Trong chuỗi các giải pháp truyền động chất lỏng, Máy Bơm Hướng Trục (Axial Flow Pump) chiếm một vị trí đặc biệt. Khác với Bơm Ly Tâm (dựa trên lực ly tâm), bơm hướng trục hoạt động dựa trên Nguyên lý Cánh Nâng (Lift Principle), tương tự như nguyên lý tạo lực nâng của cánh máy bay. Đặc trưng nổi bật nhất là dòng chảy chất lỏng gần như dịch chuyển hoàn toàn theo mặt hình trụ có trục là trục máy bơm, giúp xử lý lưu lượng (Q) cực lớn trong khi tạo ra cột nước (H) thấp.

Bài viết chuyên sâu này, dưới góc độ kỹ thuật thủy lực, sẽ đi sâu vào phân tích Nguyên lý Cánh Nâng của bơm hướng trục (Hình 3-6, a). Chúng ta sẽ làm rõ các đặc điểm thủy động học của dòng chảy hình trụ, phân tích vai trò của Cánh Bánh Xe Công Tác (BXCT) trong việc truyền mô-men quay và Cơ Cấu Hướng Dòng (5) trong việc chuyển đổi năng lượng. Đồng thời, chúng ta sẽ sử dụng Tam Giác Tốc Độ Khai Triển để mô tả chính xác sự phức tạp của dòng chảy và rút ra các nhận xét kỹ thuật về sự vắng mặt (gần đúng) của lực ly tâm.
 

Đặc Trưng Thủy Động Học Dòng Chảy Hình Trụ

• 1.1. Dòng Chảy Theo Mặt Hình Trụ:
  • Định nghĩa: Trong bơm hướng trục, mỗi dòng nguyên tố của chất lỏng dịch chuyển theo một mặt hình trụ (với bán kính r cố định) có trục là trục máy bơm.
  • Ý nghĩa Kỹ Thuật: Chất lỏng không có chuyển động theo phương bán kính (Cr​=0) tại bất kỳ mặt cắt ngang nào. Điều này có nghĩa là không có lực ly tâm (Flyta^m​=m⋅ω2⋅r) gây ra sự chênh lệch áp suất đáng kể theo phương bán kính.
• 1.2. Tính Gần Đúng Của Đặc Trưng Không Ly Tâm:
  • Đặc trưng này là gần đúng có thể chấp nhận được, với điều kiện cột nước dọc theo bán kính là không đổi.
  • Thực tế: Do tính phức tạp của dòng chảy (xoáy, ma sát), thực tế vẫn có sự khác biệt nhỏ về áp suất và tốc độ theo bán kính, nhưng về cơ bản, nguyên lý ly tâm bị triệt tiêu.

Nguyên Lý Hoạt Động Của Cánh Nâng và Tam Giác Tốc Độ

• 2.1. Cơ Chế Truyền Năng Lượng (Nguyên Lý Cánh Nâng):
  • Thay vì đẩy chất lỏng ra xa tâm (ly tâm), cánh BXCT (3) được thiết kế như một biên dạng khí động học (airfoil/hydrofoil).
  • Khi BXCT quay, cánh bơm cắt qua dòng chất lỏng, tạo ra sự chênh lệch áp suất (lực nâng Ry​) giữa hai mặt cánh. Lực nâng này có hai thành phần: một thành phần đẩy chất lỏng dọc trục (Rx​) và một thành phần chuyển động quay (Rω​).
• 2.2. Phân Tích Chuyển Động Phức Tạp:
  • Chất lỏng trong BXCT có hai loại chuyển động:
    1. Chuyển động Tịnh Tiến dọc trục (do lực nâng đẩy).
    2. Chuyển động Quay so với trục (do mô-men quay truyền vào).
• 2.3. Khai Triển Tam Giác Tốc Độ (Hình 3-6, b):
  • Cửa Vào (1): C1​=W1​+U1​. Nếu không có chuyển động quay trước (lý tưởng), C1​ song song với trục.
  • Cửa Ra (2): C2​=W2​+U2​. Do r1​=r2​ (dòng chảy hình trụ), ta có U1​=U2​=U=ω⋅r.
  • Đặc trưng Dòng Chảy Ra: Vận tốc tuyệt đối C2​ tại cửa ra có một thành phần tiếp tuyến (C2u​=0), biểu thị chuyển động quay của chất lỏng.

Vai Trò Của Cơ Cấu Hướng Dòng (Guide Vane)

• 3.1. Chức Năng Của Cơ Cấu Hướng Dòng (5):
  • Vị trí: Được đặt sau BXCT (3) và là những cánh tĩnh.
  • Nhiệm vụ then chốt: Biến chuyển động quay của chất lỏng trở lại chuyển động tịnh tiến dọc trục.
• 3.2. Cơ Chế Chuyển Đổi Năng Lượng:
  • Chất lỏng rời BXCT với động năng quay (thành phần C2u​). Cơ cấu hướng dòng có tác dụng tương tự như khuếch tán: nó triệt tiêu thành phần vận tốc quay (C2u​) của chất lỏng và chuyển đổi động năng này thành thế năng (áp suất).
• 3.3. Tối Ưu Hóa Dòng Chảy Ra:
  • Biên dạng cánh hướng dòng (dãy trên Hình 3-6, b) được thiết kế có hướng ngược với hướng quay của dòng chảy rời BXCT, đảm bảo chất lỏng ra khỏi bơm là chuyển động tịnh tiến thuần túy (lý tưởng: C3​≈C1​).

Phương Trình Cơ Bản Euler Cho Bơm Hướng Trục

• 4.1. Áp Dụng Phương Trình Euler Tổng Quát:
  • Phương trình Euler (3-1): H−1​=g1​(U2​C2u​−U1​C1u​) là đúng cho mọi loại bơm cánh quạt.
• 4.2. Rút Gọn Cho Bơm Hướng Trục:
  • Do dòng nguyên tố chuyển động theo cùng bán kính r, nên r1​=r2​. Với cùng tốc độ góc ω, ta có: U1​=U2​=ω⋅r=U.
  • Thay điều kiện U1​=U2​=U vào (3-1), ta được Phương Trình Cơ Bản Của Bơm Hướng Trục (Công thức 3-12):

H−1​=gU(C2u​−C1u​)​

• 4.3. Trường Hợp Lý Tưởng (Không Có Xoáy Vào):
  • Nếu chất lỏng trước khi vào BXCT không có chuyển động vòng (C1u​=0), cột nước lý tưởng là (Công thức 3-13):

H−1​=gU⋅C2u​​

Máy Bơm Hướng Trục hoạt động dựa trên Nguyên lý Cánh Nâng để tạo ra cột nước chủ yếu thông qua việc kiểm soát chuyển động tịnh tiến dọc trục của chất lỏng. Đặc trưng dòng chảy hình trụ cho phép rút gọn Phương trình Euler thành H−1​=gU(C2u​−C1u​)​. Cơ Cấu Hướng Dòng đóng vai trò thiết yếu, thu hồi động năng quay (C2u​) và chuyển hóa thành áp suất tĩnh. Việc tối ưu hóa thiết kế BXCT và cơ cấu hướng dòng là chìa khóa để đạt được lưu lượng cực đại với hiệu suất cao nhất trong các ứng dụng cột nước thấp.