Máy bơm ly tâm

Máy bơm ly tâm là thiết bị thủy lực với cánh dẫn, sử dụng bánh công tác (cánh quạt) để chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng thủy động cho dòng chảy. Năng lượng này được tính bằng tích số của bốn yếu tố: lưu lượng (Q), cột áp (H), trọng lượng riêng của chất lỏng (ρ) và gia tốc trọng lực tại vị trí máy (g).

Lịch sử

Theo RETI, một nhà sử học khoa học người Brazil, máy bơm ly tâm đầu tiên được mô tả là một thiết bị nâng bùn có từ năm 1475, xuất hiện trong một bài viết của kỹ sư Ý Francesco di Giorgio Martini từ thời kỳ Phục hưng. Tuy nhiên, máy bơm ly tâm thực sự chỉ phát triển vào cuối thế kỷ 17, khi Denis Papin chế tạo cánh quạt với cánh dẫn thẳng. Các cánh cong được nhà phát minh người Anh John Appold giới thiệu vào năm 1851. Dù bơm ly tâm đã được sử dụng từ lâu và có vẻ đơn giản, nhưng qua quá trình phát triển, nhiều cải tiến và sáng chế đã được thực hiện để mở rộng tính năng và tối ưu hóa thiết bị. Hơn nữa, lý thuyết mô tả hoạt động của bơm ly tâm vẫn đang tiếp tục được làm rõ.

Đặc điểm của bơm ly tâm là gì?

• Bơm có khả năng xử lý nhiều loại chất lỏng khác nhau như nước, dầu, hóa chất, và cả hỗn hợp chất lỏng với chất rắn.
• Được sử dụng rộng rãi với hiệu suất cao và phạm vi ứng dụng lớn.

- Cột nước bơm có thể lên đến H = 10 ÷ hàng ngàn mét

- Lưu lượng bơm dao động từ Q = 2 ÷ 100.000 m3/h

- Công suất của động cơ dao động từ N = 1 ÷ 6000 kW.

• Thiết kế nhỏ gọn, bền bỉ và hoạt động đáng tin cậy.
• Hiệu suất η của bơm khá cao so với các loại bơm khác, nằm trong khoảng η = 0,65 ÷ 0,9.
• Chi phí không quá cao.

Cấu trúc

Bánh công tác 1 có các cánh dẫn, trục cánh quạt kết nối với động cơ. Buồng xoắn ốc 2 và ống hút 3 được trang bị van một chiều 5 và ống lọc 6, còn van tiết lưu nằm ở cuối ống đẩy 4.

Máy bơm ly tâm bao gồm 6 bộ phận chính: trục, bánh công tác, bộ phận hướng ra ngoài, bộ phận hướng vào trong, ống hút và ống đẩy. Các bộ phận của máy bơm ly tâm có thể dễ dàng tháo rời, thuận tiện cho việc di chuyển. Trục bơm thường được chế tạo từ thép hợp kim và được kết nối với bánh công tác thông qua mối ghép then.

Bánh công tác của máy bơm ly tâm có ba loại cấu tạo chính: cánh mở hoàn toàn, cánh mở một phần và cánh kín. Các bánh công tác này được đúc bằng gang hoặc thép, đảm bảo độ bền và an toàn. Mặt cánh dẫn và đĩa của bánh công tác có độ nhẵn cao, giảm thiểu tổn thất và hao mòn. Phần Roto của máy ly tâm bao gồm bánh công tác gắn trên trục bơm với các chi tiết nhỏ được cố định chắc chắn. Bánh công tác và Roto được cân bằng tĩnh và động, giúp quá trình làm việc của bánh công tác không bị ma sát vào thân bơm. Các bộ phận dẫn hướng và ống hút, ống đầy được làm từ gang đúc, tôn hàn hoặc cao su. Máy bơm ly tâm với cấu tạo này rất mạnh mẽ và có năng suất cao.

Nguyên lý hoạt động của máy bơm ly tâm dựa trên nguyên lý thủy lực.

