Trong quá trình chảy của chất lỏng, một phần năng lượng cơ học bị mất đi do lực cản dòng chảy. Do đó, để vận chuyển chất lỏng từ nơi này đến nơi khác, cho dù đó là chuyển chất lỏng từ vị trí có tổng năng lượng riêng thấp hơn đến vị trí có tổng năng lượng riêng cao hơn hay chỉ để khắc phục lực cản dòng chảy, năng lượng cơ học phải được cung cấp cho chất lỏng. Máy móc dùng để vận chuyển chất lỏng được gọi là máy bơm (Pump). Máy bơm chủ yếu được phân thành ba loại dựa trên đặc điểm cấu trúc và nguyên tắc làm việc của chúng:
I. Máy bơm kiểu cánh gạt: Những máy bơm này hoạt động bằng cách để các cánh quạt quay tác dụng lên chất lỏng, do đó làm tăng năng lượng cơ học của chất lỏng. Ví dụ bao gồm các máy bơm ly tâm, máy bơm xoáy và máy bơm dòng trục, v.v.
II Bơm dịch chuyển dương: Những máy bơm này sử dụng chuyển động tịnh tiến của piston hoặc chuyển động quay của rôto để thay đổi thể tích của buồng làm việc, nén chất lỏng và thực hiện công lên chất lỏng, do đó làm tăng năng lượng cơ học của chất lỏng. Ví dụ bao gồm máy bơm pittông, máy bơm bánh răng và máy bơm trục vít, v.v.
III Máy bơm phản lực: Nó hoạt động bằng cách sử dụng tia-tốc độ cao do chất lỏng hoạt động tạo ra để đẩy chất lỏng ra, sau đó thông qua trao đổi động lượng, năng lượng của chất lỏng đẩy ra sẽ tăng lên.
Do cấu trúc đơn giản, dễ sản xuất, dòng chảy ổn định, khả năng thích ứng mạnh mẽ và vận hành thuận tiện, máy bơm ly tâm được sử dụng rộng rãi trong sản xuất hóa chất. Vì vậy, trong bài viết này chúng tôi sẽ tập trung giới thiệu về máy bơm ly tâm.
Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm
Khi máy bơm ly tâm hoạt động, nó dựa vào-bánh công tác quay tốc độ cao để cho phép chất lỏng thu năng lượng và tăng thế áp suất dưới tác dụng của lực ly tâm quán tính. Trước khi bơm ly tâm bắt đầu hoạt động, thân bơm và đường ống dẫn vào phải được đổ đầy môi trường lỏng để ngăn chặn hiện tượng xâm thực.
Khi bánh công tác quay nhanh, các cánh quạt làm cho môi trường quay nhanh. Môi trường quay bị văng ra khỏi bánh công tác dưới tác dụng của lực ly tâm. Sau khi nước bên trong máy bơm bị đẩy ra ngoài, một vùng chân không hình thành ở giữa cánh quạt. Đồng thời, nó liên tục hút chất lỏng và liên tục cung cấp năng lượng nhất định cho chất lỏng bị hút-, sau đó thải chất lỏng ra. Như vậy, bơm ly tâm hoạt động liên tục theo cách này.
Cấu tạo của bơm ly tâm
Có nhiều loại máy bơm ly tâm. Mặc dù cấu trúc của các loại máy bơm khác nhau nhưng các bộ phận chính về cơ bản là giống nhau.
Các bộ phận chính của bơm ly tâm bao gồm: cánh quạt, trục bơm, vỏ bơm, đế bơm, hộp đóng gói (thiết bị bịt kín), vòng đệm, vỏ ổ trục, v.v.
1. Cánh quạt
Cánh quạt là bộ phận làm việc của máy bơm ly tâm. Nó đạt được khả năng bơm chất lỏng bằng cách quay ở tốc độ cao và thực hiện công lên chất lỏng. Nó là một phần quan trọng của máy bơm ly tâm.
