Trong chương II chúng ta đã đề cập về máy bơm cánh quạt, là loại máy bơm được dùng phổ biến trong tưới tiêu nông nghiệp, ở chương này chúng ta tìm hiểu thêm một số loại máy bơm khác được dùng trong nhiều lĩnh vực khác mà cả trong nông nghiệp cũng có khi phải dùng đến.

Căn cứ vào cấu tạo và hoạt động của bơm pittông chúng ta có thể chia chúng thành các loại: bơm pittông tác dụng đơn và bơm pittông tác dụng kép, bơm sai động, bơm pittông quay ... Trong đó nếu căn cứ vào cấu tạo của pittông lại có thể phân hai loại là pittông thường ( Hình 7 - 1,a và 7 - 2, a ) và pittông trụ ( Hình 7-1,b ). Bơm pittông bơm được lưu lượng nhỏ ( từ 0,01 ...250 m3/h ) nhưng cột nước cao (từ 0,25 ...250 at).

Bơm pittông tác dụng đơn.

Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của loại bơm này thể hiện ở Hình ( 7 - 1,a ): Pittông 2 tịnh tiến qua lại trong xi lanh 1 nhờ cơ cấu động gồm trục O, biên 5 và thanh truyền 4, con trượt. Dung tích xi lanh nằm giữa hai điểm chết của pittông bằng dung tích chất lỏng trong mỗi lần hoạt động của pittông ở điều kiện lý thuyết ( không có tổn thất dung tích ) Khi pittông chuyển động sang phải thì van 8 đóng, van 7 mở, chất lỏng từ bể hút 11 hút lên lòng xi lanh. Khi pittông đến điểm chết bên phải thì hoàn thành quán trình hút. Sau đó pittông chuyển động ngược lại thì van 7 đóng, van 8 mở, chất lỏng được đẩy lên bể 10. Pittông đến điểm chết trái thì quá trình đẩy hoàn thành. Như vậy cứ mỗi vòng quay của trục O thì bơm thực hiện được một chu trình hút và đẩy. Khi trục O quay một góc 

Hình 1

Hình 7 - 1. Sơ đồ máy bơm pittông tác dụng đơn.

a) Bơm pittông thường: 1- xi lanh; 2- pittông; 3- cán pittông.

b) Bơm pittông trụ: 1- buồng công tác; 2- pittông trụ.

thì pittông dịch được một quãng S = r ( 1 - cos  )  l ( 1 - cos ); trong đó r - bán kính quay, l - độ dài thanh truyền; dấu cộng khi pittông tịnh tiến từ trái sang phải, dấu trừ khi

ngược lại. Từ hai tam giác BAK và OKA ta có lsin = rsin và đặt r/l =  ta có :

S = r ( 1 - cos  λ2λ2 size 12{ { {λ} over {2} } } {}sin2 ) ( * )

Trường hợp thanh truyền có nằm ngang thì  = 0; khi đó ( * ) trở thành:

S = r ( 1 - cos ) ( ** )

Cơ cấu culit 13 đáp ứng điều kiện ( ** ) ( Cơ cấu 13 chỉ dùng cho máy nhỏ ). Từ ( ** ) tính được vận tốc của pittông:

v = dSdt=dSdj⋅djdt=r⋅w⋅sinjdSdt=dSdj⋅djdt=r⋅w⋅sinj size 12{ { { ital "dS"} over { ital "dt"} } = { { ital "dS"} over {dj} } cdot { {dj} over { ital "dt"} } =r cdot w cdot "sin"j} {}( 7 - 1 )

Gia tốc của pittông a là:

a = d2Sdj2⋅d2jdt2=r⋅w2d2Sdj2⋅d2jdt2=r⋅w2 size 12{ { { { size 24{d} } rSup { size 8{2} } S} over { { size 24{dj} } rSup { size 8{2} } } } cdot { { { size 24{d} } rSup { size 8{2} } j} over {d { size 24{t} } rSup { size 8{2} } } } =r cdot { size 24{w} } rSup { size 8{2} } } {}cos( 7 - 2 )

