Máy và tự động thủy khí

1. Máy thủy khí là gì

Bơm là một loại máy thủy khí

Máy thủy khí là một thuật ngữ rất xa lạ đối với dân kĩ thuật ngoài ngành và rất ít người có hiểu biết thấu đáo về nó. Đây là một ngành phát triển từ rất lâu ở các nước phát triển, song ở Việt Nam, máy thủy khí chỉ mới chính thức được biết đến trong chục năm trở lại đây. Máy thủy khí với những ưu điểm ngày càng giữ vai trò quan trọng trong các hệ thống, hệ truyền động, các bạn có thể tham khảo bài viết Tổng quan về hệ thống thủy lực hay Tổng quan về hệ thống khí nén trong công nghiệp để có thể thấy rõ tầm quan trọng của máy thủy khí. 

Trước hết các bạn cần nắm được định nghĩa máy thủy khí là gì đã. Máy thủy khí là loại máy hoạt động dựa trên việc trao đổi năng lượng giữa máy và dòng chất lỏng. Chất lỏng ở đây có thể hiểu là nước, dầu hay chất khí. Nếu máy biến cơ năng thành năng lượng dòng chất lỏng thì gọi là bơm ,quạt hay máy nén. Nếu máy nhận năng lượng từ dòng chất lỏng thì gọi là động cơ hay tua bin.

Tua bin gió là một loại máy thủy khí

Đó là định nghĩa máy thủy khí dựa trên việc trao đổi năng lượng. Cùng với đó, người ta cũng dựa theo nguyên lí kết cấu của máy thủy khí để phân chia chúng thành máy thủy khí thể tích và máy thủy khí cánh dẫn. 

- Máy thủy khí thể tích thực hiện việc trao đổi năng lượng với chất lỏng dựa trên nguyên lí tĩnh với năng lượng ở dạng áp năng. Tức là dựa trên việc tăng giảm áp suất mà máy thể tích sẽ tạo ra hoặc nhận năng lượng từ chất lỏng chẳng hạn như xy lanh piston, bơm xe đạp hay kim tiêm.

Bơm xe đạp là máy thể tích

- Máy thủy khí cánh dẫn thực hiện việc trao đổi năng lượng với chất lỏng dựa trên nguyên lí động, tức là máy trao đổi động năng với dòng chất lỏng. Điển hình các bạn có thể thấy chính là quạt gió hay máy bơm nước. Chúng truyền cho không khí và nước một vận tốc để đẩy nước, không khí đi xa.

Quạt gió là máy thủy khí cánh dẫn

2. Vai trò của từng loại máy thủy khí

a. Máy thể tích

Máy thể tích là một loại máy thủy khí trao đổi áp năng với dòng chất lỏng. Áp năng đó được tạo ra nhờ việc thay đổi thể tích của các phần tử chất lỏng, chất khí qua việc biến đổi thể tích bình chứa. Khi chất khí bị nén thì chất khí sẽ nhận năng lượng và khi nó giãn nở, nó sẽ tạo ra công. Công đó được sử dụng tạo lực và momen. Cái tên máy thể tích xuất phát từ nguyên lí đó.

Máy thể tích có thể tạo ra một lực và momen cực lớn do khả năng tạo áp suất cao. Lực và momen của máy thể tích lớn nhất trong tất cả các máy trong tất cả các hệ truyền động( Các bạn có thể tính được lực và momen ở bài viết Hướng dẫn chọn xy lanh thủy lực ) . Chính vì thế mà trong các cỗ máy khổng lồ như máy cẩu, máy nâng, máy ép đều ứng dụng máy thể tích.

Những cỗ máy khổng lồ nhất trên thế giới 

Máy thể tích làm việc với chất lỏng, song chủ yếu dùng với mục đích tạo lực và momen lớn, một số khác thì dùng cho điều khiển mà ít khi hoặc hầu như không dùng với mục đích vận chuyển chất lỏng.

Máy thể tích cùng các Các phần tử cơ bản trong hệ thống thủy lực tạo nên một hệ thống thủy lực phục vụ rộng rãi trong công nghiệp nặng cũng như điều khiển tự động hóa. Lưu lượng của máy thể tích thấp hơn rất nhiều so với máy cánh dẫn.

b. Máy cánh dẫn

Máy cánh dẫn trao đổi động năng với dòng chất lỏng thông qua tác dụng tương hỗ giữa cánh của máy và dòng chất lỏng chuyển động qua máy.
Máy cánh dẫn tạo ra áp suất không cao như máy thể tích, song bù lại lưu lượng của máy cánh dẫn lớn hơn rất nhiều. Vì lí do đó, trong nông nghiệp tưới tiêu, thoát úng, bơm cánh dẫn luôn giữ vai trò chủ đạo.

