Máy Bơm Tuabin Trục Đứng: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng

Trong các ngành công nghiệp và đời sống hiện đại, việc vận chuyển chất lỏng, đặc biệt là nước và các dung dịch, đóng vai trò hết sức quan trọng. Để đáp ứng nhu cầu bơm, nâng cao cột áp và lưu lượng chất lỏng, nhiều loại máy bơm đã được phát minh và không ngừng cải tiến. Trong số đó, máy bơm tuabin trục đứng nổi lên như một giải pháp hiệu quả và được ứng dụng ngày càng rộng rãi.

Máy bơm tuabin trục đứng, hay còn gọi là bơm ly tâm trục đứng đa tầng, là một thiết bị chuyên dụng để bơm chất lỏng với lưu lượng và áp suất cao. Loại máy này có cấu tạo đặc trưng là trục bơm đặt thẳng đứng, kết nối trực tiếp từ cánh bơm đến động cơ điện ở phía trên. Dòng chảy đi vào từ cửa hút ở đáy bơm, sau đó được tăng áp và tống ra ở phía trên nhờ chuyển động quay ly tâm của các tầng cánh bơm xếp chồng lên nhau.

So với các loại máy bơm truyền thống như bơm ly tâm trục ngang hay bơm thể tích, máy bơm tuabin trục đứng có nhiều ưu điểm vượt trội. Nhờ cấu trúc đứng gọn nhẹ, chúng chiếm ít diện tích lắp đặt, dễ bảo trì và có thể bơm được ở độ sâu lớn. Bên cạnh đó, việc sử dụng nhiều tầng cánh bơm giúp tạo ra cột áp rất cao đồng thời vẫn đảm bảo lưu lượng ổn định. Đặc biệt, hiệu suất của loại bơm này thường đạt trên 80%, giúp tiết kiệm đáng kể điện năng so với các phương pháp bơm khác.

Chính vì những lợi thế đó, máy bơm tuabin trục đứng đã và đang được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng khác nhau như cấp thoát nước sinh hoạt và công nghiệp, thuỷ lợi, xử lý nước thải, tuần hoàn làm mát, chữa cháy… ở quy mô từ hộ gia đình đến các công trình lớn. Tuy nhiên, để vận hành an toàn và phát huy tối đa hiệu quả, loại máy bơm này đòi hỏi sự am hiểu về đặc tính kỹ thuật, cũng như có kỹ năng lắp đặt, sử dụng và bảo trì chuyên nghiệp.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về cấu tạo, nguyên lý làm việc, phạm vi ứng dụng cũng như các yêu cầu khi lắp đặt và vận hành máy bơm tuabin trục đứng. Qua đó, hy vọng sẽ giúp bạn đọc có cái nhìn toàn diện về một trong những loại máy bơm quan trọng và hữu ích nhất hiện nay.

Máy bơm tuabin trục đứng là gì?

Máy bơm tuabin trục đứng (Vertical Turbine Pump - VTP) là loại máy bơm ly tâm đa tầng có trục bơm đặt theo phương thẳng đứng. Đây là thiết bị chuyên dụng để bơm nước hoặc các chất lỏng tương tự nước với lưu lượng lớn và cột áp cao.

Cấu tạo đặc trưng của bơm tuabin trục đứng là hệ thống cánh quạt nhiều tầng xếp chồng lên nhau và được truyền động bởi một trục đứng duy nhất. Nhờ thiết kế này, máy bơm có thể tạo ra áp suất lớn để đẩy chất lỏng lên cao hoặc vận chuyển đi xa.

1. Lịch sử phát triển của bơm tuabin trục đứng

Máy bơm tuabin trục đứng ra đời vào đầu thế kỷ 20 để đáp ứng nhu cầu bơm nước từ các giếng sâu và hồ chứa ngầm. Trải qua hơn 100 năm phát triển, loại máy bơm này đã được cải tiến không ngừng về thiết kế, vật liệu chế tạo, hiệu suất và độ bền.