Khoảng cách hai điểm chết là S (m) gọi là khoảng chạy của pittông, đường kính trong của xi lanh là D (m), số vòng quay của trục chính là n (v/ph). Vậy lưu lượng lý thuyết của bơm pittông tác dụng đơn là:

Ql = F.S.n60F.S.n60 size 12{ { {F "." S "." n} over {"60"} } } {}; ( m3/s )( 7 - 3 )

Pittông thuờnwg có dạng tấm tròn có kích thước đường kính ngoài lớn hơn chiều dài nhiều lần, còn pittông trụ có đường kính ngoài nhỏ hơn chiều dài của nó.

Bơm pittông tác dụng kép.

Hình 2

Hình 7 - 2. Sơ đồ máy bơm pittông tác động kép

a) Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pittông tác động kép.

b) Đồ thị lưu lượng lý thuyết của pittông tác động đơn và tác động kép

Bơm pittông tác dụng kép có dạng ( Hình 7 - 2,a ). Khi pittông chuyển từ trái sang phải thì phía trái thực hiện quá trình hút, phía phải thực hiện quá trình đẩy và ngược lại. Như vậy với mỗi vòng quay của trục chính thì bơm thực hiện được hai lần hút và hai lần đẩy. Lưu lượng lý thuyết của bơm này theo công thức:

Ql=(2F−f).S.n60Ql=(2F−f).S.n60 size 12{Q rSub { size 8{l} } = { { \( 2F-f \) "." S "." n} over {"60"} } } {}; ( m3/s )( 7 - 4 )

Trong đó F, f - diện tích tiết diện ngang trong của xi lanh, diện tích tiết diện ngang của cần pittông ( m2 ); S- quảng đường của pittông ( m ) ; n - vòng quay trục chính ( v/ph ).

Nhược điểm của loại bơm này là chiều dài lớn, lực ép của pittông lên hai phía khác nhau, hộp chèn kín phức tạp và hay hỏng, nhiều van. Tuy nhiên ưu điểm chính của nó có năng suất cao hơn loại tác dụng đơn, dòng chất lỏng ít biến động hơn (xem Hình 7 -2,b). Nếu bỏ qua tiết diện ngang của cần pittông ( f ) thì từ công thức ( 7 - 4 ) có thể coi lưu lượng của bơm tác động kép gấp đôi bơm tác dụng đơn ( công thức 7 - 3 ). Trong thực tế bao giờ cũng có tổn thất dung tích do van không đóng kịp thời hoặc không kín, do hộp đệm không tốt ... do vậy lưu lượng thực tế sẽ nhỏ hơn trị số lý thuyết tính ở trên.

Bơm pittông trụ sai động.

Hình 3

Hình 7 - 3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động bơm trụ sai động.

Về cấu tạo bơm pittông trụ sai động gần giống bơm pittông tác dụng kép nhưng lưu lượng mà nó hút, đẩy trong mỗi chu kỳ lại giống bơm tác dụng đơn ( Hình 7 - 3 ). Khi pittông chuyển động sang phải, chất lỏng từ khoang B chảy vào ống đẩy với thể tích V1 V1= p4(D2−d2).Sp4(D2−d2).S size 12{ { {p} over {4} } \( { size 24{D} } rSup { size 8{2} } - { size 24{d} } rSup { size 8{2} } \) "." S} {}, khoang A hút chất lỏng với thể tích V2 = p.D24.Sp.D24.S size 12{ { {p "." { size 24{D} } rSup { size 8{2} } } over {4} } "." S} {} .Trong đó: D, d là đường kính pittông và đường kính cần ( m ); S - quảng chạy của pittông (m) . Khi pittông chuyển từ phải về trái, chất lỏng chảy vào khoang B với thể tích V1 và đẩy vào ống đẩy thể tích ( V2 - V1 ). Vậy mỗi chu kỳ bơm hút và đẩy được chất lỏng lúy thuyết:

