Trong thiết kế Bánh Xe Công Tác (BXCT) của máy bơm ly tâm, Góc Cánh Ra (β2) là một trong những thông số hình học quan trọng nhất, quyết định không chỉ đường đặc tính H−Q của bơm ly tâm mà còn cả tỷ lệ giữa Cột Nước Động (Hđ) và Cột Nước Tĩnh (Ht) được tạo ra. Sự lựa chọn β2 sẽ phân loại BXCT thành ba dạng cơ bản: Cánh Uốn Cong Về Phía Sau (β2<90∘), Cánh Thẳng (β2=90∘), và Cánh Uốn Cong Về Phía Trước (β2>90∘) (Hình 3-4).
Bài viết chuyên sâu này sẽ tập trung vào chiến lược lựa chọn góc β2 trong sản xuất bơm. Chúng ta sẽ sử dụng Phương trình Euler dạng mới để chứng minh bằng toán học tại sao dạng cánh có β2<90∘ lại được ưu tiên tuyệt đối, vì nó cho tỷ lệ cột nước động (Hđ) nhỏ nhất (và Ht lớn nhất), từ đó giảm tổn thất thủy lực và nâng cao hiệu suất của bơm. Ngoài ra, chúng ta sẽ phân tích các ưu điểm kỹ thuật khác (ổn định công suất, dễ chế tạo) của dạng cánh uốn cong về phía sau.
Phân Loại và Đặc Trưng Cơ Bản Của Ba Dạng Cánh
- 1.1. Cánh Uốn Cong Về Phía Sau (β2<90∘):
- Cánh uốn cong ngược với chiều quay của BXCT (Hình 3-4, a).
- Đặc trưng: C2u<U2.
- 1.2. Cánh Thẳng (Ly Tâm) (β2=90∘):
- Cánh nằm trên đường kính, hướng trùng với bán kính (Hình 3-4, b).
- Đặc trưng: C2u=U2.
- 1.3. Cánh Uốn Cong Về Phía Trước (β2>90∘):
- Cánh uốn cong cùng chiều quay của BXCT (Hình 3-4, c).
- Đặc trưng: C2u>U2.
Phân Tích Tỷ Lệ Động Năng (Hđ) và Cột Nước Toàn Phần (H−1) (Với Điều Kiện Lý Tưởng α1=90∘)
- 2.1. Cột Nước Toàn Phần và Động Năng Cần Xét:
- Trong chế tạo bơm ly tâm, cửa vào thường được thiết kế lý tưởng α1=90∘ (dòng chảy vào song song trục), nghĩa là C1u=0.
- Phương trình Euler rút gọn thành: H−1=g1C2uU2 (Công thức 3-9).
- Cột nước động tương ứng là: Hđ=2gC22−C12=2gC2u2 (vì C22=C2r2+C2u2 và C1r=C1, nếu giả sử C1 và C1r không đổi).
- 2.2. Trường Hợp Cánh Uốn Cong Về Phía Trước (β2>90∘):
- Điều kiện: C2u>U2.
- Tỷ lệ Hđ: Thay C2u vào công thức Hđ=2gC2u2:
Hđ=2gC2u2>2gU2⋅C2u=21H−1
-
- Nhận xét: Thành phần động năng Hđ chiếm hơn một nửa cột nước H−1. Điều này có nghĩa là phần lớn năng lượng được truyền dưới dạng động năng, cần phải chuyển hóa trong phần tĩnh sau BXCT. => Tổn thất lớn.
- 2.3. Trường Hợp Cánh Thẳng (β2=90∘):
- Điều kiện: C2u=U2.
- Tỷ lệ Hđ: Thay C2u=U2 vào công thức Hđ:
Hđ=2gU2⋅C2u=21H−1
-
- Nhận xét: Cột nước động và tĩnh bằng nhau (mỗi thành phần chiếm 1/2 tổng cột nước H−1).
- 2.4. Trường Hợp Cánh Uốn Cong Về Phía Sau (β2<90∘):
- Điều kiện: C2u<U2.