Ngày nay, với sự hỗ trợ của công nghệ sản xuất hiện đại, máy bơm tuabin trục đứng đã trở thành một trong những loại bơm phổ biến và tin cậy nhất trong các ngành công nghiệp và hạ tầng.

2. Phân loại máy bơm tuabin trục đứng

Máy bơm tuabin trục đứng được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau như:

• Số tầng cánh bơm: 1 tầng, 2 tầng, nhiều tầng
• Kiểu lắp đặt: Bơm giếng sâu (submersible pump), bơm hút đơn (suction pump),...
• Loại động cơ: Động cơ diesel, động cơ điện, tuabin hơi,...
• Vật liệu chế tạo: Gang, thép không gỉ, hợp kim,...
• Ứng dụng chuyên biệt: Bơm nước sạch, bơm nước thải, bơm chữa cháy, bơm tuần hoàn,...

Sự đa dạng về chủng loại giúp máy bơm tuabin trục đứng có thể đáp ứng các yêu cầu bơm khác nhau về lưu lượng, cột áp, nhiệt độ, tính chất của chất lỏng...

3. Ưu điểm nổi bật của máy bơm tuabin trục đứng

So với các loại máy bơm công nghiệp khác, bơm tuabin trục đứng có nhiều ưu thế vượt trội:

• Lưu lượng bơm lớn và áp suất cao
• Hiệu suất bơm cao, tiết kiệm điện năng
• Cấu trúc gọn nhẹ, chiếm ít không gian lắp đặt
• Tin cậy, bền bỉ, ít hỏng hóc, tuổi thọ cao
• Vận hành ổn định, ít rung động và tiếng ồn
• Dễ bảo trì, sửa chữa, thay thế phụ tùng
• Có thể điều chỉnh lưu lượng dễ dàng bằng van tiết lưu
• Khả năng tự mồi tốt, chống rỉ sét cao

Chính vì những lợi thế này, máy bơm tuabin trục đứng đã trở thành lựa chọn hàng đầu của các nhà máy, khu công nghiệp, hệ thống một số công trình thuỷ lợi và cấp thoát nước.

II. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy bơm tuabin trục đứng

1. Cấu tạo chung của máy bơm tuabin trục đứng

Nhìn chung, máy bơm tuabin trục đứng bao gồm những bộ phận chính sau:

• Đầu bơm (pump head): Là phần trên cùng, gồm động cơ, khớp nối trục, ổ đỡ và đầu nối ống.
• Trục bơm (pump shaft): Trục thẳng đứng truyền chuyển động từ động cơ xuống các tầng cánh bơm.
• Cánh bơm (impellers): Hệ thống cánh quạt xoắn ốc nhiều tầng tạo áp suất để đẩy nước.
• Ống dẫn (diffuser cases): Các ống có đường kính tăng dần dẫn nước qua các tầng cánh bơm.
• Vỏ bơm (pump bowl): Khoang chứa bọc lấy toàn bộ cụm cánh bơm và ống dẫn.
• Thanh dẫn hướng (guide vanes): Các cánh tĩnh ở trước mỗi tầng cánh bơm có tác dụng hướng dòng chảy.
• Ổ đỡ (bearings): Các ổ bi hoặc ổ trượt đỡ trục bơm và chịu lực đẩy trục.
• Cơ cấu làm kín (mechanical seals): Gioăng, phốt làm kín, ngăn chặn rò rỉ nước qua khe hở giữa trục và vỏ.

