Đề tài Máy bơm sulzer msd d4-8-10.5b phục vụ cho công tác vận chuyển dầu tại mỏ bạch hổ

MỞ ĐẦU Trong công cuộc phát triển kinh tế đất nước, cùng với những chính sách hợp lý nhằm thúc đẩy đất nước phát triển tiến lên theo con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa, ngày 30-9-1975 chính phủ ra nghị định thành lập tổng cục dầu mỏ và khí đốt Việt Nam, khai sinh thành lập ngành dầu khí Việt Nam. Ngành dầu khí Việt Nam buổi đầu hầu như chưa có gì trong tay, thiếu thốn cả vốn lẫn kĩ thuật và nhân lực. Năm 1978 Tổng công ty dầu khí Việt Nam bắt đầu kí hợp tác với công ty dầu khí nước ngoài, kí 4 hợp đồng phân chia sản phẩm theo thể lệ quốc tế, với các công ty như: Deminex (Cộng hòa liên bang Đức) và BOW Vallay (Canada) để tìm kiếm thăm dò khai thác dầu khí ở thềm lục địa phía nam. Năm 1981, xí nghiệp liên doanh Vietsov Petro được thành lập, mở ra giai đoạn mới để phát triển ngành dầu khí non trẻ. Hàng năm, cán bộ công nhân dầu khí được đào tạo, các căn cứ dịch vụ dầu khí ở Vũng Tàu được hình thành với nhiều loại phương tiện, thiết bị kĩ thuật, được đầu tư để phục vụ cho công tác tìm kiếm thăm dò và khai thác dầu khí. Tháng 6-1996, xí nghiệp liên doanh Vietso Petro đưa mỏ Bạch Hổ vào khai thác với sản lượng 40.000 tấn dầu thô, ngày 12-10-1997 xí nghiệp đã khai thác được hơn 50 triệu tấn dầu thô, chỉ tính riêng năm 1998 đã khai thác được 12 triệu tấn dầu thô. Hiện nay tại mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng đã xây dựng hơn 40 công trình biển, trong đó có các công trình chủ yếu như: 12 giàn cố định, 10 giàn nhẹ, 2 giàn công nghệ trung tâm, 2 giàn khí nén, 4 giàn duy trì áp suất vỉa, 2 giàn khoan tự nâng, 4 trạm rót dầu không bến, lắp đặt trên 400 km đường ống ngầm kết nối các công trình nội mỏ và liên mỏ thành một hệ thống công nghệ liên hoàn. Ngày nay, ngành dầu khí Việt Nam đã có những phát triển vượt bậc, sản lượng khai thác ngày càng tăng, trang thiết bị ngày càng hiện đại, đội ngũ cán bộ được đào tạo và có tay nghề cao. Do đặc điểm địa chất, kiến tạo của thềm lục địa Việt Nam, nên các mỏ hầu hết nằm ở thềm lục địa do ảnh hưởng của vị trí địa lý các mỏ đều nằm ngoài biển, khí hậu khắc nghiệt, nên quá trình thăm dò và khai thác gặp nhiều khó khăn. Để đạt được mục tiêu đề ra, xí nghiệp liên doanh còn rất nhiều việc phải làm, một trong những công việc quan trọng đó là nghiên cứu các giải pháp hợp lý nhất, kinh tế nhất khi sử dụng các loại máy móc, thiết bị trong công tác khoan, khai thác và vận chuyển dầu khí. Các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực dầu khí nói chung, và ngành cơ khí thiết bị phục vụ cho công tác tìm kiếm thăm dò, khai thác dầu khí nói riêng cũng rất phong phú và đa dạng. Các máy móc ngày càng hiện đại, tuy nhiên vẫn có những khuyết điểm, do đó việc nghiên cứu và tìm ra các giải pháp tối ưu để khắc phục các khuyết điểm và nâng cao hiệu quả sử dụng là điều rất cần