WesterntechVN – Việc ngăn ngừa Hiện Tượng Khí Thực (Cavitation) trong máy bơm xoay quanh việc kiểm soát áp suất thủy tĩnh (P) tại điểm thấp nhất của dòng chảy, thường là ở cửa vào Bánh Xe Công Tác (BXCT). Áp suất tại điểm này (Pk​) phải luôn lớn hơn áp suất hóa hơi (Phh​). Để phân tích và kiểm soát Pk​, chuyên gia kỹ thuật phải dựa vào Phương Trình Bernoulli, công cụ nền tảng mô tả mối quan hệ giữa năng lượng (áp suất, vận tốc, độ cao) của dòng chảy.

Bài viết chuyên sâu này sẽ đi thẳng vào giải mã Phương Trình Bernoulli áp dụng cho cửa hút máy bơm (Công thức 5-1). Chúng ta sẽ phân tích chi tiết từng nhân tố—Áp suất khí quyển (Pa​), Tốc độ dòng chảy (Ck​), Độ cao lắp đặt (h), và Tổn thất thủy lực ống hút (hmsh​,hmsvk​)—và mức độ ảnh hưởng của chúng đến nguy cơ khí thực. Từ đó, chúng ta sẽ xây dựng các chiến lược thiết kế hệ thống bơm cụ thể nhằm tối đa hóa áp suất Pk​ và ngăn ngừa sự phát sinh của hiện tượng khí thực phá hoại này.

Thiết Lập Phương Trình Bernoulli Cho Vùng Nguy Hiểm

• 1.1. Vùng Nguy Hiểm Khí Thực:
  • Khí thực thường phát sinh tại vùng qua nước có áp suất nhỏ nhất. Mặc dù áp suất nhỏ nhất tuyệt đối có thể xảy ra tại điểm N (mép cánh) do tốc độ lớn, nhưng điểm K (gần cửa vào BXCT) thường được chọn để tính toán vì tại đó, bọt khí có đủ thời gian để hình thành.
  • Mục tiêu: Tính toán áp suất Pk​ tại điểm K.
• 1.2. Áp dụng Phương trình Bernoulli (Giữa mặt thoáng 0-0 và điểm K):
  • Phương trình Bernoulli cho hai mặt cắt (bỏ qua Pv​,Cv​ tại mặt thoáng):

γPa​​+h=γPk​​+2gCk2​​+hmsh​+hmsvk​

• • Công thức Áp suất tại K (Công thức 5-1):

Pk​=Pa​+γh−γhmsh​−γhmsvk​−2gγCk2​​

Hoặc, dưới dạng cột áp:

Hk​=Ha​+h−hmsh​−hmsvk​−2gCk2​​

• • Trong đó:
    • Pa​/γ=Ha​: Cột áp khí quyển.
    • h: Độ cao lắp đặt máy bơm so với mực nước bể hút (nếu h>0: hút; h<0: đẩy).
    • hmsh​: Tổn thất thủy lực trên đường ống hút.
    • hmsvk​: Tổn thất thủy lực từ mặt cắt ống hút đến điểm K.
    • Ck2​/2g: Cột áp vận tốc tại điểm K.