2. Nguyên lý hoạt động của máy bơm tuabin trục đứng

Máy bơm tuabin trục đứng hoạt động dựa trên nguyên lý ly tâm kết hợp với nguyên lý tầng áp như sau:

• Động cơ điều khiển trục bơm quay với tốc độ cao.
• Chất lỏng (thường là nước) được đưa vào tâm của cánh bơm tầng đầu tiên.
• Dưới tác dụng của lực ly tâm do chuyển động quay, chất lỏng bị đẩy ra ngoài theo các cánh xoắn ốc, tạo ra áp suất.
• Dòng chất lỏng áp suất cao được dẫn đến tầng cánh bơm tiếp theo qua hệ thống ống dẫn và cánh dẫn hướng.
• Quá trình tương tự lặp lại qua nhiều tầng cánh bơm cho tới khi áp suất đủ lớn để đưa chất lỏng đến vị trí và độ cao mong muốn.

Trong quá trình làm việc, áp suất nước tăng dần qua các tầng bơm. Độ tăng áp suất tỉ lệ thuận với bình phương tốc độ quay của cánh bơm, còn lưu lượng bơm tỉ lệ thuận với tốc độ quay.

Để điều chỉnh thông số bơm, người ta có thể thay đổi tốc độ quay động cơ hoặc đóng mở van tiết lưu ở đường ống đẩy. Sự phối hợp giữa tốc độ động cơ và độ mở van cho phép điều tiết chế độ bơm một cách linh hoạt và chính xác.

3. Các thông số kỹ thuật quan trọng

Khi lựa chọn và vận hành máy bơm tuabin trục đứng, cần lưu ý một số thông số sau:

• Công suất động cơ (motor power): Là năng lượng điện tiêu thụ, đơn vị là kW hoặc mã lực. Công suất càng lớn thì khả năng bơm càng mạnh.
• Lưu lượng (flow rate): Thể tích chất lỏng được bơm trong một đơn vị thời gian, đo bằng m3/h, lít/phút. Lưu lượng cần phải phù hợp với nhu cầu sử dụng thực tế.
• Cột áp (head): Chiều cao tính theo phương thẳng đứng mà máy bơm có thể đẩy chất lỏng lên, tính bằng mét cột nước (m H2O). Cột áp càng cao thì ống đẩy có thể đặt xa bơm hơn.
• Tốc độ quay (rotational speed): Số vòng quay của trục bơm trong 1 phút, đo bằng rpm. Tốc độ cao cho lưu lượng và áp suất lớn nhưng cũng tăng hao mòn, rung động.
• Hiệu suất bơm (pump efficiency): Tỉ số giữa công suất thủy lực thu được trên công suất truyền từ động cơ vào bơm, thường tính bằng %. Hiệu suất càng cao thì máy bơm hoạt động càng kinh tế.

Ngoài ra còn có nhiều thông số khác liên quan đến kết cấu và vật liệu của bơm như đường kính trục, chủng loại ổ đỡ, gioăng, vật liệu cánh bơm... Tất cả đều có ảnh hưởng đến đặc tính làm việc và độ bền của máy bơm.

4. Đồ thị đặc tính bơm

Đồ thị đặc tính bơm thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng, cột áp, công suất, hiệu suất trong dải làm việc của máy bơm tuabin trục đứng. Qua đó, người dùng có thể xác định chế độ vận hành tối ưu cũng như dự báo hiệu quả của máy bơm trong các điều kiện cụ thể.

Đồ thị này thường do nhà sản xuất cung cấp dựa trên kết quả đo đạc thực nghiệm. Người sử dụng cần tham khảo và đối chiếu với yêu cầu bơm thực tế để lựa chọn máy bơm phù hợp cũng như điều chỉnh chế độ cho hợp lý.

