Những dấu hiệu và tác hại của hiện tượng khí thực

Khi vận hành trạm bơm, nhất là vận hành ở trạng thái khác với trạng thái thiết kế, nếu nghe có tiếng nổ dòn, máy bị rung động là có thể có khí thực phát sinh, vì rằng khi có hiện tượng khí thực các bọt khí ngưng tụ lại nên phát sinh tiếng ồn. Nếu nghe thấy tiếng nổ có chu kỳ tức là các bọt khí nhỏ hợp thành các bọt khí lớn.

Khi mở máy ra quan sát, nếu thấy các bộ phận qua nước bị rỗ tổ ong, có nghĩa là hiện tượng khí thực đã gây phá hoại bề mặt các bộ phận đó, thường các mặt phía sau cánh bị rỗ nặng hơn. Khi Q > Qtk thì có thể rỗ cả mặt trước của cánh. Những nơi thường bị rỗ nhất là: mép ra cánh, khe hở giữa cánh và vỏ, mặt cánh nơi tách dòng với vận tốc tương đối W. Khi vận hành lưu lượng quá lớn trong thời gian dài thì ngay phần vỏ xoắn cũng có thể bị rỗ.

Trong vận hành còn có dấu hiệu : Khi bơm lâm vào khí thực thì do chất lỏng phát sinh bọt khí làm cho cột nước giảm. Bọt khí nhiều dễ sinh tách dòng . Lúc này cả H, N,  đều giảm. Tuy nhiên tùy thuộc vào tỷ tốc mà độ giảm có mức độ khác nhau: Ở bơm li tâm tỷ tốc thấp, vì khe cánh hẹp do vậy khi phát sinh khí thực thì khí thực sẽ nhanh chóng phát triễn toàn khe, dẫn tới H, N,  giảm nhanh ở một lưu lượng nào đó. Ở máy bơm hướng trục, tỷ tốc cao, do khe cánh quá rộng do vậy khí thực chỉ có ở một phần tiết diện qua nước, do vậy H, N,  giảm từ từ, không có điểm gián đoạn như bơm li tâm vì vậy khó phát hiện hơn. Tuy nhiên khi phát sinh khí thực thì đường đặc  - Q giảm trước hai đường H - Q và N - Q, do vậy thường bơm hướng trục dùng việc giảm đường  - Q để nhận biết sự xuất hiện của hiện tượng khí thực.

Các biện pháp phòng ngừa hiện tượng khí thực.

Việc phòng ngừa hiện tượng khí thực phải được tiến hành ở mọi giai đoạn.

Trong việc chế tạo máy bơm, để tăng khả năng kháng chịu của máy bơm khi có xảy ra khí thực, người sử dụng thép không rỉ có hàm lượng crôm từ 12 ... 14% và kền từ 0,5 ...0,8%. Thiết kế dạng cánh hợp lý, mặt sau cánh có sự giảm áp lực đồng đều, không giảm đột ngột. Góc ${\beta }_1$ ở cửa vào có gía trị nhỏ để độ dự trữ khí thực yêu cầu sẽ nhỏ do đó ít có khả năng phát sinh khí thực hơn. Dòng chảy vào BXCT không làm ngoặt đột ngột. Dùng bơm li tâm hai cửa vào để giảm vận tốc hoặc mở rộng đường kính vào D1, nhưng việc mở rộng này không nên làm cho tỷ số D2/D1 quá nhỏ để chiều dài khe cánh không quá nhỏ mới không sinh khí thực.

Về thiết kế công trình: Không chọn $h_s$ quá cao so với bể hút , nhưng cũng không chọn quá thấp để tránh xây lắp khối lượng lớn không kinh tế. Đối với máy bơm nhỏ có thể tăng đường kính và giảm chiều dài ống hút, giảm số lượng chỗ ngoặt, nên bỏ van trên ống hút để dòng chảy phân bố đều ... nhằm giảm tổn thất $h_{\text{msh}}$. Đối với bơm hướng trục lớn việc chọn hình thức và kích thước ống hút, buồng hút hợp lý cũng là một biện pháp chống khí thực .

Trong giai đoạn vận hành: Cho máy chạy phải đảm bảo độ cao hút nước nhỏ hơn độ cao hút nước cho phép. Khi mực nước trong bể hút thấp hơn mực nước cho phép thì phải dừng ngay máy. Tìm biện pháp giảm tổn thất thủy lực trong ống hút và bể hút. Có thể nghiên cứu việc dùng van phá chân không để phá khí thực. Tuy nhiên việc phá chân không có thể làm giảm khả năng hút của máy bơm mà việc chống khí thực chưa chắc có tác dụng tốt.

