Tối Ưu Hóa Hiệu Suất Trong Phần Tĩnh Của Bơm Ly Tâm, Phân Tích Thủy Động Học Buồng Xoắn, Thiết Kế Lưỡi Gà và Ứng Dụng Cơ Cấu Dẫn Dòng Trong Bơm Đa Cấp

Trong khi Bánh Xe Công Tác (BXCT) là nơi truyền năng lượng cho chất lỏng (Bài 2), Phần Tĩnh (Casing/Volute) của máy bơm ly tâm lại là nơi quyết định hiệu suất cuối cùng. Phần tĩnh bao gồm buồng dẫn, phần xoắn ốc (Volute) bao quanh BXCT, và đoạn côn khuếch tán. Chức năng chính của nó là thu hồi động năng còn sót lại (cột nước động Hđ​) từ BXCT và chuyển hóa hiệu quả thành áp suất tĩnh, đồng thời dẫn dòng chất lỏng ra ống đẩy.

Bài viết chuyên sâu này sẽ tập trung vào phân tích thủy động học của phần tĩnh. Chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết cấu tạo và chức năng của buồng xoắn, phân tích sự phức tạp của dòng chảy ở chế độ thiết kế (Q=Q0​) và phi thiết kế (Q=Q0​), và lý giải tại sao việc vận hành khác chế độ thiết kế lại gây ra áp lực không đối xứng và rung động. Cuối cùng, chúng ta sẽ phân tích ứng dụng của cơ cấu dẫn dòng (cánh hướng dòng) trong các thiết kế bơm đa cấp nhằm giảm tải trọng hướng tâm và tăng hiệu suất.

Bơm Ly Tâm

Cấu Tạo và Chức Năng Của Phần Tĩnh

  • 1.1. Buồng Dẫn Nước (Inlet/Suction Section):
    • Chức năng: Đảm bảo nước chuyển động tịnh tiến vào cửa vào BXCT với vận tốc và áp suất phân bố đều đặn nhất.
    • Hình dạng: Thường được làm dưới dạng hình nón cụt thu hẹp (giảm vận tốc tuyệt đối C1​) hoặc dạng hình nửa xoắn. Mặt cắt ngang co hẹp dần khoảng 10…20% diện tích so với ống hút.
  • 1.2. Phần Xoắn Ốc (Buồng Xoắn – Volute) (Hình 3-5, b):
    • Chức năng: Thu nước từ BXCT ra và biến đổi động năng thành áp suất tĩnh nhờ vào tiết diện mở rộng dần.
    • Hình dạng: Mặt cắt ngang có dạng quả lê, tròn hoặc chữ nhật và tăng dần theo tỷ lệ góc quay (360 độ) từ điểm bắt đầu là “Lưỡi Gà” (Tongue) (4) đến tiết diện tròn của nón khuếch tán (3).
  • 1.3. Đoạn Nón Khuếch Tán (Diffuser Cone):
    • Chức năng: Nối phần xoắn với bích cửa ra. Tiếp tục quá trình giảm vận tốc dòng chảy và tăng áp suất tĩnh.

Thủy Động Học Dòng Chảy Trong Phần Xoắn Ốc

  • 2.1. Chế Độ Thiết Kế (Q=Q0​):
    • Lý tưởng hóa: Nếu mô hình dòng chảy là đơn giản, ở chế độ thiết kế (Q=Q0​) có thể coi vận tốc trung bình (Cx​) của dòng chảy dọc theo phần xoắn là không đổi (Công thức 3-11: Cx​≈(0,65…0,8)Fx​Q0​​).
    • Áp Lực Đối Xứng: Ở trạng thái thiết kế, áp lực tĩnh dọc phần bao BXCT thực tế là hằng số, tạo ra một trường áp suất đối xứng qua trục bơm. Điều này là tối ưu vì nó giữ cho lực hướng bán kính (Radial Force) tác dụng lên BXCT ở mức thấp nhất, giảm tải trọng lên ổ trục và rung động.
  • 2.2. Chế Độ Phi Thiết Kế (Q=Q0​):
    • Dòng Chảy Không Đối Xứng: Khi bơm làm việc ở trạng thái khác thiết kế (Q>Q0​ hoặc Q<Q0​), vận tốc trung bình Cx​ sẽ thay đổi, dẫn đến áp lực tĩnh dọc phần bao BXCT không còn đối xứng nữa.
    • Hiện tượng khi Q<Q0​: Ở đoạn trước “lưỡi gà,” một phần chất lỏng từ phần xoắn sẽ quay ngược trở lại BXCT (dòng hồi lưu), làm rối loạn dòng chảy và giảm hiệu suất.
    • Hiện tượng khi Q>Q0​: Ở đoạn này, có một lượng nước từ BXCT thêm vào phần xoắn (quá tải lưu lượng).
    • Hậu Quả: Việc áp lực không còn đối xứng sẽ gây rung động và làm tăng đáng kể Lực Hướng Bán Kính tác động lên BXCT và trục bơm, dễ gây hỏng hóc ổ trục.