5. Vật liệu chế tạo máy bơm tuabin trục đứng

Máy bơm tuabin trục đứng được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau tuỳ theo đặc tính của môi trường làm việc và yêu cầu về độ bền, chống ăn mòn:

• Gang: Rẻ, dễ đúc nhưng nặng và dễ gỉ sét. Thích hợp cho bơm nước sạch.
• Thép không gỉ: Có độ bền cao, chống ăn mòn tốt nhưng đắt tiền. Phù hợp cho bơm nước ăn mòn, nước biển.
• Hợp kim: Thường là đồng thau, đồng nhôm, có khả năng chịu mài mòn, chịu nhiệt tốt, ít bị oxy hoá. Dùng cho bơm dung môi, hoá chất.
• Vật liệu chịu mài mòn: Cao su, nhựa lân tinh, gốm sứ,... có thể lót thêm vào các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với chất bơm mang tạp chất gây mòn.

Việc lựa chọn vật liệu chế tạo máy bơm cần dựa trên môi trường làm việc, chất lỏng được bơm và điều kiện kinh tế của từng dự án.

III. Ứng dụng của máy bơm tuabin trục đứng

1. Cấp nước sinh hoạt và công nghiệp

• Bơm nước từ giếng sâu, hồ chứa ngầm lên các bể chứa, tháp nước để cung cấp cho hệ thống đường ống cấp nước đô thị, khu công nghiệp.
• Tăng áp, vận chuyển nước qua các trạm bơm tăng áp trên mạng lưới để đảm bảo đủ áp lực nước cho người dùng cuối.
• Bơm nước từ sông, hồ, đập vào nhà máy xử lý nước để sản xuất nước sạch.

2. Cấp nước tưới, tiêu và ngăn mặn

• Bơm nước từ sông, kênh, rạch lên các hệ thống kênh mương để dẫn nước tưới cho cánh đồng, vườn cây công nghiệp.
• Hút nước từ các vuông tôm, đầm nuôi trồng thủy sản ra sông trong mùa mưa để tránh ngập úng.
• Chuyển nước từ các cống ngăn mặn ở cửa sông ra biển để hạn chế xâm nhập mặn vào đất liền.

3. Bơm nước thải và thoát nước đô thị

• Thu gom và bơm nước mưa, nước thải sinh hoạt từ các cống, hố ga lên trạm xử lý hoặc thải ra sông.
• Hút nước ngập úng trên đường phố, hầm cao ốc, sân golf trong mùa mưa bão.
• Làm cạn nước để xây dựng, sửa chữa công trình ngầm như hầm, cống, móng.

4. Phòng cháy chữa cháy

• Lắp đặt cố định trong hệ thống chữa cháy sprinkler của các toà nhà, nhà xưởng, kho hàng để bơm nước dập lửa khi có cháy.
• Trang bị trên các xe chữa cháy chuyên dụng dạng xe bơm với công suất lớn, cần phun xa để dập lửa hiệu quả từ bên ngoài đám cháy.
• Hút nước sông, hồ, bể chứa lên các vòi, lăng phun của lính cứu hỏa để chữa cháy rừng, đồng.

5. Làm mát và tuần hoàn nước

• Bơm nước làm mát tuần hoàn qua các thiết bị trao đổi nhiệt, lò phản ứng, tháp giải nhiệt trong nhà máy lọc dầu, nhiệt điện, hóa chất.
• Bơm nước qua hệ thống đường ống dưới đất để điều hòa nhiệt độ sân cỏ, mặt đường trong mùa đông ở các nước ôn đới.
• Bơm hồi lưu nước hồ bơi, bể bơi qua hệ thống lọc cát, diệt khuẩn để làm sạch nước.

Ngoài những ứng dụng trên, máy bơm tuabin trục đứng còn được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như khai thác mỏ, thuỷ điện, sản xuất giấy, đóng tàu...