Tính độ cao hút theo độ chân không cho phép [ Hck size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "ck"} } } {}].

Viết phương trình Becnully cho hai mặt cắt 0 - 0 và B - B ( xem Hình 5 - 3,a ):

$\frac{p_a}{g}=h_s+\frac{p_b}{g}+\frac{C_b^2}{\mathrm{2g}}+h_{\text{msh}}$, trong đó $h_{\text{msh}}$ là tổn thất thủy lực trong ống hút.

Chuyển vế công thức trên ta có : $h_s=\frac{p_{a-}{p}_b}{g}-h_{\text{msh}}-\frac{C_b^2}{\mathrm{2g}}$, vì $H_{\text{ck}}=\frac{p_{a-}{p}_b}{g}$ vậy

$h_s=H_{\text{ck}}-h_{\text{msh}}-\frac{C_b^2}{\mathrm{2g}}$ , ( * )

Khi $H_{\text{ck}}$ đạt tới giới hạn cho phép $[H_{\text{ck}}]$thì độ cao hút $h_s$cũng đạt đến độ hút cho phép [ $h_s$]. Vậy thay vào ( * ) ta có:

[ $h_s]=[H_{\text{ck}}]-h_{\text{msh}}-\frac{C_b^2}{\mathrm{2g}}$( 5 - 3 )

Độ cao [ $H_{\text{ck}}]$có thể tra trên đường đặc tính của máy bơm. Sử dụng trị số này từ đường đặc tính cần chú ý hiệu chỉnh cho phù hợp với thực tế vì rằng thí nghiệm mô hình đã tiến hành trong điều kiện chuẩn: với cột áp khí quyển $H_a=\frac{p_a}{g}=\text{10}$ mét cột nước, nhiệt độ không khí nơi thí nghiệm t = 200C ( $H_{\text{hh}}=\frac{p_{\text{hh}}}{g}=\mathrm{0,}\text{24}$mét cột nước ) và vòng quay máy bơm thí nghiệm bằng vòng quay định mức ( $n_{\text{tk}}$). Cách hiệu chỉnh như sau:

Trong công thức ( 5 -3 ) khi hiệu chỉnh thay [ $H_{\text{ck}}]$bởi kí hiệu [ $H_{\text{ck}}^{\text{'}}]$:

- Khi $H_a$  10 m thì: [ $H_{\text{ck}}^{\text{'}}]=[H_{\text{ck}}]-\text{10}¸H_a$;

- Khi $H_a$  10 m và t  200C thì: [ $H_{\text{ck}}^{\text{'}}]=[H_{\text{ck}}]-\text{10}¸H_a¸\mathrm{0,}\text{24}-H_{\text{hh}}$;

- Khi n  $n_{\text{tk}}$ thì: [ $H_{\text{ck}}^{\text{'}}]=\left\{H_a-(H_a-[H_{\text{ck}}])(\frac{n}{n_{\text{tk}}}{)}^2\right\}$;

- Khi đặt máy bơm ở độ cao $Ñ$ 0 thì: $H_a=\text{10},\text{33}-\frac{Ñ}{\text{900}}$.

Ta còn có thể tra $H_a$ ở các cao độ theo bảng ( 5 -1 ) và $H_{\text{hh}}$ theo bảng ( 5 - 2 ):

Bảng ( 5 - 1)

Bảng ( 5 - 2 )

Bơm li tâm sử dụng độ chân không $[H_{\text{ck}}]$để xác định độ cao hút cho phép [ $h_s]$.

Tính độ cao hút theo độ dự trữ khí thực Dh size 12{Dh} {}:

Bơm hướng trục dùng độ dự trữ khí thực tới hạn cho phép $\mathrm{Dh}$ để tính độ cao hút cho phép [ $h_s]$. Hình 5 - 3, ta đã viết phương trình Becnully cho hai mặt cắt 0 - 0 và điểm K và đã có được công thức ( 5 - 1 ), chuyển vế ta có:

${}^{\frac{p_a}{g}=\frac{p_k}{g}¸\frac{C_k^2}{\mathrm{2g}}¸h_s^k¸h_{\text{msh}}¸h_{\text{msvk}}}$

nếu đặt $H_s=h_{\text{msh}}¸h_s^k$. trong đó như đã biết $h_s^k$ là độ cao hút từ mực nước bể hút đến điểm K đang nghiên cứu, còn $h_{\text{msh}}$ là tổn thất cột cột nước trong ống hút. Vậy ta có:

