1. Định nghĩa và tác động chính của khe hở cánh quạt

Khoảng cách giữa cánh quạt và vỏ bơm (hoặc vòng cánh dẫn hướng), thường nằm trong khoảng từ 0.2 mm đến 0.5 mm. Khoảng cách này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của  máy bơm tuabin đứng nhiều tầng ở hai khía cạnh chính:

● Tổn thất thủy lực: Khoảng cách quá lớn làm tăng lưu lượng rò rỉ, làm giảm hiệu suất thể tích; khoảng cách quá nhỏ có thể gây ra hiện tượng mài mòn do ma sát hoặc tạo lỗ rỗng.

● Đặc tính dòng chảy: Kích thước khe hở ảnh hưởng trực tiếp đến tính đồng đều của dòng chảy tại cửa ra của cánh quạt, do đó ảnh hưởng đến đường cong cột áp và hiệu suất.

2. Cơ sở lý thuyết cho việc tối ưu hóa khe hở cánh quạt

2.1 Cải thiện hiệu suất thể tích

Hiệu suất thể tích (ηₛ) được định nghĩa là tỷ lệ giữa lưu lượng đầu ra thực tế và lưu lượng lý thuyết:

ηₛ = 1 − QQleak

trong đó Qleak là lưu lượng rò rỉ do khe hở của cánh quạt gây ra. Tối ưu hóa khe hở làm giảm đáng kể rò rỉ. Ví dụ:

● Giảm khoảng cách từ 0.3 mm xuống 0.2 mm giúp giảm rò rỉ từ 15–20%.

● Trong máy bơm nhiều tầng, việc tối ưu hóa tích lũy giữa các tầng có thể cải thiện hiệu suất tổng thể từ 5–10%.

2.2 Giảm tổn thất thủy lực

Việc tối ưu hóa khoảng cách sẽ cải thiện tính đồng đều của dòng chảy tại cửa ra của cánh quạt, giảm nhiễu loạn và do đó giảm thiểu tổn thất áp suất. Ví dụ:

● Mô phỏng CFD cho thấy việc giảm khe hở từ 0.4 mm xuống 0.25 mm sẽ giảm 30% động năng nhiễu loạn, tương ứng với mức giảm 4–6% công suất tiêu thụ của trục.

2.3 Nâng cao hiệu suất tạo bọt khí

Khoảng cách lớn làm trầm trọng thêm các xung áp suất ở đầu vào, làm tăng nguy cơ tạo bọt. Tối ưu hóa khoảng cách giúp ổn định dòng chảy và tăng biên độ NPSHr (áp suất hút dương ròng), đặc biệt hiệu quả trong điều kiện dòng chảy thấp.

3. Kiểm chứng thực nghiệm và các trường hợp kỹ thuật

3.1 Dữ liệu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm

Một viện nghiên cứu đã tiến hành các thử nghiệm so sánh trên một máy bơm tuabin trục đứng nhiều tầng (thông số: 2950 vòng/phút, 100 m³/h, cột áp 200 m).

3.2 Ví dụ ứng dụng công nghiệp

● Cải tạo bơm tuần hoàn hóa dầu: Một nhà máy lọc dầu đã giảm khe hở cánh quạt từ 0.4 mm xuống 0.28 mm, đạt mức tiết kiệm năng lượng hàng năm là 120 kW·h và giảm 8% chi phí vận hành.

● Tối ưu hóa bơm phun trên giàn khoan ngoài khơi: Sử dụng giao thoa kế laser để kiểm soát khe hở (±0.02 mm), hiệu suất thể tích của bơm được cải thiện từ 81% lên 89%, giải quyết các vấn đề rung động do khe hở quá mức gây ra.

4. Phương pháp tối ưu hóa và các bước thực hiện

4.1 Mô hình toán học cho tối ưu hóa khoảng cách

Dựa trên các quy luật tương tự của bơm ly tâm và hệ số hiệu chỉnh, mối quan hệ giữa khe hở và hiệu suất là:

η = η₀(1 − k·δD)

trong đó δ là giá trị khe hở, D là đường kính cánh quạt và k là hệ số thực nghiệm (thường là 0.1–0.3).

4.2 Công nghệ triển khai chính

●Sản xuất chính xác: Máy CNC và dụng cụ mài đạt độ chính xác cấp micromet (IT7–IT8) cho cánh quạt và vỏ.

●Đo lường tại chỗ: Các công cụ căn chỉnh bằng laser và máy đo độ dày siêu âm theo dõi các khoảng trống trong quá trình lắp ráp để tránh sai lệch.

● Điều chỉnh động: Đối với môi trường có nhiệt độ cao hoặc ăn mòn, người ta sử dụng vòng đệm có thể thay thế được với khả năng tinh chỉnh dựa trên bu lông.

4.3 Cân nhắc

● Cân bằng ma sát-mài mòn: Khoảng cách quá nhỏ sẽ làm tăng sự mài mòn cơ học; độ cứng của vật liệu (ví dụ: Cr12MoV cho cánh quạt, HT250 cho vỏ) và điều kiện vận hành phải được cân bằng.

● Bù giãn nở nhiệt: Khoảng cách dự phòng (0.03–0.05 mm) là cần thiết cho các ứng dụng nhiệt độ cao (ví dụ: bơm dầu nóng).

5. Xu hướng tương lai

●Thiết kế kỹ thuật số: Các thuật toán tối ưu hóa dựa trên AI (ví dụ: thuật toán di truyền) sẽ nhanh chóng xác định khoảng cách tối ưu.

●Sản xuất phụ gia: In 3D kim loại cho phép thiết kế vỏ cánh quạt tích hợp, giảm lỗi lắp ráp.

●Giám sát thông minh: Cảm biến sợi quang kết hợp với bản sao kỹ thuật số sẽ cho phép theo dõi khoảng cách theo thời gian thực và dự đoán sự suy giảm hiệu suất.

Kết luận

Tối ưu hóa khe hở cánh quạt là một trong những phương pháp trực tiếp nhất để nâng cao hiệu suất của bơm tuabin đứng nhiều tầng. Kết hợp sản xuất chính xác, điều chỉnh động và giám sát thông minh có thể đạt được mức tăng hiệu suất từ ​​5–15%, giảm mức tiêu thụ năng lượng và giảm chi phí bảo trì. Với những tiến bộ trong chế tạo và phân tích, tối ưu hóa khe hở sẽ phát triển theo hướng có độ chính xác và thông minh cao hơn, trở thành công nghệ cốt lõi để cải tạo năng lượng bơm.

Lưu ý: Các giải pháp kỹ thuật thực tế phải tích hợp các đặc tính của môi trường, điều kiện vận hành và hạn chế về chi phí, được xác thực thông qua phân tích chi phí vòng đời (LCC).