Trong khi Bơm Ly Tâm sử dụng $[H_{ck}]$ để xác định độ cao hút, thì Bơm Hướng Trục (thường là tỷ tốc cao) lại sử dụng Độ Dự Trữ Khí Thực Tới Hạn Cho Phép ($\Delta h$), còn gọi là $\text{NPSH}_{\text{R}}$ (Net Positive Suction Head Required). Đây là lượng năng lượng tối thiểu (cột áp) mà chất lỏng phải có tại cửa hút bơm để ngăn ngừa khí thực. Việc xác định $\Delta h$ là phức tạp hơn vì bơm hướng trục có hình thái khí thực khác (giảm $H$ từ từ).
Bài viết chuyên sâu này tập trung vào phương pháp tính toán $[h_s]$ dựa trên $\Delta h$ (Công thức 5-4) – công cụ không thể thiếu cho các dự án trạm bơm lớn sử dụng bơm hướng trục. Chúng ta sẽ phân tích ý nghĩa của $\Delta h$ thông qua phương trình năng lượng tại điểm $K$ (điểm áp suất thấp nhất) và giới thiệu các công thức thực nghiệm tiêu chuẩn của Rudnev, Stepanov, và Escher-Wyss để ước tính $\Delta h$ khi không có đường đặc tính. Cuối cùng, chúng ta sẽ nhấn mạnh vai trò của Hệ Số An Toàn $k \ge 1.15$ để đảm bảo tính an toàn tuyệt đối.
Cơ Sở Lý Thuyết và Công Thức Tính $\Delta h$
- 1.1. Phân tích Năng Lượng tại Điểm $K$ (Áp suất thấp nhất):
-
- Phương trình Bernoulli giữa mặt thoáng ($0-0$) và điểm $K$ trên $\text{BXCT}$ (sau khi bỏ qua các thành phần nhỏ):
$$ \frac{P_a}{\gamma} = \frac{P_k}{\gamma} + \frac{C_k^2}{2g} + H_S + h_{msvk}$$
(Với $H_S = h_s + h_{msh}$)
- 1.2. Định nghĩa Độ Dự Trữ Khí Thực Tới Hạn ($\Delta h_{th}$):
-
- $\Delta h_{th}$ là tổng của cột áp vận tốc $C_k$ và cột áp tổn thất cục bộ $h_{msvk}$ (phần năng lượng cần thiết để đẩy dòng chảy qua cửa hút $\text{BXCT}$).
- Thành phần này được rút ra từ phân tích tổn thất tại điểm $K$ (tương tự $\text{NPSH}_{\text{R}}$):
$$ \Delta h_{th} = \left(\frac{C_k^2 + \lambda W_k^2}{2g}\right)_{th} \quad \mathbf{(5-4\text{ – Phần giữa})}$$
-
- Trong đó: $W_k$ là vận tốc tương đối tại $K$; $\lambda$ là hệ số tính đến giảm áp lực thủy tĩnh (thường $0,2 \dots 0,4$).
- 1.3. Công thức Tính Độ Cao Hút Cho Phép [$h_s$] (Công thức 5-4):
-
- Điều kiện khí thực phát sinh là khi áp suất tại $K$ bằng áp suất hóa hơi ($P_k / \gamma = H_{hh}$). Tại thời điểm này, $\Delta h$ đạt tới hạn ($\Delta h_{th}$).
- Sắp xếp lại phương trình Bernoulli ta có:
$$ [h_s] = H_a – H_{hh} – \Delta h – h_{msh} \quad \mathbf{(5-4)}$$
-
- Điều kiện An toàn: Để không phát sinh khí thực, $\Delta h_{\text{cho phép}} \ge \Delta h_{th}$. (Lưu ý: $\Delta h$ trong công thức (5-4) là $\Delta h_{\text{cho phép}}$).
Phương Pháp Xác Định $\Delta h$ Bằng Công Thức Thực Nghiệm
- 2.1. Nguồn Gốc $\Delta h$:
- Tương tự $[H_{ck}]$, $\Delta h$ được tra từ đường đặc tính của bơm (thường cho sẵn $\Delta h – H – Q$). Nếu không có, phải dùng công thức thực nghiệm.
