Trong hệ thống máy bơm thủy lực, nếu Bơm Ly Tâm (Centrifugal Pump) là chuyên gia về cột áp, thì Máy Bơm Hướng Trục (Axial Flow Pump) lại là nhà vô địch về Lưu lượng Cực Lớn và Cột Nước Thấp (H thấp). Bơm hướng trục là lựa chọn hàng đầu trong các dự án thủy lợi lớn, tiêu thoát nước và cấp nước công nghiệp, nơi yêu cầu di chuyển một khối lượng chất lỏng khổng lồ qua một chênh lệch độ cao nhỏ. Đặc trưng bởi dòng chảy song song với trục quay, bơm hướng trục đạt được hiệu suất cao trong vùng làm việc của mình.

Bài viết chuyên sâu này, dưới góc độ kỹ thuật thủy lực, sẽ tập trung vào giải mã nguyên lý hoạt động và cấu tạo chi tiết của Bơm Hướng Trục kiểu Cánh Cố Định (Hình 2-8 và 2-10). Chúng ta sẽ phân tích vai trò then chốt của Cánh Hướng Dòng trong việc điều chỉnh dòng chảy, cách BXCT truyền năng lượng thông qua lực nâng (Lift force), và chi tiết về cơ chế biến đổi động năng thành áp suất, yếu tố quyết định hiệu suất của loại bơm này.

Khái Niệm Cơ Bản và Nguyên Lý Thủy Lực Của Bơm Hướng Trục

• 1.1. Đặc Trưng Dòng Chảy Hướng Trục:
  • Chất lỏng chảy qua phần chảy dọc theo mặt hình trụ, trục quay của chất lỏng trùng với trục quay (4) của bơm.
  • Đặc tính H−Q: Lưu lượng lớn (Q cao), Cột nước thấp (H thấp). Hiệu suất cao, đặc biệt cho các ứng dụng H dưới 15m.
• 1.2. Cơ Chế Truyền Năng Lượng (Nguyên lý Lực Nâng):
  • Khác với bơm ly tâm dùng lực ly tâm, bơm hướng trục hoạt động dựa trên nguyên lý khí động học (Aerofoil/Hydrofoil) tương tự cánh máy bay.
  • Cánh BXCT (3) tạo ra Lực Nâng (Lift Force) khi chất lỏng chảy qua, đẩy chất lỏng tịnh tiến theo hướng trục bơm và gia tăng vận tốc (động năng).
• 1.3. Điều Kiện Làm Việc Chuyên Biệt:
  • Bơm được sử dụng cho nước có thành phần hạt lơ lửng kích thước đến 0,1mm, hàm lượng lớn hơn 0,3%, và nhiệt độ không lớn hơn 35∘C (hoặc có thể đặt làm loại chịu được nhiệt độ và hàm lượng bùn cát lớn hơn).

Cấu Tạo Chi Tiết Của Bơm Hướng Trục Cánh Cố Định (Hình 2-10)

• 2.1. BXCT và Cánh Quạt (7, 3): Bộ Phận Tạo Động Năng:
  • BXCT (7) với các cánh quạt (3) được gắn cố định với bầu BXCT.
  • Nước từ nguồn qua vòng đặt (1) và phần hướng chảy vòng (2) để tạo dòng chảy thẳng, đồng nhất trước khi vào cánh BXCT.
  • Tạo Vận Tốc Tiếp Tuyến: Khi BXCT quay, nó phát sinh vận tốc tiếp tuyến theo phía quay của BXCT, đồng thời tăng áp lực thủy tĩnh trong máy.
• 2.2. Cơ Cấu Hướng Dòng (Cánh Hướng Dòng - 5, 9): Bộ Chuyển Đổi Áp Suất
  • Vị trí và Chức năng: Cơ cấu hướng (9) (hay Cánh Hướng Dòng - 5) được đặt ngay sau BXCT (trước cửa ra).
  • Vai trò Then chốt: Cánh hướng dòng có nhiệm vụ biến đổi vận tốc tiếp tuyến (thành phần xoáy) do BXCT tạo ra thành áp lực tĩnh và hướng dòng chảy song song trở lại với trục bơm. Đây là giai đoạn chuyển đổi năng lượng cuối cùng, quyết định Cột nước H của bơm.
• 2.3. Khuếch Tán và Ống Đẩy:
  • Đoạn Khuếch Tán (14): Sau cánh hướng dòng, nước chảy qua đoạn khuếch tán (14) để tiếp tục quá trình giảm vận tốc và tăng áp suất.
  • Đoạn Cong (16): Sau đó chảy qua đoạn cong (16), thường là đoạn quay dòng chảy 60∘ để nối với ống đẩy (4).