Ql=pD24.S.n60Ql=pD24.S.n60 size 12{ { size 24{Q} } rSub { size 8{l} } = { {p { size 24{D} } rSup { size 8{2} } } over {4} } "." S "." { {n} over {"60"} } } {}; ( m3/s )( 7 - 5 )

Đối vơi loại bơm này, nếu tiết diện ngang của cán pittông f bằng 0,5 tiết diện ngang của pittông F thì lượng chất lỏng chảy vào ống đẩy khi pittông chuyển động sang phải hay sang trái đều bằng nhau, động cơ chịu tải đều. Bơm pittông trụ sai động được dùng với lưu lượng nhỏ và vừa, cột áp không lớn.

Bơm pittông cần ( Hình 7 - 4 )

Hình 4

Hình 7 - 4. Sơ đồ máy bơm pittông cần.

a) Bơm kết cấu thường; b) Bơm sai động.

1- ống hút; 2- xi lanh; 3- pittông; 4 - đĩa ; 5- cần ; 6 - ống đẩy; 7 - trụ.

Để nâng nước từ giếng người ta dùng máy bơm pittông cần kết cấu thông thường hoặc loại sai động. Loại máy bơm pittông cần kết cấu thông thường ( Hình 7 - 4,a ) hoạt động như sau: Khi nâng pittông lên, van đẩy KH đóng lại, còn van hút KB mở đưa nước vào xi lanh, đồng thời đưa nước vào ống đẩy 6. Khi hạ pittông xuống, van KB đóng, còn van KH mở đưa nước vào không gian trên pittông, trong thời gian này lối nước vào 6 bị đóng. Máy bơm làm việc giống như máy bơm pittông tác dụng đơn. Máy bơm pittông cần sai động ( Hình 7 - 4,b ) phần trên có trụ 7 đường kính lớn hơn đường kính của cần

Khi nhấc pittông, lượng nước chảy vào ống đẩy 6 bằng ( F - f ).S, ( ở đây f là diện tích của tiết diện trụ )̣, còn thể tích nước hút qua van KB là FS. Khi hạ trụ 7 xuống, nước sẽ được đẩy vào ống đẩy 6 một lượng bằng fS. Như vậy, sau hai lần dịch chuyển thể tích nước mà bơm cấp được cho ống là V = FS.

Bơm pittông quay.

Bơm píttông quay là loại có cột áp rất cao và có hai loại bơm pittông quay hướng kính và pittông quay hướng trục, dùng trong công nghiệp, nguyên tắc hoạt động của nó để đơn giản ta lấy loại bơm pittông quay hướng kính để mô tả ( Hình 7 - 5, ).

Hình 5

.

Hình 7 - 5. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của bơm pittông quay.

Phần cố định của bơm này gồm vành trụ 1 và vách ngăn 4. Phần quay gồm rô to 5 có tâm quay lệch tâm e với trục của vành trụ1, các pittông 2 dịch chuyển trong các rãnh ( các xi lanh ) của 5, ống lót 3 ép vào 5 và có thể thay thế khi bị mòn. Khi rô to 5 quay theo chiều kim đồng hồ thì các pittông 2 cũng quay theo, đồng thời tịnh tiến qua lại trong xi lanh tạo ra qúa trình hút và đẩy chất lỏng. Vách ngăn 4 đứng yên. Không gian trong ống lót 3 chia làm hai phần: phần trên vách 4 là cửa hút, phần dưới là cửa đẩy của bơm. Khi pittông đến phần trái của đường C-C là vừa hoàn thành quá trình đẩy và bắt đầu quá trình hút, còn khi đến vị trí bên phải thì ngược lại. Quảng chạy của mỗi pittông là S = 2e. Bơm này có ưu điểm là tạo cột áp rất cao, có thể đạt đến 350 at khi vòng quay lớn n = 6500 v/ph ( dùng trong các động cơ máy bay ) và lưu lượng đồng đều; nhược điểm chính của nó là cấu tạo phức tạp và lưu lượng nhỏ ( từ 0,2 ... 25 m3/h ).

