WesterntechVN – Bên cạnh khả năng tạo áp suất (H−Q), việc xác định Nhu Cầu Công Suất (N−Q) và Hiệu Suất (η−Q) là tối quan trọng trong thiết kế hệ thống bơm. Đường đặc tính N−Q quyết định công suất động cơ cần thiết, trong khi η−Q xác định điểm làm việc kinh tế nhất.

Cả hai đường đặc tính này đều là kết quả của sự tổng hợp và cân bằng phức tạp giữa Công Suất Lý Thuyết (Nl​) và các thành phần Công Suất Khắc Phục Tổn Thất (thủy lực, cơ khí, dung tích).

Bài viết chuyên sâu này sẽ tập trung vào việc giải mã cách xây dựng và phân tích các đường đặc tính N−Q và η−Q (Hình 3-12 và 3-13). Chúng ta sẽ phân tích ảnh hưởng của góc β2​ lên dạng đường N−Q và xem xét sự phụ thuộc của nó vào tỷ tốc (ns​). Cuối cùng, chúng ta sẽ rút ra những nhận xét kỹ thuật thực tế về công suất khởi động và nguy cơ quá tải động cơ khi hệ thống bơm ly tâm hoạt động ở cột nước quá thấp, những yếu tố then chốt trong vận hành an toàn.

Xây Dựng Đường Đặc Tính Công Suất N−Q

• 1.1. Công Suất Lý Thuyết (Nl​):
  • Công suất lý thuyết cần thiết để bơm lưu lượng Q lên cột nước Hl​ là:

Nl​=9.81Q⋅Hl​

• • Đường Nl​−Q được vẽ dựa trên Hl​−Q (tương tự Đường 4 Hình 3-10).
• 1.2. Tính Công Suất Thực Tế (N):
  • Công suất trục bơm thực tế (N) là tổng công suất lý thuyết (Nl​) cộng với các công suất tiêu thụ để khắc phục các tổn thất (Hình 3-12, b):

N=Nl​+ΔNh​+ΔNv​+ΔNm​

• • • ΔNh​ (Thủy lực – hh​)
    • ΔNv​ (Dung tích – ΔQ)
    • ΔNm​ (Cơ khí – Ma sát đĩa, trục)
• 1.3. Ảnh Hưởng Của Góc β2​ Lên Nl​−Q (Hình 3-12, a):
  • Trường hợp β2​≥90∘: Cột nước lý thuyết H−1​ không giảm hoặc tăng khi Q tăng. Do đó, công suất lý thuyết Nl​ tăng mạnh khi lưu lượng tăng (dạng 1, 2). Điều này có nguy cơ quá tải động cơ.
  • Trường hợp β2​<90∘ (Dạng Được Chọn): Cột nước lý thuyết H−1​ giảm khi Q tăng. Công suất Nl​ tăng chậm và đạt giá trị lớn nhất tại một giá trị Q nhất định (Q≤Q khi H−1​=0). Dạng đường này an toàn hơn cho động cơ.

Phân Tích Sự Phụ Thuộc Của N−Q vào Tỷ Tốc ns​

• 2.1. Bơm Tỷ Tốc Thấp (ns​ nhỏ):
  • Bơm ly tâm thuần túy (ns​ thấp) có β2​ rất nhỏ. Đường N−Q của chúng tăng đáng kể theo Q (ví dụ Đường 1, 2, 3 Hình 3-12, c).
  • Đặc điểm: Công suất đạt đỉnh và sau đó giảm nhẹ. Khi Q tăng, thành phần H giảm không đủ để bù đắp sự tăng của Q⋅H (dạng N=Q⋅H).
• 2.2. Bơm Tỷ Tốc Cao (ns​ lớn):
  • Bơm hướng trục (ns​≈300v/ph trở lên) có đặc điểm ngược lại. Công suất N tăng khi lưu lượng giảm (Đường 6, 7 Hình 3-12, c).
  • Lý do: Tại Q=0, H0​ là cực đại. Khi Q tăng, H giảm rất mạnh (do H−Q rất dốc), làm cho tích Q⋅H giảm nhanh hơn sự tăng của Q.
• 2.3. Ý nghĩa Kỹ thuật: Dạng đường N−Q là yếu tố quyết định lựa chọn động cơ. Đường N−Q tăng chậm hoặc giảm khi Q tăng là lý tưởng, cho phép lựa chọn động cơ có công suất không quá lớn.

