WesterntechVN – Bên cạnh Tổn Thất Thủy Lực (Bài 1), hiệu suất tổng thể của máy bơm còn bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hai dạng lãng phí năng lượng khác: Tổn Thất Dung Tích (ΔQ) và Tổn Thất Cơ Khí (ΔN). Tổn thất dung tích liên quan đến lượng chất lỏng rò rỉ ngược qua các khe hở, làm giảm lưu lượng hữu ích. Tổn thất cơ khí liên quan đến ma sát giữa chất lỏng với các bộ phận quay và ma sát giữa các bộ phận cơ khí. Việc định lượng và kiểm soát hai dạng tổn thất này thông qua Hiệu Suất Dung Tích (ηv) và Hiệu Suất Cơ Khí (ηm) là then chốt để đạt được hiệu suất chung tối đa.
Bài viết chuyên sâu này sẽ tập trung vào phân tích Tổn Thất Dung Tích (ΔQ) và Tổn Thất Cơ Khí (ΔN). Chúng ta sẽ làm rõ cơ chế rò rỉ và công thức thực nghiệm ηv của A.A. Lômankin, đặc biệt đi sâu vào tổn thất ma sát đĩa BXCT (Công thức 3-20) và mối quan hệ giữa ηv,ηm với Tỷ Tốc (ns). Từ đó, chúng ta sẽ đề xuất các biện pháp kỹ thuật nhằm tối ưu hóa các hiệu suất này trong quá trình thiết kế và sản xuất bơm.
Tổn Thất Dung Tích (ΔQ) và Hiệu Suất ηv
- 1.1. Cơ Chế Tổn Thất Dung Tích:
- ΔQ là lượng nước rò rỉ qua các khe rãnh (ví dụ: giữa vòng chống rò của BXCT và vỏ bơm) do chênh lệch áp lực lớn giữa ống đẩy và ống hút.
- Hậu quả: Lượng rò rỉ này không đóng góp vào lưu lượng hữu ích của bơm, làm giảm hiệu suất chung của bơm.
- 1.2. Khái Niệm Hiệu Suất Dung Tích (Công thức 3-17):
- Hiệu suất dung tích (ηv) là tỷ số giữa lưu lượng hữu ích (Q) và tổng lưu lượng đi qua BXCT (Q+ΔQ):
ηv=Q+ΔQQ
- 1.3. Công Thức Thực Nghiệm Theo Tỷ Tốc (ns) (Lômankin – Công thức 3-18):
- A.A. Lômankin đã xác định hiệu suất dung tích khi bơm làm việc ở chế độ thiết kế phụ thuộc vào Tỷ Tốc (ns):
ηv=1+0,68ns−2/31
-
- Nhận xét Kỹ thuật:
- ηv giảm khi ns (tỷ tốc) tăng.
- Bơm Ly Tâm thuần túy ( ns thấp) có ηv cao hơn bơm hướng trục (ns cao). Điều này là do bơm ns thấp có khe hở rò rỉ nhỏ hơn và áp suất chênh lệch qua khe hở tương đối thấp hơn.
- Nhận xét Kỹ thuật:
- 1.4. Công Suất Tiêu Hao Dung Tích (ΔNv):
- Công suất tiêu hao để khắc phục rò rỉ:
ΔNv=9,81(H+hh)ΔQ(Coˆng thức 3-19)
-
- ΔNv là năng lượng phải truyền cho chất lỏng rò rỉ (chất lỏng này không tạo ra cột áp hữu ích).
Tổn Thất Cơ Khí (ΔN) và Hiệu Suất ηm
- 2.1. Các Thành Phần Tổn Thất Cơ Khí:
- Ma sát đĩa: Ma sát giữa chất lỏng và hai mặt ngoài của đĩa BXCT.
- Ma sát trục/vỏ: Giữa chất lỏng với vỏ bơm.
- Ma sát cơ khí: Ma sát trong vật chèn kín nước (packing/mechanical seal) và ổ trục (bearing).
- 2.2. Tổn Thất Ma Sát Đĩa BXCT (ΔNdis – Công thức 3-20):
- Đây là thành phần lớn nhất của ΔN. Đối với chất lỏng có khối lượng riêng ρ và độ nhớt ν, tổn thất ma sát đĩa (kW) là:
ΔNdis=113⋅10−5⋅ω3⋅D25
Lưu ý: Công thức này cho thấy ΔNdis tỷ lệ thuận với lập phương tốc độ góc (ω3) và lũy thừa bậc năm của đường kính ngoài BXCT (D25).
-
- Chiến lược Giảm Thiểu:
- Gia công bề mặt đĩa: Làm nhẵn bề mặt đĩa BXCT và vỏ bơm để giảm ma sát.
- Thiết kế khoang đĩa: Bơm tỷ tốc thấp (cánh quạt rộng) cần thiết kế các khoang áp lực đặc biệt để giảm ma sát.
- Chiến lược Giảm Thiểu:
- 2.3. Hiệu Suất Cơ Khí (Công thức 3-21):
- Hiệu suất cơ khí (ηm) là tỷ số giữa công suất thủy lực truyền vào chất lỏng (Nh) và công suất trục bơm (Nt):
ηm=1−NtΔN
ηm thường nằm trong khoảng 0,95…0,98.
- 2.4. Công Thức Thực Nghiệm Theo Tỷ Tốc (ns) (Lômankin – Công thức 3-22):
- A.A. Lômankin cũng đưa ra công thức xác định ηm khi bơm làm việc ở chế độ thiết kế:
ηm=0,97+ns820
-
- Nhận xét Kỹ thuật: ηm giảm khi ns tăng. Bơm tỷ tốc thấp (ns nhỏ) có ηm thấp hơn. Điều này là do tỷ lệ tổn thất ma sát ở vật chèn kín nước và ổ trục (thường chiếm 2…4%Nt) trở nên đáng kể hơn đối với bơm có công suất hữu ích nhỏ.
Tối Ưu Hóa Kỹ Thuật Dựa Trên ns
- 3.1. Đối với Bơm Tỷ Tốc Thấp (ns nhỏ):
- ηv cao, ηm thấp.
- Chiến lược: Tập trung nâng cao ηm bằng cách cải thiện vật liệu, thiết kế ổ trục và chèn kín nước (giảm ma sát cơ khí), đồng thời gia công bề mặt đĩa BXCT để giảm ΔNdis.
- 3.2. Đối với Bơm Tỷ Tốc Cao (ns lớn):
- ηv thấp, ηm cao.
- Chiến lược: Tập trung nâng cao ηv bằng cách kiểm soát chặt chẽ khe hở (vòng chống rò), giảm thiểu rò rỉ ΔQ.
Hiệu suất Dung Tích (ηv) và Cơ Khí (ηm) là hai chỉ số then chốt quyết định hiệu suất chung của máy bơm. ηv bị chi phối bởi lượng chất lỏng rò rỉ (ΔQ) qua khe hở, và ηm bị chi phối bởi tổn thất ma sát đĩa (ΔNdis) và ma sát cơ khí. Việc định lượng ηv và ηm theo Tỷ Tốc (ns) (Công thức Lômankin) cung cấp cơ sở để đưa ra các quyết định thiết kế tối ưu: bơm tỷ tốc thấp cần tập trung giảm ma sát cơ khí và đĩa, trong khi bơm tỷ tốc cao cần kiểm soát khe hở rò rỉ chặt chẽ, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể.
