Trong lĩnh vực kỹ thuật sản xuất bơm, việc xác định Cột Nước Thực Tế (H) là một thách thức lớn, bởi nó phải tính đến các Tổn Thất Năng Lượng sinh ra trong quá trình chất lỏng đi qua các cơ cấu của bơm. Trong ba dạng tổn thất chính (thủy lực, dung tích, cơ khí), Tổn Thất Thủy Lực (hh​) là thành phần trực tiếp nhất ảnh hưởng đến khả năng tạo áp lực của chất lỏng. Tổn thất này là thước đo sự lãng phí năng lượng khi chất lỏng tương tác với các bề mặt rắn (ma sát) và sự hình thành các dòng chảy rối không mong muốn (xung kích).

Bài viết chuyên sâu này, dưới góc độ của một chuyên gia kỹ thuật, sẽ đi sâu vào giải mã Tổn Thất Thủy Lực (hh​) trong máy bơm cánh quạt. Chúng ta sẽ phân tích hai thành phần cốt lõi: tổn thất ma sát và tổn thất xung kích, mối quan hệ của chúng với cột nước lý thuyết (Công thức 3-14) và định lượng Hiệu Suất Thủy Lực (ηh​) thông qua công thức thực nghiệm nổi tiếng của A.I. Mikhailov và V.V. Maliusenkô (Công thức 3-15). Từ đó, chúng ta sẽ đề xuất các chiến lược kỹ thuật để giảm thiểu hh​, nâng cao hiệu suất làm việc của bơm.
 

Khái Quát Về Tổn Thất Thủy Lực (hh​)

• 1.1. Bản Chất Của Tổn Thất Thủy Lực:
  • Tổn thất thủy lực (hh​) là sự hao phí năng lượng (cột nước) sinh ra khi chất lỏng chuyển qua tất cả các cơ cấu công tác động (BXCT) hoặc tĩnh (vỏ, buồng xoắn, cánh hướng dòng) của máy bơm.
  • Mối quan hệ cột nước: Cột nước thực tế (H) bằng cột nước lý thuyết (H−1​) trừ đi tổng tổn thất thủy lực:

H=H−1​−hh​(Coˆng thức 3-14)

• 1.2. Phân Chia Hai Thành Phần Chính:
  • hh​ bao gồm hai dạng năng lượng hao phí chính: Tổn thất Ma Sát (hs​) và Tổn thất Xung Kích (hi​).
  • hh​=hs​+hi​

Phân Tích Hai Dạng Tổn Thất Thủy Lực Cốt Lõi

• 2.1. Tổn Thất Ma Sát (Dọc Đường và Cục Bộ) (hs​):
  • Cơ chế: Sinh ra do ma sát giữa chất lỏng và bề mặt vật thể rắn (thành ống, khe cánh).
  • Định luật: Tổn thất ma sát thường tỷ lệ thuận với bình phương lưu lượng (Q2) đi qua bơm.

hs​=S⋅Q2

Trong đó S là hệ số tổng hợp của tổn thất dọc đường (ma sát trên bề mặt dài) và tổn thất cục bộ (do thay đổi tiết diện, hướng dòng).

• • Chiến lược Giảm thiểu:
    1. Gia công bề mặt: Tăng độ nhẵn tương đối của bề mặt phần chảy (đặc biệt là khe cánh và buồng xoắn).
    2. Tối ưu hóa hình học: Giảm chiều dài đường chảy và tránh thay đổi tiết diện hoặc hướng dòng đột ngột.
• 2.2. Tổn Thất Xung Kích (hi​):
  • Cơ chế: Sinh ra do sự hình thành xoáy nước và va đập đột ngột (xung kích) ở những nơi như mép cánh, cửa vào BXCT, cửa ra buồng xoắn.
  • Điều kiện phát sinh: Tổn thất này chỉ xảy ra khi bơm hoạt động không đúng chế độ thiết kế (Q=Q0​).
  • Mối quan hệ: Xoáy nước và xung kích càng lớn khi lưu lượng thực tế (Q) càng xa lưu lượng thiết kế (Q0​).

hi​=Si​(Q−Q0​)2

Trong đó Si​ là hệ số tổn thất xung kích.

