Hiệu Suất Toàn Phần (η): Phân Tích Sâu Sắc Mối Quan Hệ Giữa Tỷ Tốc (ns​), Kích Thước Bơm (D0​) và Thiết Kế Đặc Trưng Để Đạt Hiệu Suất Cao Nhất (ns​>100)

Mục tiêu cuối cùng của mọi chuyên gia kỹ thuật sản xuất bơm là tối đa hóa Hiệu Suất Chung (η) của sản phẩm. η là kết quả tổng hợp của ba chỉ số hiệu suất riêng biệt: Thủy Lực (ηh​), Dung Tích (ηv​), và Cơ Khí (ηm​). Sự tương tác phức tạp giữa ba thành phần tổn thất này, cùng với các yếu tố thiết kế như Tỷ Tốc (ns​) và Kích Thước Bơm (D0​), quyết định máy bơm hoạt động hiệu quả đến mức nào.

Bài viết chuyên sâu này sẽ đóng vai trò là bản tổng kết và phân tích chiến lược, tập trung vào Hiệu Suất Chung (η) của máy bơm cánh quạt. Chúng ta sẽ làm rõ công thức tổng hợp η (Công thức 3-23), phân tích đồ thị mối quan hệ giữa η với ns​ và D0​ (Hình 3-9), và lý giải tại sao hiệu suất cao nhất chỉ đạt được khi tỷ tốc ns​>100. Cuối cùng, chúng ta sẽ xem xét các yếu tố kết cấu nâng cao hiệu suất (vòng chống rò, bộ phận giảm lực dọc, độ nhẵn bề mặt) ảnh hưởng đến trị số các tổn thất tương ứng.

Máy Bơm

Tổng Hợp và Công Thức Hiệu Suất Chung (η)

  • 1.1. Công Thức Tổng Hợp (Công thức 3-23):
    • Hiệu suất chung (toàn phần) của máy bơm là tích của ba thành phần hiệu suất đã phân tích:

η=ηh​⋅ηv​⋅ηm​<1

    • η là tỷ số giữa công suất thủy lực hữu ích (Nth​) và công suất trục bơm (Nt​).
  • 1.2. Phân Tích Sự Phụ Thuộc Của η:
    • η phụ thuộc vào:
      1. Hình dạng BXCT (thông qua ns​): Ảnh hưởng đến ηh​,ηv​,ηm​.
      2. Kích thước vật lý (thông qua D0​): Ảnh hưởng đến ηh​,ηm​.
      3. Mức độ gia công (độ nhẵn): Ảnh hưởng đến ηh​,ηm​.
      4. Chế độ làm việc (Q/Q0​): Ảnh hưởng đến ηh​ (tổn thất xung kích).

Mối Quan Hệ Giữa η, Tỷ Tốc (ns​) và Kích Thước Bơm (D0​)

  • 2.1. Ảnh Hưởng Của Kích Thước (D0​):
    • Dựa trên công thức ηh​ (Mikhailov) và nhận xét về tổn thất cơ khí:
      • ηh​ tăng khi D0​ tăng (do tổn thất ma sát bề mặt giảm tỷ lệ).
      • ηm​ tăng khi kích thước bơm tăng (do tổn thất ma sát ở ổ trục/chèn kín chiếm tỷ lệ nhỏ hơn trong công suất tổng).
    • Kết luận: Hiệu suất chung (η) của bơm lớn hơn bơm nhỏ (với cùng tỷ tốc ns​). Điều này được minh họa qua các đường cong η trên Hình 3-9, b: η cao hơn khi D0​ lớn (D0​=1400mm cho η cao hơn D0​=200mm).
  • 2.2. Ảnh Hưởng Của Tỷ Tốc (ns​ – Hình 3-9, a và b):
    • Phân tích Đỉnh Hiệu Suất: Đồ thị quan hệ η(ns​) (Hình 3-9, a) cho thấy η không tăng liên tục.
    • Nhận xét then chốt: Hiệu suất cao của máy bơm chỉ đạt được khi Tỷ Tốc ns​>100.
      • ns​ thấp (≈50): Bơm ly tâm thuần túy (áp lực cao). η còn thấp, do ηm​ thấp (tỷ lệ ΔNdis​ lớn) và ηh​ chưa đạt đỉnh.
      • ns​ trung bình (100…300): Vùng hiệu suất cao nhất. Là vùng của Bơm Ly Tâm Hướng Chéo (Mixed Flow). Ở đây, sự cân bằng giữa ηh​,ηv​,ηm​ là tối ưu.
      • ns​ cao (>400): Bơm hướng trục (lưu lượng cao). η bắt đầu giảm do ηv​ và ηh​ giảm (mặc dù ηm​ cao), do khe hở tương đối lớn và tổn thất xung kích cao hơn.

