Hiện tượng khí thực là gì?

Hiện tượng khí thực trong dòng chất lỏng phát sinh trong trường hợp, khi áp suất thủy tĩnh ở một vùng nào đó (p) của dòng chảy giảm đến bằng hoặc nhỏ hơn áp suất hóa hơi (phh). Đối với nước thường, áp suất hóa hơi thực tế chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và không vượt quá 0,4 m cột nước đối với nhiệt độ t ≤ 30⁰C. Ở nơi áp suất giảm thấp này chất lỏng bị sôi và xuất hiện túi hổng chứa đầy hơi nước và khí, ta gọi là bọt khí. Bọt khí này bị kéo theo dòng chất lỏng đến vùng có áp suất thủy tĩnh cao hơn áp suất hóa hơi thì hơi nước trong các bọt khí đột ngột ngưng tụ lại, tạo nên độ chân không sâu và chất lỏng xung quanh có xu thế lao vào tâm bọt khí để chiếm chỗ. Quá trình xâm thực lặp đi lặp lại trong lòng chất lỏng. Tốc độ lao vào tâm bọt khí của các hạt chất lỏng đủ cao, bởi vậy kéo theo va đập thủy lực cục bộ gây nên tiếng ồn và rung động. Ở nơi xảy ra khí thực áp suất có thể đạt hàng nghìn át mốt phe và làm tăng tổn thất thủy lực dòng chảy. Nếu các bọt khí bị phá vỡ cạnh bề mặt tiếp xúc thì do va đập thủy lực cục bộ với tần số cao sau một thời gian sẽ bắt đầu phá hoại bề mặt tiếp xúc của bơm, hình thành những “nêm thủy lực” bóc bề mặt vật liệu làm bơm ( xem Hình 5 – 1,a ).

Một lượng nhỏ chất khí tách ra từ chất lỏng vào bọt khí do quá trình tiếp xúc quá nhanh không kịp hòa tan, do vậy chất khí bị nén và do nhiệt độ tăng đột ngột phát sinh quá trình điện phân … Tất cả những nguyên nhân trên dẫn tới phát sinh các tác nhân cơ học, điện phân, nhiệt và hóa học tăng tác động phá hoại của khí thực đối với bề mặt tiếp xúc giữa thành máy bơm và chất lỏng. Bề mặt thành máy bơm bị rỗ, nặng hơn nữa sẽ bị thủng lổ chỗ. Hình thức phá hoại này gọi là ” sự ăn mòn khí thực “.

Từ phân tích nguyên nhân của sự ăn mòn khí thực ở trên ta nhận thấy rằng tác dộng phá hoại của khí thực có thể giảm nhỏ nếu dùng vật liệu chế tạo máy bơm có độ bền về hóa học cao, vật liệu có tính đàn hồi và dẻo cao và gia công bề mặt tiếp xúc nhẵn .

Trong máy bơm cánh quạt, khí thực xảy ra ở vùng qua nước, ở những nơi áp suất thủy tĩnh trong chất lỏng đạt trị số nhỏ nhất đó là: mặt sau rãnh cửa vào ( điểm A, Hình 5 – 1,b ) khe cánh BXCT, sau điểm A áp suất sẽ tăng lên nhờ áp lực từ cánh quạt truyền cho chất lỏng nên khả năng khí thực giảm dần. Trong máy bơm li tâm, vùng thường có khả năng khí thực là cánh quạt và đĩa BXCT, trong máy bơm hướng trục thường xảy ra ở phần trong vỏ máy và đặc biệt ở phía sau mút cánh . Khi khí thực phát sinh thường làm thay đổi ( thường giảm ) cột nước, công suất yêu cầu và hiệu suất của bơm. Khi hiện tượng khí thực phát sinh mạnh chế độ làm việc của bơm sẽ bị phá hoại. Khí thực trong máy bơm kéo theo tiếng ồn và làm rung máy.

Những yếu tố có liên quan đến hiện tượng khí thực.

Điều kiện xảy ra khí thực tại một nơi nào đó là áp suất tại đó nhỏ hơn hoặc bằng áp suất hóa hơi. Như vậy việc nghiên cứu khí thực đưa về việc nghiên cứu những nguyên nhân dẫn tới việc làm giảm áp lực. Đo áp suất ở cánh máy bơm từ cửa vào đến cửa ra người ta nhận thấy áp suất tại điểm N ở cửa vào BXCT có áp suất nhỏ nhất. Tuy nhiên do phạm vi N rất hẹp, chất lỏng vượt qua quá nhanh, không kịp hình thành những bọt khí, do vậy khả năng phát sinh khí thực tại K sẽ nhiều hơn, tuy rằng áp suất tại K đo được lớn hơn tại A. Vì rằng áp suất tại K là nhỏ nhất đủ để phát sinh ra hiện tượng khí thực, cho nên ta coi p_k = p_mim ( xem Hình 5 – 3 ). Viết phương trình Becnully cho 0-0 và K ta có:

Trong đó : hmsh là tổn thất thủy lực trong ống hút;

hmsvk là tổn thất thủy lực từ cửa vào đến điểm K;

Ck là vận tốc dòng chảy tại điểm K.