thiết hiện nay. Với mục đích nghiên cứu để nâng cao hiệu quả làm việc của bơm Sulzer, trên cơ sở vận dụng những kiến thức đã học ở trường, và qua thời gian thực tập ở xí nghiệp liên doanh Vietsov Petro, cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong bộ môn Thiết bị dầu khí và công trình, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Trần Văn Bản, các cán bộ nhân viên thuộc xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsov Petro đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp: “MÁY BƠM SULZER MSD D4-8-10.5B PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC VẬN CHUYỂN DẦU TẠI MỎ BẠCH HỔ”. Chuyên đề: “ Tính toán khớp truyền động của máy bơm vận chuyển dầu Sulzer”. Nội dung của đề tài gồm 5 chương: Chương I: Giới thiệu chung về bơm vận chuyển dầu ở xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsov Petro. Chương II: Lý thuyết chung về bơm ly tâm. Chương III: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm Sulzer. Chương IV: Quy trình vận hành, kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa bơm Sulzer. Chương V: Tính toán khớp truyền động trong bơm Sulzer.  Hà nội, ngày 01 tháng 06 năm 2010 Sinh viên Lưu Văn Đức      CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BƠM VẬN CHUYỂN DẦU Ở XÍ NGHIỆP LIÊN DOANH DẦU KHÍ VIETSOV PETRO 1.1. Yêu cầu và nhiệm vụ của bơm vận chuyển dầu khí Do đặc điểm địa lý của nước ta, nên các mỏ dầu khí mà xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsov Petro đang thăm dò và khai thác đều nằm ngoài biển.Vì thế, việc lựa chọn và bố trí bơm vận chuyển dầu là hết sức cần thiết. Hiện nay, xí nghiệp đang khai thác trên 2 mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng, khoảng cách giữa 2 mỏ khoảng 30 km. Tại các giàn cố định, sau khi dầu được khai thác lên từ giếng khoan sẽ được đưa đến các bình tách để xử lý công nghệ, sau đó dầu được đưa đến các bình chứa lắp đặt trên các giàn khoan. Để vận chuyển dầu từ bình chứa này đến giàn công nghệ trung tâm số 2 và 3 hoặc được bơm trực tiếp ra các tàu chứa, người ta sử dụng các thiết bị để vận chuyển. Một trong những phương pháp vận chuyển dầu được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp dầu khí là phương pháp vận chuyển bằng đường ống, bởi vì so với các phương pháp khác thì phương pháp này có ưu điểm: kết cấu đơn giản, an toàn khi sử dụng và ít ảnh hưởng đến các công trình trên bề mặt. Khi vận chuyển dầu bằng đường ống, vấn đề đặt ra là phải duy trì được năng lượng dòng chảy luôn luôn lớn hơn tổng tổn thất năng lượng trên suốt chiều dài của đường ống bao gồm tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ. Để đảm bảo quá trình khai thác dầu trên các giàn khoan được liên tục, tránh tình trạng dầu khai thác lên ứ đọng tại các bình chứa làm ảnh hưởng đến công tác khai thác, chúng ta phải lựa chọn máy bơm hợp lý, máy bơm sử dụng để vận chuyển dầu có những đặc điểm