Các Yếu Tố Kết Cấu Nâng Cao Hiệu Suất Kỹ Thuật

  • 3.1. Vòng Chống Rò (Wear Rings):
    • Tác động: Trực tiếp ảnh hưởng đến ηv​.
    • Tối ưu hóa: Bơm cần có một hoặc hai vòng chống rò được gia công chính xác, giữ khe hở (gap) nhỏ nhất có thể mà vẫn đảm bảo vận hành. Vật liệu của vòng chống rò phải chịu mài mòn tốt.
  • 3.2. Bộ Phận Giảm Lực Dọc (Axial Thrust Balance):
    • Tác động: Giảm lực dọc trục gây ra bởi sự chênh lệch áp suất giữa hai mặt BXCT, giúp giảm tải trọng lên ổ trục và vật chèn kín nước, từ đó giảm ΔN và tăng ηm​.
    • Thiết kế: Sử dụng các lỗ cân bằng (balance holes) hoặc đĩa cân bằng (balance disc).
  • 3.3. Độ Nhẵn Bề Mặt (Surface Finish):
    • Tác động: Trực tiếp ảnh hưởng đến ηh​ và ΔNdis​ (trong ηm​).
    • Yêu cầu: Bề mặt đĩa BXCT và toàn bộ phần chảy (khe cánh, buồng xoắn) phải được gia công nhẵn (ví dụ: đánh bóng điện hóa hoặc sử dụng lớp phủ đặc biệt), đặc biệt đối với bơm tỷ tốc thấp (nơi ΔNdis​ chiếm tỷ trọng lớn).

Chiến Lược Tổng Thể Để Đạt Hiệu Suất Cao Nhất

  • 4.1. Chọn Tỷ Tốc Tối Ưu:
    • Khi thiết kế một máy bơm mới, việc đầu tiên là chọn tỷ tốc ns​ sao cho điểm làm việc (Q,H) nằm trong vùng hiệu suất cao (ns​=100…300).
  • 4.2. Khắc Phục Tổn Thất:
    • Kỹ thuật: Áp dụng các công thức thực nghiệm để dự đoán ηh​,ηv​,ηm​.
    • Sản xuất: Đầu tư vào công nghệ gia công độ nhẵn và kiểm soát chất lượng lắp ráp (khe hở).
  • 4.3. Kiểm Soát Vận Hành:
    • Hiệu suất tối đa (ηmax​) chỉ đạt được tại điểm thiết kế (Q0​). Kỹ sư phải thiết kế và khuyến cáo vận hành bơm trong dải lưu lượng hẹp xung quanh Q0​ để tránh tổn thất xung kích cao.

Hiệu Suất Chung (η) của máy bơm là chỉ số phức tạp, là sản phẩm của ηh​,ηv​,ηm​. Việc phân tích mối quan hệ giữa η với Tỷ Tốc (ns​) và Kích Thước Bơm (D0​) là nền tảng để tối ưu hóa thiết kế. Các kết quả thực nghiệm khẳng định: bơm có kích thước lớn hơn và bơm hoạt động trong vùng tỷ tốc trung bình (ns​∈100…300) đạt được hiệu suất cao nhất, nhờ sự cân bằng tối ưu giữa các thành phần tổn thất. Bằng cách tập trung vào việc gia công độ nhẵn bề mặt, kiểm soát khe hở rò rỉ và áp dụng các cơ cấu giảm lực dọc, các chuyên gia có thể đưa hiệu suất bơm đến mức tối đa có thể.