Máy Bơm Ly Tâm (Centrifugal Pump) là trái tim của hầu hết các hệ thống vận chuyển chất lỏng trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống. Cốt lõi của sự hoạt động là một nguyên lý vật lý đơn giản nhưng mạnh mẽ: Lực Ly Tâm. Khi động cơ truyền mô-men quay làm quay Bánh Xe Công Tác (BXCT), cánh bơm sẽ truyền năng lượng động học cho chất lỏng, đẩy chúng dịch chuyển từ tâm ra ngoại vi. Chính sự dịch chuyển này tạo ra sự chênh lệch áp suất, là động lực để chất lỏng đi vào và đi ra khỏi bơm.

Bài viết chuyên sâu này, dưới góc độ kỹ thuật vật lý và sản xuất, sẽ đi sâu vào nguyên lý làm việc của máy bơm ly tâm. Chúng ta sẽ phân tích cách một mẫu chất lỏng (M) được nghiên cứu để thành lập công thức áp suất chênh lệch (ΔP), từ đó rút ra những nhận xét quan trọng về mối quan hệ giữa tốc độ góc (ω), kích thước BXCT (D1​,D2​) và áp lực đầu ra. Đặc biệt, chúng ta sẽ lý giải một yêu cầu kỹ thuật then chốt: tầm quan trọng của việc mồi nước trước khi khởi động máy bơm.
 

Cơ Chế Truyền Động Năng và Sự Hình Thành Lực Ly Tâm

• 1.1. Sự Quay và Truyền Năng Lượng:
  • Khi trục bơm quay với tốc độ góc (ω), các cánh bơm kéo theo chất lỏng trong khe cánh. Chất lỏng, do quán tính và sự dịch chuyển từ tâm ra, chịu tác dụng của Lực Ly Tâm (dF).
  • Công thức Lực Ly Tâm: Xét một mẫu chất lỏng nhỏ (M) cách tâm quay một đoạn r với khối lượng dm=ρ⋅b⋅rdφ⋅dr. Lực ly tâm tác dụng lên mẫu này là dF=dm⋅ω2⋅r. Lực này hướng ra xa trục quay.
• 1.2. Chuyển Động Tịnh Tiến và Chênh Lệch Áp Suất:
  • Do lực dF tác dụng liên tục, chất lỏng bị đẩy ra khỏi khe cánh, tạo ra một áp lực cục bộ tại cửa ra (P2​) lớn hơn áp lực tại cửa vào (P1​).
  • Nguyên lý Làm việc Cốt lõi: Bơm ly tâm hoạt động nhờ việc tạo ra lực bơm ly tâm khi BXCT quay để bơm nước.

Phân Tích Công Thức Áp Suất Chênh Lệch (ΔP)

• 2.1. Thiết Lập Công Thức ΔP (Công Thức 3-1):
  • Áp suất chênh lệch đơn vị (dp) được tính bằng cách chia lực ly tâm đơn vị (dF/(b⋅r⋅dφ)) cho diện tích mặt cắt.
  • Áp suất chênh lệch giữa cửa ra (r2​) và cửa vào (r1​) của BXCT là tích phân của dp theo bán kính:

ΔP=P2​−P1​=∫r1​r2​​dp=∫r1​r2​​ρ⋅ω2⋅r⋅dr

• • Thực hiện tích phân, ta được công thức:

ΔP=2ρ⋅ω2​(r22​−r12​)

• 2.2. Nhận Xét Kỹ Thuật Quan Trọng Từ ΔP:
  • Tỷ Lệ Thuận với Tốc Độ Góc (ω): ΔP tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ góc (ω2). Điều này có nghĩa là, nếu tăng vòng quay (n) lên gấp đôi, áp lực bơm có thể tăng lên gấp bốn lần. Đây là nguyên lý cơ bản để điều chỉnh áp suất bằng biến tần.
  • Tỷ Lệ Thuận với Đường Kính Cửa Ra (D2​): ΔP tỷ lệ thuận với bình phương đường kính cửa ra (D22​) và tỷ lệ nghịch với D12​. Do đó, việc tăng vòng quay hoặc tăng đường kính cửa ra (cắt gọt BXCT) là hai biện pháp cơ bản để tăng áp lực chất lỏng.
  • Phụ Thuộc Khối Lượng Riêng (ρ): ΔP tỷ lệ thuận với khối lượng riêng (ρ) của lưu chất.