riêng so với các loại bơm trong các ngành công nghiệp khác và phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Bơm làm việc có lưu lượng lớn. - Cột áp của bơm đảm bảo. - Hiệu suất của bơm cao. - Bơm làm việc ổn định lâu dài. - Máy bơm vận chuyển chất lỏng có độ nhớt cao. - Dễ vận hành và sửa chữa. Hiện nay, có rất nhiều loại máy bơm được sử dụng trong công tác vận chuyển dầu khí như: máy bơm piston, máy bơm ly tâm, máy bơm hướng trục, máy bơm phun tia,…mỗi loại máy bơm có một công dụng và phạm vi sử dụng khác nhau. Trong công tác vận chuyển dầu khí, người ta thường sử dụng máy bơm ly tâm vì so với các loại máy bơm khác máy bơm ly tâm có những ưu điếm sau: - Đường đặc tính của bơm phù hợp với yêu cầu thay đổi của mạng đường ống dẫn và những điều kiện vận hành riêng biệt. - Bơm có phạm vi sử dụng lớn và năng suất cao: + Cột áp của bơm từ 10 đến hàng nghìn mét cột nước. + Lưu lượng bơm từ 2 đến 7.000 m3/h. + Công suất từ 1 đến 6.000 kW. + Số vòng quay từ 730 đến 6000 vòng/ phút. Phần lớn số vòng quay của trục bơm ly tâm tương ứng phù hợp với số vòng quay của động cơ điện tiêu chuẩn nên không cần phải có các bộ phận truyền động trung gian. + Hiệu suất tương đối cao. + Hiệu quả kinh tế cao. 1.2. Tính chất hóa lý của dầu thô của mỏ Bạch Hổ Tính chất hóa lý của dầu thô có ảnh hưởng tới chế độ làm việc cũng như độ bền của bơm. Nếu chất lỏng có tính axit sẽ gây nên hiện tượng ăn mòn hóa học ở các chi tiết của bơm. Với chất lỏng vận chuyển là dầu thô do đó ta cần phải biết được các tính chất của nó. Dưới đây là tính chất của dầu thô ở mỏ Bạch Hổ: Nhiệt độ đông đặc của dầu Đối với dầu thô ở mỏ Bạch Hổ có nhiệt độ đông đặc khoảng 29 ÷ 34oC, hàm lượng parafin 20 ÷ 25%.Trong đó, nhiệt độ môi trường khoảng 23 ÷ 24oC, điều này gây khó khăn cho việc vận chuyển. Độ nhớt Độ nhớt là một yếu tố rất quan trọng, nó thể hiện bản chất của chất lỏng. Trong dòng chảy luôn tồn tại các lớp chất lỏng khác nhau về vận tốc, các lớp này có tác dụng tương hỗ các lớp kia theo phương tiếp tuyến của chúng. Lực này có tác dụng làm giảm tốc độ của các lớp chảy chậm ( gọi là lực ma sát). Kết quả thực nghiệm xác định độ nhớt của dầu mỏ ở mỏ Bạch Hổ trong Bảng 1 như sau: Bảng 1.1: Kết quả thực nghiệm xác định độ nhớt của dầu ở mỏ Bạch Hổ t > 61oC  μ = 0,06.e-0,01t   38oC < t < 61oC  μ = 0,03.e-0,04t   30oC< t < 38oC  μ = 3,47.e-0,88t   t < 30oC  μ = 10,2.e-0,16t   Tỉ trọng Tỉ trọng dầu phụ thuộc nhiều vào độ nhớt và thành phần dầu. Trong suốt quá trình vận chuyển dầu, nhiệt độ thay đổi dọc theo đường ống làm tỷ trọng cũng thay đổi theo. Tỷ trọng dầu ở mỏ Bạch Hổ ở 20oC là P20= 840 ( kg/m3). Thành phần Dầu thô ở mỏ Bạch Hổ có hàm lượng lưu huỳnh khá thấp ( nhỏ hơn 0,1%). Tuy nhiên, hàm lượng parafin khá cao khoảng 25%. Thành phần parafin khá đa dạng bao gồm nhiều phần tử parafin có chiều dài mạch cacbon khác nhau. Dầu thô ở mỏ Bạch Hổ phần lớn parafin có mạch