Theo lý thuyết cổ điển, ba yếu tố chính bao gồm quy tắc tam giác vận tốc, nguyên lý bảo toàn mômen động lượng và phương trình Euler là nền tảng của lý thuyết hoạt động thủy lực trong máy bơm ly tâm. Phương trình cơ bản cho máy thủy lực Euler được thiết lập bằng cách khảo sát dòng chảy vi phân của chất lỏng qua bánh công tác hoạt động hở trong không khí, tập trung vào các vectơ vận tốc tại điểm vào và điểm ra bánh công tác mà không xét đến tính liên tục và quỹ đạo của dòng chảy.

Trước khi máy bơm ly tâm có thể hoạt động, cần phải thực hiện quy trình mồi bơm, làm đầy thân bơm và ống hút bằng chất lỏng. Khi máy bơm hoạt động, bánh công tác quay và chất lỏng bên trong bị văng ra ngoài nhờ lực ly tâm. Chất lỏng này được dẫn qua các máng và vào ống đầy có áp suất cao, quá trình này được gọi là quy trình đầy bơm. Đồng thời, tại lối vào của bánh công tác hình thành vùng chân không, với áp suất trong bể chứa lớn, các chất lỏng từ bể hút tiếp tục được hút vào qua ống hút. Đây là giai đoạn hút của bơm. Cả giai đoạn hút và đầy diễn ra liên tục, tạo ra dòng chảy ổn định qua bơm. Các bộ phận dẫn hướng giúp chất lỏng từ bánh công tác đi vào ống đầy và đảm bảo dòng chảy ổn định và điều hòa.

Quy tắc tam giác của vận tốc

Như minh họa ở hình 3, ba vectơ $w_1;u_1;c_1$ tạo thành tam giác vận tốc cho dòng vào. $w_2;u_2;c_2$ tạo thành tam giác vận tốc cho dòng ra

Vectơ vận tốc tương đối w

Vectơ vận tốc tuyệt đối c

u = r.ω là vectơ vận tốc tiếp tuyến

Nguyên lý bảo toàn mômen động lượng

Giả định rằng chất lỏng không có độ nhớt và việc chuyển năng lượng từ bánh công tác cho dòng chảy không bị hao tổn. Áp dụng định luật Newton thứ hai và nguyên lý lực và phản lực, dòng chảy qua bánh công tác sẽ tạo ra một phản lực lên bánh công tác tương đương với lực mà bánh công tác tác động lên dòng chảy. Phương trình lực xoắn trên trục quay bánh công tác được biểu diễn như sau

$M=\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}Q\left[u_2.c_{2}u-<!--\; -\; -->u_1.c_{1}u\right]$ (1)

$C_{2}u$ là hình chiếu của vectơ $c_2$ lên vectơ $u_2$

$C_{1}u$ là hình chiếu của vectơ $c_1$ lên vectơ $u_1$

M là lực xoắn tác động lên trục

Phương trình Euler

Đây là kết quả từ việc dẫn xuất phương trình lực xoắn (1)

$H=\frac{u_2.c_{2}u-<!--\; -\; -->u_1.c_{1}u}{2g}$

Dạng phân tích của phương trình Euler

$H=\frac{c_2^2-c_1^2}{2g}+\frac{u_2^2-u_1^2}{2g}+\frac{w_1^2-w_2^2}{2g}$

Mặc dù phương trình này có nhiều biến số bậc hai, nhưng đường biểu diễn của nó vẫn luôn là đường thẳng.

Hiệu suất

$\eta =\frac{\rho .gQH}{P_m}$

$P_m$ năng lượng cơ học cấp cho bơm (W)

$\rho$ mật độ chất lỏng (kg/m³)

$g$ gia tốc trọng trường chuẩn (9.80665 m/s²)

$H$ chiều cao cột áp làm việc (m)

$Q$ lưu lượng bơm (m³/s)

$\eta$ hiệu suất của bơm

Cột áp làm việc (được ký hiệu là $H$) bao gồm tổng của sự chênh lệch độ cao giữa hai bên đẩy và hút, cũng như cột áp bị tổn thất do dẫn truyền qua ống, được tính bằng mét. Công suất sử dụng thường được đo bằng watt (W, kW) hoặc mã lực (hp = kW*0.736).

Hiệu suất tổng cộng = Hiệu suất của bơm nhân với hiệu suất của động cơ điện.

• Quạt ly tâm