Xây Dựng Đường Đặc Tính Hiệu Suất η−Q

• 3.1. Phương Pháp Xây Dựng (Hình 3-13):
  • Đường η−Q được vẽ bằng cách lấy công suất hữu ích (Nth​) chia cho công suất trục (N). Phương pháp ngược lại là trừ dần các tổn thất khỏi 100% công suất trục (Đường 1):
    • Đường 2: Trừ tổn hao Cơ Khí (ΔNm​).
    • Đường 3: Trừ tổn hao Dung Tích (ΔNv​).
    • Đường 4: Trừ tổn hao Ma Sát Thủy Lực (hs​).
    • Đường η−Q Thực Tế (Đường 5): Lấy Đường 4 trừ đi tổn thất Xung Kích (hi​).
• 3.2. Điểm Hiệu Suất Cực Đại (ηmax​):
  • Điểm ηmax​ luôn nằm tại lưu lượng thiết kế (Q0​) nơi tổn thất xung kích (hi​) bằng không.
• 3.3. Ảnh Hưởng Của ns​ Lên η−Q (Hình 3-12, c):
  • Tỷ tốc ns​ càng lớn, đường η−Q càng dốc và vùng làm việc hiệu suất cao càng bị thu hẹp lại (Đường 5, 6, 7).
  • Lý do: Bơm tỷ tốc cao nhạy cảm hơn với tổn thất xung kích (hi​) khi hoạt động ngoài Q0​.

Phân Tích Tính Năng Vận Hành Quan Trọng

• 4.1. Khởi Động Bơm (Tính Năng N khi Q=0):
  • Đối với bơm ly tâm thông thường (β2​<90∘ và ns​ thấp), công suất yêu cầu khi Q=0 (N0​) là nhỏ nhất trên đường N−Q (Hình 3-14, a).
  • Chiến lược Khởi Động: Đóng van trên ống đẩy trước khi khởi động (khởi động không tải Q=0) để giảm công suất khởi động và bảo vệ động cơ.
• 4.2. Nguy Cơ Quá Tải Động Cơ:
  • Nhận xét quan trọng: Công suất yêu cầu của bơm ly tâm (β2​<90∘) tăng dần khi lưu lượng tăng, nhưng quan trọng hơn là nó tăng khi cột nước H giảm.
  • Cảnh báo: Khi máy bơm làm việc với cột nước quá thấp (ví dụ: vỡ đường ống hoặc xả tự do), lưu lượng Q sẽ tăng đến mức cực đại, dẫn đến công suất N tăng đột ngột, gây quá tải động cơ kéo bơm. Kỹ sư phải kiểm tra khả năng quá tải của động cơ trong trường hợp xấu nhất này.

Đường Đặc Tính Công Suất (N−Q) và Hiệu Suất (η−Q) là sự phản ánh trực quan của quá trình chuyển đổi và hao phí năng lượng bên trong hệ thống bơm. Góc cánh ra β2​<90∘ được ưa chuộng vì nó làm chậm tốc độ tăng công suất N khi Q tăng. Phân tích N−Q và η−Q là cơ sở để đưa ra các quy tắc vận hành an toàn và kinh tế: Khởi động nên được thực hiện ở trạng thái đóng van (Q=0 và N nhỏ nhất), đồng thời cần cảnh giác với nguy cơ quá tải động cơ khi làm việc ở cột nước thấp (lưu lượng cực đại), đặc điểm vận hành nguy hiểm của bơm ly tâm.