cacbon dài, nhiệt độ bắt đầu kết tinh khá cao khoảng 48oC. Do thành phần đa dạng nên nhiệt độ kết tinh parafin không xác định. Các parafin mạch dài kết tinh trước, các parafin mạch ngắn kết tinh sau ở nhiệt độ thấp hơn do đó, các parafin kết tinh ở các nhiệt độ khác nhau. Qua nghiên cứu cho thấy hàm lượng parafin kết tinh lớn nhất trong khoảng 38 ÷ 43oC. Sự phân tách các parafin trong quá trình vận chuyển dầu ảnh hưởng tới các thông số khác như là: nhiệt độ, độ nhớt… 1.3. Các loại bơm ly tâm dùng trong vận chuyển dầu ở mỏ Bạch Hổ Hiện nay, trên các giàn khai thác dầu khí của Vietsov Petro đang sử dụng các loại máy bơm ly tâm trong công tác vận chuyển dầu như: HK-200/210, HIIC-65/35-500, SULZER MSD-D-4-8-10.5B/5 cấp, JMGP, R360/150, GM-3, GM-1… Dưới đây là thông số kỹ thuật của một số loại bơm: Bơm HK-200/210 - Loại bơm  HK   - Lưu lượng bơm định mức  200 m3/h   - Áp suất bơm lớn nhất  210 m cột nước   - Động cơ  BAO-160 kW   - Tốc độ động cơ  2980 vòng/phút   - Dòng điện định mức của động cơ  280 A   - Làm mát  Nước ngọt hoặc nước biển   - Loại nhớt dùng bôi trơn ổ bi  Vitea-32   - Nhiệt độ làm việc của ổ bi  80 - 400oC   Bơm HIIC-65/35-500 - Công suất động cơ  160 kW   - Tốc độ động cơ  2961 vòng/phút   - Lưu lượng định mức bơm  65 m3/h   - Áp suất bơm lớn nhất  50 at   Bơm SULZER MSD-D-4-8-10.5B/5 cấp - Chất lỏng bơm  Dầu thô   - Nhiệt độ chất lỏng bơm  90o-120oC   - Lưu lượng bơm định mức  130 m3/h   - Độ chênh áp  400 m   - Hiệu suất bơm  74%   - Công suất bơm tiêu thụ  147 kW   - Công suất động cơ  185 kW   - Công suất tiêu thụ lớn nhất  182 kW   - Tốc độ bơm  2965 vòng/phút   Nhận xét: Hiện nay, tại vùng mỏ Bạch Hổ sử dụng phổ biến các loại bơm ly tâm yêu cầu cột áp lớn và lưu lượng vừa phải để vận chuyển dầu cho các mỏ ở xa các trạm rót dầu như: HIIC 65/35-500 và bơm SULZER MSD-D-4-8-10.5B/5 cấp. Đây là hai loại bơm làm việc có hiệu quả cao và có nhiều ưu điểm trong công tác vận chuyển dầu. Loại bơm không yêu cầu cột áp lớn mà yêu cầu lưu lượng bơm phải cao, dùng vận chuyển dầu với lưu lượng lớn tại các điểm tiếp nhận tới các trạm rót dầu cách đó không xa thì dùng các loại bơm như: 9MJQ, HIIC 4/400, NK-200/700… Qua nhận xét trên, chúng ta thấy việc vận chuyển dầu từ các giàn với lưu lượng vừa phải, cột áp lớn và xa trạm rót dầu thì thường dùng hai loại bơm: HIIC 65/35-500 và bơm SULZER MSD-D-4-8-10.5B/5 cấp. Do đó, việc nghiên cứu và nâng cao hiệu quả sử dụng của bơm SULZER là rất cần thiết. CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ BƠM LY TÂM 2.1. Lý thuyết cơ bản về bơm ly tâm Trong thực tế, muốn sửa chữa, chế tạo bơm ly tâm có hiệu quả cao chúng ta phải nghiên cứu lý thuyết cơ bản về bơm ly tâm. 2.1.1. Phương trình cơ bản của bơm ly tâm Quỹ đạo chuyển động của các phần tử chất lỏng qua bánh công tác rất phức tạp, để đơn giản trong tính toán người ta giả thiết: - Số cánh dẫn của bơm nhiều vô cùng và mỏng vô hạn. - Chất lỏng làm việc là chất lỏng lý tưởng ( không có độ nhớt). Phương trình cơ bản của máy thủy lực cánh dẫn do Ole lập ra đầu tiên vào năm 1775 ta có cột áp lý thuyết của bơm ly tâm Hlt:
(2.1) Đa số các bơm ly tâm hiện đại, có số các cánh bánh công tác có kết cấu lồi vào hoặc bộ phận dẫn hướng sao cho dòng chất lỏng ở lối vào máng dẫn chuyển động theo hướng kính nghĩa là: c1
u1 và α1 = 90o (hình 2.1). Để cột áp của bơm có lợi nhất (c1u = 0) thì khi đó phương trình cơ bản sẽ là: Hlt =
(2.2) Hình 2.1: Tam giác tốc độ cửa vào bánh công tác Trong đó: c : Vận tốc tuyệt đối. u : Vận tốc vòng, có phương thẳng góc với hướng kính w: Vận tốc tương đối, có phương tiếp tuyến với biên dạng cánh dẫn α: Góc giữa u và c cu: Hình chiếu của c lên phương u cm : Hình chiếu của c lên phương thẳng góc với u β: Góc giữa w và phương của u theo hướng ngược lại biểu thị góc bố trí của cánh dẫn, β1 gọi là góc vào, β2 gọi là góc ra. 2.1.2. Cột áp thực tế của bơm ly tâm Phương trình cơ bản của bơm ly tâm được thiết lập theo giả thiết: - Bánh công tác có số cánh dẫn nhiều vô cùng và mỏng vô hạn (coi dòng chảy song song với bánh công tác). - Chất lỏng làm việc là chất lỏng lý tưởng không nhớt. Đối với giả thiết thứ nhất, ta có vận tốc phân bố đều trên các mặt cắt của dòng chảy qua các máng dẫn. Đối với giả thiết thứ hai, ta bỏ qua tổn thất của dòng chảy trong các máng dẫn vì thế cột áp của bơm được tính theo phương trình cơ bản (2.1) hoặc (2.2) gọi tắt là cột áp lý thuyết. Trong thực tế cánh dẫn có chiều dày nhất định ( thường 2 ÷ 20 mm) và số cánh dẫn có hạn ( thường từ 6 ÷ 12) gây nên sự phân bố vận tốc không đều trên các mặt cắt dòng chảy tạo nên các chuyển động xoáy, dòng quẩn trong các máng dẫn. Mặt khác, chất lỏng làm việc thực tế có độ nhớt nhất định gây tổn thất nhất định trong dòng chảy. Vì các ảnh hưởng thực tế này mà cột áp thực tế của bơm sẽ nhỏ hơn cột áp lý thuyết. Do vậy, cột áp thực tế của bơm ly tâm Hlt được tính theo công thức: H =
(2.3)
: Hệ số kể tới ảnh hưởng của số cánh dẫn có giới hạn đến cột áp, gọi là hệ số cột áp, bằng lý thuyết về dòng xoáy và thực nghiệm năm 1931, viện sĩ Proskua đã xác định được
đối với bơm ly tâm theo công thức:
= 1 -
(2.4) z: Số cánh dẫn của bánh công tác.
: Hệ số kể tới tổn thất năng lượng của dòng chất lỏng chuyển động qua bánh công tác, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố ( kích thước, kết cấu của bánh công tác và các bộ phận dẫn hướng…), gọi là hiệu suất cột áp của bánh công tác. Thông thường, đối với bơm ly tâm thì
= 0,7 ÷ 0,9. Trường hợp kể đến ảnh hưởng của số cánh dẫn có hạn đến cột áp, ta có cột áp lý thuyết tương ứng với số cánh dẫn có hạn là H1: H1 =
( 2.5) Theo (2.2) và (2.3), ta có thể tính được cột áp thực tế của bơm ly tâm: H =
Đối với các bơm ly tâm có kết cấu và số vòng quay thông thường thì:
=


(2.6) Vì vậy, trong tính toán gần đúng có thể xác định cột áp thực tế của bơm theo công thức: H =