Phân Tích Chuyên Sâu Các Yếu Tố Giảm Áp Suất

• 2.1. Yếu tố Áp suất Khí Quyển (Pa​ hay Ha​):
  • Ảnh hưởng: Pa​ là thành phần cộng (dương) duy nhất trong việc cung cấp áp suất.
  • Chiến lược:
    • Cao trình Đặt Máy: Máy bơm ở miền núi (cao so với mực nước biển) có Pa​ thấp hơn so với đồng bằng. ⟹ Trạm bơm miền núi dễ có nguy cơ xảy ra hiện tượng khí thực hơn.
    • Nhiệt độ Môi trường: Nhiệt độ cao làm Phh​ tăng, nhưng Pa​ ít thay đổi.
• 2.2. Yếu tố Độ cao Lắp Đặt (h):
  • Ảnh hưởng: Khi bơm hút (h>0), Pk​ giảm theo h (thành phần dương, nhưng giảm Pk​ khi h tăng).
  • Chiến lược:
    • Hạ cao trình VAM: Việc hạ độ cao đặt máy bơm (h giảm, thậm chí h âm – bơm đặt dưới mực nước) là giải pháp có lợi nhất để tăng Pk​ và chống khí thực.
• 2.3. Yếu tố Tổn thất Thủy Lực (hmsh​,hmsvk​):
  • Ảnh hưởng: Tổn thất luôn là thành phần trừ (âm) trong Phương trình Bernoulli. Tổn thất càng lớn, Pk​ càng giảm.
  • Chiến lược Giảm hmsh​:
    • Thiết kế Đường ống Hút: Dùng ống hút đường kính lớn, ngắn, thẳng, và giảm thiểu các phụ kiện (van, cút 90 độ).
    • Gia công Bề mặt: Dùng ống có độ nhám thấp để giảm ma sát.
• 2.4. Yếu tố Vận tốc Dòng chảy (Ck​):
  • Ảnh hưởng: Vận tốc Ck​ tại điểm K tỷ lệ với lưu lượng Q và tốc độ n. Ck2​/2g là thành phần trừ (âm). Ck​ càng lớn, Pk​ càng giảm.
  • Chiến lược:
    • Giảm Vòng Quay (n): Vận hành bơm ở vòng quay thấp hơn (VFD) giúp giảm Ck​ và giảm nguy cơ khí thực.
    • Thiết kế Cánh và Cột Áp Vận Tốc: Thiết kế dạng cánh tối ưu giúp giảm Ck​ cần thiết để tạo ra Q.

Chiến Lược Thiết Kế Hệ Thống Chống Khí Thực (NPSH)

• 3.1. Nguyên tắc An Toàn Khí Thực:
  • Điều kiện để không xảy ra khí thực là: Pk​/γ≥Phh​/γ⟹Hk​≥Hhh​
  • Hay: Hk​−Hhh​≥0. Đại lượng Hk​−Hhh​ chính là Độ Dự Trữ Khí Thực Sẵn Có (NPSH-A).
  • Chiến lược NPSH: NPSHA​ (hệ thống) phải luôn lớn hơn NPSHR​ (bơm yêu cầu):

NPSHA​=Ha​+h−hmsh​−Hhh​≥NPSHR​

• 3.2. Yếu tố Thiết kế Cơ khí:
  • Thiết kế Dạng Cánh: Cánh bơm phải có dạng thích hợp để đảm bảo áp suất tăng dần, tránh tách dòng.
  • Gia công và Lắp đặt: Bề mặt tiếp xúc nhẵn, tránh rung động máy bơm. Rung động (dù nhỏ) có thể gây tách dòng và tạo bọt khí, từ đó tạo ra chu trình feedback làm khí thực càng ác liệt hơn.
• 3.3. Yếu tố Vận hành:
  • Tránh Hãm máy Đột ngột/Đổi Hướng Dòng Chảy: Những thay đổi đột ngột này gây ra Nước Va Thủy Lực (Water Hammer), tạo ra áp suất âm cục bộ rất lớn, dễ phát sinh khí thực ngay lập tức.

Việc kiểm soát Hiện Tượng Khí Thực là một bài toán tối ưu hóa áp suất Pk​ tại cửa hút BXCT, được chi phối bởi Phương Trình Bernoulli (5-1). Các chuyên gia kỹ thuật phải đối phó với các thành phần giảm áp suất như: độ cao lắp đặt h, tổn thất đường ống hút hmsh​, và cột áp vận tốc Ck2​/2g. Chiến lược giảm thiểu nguy cơ khí thực bao gồm: Hạ thấp cao trình đặt máy bơm, tối ưu hóa thiết kế đường ống hút, và kiểm soát tốc độ vận hành, nhằm đảm bảo NPSHA​≥NPSHR​ trong mọi điều kiện làm việc của trạm bơm.