Hiện Tượng Khí Thực (Cavitation) không chỉ là một quá trình phá hoại vật liệu về mặt cơ học, mà còn là nguyên nhân trực tiếp làm suy giảm nghiêm trọng các thông số vận hành của máy bơm—Cột Nước (H), Lưu Lượng (Q), Công Suất (N) và Hiệu Suất (η). Sự xuất hiện của các bọt hơi chiếm chỗ làm giảm tiết diện dòng chảy và tăng tổn thất thủy lực, dẫn đến sự sụp đổ của đường đặc tính bơm.
Bài viết chuyên sâu này sẽ phân tích tác động kép của khí thực lên hệ thống bơm: (1) Ảnh hưởng đến đặc tính thủy lực và (2) Phân vùng phát sinh theo từng loại máy bơm (Ly tâm, Hướng trục). Chúng ta sẽ làm rõ tại sao khí thực gây ra rung động và tiếng ồn và cách mà những yếu tố này lại thúc đẩy quá trình khí thực ác liệt hơn. Từ đó, chúng ta sẽ rút ra các kết luận kỹ thuật quan trọng để áp dụng trong thiết kế và vận hành nhằm duy trì sự ổn định và độ bền của thiết bị.
Tác Động Của Khí Thực Lên Đặc Tính Vận Hành (H,N,η)
- 1.1. Sự Giảm Sút Cột Nước (H) và Lưu Lượng (Q):
- Khi khí thực phát sinh, các bọt hơi nước và khí chiếm chỗ trong dòng chảy, đặc biệt là ở cửa vào BXCT.
- Giảm Tiết Diện Dòng Chảy: Sự hiện diện của bọt khí làm giảm tiết diện hữu ích để chất lỏng đi qua, làm giảm lưu lượng Q thực tế.
- Tăng Tổn Thất Thủy Lực: Bọt khí làm biến dạng hình thái dòng chảy, tăng tổn thất ma sát và tổn thất xung kích, dẫn đến sự sụt giảm nhanh chóng của cột nước H.
- Hậu quả: Khi hiện tượng khí thực phát sinh mạnh, chế độ làm việc của bơm bị phá hoại. Đường đặc tính H−Q sụp đổ (rolling over), không thể bơm lên được cột nước yêu cầu.
- 1.2. Ảnh Hưởng Đến Công Suất (N) và Hiệu Suất (η):
- Công suất (N): Công suất yêu cầu của bơm thường giảm theo cột nước H và lưu lượng Q.
- Hiệu suất (η): Hiệu suất η=NγQH sẽ giảm đáng kể vì sự sụt giảm của H và Q (tử số) thường nhanh hơn sự sụt giảm của công suất trục N (mẫu số).
- 1.3. Tiếng Ồn và Rung Động:
- Nguồn Gốc: Sự sụp đổ đột ngột và lặp đi lặp lại của các bọt khí tạo ra sóng xung kích tần số cao, dẫn đến tiếng ồn lớn và rung động của máy bơm.
- Vòng Lặp Phản Hồi (Feedback Loop): Rung động máy bơm có thể gây ra hiện tượng tách dòng khỏi bề mặt cánh, làm tăng khả năng tạo bọt khí. Bọt khí vỡ lại tăng rung động, tạo thành một vòng lặp làm khí thực càng trở nên ác liệt hơn.
Phân Vùng Khí Thực Điển Hình Theo Dạng Máy Bơm
- 2.1. Bơm Ly Tâm (Centrifugal Pumps):
- Vùng Nguy Hiểm Chính: Cánh quạt và Đĩa BXCT (Shroud).
- Lý do: Áp suất đạt trị số nhỏ nhất tại mặt sau rãnh cửa vào (điểm A, Hình 5-1, b) do tốc độ chất lỏng tăng đột ngột và sự giảm áp suất tĩnh do cong dòng chảy.
- Đặc điểm: Do cấu trúc hở hoặc bán hở của một số BXCT, khí thực cũng có thể xảy ra tại khe hở cánh.
- 2.2. Bơm Hướng Trục và Hướng Chéo (Axial and Mixed Flow Pumps):
- Vùng Nguy Hiểm Chính: Phần trong Vỏ Máy và Phía sau Mút Cánh (Tip).
- Lý do:
- Mút Cánh: Tốc độ tuyến tính tại mút cánh (tip) là cao nhất, dẫn đến cột áp vận tốc cao và áp suất tĩnh thấp nhất. Khí thực ở mút cánh (Tip Cavitation) là đặc trưng của bơm hướng trục.
- Vỏ Máy: Sự chênh lệch áp suất lớn giữa mặt hút và mặt đẩy của cánh cũng làm tăng nguy cơ ở các khe hở gần vỏ máy.
Chiến Lược Vận Hành và Thiết Kế Nâng Cao Để Ngăn Ngừa Khí Thực
- 3.1. Kiểm Soát Vận Tốc Dòng Chảy:
- Giảm Vòng Quay (n): Vận tốc dòng chảy Ck tỷ lệ thuận với n. Vận hành bơm ở tốc độ thấp hơn (thông qua VFD) giúp giảm Ck và giảm nguy cơ khí thực (tham khảo Công thức 5-1).
- Tránh Vận hành Ở Cột Nước Quá Thấp: Vận hành bơm ở cột nước thấp (vượt quá lưu lượng thiết kế) làm vận tốc Ck tăng cao, cũng là nguyên nhân gây giảm áp suất và khí thực.
- 3.2. Quản lý Thiết Kế Hệ Thống Hút:
- Tăng NPSHA: Đây là giải pháp triệt để nhất (xem Bài 2). Việc giảm độ cao hút h và giảm thiểu hmsh luôn là ưu tiên hàng đầu.
- Kiểm soát Nhiệt độ: Đối với các chất lỏng nóng, việc giữ nhiệt độ thấp là cần thiết vì Phh tăng theo nhiệt độ.
- 3.3. Giải Pháp Vận Hành Chống Tác Nhân Gây Khí Thực:
- Ngăn ngừa Rung Động: Thường xuyên kiểm tra và bảo trì hệ thống (cân bằng động, độ đồng trục) để tránh rung động máy bơm.
- Tránh Thay Đổi Tốc Độ Đột Ngột: Quá trình hãm máy hay khởi động quá nhanh có thể tạo ra các vùng áp suất âm cục bộ do quán tính chất lỏng, kích hoạt khí thực.
- 3.4. Cải Tiến Cánh Bơm:
- Sử dụng Inducer: Lắp đặt một cánh bơm phụ (Inducer) ở cửa hút để tăng áp suất cục bộ trước khi chất lỏng đi vào BXCT chính, đặc biệt hữu ích cho các bơm vận hành tốc độ cao.
Khí Thực là kẻ thù số một của tuổi thọ máy bơm, gây ra sự suy giảm kép: phá hoại vật liệu và sụp đổ đặc tính vận hành (H,N,η). Phân vùng khí thực giúp chuyên gia kỹ thuật nhận diện điểm yếu của từng loại bơm (cửa vào cánh ly tâm, mút cánh hướng trục). Bằng cách kết hợp tối ưu hóa thiết kế hệ thống hút (tăng NPSHA) và áp dụng các biện pháp vận hành tinh tế (kiểm soát tốc độ và rung động), chúng ta có thể giảm thiểu nguy cơ và đảm bảo sự ổn định, hiệu quả và độ bền lâu dài cho máy bơm.