(2.7)
: Hệ số cột áp thực tế, phụ thuộc vào trị số ns theo bảng 2.1 sau: Bảng 2.1: sự phụ thuộc của cột áp thực tế vào ns ns  50÷60  60÷80  180÷350  350÷380  
 1,56÷1,24  1,24÷1,71  0,71÷0,51  0,5÷0,33   Qua (2.7), ta thấy cột áp của bơm ly tâm tỷ lệ thuận với: - Đường kính ngoài của bánh công tác. - Số vòng quay của trục bơm n. - Thành phần tốc độ c2u trong tam giác vận tốc ở lối ra của bánh công tác. Lưu lượng và số vòng quay nhất định của bánh công tác thì c2u chủ yếu phụ thuộc vào góc ra của bánh dẫn β2. Nhưng trong thực tế kỹ thuật, khả năng tăng các đại lượng này còn hạn chế bởi khả năng chống xâm thực của bơm. Đường kính ngoài của bánh công tác và trị số thành phần vận tốc c2u cũng không là quá lớn. Nếu c2u quá lớn thì tổn thất năng lượng của dòng chảy chất lỏng chuyển động qua bánh công tác sẽ rất lớn, ảnh hưởng xấu đến hiệu suất ( tính kinh tế) của nó. Do đó, cột áp của bánh công tác bơm ly tâm có hạn, trị số lớn nhất thường nhỏ hơn 250 mét cột nước. Muốn cho cột áp của bơm cao hơn nữa thì phải dùng nhiều cấp. Qua phương trình cơ bản của bơm ly tâm, ta còn thấy muốn cho cột áp bơm có lợi nhất thì bánh công tác phải có số cánh dẫn phù hợp và góc độ kết cấu cánh bơm hợp lý. 2.1.3. Lưu lượng của bơm ly tâm Lưu lượng của dòng chảy qua bánh công tác của cánh dẫn bất kỳ nào cũng có thể tính theo công thức: Q = cmπDb (2.8) Trong đó: b: Chiều rộng máng dẫn ứng với đường kính D của bánh công tác cm: Hình chiếu vận tốc tuyệt đối lên phương thẳng góc với phương của u Lưu lượng của máy bơm chủ yếu phụ thuộc vào đường kính bánh công tác, bề rộng bánh công tác, vận tốc của chất lỏng, không phụ thuộc vào trọng lượng riêng của chúng. Lưu lượng Q và cột áp H có liên quan với nhau qua tốc độ vòng quay là chính. Lưu lượng qua bánh công tác xem như lưu lượng lý thuyết (Q1) của bơm. Lưu lượng thực tế (Q) qua ống đẩy nhỏ hơn Q1 (Q < Q1), vì không phải tất cả chất lỏng sau khi ra khỏi bánh công tác đều đi vào ống đẩy mà chỉ có một phần nhỏ
Q chảy trở về lối vào bánh công tác hoặc rò rỉ ra ngoài qua các khe hở của các bộ phận lót kín. Do đó, cột áp lý thuyết Q1là: Q1 = Q +
Q Để đánh giá tổn thất lưu lượng của bơm, người ta dùng hiệu suất lưu lượng
:
=
=
(2.9)
< 1,
phụ thuộc vào kết cấu và chất lượng làm việc của các bộ phận lót kín. Thông thường đối với bơm ly tâm:
= 0,95 ÷ 0,98. Bơm có lưu lượng càng lớn thì
càng cao. 2.2. Đường đặc tính bơm ly tâm Các quan hệ H = f1 (Q), N = f2 (Q) biểu thị đặc tính làm việc của bơm, được biểu diễn dưới dạng giải tích được gọi là các phương trình đặc tính hoặc biểu diễn các đồ thị gọi là các đường đặc tính của bơm. Trong thực tế kỹ thuật, người ta hay dùng các đường đặc tính sau: - Các đường đặc tính được xây dựng từ các số liệu tính toán được gọi là đường đặc tính tính toán, nếu được 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 số vòng quay làm việc khác nhau (n = var) gọi là đường đặc tính tổng hợp. Trong ba đường đặc tính: Cột áp, công suất, hiệu suất quan trọng hơn cả là đường cột áp H = f(Q), nó cho ta biết khả năng làm việc của bơm, nên còn có tên riêng là đường đặc tính cơ bản. Từ đường đặc tính cơ bản H = f(Q), bằng tính toán có thể suy ra các đường đặc tính N = f(Q) và
