Xác Định Độ Dự Trữ Khí Thực Cho Phép và Ứng Dụng Hệ Số An Toàn $k$: Phân Tích Chuyên Sâu Công Thức (5-11) và Vai Trò Của Các Hệ Số An Toàn (Theo Tỷ Tốc) Trong Việc Đảm Bảo An Toàn Khí Thực Cho Hệ Thống Bơm

Việc xác định Độ Dự Trữ Khí Thực Tới Hạn ($\Delta h_{th}$) từ thí nghiệm chỉ mới là bước đầu tiên. Để đảm bảo máy bơm hoạt động ổn định và có tuổi thọ cao trong môi trường thực tế, chuyên gia kỹ thuật phải tính toán một giá trị Độ Dự Trữ Khí Thực Cho Phép ($\Delta h_{\text{A}}$) lớn hơn $\Delta h_{th}$ bằng cách áp dụng Hệ Số An Toàn $k$. Đây là nguyên tắc cơ bản trong thiết kế hệ thống bơm, đảm bảo rằng $\text{NPSH}_{\text{A}}$ (sẵn có của hệ thống) luôn lớn hơn $\text{NPSH}_{\text{R}}$ (yêu cầu của bơm) đã được nhân hệ số an toàn.

Bài viết chuyên sâu này sẽ đi sâu vào Công Thức Tính $\Delta h_{\text{A}}$ (5-11) và phân tích chi tiết Hệ Số An Toàn $k$ được cấu thành từ các thành phần $k_{\alpha}$ và $k_{\gamma}$. Chúng ta sẽ giải mã các bảng tra kinh nghiệm (Bảng $k_{\alpha}$ theo $\Delta h_{th}$ và Bảng $k_{\gamma}$ theo tỷ số $D_2/D_1$) để hiểu tại sao hệ số an toàn lại phụ thuộc vào giá trị $\Delta h_{th}$ và tỷ tốc (hay hình dạng cánh) của máy bơm, từ đó đưa ra chiến lược lựa chọn $k$ tối ưu trong thực tế.

bơm ly tâm

Phần 1: Công Thức Xác Định Độ Dự Trữ Khí Thực Cho Phép ($\Delta h_{\text{A}}$)

  • 1.1. Mục Tiêu của $\Delta h_{\text{A}}$:
    • $\Delta h_{\text{A}}$ phải là giá trị $\text{NPSH}_{\text{R}}$ mà hệ thống cần cung cấp cho bơm để đảm bảo bơm không bao giờ rơi vào vùng khí thực nguy hiểm (Vùng 2 và Vùng 3).
  • 1.2. Công thức (5-11):
    • Độ dự trữ khí thực cho phép được tính bằng cách nhân độ dự trữ tới hạn $\Delta h_{th}$ với một hệ số an toàn $k$:

$$ \Delta h_{\text{A}} = k \cdot \Delta h_{th} \quad \mathbf{(5-11)}$$

  • 1.3. Cấu Thành Hệ Số An Toàn $k$:
    • Hệ số an toàn tổng quát $k$ được xác định dựa trên các yếu tố:

$$ k = k_{\alpha} \cdot k_{\gamma}$$

      • $k_{\alpha}$: Hệ số an toàn dựa trên giá trị $\Delta h_{th}$ (tính chính xác và ổn định của thí nghiệm).
      • $k_{\gamma}$: Hệ số an toàn dựa trên đặc tính hình học/tỷ tốc của máy bơm.
      • $k_t$ (Hệ số chất lỏng): $k_{\gamma} = 1$ đối với nước (chất lỏng chuẩn), nếu chất lỏng khác nước (dầu, hóa chất), $k_{\gamma}$ có thể được điều chỉnh.

Phần 2: Phân Tích Các Thành Phần Của Hệ Số An Toàn $k$

  • 2.1. Hệ Số $k_{\alpha}$ (Phụ thuộc vào $\Delta h_{th}$):
    • kα​ được tra theo bảng kinh nghiệm dựa trên giá trị Δhth​ (đơn vị m cột nước):

| Δhth​ (m) | 0 | 2 | 4 | 6 | 7 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 |