Chuyển vế công thức trên ta có áp suất tại điểm K ta cần nghiên cứu:

Phân tích ( 5 – 1 ) có thể rút ra được những nhân tố gây nên gỉam áp suất tại K:

– Nơi đặt máy bơm càng cao so với mực nước biển ( tức cao trình đặt máy _đm) hoặc nhiệt độ môi trường cao thì áp suất khí quyển pa sẽ giảm, tức là trạm bơm ở miền núi dễ có nguy cơ bị khí thực hơn trạm bơm ở miền đồng bằng.

– Vận tốc dòng chảy Ck qua máy bơm càng lớn do vòng quay tăng, cột nước vận hành thấp cũng là nguyên nhân gây giảm áp suất .

– Độ cao đặt máy bơm càng cao so với mực nước bể hút cũng là nguyên nhân gây giảm áp suất trong máy bơm. Việc hạ cao trình _đm càng thấp càng có lợi về khí thực.

– Tổn thất ống hút hmsh càng lớn càng có nguy cơ sinh hiện tượng khí thực.

– Thiết kế dạng cánh và gia công bề mặt tiếp xúc với dòng chảy thích hợp sẽ giảm nguy cơ giảm áp và giảm nguy cơ khí thực.

– Trong vận hành nếu hãm máy đột ngột hay đổi hướng dòng chảy sẽ phát sinh nước va thủy lực làm tách dòng khỏi cánh cũng dễ phát sinh khí thực.

– Khi máy làm việc phát sinh rung động cũng gây tách dòng tạo bọt khí. Bọt khí vỡ tăng giảm áp lực có chu kỳ, tăng tần số gây nên khí thực càng ác liệt hơn.

Những kết luận rút ra được ở trên cần chú ý áp dụng trong thiết kế, vận hành máy bơm để tránh hoặc ngăn ngừa hiện tượng khí thực.

Những dấu hiện của hiện tượng khí thực và biện pháp ngăn ngừa.

Những dấu hiệu và tác hại của hiện tượng khí thực

Khi vận hành trạm bơm, nhất là vận hành ở trạng thái khác với trạng thái thiết kế, nếu nghe có tiếng nổ dòn, máy bị rung động là có thể có khí thực phát sinh, vì rằng khi có hiện tượng khí thực các bọt khí ngưng tụ lại nên phát sinh tiếng ồn. Nếu nghe thấy tiếng nổ có chu kỳ tức là các bọt khí nhỏ hợp thành các bọt khí lớn.

Khi mở máy ra quan sát, nếu thấy các bộ phận qua nước bị rỗ tổ ong, có nghĩa là hiện tượng khí thực đã gây phá hoại bề mặt các bộ phận đó, thường các mặt phía sau cánh bị rỗ nặng hơn. Khi Q > Qtk thì có thể rỗ cả mặt trước của cánh. Những nơi thường bị rỗ nhất là: mép ra cánh, khe hở giữa cánh và vỏ, mặt cánh nơi tách dòng với vận tốc tương đối W. Khi vận hành lưu lượng quá lớn trong thời gian dài thì ngay phần vỏ xoắn cũng có thể bị rỗ.

Trong vận hành còn có dấu hiệu : Khi bơm lâm vào khí thực thì do chất lỏng phát sinh bọt khí làm cho cột nước giảm. Bọt khí nhiều dễ sinh tách dòng . Lúc này cả H, N, η đều giảm. Tuy nhiên tùy thuộc vào tỷ tốc mà độ giảm có mức độ khác nhau: Ở bơm li tâm tỷ tốc thấp, vì khe cánh hẹp do vậy khi phát sinh khí thực thì khí thực sẽ nhanh chóng phát triễn toàn khe, dẫn tới H, N, η giảm nhanh ở một lưu lượng nào đó. Ở máy bơm hướng trục, tỷ tốc cao, do khe cánh quá rộng do vậy khí thực chỉ có ở một phần tiết diện qua nước, do vậy H, N, η giảm từ từ, không có điểm gián đoạn như bơm li tâm vì vậy khó phát hiện hơn. Tuy nhiên khi phát sinh khí thực thì đường đặc η – Q giảm trước hai đường H – Q và N – Q, do vậy thường bơm hướng trục dùng việc giảm đường η – Q để nhận biết sự xuất hiện của hiện tượng khí thực.

Các biện pháp phòng ngừa hiện tượng khí thực.