Máy bơm nước trong nông nghiệp lưu lượng lớn

Ngoài ra, với các bình khí nén áp suất không cao mà cần lưu lượng lớn, máy cánh dẫn chính là trái tim của hệ thống máy nén trong các khu công nghiệp.

3. Các thông số cơ bản của máy thủy khí( máy cánh dẫn)

Trong phần này, mình sẽ chỉ tập trung vào phần máy cánh dẫn, còn phần máy thể tích, mình sẽ trở lại trong bài viết tiếp. 

Máy cánh dẫn được đặc trưng bởi một số thông số cơ bản. Trong bài viết này, các bạn cứ hình dung như đang nói về máy bơm nước cho thân thuộc. Khi đi mua máy bơm nước, các bạn sẽ quan tâm tới các thông số gì? 

Đầu tiên đó là lưu lượng, đó chính là lượng nước mà máy bơm được trong một đơn vị thời gian. Lưu lượng máy bơm nước thường được tính bằng mét khối trên giờ hay lít trên phút.

Thông số thứ hai mà chúng ta thường quan tâm, chính là chiều cao mà máy bơm nước có thể hút và đẩy được lên. Máy bơm có thể hút được bao nhiêu mét và đẩy lên được bao nhiêu mét phụ thuộc vào công suất của máy. Nhưng dù có thế nào thì máy bơm nước của chúng ta cũng không thể nào được đặt so với mặt nước quá 7 - 8 m được vì lí do kĩ thuật. Các bạn có thể tham khảo bài viết Hướng dẫn chọn máy bơm nước cho tòa nhà để hiểu rõ hơn.

Chiều cao hút và chiều cao đẩy

Như vậy, một máy thủy lực cánh dẫn được đặc trưng bởi thông số kĩ thuật chính là chiều cao hút, đẩy và lưu lượng. Trong kĩ thuật ngành thủy khí, người ta gọi là cột áp và lưu lượng.

Từ hai thông số cơ bản của máy cánh dẫn, người ta sẽ tính được công suất của máy bằng công thức sau: 

Trong ៵ là trọng lượng riêng chất lỏng = 9810 N/m3

Q là lưu lượng máy cánh dẫn m3/s

H là cột áp của máy cánh dẫn ( m)

N là công suất của máy cánh dẫn ( Woat)

Để đưa ra một thông số chung mà không phụ thuộc vào kích thước của máy cánh dẫn, người ta dùng một thông số gọi là số vòng quay đặc trưng ns.

 Dựa vào thông số này, người ta có thể phân loại chúng thành bơm ly tâm, bơm hướng chéo hay bơm hướng trục.

50< ns < 300: bơm ly tâm

300< ns < 500: bơm hướng chéo

500< ns < 1000: bơm hướng trục

4. Lưu ý chiều cao đặt bơm chống xâm thực

Hiện tượng xâm thực trong bơm cánh dẫn

Xâm thực trong máy cánh dẫn là một hiện tượng làm các nhà thiết kế luôn đau đầu. Xâm thực là hiện tượng xuất hiện các bọt hơi trong dòng chất lỏng phá hủy cánh dẫn của máy. Quá trình xâm thực bị xảy ra do áp suất tại một vùng nào giảm tới một giá trị giới hạn nào đó làm chất lỏng hóa hơi tạo bọt. Khi bọt nước di chuyển vào vùng có áp suất cao sẽ bị chèn ép và nổ tung, giải phóng một năng lượng bắn phá cánh của máy cánh dẫn. Áp lực mà các hạt bọt nước này sinh ra cực kì lớn và liên tục làm hư hại nặng nề cho cánh.
Để hạn chế xâm thực, ngoài khâu sản xuất chế tạo, người ta còn phải kết hợp với lắp đặt để hạn chế tối đa hiện tượng xâm thực. Thông thường, các máy bơm nước có chiều cao hút max rơi vào khoảng 10m nếu mặt thoáng bể hút thông với khí trời( mặt nước thông thoáng như ao hồ mà không bị che chắn). Đó là giá trị  cột áp hút cực đại của máy bơm nước.

Cột áp hút của máy bơm nước

Trên đây mình đã trình bày cũng như giới thiệu cho các bạn kiến thức về máy thủy khí. Hy vọng rằng sẽ giúp ích cho các bạn trong việc định nghĩa cũng như phân loại. Mình sẽ trở lại trong các bài viết tiếp về thủy khí để giới thiệu cho các bạn phần còn lại về máy thể tích. See you soon!