Giải Mã Công Thức Lưu Lượng (7-6, 7-7), So Sánh Ưu Nhược Điểm Trong Ứng Dụng Bơm Chất Lỏng Sạch/Dầu và Chất Lỏng Đặc/Bùn, và Phân Tích Khả Năng Điều Chỉnh Lưu Lượng Qua Tốc Độ Quay ($n$)

Bơm Rô-to (Rotary Pump) là một nhóm quan trọng của bơm thể tích, nơi việc hút và đẩy chất lỏng được thực hiện thông qua chuyển động quay của bộ phận công tác, khác biệt rõ rệt so với chuyển động tịnh tiến của bơm pít-tông. Trong nhóm này, Bơm Bánh Răng (Gear Pump) và Bơm Trục Vít (Screw Pump) là hai loại phổ biến nhất, mỗi loại có những ưu thế chuyên biệt, được thiết kế để xử lý các loại chất lỏng khác nhau và đáp ứng các yêu cầu áp lực/lưu lượng cụ thể.

Bài viết chuyên sâu này sẽ đi sâu vào phân tích kỹ thuật của hai loại bơm rô-to này. Chúng ta sẽ giải mã chi tiết cơ chế ăn khớp tạo ra sự dịch chuyển thể tích, giải thích các tham số quan trọng trong công thức tính lưu lượng thực tế (7-6) và (7-7). Quan trọng nhất, chúng ta sẽ so sánh ưu nhược điểm cốt lõi để xác định phạm vi ứng dụng tối ưu: bơm bánh răng cho dầu và chất lỏng sạch ($4 \text{ đến } 25 \text{ at}$) so với bơm trục vít cho bùn và chất lỏng đặc ($0.5 \text{ đến } 25 \text{ at}$).
 

Bơm Bánh Răng (Gear Pump) – Nguyên Lý và Công Thức Lưu Lượng

• 1.1. Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động (Hình 7-6):
  • Cấu tạo: Thường dùng loại hai bánh răng: Bánh dẫn động $1$ (nối với động cơ) và bánh bị dẫn $4$ (ăn khớp với bánh $1$).
  • Cơ chế dịch chuyển: Khi bánh răng quay, các rãnh giữa các răng đưa chất lỏng từ vùng hút $5$ (áp suất thấp) theo chu vi vỏ bơm về vùng đẩy $3$ (áp suất cao).
  • Tính năng: Cung cấp lưu lượng nhỏ đến trung bình ($0.2 \text{ đến } 140 \text{ m}^3/\text{h}$) và áp lực tương đối cao ($4 \text{ đến } 25 \text{ at}$).
• 1.2. Phân Tích Công Thức Lưu Lượng Thực Tế (7-6):
  • Công thức của T.M. Bac tính toán lưu lượng thực tế $Q$ của bơm bánh răng:

$$ Q = \frac{2\pi \cdot \eta_v \cdot D_m \cdot n \cdot b \cdot n}{60} \quad (7-6)$$

(Ghi chú: $D$ là đường kính chia, $m$ là mô-đun răng, $D \cdot m$ có thể được coi là thể tích dịch chuyển trên mỗi đơn vị chiều rộng/vòng quay).

• • Tham số quan trọng:
    • $\eta_v$ (hiệu suất dung tích, $0.8 \text{ đến } 0.9$): Phản ánh tổn thất do rò rỉ ngược qua khe hở giữa răng/vỏ bơm.
    • $D, m, b$: Các tham số hình học của bánh răng, quyết định thể tích dịch chuyển trong mỗi vòng quay.
    • $n$: Số vòng quay ($\text{v/ph}$). Lưu lượng tỷ lệ thuận tuyến tính với $n$.
• 1.3. Ưu Nhược Điểm và Ứng Dụng:
  • Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, chi phí bảo trì thấp.
  • Nhược điểm: Dễ gây rung động và tiếng ồn do sự va chạm và ma sát khi bánh răng ăn khớp.
  • Ứng dụng tối ưu: Bơm chất lỏng sạch (dầu nhờn, nhiên liệu, chất lỏng hóa chất không mài mòn), nhiệt độ không quá $250^{\circ}C$, vì các hạt rắn có thể làm mòn nhanh chóng răng và vỏ bơm, gây rò rỉ.