IV. Lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng máy bơm tuabin trục đứng

1. Yêu cầu lắp đặt

Khi lắp đặt máy bơm tuabin trục đứng, cần lưu ý những điểm sau:

• Bệ máy phải được đổ bằng bê tông cốt thép với độ phẳng cao và diện tích đủ rộng để chịu được trọng lượng và rung động của cụm bơm.
• Bơm cần đặt thẳng đứng, cân bằng và cố định chắc chắn bằng bu lông neo. Sai lệch trục cho phép rất nhỏ, thường dưới 0,1 mm.
• Đường ống hút và ống đẩy phải được nối chắc chắn với bích nối của bơm, tránh gây rung động và rò rỉ.
• Hệ thống điện cung cấp cho động cơ phải đủ công suất, ổn định về điện áp và tần số. Cần lắp thêm thiết bị bảo vệ quá tải, quá nhiệt.
• Nên lắp các van, áp kế, lưu lượng kế để theo dõi và điều chỉnh thông số bơm.

2. Quy trình vận hành

Khi vận hành máy bơm tuabin trục đứng, người sử dụng cần thực hiện những bước sau:

• Kiểm tra kỹ độ kín của các mặt bích, khớp nối. Xả hết không khí trong khoang bơm và đường ống.
• Mở van hút và van đẩy, đóng van xả để đảm bảo bơm được ngập đủ nước và không bị khô cánh bơm.
• Khởi động từ từ động cơ, để máy chạy không tải khoảng 10-15 phút để kiểm tra sự êm ái và ổn định.
• Tăng dần tốc độ và lưu lượng bơm, theo dõi các thông số vận hành như áp suất, nhiệt độ, tiếng ồn, độ rung...
• Duy trì chế độ bơm ổn định, tránh thay đổi đột ngột về tải trọng hoặc tốc độ.
• Khi dừng bơm, giảm từ từ tốc độ, đóng van hút trước rồi mới ngắt điện động cơ.

Ngoài ra, người vận hành cần thường xuyên quan sát, lắng nghe, ghi chép nhật ký để phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và có biện pháp xử lý kịp thời.

3. Bảo dưỡng định kỳ

Để duy trì hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của máy bơm tuabin trục đứng, cần tiến hành bảo dưỡng định kỳ theo khuyến cáo của nhà sản xuất và tình trạng thực tế của thiết bị. Các công việc bảo dưỡng thường bao gồm:

• Vệ sinh, kiểm tra và bôi trơn các ổ đỡ, khớp nối, gioăng sau mỗi 1000-2000 giờ làm việc.
• Kiểm tra độ mòn của các chi tiết xoay như cánh bơm, bạc đạn, phớt, vòng đệm khi có dấu hiệu rung động, tiếng ồn bất thường.
• Đo điện trở cách điện, kiểm tra dây quấn stato và roto của động cơ mỗi 6 tháng.
• Cân chỉnh lại trục, gia công phục hồi hoặc thay mới các chi tiết hư hỏng trong đợt bảo dưỡng trung tu định kỳ 1-2 năm.
• Vệ sinh sạch sẽ, sơn chống gỉ lại vỏ bơm và ống dẫn nước để hạn chế ăn mòn.

Ngoài việc bảo dưỡng máy bơm, cũng cần kiểm tra và bảo trì đường ống, van, thiết bị đo lường, điều khiển để đảm bảo cả hệ thống làm việc an toàn, hiệu quả.

4. Xử lý sự cố thường gặp

Một số sự cố thường gặp khi sử dụng máy bơm tuabin trục đứng và cách khắc phục:

• Bơm không lên nước: Do bơm bị mất nước mồi, van hút bị tắc, hoặc có rò rỉ khí ở ống hút. Cần kiểm tra van và đường ống, xả khí và đổ đầy nước vào bơm.

• Lưu lượng bơm giảm: Có thể do cánh bơm bị mòn, tắc nghẽn hoặc bị hở van cửa đẩy. Cần làm sạch cánh bơm, thay phớt, bạc đệm, điều chỉnh khe hở cánh và vỏ bơm.

• Độ rung và tiếng ồn cao: Nguyên nhân có thể là trục bị lệch tâm, ổ đỡ mòn, cân bằng động kém hoặc hiện tượng xâm thực. Cần cân chỉnh lại trục, thay ổ đỡ và cân bằng lại cánh bơm.

