Bên cạnh sự phân loại dựa trên chu trình (tác dụng đơn/kép), cấu tạo của pít-tông cũng là một yếu tố phân loại quan trọng, dẫn đến sự ra đời của Bơm Pít-tông Trụ (Plunger Pump). Pít-tông trụ, với đặc điểm là đường kính ngoài nhỏ hơn chiều dài, mang lại ưu thế về độ kín và khả năng chịu áp suất cao. Một biến thể nổi bật là Bơm Pít-tông Trụ Sai Động (Differential Plunger Pump – Hình 7-3), được thiết kế để giải quyết vấn đề biến động lưu lượng và tải trọng động cơ không đều vốn có của bơm pít-tông.
Bài viết chuyên sâu này sẽ tập trung vào phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Bơm Pít-tông Trụ Sai Động. Chúng ta sẽ giải mã công thức lưu lượng đặc trưng (7-5) và đặc biệt là điều kiện cân bằng tải trọng động cơ lý tưởng ($f = 0.5F$). Đồng thời, chúng ta sẽ mở rộng sang ứng dụng thực tiễn của Bơm Pít-tông Cần (Hình 7-4), phân tích cơ chế hoạt động của loại thông thường và loại sai động trong nhiệm vụ chuyên biệt là nâng nước từ giếng sâu.
Phần 1: Phân Biệt Pít-tông Thường và Pít-tông Trụ
- 1.1. Pít-tông Thường (Piston):
- Đặc điểm: Dạng tấm tròn, đường kính ngoài lớn hơn chiều dài nhiều lần (Hình 7-1, a).
- Hoạt động: Chuyển động tịnh tiến trong xi-lanh, tạo độ kín bằng gioăng hoặc vòng đệm quanh pít-tông.
- 1.2. Pít-tông Trụ (Plunger):
- Đặc điểm: Dạng trụ dài, đường kính ngoài nhỏ hơn chiều dài (Hình 7-1, b).
- Hoạt động: Thay vì làm kín ở thân bơm pít-tông, pít-tông trụ làm kín ở hộp chèn tại cửa vào xi-lanh. Điều này giúp dễ dàng hơn trong việc bảo trì độ kín và chịu được áp suất đẩy cao hơn (thường dùng cho bơm áp suất cao).
Phần 2: Bơm Pít-tông Trụ Sai Động (Differential Plunger Pump)
- 2.1. Cấu Tạo và Nguyên Lý (Hình 7-3):
- Gần giống bơm tác dụng kép nhưng có sự khác biệt về diện tích làm việc. Pít-tông trụ có hai khoang:
- Khoang A (Phía cần): Lưu lượng hút $V_H = F \cdot S$ (với $F = \pi D^2 / 4$).
- Khoang B (Phía không cần): Lưu lượng đẩy $V_B = (F – f) \cdot S$ (với $f = \pi d^2 / 4$ là diện tích cần).
- Chu trình:
- Pít-tông sang phải: Khoang A hút ($V_A = F \cdot S$); Khoang B đẩy vào ống đẩy ($V_{Đ1} = (F – f) \cdot S$).
- Pít-tông sang trái: Khoang A đẩy vào ống đẩy một thể tích $V_A$ nhưng bị khoang B tiêu thụ một phần ($V_B$), nên lượng đẩy thực tế là $V_{Đ2} = V_A – V_B = F \cdot S – (F – f) \cdot S = f \cdot S$.