Bơm Trục Vít (Screw Pump) – Cơ Chế Ổn Định và Lưu Lượng Đa Dạng

• 2.1. Cấu Tạo và Nguyên Lý (Hình 7-7):
  • Cấu tạo: Có thể có 1 trục vít (thường dùng cho chất lỏng đặc), 2 trục vít (Hình 7-7, b) hoặc 3 trục vít. Trục vít quay tạo ra các khoang kín di chuyển theo trục, đẩy chất lỏng từ cửa hút $3$ sang cửa đẩy.
  • Cơ chế: Chuyển động tịnh tiến đều của chất lỏng bên trong các khoang do bước vít tạo ra.
• 2.2. Phân Tích Công Thức Lưu Lượng (7-7):

• • Công thức tính lưu lượng $Q$ của bơm trục vít:

$$ Q = \frac{3\pi}{240} (D^2 - d^2) \cdot t \cdot n \cdot \eta \quad (\text{l/s}) \quad (7-7)$$

• • Tham số quan trọng:
    • $D, d$ (đường kính đỉnh/chân vít): Xác định tiết diện ngang của khoang dịch chuyển.
    • $t$ (bước vít): Xác định thể tích dịch chuyển theo chiều dài.
    • $n$ (số vòng quay): Lưu lượng $Q$ tỷ lệ thuận với $n$.
    • $\eta$ (hiệu suất chung, $0.6 \text{ đến } 0.95$): Hiệu suất cao hơn khi bơm chất lỏng có độ nhớt cao.
• 2.3. Ưu Nhược Điểm và Ứng Dụng:
  • Ưu điểm: Làm việc êm, ổn định, tuổi thọ cao, ít gây xung áp. Bơm được chất lỏng đặc (bùn, mật, hoa quả nghiền, sô-cô-la) do không cần van và tạo áp suất dương liên tục.
  • Nhược điểm: Khó chế tạo (đòi hỏi độ chính xác cao của ren vít và xi-lanh) và khó sửa chữa/phục hồi khi mòn.
  • Ứng dụng tối ưu: Công nghiệp hóa chất, thực phẩm, máy ép thủy lực (đòi hỏi dòng chảy ổn định).

Chiến Lược Điều Chỉnh Lưu Lượng Qua Tốc Độ Quay ($n$) và Đánh Giá Hiệu Quả

• 3.1. Tính Chất Thể Tích Cốt Lõi:
  • Cả bơm bánh răng và bơm trục vít đều là bơm thể tích, do đó Lưu Lượng Lý Thuyết ($Q_i$) chỉ phụ thuộc vào thể tích dịch chuyển hình học ($D, m, b$ hoặc $D, d, t$) và tốc độ quay ($n$).
  • Từ công thức (7-6) và (7-7) có thể thấy: $Q \propto n$.
• 3.2. Điều Chỉnh Lưu Lượng (Flow Control):
  • Cách hiệu quả nhất để thay đổi lưu lượng $Q$ của bơm rô-to là thay đổi số vòng quay $n$ của trục chính (thường bằng biến tần).
  • Lợi ích: Phương pháp này hiệu quả năng lượng cao hơn nhiều so với việc dùng van tiết lưu (van giảm áp), vốn lãng phí năng lượng ở áp suất không đổi.
• 3.3. Tối Ưu Hóa Thiết Kế:
  • Bơm Bánh Răng: Việc lựa chọn mô-đun răng ($m$) và chiều rộng ($b$) là quan trọng để đạt được $Q$ thiết kế và áp suất yêu cầu.
  • Bơm Trục Vít: Bước vít ($t$) quyết định tính chất của dòng chảy (xung áp) và độ êm ái.

Bơm rô-to (bánh răng và trục vít) là nền tảng của nhiều hệ thống công nghiệp do tính chất bơm thể tích và khả năng tạo áp lực cao. Bơm bánh răng vượt trội về độ đơn giản và chi phí cho chất lỏng sạch, trong khi bơm trục vít là lựa chọn không thể thay thế cho chất lỏng đặc và bùn, nhờ dòng chảy êm và ổn định. Đối với cả hai loại, kiểm soát tốc độ quay $n$ là chiến lược tối ưu để điều chỉnh lưu lượng, tận dụng mối quan hệ tỷ lệ thuận tuyến tính giữa $Q$ và $n$.