Phân Tích Thủy Động Học Sâu Sắc (Biểu Đồ Tốc Độ - 7, 8)

• 3.1. Biểu Đồ Tốc Độ Dòng Chảy (v = f(R) - 7, 8):
  • Tại Cửa Vào BXCT (8): Do chất lỏng chảy qua phần hướng chảy vòng (2), biểu đồ tốc độ tại cửa vào thường cho thấy vận tốc v là phương hướng trục và phân bố gần như đồng đều (hoặc đồng nhất) trên bán kính R.
  • Sau Cánh Hướng Dòng (7): Cánh hướng dòng (5) đã hoàn thành nhiệm vụ biến đổi vận tốc tiếp tuyến thành áp suất và hướng dòng chảy về phương hướng trục. Do đó, biểu đồ (7) cho thấy vận tốc tiếp tuyến đã được triệt tiêu hoặc giảm thiểu tối đa, đảm bảo dòng chảy ra khỏi bơm là thẳng, song song với trục, tối ưu cho việc đi vào đoạn khuếch tán.
• 3.2. Ảnh Hưởng Của Dòng Chảy Xoáy (Swirl):
  • Dòng chảy xoáy (vận tốc tiếp tuyến) là thành phần năng lượng không mong muốn khi chất lỏng ra khỏi cánh hướng dòng, vì nó gây tổn thất thủy lực và giảm hiệu suất bơm.
  • Cánh hướng dòng được thiết kế để giảm thiểu thành phần xoáy này một cách hiệu quả nhất.

Cấu Trúc Trục Đứng và Hệ Thống Ổ Trục Chuyên Biệt

• 4.1. Bơm Hướng Trục Trục Đứng:
  • Đây là kiểu bố trí phổ biến nhất cho các trạm bơm lớn (Hình 2-9) vì nó tiết kiệm diện tích và tận dụng được độ chênh lệch mực nước. Tổ máy gồm bơm (2), động cơ điện (3), buồng dẫn nước (1), ống đẩy (4).
• 4.2. Hệ Thống Ổ Trục Trượt (8, 17):
  • Trục (15) có hai ổ tựa kiểu trượt (8 và 17).
  • Bạc Bằng Gỗ Ép: Ổ trượt sử dụng bạc bằng gỗ ép – một loại vật liệu có khả năng chống mài mòn tốt trong môi trường nước và không bị rỉ sét.
  • Bôi Trơn Bằng Nước: Ổ trượt được bôi trơn bằng chính nước bơm (hoặc nước sạch từ nguồn kỹ thuật). Kỹ thuật này giảm thiểu ô nhiễm dầu mỡ và đơn giản hóa hệ thống bôi trơn.
• 4.3. Vòng Chống Rò (18): Có tác dụng ngăn nước rò từ máy bơm ra ngoài.

Bơm Hướng Trục Cánh Cố Định là một giải pháp kỹ thuật tinh xảo, tối ưu hóa nguyên lý lực nâng để đạt được lưu lượng cực đại với hiệu suất cao trong dải cột nước thấp. Vai trò của Cánh Hướng Dòng là không thể thay thế, biến đổi động năng thành áp suất và đảm bảo dòng chảy thẳng. Sự kết hợp giữa cấu tạo cơ khí vững chắc (trục đứng, ổ trượt bôi trơn bằng nước) và nguyên lý thủy lực chính xác giúp bơm hướng trục trở thành trụ cột không thể thiếu trong các công trình thủy lợi, quản lý nước và tiêu thoát lũ quy mô lớn.