Việc phòng ngừa hiện tượng khí thực phải được tiến hành ở mọi giai đoạn.

Trong việc chế tạo máy bơm, để tăng khả năng kháng chịu của máy bơm khi có xảy ra khí thực, người sử dụng thép không rỉ có hàm lượng crôm từ 12 … 14% và kền từ 0,5 …0,8%. Thiết kế dạng cánh hợp lý, mặt sau cánh có sự giảm áp lực đồng đều, không giảm đột ngột. Góc β1 ở cửa vào có gía trị nhỏ để độ dự trữ khí thực yêu cầu sẽ nhỏ do đó ít có khả năng phát sinh khí thực hơn. Dòng chảy vào BXCT không làm ngoặt đột ngột. Dùng bơm li tâm hai cửa vào để giảm vận tốc hoặc mở rộng đường kính vào D₁, nhưng việc mở rộng này không nên làm cho tỷ số D₂/D₁ quá nhỏ để chiều dài khe cánh không quá nhỏ mới không sinh khí thực.

Về thiết kế công trình: Không chọn hs quá cao so với bể hút , nhưng cũng không chọn quá thấp để tránh xây lắp khối lượng lớn không kinh tế. Đối với máy bơm nhỏ có thể tăng đường kính và giảm chiều dài ống hút, giảm số lượng chỗ ngoặt, nên bỏ van trên ống hút để dòng chảy phân bố đều … nhằm giảm tổn thất. Đối với bơm hướng trục lớn việc chọn hình thức và kích thước ống hút, buồng hút hợp lý cũng là một biện pháp chống khí thực.

Trong giai đoạn vận hành: Cho máy chạy phải đảm bảo độ cao hút nước nhỏ hơn độ cao hút nước cho phép. Khi mực nước trong bể hút thấp hơn mực nước cho phép thì phải dừng ngay máy. Tìm biện pháp giảm tổn thất thủy lực trong ống hút và bể hút. Có thể nghiên cứu việc dùng van phá chân không để phá khí thực. Tuy nhiên việc phá chân không có thể làm giảm khả năng hút của máy bơm mà việc chống khí thực chưa chắc có tác dụng tốt./.

Hiện tượng khí thực trong máy bơm

Nhiều trường hợp sau một thời gian vận hành máy bơm có hiện tượng rỗ trên mặt cánh quạt và một số bộ phận, có một số vết rỗ với khe rỗ ở mức rộng, có khi xuyên thủng các bộ phận của máy bơm. Người ta nghiên cứu vấn đề trên và phát hiện ra đó là hiện tượng thuỷ lực đo các bọt hơi nưóc hay các bọt khí xuất hiện sinh ra vì một nguyên nhân nào đó áp lực dòng chảy giảm xuống tới áp lực bốc hơi. Người ta gọi đó là hiện tượng khí thực.

Đối với máy bơm hiện tượng này thường xảy ra và nó gây nhiều tác hại lớn. Do đó khi sử dụng máy bơm cần phải hiểu và tìm mọi cách phòng ngừa.

1. Sự hình thành khí thực

Trong quá trình máy bơm làm việc, dòng chảy ở cánh bơm cũng như buồng cánh có vận tốc lớn, nếu do một nguyên nhân nào đó cánh không thuận hoặc mặt cứng (cánh, thành buồng) khống trơn nhẵn, áp lực trong chất lỏng giảm thấp xuống bằng áp lực hoá hơi, chất lỏng sẽ sôi, trong chất lỏng xuất hiện các bọt khí chứa đầy hơi nước và bọt khí. Các bọt khí này cùng chuyển động theo dòng chất lỏng tới mặt trước cánh quạt, vùng này do chất lỏng được truyền nãng lượng nên có áp lực rất cao, thì bị nén lại, hơi nước và bọt khí ngưng tụ lại thành nước để lại các túi rỗng chân không. Lập tức các hạt chất lỏng ở xung quanh túi rỗng lao vào chiếm chỗ với vận tốc lớn vì không gặp trở ngại nào, lập tức chúng va chạm vào nhau ở trung tâm túi rỗng và ngừng lại đột ngột, sinh ra áp lực nước va có giá trị rất lớn lên tới hành nghìn átmốtphe. Ap lực này bắn phá vào mặt cánh quạt hoặc thành buồng phá huỷ bề mặt cứng (gang, thép…) làm cho cánh bơm hoặc thành buông bị rỗ hoặc sứt mẻ. Sau khi va đập, các hạt chất lỏng lại bát trở ra, áp lực ở tâm túi rỗng lại giảm và các hạt chất lỏng lại lao vào chiếm chỗ, quá trình diễn biến lặp lại như ban đầu. Như vậy áp lực tại một điểm ở sau mặt cánh quạt lúc dương, lúc âm biến đổi dấu theo thời gian có chu kỳ rất ngắn. (Theo Gale, áp lực bắn phá tại một điểm trên mặt cánh quạt là 9.000atm, tần số va đập của hạt chất lỏng lên tới 25.0001 lec).