Bánh công tác thường bao gồm trung tâm, cánh quạt và tấm che. Tấm bìa của bánh công tác được chia thành tấm bìa phía trước và tấm bìa phía sau. Tấm bìa ở phía đầu vào của bánh công tác được gọi là tấm bìa phía trước, và tấm bìa ở phía bên kia được gọi là tấm bìa phía sau.
Khi khởi động bơm ly tâm, trục bơm sẽ dẫn động bánh công tác cùng quay với tốc độ cao. Điều này buộc chất lỏng đã được-lấp đầy trước giữa các cánh quay phải quay. Dưới tác dụng của lực ly tâm quán tính, chất lỏng di chuyển theo hướng xuyên tâm từ tâm ra ngoại vi của bánh công tác.
Trong quá trình dòng chảy qua bánh công tác, chất lỏng thu được năng lượng, với áp suất tĩnh tăng và tốc độ dòng chảy tăng. Khi chất lỏng rời khỏi cánh quạt và đi vào vỏ bơm, nó sẽ chậm lại do các kênh dòng chảy bên trong vỏ bơm dần dần mở rộng. Một phần động năng được chuyển thành năng lượng áp suất tĩnh và cuối cùng chảy tiếp tuyến vào đường ống xả.
Theo hình thức cấu trúc của chúng, cánh quạt có thể được phân thành ba loại sau.
(1) Cánh quạt kín có tấm che ở cả hai bên. Có 4 đến 6 lưỡi dao giữa các tấm bìa. Cánh quạt kín có hiệu suất cao và là loại được sử dụng rộng rãi nhất. Nó phù hợp để vận chuyển chất lỏng sạch không có hạt hoặc sợi rắn.
(2) Cánh quạt-mở không có tấm che ở cả hai mặt của cánh quạt. Nó phù hợp để vận chuyển chất lỏng có chứa một lượng lớn chất rắn lơ lửng. Tuy nhiên, hiệu quả của nó tương đối thấp và áp suất của chất lỏng vận chuyển không cao.
(3) Cánh quạt loại bán hở chỉ có tấm che phía sau. Nó phù hợp để vận chuyển chất lỏng dễ bị lắng đọng hoặc chứa chất rắn lơ lửng. Hiệu suất của nó nằm ở giữa loại cánh hở và loại đóng.
2. Trục bơm
Chức năng chính của trục bơm của máy bơm ly tâm là truyền công suất và hỗ trợ cánh quạt giữ cho nó ở vị trí làm việc và hoạt động bình thường. Một đầu của trục được nối với trục động cơ thông qua khớp nối, đầu còn lại đỡ bánh công tác để chuyển động quay. Trục được trang bị các bộ phận như vòng bi và phốt trục.
Vật liệu phổ biến của trục bơm là thép cacbon và thép không gỉ.
Bánh công tác và trục được kết nối bằng chìa khóa. Do phương pháp kết nối này chỉ có thể truyền mô-men xoắn nhưng không thể cố định vị trí trục của bánh công tác nên trong máy bơm, ống bọc trục và đai ốc khóa được sử dụng để cố định vị trí trục của bánh công tác.
Sau khi bánh công tác được định vị theo trục với đai ốc khóa và ống bọc trục, để tránh đai ốc khóa bị lỏng, cần ngăn chặn máy bơm đảo chiều. Đặc biệt đối với các máy bơm mới lắp đặt hoặc máy bơm đã tháo, sửa chữa phải tiến hành kiểm tra hướng quay theo quy định để đảm bảo phù hợp với hướng quy định.
3. Tay áo
Chức năng của ống bọc trục là bảo vệ trục bơm, chuyển ma sát giữa vòng đệm và trục bơm thành ma sát giữa vòng đệm và ống bọc trục. Do đó, ống bọc trục là bộ phận-dễ bị mài mòn của bơm ly tâm.
Bề mặt của ống bọc trục cũng có thể được xử lý như cacbon hóa, thấm nitơ, mạ crom và phun. Yêu cầu về độ nhám bề mặt thường được yêu cầu phải đạt Ra3,2μm - Ra0,8μm. Điều này có thể làm giảm hệ số ma sát và tăng tuổi thọ sử dụng.