Máy bơm tia thuộc loại bơm ma sát. Nguyên lý làm việc của nó là dùng một nguồn tia chất lỏng bên ngoài, gọi là chất lỏng công tác, truyền động năng của nó để kéo chất lỏng cần bơm. Hình 7 - 11 trình bày nguyên tắc cấu tạo và làm việc của bơm tia. Nguồn chất lỏng công tác được lấy ở trên cao, dẫn theo ống 2 qua vòi phun 5 đưa vào buồng hỗn hợp 7, cung cấp năng lượng để hút nước cần bơm từ bể hút 4 qua ống hút 1, đẩy nước lên bể tháo 3. Trong vòi 5, tốc độ chất lỏng công tác và động năng tăng, còn thế năng và áp năng bị giảm. Khi tốc độ đạt tới trị số xác định thì áp suất trong buồng hút 6 giảm nhỏ hơn áp suất không khí và xuất hiện chân không. Dưới tác dụng của chân không nước sẽ được hút lên từ bể 4 theo ống 1 vào buồng hút 6 rồi buồng hỗn hợp 7. Ở trong buồng hỗn hợp, dòng chất lỏng công tác và dòng chất lỏng cần bơm trộn vào nhau, khi đó chất lỏng công tác truyền một phần năng lượng của mình cho chất lỏng cần bơm . Sau đó dòng chất lỏng hỗn hợp chuyển vào đoạn khuếch tán 8, tại đây vận tốc dòng chảy giảm dần và cột nước tĩnh tăng, dòng chất lỏng được đưa lên bể 3.

Hình 11

Hình 7 - 11. Sơ đồ thiết bị bơm tia.

Nếu bỏ qua tổn thất cột nước thì công suất tiêu phí của bơm tia để bơm nước từ bể 4 lên bể 3 là:

size 12{ {} rSub {} } {}N = gpQpH1gpQpH1 size 12{ { size 24{g} } rSub { size 8{p} } { size 24{Q} } rSub { size 8{p} } { size 24{H} } rSub { size 8{1} } } {}( 7 - 11 )

công suất hữu ích là:

Nhi = QH ( 7 - 12 )

Trong đó : Qp - lưu lượng của chất lỏng công tác, m3/s;

Q - lưu lượng của bơm tia, m3/s;

H1 - cột nước công tác, m;

H - chiều cao nâng, m;

p - trọng lượng riêng của chất lỏng công tác, kN/m3.

Hiệu suất của máy bơm tia khi chất lỏng công tác và chất lỏng cần cùng là nước :

 = Q.H / ( QpH1QpH1 size 12{ { size 24{Q} } rSub { size 8{p} } { size 24{H} } rSub { size 8{1} } } {})( 7 - 13 ).

Tỷ số giữa lưu lượng của chất lỏng cần bơm và chất lỏng công tác, gọi làhệ số pha trộn  = Q / QpQp size 12{ { size 24{Q} } rSub { size 8{p} } } {}, còn tỷ số giữa chiều cao nâng chất lỏng và cột nước công tác gọi là hệ số cột nước  = H / H1. Vậy hiệu suất của máy bơm tia  = . Thường hiệu suất máy bơm tiêu rất thấp, từ 15 ... 25%.

Lưu lượng chất lỏng công tác qua vòi phun 5 là:

Qp = QH / [( H1 - H ) ]( 7 - 14 )

Bơm tia được sử dụng rộng rãi để bơm nước từ các hố đào, dâng và vận chuyển bùn

quặng, tháo nước trong thi công, tháo nước mưa, tách khí trong ống hút bơm li tâm trước khi khởi đông bơm li tâm. Ưu điểm chính của máy bơm tia là kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ, an toàn. Nhược điểm của nó là hiệu suất rất thấp và cột nước công tác có áp lực cao.

