Bài giảng Cao học Cơ sở khoa học nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực - GS.TS. Lê Chí Nguyện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI<br /> BỘ MÔN KỸ THUẬT HẠ TẦNG VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN<br /> ---------------*--------------<br /> <br /> BÀI GIẢNG CAO HỌC<br /> CƠ SỞ KHOA HỌC<br /> NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC<br /> <br /> GS. TS.LÊ CHÍ NGUYỆN<br /> <br /> HÀ NỘI - 2013<br /> <br /> MỞ ĐẦU<br /> Máy bơm và trạm bơm là một loại thiết bị và công trình được sử dụng rất<br /> rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân.<br /> Nhằm mục đích tưới tiêu và cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp,<br /> đến nay chúng ta đã xây dựng nhiều trạm bơm lớn, nhỏ.<br /> Tất cả các trạm bơm trên đều do cán bộ kỹ thuật nước ta thiết kế, xây<br /> dựng và quản lý vận hành và đã phát huy hiệu quả tưới tiêu đảm bảo an toàn sản<br /> xuất nông nghiệp nâng cao năng suất và sản lượng cây trồng.<br /> Song song với các trạm bơm tưới tiêu có áp lực thấp xây dựng chủ yếu ở<br /> các vùng đồng bằng, các trạm bơm áp lực cao dùng để tưới cho các vùng đồi,<br /> cây chuyên canh, sử dụng các kỹ thuật tưới phun, tưới gốc…., các trạm bơm<br /> cấp nước cho các khu dân cư đang được xây dựng và phát triển.<br /> Để đáp ứng yêu cầu sản xuất, không ngừng hiện đại hóa hệ thống thủy lợi<br /> ở nước ta yêu cầu cấp thiết phải:<br /> 1. Nâng cao trình độ thiết kế, xây dựng đảm bảo công trình hiện đại, hợp<br /> lý.<br /> 2. Nâng cao trình độ khai thác vận hành để giảm chi phí quản lý, tăng hiệu<br /> quả tưới, tiêu và cấp thoát nước.<br /> Để đáp ứng các yêu cầu trên, cần thiết phải nghiên cứu để giải quyết<br /> những vấn đề sau đây :<br /> Về máy bơm :<br /> 1. Xác định được một gam bơm hợp lý phủ được toàn bộ các yêu cầu<br /> dùng bơm trong cả nước.<br /> 2. Hiện đại hóa thiết bị và trình độ chế tạo.<br /> 3. Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống dẫn dòng thủy lực (bánh xe cánh quạt,<br /> cánh hướng nước…) để nâng cao hiệu suất bơm, kết cấu bơm gọn nhẹ.<br /> 4. Nghiên cứu áp dụng các vật liệu mới nâng cao độ bền, giảm trọng<br /> lượng, chống khí thực, nước va…<br /> Về trạm bơm:<br /> 1. Nghiên cứu xác định quy mô tối ưu các hệ thống tưới tiêu bằng động<br /> lực.<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2. Nghiên cứu xác định các thông số thiết kế hợp lý Zh, Zt, H, Q… cho<br /> các trạm bơm tưới, tiêu và cấp nước.<br /> 3. Nghiên cứu các kết cấu nhà trạm phù hợp với các loại thiết bị bơm và<br /> yêu cầu về nền móng và các điều kiện tự nhiên khác.<br /> 4. Nghiên cứu hình dạng và cấu tạo hợp lý các công trình hút nước, tháo<br /> nước.<br /> 5. Phương pháp tính toán tối ưu mạng ống tưới và cấp nước.<br /> 6. Nghiên cứu lập chương trình điều khiển, vận hành tối ưu các trạm bơm<br /> và hệ thống tưới tiêu cấp nước bằng động lực.<br /> Những vấn đề trên được giải quyết dựa vào các cơ sở.<br /> - Lý thuyết phân tích hệ thống<br /> - Lý thuyết tối ưu<br /> - Lý thuyết về thủy lực và cơ chất lỏng<br /> - Các phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý…<br /> Cuốn sách này giúp người đọc nâng cao một số kiến thức chủ yếu về máy<br /> bơm, trạm bơm và cung cấp một số vấn đề cơ sở có thể áp dụng để giải quyết<br /> các bài toán về hệ thống tưới tiêu và cấp nước bằng động lực.<br /> <br /> CHƯƠNG I:<br /> ĐẶC TÍNH MÁY BƠM VÀ TRẠM BƠM<br /> 1.1. ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH MÁY BƠM<br /> 1.1.1. Đường đặc tính máy bơm cánh quạt:<br /> <br /> 2<br /> <br /> •<br /> <br /> Máy bơm cánh quạt là máy bơm có bánh xe công tác (BXCT) gắn cnh<br /> quạt v khi BXCT quay sẽ truyền năng lượng cho chất lỏng.