Khái niệm chung về máy bơm và trạm bơm

Máy bơm là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài ( cơ năng, điện năng, thủy năng ..vv.. ) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy đưa chất lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống.

Người ta chia máy bơm ra nhiều loại dựa vào những đặc điểm như: nguyên lý tác động của cánh bơm vào dòng nước, dạng năng lượng làm chạy máy bơm, kết cấu máy bơm, mục đích bơm, loại chất lỏng cần bơm ... Trong đó thường dùng đặc điểm thứ nhất để phân loại máy bơm; theo đặc điểm này máy bơm được chia làm hai nhóm: Bơm động học và Bơm thể tích.

Bơm động học: Trong buồng công tác của máy bơm động học, chất lỏng được nhận năng lượng liên tục từ cánh bơm truyền cho nó suốt từ cửa vào đến cửa ra của bơm. Loại máy bơm này gồm có những bơm sau :

Bơm cánh quạt ( gồm bơm: li tâm, hướng trục, cánh chéo ): Trong loại máy bơm này, các cánh quạt gắn trên bánh xe công tác ( BXCT ) sẽ truyền trực tiếp năng lượng lên chất lỏng để đẩy chất lỏng dịch chuyển. Loại bơm này thường có lưu lượng lớn, cột áp thấp ( trong bơm nước gọi cụ thể là cột nước ) và hiệu suất tương đối cao, do vậy thường được dùng trong nông nghiệp và các ngành cấp nước khác;

Bơm xoắn: Chất lỏng qua các rãnh BXCT của máy bơm sẽ nhận được năng lượng để tạo dòng chảy xoắn và được đẩy khỏi cửa ra BXCT. Người ta dùng máy bơm này chủ yếu trong công tác hút nước hố thấm, tiêu nước, cứu hỏa... ;

Bơm tia: Dùng một dòng tia chất lỏng hoặc dòng khí bên ngoài có động năng lớn phun vào buồng công tác của bơm nhờ vậy hút và đẩy chất lỏng. Loại bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng để hút nước giếng và dùng trong thi công;

Bơm rung: Cơ cấu công tác của bơm này là pít tông-van giao động qua lại với tầng số cao gây nên tác động rung cơ học lên dòng chất lỏng để hút đẩy chất lỏng. Loại bơm này có lưu lượng nhỏ, thường được dùng bơm nước giếng và giếng mỏ;

Bơm khi khí ép: Loại bơm này nhờ tạo hỗn hợp khí và nước có trọng lượng riêng nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước để dâng nước cần bơm lên cao. Loại bơm này thường dùng để hút nước bẩn hoặc nước giếng;

Bơm nước va ( bơm Taran ): Lợi dụng hiện tượng nước va thủy lực để đưa nước lên cao. Loại bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng cấp nưóc cho vùng nông thôn miền núi.

Bơm thể tích: Nguyên lý làm việc của loại bơm này là thay đổi có chu kỳ thể tích của buồng công tác truyền áp lực hút đẩy chất lỏng. Bơm này có những loại sau:

Bơm pít tông: Pít tông chuyển động tịnh tiến qua lại có chu kỳ trong buồng công tác để hút và đẩy chất lỏng. Loại bơm này tạo được cột áp cao, lưu lượng nhỏ nên trong nông nghiệp ít dùng, thường được dùng trong máy móc công nghiệp;

Bơm rô to: Dùng cơ cấu bánh răng hoặc bánh vít, cánh trượt đặt ở chu vi phần quay của bơm để đẩy chất lỏng. Bơm này gồm có: bơm răng khía, bơm pít tông quay, bơm tấm trượt, bơm vít, bơm pít tông quay, bơm chân không vòng nước ... Bơm rô to có lưu lương nhỏ thường được dùng trong công nghiệp;

Ngoài ra còn có rất nhiều loại bơm động học và bơm thể tích khác được sử dụng trong thực tế sản xuất và đời sống, sinh viên có thể tham khảo trong các tài liệu về máy bơm được xuất bản trong và ngoài nước. Trong giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu loại máy bơm được dùng phổ biến cho bơm nước tưới tiêu trong thủy lợi, đó là các loại máy bơm cánh quạt còn các bơm khác xin xem bổ sung ở chương VII .

Thông số năng lượng chính của máy bơm là những số liệu chủ yếu biểu thị đặc tính cơ bản của máy bơm bao gồm: lưu lượng Q, cột nước H, công suất N, số vòng quay n và độ cao hút nước cho phép hs... Những thông số này nhà máy chế tạo bơm đã ghi sẵn trên nhãn hiệu máy. Sau đây là những thông số chính:

II. Cột nước H

Cột nước là năng lượng mà máy bơm truyền cho một đơn vị khối lượng chất lỏng qua nó. Năng lượng đó bằng hiệu số năng lượng đơn vị của chất lỏng ở cửa ra và cửa vào của bơm:

H = p2−p1g¸v22−v122g¸DZ size 12{ { { size 8{ { size 10{p} } rSub { size 6{2} } - { size 10{p} } rSub { size 6{1} } } } over {g} } size 12{¸ { { { size 24{v} } rSub {2} rSup {2} size 12{- { size 24{v} } rSub {1} rSup {2} }} over { size 12{2g} } } } size 12{¸DZ}} {}( 1 - 1 )

Trong ( 1-1): p1, p2 - áp suất tuyệt đối ở các điểm đặt thiết bị đo;

v1, v2 - tốc độ nước trong ống hút và ống đẩy;

Z = Zm - Zb, khi Zm cao hơn Zb thì Z > 0, ngược lại thì Z < 0.

