WesterntechVN – Việc phòng ngừa Hiện Tượng Khí Thực (Cavitation) phải được bắt đầu ngay từ giai đoạn Thiết Kế và Chế Tạo máy bơm, bởi đây là cơ hội duy nhất để can thiệp vào hình học thủy lực và lựa chọn vật liệu, hai yếu tố quyết định khả năng chống chịu của bơm. Các giải pháp kỹ thuật trong giai đoạn này nhằm hai mục tiêu chính: (1) Giảm Độ Dự Trữ Khí Thực Yêu Cầu (NPSHR​) của bơm bằng cách tối ưu hóa hình dạng cánh, và (2) Tăng khả năng chịu đựng của vật liệu khi khí thực xảy ra.

Bài viết chuyên sâu này sẽ trình bày các biện pháp phòng ngừa khí thực cấp tiến trong lĩnh vực chế tạo máy bơm. Chúng ta sẽ phân tích ảnh hưởng của góc β1​ ở cửa vào và cách tối ưu hóa đường kính D1​ để giảm tốc độ dòng chảy tương đối W. Đồng thời, chúng ta sẽ đi sâu vào việc lựa chọn vật liệu kháng khí thực như Thép không rỉ Crom-Niken, và tầm quan trọng của việc gia công để tạo ra một bề mặt cánh có khả năng chịu đựng cao nhất trước sóng xung kích của sự sụp đổ bọt khí.

Tối Ưu Hóa Hình Học Cánh Để Giảm NPSHR​ (Độ Dự Trữ Khí Thực Yêu Cầu)

• 1.1. Ảnh Hưởng Của Góc Cánh β1​ (Góc ở cửa vào):
  • Nguyên tắc: Góc β1​ có giá trị nhỏ sẽ làm cho dòng chảy tương đối (W) vào BXCT trở nên êm thuận hơn, tránh sự ngoặt dòng đột ngột.
  • Tác dụng: Khi β1​ nhỏ, áp suất tại mặt sau cánh (nơi áp suất thấp nhất) sẽ giảm đồng đều hơn và không giảm đột ngột. Điều này làm cho NPSHR​ (độ dự trữ khí thực yêu cầu) của bơm nhỏ hơn, do đó bơm sẽ ít có khả năng phát sinh khí thực hơn trong điều kiện vận hành.
• 1.2. Kiểm Soát Đường Kính Cửa Vào D1​:
  • Mục tiêu: Giảm Vận Tốc Tuyến Tính và Vận Tốc Tương Đối (W) của dòng chảy.
  • Giải pháp: Mở rộng đường kính cửa vào D1​ (tăng đường kính hút) giúp giảm vận tốc dòng chảy qua cửa vào BXCT. Tuy nhiên, việc mở rộng này phải được cân nhắc kỹ lưỡng:
    • Hạn chế: Tỷ số D1​/D2​ không nên quá nhỏ. Việc D1​ quá lớn có thể làm chiều dài khe cánh (b2​) tương đối nhỏ đi, gây ra các vấn đề dòng chảy khác hoặc làm tăng tổn thất do ma sát bề mặt.
• 1.3. Thiết Kế Dạng Cánh Hợp Lý:
  • Yêu cầu: Thiết kế cánh bơm phải đảm bảo mặt sau cánh có sự giảm áp lực đồng đều theo chiều dài cánh.
  • Tránh Ngoặt Đột Ngột: Dòng chảy vào BXCT không được phép bị ngoặt đột ngột. Thiết kế buồng hút và cửa vào phải đảm bảo dòng chảy phân bố đều và đi vào BXCT với góc tối ưu tại điểm thiết kế.