| :—: | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: |

| kα​ | 1.60 | 1.37 | 1.20 | 1.13 | 1.10 | 1.09 | 1.08 | 1.07 | 1.06 | 1.06 |

    • Phân tích:
      • $k_{\alpha}$ giảm khi $\Delta h_{th}$ tăng: Khi $\Delta h_{th}$ lớn (thể hiện $\text{NPSH}_{\text{R}}$ yêu cầu lớn), độ tin cậy của phép đo $\Delta h_{th}$ cao hơn, do đó hệ số an toàn $k_{\alpha}$ cần thiết sẽ nhỏ hơn (tiến gần về $1.06$).
      • $k_{\alpha}$ lớn khi $\Delta h_{th}$ nhỏ: Khi $\Delta h_{th}$ quá nhỏ (gần bằng 0), ranh giới giữa Vùng 1 và Vùng 2 trở nên mờ nhạt và khó xác định, nên cần một hệ số an toàn lớn hơn (lên tới $1.60$) để bù đắp cho sự thiếu chính xác trong thí nghiệm.
  • 2.2. Hệ Số $k_{\gamma}$ (Phụ thuộc vào Tỷ Tốc và Hình Dạng Cánh):
    • kγ​ được tra theo tỷ số D2​/D1​ (đường kính ra/vào BXCT), một tham số liên quan đến tỷ tốc và hình dạng cánh:

| D2​/D1​ | 1.0 | 1.1 | 1.25 | 1.50 | 2.0 | 2.5 | 3.0 |

| :—: | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: | :—: |

| kγ​ | 1.25 | 1.1 | 1.094 | 1.052 | 1.014 | 1.0 | 1.0 |

    • Phân tích:
      • $k_{\gamma}$ giảm khi $D_2/D_1$ tăng: Tỷ số $D_2/D_1$ càng lớn, bơm càng có xu hướng là bơm ly tâm tỷ tốc thấp, có khe cánh hẹp. Loại bơm này có sự sụt giảm $H$ đột ngột (rõ ràng), giúp xác định $\Delta h_{th}$ chính xác hơn, nên $k_{\gamma}$ giảm (tiến về 1.0).
      • $k_{\gamma}$ tăng khi $D_2/D_1$ nhỏ (tỷ tốc cao): Đối với bơm hướng trục ($D_2/D_1 \approx 1.0$), sự sụt giảm $H$ diễn ra từ từ (khó xác định $\Delta h_{th}$ chính xác), do đó cần một hệ số an toàn $k_{\gamma}$ lớn hơn (lên tới $1.25$) để bù đắp cho sự không ổn định này.

Phần 3: Quy Tắc An Toàn Khí Thực và Ứng Dụng Thực Tiễn

  • 3.1. Quy Tắc Vàng:
    • Điều kiện tuyệt đối an toàn là $\text{NPSH}_{\text{A}} \ge \Delta h_{\text{A}}$.
    • Tức là Độ dự trữ sẵn có của hệ thống (đã tính đến $H_a, h, h_{msh}, H_{hh}$) phải lớn hơn Độ dự trữ yêu cầu của bơm (đã nhân hệ số an toàn $k$).
  • 3.2. Quy Trình Ứng Dụng:
    1. Xác định $\Delta h_{th}$ từ thí nghiệm (ngưỡng giảm $2\% H$).
    2. Chọn $k_{\alpha}$ từ bảng tra dựa trên $\Delta h_{th}$.
    3. Chọn $k_{\gamma}$ từ bảng tra dựa trên tỷ số $D_2/D_1$ (hoặc tỷ tốc).
    4. Tính $k = k_{\alpha} \cdot k_{\gamma}$.
    5. Tính $\Delta h_{\text{A}}$ theo công thức (5-11).
    6. Tính Cao Trình Đặt Máy Bơm (Vam) dựa trên $\Delta h_{\text{A}}$ (xem Bài 3, Phần B).

Việc xác định Độ Dự Trữ Khí Thực Cho Phép ($\Delta h_{\text{A}}$) là bước kỹ thuật cuối cùng nhưng quan trọng nhất trong việc phòng chống khí thực. Công thức (5-11) với Hệ Số An Toàn $k = k_{\alpha} \cdot k_{\gamma}$ là cốt lõi, phản ánh sự cần thiết phải bảo vệ bơm không chỉ dựa trên kết quả thí nghiệm ($\Delta h_{th}$) mà còn dựa trên tính ổn định của phép đo ($k_{\alpha}$) và đặc điểm hình học của bơm ($k_{\gamma}$). Bằng việc áp dụng một hệ số $k$ phù hợp, chuyên gia kỹ thuật có thể thiết kế một hệ thống đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ vận hành lâu dài cho máy bơm.