- Gần giống bơm tác dụng kép nhưng có sự khác biệt về diện tích làm việc. Pít-tông trụ có hai khoang:
- 2.2. Lưu Lượng Lý Thuyết (7-5):
- Tổng thể tích chất lỏng được đẩy vào ống đẩy trong một chu kỳ (hai lần dịch chuyển):
$$ V_{\text{tổng}} = V_{Đ1} + V_{Đ2} = (F – f) \cdot S + f \cdot S = F \cdot S$$
-
- Tổng lưu lượng lý thuyết:
$$ Q_i = \frac{F \cdot S \cdot n}{60} \quad (\text{m}^3/\text{s}) \quad \mathbf{(7-5)}$$
-
- Nhận xét: $Q_i$ của bơm sai động tương đương với bơm tác dụng đơn. Tuy nhiên, nó đạt được lưu lượng đẩy liên tục trong cả hai nửa chu kỳ, giúp giảm xung áp và làm cho dòng chất lỏng ít biến động hơn (gần giống tác dụng kép).
- 2.3. Điều Kiện Cân Bằng Tải Trọng Động Cơ ($f = 0.5F$):
- Mục tiêu: Giảm sự dao động của lực tác dụng lên cần pít-tông và động cơ $\implies$ Tải đều hơn.
- Điều kiện lý tưởng: Nếu diện tích cần pít-tông ($f$) bằng một nửa diện tích pít-tông ($F$) ($f = 0.5F$), thì lượng chất lỏng chảy vào ống đẩy khi pít-tông chuyển động sang phải ($V_{Đ1} = (F – f) \cdot S = 0.5F \cdot S$) và sang trái ($V_{Đ2} = f \cdot S = 0.5F \cdot S$) sẽ bằng nhau.
- Lợi ích: Động cơ chịu tải đều hơn, tăng tuổi thọ và độ ổn định của hệ thống.
Phần 3: Ứng Dụng Của Bơm Pít-tông Cần (Rod Piston Pump) Trong Giếng Khoan
- 3.1. Bơm Pít-tông Cần Thông Thường (Hình 7-4, a):
- Nguyên lý: Hoạt động giống bơm tác dụng đơn nhưng được thiết kế để lắp đặt dưới giếng.
- Chu trình:
- Nâng Pít-tông: Van đẩy ($K_{\text{đ}}$) đóng, van hút ($K_{\text{h}}$) mở $\implies$ Hút nước vào xi-lanh. Đồng thời, nước đã có trong xi-lanh được nâng lên ống đẩy $6$.
- Hạ Pít-tông: Van $K_{\text{h}}$ đóng, van $K_{\text{đ}}$ mở $\implies$ Nước chảy vào không gian trên pít-tông. Lối nước vào ống đẩy $6$ bị đóng.
- 3.2. Bơm Pít-tông Cần Sai Động (Hình 7-4, b):
- Cấu tạo: Có thêm Trụ $7$ đường kính lớn hơn đường kính của cần, hoạt động giống như pít-tông trụ sai động.
- Chu trình (Tăng cường lưu lượng):
- Nâng Pít-tông: Lượng nước chảy vào ống đẩy $6$ bằng $V_{Đ1} = (F – f) \cdot S$ (với $f$ là diện tích tiết diện trụ 7).
- Hạ Pít-tông: Lượng nước được đẩy vào ống đẩy $6$ bằng $V_{Đ2} = f \cdot S$.
- Lưu lượng tổng: Sau hai lần dịch chuyển, thể tích nước cấp là $V = V_{Đ1} + V_{Đ2} = (F – f)S + fS = F \cdot S$.
Bơm pít-tông trụ và đặc biệt là bơm pít-tông trụ sai động là sự phát triển kỹ thuật nhằm cải thiện độ kín, khả năng chịu áp và độ ổn định của dòng chảy. Nguyên lý sai động, với điều kiện lý tưởng $f = 0.5F$ để cân bằng tải trọng, là minh chứng cho sự tinh tế trong thiết kế động cơ và hệ thống truyền động. Trong khi đó, bơm pít-tông cần (thông thường và sai động) là giải pháp chuyên dụng, đáng tin cậy cho việc nâng nước từ các nguồn sâu như giếng khoan, thể hiện sự linh hoạt của bơm pít-tông trong mọi điều kiện cột áp và vị trí.