Ứng Dụng Vật Liệu Chống Khí Thực Chuyên Dụng

• 2.1. Yêu Cầu Của Vật Liệu Chống Khí Thực:
  • Vật liệu phải có khả năng chịu đựng cao trước sự va đập thủy lực cục bộ (sóng xung kích) và các tác động hóa học/điện phân phát sinh khi khí thực xảy ra.
  • Các tiêu chí bao gồm: Độ cứng cao, Độ dẻo (Ductility) tốt, Độ bền mỏi cao và Khả năng chống ăn mòn hóa học tốt.
• 2.2. Vật Liệu Tiêu Chuẩn (Thép không rỉ Crom-Niken):
  • Để tăng khả năng chống chịu của máy bơm, chuyên gia kỹ thuật thường khuyến nghị sử dụng Thép không rỉ (Stainless Steel) với hàm lượng:
    • Crom (Cr): Thường từ 12% đến 14% (chống ăn mòn hóa học và tăng độ cứng).
    • Niken (Ni): Thường từ 0,5% đến 0,8% (tăng độ dẻo và độ bền mỏi).
  • Lợi ích: Loại thép này (ví dụ: thép Crom-Niken Martensitic hoặc Austenitic) có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn tốt và khả năng hấp thụ năng lượng va đập tương đối, làm chậm quá trình ăn mòn khí thực.
• 2.3. Các Kỹ Thuật Gia Công và Phủ Bề Mặt:
  • Gia công chính xác: Gia công bề mặt cánh bơm phải nhẵn để giảm ma sát và giảm nguy cơ tạo ra các điểm áp suất thấp cục bộ (mầm mống của bọt khí).
  • Phủ bề mặt: Trong một số ứng dụng đặc biệt, các lớp phủ chịu mài mòn (ví dụ: Ceramic hoặc Polyurethane chuyên dụng) có thể được áp dụng để tạo một lớp bảo vệ bề mặt chống lại sự va đập của bọt khí.

Biện Pháp Phòng Ngừa Khí Thực Khác Trong Chế Tạo

• 3.1. Dùng Bơm Ly Tâm Hai Cửa Vào (Double Suction Pump):
  • Cơ chế: Thiết kế này cho phép dòng chất lỏng đi vào BXCT từ cả hai phía, làm giảm một nửa lưu lượng đi qua mỗi cửa vào.
  • Lợi ích: Việc giảm lưu lượng qua mỗi cửa hút sẽ làm giảm vận tốc dòng chảy tương đối (W), từ đó giảm NPSHR​ và giảm nguy cơ khí thực. Bơm hai cửa vào thường được ưu tiên cho các ứng dụng lưu lượng lớn.
• 3.2. Kiểm Soát Tỷ Tốc (ns​):
  • Trong thiết kế mới, việc lựa chọn tỷ tốc (ns​) phù hợp là rất quan trọng. Mặc dù tỷ tốc cao giúp giảm kích thước bơm, nó cũng làm tăng nguy cơ khí thực.
  • Chiến lược: Đối với các ứng dụng có NPSHA​ thấp, nên chọn bơm có tỷ tốc thấp và vòng quay thấp hơn để giảm thiểu W.
• 3.3. Sử Dụng Cánh Hướng Dòng Phụ (Inducer):
  • Đối với các bơm vận hành ở tốc độ cực cao, việc lắp đặt thêm một cánh hướng dòng phụ (Inducer) ở cửa hút có thể giúp tăng áp suất cục bộ trước khi dòng chảy đi vào BXCT chính, giúp giảm NPSHR​ một cách hiệu quả.

Giai đoạn Thiết Kế và Chế Tạo là thời điểm vàng để triển khai các biện pháp phòng ngừa khí thực. Các chiến lược chính bao gồm tối ưu hóa hình học cánh (đảm bảo góc β1​ nhỏ và D1​ hợp lý) để giảm NPSHR​ và sử dụng vật liệu chuyên dụng (Thép không rỉ Crom-Niken) để tăng khả năng chống ăn mòn. Bằng cách can thiệp từ gốc, chuyên gia kỹ thuật có thể tạo ra những chiếc máy bơm không chỉ đạt hiệu suất cao mà còn có độ bền vượt trội trước sự tàn phá của hiện tượng khí thực.