Tầm Quan Trọng Của Khối Lượng Riêng và Kỹ Thuật Mồi Nước

• 3.1. Ảnh Hưởng Của ρ và Vấn Đề Khí Nén:
  • Khối lượng riêng (ρ) của không khí chỉ bằng khoảng 1/830 khối lượng riêng của nước (ở điều kiện chuẩn).
  • Nếu trong buồng công tác (BXCT và vỏ bơm) chứa đầy không khí, lực ly tâm tạo ra (ΔP) sẽ rất nhỏ, không đủ để thắng áp suất khí quyển và đẩy chất lỏng vào BXCT từ ống hút. Bơm sẽ "hụt" và không thể bơm được nước.
• 3.2. Kỹ Thuật Mồi Nước (Priming):
  • Mục đích: Để bơm được nước, trước khi khởi động máy bơm, cần phải đổ đầy nước (mồi nước) vào buồng công tác.
  • Cơ chế: Việc đổ đầy nước thay thế không khí bằng chất lỏng có ρ cao. Khi đó, ΔP tạo ra sẽ đủ lớn để hút và đẩy chất lỏng liên tục. Mồi nước đảm bảo buồng xoắn và khe cánh bơm chứa đầy chất lỏng có ρ cần thiết để tạo ra áp lực làm việc.
• 3.3. Áp Lực Ngoại Vi và Dòng Chảy Ra:
  • Do ngoại vi BXCT không bị bịt kín, áp lực Pext​ ở ngoại vi vỏ bơm nhỏ hơn áp lực cửa ra P2​. Sự chênh lệch này (cùng với năng lượng động học) làm cho nước văng ra khỏi BXCT và đi vào ống đẩy.

Ứng Dụng Thực Tiễn và Tối Ưu Hóa Trong Sản Xuất

• 4.1. Cắt Gọt BXCT (Trimming):
  • Trong sản xuất thực tế, để điều chỉnh bơm cho các điểm làm việc cụ thể, kỹ sư thường sử dụng phương pháp cắt gọt đường kính ngoài (D2​) của BXCT. Việc giảm D2​ sẽ giảm ΔP theo tỷ lệ bình phương, giúp bơm đạt được cột áp mong muốn mà không cần thay đổi tốc độ quay của động cơ.
• 4.2. Thiết Kế BXCT:
  • Để tăng áp lực, việc thiết kế D2​ lớn hơn D1​ (tỷ lệ r2​/r1​ cao) là một yếu tố thiết kế then chốt. Tuy nhiên, điều này phải cân bằng với các yếu tố thủy động học khác (sẽ được phân tích trong Bài 2).

Nguyên lý làm việc của máy bơm ly tâm hoàn toàn dựa trên sự truyền động năng và hình thành Lực Ly Tâm, được định lượng bằng công thức ΔP=2ρ⋅ω2​(r22​−r12​). Công thức này không chỉ chứng minh mối quan hệ giữa áp lực với vòng quay và đường kính BXCT mà còn làm nổi bật tầm quan trọng của khối lượng riêng lưu chất. Kỹ thuật mồi nước là yêu cầu bắt buộc để thay thế không khí bằng chất lỏng có ρ cao, đảm bảo bơm tạo ra đủ áp lực để hoạt động hiệu quả. Nắm vững nguyên lý lực ly tâm là nền tảng để tối ưu hóa bất kỳ hệ thống bơm ly tâm nào.