4. Vòng bi
Vòng bi có vai trò đỡ trọng lượng và tải trọng của rôto. Trong máy bơm ly tâm, vòng bi lăn được sử dụng chủ yếu. Vòng ngoài của ổ trục nằm trong hệ thống trục đế có lỗ vỏ ổ trục, trong khi vòng trong nằm trong hệ thống lỗ đế có trục quay. Các tiêu chuẩn quốc gia thuộc danh mục phù hợp có các giá trị được khuyến nghị và chúng có thể được lựa chọn theo các trường hợp cụ thể. Vòng bi thường được bôi trơn bằng dầu mỡ và dầu bôi trơn.
5. Hộp phụ
Khi trục bơm nhô ra khỏi vỏ bơm, giữa trục và vỏ sẽ xuất hiện một khe hở. Trong máy bơm ly tâm hút đơn, nếu không sử dụng thiết bị bịt kín trục ở bộ phận này thì nước-áp suất cao bên trong vỏ máy bơm sẽ rò rỉ ra ngoài với số lượng lớn. Hộp đóng gói là một trong những thiết bị bịt kín trục được sử dụng phổ biến. Hộp đóng gói bao gồm năm thành phần: ống bọc trục, vòng đệm, ống bịt nước, vòng đệm nước và nắp đóng gói.
⒍蜗壳
Vòng xoắn ốc là một kênh dòng chảy có hình xoắn ốc-tăng dần theo diện tích mặt cắt-từ đầu ra của cánh quạt đến đầu vào của cánh quạt giai đoạn tiếp theo hoặc đến đường ống đầu ra của máy bơm. Kênh dòng chảy dần dần mở rộng và đầu ra ở dạng ống khuếch tán. Sau khi chất lỏng chảy ra khỏi bánh công tác, tốc độ dòng chảy của nó có thể giảm đi một cách trơn tru, chuyển đổi một phần lớn động năng của nó thành năng lượng áp suất tĩnh.
Ưu điểm của xoắn ốc là dễ chế tạo, có vùng hiệu suất rộng và hiệu suất của máy bơm thay đổi ít sau khi gia công bánh công tác.
Hạn chế là hình dạng xoắn ốc không đối xứng. Khi sử dụng một ống xoắn đơn, áp suất tác dụng lên rôto không đồng đều, dễ khiến trục bị cong. Do đó, trong máy bơm nhiều{2}}tầng, chỉ phần đầu tiên và phần cuối sử dụng ống xoắn, trong khi phần giữa sử dụng thiết bị bánh xe dẫn hướng.
Chất liệu của dây xoắn thường là gang. Vòng xoắn của-bơm chống ăn mòn được làm bằng thép không gỉ hoặc các vật liệu chống-ăn mòn khác, chẳng hạn như nhựa, sợi thủy tinh, v.v. Đối với máy bơm nhiều-giai đoạn, do áp suất cao nên yêu cầu về độ bền vật liệu cao hơn và các vòng xoắn của chúng thường được làm bằng thép đúc.
⒎ Bánh xe dẫn động
Bánh xe dẫn hướng là một đĩa cố định có các cánh dẫn hướng phía trước quấn quanh mép ngoài của nó ở mặt trước. Các cánh dẫn hướng này tạo thành một loạt các kênh dòng chảy hình-khuếch tán. Ở mặt sau có các cánh dẫn hướng ngược hướng chất lỏng đến đầu vào của bánh công tác giai đoạn tiếp theo. Sau khi chất lỏng được đẩy ra khỏi bánh công tác, nó chảy trơn tru vào bánh dẫn hướng và tiếp tục chảy ra ngoài dọc theo các cánh dẫn hướng phía trước, với tốc độ giảm dần và phần lớn động năng của nó được chuyển thành năng lượng áp suất tĩnh.