• Động cơ nóng, quá tải: Do bơm làm việc ngoài vùng đặc tính, nhiệt độ môi trường quá cao, hoặc lỗi ở cuộn dây. Cần kiểm tra lại điện áp, làm mát động cơ và trao đổi với nhà sản xuất.

• Rò rỉ nước ở phớt, mặt bích: Thường do vật liệu phớt già hỏng, bu lông lỏng hoặc gioăng bị bục. Phải xiết chặt hoặc thay thế chi tiết hỏng.

Các sự cố trên nếu không được xử lý kịp thời sẽ làm giảm tuổi thọ và hiệu quả của máy bơm. Ngoài việc nắm vững cấu tạo và nguyên lý hoạt động, người sử dụng cũng cần tích lũy kinh nghiệm thực tế để phát hiện và khắc phục sự cố nhanh chóng, hạn chế tổn thất.

V. Một số lưu ý khi lựa chọn và sử dụng máy bơm tuabin trục đứng

• Cần tính toán cẩn thận lưu lượng, cột áp và chọn máy bơm có thông số phù hợp với nhu cầu sử dụng thực tế, tránh lãng phí khi mua máy quá tải.

• Phải tham khảo kỹ đồ thị đặc tính bơm và tìm điểm làm việc có hiệu suất cao nhất để tiết kiệm điện năng tiêu thụ.

• Ưu tiên chọn máy bơm của các thương hiệu uy tín, có chế độ bảo hành và bảo trì tốt để đảm bảo chất lượng và giảm chi phí duy tu.

• Khi lắp đặt và sử dụng cần tuân thủ nghiêm các quy trình kỹ thuật, hướng dẫn của nhà sản xuất để đảm bảo an toàn, chính xác.

• Thường xuyên theo dõi, ghi chép các thông số vận hành và tiến hành bảo dưỡng, sửa chữa đúng kế hoạch để phát huy tối đa công suất và hiệu quả của máy bơm.

• Cần đào tạo và nâng cao tay nghề cho nhân viên vận hành, trang bị các dụng cụ, phụ tùng dự phòng cần thiết để xử lý nhanh các tình huống bất thường.

Tóm lại, máy bơm tuabin trục đứng nhờ những đặc điểm nổi trội về cấu trúc gọn nhẹ, khả năng bơm cao và tiết kiệm năng lượng đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, để phát huy hiệu quả sử dụng, thiết bị này đòi hỏi sự đầu tư kỹ lưỡng về tính toán, lựa chọn, và đặc biệt là công tác vận hành, bảo trì chuyên nghiệp. Hy vọng những chia sẻ trên đây sẽ cung cấp cho bạn đọc cái nhìn toàn diện về loại máy bơm quan trọng và hữu ích này.

Công ty CP Khoa học công nghiệp Đại Nam - Nhà cung cấp hàng đầu về thiết bị máy bơm công nghiệp, van công nghiệp tại Việt Nam. Sản phẩm nhập khẩu 100% từ các thương hiệu uy tín thế giới như Masflo,  Zurn,... đạt tiêu chuẩn quốc tế Lead Free, Wras, NFPA-20, DIN, EN. Đội ngũ kỹ thuật chuyên nghiệp được đào tạo bởi chuyên gia nước ngoài. Khách hàng gồm các tập đoàn lớn như Samsung, Piaggio, EVN và nhiều dự án trọng điểm quốc gia. Cam kết chất lượng sản phẩm và dịch vụ tốt nhất, xứng đáng là đối tác tin cậy cho mọi công trình.

Liên hệ: Công ty CP Khoa học công nghiệp Đại Nam
Địa chỉ: P303, Tầng 3, Tòa Nhà An Bình 1, số 3 Trần Nguyên Đán, P. Định Công, Q. Hoàng Mai, Hà Nội
Điện thoại: 0383478272
Email: dainam@dainamco.vn