${}^{\frac{p_a}{g}=\frac{p_k}{g}¸\frac{C_k^2}{\mathrm{2g}}¸H_s¸h_{\text{msvk}}}$( * )

Thành phần tổn thất thủy lực từ cửa vào BXCT đến điểm K ( $h_{\text{msvk}}$) với khoảng cách ngắn do đó chỉ xét đến tổn thất cục bộ, nên :

$h_{\text{msvk}}=\lambda \cdot \frac{W_k^2}{\mathrm{2g}}$

Trong đó : $W_k$là vận tốc tương đối của chất lỏng tại điểm K trên BXCT; $\lambda$là hệ số tính đến việc giảm áp lực thủy tĩnh, hệ số này phụ thuộc vào biên dạng cánh, hệ số tỷ tốc và các yếu tố khác, thường vào khoảng 0,2 ... 0,4 .

Thay trị số $h_{\text{msvk}}$ vào ( * ) rồi chuyển đổi công thức ta có ta có :

$H_s=\frac{p_a}{g}-\frac{p_k}{g}-\frac{C_k^2¸\lambda W_k^2}{\mathrm{2g}}$= $H_a-H_k-\frac{C_k^2¸\lambda W_k^2}{\mathrm{2g}}$( ** )

Điều kiện phát sinh khí thực tại K khi $H_k=H_{\text{hh}}$ và lúc này $H_s$đạt tới hạn ${H_s}_{\text{th}}$

${H_s}_{\text{th}}=$$H_a-H_k-(\frac{C_k^2¸\lambda W_k^2}{\mathrm{2g}}{)}_{\text{th}}$ = $[h_s]¸h_{\text{msh}}$( *** )

Thành phần $(\frac{C_k^2¸\lambda W_k^2}{\mathrm{2g}}{)}_{\text{th}}$ = $D{h}_{\text{th}}$, được gọi là " độ dự trữ khí thực tới hạn". Điều kiện để không phát sinh khí thực là độ dự trữ khí thực được chọn phải lớn hơn $D{h}_{\text{th}}$.Từ công tức ( *** ) ta rút ra được [ $h_s]$theo độ dự trữ cho phép $\mathrm{Dh}$= k. $D{h}_{\text{th}}$ như sau:

[ $h_s]=H_a-H_{\text{hh}}-\mathrm{Dh}-h_{\text{msh}}$( 5 - 4 )

Trong công thức ( 5 - 4 ), độ dự trữ khí thực cho phép $\mathrm{Dh}$tra được từ đường đặc tính của máy bơm và cũng chú ý rằng trị số này vẽ ra từ thực nghiệm ở điều kiện chuẩn, do vậy cũng phải tiến hành hiệu chỉnh cho điều kiện thực tế, cách hiệu chỉnh cũng giống như đã trình bày trong công thức tính đối với bơm li tâm.

Trị số $\mathrm{Dh}$ là độ dự trữ khí thực cho phép nhỏ nhất để không sinh khí thực. Để an toàn hơn còn yêu cầu nhân $D{h}_{\text{th}}$ với hệ số an toàn k  1,15 . Để hiểu thêm về $\mathrm{Dh}$ta hãy xem thí nghiệm khí thực qua các giai đoạn như Hình ( 5 - 6 ) phần cuối chương này.

Trường hợp trong đường đặc tính của máy bơm không vẽ đường $\mathrm{Dh}$- H - Q ta có thể dùng công thức của C.C. Rút nhép ( Nga ) sau Đây:

$\mathrm{Dh}=\text{10}\cdot (\frac{n\cdot \sqrt{Q}}{C_{\text{th}}}{)}^{4/3}$( 5 - 5 )

$C_{\text{th}}$ : là hệ số tỷ tốc khí thực, đối với máy bơm li tâm thông thường, lấy như sau:

Ngoài ra, Tôm còn đưa ra công thức gần đúng khác:

$\mathrm{Dh}=s_{\text{th}}\cdot H$( 5 - 6 )

Trong đó: hệ số khí thực $s_{\text{th}}$ xác định theo các công thức thực nghiệm sau:

- Theo Stêpanốp: $s_{\text{th}}$= 2,2. ${\text{10}}^{-4}\cdot n_s^{4/3}$ ;

- Theo Escher - Wyss: $s_{\text{th}}$= 2,16. ${\text{10}}^{-4}\cdot n_s^{4/3}$

Đối với bơm hai cửa vào: $s_{\text{th}}$= 1,37. ${\text{10}}^{-4}\cdot n_s^{4/3}$;

- Theo Viện nghiên cứu thủy lực Liên Xô (cũ):

$s_{\text{th}}$ = 2,05. ${\text{10}}^{-4}\cdot n_s^{4/3}$ .