Thiết bị đo chân không chỉ ra độ cao chân không Hck ở ống hút, bởi vậy trị số của nó là :

Hck = pag−p1g size 12{ { { { size 24{p} } rSub { size 8{a} } } over {g} } - { { { size 24{p} } rSub { size 8{1} } } over {g} } } {} hoặc p1g size 12{ { { { size 24{p} } rSub { size 8{1} } } over {g} } } {} = pag− size 12{ { { { size 24{p} } rSub { size 8{a} } } over {g} } -{}} {}Hck ;

Thiết bị đo áp lực chỉ ra áp lực dư trong ống đẩy:

Hak = p2g−pag size 12{ { { { size 24{p} } rSub { size 8{2} } } over {g} } - { { { size 24{p} } rSub { size 8{a} } } over {g} } } {} hoặc p2g= size 12{ { { { size 24{p} } rSub { size 8{2} } } over {g} } ={}} {} Hak +pag size 12{+ { { { size 24{p} } rSub { size 8{a} } } over {g} } } {}.

Đặt các giá trị trên vào công thức ( 1 - 1 ) ta có :

H = Hak + Hck + Z + v22−v122g size 12{ { { { size 24{v} } rSub { size 8{2} } rSup { size 8{2} } - { size 24{v} } rSub { size 8{1} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {}{} ( 1 - 2 )

Cần hiểu rằng khi đặt áp kế thấp hơn chân không kế thì giá trị h sẽ âm. Tổng ba thành phần Hak + Hck  Z = HM đọc được từ áp kế, chân không kế, biểu thị bằng mét cột nước và khoảng cách thẳng đứng giữa các điểm đặt dụng cụ đo, HM được gọi là "cột nước áp kế của máy bơm ". Tổng cột nước mà máy bơm cần phải sản ra sẽ là:

H = HM + v22−v122g size 12{ { { { size 24{v} } rSub { size 8{2} } rSup { size 8{2} } - { size 24{v} } rSub { size 8{1} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } } {} ( 1 - 3 )

Trong trường hợp ống hút và ống đẩy có cùng đường kính, nên v1 = v2, thì cột nước toàn phần của bơm bằng cột nước áp kế của bơm. Nếu áp suất trên bề mặt chất lỏng ở hai bể là khác nhau thì máy bơm cần phải khắc phục hiệu số áp suất p = p2 - p1 và các tổn thất thủy lực trên 2 ống, khi đó tổng cột nước máy bơm cần phải sản ra là:

H = hh + hđ + htth + httđ + p2−p1g size 12{ { { { size 24{p} } rSub { size 8{2} } - { size 24{p} } rSub { size 8{1} } } over {g} } } {} ( 1 - 4 )

Máy bơm, động cơ kéo bơm và các thiết bị để truyền công suất từ động cơ đến máy bơm hợp lại thành " tổ máy bơm ".

Tổ máy bơm được nối với các ống hút và ống đẩy tạo thành tổ hợp " thiết bị bơm ". Trên ống hút và ống đẩy có thể trang bị khống chế điều chỉnh nó như: các van điều tiết, van một chiều, bệ lắp ... và các dụng cụ đo như: chân không kế, áp kế, lưu lượng kế ...

Trạm bơm là tập hợp các công trình và các thiết bị bơm tạo thành, xem Hình 1- 3.

Trong trạm bơm thông thường bố trí một số thiết bị bơm với khả năng đóng mở theo yêu cầu về lưu lượng nước cần bơm. Trạm bơm cũng có thể gồm chỉ một thiết bị bơm đơn lẻ đặt trên giá đỡ di động hoặc đặt trên phao có kèm theo thiết bị khởi động và điều chỉnh chế độ công tác của tổ máy bơm. Trạm bơm được phân loại theo những đặc điểm sau: theo công dụng của trạm, theo lưu lượng, theo vị trí bố trí tương đối so với nguồn lấy nước ( lấy nước bờ, lấy nước lòng sông, lấy nước kênh chính, trạm bơm cố định, trạm bơm di động ), theo đặc điểm công trình ( lấy nước dưới sâu, lấy nước mặt, kết hợp hoặc không kết hợp giữa công trình lấy nước và tháo nước ) ..v.v..

Hình 1 - 3. Sơ đồ trạm bơm

1- nguồn nước; 2- công trình lấy nước; 3, 8-kênh dẫn và tháo nước; 4- bể tập trung nước;

5- nhà máy bơm; 6- ống đẩy; 7- bể tháo.

Trạm bơm trong trong lĩnh vực nông nghiệp có thể được chia ra những loại: trạm bơm tưới, trạm bơm tiêu, trạm bơm cấp nước nông thôn, trạm bơm tiêu nước mưa, trạm bơm hạ mực nước ngầm, trạm bơm phục vụ chăn nuôi ..v.v..

Trong khuôn khổ của Giáo trình này chúng tôi chỉ đề cập đến máy bơm và trạm bơm phục vụ cho tưới tiêu nông nghiệp dùng cho sinh viên ngành Thủy lợi - Thủy điện. Với kiến thức chung được trang bị, khi làm việc ở một số lĩnh vực máy bơm liên quan khác ngoài ngành, sinh viên có thể tự đọc thêm để làm việc.