Trong lĩnh vực bơm công nghiệp, Bơm Pít-tông (Reciprocating Pump) vẫn giữ một vai trò không thể thay thế, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu cột nước cực cao (lên đến $250 \text{ at}$) với lưu lượng nhỏ và vừa ($0.01$ đến $250 \text{ m}^3/\text{h}$). Đây là loại máy bơm thể tích hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển động tịnh tiến của pít-tông bên trong xi-lanh để tạo ra sự chênh lệch áp suất. Việc phân tích chính xác động học của pít-tông (vận tốc, gia tốc) và lưu lượng lý thuyết là nền tảng để hiểu và tối ưu hóa hiệu suất của chúng.

Bài viết chuyên sâu này, dưới góc độ kỹ thuật sản xuất, sẽ đi sâu vào phân tích cơ cấu truyền động (trục $O$, biên $5$, thanh truyền $4$) và động học của pít-tông thông qua các công thức căn bản (7-1, 7-2). Chúng ta sẽ so sánh chi tiết Bơm Pít-tông Tác Dụng Đơn và Tác Dụng Kép (Hình 7-1, a và 7-2, a) về nguyên lý hoạt động, lưu lượng lý thuyết (7-3, 7-4), và đặc biệt là ảnh hưởng của diện tích cần pít-tông ($f$) và tổn thất dung tích đến năng suất thực tế và sự biến động của dòng chảy.

Phần 1: Nguyên Tắc Hoạt Động và Động Học Của Bơm Pít-tông Tác Dụng Đơn

• 1.1. Nguyên Lý Tác Dụng Đơn (Single-Acting Pump):
  • Cơ cấu trục $O$, biên $5$ chuyển chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến qua lại của pít-tông $2$ trong xi-lanh $1$.
  • Chu trình: Mỗi vòng quay của trục $O$ thực hiện một chu trình hút (pít-tông sang phải, van $7$ mở, van $8$ đóng) và một chu trình đẩy (pít-tông sang trái, van $7$ đóng, van $8$ mở).
  • Dung tích xi-lanh: Bằng thể tích chất lỏng hút/đẩy trong mỗi lần ở điều kiện lý thuyết.
• 1.2. Phân Tích Động Học (Vận Tốc và Gia Tốc Pít-tông):
  • Quãng đường dịch chuyển ($S$): Khoảng cách dịch chuyển của pít-tông từ điểm chết trái (khi $\beta = 0$):

$$ S = r(1 - \cos \varphi) \pm \frac{l}{2}(1 - \cos \beta) \quad (* \text{ Dạng tổng quát})$$

Trong trường hợp thanh truyền có tỉ số $\lambda = r/l$ nhỏ hoặc dùng cơ cấu culit (13), ta có thể đơn giản hóa:

$$ S = r(1 - \cos \varphi) \quad (** \text{ Cơ cấu culit})$$

• • Vận Tốc Pít-tông ($v$) (7-1): Vận tốc là đạo hàm của $S$ theo thời gian ($t$) hoặc góc quay ($\varphi$).

$$ v = \frac{dS}{dt} = \frac{dS}{d\varphi} \cdot \frac{d\varphi}{dt} = r\omega \sin \varphi \quad \mathbf{(7-1)}$$

$\implies$ Vận tốc cực đại tại $\varphi = 90^\circ$ và $270^\circ$ (khi pít-tông ở giữa xi-lanh), bằng $v_{\max} = r\omega$.

• • Gia Tốc Pít-tông ($a$) (7-2):

$$ a = \frac{d^2 S}{d\varphi^2} \cdot \frac{d\varphi}{dt} = r\omega^2 \cos \varphi \quad \mathbf{(7-2)}$$

$\implies$ Gia tốc cực đại tại $\varphi = 0^\circ$ và $180^\circ$ (tại các điểm chết), bằng $a_{\max} = r\omega^2$.

