Nếu bạn muốn tối ưu hóa thiết kế cánh quạt bơm ly tâm. Vì vậy, cần làm rõ mục đích của việc tối ưu hóa: cải thiện hiệu suất hít vào? Cải thiện hiệu suất của máy bơm? Điều chỉnh biên độ tăng của đường cong Q-H... rồi tối ưu hóa nó theo nhu cầu cụ thể. Bộ phận thủy lực chính ảnh hưởng đến hiệu suất của máy bơm ly tâm là cánh quạt, ngoài ra còn có các bộ phận dòng chảy như cánh xoắn/cánh dẫn hướng được kết hợp với nó.
Cơ học chất lỏng là một môn học bán lý thuyết và bán thực nghiệm, và vẫn còn nhiều lĩnh vực không thể thiết kế, mô phỏng và dự đoán chính xác, chẳng hạn như không thể mô phỏng chính xác trạng thái dòng chảy thực sự của chất lỏng và tác động của chúng đến hiệu suất của máy bơm trong các cấu trúc, nhiệt độ và phương tiện bơm khác nhau. Do đó, bài viết này chỉ có thể giải thích ngắn gọn cách tối ưu hóa cánh quạt của máy bơm ly tâm để cải thiện hiệu suất hút và thủy lực của nó từ góc độ định tính, kết hợp với kinh nghiệm. Chỉ để tham khảo.
1. Cải thiện hiệu suất hít vào
Có hai kiểu uốn cho cánh quạt: uốn về phía trước và uốn về phía sau. Do hiệu quả của nó trong việc tối đa hóa công suất, truyền lực quay cao cho chất lỏng và ngăn chặn sự phân tách dòng chảy, máy bơm ly tâm thường sử dụng cánh quạt có lưỡi cong phía sau.
Đối với thân máy bơm, đặc tính tạo bọt và hiệu suất hút của máy bơm bị ảnh hưởng phần lớn bởi hình dạng hình học và diện tích của đầu vào bánh công tác. Nhiều yếu tố hình học ở đầu vào của bánh công tác có thể ảnh hưởng đến hiện tượng xâm thực, chẳng hạn như đường kính đầu vào và trục, góc đầu vào của cánh và góc tới của dòng chảy ngược dòng, số lượng và độ dày của cánh, diện tích họng cánh, độ nhám bề mặt, mặt cắt cạnh đầu cánh, v.v. Ngoài ra, nó còn liên quan đến đường kính ngoài của cánh cánh quạt và kích thước khe hở giữa các cánh dẫn hướng (đối với máy bơm cánh dẫn hướng) hoặc ống xoắn (đối với máy bơm xoắn ốc).
1) Đường kính đầu vào/diện tích đầu vào của bánh công tác
Để cải thiện hiệu suất hút của máy bơm ly tâm, các nhà thiết kế thường đạt được điều này bằng cách tăng đường kính đầu vào của bánh công tác. Ngày nay, phương pháp thiết kế này vẫn đang được sử dụng trong thiết kế kỹ thuật máy bơm ly tâm.
Khi đường kính trục bằng nhau và độ hở đường kính ở vòng miệng bánh công tác là như nhau thì hiệu suất hút càng tốt (diện tích đầu vào của bánh công tác càng lớn thì giá trị tốc độ riêng của lực hút càng cao), diện tích khe hở ở vòng miệng bánh công tác càng lớn, nghĩa là lượng rò rỉ càng lớn và hiệu suất bơm càng thấp.
Tuy nhiên, đối với phương pháp cải thiện hiệu suất hút bằng cách tăng đường kính đầu vào của bánh công tác, phải đặc biệt chú ý đến:
Không được phép làm cho giá trị tốc độ riêng của lực hút vượt quá đáng kể các giá trị được chỉ định trong các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật liên quan, nếu không sẽ dẫn đến phạm vi hoạt động ổn định hẹp của máy bơm.
2) Hình dạng cạnh đầu lưỡi
Đáp ứng các ràng buộc về cơ học và sản xuất về độ dày của lưỡi cắt, việc áp dụng cấu hình parabol có thể cải thiện hiệu suất hút của bánh công tác. Hiệu suất hút của đường viền hình elip đứng thứ hai và hình dạng này là lựa chọn đường viền mặc định cho cạnh đầu vì nó có thể dễ dàng đáp ứng các giới hạn cơ học và chế tạo của độ dày cạnh đầu của lưỡi dao.