Khe hở hướng tâm một bên giữa bánh công tác và cánh dẫn hướng là khoảng 1mm. Nếu khe hở quá lớn thì hiệu quả sẽ giảm; nếu quá nhỏ sẽ gây rung, ồn. So với máy bơm xoắn ốc, vỏ máy bơm của máy bơm ly tâm nhiều tầng -phân đoạn có bánh dẫn hướng dễ chế tạo hơn và có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn. Tuy nhiên, việc lắp đặt và bảo trì nó khó khăn hơn so với dây xoắn.
16. Vòng đệm
Để giảm rò rỉ bên trong và bảo vệ vỏ máy bơm, một vòng đệm có thể thay thế được lắp trên vỏ tương ứng với đầu vào của bánh công tác. Khe hở xuyên tâm giữa lỗ bên trong của vòng đệm và vòng tròn bên ngoài của bánh công tác thường nằm trong khoảng từ 0,1 đến 0,2 mm. Sau khi vòng đệm bị mòn, độ hở xuyên tâm tăng lên, dẫn đến lượng xả chất lỏng của máy bơm giảm và hiệu suất giảm. Khi khe hở bịt kín vượt quá giá trị quy định thì cần phải thay thế kịp thời.
Các dạng cấu trúc của vòng đệm có ba loại:
Loại vòng-dẹt, có cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo nhưng hiệu quả bịt kín kém;
Vòng đệm loại góc vuông cho phép rò rỉ chất lỏng đi qua kênh 90 độ, mang lại hiệu quả bịt kín tốt hơn so với loại vòng{2}}phẳng. Nó được sử dụng rộng rãi.
Vòng đệm mê cung có tác dụng bịt kín tốt, nhưng cấu trúc của nó phức tạp và việc chế tạo rất khó khăn. Vì vậy, nó hiếm khi được sử dụng trong máy bơm ly tâm.
Quy trình hoạt động của bơm ly tâm
Trước khi khởi động máy bơm, hãy đổ đầy chất lỏng cần vận chuyển vào máy bơm trước.
2. Sau khi khởi động máy bơm, trục bơm dẫn động bánh công tác quay với tốc độ cao, tạo ra lực ly tâm. Dưới lực này, chất lỏng được đẩy từ tâm bánh công tác ra ngoại vi bánh công tác, áp suất của nó tăng lên và chảy vào vỏ bơm với tốc độ rất cao (15-25 m/s).
3. Trong vỏ bơm, khi kênh dòng chảy liên tục mở rộng, tốc độ dòng chảy của chất lỏng chậm lại, khiến phần lớn động năng chuyển thành năng lượng áp suất. Cuối cùng, chất lỏng chảy ra khỏi cổng xả với áp suất tĩnh tương đối cao và đi vào đường ống xả.
4. Sau khi chất lỏng bên trong máy bơm bị đẩy ra ngoài, chân không sẽ được hình thành ở giữa bánh công tác. Dưới sự chênh lệch áp suất giữa áp suất bề mặt chất lỏng (áp suất khí quyển) và áp suất bên trong bơm (áp suất âm), chất lỏng đi vào bơm qua đường ống hút và lấp đầy vị trí nơi chất lỏng bị đẩy ra ngoài.
Phân loại máy bơm ly tâm
Các sản phẩm bơm ly tâm thường được phân loại theo đặc điểm cấu trúc của chúng. Có nhiều phương pháp phân loại khác nhau, bao gồm sáu loại: phân loại theo áp suất làm việc, theo số lượng cánh quạt làm việc, theo cách cánh quạt hút nước, v.v.
⒈ Theo áp lực công việc:
Bơm -áp suất thấp: Áp suất thấp hơn 100 mét cột nước.
-Bơm áp suất trung bình: Áp suất dao động từ 100 đến 650 mét cột nước.
-Bơm áp suất cao: Áp suất cao hơn 650 mét cột nước.
2. Theo số cánh làm việc:
Máy bơm một tầng: Đây là máy bơm chỉ có một cánh quạt trên trục máy bơm.