Máy bơm dâng bằng khí nén, còn gọi là bơm sục khí, có thể dâng nước từ các lổ khoan. Loại bơm này được sử dụng rộng rãi hơn cả là bơm nước chứa bùn cát từ các lổ khoan trước khi đặt đặt máy bơm nhúng li tâm, hoặc dâng nước từ lỗ khoan nếu có yêu cầu tách ga khỏi nước. Nguyên tắc hoạt động của bơm này là dùng quy tắc bình thông nhau. Hình 7 - 12, mô tả về cấu tạo của máy bơm sục khí. Khí nén được dẫn theo ống theo ống 4 vào miệng phun 2 vào ống dâng 3. Trong ống 3 nước và khí nén tạo nên hỗn

Hình 12

Hình 7 - 12. Bơm sục khí. Hình 7 - 13. Bơm nước va.

hợp khí và nước ( nhũ tương ). Hố khoan đầy nước và ống dâng đầy hỗn hợp khí và nước tạo thành những bình thông nhau. Vì tỷ trọng của hỗn hợp nhỏ hơn tỷ trọng nước, do vậy nước đẩy hỗn hợp lên mặt nước, đó cũng chính là nguyên tắc làm việc của loại máy bơm này. Nhũ tương khí nước theo đường ống sẽ được dâng lên độ cao HdhHdh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } } {}, nếu :

g.h=ghh(Hdh+h)g.h=ghh(Hdh+h) size 12{g "." h= { size 24{g} } rSub { size 8{ ital "hh"} } \( { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } +h \) } {}( 7 - 15 )

Trong đó: g,ghhg,ghh size 12{g, { size 24{g} } rSub { size 8{ ital "hh"} } } {}là trọng lượng riêng của nước và của hỗn hợp, N/m3;

h là độ ngập sâu của miệng phun dưới mực nước động, m.

Như vậy có nghĩa là chiều caodâng nước phụ thuộc vào quan hệ tỷ trọng nước, tỷ trọng hỗn hợp khí nước và độ sâu đặt miệng phun.

Khi đạt đến mút ống 3, hỗn hợp sẽ vào bể 6, từ đây khí và nước sẽ được tách ra: phần nước sẽ theo ống 5 đến nơi dùng, còn khí sẽ thải ra ngoài theo ống 7.

Từ ( 7 - 15 ) rút ra được g(H−Hdh)=ghhHg(H−Hdh)=ghhH size 12{g \( H- { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } \) = { size 24{g} } rSub { size 8{ ital "hh"} } H} {}; ở đây H là độ sâu nhúng của miệng phun, mét. Cũng từ đây biến đổi tiếp, ta có kết quả:

H = Hdh.g/(g−ghh)=KHdhHdh.g/(g−ghh)=KHdh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } "." g/ \( g- { size 24{g} } rSub { size 8{ ital "hh"} } \) =K { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } } {}, m;( 7 - 16 )

Ở đây K là hệ số nhúng miệng phun, nó nói lên rằng H lớn hơn HdhHdh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } } {}bao nhiêu lần. Bảng sau đây cho ta quan hệ giữa K và hiệu suất của bơm nhúng  theo HdhHdh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } } {}.

Đầu cuối của ống dâng cần thấp hơn miệng phun từ 3 ... 6 mét.

Tiêu hao cần thiết của không khí goị là suất tiêu hao q( tính bằng m3), để dâng 1 m3 nước với hiệu suất và áp suất khí trời đã cho:

q = Hdh23h'lg[(H−Hdh+10)/10]Hdh23h'lg[(H−Hdh+10)/10] size 12{ { { { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } } over {"23" { size 24{h} } rSub { size 8{'} } "lg" \[ \( H- { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } +"10" \) /"10" \] } } } {} ( 7 - 17 )

Công thức ( 7 - 17 ) nhận được trên cơ sở phân tích công tiêu hao trên máy nén để nén khí theo chu trình đẳng nhiệt.