= f(Q). Công dụng của các đường đặc tính là: Qua chúng ta có thể biết được một cách tổng quát các đặc tính làm việc của bơm, cho phép ta mở rộng phạm vi làm việc và sử dụng hợp lý các chế độ làm việc khác nhau của bơm. 2.2.1 Đường đặc tính làm việc (n = const), đường đặc tính tính toán. Từ phương trình cơ bản: Hlt =
Từ phương trình lưu lượng: vQ = cmπDb
Hình 2.2: Tam giác vận tốc cửa vào Từ tam giác vận tốc: c2u = u2 - c2m cotg β2 Ta có: c2m =
Do đó cột áp lý thuyết là: Hlt =
u
( u2 - c2m cotg β2) =
u
-
Q1 Đối với một bơm cho trước thì u2, D2, b2 là những đại lượng không đổi nên phương trình đặc tính cơ bản lý thuyết có dạng: Hlt = a - b cotg β2Q1 ( Trong đó a, b là những hằng số dương). Đường biểu diễn phương trình này gọi là đường đặc tính cơ bản lý thuyết, đó là một đường không qua gốc tọa độ, hệ số góc của nó tùy thuộc vào trị số góc ra của cánh dẫn β2 . Trong trường hợp tổng quát, đối với máy bơm ly tâm, ta có ba dạng đường đặc tính lý thuyết ( hình 2.3). - Nếu β2 0, ta có đường AD. - Nếu β2 = 90o thì cotg β2 = 0, ta có đường AC. - Nếu β2 > 90o thì cotg β2 > 0, ta có đường AB. Như đã phân tích ở trên đối với bơm ly tâm thì β2 < 90o, do đó đường đặc tính lý thuyết của bơm ly tâm là đường nghịch biến bậc nhất AD. Đường đặc tính lý thuyết AD biểu diễn phương trình cột áp lý thuyết: Hlt =
Trong đó chưa kể đến ảnh hưởng của số cánh dẫn có hạn và các loại tổn thất. Khi kể đến ảnh hưởng do số cánh dẫn có hạn, đường đặc tính trở thành đường A’D’ ( hình 2.3): Hlt =
Hlt Trong đó:
< 1 là hệ số kể tới ảnh hưởng của số cánh dẫn có hạn.
Hình 2.3: Đường đặc tính cơ bản tính toán của máy bơm ly tâm Khi kể tới các loại tổn thất thủy lực của dòng chất lỏng qua bánh công tác, các loại tổn thất này đều tỷ lệ với bình phương của vận tốc, nghĩa là cũng tỷ lệ với bình phương của lưu lượng thì đường đặc tính trở thành một đường cong bậc hai A”D”. Khi kể tới các loại tổn thất cơ khí và lưu lượng thì đường đặc tính dịch về phía trái và thấp hơn một chút so với đường A”D” trở thành đường A”’D”’ đây chính là đường đặc tính có bản tính toán của bơm ly tâm. 2.2.2 Đường đặc tính thực nghiệm. Cách xây dựng đường đặc tính bằng tính toán ở trên rất phức tạp và khó khăn vì việc đánh giá chính xác các loại tổn thất cả bơm rất khó còn cần phải nghiên cứu thêm nhiều. Vì vậy, trong kỹ thuật thường xây dựng các đường đặc tính bằng các số liệu đo được khi khảo nghiệm trên các máy cụ thể, gọi là đường đặc tính thực nghiệm. Muốn xây dựng các đường đặc tính thực nghiệm của bơm ly tâm thì phải cho bơm làm việc trong hệ thống thí nghiệm (hình 2.4).
Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm bơm ly tâm 1. Bể 4. Dụng cụ đo lường 2. Khóa trên ống hút 5. Khóa trên đường ống đẩy 3. Bơm A. Áp kế C. Chân không khí Trình tự tiến hành thí nghiệm để xây dựng các đường đặc tính thực nghiệm của bơm như sau: 1. Đầu tiên, mở khóa 2 ở ống hút và cho bơm làm việc cho đến khi số vòng quay của trục bơm đạt tới giá trị yêu cầu, trong đó khóa 5 ở ống đẩy vẫn đóng tức là: Q = 0. Từ các trị số đo được lúc này ở áp kế và chân không kế, ta suy ra được cột áp H của bơm ở chế độ “không tải” (Q = 0). 2. Sau đó mở dần khóa 5 ở ống đẩy để tăng lưu lượng của bơm cho đến khi đạt trị số cực đại. Trong quá trình thay đổi lưu lượng, số vòng quay làm việc của bơm vẫn không đổi. Tại mỗi vị trí mở của khóa 5, ta đo được các số liệu thí nghiệm của bơm và của động cơ để tính ra lưu lượng Q, cột áp H và công suất của động cơ Nđc. Trình tự thí nghiệm cũng có thể tiến hành ngược lại, từ chế độ làm việc có lưu lượng lớn nhất thay đổi dần (bằng cách đóng khóa 5) cho đến chế độ không tải (Q = 0). Khi xây dựng các đường đặc tính, thường lấy 6 ÷ 8 số liệu chế độ làm việc ( điểm làm việc) khác nhau của bơm. Tại mỗi điểm làm việc, từ các số liệu của Q, H ta tính được công suất thủy lực của bơm. So sánh công suất thủy lực với công suất đo được trên trục bơm, ta suy ra được hiệu suất của bơm. Như vậy từ các số liệu thí nghiệm, ta có thể xây dựng được các đường đặc tính thực nghiệm của bơm H-Q, N-Q,
-Q (hình 2.5). Các đường đặc tính thực nghiệm của bơm, về hình dạng nói chung cũng giống như các đường đặc tính tính toán, nhưng không trùng nhau, hay nói cách khác về định tính giống nhau nhưng về định lượng thì khác nhau. Điều này có thể giải thích như đã phân tích ở trên là trong tính toán không thể đánh giá hoàn toàn đúng các loại tổn thất của bơm so với thực tế. Các đường đặc tính này thường được ghi trong các tài liệu kỹ thuật của bơm. Đối với bơm ly tâm, ngoài ba đường trên còn có thêm đường biểu diễn quan hệ cột áp chân không cho phép với lưu lượng [Hck] = f(Q).
Hình 2.5: Đường đặc tính thực nghiệm của bơm ly tâm Hình dạng các đường đặc tính phụ thuộc vào từng loại bơm, đối với bơm ly tâm thường có ba dạng: Dạng dốc đứng (đường I), dạng dốc vừa (đường II), dạng dốc lồi (đường III) (hình 2.6). Đường đặc tính dạng lồi có điểm Hmax khi Q # 0, bơm có dạng đường đặc tính này. Dạng đường đặc tính này có khu vực làm việc không ổn định (quanh khu vực Hmax ứng với mỗi trị số cột áp H có thể có hai trị số lưu lượng ta sẽ xét cụ thể ở phần sau). Vì vậy, đường đặc tính dạng lồi gọi là đường đặc tính không ổn định. Còn loại đường đặc tính có hai dạng kia gọi là đường đặc tính ổn định.
Hình 2.6: Các dạng đường đặc tính của bơm ly tâm 2.2.3. Công dụng của các đường đặc tính Qua các đường đặc tính H-Q, N-Q,
- Q, ta thấy được khu vực làm việc có lợi nhất ứng với hiệu suất cao nhất của bơm. Vì vậy, để nâng cao chỉ tiêu kinh tế sử dụng cho bơm, ta nên chọn chế độ làm việc của bơm ứng với điểm có
hoặc khu vực gần đấy sao cho có
= (
- 7%). Thường khu vực này có đánh dấu trên đường đặc tính H-Q. Qua hình dạng của các đường đặc tính, ta có thể biết được tính năng làm việc của bơm để sử dụng cách hợp lý. 2.2.4. Đường đặc tính tổng hợp Mỗi đường đặc tính làm việc được xây dựng với một số vòng quay không đổi của bơm. Nếu thay đổi số vòng quay làm việc thì đường đặc tính làm việc cũng thay đổi theo. Để biết được nhanh chóng các thông số Q,
, N của bơm thay đổi như thế nào khi số vòng quay của bơm thay đổi, người ta xây dựng đường đặc tính tổng hợp của bơm (hình 2.7).