3) Bán kính cong của phần đầu vào của tấm vỏ cánh quạt
Do lực ly tâm tác dụng lên dòng chất lỏng ở đầu vào của bánh công tác tại điểm quay nên áp suất thấp và tốc độ dòng chảy cao gần tấm bìa trước dẫn đến phân bố vận tốc không đồng đều ở đầu vào của bánh công tác. Việc tăng bán kính cong của phần đầu vào của tấm che một cách thích hợp có lợi cho việc giảm vận tốc tuyệt đối ở tấm bìa phía trước (phía trước đầu vào của cánh một chút) và cải thiện tính đồng nhất của phân bổ vận tốc, giảm độ sụt áp ở phần đầu vào của máy bơm, từ đó giảm NPSHR và cải thiện hiệu suất chống xâm thực của máy bơm.
4) Vị trí của cạnh đầu vào của lưỡi dao và hình dạng của phần đầu vào
Mép đầu vào của lưỡi dao kéo dài sang một bên về phía cổng hút, sử dụng cạnh đầu vào của lưỡi dao quét ngược (cạnh đầu vào không nằm trên cùng một trục và mép ngoài được bù một góc nhất định về phía sau), cho phép dòng chất lỏng chảy về phía trung tâm nhận được tác động trước của lưỡi dao và tăng áp suất.
Mép đầu vào của lưỡi kéo dài về phía trước và nghiêng, gây ra vận tốc chu vi khác nhau tại mỗi điểm. Nói chung, vận tốc hướng trục được phân bố gần như đồng đều dọc theo mép cửa vào, dẫn đến các góc dòng tương đối khác nhau tại mỗi điểm trên mép cửa vào. Để đáp ứng tình trạng dòng chảy này và giảm tổn thất do va đập, đầu vào của cánh quạt phải được chế tạo thành hình dạng xoắn trong không gian, đó là lý do tại sao nhiều bộ phận đầu vào của cánh cánh quạt-tốc độ thấp cũng được chế tạo thành các cánh xoắn.
5) Góc đầu vào của lưỡi
Điều kiện thiết kế áp dụng góc tấn công dương lớn hơn một chút để tăng góc đầu vào của cánh, giảm độ uốn ở đầu vào của cánh, giảm độ dịch chuyển của cánh, tăng diện tích dòng vào của cánh và do đó cải thiện hiệu suất hút. Đồng thời, nó cũng sẽ cải thiện môi trường hoạt động trong điều kiện lưu lượng giao thông cao để giảm tổn thất giao thông. Tuy nhiên, góc tấn công không được quá lớn, nếu không sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả.
6) Độ dày và độ mịn của đầu vào lưỡi
Giảm độ dày của đầu vào lưỡi dao một cách thích hợp và làm tròn nó để làm cho nó gần với hình dạng thuôn gọn hơn. Việc giảm độ dày của lưỡi cắt không chỉ mở rộng diện tích kênh hút của bánh công tác, giảm tốc độ dòng chảy và tăng áp suất (hình dạng của đầu vào của lưỡi rất nhạy cảm với việc giảm áp suất) mà còn cải thiện độ mịn bề mặt của bánh công tác và đầu vào của lưỡi, giảm tổn thất điện trở. Những biện pháp này đều có lợi cho việc cải thiện hiệu suất hút của máy bơm.
7) Lỗ cân bằng
Lỗ cân bằng trên bánh công tác có tác động phá hủy nhất định đối với dòng chính đi vào bánh công tác do rò rỉ (diện tích lỗ cân bằng không được nhỏ hơn 5 lần diện tích khe hở bịt kín để giảm tốc độ dòng rò rỉ và do đó giảm thiểu tác động đến dòng chính). Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi một lỗ cân bằng được mở trên cánh quạt, cường độ xoáy phía sau cánh quạt sẽ giảm và một số xoáy thậm chí có thể biến mất, cải thiện hiệu suất hút của máy bơm.