Vai Trò Kỹ Thuật Của Lưỡi Gà (Volute Tongue)

  • 3.1. Vị Trí và Chức Năng:
    • Lưỡi gà (4) là điểm phân chia, nơi phần xoắn bắt đầu thu nước.
  • 3.2. Khoảng Hở “Lưỡi Gà” (Gap):
    • Giữa lưỡi gà của phần xoắn và BXCT có một phần rãnh hở, thường bằng 0,03…0,05D2​ (với D2​ là đường kính BXCT).
    • Mục đích: Khoảng hở này là cần thiết để giảm mức độ rung động và tiếng ồn do sự tương tác giữa dòng chảy tốc độ cao ra khỏi cánh BXCT và lưỡi gà cố định. Đôi khi rãnh này được làm rộng ra để giảm rung động.

Cơ Cấu Dẫn Dòng (Cánh Hướng Dòng) Trong Bơm Đa Cấp

  • 4.1. Mục Đích Sử Dụng Cơ Cấu Dẫn Dòng (Hình 3-5, c):
    • Bơm Đa Cấp (Multi-Stage): Dùng để giảm kích thước, khối lượng và tăng cột áp (H) bằng cách nối tiếp nhiều BXCT.
    • Chức năng: Trong vỏ bơm, bao quanh BXCT (1) lắp những Cánh Dẫn Dòng (3). Chúng tạo nên những dòng xoắn thành phần (2) đưa chất lỏng vào các rãnh hình nón cụt khuếch tán vòng.
    • Vai trò Trong Đa Cấp: Dòng chất lỏng đi ra từ BXCT cấp thứ nhất sẽ hợp lại và qua đường dẫn vòng (cánh dẫn dòng) để hướng dòng chảy một cách đối xứng và hiệu quả vào cửa vào của BXCT cấp tiếp theo.
  • 4.2. Ưu Điểm Kỹ Thuật Của Cánh Dẫn Dòng:
    • Giảm Lực Hướng Bán Kính: Các cánh dẫn dòng tạo ra các rãnh xoắn ốc đối xứng, giúp tăng cường sự đối xứng của áp lực xung quanh BXCT. Điều này làm cho lực hướng bán kính tác dụng lên BXCT được giảm nhỏ hơn nhiều so với buồng xoắn đơn.
    • Tăng Hiệu Suất Chuyển Đổi: Việc sử dụng cánh dẫn dòng thường có hiệu suất chuyển đổi động năng thành áp suất tĩnh cao hơn so với buồng xoắn đơn giản, do kiểm soát được dòng chảy tốt hơn.
  • 4.3. Nhược Điểm:
    • Kết Cấu Phức Tạp: Cơ cấu dẫn dòng làm cho kết cấu phức tạp hơn buồng xoắn thông thường (cần gia công và lắp đặt nhiều cánh chính xác).
    • Chi Phí và Hiệu Suất: Độ phức tạp và sự tăng ma sát do bề mặt cánh dẫn dòng có thể làm giảm hiệu suất tổng thể nếu không được thiết kế và chế tạo tối ưu.

Phần Tĩnh của máy bơm ly tâm đóng vai trò then chốt trong việc thu hồi động năng và quyết định độ bền cơ khí của bơm. Buồng Xoắn là bộ phận chính thực hiện chuyển đổi năng lượng. Việc vận hành ở chế độ thiết kế (Q=Q0​) là điều kiện tiên quyết để đảm bảo áp lực đối xứng, giữ cho lực hướng bán kính ở mức tối thiểu và tránh rung động. Trong các thiết kế yêu cầu cột nước cao hơn, việc ứng dụng Cơ Cấu Dẫn Dòng (cánh hướng dòng) trong bơm đa cấp là một giải pháp hiệu quả để kiểm soát dòng chảy, giảm thiểu lực hướng tâm và tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng giữa các cấp.