Máy bơm nhiều tầng: Loại máy bơm này có hai cánh quạt trở lên trên trục. Trong trường hợp này, cột áp tổng của máy bơm là tổng cột áp được tạo ra bởi mỗi trong số n cánh quạt.
3. Theo phương pháp lấy nước của cánh quạt:
Bơm nạp nước-một phía: Còn được gọi là bơm hút-đơn, có nghĩa là chỉ có một cổng nạp nước trên bánh công tác.
Bơm hút hai chiều: Còn được gọi là bơm hút-kép, có cổng vào ở cả hai bên của cánh quạt. Tốc độ dòng chảy của nó lớn gấp đôi tốc độ dòng chảy của một-bơm hút đơn. Nó có thể được coi đại khái là hai-cánh quạt bơm hút đơn được đặt ngược-với-phía sau.
4. Theo vị trí trục bơm:
Bơm ngang: Trục bơm ở vị trí nằm ngang.
Bơm trục đứng: Trục bơm ở vị trí thẳng đứng.
5. Theo hình thức khớp nối vỏ bơm:
Bơm chia ngang: Là loại mà mối nối được mở trên mặt phẳng nằm ngang đi qua trục.
Bơm bề mặt khớp đứng: Đây là loại máy bơm có bề mặt khớp vuông góc với đường trục.
6. Phương pháp dẫn nước ra khỏi cánh quạt về phía buồng xả:
Vỏ bơm: Sau khi nước thoát ra khỏi cánh quạt sẽ đi thẳng vào vỏ bơm có dạng xoắn ốc.
Bơm cánh dẫn hướng: Sau khi nước thoát ra khỏi cánh quạt, nước đi vào các cánh dẫn hướng đặt bên ngoài cánh quạt, sau đó chuyển sang giai đoạn tiếp theo hoặc chảy vào ống thoát.
⒎ Theo các phương tiện vận chuyển khác nhau, máy bơm ly tâm có thể được phân loại thành: máy bơm nước, máy bơm dầu, máy bơm chống ăn mòn, v.v.
Cavitation và khóa hơi
Hiện tượng xói mòn
Từ nguyên lý làm việc của bơm ly tâm, có thể biết rằng sau khi chất lỏng giữa các cánh quạt được đẩy ra khỏi cánh quạt quay-tốc độ cao, một vùng áp suất thấp-được hình thành gần đầu vào của cánh quạt. Khi áp suất ở đầu vào cánh quạt bằng hoặc thấp hơn áp suất hơi bão hòa pV của chất lỏng vận chuyển ở nhiệt độ vận hành, chất lỏng ở khu vực này sẽ bay hơi và tạo thành bong bóng. Khi bong bóng di chuyển cùng chất lỏng đến vùng áp suất-cao, chúng sẽ nhanh chóng ngưng tụ do áp suất.
Tại thời điểm bong bóng ngưng tụ, chân không cục bộ được hình thành. Chất lỏng xung quanh lao về phía không gian mà bong bóng chiếm giữ trước đó với tốc độ cao, gây ra va chạm và rung động, tạo ra một lực tác động đáng kể. Đặc biệt khi điểm ngưng tụ của bong bóng ở gần bề mặt lưỡi dao, nhiều hạt chất lỏng tác động lên lưỡi dao với tần số và áp suất cao; đồng thời, bong bóng còn có thể chứa một lượng nhỏ oxy và các chất khác có tác dụng ăn mòn hóa học đối với vật liệu kim loại. Dưới tác động kết hợp của tác động liên tục và ăn mòn hóa học, bề mặt của lưỡi dao bị hư hỏng, hình thành các đốm và vết nứt, dẫn đến lưỡi dao bị hư hỏng sớm. Hiện tượng này được gọi là xâm thực trong máy bơm ly tâm.