8) Đường kính đầu ra của cánh quạt
Đường kính cánh quạt giảm một chút sẽ chỉ làm tăng nhẹ NPSHR. Nhưng khi đường kính giảm từ 5% đến 10%, NPSHR sẽ tăng đáng kể, do việc giảm chiều dài cánh sẽ làm tăng tải trọng cụ thể của cánh, từ đó ảnh hưởng đến sự phân bổ vận tốc ở đầu vào của bánh công tác.
Ghi chú:
1) Cố gắng tránh sử dụng phương pháp tăng diện tích đầu vào của bánh công tác để cải thiện hiệu suất hút và tránh vượt quá tốc độ cụ thể của lực hút, nếu không sẽ dễ gây trào ngược đầu vào và mở rộng vùng hoạt động không ổn định của máy bơm.
2) Nên tránh xảy ra hội chứng xâm thực kênh lưỡi. Loại hư hỏng do tạo bọt này là do khe hở nhỏ giữa các cánh dẫn hướng (đối với máy bơm cánh dẫn hướng) hoặc các ống xoắn (đối với máy bơm xoắn ốc) và đường kính ngoài của các cánh cánh quạt. Khi chất lỏng chảy qua kênh nhỏ, sự gia tăng vận tốc chất lỏng làm giảm áp suất chất lỏng, sự bay hơi cục bộ và tạo ra bong bóng, sau đó vỡ ra ở áp suất cao hơn, dẫn đến tạo bọt.
2. Cải thiện hiệu suất thủy lực
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thủy lực của máy bơm, và các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất thủy lực của cánh quạt là các tổn thất khác nhau. Cụ thể có:
1) Số lượng lá
Đối với máy bơm ly tâm, việc tăng số lượng cánh quạt nhìn chung có thể cải thiện lưu lượng chất lỏng và tăng đầu bơm một cách thích hợp. Tuy nhiên, việc tăng số lượng cánh sẽ làm giảm diện tích dòng chảy của kênh dẫn đến tăng tốc độ dòng chảy và tổn thất ma sát của các cánh.
Do đó, việc tăng số lượng cánh quạt quá mức không chỉ làm giảm hiệu suất và làm giảm hiệu suất tạo bọt của bánh công tác mà còn có thể gây ra hiện tượng cong trên đường cong hiệu suất của máy bơm. Ngoài ra, việc tăng số lượng cánh quạt sẽ làm phẳng xu hướng đi lên của đường đặc tính cột nước (từ điểm định mức) đến điểm chết tới hạn; Ngược lại, khi số lượng cánh giảm đi, đường cong đặc trưng của phần đầu trở nên dốc hơn. Thông thường, 5-7 cánh quạt được chọn cho cánh quạt bơm ly tâm có số lượng cánh quạt lớn.
2) Lá dài và lá ngắn
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng bất kỳ sự kết hợp nào giữa các cánh ngắn và dài trong cánh quạt máy bơm sẽ có lợi cho việc cải thiện hiệu suất của máy bơm, vì nó có thể ngăn chặn một cách hiệu quả mọi sự phát triển của dòng nhiễu do phân bố vận tốc không đồng đều gần đầu vào của cánh quạt.
3) Lưỡi xoắn
Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng máy bơm có cánh xoắn có hiệu suất cao hơn ở gần điểm vận hành thiết kế và ở khu vực có lưu lượng cao so với máy bơm có cánh cong. Đồng thời, máy bơm có cánh xoắn có cột áp tại điểm tới hạn cao hơn so với máy bơm có cánh cong (có thể thay đổi xu hướng đi lên của đường cong đặc tính cột áp tại điểm tới hạn, đặc biệt đối với máy bơm ly tâm tốc độ riêng thấp, có thể cải thiện/loại bỏ bướu một cách hiệu quả).
