc của
bơm ns1200v/ph. Khi cần thiết phải xoay sang góc dương để tăng lưu
lượng bơm, lựa chọn một trong hai: xoay sang góc ≤ +3o với vùng làm
việc có phạm vi (1.1÷1.15)Qtư và xoay sang góc  +6o với vùng làm
việc có phạm vi (1.15÷1.2)Qtư. Đây là hai vùng có xâm thực nhỏ nhất
khi xoay cánh sang góc dương.
Nhận xét 6:
Khi giảm áp suất phía cửa hút máy bơm (tăng Hck hút) tại các điểm
làm việc tối ưu ứng với các góc xoay cánh khác nhau, khả năng xâm
thực trong bơm sẽ tăng lên. Khi Hck càng lớn, xâm thực càng tăng
mạnh.

Càng xoay cánh sang phía góc âm, hệ số xâm thực càng lớn, khả
năng bị xâm thực của bơm càng giảm đi. Càng xoay cánh sang phía
góc dương, hệ số xâm thực càng nhỏ, khả năng bị xâm thực của bơm
càng tăng lên.
Căn cứ vào kết quả khảo sát các đặc tính xâm thực xây dựng được,
có thể đưa ra giới hạn phạm vi vận hành đảm bảo an toàn cho máy
bơm và thiết bị.
Nhận xét 7:
Khi xoay cánh trong khoảng từ -6 độ đến +6 độ, hệ số xâm thực tới
hạn của bơm ns 1200v/ph biến thiên gần đúng theo qui luật tuyến tính
th = - 0,065(+ th-tư . Trong đó th-tư là hệ số xâm thực tới hạn tại
điểm tối ưu của mơ hình. Đối với mơ hình nghiên cứu của luận án
th-tư = 2,3 . Dựa vào qui luật này có thể tính được giá trị gần đúng hệ
21


số xâm thực tới hạn của bơm khi xoay cánh, từ đó làm cơ sở để tính
chọn chiều cao đặt máy phù hợp nhằm tránh xâm thực cho bơm.
Nhận xét 8:
Khi xoay cánh trong khoảng từ -6 độ đến +6 độ, hệ số xâm thực tại
điểm xuất hiện hiện tượng tụt cột áp của bơm ns 1200v/ph biến thiên
gần đúng theo qui luật H = 0,0017(2–0,024(+ H-tư. Trong đó
H-tư là hệ số xâm thực tại đó xảy ra hiện tượng tụt cột áp tại điểm tối
ưu của mơ hình. Đối với mơ hình nghiên cứu của luận án H-tư = 1,27.
Nhận xét 9:
Bước đầu giải thích cơ chế hình thành và phát triển xâm thực trong
bơm như sau: Tại vùng áp suất thấp (pmin < pbh) ở mép vào phía mặt
hút của cánh cơng tác (điểm góc nhọn của mép vào và tiết diện biên)
xuất hiện các bọt khí xâm thực đầu tiên, các bọt khí này phát triển tạo
ra các ra xốy quẩn. Dịng chảy ngược qua khe hở do chênh áp hai bên

mặt cánh cũng gây ra xoáy quẩn. Khi sự kết hợp của các xoáy này đủ
lớn sẽ gây ra hiện tượng tách thành tại khe hở đầu cánh, làm cho dịng
chất lỏng xốy quẩn pha trộn các bọt khí càng tăng, xâm thực càng
mạnh thêm. Khi xoay cánh, dạng xâm thực phát triển như trên Bảng
dự báo các dạng xâm thực theo góc xoay (bảng 3.11, chương 3).
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Hiện nay trên thế giới việc nghiên cứu và áp dụng bơm hướng trục
lưu lượng lớn ns cao đã đạt được những thành tựu lớn cả trong việc
tính tốn thiết kế lẫn việc áp dụng công nghệ cao trong chế tạo. Việc
nghiên cứu và chế tạo bơm hướng trục cơng suất lớn có ns cao là yêu
cầu thực tế của nước ta nhằm đáp ứng nhu cầu của nhiều lĩnh vực đời
sống và sản xuất.
1.1. Kết quả đạt được của luận án
1) Máy bơm hướng trục nghiên cứu trong luận án với bộ dẫn dịng
được thiết kế có chất lượng thủy lực tương đối tốt và đạt hiệu suất cao
(max  77.5% với mơ hình bánh cơng tác trụ). Kết quả nghiên cứu này
cung cấp thêm một sản phẩm bơm hướng trục ns cao (1200v/ph), bổ
sung vào dãy gam bơm hướng trục được thiết kế, sản xuất ở nước ta.
22


2) Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mơ hình
cánh xoay bơm hướng trục ns 1200v/ph, luận án đã rút ra được các
kết luận về ảnh hưởng của thơng số góc xoay cánh đến hiệu suất và
đặc tính xâm thực của bơm như sau:
a/ Ảnh hưởng của góc xoay cánh đến hiệu suất:
Trong phạm vi xoay cánh từ góc -6o đến góc +6o:
- Khi xoay sang góc âm ( = -6o ÷ 0o), hiệu suất bơm thay đổi gần
đúng theo qui luật:  = 0,24() + tư

- Khi xoay sang góc dương ( =0o ÷ +6o), hiệu suất bơm thay đổi
gần đúng theo qui luật:  = 0,1194()2 – 1,5617() + tư
Trong đó tư là hiệu suất làm việc tối ưu của mơ hình. Đối với mơ
hình nghiên cứu của luận án tư = 70,74
b/ Ảnh hưởng của góc xoay cánh đến đặc tính xâm thực:
Khi xoay cánh trong phạm vi từ góc -6o đến góc +6o:
- Hệ số xâm thực tới hạn của bơm biến thiên gần đúng theo qui luật
tuyến tính: th = - 0,065(+th-tư
- Hệ số xâm thực tại điểm xảy ra hiện tượng tụt cột áp bơm biến
thiên gần đúng theo qui luật: H =0,0017(2 – 0,024( + H-tư
Trong đó th-tư là hệ số xâm thực tới hạn và H-tư là hệ số xâm thực
tại đó xảy ra hiện tượng tụt cột áp tại điểm tối ưu của mơ hình. Đối với
mơ hình nghiên cứu của luận án th-tư = 2,3 và H-tư = 1,27.
1.2. Đóng góp mới của luận án
- Về mặt khoa học:
+ Luận án đã đưa ra các kết quả nghiên cứu khá đầy đủ và tin
cậy về thủy lực dòng chảy trong bơm, đặc biệt là các kết quả khảo sát
trực quan về trường dòng chảy trong bơm hướng trục ns 1200v/ph.
+ Bước đầu giải thích được cơ chế hình thành và phát triển của
xâm thực trong bơm hướng trục ns 1200v/ph.
+ Xây dựng được đặc tính làm việc tổng hợp và đặc tính tổng
hợp khơng thứ ngun của bơm hướng trục ns 1200v/ph.
+ Xây dựng được các qui luật hàm số biểu diễn các mối quan
hệ giữa góc xoay cánh với đặc tính xâm thực và hiệu suất thủy lực của
bơm.
23


- Về mặt ứng dụng:
+ Mơ hình bơm hướng trục ns 1200v/ph của luận án được chế

tạo ứng dụng vào thực tiễn sẽ đáp ứng được phần nào nhu cầu bơm
nước tưới tiêu cho điều kiện cột nước địa hình thấp và lưu lượng lớn.
+ Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể ứng dụng để xây
dựng qui trình vận hành với việc xác định vùng làm việc tối ưu của
bơm khi mở rộng phạm vi làm việc bằng xoay cánh cũng như tham
khảo để thiết kế tính toán thiết kế bơm hướng trục ns cao.
1.3. Những vấn đề còn hạn chế, tồn tại của luận án
+ Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về bản chất và quá trình
hình thành xâm thực cũng như các loại xâm thực trong bơm vẫn còn
hạn chế do thiếu các thiết bị thí nghiệm chuyên dụng tiên tiến.
+ Do hạn hẹp về mặt thời gian và kinh phí nên luận án chưa
thực hiện được nghiên cứu thực nghiệm trên nhiều mẫu cánh khác
nhau với các phương pháp thiết kế khác nhau cho cùng một dải ns của
bơm.
2. Kiến nghị
Trong quá trình nghiên cứu luận án vẫn còn một số vấn đề cần phải
được nghiên cứu tiếp, đó là:
- Nghiên cứu sâu hơn về bản chất và quá trình hình thành xâm thực
cũng như các loại xâm thực trong bơm hướng trục ns cao. Đặc biệt là
nghiên cứu về hiện tượng tách thành gây bọt khí tạo ra xâm thực do
rung động khi làm việc của máy bơm.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của số vịng quay đến đặc tính xâm thực
và hiệu suất thủy lực của bơm hướng trục với ns cao (1000-1200 v/ph).
- Nghiên cứu ứng dụng xoay cánh trong bơm hướng trục cỡ lớn để
tối ưu hóa vùng làm việc cho các trạm bơm lớn đã và sẽ xây mới nhằm
mục đích nâng cao hiệu quả khai thác vận hành.
- Nghiên cứu vấn đề thiết kế thủy lực tối ưu cho các bơm có số
vịng quay đặc trưng ns cao (1000 – 1200)v/ph theo hướng thu gọn
kích thước, giảm giá thành chế tạo và xây dựng cơng trình cũng như
lắp đặt thiết bị, mang lại hiệu quả kinh tế cao.


24