Hiện tượng liên kết khí
Khi khởi động máy bơm ly tâm, nếu có không khí trong máy bơm, do mật độ không khí thấp nên lực ly tâm sinh ra sau khi quay nhỏ. Kết quả là áp suất thấp hình thành ở khu vực trung tâm của bánh công tác không đủ để hút chất lỏng. Ngay cả khi máy bơm ly tâm được khởi động, nó cũng không thể hoàn thành nhiệm vụ vận chuyển. Hiện tượng này được gọi là "khóa không khí".
Điều này cho thấy rằng máy bơm ly tâm không có khả năng tự mồi. Do đó, trước khi khởi động bơm ly tâm, nó phải được đổ đầy chất lỏng cần truyền tải. Tất nhiên, nếu đầu hút của bơm ly tâm được đặt dưới mức chất lỏng của chất lỏng được truyền tải thì chất lỏng sẽ tự động chảy vào máy bơm. Đây là một trường hợp đặc biệt. Đường ống hút của bơm ly tâm được trang bị van đáy để ngăn chất lỏng được đổ đầy trước khi bắt đầu chảy ra khỏi máy bơm. Màn lọc có thể ngăn chặn các chất rắn trong chất lỏng bị hút vào và chặn đường ống và ống xả của vỏ máy bơm. Van điều chỉnh được lắp trong đường ống xả được sử dụng để khởi động máy bơm, dừng máy bơm và điều chỉnh dòng chảy.
Từ góc độ các nguyên nhân khác nhau gây ra hiện tượng xâm thực và khóa hơi:
Liên kết không khí đề cập đến sự hiện diện của không khí bên trong thân máy bơm. Nó thường xảy ra khi máy bơm khởi động. Biểu hiện chính là không khí bên trong thân máy bơm chưa được loại bỏ hoàn toàn. Trong khi hiện tượng xâm thực xảy ra do chất lỏng đạt đến áp suất hóa hơi ở nhiệt độ nhất định. Có thể thấy, nó liên quan chặt chẽ đến phương tiện vận chuyển và điều kiện làm việc.
Các phương pháp sau đây có thể được sử dụng để ngăn chặn hiện tượng khóa khí:
1. Trước khi bắt đầu, đổ đầy chất lỏng vào vỏ. Đảm bảo độ kín trên vỏ. Van cấp nước và đầu vòi sen không được rò rỉ. Hiệu suất niêm phong phải tốt.
2. Đường ống hút của máy bơm ly tâm được trang bị van đáy để ngăn chất lỏng được bơm vào trước khi khởi động chảy ngược vào máy bơm. Màn lọc có thể ngăn không cho các hạt rắn trong chất lỏng bị hút vào. Đường ống xả được trang bị van điều chỉnh dùng để khởi động, dừng máy bơm và điều chỉnh tốc độ dòng chảy.
3. Đặt đầu hút của bơm ly tâm xuống dưới mức chất lỏng nơi chất lỏng cần vận chuyển. Chất lỏng sẽ tự động chảy vào máy bơm.
Nguyên nhân và giải pháp xảy ra hiện tượng cavitation
Các nguyên nhân chính gây ra cavitation là:
1. Điện trở của đường ống vào quá cao hoặc đường ống quá mỏng.
2. Nhiệt độ của môi trường truyền tải quá cao;
3. Dòng chảy quá mức, nghĩa là van đầu ra mở quá rộng;
4. Chiều cao lắp đặt quá cao ảnh hưởng đến khả năng hút chất lỏng của máy bơm.
5. Các vấn đề về lựa chọn, bao gồm việc lựa chọn máy bơm và lựa chọn vật liệu máy bơm, v.v.
Giải pháp:
1. Loại bỏ các vật lạ khỏi đường ống vào để đảm bảo dòng chảy thông suốt hoặc tăng đường kính của đường ống.
2. Giảm nhiệt độ của phương tiện vận chuyển;
3. Giảm chiều cao lắp đặt;
4. Thay thế máy bơm hoặc cải tiến một số bộ phận nhất định của máy bơm, chẳng hạn như sử dụng vật liệu có khả năng chống xâm thực.