4) Đường kính đầu ra của cánh quạt
Tiêu chuẩn API 610 không cho phép máy bơm đạt đường kính cánh quạt tối đa và yêu cầu cắt cánh quạt để đáp ứng hiệu suất yêu cầu của máy bơm. Nếu lựa chọn máy bơm quá lớn, việc cắt cánh quạt là phương pháp tương đối tiết kiệm và hiệu quả để giảm áp suất và lưu lượng sinh ra. Mặc dù việc cắt cánh quạt hiệu quả hơn so với việc sử dụng van tiết lưu để đáp ứng các điều kiện vận hành cần thiết, nhưng hiệu suất của nó thường thấp hơn so với một-cánh quạt có kích thước đầy đủ vì các cánh cánh quạt bị rút ngắn và khoảng cách giữa các cánh cánh quạt và vỏ máy bơm tăng lên.
Đối với các cánh quạt hướng tâm, đường kính của chúng không được giảm quá 70% đường kính thiết kế tối đa. Việc giảm đường kính cánh quạt bơm cũng sẽ thay đổi chiều rộng kênh đầu ra, góc đầu ra của lưỡi dao và chiều dài lưỡi dao. Đường kính bánh công tác càng giảm so với đường kính tối đa thì hiệu suất bơm sẽ càng giảm khi cắt bánh công tác và điểm hiệu suất cao nhất sẽ chuyển sang tốc độ dòng chảy thấp hơn.
3. Ảnh hưởng của các thông số khác đến hiệu suất máy bơm
1) Chiều rộng lưỡi của bánh công tác
Khi chiều rộng cánh quạt tăng, áp suất chất lỏng giảm, do đó cột áp sẽ giảm khi chiều rộng cánh cánh quạt tăng; Ảnh hưởng của chiều rộng cánh đến hiệu suất của điểm hiệu suất tối ưu thường không đáng kể (khi chiều rộng cánh tăng, hiệu suất của điểm hiệu suất tối ưu có thể tăng nhẹ), nhưng vùng hiệu suất cao sẽ chuyển sang tốc độ dòng chảy thấp hơn khi chiều rộng cánh giảm. Tác động của hiệu suất đáng kể hơn ở tốc độ dòng thể tích lớn hơn, nói cách khác, khi chiều rộng cánh tăng lên, đường cong hiệu suất giảm nhanh về bên phải điểm hiệu suất tối ưu.
2) Góc đầu ra của cánh quạt
Góc lưỡi đầu ra càng lớn thì đầu càng cao ở tốc độ nhất định nhưng phải trả giá bằng hiệu suất và hiệu suất mài mòn thấp hơn. Góc đầu ra của lưỡi cắt thấp hơn giúp tăng hiệu quả và chiều dài lưỡi cắt nhưng lại phải giảm đầu phun. Do đó, góc lưỡi xuất thường cần được tối ưu hóa để đạt được sự cân bằng của các yếu tố này. Cột áp tăng khi góc cánh đầu ra tăng, điều này có thể được giải thích bằng sự tăng kích thước mặt cắt-đầu ra so với góc cánh đầu ra tăng lên, dẫn đến giảm độ sụt áp suất chất lỏng trong kênh dòng chảy giữa các cánh.
Nghiên cứu cho thấy giá trị hiệu suất tối đa giảm khi góc đầu ra của lưỡi tăng lên. Khi góc cánh đầu ra nhỏ, hiệu suất của máy bơm ở phía bên phải của điểm hiệu suất cao nhất sẽ giảm nhanh chóng.
3) Lưỡi chia đầu ra của cánh quạt
Việc thêm các lưỡi chia ở phía đầu ra của bánh công tác sẽ làm tăng đầu bơm và hiệu suất thủy lực, đồng thời mức tăng về đầu và hiệu suất sẽ lớn hơn khi chiều dài của các lưỡi chia tăng lên. Chiều dài của lưỡi chia thường không vượt quá 0,5 lần chiều dài lưỡi ban đầu, tùy thuộc vào kích thước của cánh quạt, hình dạng của lưỡi và số lượng lưỡi.
4) Cắt cạnh đầu ra của cánh quạt
Việc mài mặt sau của các cánh đầu ra của bánh công tác sẽ mở rộng diện tích kênh dòng chảy của đầu ra của bánh công tác, do đó làm tăng tốc độ dòng chảy của bánh công tác. Khi diện tích kênh đầu ra mở rộng, cột áp cũng sẽ tăng lên và điểm hiệu suất tối ưu của máy bơm sẽ dịch chuyển về phía lưu lượng cao.