<br /> <br /> •<br /> <br /> Đây là loại máy bơm được dng phổ biến nhất và được nghin cứu đầy đủ<br /> nhất.<br /> <br /> Máy bơm cánh quạt được phn ra thnh 3 loại theo hướng của dịng chảy<br /> chuyển động trong máy bơm so với trục bơm:<br /> - M¸y b¬m ly t©m<br /> - M¸y b¬m hưíng trơc<br /> - M¸y b¬m hưíng chÐo<br /> <br /> MBLT<br /> <br /> MBHC<br /> <br /> MBHT<br /> <br /> Đặc tính công tác của mỗi loại máy bơm biểu thị bằng các đường đặc tính<br /> máy bơm. Đường đặc tính máy bơm là đường quan hệ giữa các thông số cột<br /> nước H, công suất N, hiệu suất và đặc tính hút (Độ cao chân không cho phép, độ<br /> cao hút cho phép hoặc độ dữ khí thực) với lưu lượng Q, số vòng quay n và<br /> đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D.<br /> Với một máy bơm (D = const) làm việc với số vòng quay n = const có<br /> một họ đường đặc tính gồm H = f(Q), η = f(Q), N = f(Q), ∆H(NPSH) = f(Q)<br /> (hoặc [H CK ] = f(Q)).<br /> Họ đường đặc tính này có dạng khác nhau tùy theo loại khác nhau của<br /> máy bơm cánh quạt. Máy bơm cánh quạt có 3 loại :<br /> - Bơm ly tâm : n S ≤ 300<br /> - Bơm hướng chéo n S > 300 ÷ 500<br /> - Bơm hướng trục n S > 500<br /> Dạng đường đặc tính của ba loại máy bơm cánh quạt này (hình 1.1) có<br /> khác nhau.<br /> <br /> 3<br /> <br /> Η<br /> η<br /> Ν<br /> <br /> Η<br /> η<br /> Ν<br /> <br /> η=f(Q)<br /> <br /> Η A' A<br /> η<br /> Ν<br /> <br /> η=f(Q)<br /> <br /> η=f(Q)<br /> B<br /> <br /> Η=f(Q)<br /> <br /> B'<br /> <br /> Η=f(Q)<br /> Ν=f(Q)<br /> <br /> Ν=f(Q)<br /> Q<br /> <br /> a. Bơm ly tâm<br /> <br /> C<br /> C'<br /> <br /> Η=f(Q)<br /> Ν=f(Q)<br /> <br /> Q<br /> <br /> Q<br /> <br /> b. Bơm hướng chéo<br /> <br /> c. Bơm hướng trục<br /> <br /> Hình1 : Dạng đường đặc tính máy bơm cánh quạt<br /> * Máy bơm ly tâm, là loại máy bơm truyền lực ly tâm cho chất lỏng, có hệ<br /> số tỷ tốc n S ≤ 300. Họ đường đặc tính bơm ly tâm biểu thị ở hình 1-1a.<br /> Dạng đường H = f(Q) có dạng cong trơn, phạm vi hiệu suất cao rộng,<br /> Đường N = f(Q) tăng dần theo lưu lượng.<br /> Máy bơm hướng trục truyền lực nâng cho chất lỏng có n S ≥ 500 có họ<br /> đường đặc tính biểu thị ở hình 1.1.c. Đường H = f(Q) và N = f(Q) giảm với tốc<br /> độ lớn theo Q tăng và xuất hiện các cực đại và cực tiểu. Vùng từ cực đại C về<br /> phía Q giảm đột ngột. Đường hiệu suất η = f(Q) nhọn nên phạm vi hiệu suất cao<br /> thường rất bé.<br /> Máy bơm hướng chéo (hỗn lưu) là loại máy bơm truyền cho chất lỏng cả<br /> lực ly tâm và lực nâng, hệ số tỷ tốc n S = 300 ÷ 500. Các dạng đường đặc tính<br /> đều nằm trung bình giữa đường đặc tính của hai loại máy bơm li tâm và hướng<br /> trục. Đặc biệt đường N = f(Q) thay đổi rất ít khi Q thay đổi làm cho động cơ làm<br /> việc khá ổn định.<br /> 1.1.2. Sự tương tự của đường đặc tính máy bơm.<br /> Việc xác định các đường đặc tính máy bơm bằng lý thuyết có rất nhiều<br /> khó khăn. Vì vậy hiện nay để có các đường đặc tính mỗi loại máy bơm đều dựa<br /> vào kết quả thí nghiệm đồng thời dùng phương pháp tương tự và phân tích thứ<br /> nguyên làm cơ sở để tổng hợp phát triển kết quả thí nghiệm.<br /> Phương pháp tương tự và thứ nguyên cho ta tìm được các quy luật quan hệ<br /> giữa cột nước H = f(Q,n,D), công suất N = f(Q,n,D) với lưu lượng Q, số vòng<br /> quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D, khi đồng dạng hình học giữa 2<br /> máy bơm đã được xác lập, tức là tỷ số kích thước hình học của hai bộ phận dẫn<br /> l<br /> l2<br /> <br /> D<br /> D2<br /> <br /> 1<br /> 1<br /> dòng của 2 máy bơm luôn luôn không thay đổi (= = const ).<br /> <br /> 4<br /> <br />