Sau khi tính $\mathrm{Dh}$ta nhân thêm hệ số k = 1,15.

Bổ sung thêm công thức đồng dạng về độ dự trữ khí thực:

$\frac{D_h}{D_{\text{hm}}}=i_D^2\cdot i_n^2$( 5 - 7 )

Xác định cao trình đặt máy bơm ( đm )

Cao trình đặt máy bơm phải thỏa mãn yêu cầu an toàn khí thực trong mọi chế độ vận hành và cũng không đặt quá thấp để tránh tăng khối lượng công trình. Để chọn cao trình đặt máy trước tiên ta dùng lưu lượng và cột nước thiết kế để tính, sau đó kiểm tra trạng thái làm việc khác phải bảo đảm chống được khí thực.

1. Xác định cao trình đặt máy theo trạng thái thiết kế:

Từ công thức ( 5 - 2 ) ta viết:

đm  $Z_{\text{bh}\text{min}}¸[h_s]$( 5 - 8 )

Trong đó: $Z_{\text{bh}\text{min}}$là mực nước thấp nhất trong bể hút.

$[h_s]$độ cao hút cho phép, tính theo trạng thái thiết kế, dùng ( 5 - 3 ) - đối với máy bơm li tâm, dùng ( 5 - 4 ) - đối với máy bơm hướng trục.

2. Kiểm tra cao trình đặt máy ở các chế độ làm việc khác:

Xác định đm theo công thức ( 5 - 8 ) đảm bảo không sinh khí thực khi máy bơm làm việc ở chế độ thiết kế. Để bảo đảm rằng khi máy bơm làm việc ở các chế độ khác chế độ thiết kế vẫn bảo đảm không phát sinh khí thực ta còn phải kiểm tra khí thực ở các chế độ giới hạn là chế độ làm việc với $H_{\text{max}}$ và $H_{\text{min}}$ nữa :

Gọi cao trình đặt máy bơm không sinh khí thực ở chế độ cột nước $H_{\text{max}}$là ${Ñ}_{\text{dm}}^{\text{'}}$:

${Ñ}_{\text{dm}}^{\text{'}}$= $Z_{\text{bh}\text{min}}¸[h_s]$( 5 - 9 )

Độ cao hút cho phép [ $h_s]$cũng tính giống như trên, nhưng sử dụng $H_{\text{max}}$ để tra độ chân không cho phép [ $H_{\text{ck}}]$ ( hoặc độ dự trữ khí thực cho phép $D_h$ ) và lưu lượng tương ứng trong công thức ( 5 - 3 ) hoặc ( 5 - 4 ).

Gọi cao trình đặt máy bơm không sinh khí thực ở chế độ cột nước $H_{\text{min}}$ là $\begin{array}{}\text{} } } {}}\\ \\ {Ñ}_{\text{dm}}^{}\\ \end{array}$:

$\begin{array}{}\text{} } = { size 24{Z} } rSub { size 8{ ital}\mathrm{bh}\max \text{} } + [ { size 24{h} } rSub { size 8{s} } ] } {}}\\ \\ {Ñ}_{\text{dm}}^{}\\ \end{array}$( 5 - 10 )

Trong công thức ( 5 - 10 ): $Z_{\text{bh}\text{max}}$là mực nước cao nhất trong bể hút. Cũng từ cột nước $H_{\text{min}}$ ta tra ra [ $H_{\text{ck}}]$ ( hoặc độ dự trữ khí thực cho phép $D_h$ ) và lưu lượng tương ứng trong công thức ( 5 - 3 ) hoặc ( 5 - 4 ).

Cao trình đặt máy bơm theo trạng thái thiết kế nếu đm  ${Ñ}_{\text{dm}}^{\text{'}}$ và  $\begin{array}{}\text{} } } {}}\\ \\ {Ñ}_{\text{dm}}^{}\\ \end{array}$, đồng thời thỏa mãn yêu cầu của nhà máy chế tạo về độ nhúng BXCT dưới mực nước thấp nhất ở bể hút một độ sâu ( đối với bơm hướng trục ) thì đm được chọn an toàn.