- Tỷ lệ Hđ: Thay C2u vào công thức Hđ:
Hđ=2gC2u2<2gU2⋅C2u=21H−1
-
- Nhận xét: Cột nước động Hđ nhỏ hơn một nửa cột nước H−1. Nghĩa là phần lớn năng lượng được chuyển hóa thành áp suất tĩnh (Ht) ngay trong BXCT (Ht>1/2H−1).
Ưu Điểm Tuyệt Đối Của Cánh β2<90∘ Trong Chế Tạo
- 3.1. Giảm Thiểu Tổn Thất Thủy Lực:
- Do Hđ<1/2H−1, dạng cánh này tạo phần lớn cột nước tĩnh (Ht) ngay trong cánh quạt. Điều này giúp giảm thiểu lượng động năng cần chuyển hóa trong phần tĩnh (buồng xoắn/khuếch tán), nơi tổn thất do xoáy và ma sát thường cao hơn. Tổn thất thủy lực tổng thể là nhỏ nhất trong ba dạng cánh.
- 3.2. Cấu Trúc Khe Cánh Thuận Lợi:
- Khe cánh quạt uốn ra sau nên có xu hướng mở rộng đều đặn hơn so với β2>90∘. Khe cánh chỉ một lần cong (tránh thay đổi độ cong đột ngột), giảm thiểu hiện tượng tách dòng và xoáy nước cục bộ, từ đó giảm tổn thất thủy lực trong chính khe cánh.
- 3.3. Ổn Định Vận Hành (Đường Đặc Tính H−Q):
- Dạng cánh β2<90∘ làm cho sự thay đổi công suất thủy lực (N∼Q⋅H) tương đối ít khi lưu lượng (Q) thay đổi. Điều này tạo điều kiện cho động cơ điện làm việc thuận lợi, tránh tình trạng quá tải cục bộ. Chế độ làm việc ổn định cũng giúp duy trì hiệu suất bơm cao hơn trong dải hoạt động rộng.
- 3.4. Dễ Chế Tạo:
- Cánh uốn ra sau thường dễ gia công và đúc hơn so với cánh uốn về phía trước (cần độ chính xác cao hơn).
Lựa Chọn Góc Cánh Tối Ưu Trong Sản Xuất
- 4.1. Dải Góc β2 Thực Tế:
- Dựa trên các tính toán thủy lực và kinh nghiệm thực nghiệm, phần lớn các nhà sản xuất máy bơm ly tâm chọn góc β2 trong khoảng 15∘ đến 40∘ để chế tạo bơm.
- Ý nghĩa: Dải này cân bằng giữa việc tạo cột áp tĩnh cao (cần β2 nhỏ) và duy trì lưu lượng ổn định (tránh β2 quá nhỏ gây cản trở dòng chảy).
- 4.2. Góc 90∘ và $ > 90^\circ$ (Ứng Dụng Hạn Chế):
- Dạng cánh β2=90∘ và β2>90∘ ít được sử dụng trong bơm ly tâm vì hiệu suất thấp và dễ gây rung động (đặc biệt β2>90∘ vì đường đặc tính H−Q có thể không ổn định). Chúng chủ yếu xuất hiện trong các thiết bị đặc biệt như máy nén khí ly tâm (nơi ρ thấp).
Góc Cánh Ra (β2) là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất và đặc tính của bơm ly tâm. Qua phân tích toán học, dạng cánh Uốn Cong Về Phía Sau (β2<90∘) cho thấy ưu điểm vượt trội: nó chuyển hóa phần lớn năng lượng thành áp suất tĩnh (Ht) ngay trong BXCT, giúp giảm thiểu cột nước động (Hđ) và lượng năng lượng cần chuyển hóa trong phần tĩnh. Điều này dẫn đến tổn thất thủy lực nhỏ nhất và hiệu suất cao nhất. Vì những lý do này, việc chọn β2 trong khoảng 15∘…40∘ là tiêu chuẩn vàng trong sản xuất bơm ly tâm công nghiệp.