• 1.3. Lưu Lượng Lý Thuyết (7-3):
  • $D$ (đường kính xi-lanh), $F = \pi D^2 / 4$ (diện tích pít-tông), $S$ (khoảng chạy), $n$ ($\text{v/ph}$).
  • Lưu lượng lý thuyết bơm tác dụng đơn:

$$ Q_i = \frac{F \cdot S \cdot n}{60} \quad (\text{m}^3/\text{s}) \quad \mathbf{(7-3)}$$

Phần 2: Bơm Pít-tông Tác Dụng Kép: Ưu Thế Năng Suất và Nhược Điểm Kết Cấu

• 2.1. Nguyên Lý Tác Dụng Kép (Double-Acting Pump - Hình 7-2, a):
  • Chu trình: Khi pít-tông dịch chuyển sang phải, phía trái hút và phía phải đẩy. Khi dịch chuyển sang trái, phía trái đẩy và phía phải hút.
  • Tăng gấp đôi chu trình: Mỗi vòng quay trục $O$ thực hiện hai lần hút và hai lần đẩy $\implies$ Năng suất cao hơn loại tác dụng đơn.
• 2.2. Lưu Lượng Lý Thuyết (7-4) và Ảnh Hưởng của Cần Pít-tông ($f$):
  • Pít-tông có cần, nên diện tích đẩy/hút ở hai phía không bằng nhau.
    • Phía cần: Diện tích là $F$ (hút) hoặc $F - f$ (đẩy).
    • Phía không cần: Diện tích là $F$ (đẩy) hoặc $F$ (hút).
  • Lưu lượng lý thuyết:

$$ Q_i = \frac{(2F - f) \cdot S \cdot n}{60} \quad (\text{m}^3/\text{s}) \quad \mathbf{(7-4)}$$

• • Ưu thế lý thuyết: Nếu bỏ qua tiết diện ngang cần pít-tông ($f \approx 0$), $Q_i$ của bơm pít-tông tác dụng kép xấp xỉ gấp đôi loại tác dụng đơn ($Q_{i, \text{kép}} \approx 2Q_{i, \text{đơn}}$).
• 2.3. Ưu Nhược Điểm Cốt Lõi:
  • Ưu điểm:
    • Năng suất cao hơn.
    • Dòng chất lỏng ít biến động hơn (Hình 7-2, b) do có hai lần đẩy trong một vòng quay $\implies$ Giảm xung áp.
  • Nhược điểm:
    • Chiều dài lớn.
    • Lực ép pít-tông lên hai phía khác nhau do diện tích $F$ và $F-f$.
    • Hộp chèn kín phức tạp và dễ hỏng do cần pít-tông phải đi qua hộp chèn.
    • Nhiều van (4 van so với 2 van của tác dụng đơn).

Phần 3: Phân Tích Tổn Thất và Hiệu Suất Thể Tích Thực Tế

• 3.1. Hiệu Suất Thể Tích ($\eta_v$):
  • Trong thực tế, lưu lượng thực tế ($Q$) luôn nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết ($Q_i$): $Q = \eta_v \cdot Q_i$.
  • $\eta_v$ (hiệu suất dung tích) phản ánh mức độ hao hụt lưu lượng.
• 3.2. Các Nguyên Nhân Chính Gây Tổn Thất Dung Tích:
  • Độ không kín của van: Van hút/đẩy không đóng kịp thời hoặc không kín hoàn toàn $\implies$ Rò rỉ chất lỏng.
  • Độ không kín của hộp đệm (Hộp chèn kín): Rò rỉ chất lỏng qua khe hở giữa cần pít-tông và hộp chèn, đặc biệt nghiêm trọng ở bơm tác dụng kép.
  • Rò rỉ qua khe hở xi-lanh/pít-tông: Khe hở giữa pít-tông và thành xi-lanh $\implies$ Chất lỏng hồi lưu từ phía đẩy sang phía hút.
  • Hiện tượng khí thực/khí sót: Đặc biệt khi hút sâu, một phần dung tích xi-lanh bị chiếm bởi khí hoặc hơi nước sót lại.

Bơm pít-tông là giải pháp tối ưu cho nhu cầu cột áp cao. Việc nắm vững động học (7-1, 7-2) giúp kỹ sư dự đoán chính xác tải trọng động và xung áp của bơm. Mặc dù bơm tác dụng kép cung cấp gấp đôi năng suất và dòng chảy ổn định hơn, nhưng nó phải đánh đổi bằng kết cấu phức tạp (nhiều van, hộp chèn) và sự mất cân bằng lực do cần pít-tông. Trong mọi thiết kế, việc kiểm soát tổn thất dung tích thông qua việc tối ưu hóa van và hộp đệm là yếu tố then chốt để đảm bảo lưu lượng thực tế đạt gần nhất với trị số lý thuyết.