- 2.2. Công thức của Rudnev (Nga) (Công thức 5-5):
- Rudnev đưa ra công thức dựa trên Hệ Số Tỷ Tốc Khí Thực ($C_{th}$):
$$ \Delta h = 10 \cdot \left(\frac{n}{\mathbf{C_{th}}}\right)^{4/3} \quad \mathbf{(5-5)}$$
-
- Hệ số Tỷ Tốc Khí Thực (Cth): Là một giá trị kinh nghiệm phụ thuộc vào tỷ tốc ns của bơm.
| ns (v/ph) | Cth |
| :—: | :—: |
| 50…70 | 600…750 |
| 80…150 | 800…1000 |
| 150…250 | 1000…1200 |
- 2.3. Công Thức Gần Đúng Theo Hệ Số Khí Thực $\sigma_{th}$ (Công thức 5-6):
- $\Delta h$ còn được xác định theo Cột Nước $H$ và Hệ Số Khí Thực $\sigma_{th}$:
$$ \Delta h = \sigma_{th} \cdot H \quad \mathbf{(5-6)}$$
-
- Công Thức Tính $\sigma_{th}$ Theo Tỷ Tốc ($n_s$):
- Stepanov: $\sigma_{th} = 2,2 \cdot 10^{-4} \cdot n_s^{4/3}$
- Escher-Wyss: $\sigma_{th} = 2,16 \cdot 10^{-4} \cdot n_s^{4/3}$
- Bơm Hai Cửa Vào: $\sigma_{th} = 1,37 \cdot 10^{-4} \cdot n_s^{4/3}$
- Công Thức Tính $\sigma_{th}$ Theo Tỷ Tốc ($n_s$):
- 2.4. Công thức Đồng Dạng $\Delta h$ (Công thức 5-7):
- Khi thay đổi vòng quay ($n \to n_1$):
$$ \frac{\Delta h_1}{\Delta h} = \left(\frac{n_1}{n}\right)^2 \quad \mathbf{(5-7)}$$
-
- Ý nghĩa: $\Delta h$ tỷ lệ bậc hai với vòng quay, tương tự như $H$.
Hệ Số An Toàn và Ứng Dụng cho Bơm Hướng Trục
- 3.1. Hệ Số An Toàn Khí Thực $k$:
- $\Delta h_{\text{cho phép}}$ là giá trị nhỏ nhất để không sinh khí thực. Để tăng độ an toàn, chuyên gia kỹ thuật phải nhân $\Delta h$ với một Hệ Số An Toàn $k \ge 1.15$.
$$ \Delta h_{\text{sử dụng}} = k \cdot \Delta h_{\text{tra}} \quad (k \ge 1.15)$$
- 3.2. Lý Do Bơm Hướng Trục Ưu Tiên Dùng $\Delta h$:
- Bơm hướng trục (tỷ tốc cao) có khe cánh rộng. Khi khí thực phát sinh, nó thường chỉ chiếm một phần tiết diện qua nước, gây sụt giảm $H$ từ từ, không có điểm gián đoạn rõ ràng.
- Sử dụng $[H_{ck}]$ (ngưỡng sụt giảm $H$ đột ngột) sẽ không chính xác. $\Delta h$ (NPSH-R) dựa trên năng lượng cần thiết tại cửa hút để duy trì dòng chảy (thay vì ngưỡng sụt giảm $H$ đột ngột) là thông số phù hợp hơn để kiểm soát an toàn khí thực cho bơm tỷ tốc cao.
- 3.3. Quy Trình Tính $[h_s]$ cho Bơm Hướng Trục:
- Xác định $\Delta h$: Tra từ đặc tính bơm hoặc tính bằng công thức (5-5) hoặc (5-6).
- Áp dụng $k$: Nhân $\Delta h$ với $k \ge 1.15$.
- Hiệu chỉnh $\Delta h$: Áp dụng hiệu chỉnh tương tự $[H_{ck}]$ nếu điều kiện $H_a, t, n$ khác chuẩn.
- Tính $[h_s]$: Dùng $\Delta h$ đã hiệu chỉnh vào Công thức (5-4) (sau khi tính $H_a, H_{hh}, h_{msh}$).
Việc xác định Độ Cao Hút Cho Phép [$h_s$] cho bơm hướng trục phải dựa trên Độ Dự Trữ Khí Thực $\Delta h$ (NPSH-R). Công thức (5-4) là công cụ chủ đạo, đòi hỏi phải xác định chính xác $\Delta h$ thông qua đường đặc tính hoặc các công thức thực nghiệm của Rudnev, Stepanov dựa trên tỷ tốc ($n_s$). Việc luôn áp dụng Hệ Số An Toàn $k \ge 1.15$ vào $\Delta h$ là một yêu cầu kỹ thuật bắt buộc để đảm bảo an toàn tuyệt đối và duy trì $\text{NPSH}_{\text{A}} \ge \text{NPSH}_{\text{R}}$ trong suốt quá trình vận hành.