Hiệu suất của bơm dâng bằng khí nén tính theo công thức:

h'=g.QHdh/Ah'=g.QHdh/A size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{'} } =g "." Q { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } /A} {}. Ở đây Q là lưu lượng nước cần bơm lên độ cao HdhHdh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } } {}, m3/s. A là năng lượng khí nén ở từ cửa ra miệng phun vào ống nâng, kW. Vậy lượng khí cần thiết để dâng lưu lượng Q trong điều kiện nhiết độ không khí 15 ... 200C là :

W = q.Q/60, m3/ph ( 7 - 18 )

Khi nhiệt độ khác 15 ... 200C thì phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh k ( ở vùng trung Á Liên Xô cũ k = 1,2 ).

Áp suất không khí cần cần thiết để nâng được nước là: p = 0,01 ( H - HdhHdh size 12{ { size 24{H} } rSub { size 8{ ital "dh"} } } {} + ht ), trong đó ht là tổn thất cột áp trong ống dẫn khí ở đoạn từ máy nén khí đến miệng phun, thường ht < 5 m .

Máy bơm dâng bằng khí nén có ưu điểm là đơn giản, an toàn, có khả năng dâng nước từ các hố đứng sâu. Nhưng nhược điểm của nó là hiệu suất rất thấp ( 20 ... 25 % ) và chỉ dâng được nước ở hố sâu, điều này gây nên yêu cầu đặt sâu ống dưới mực nước động.

Bơm nước va, đó là loại bơm lợi dụng hiện tượng nước va trong đường ống áp lực để bơm nước. Hình 7 - 13 thể hiện sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loại máy bơm này. Để bơm nước từ nguồn 7 lên bể 6 ta đăt thiết bị bơm thấp hơn nguồn 7 một độ cao

không dưới 1 mét và phải tháo qua bơm nước va một lưu lượng lớn hơn lưu lượng cần bơm một vài lần. Trước khi máy bơm nước va làm việc, van trên đường ống cấp nước 1 đóng. Van tháo 2 do sức nặng bản thân hạ xuống và có thể xả nước từ ống cấp ra ngoài, van 3 đóng. Khi mở van trên ống 1, dưới tác dụng của cột nước H1 nước từ nguồn 7 theo ống cấp 1 bắt đầu chảy ra ngoài trời qua van 2 với vận tốc tăng. Dưới tác dụng của áp lực thủy động bên dưới, van 2 được nâng lên làm ngừng dòng nước đang chảy ra ngoài. Vận tốc dòng nước trong ống 1 đột nhiên giảm dẫn đến xuất hiện hiện tượng nước va thủy lực, kéo theo tăng áp đột ngột. Khi áp lực trong ống cung cấp nước vượt quá áp lực trong buồng khí 4, nắp van 3 mở và nước tràn vào. Sau đó dưới tác dụng của áp lực dư, nước từ buồng không khí 4 theo ống đẩy 5 đẩy lên bể 6 với cột nước H2. Áp lực trong ống cung cấp 1 bắt đầu giảm, van đẩy 3 bắt đầu đóng lại, nước từ nguồn theo đường ống 1 lại qua van va đập 2 thoát ra ngoài, và quá trình lại lặp lại từ đầu ... Bơm nước va hoạt động tự động. Để an toàn làm việc của nó chiều dài ống cung cấp nước 1 cần khoàng từ 5 ... 8 lần chiều cao cột nước H1.

Hiệu suất của máy bơm nước va thủy lực: h=qH2QH1h=qH2QH1 size 12{h= { {q { size 24{H} } rSub { size 8{2} } } over {Q { size 24{H} } rSub { size 8{1} } } } } {}( 7 - 19 )

Trong đó: q là lưu lương của bơm. m3/s, còn Q là lưư lượng công tác, m3/s.

Hiệu suất của máy bơm nước va, lưu lượng q, lưu lượng nước công tác Q và tỷ số H2/H1 có liên quan với nhau theo bảng sau:

Bơm nước va có lưu lượng từ 5 ... 18 l/s và cột nước đến 150 mét.

Trên đây đã trình bày thêm những loại máy bơm thông dụng trong thực tế của nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống, còn nhiều loại bơm khác chưa đề cập đến, người đọc có thể tìm hiểu thêm trong các tài liệu chuyên ngành khi gặp phải ứng dụng của chúng.