• • Ý nghĩa: Công thức này khẳng định tính tất yếu của việc vận hành bơm tại hoặc gần Q0​ để tối ưu hóa hiệu suất thủy lực.

Định Lượng Hiệu Suất Thủy Lực (ηh​) và Công Thức Mikhailov

• 3.1. Khái Niệm Hiệu Suất Thủy Lực:
  • Hiệu suất thủy lực (ηh​) là tỷ số giữa cột nước thực tế (H) và cột nước lý thuyết (H−1​):

ηh​=H−1​H​=H−1​H−1​−hh​​

• • ηh​ là thước đo hiệu quả của quá trình truyền năng lượng từ cánh bơm vào chất lỏng.
• 3.2. Công Thức Thực Nghiệm (Mikhailov & Maliusenkô - Công thức 3-15):
  • Đối với chế độ thiết kế (Q=Q0​), A.I. Mikhailov và V.V. Maliusenkô đã đưa ra một công thức kinh điển xác định ηh​ phụ thuộc vào kích thước bơm:

ηh​=0,7+0,0835logD0​

Trong đó D0​ là đường kính cửa vào BXCT (mm).

• • Nhận xét Kỹ thuật: Công thức này chứng minh rằng hiệu suất thủy lực tăng khi kích thước bơm (D0​) tăng. Điều này là do khi kích thước bơm tăng, tỷ lệ tổn thất ma sát bề mặt trên thể tích chất lỏng bơm được sẽ giảm (do tổn thất tỷ lệ với L2 trong khi lưu lượng tỷ lệ với L3).
• 3.3. Công Suất Tiêu Hao Thủy Lực (ΔNh​):
  • Công suất tiêu hao để khắc phục tổn thất thủy lực:

ΔNh​=9,81(Q+ΔQ)hh​(Coˆng thức 3-16)

• • ΔNh​ là lượng công suất bị lãng phí do ma sát và xung kích.

Chiến Lược Tối Ưu Hóa Kỹ Thuật ηh​ Trong Sản Xuất

• 4.1. Phân Tích Dạng Tổn Thất Theo Chế Độ Làm Việc:
  • Tại Q=Q0​ (Điểm Thiết Kế): hi​=0. Tổn thất chỉ là hh​=hs​. Kỹ sư tập trung vào việc tối ưu hóa độ nhẵn.
  • Xa Q0​ (Chế Độ Khác Thiết Kế): hh​=hs​+hi​>hs​. Kỹ sư phải thiết kế biên dạng cánh và buồng xoắn để giữ Si​ thấp nhất có thể.
• 4.2. Tầm Quan Trọng Của D0​:
  • Trong quá trình thiết kế bơm, việc chọn D0​ là một quyết định cân bằng giữa hiệu suất và chi phí. Bơm càng lớn (D0​ lớn), ηh​ càng cao, nhưng chi phí vật liệu và năng lượng quán tính ban đầu cũng tăng.
• 4.3. Kiểm Soát Vận Hành:
  • Việc cung cấp biểu đồ tổn thất xung kích (hi​) cho người vận hành là rất quan trọng, nhắc nhở họ giữ bơm làm việc trong dải lưu lượng gần Q0​ để tránh tổn thất năng lượng đáng kể.

Tổn Thất Thủy Lực (hh​) là thành phần tổn thất năng lượng quan trọng nhất, trực tiếp làm giảm Cột Nước Thực Tế (H) của máy bơm. hh​ là tổng của tổn thất ma sát (hs​) (tỷ lệ Q2) và tổn thất xung kích (hi​) (tỷ lệ (Q−Q0​)2). Việc tối ưu hóa độ nhẵn bề mặt (giảm hs​) và đảm bảo bơm hoạt động tại lưu lượng thiết kế Q0​ (triệt tiêu hi​) là chiến lược kỹ thuật cốt lõi. Công thức thực nghiệm ηh​=0,7+0,0835logD0​ là bằng chứng khoa học khẳng định: bơm có kích thước lớn hơn thường đạt hiệu suất thủy lực cao hơn.