Khi xuất hiện khí thực thì nhiệt độ tại đó tăng cao, xuất hiện quá trình điện hoá làm quá trình xâm thực tãng mạnh. Quá trình xâm thực mang tính cộng hưởng với chu kỳ và tần số cao, nên không những kèm theo sự phá hủy mật cứng mà còn gày ra chấn động công trình, kèm theo những âm thanh, những tiếng rít lớn.

Mặt trước cánh quạt, chất lỏng được truyền năng lượng nên áp lực rất lớn, ngược lại ở mặt sau cánh quạt không được truyền nãng lượng nên áp suất giảm, đây là nơi dễ phát sinh khí thục nhất.

2. Nguyên nhân phát sinh khí thực hiện tượng khí thực do một số nguyên nhân sau:

• Độ cao hút nước địa hình của máy bơm (hs) quá lớn do mực nước bé hút xuống quá thấp.
• Tổn thất thuỷ lực trong ống hút cùa máy bơm (htth) quá lớn
• Nơi đặt máy bơm quá cao so với mực nước biển (vì ở tại đó áp suất khí trời giảm tức là áp suất bể hút (Pa) giảm)
• Nhiệt độ chất lỏng tăng cao làm cho chất lòng dê bốc hơi
• Áp suất của bể hút giảm (khi máy bơm hút chất lỏng trong bình kín loãng khí)
• Lưu tốc chất lỏng qua máy bơm tãng cao (P.v = hằng số, v tăng thì p giảm, nên áp suất bị giảm). Trường hợp này xảy ra khi mực nước bể hút tăng vọt làm cho cột nước giảm nhanh, lưu lượng cột nước máy tăng lên do đó lưu tốc tăng.
• Hình dạng cánh quạt bánh xe công tác không phù hợp, hoặc mặt tiếp xúc của bề mặt bánh xe với chất lỏng không trơn gây ma sát lớn.
• Khi đóng mở máy dột ngột sinh ra nước va thì cũng có thể gây ra khí thực.

3. Tác hại của khí thực

Khí thực xuất hiện trong máy bơm phát sinh tiếng động, tiếng nổ giòn liên tục. Máy bơm sẽ rung động tiếp sau đó phát ra tiếng gầm rú liên hồi có chu kỳ. Lúc này bên trong các bộ phận đã bị rỗ như tổ ong hoặc bị sứt mẻ.

Máy bơm càng lớn, hiện tượng phát triển càng nhanh, tiếng gầm càng lớn, rung động mạnh, phá hoại nhanh, có khi chỉ vài ngày máy bơm bị hư hòng nặng.

Tác hại của khí thực bao gồm:

• Giảm nhanh tuổi thọ máy bơm: Các bộ phận của máy bơm bị rỗ, sứt mẻ hoặc bị phá huỷ hoàn toàn.
• Ảnh hưởng tới nhà trạm và các thiết bị khác: Rung động mạnh làm cho nhà máy có thể bị lún, nứt, gẫy, đổ, các trục nối động cơ và máy bơm bị cong, vênh, gãy, hỏng… gây ra trạng thái mất ốn định của trạm, xảy ra sự cố, không an toàn…

4. Biện pháp phòng chống

Tác hại do hiện tượng của khí thực gây ra đối với máy bơm là rất nghiêm trọng. Cho nên từ các cống tác chế tạo, thiết kế công trình cho đến việc sử dụng vận hành, những người làm công tác kỹ thuật phải hạn chế mức cao nhất khả năng gây ra hiện tượng khí thực trong máy bơm.

• Trong chế tạo: Qua nghiên cứu cho thấy dạng cánh quạt cần thiết kế sao cho sự giảm áp suất ở mặt sau cánh quạt đồng đều không có chỗ giảm quá đột ngột. Góc nghiêng của cánh quạt ở vào chỗ bánh xe nhỏ sẽ ít có khả năng phát sinh ra khí thực. Dòng chảy của bánh xe cánh quạt không được ngoặt quá đột ngột. Có thể giảm vận tốc dòng chảy vào bánh xe bằng cách cho nước chảy vào hai cửa hoặc mở rộng đường kính. Bọc ngoài các bộ phận hay bị khí thực bằng lớp kim loại rắn…
• Trong thiết kế công trình: Phải đảm bảo cho độ cao hút yêu cầu của máy bơm không lớn hơn độ cao hút nước cho phép của máy bơm. Ong hút thiết kế sao cho tổn thất nhỏ nhất (ngắn nhất, ít chỗ ngoặt, hạn chế các van trên ống hút…) để dòng chảy vào bánh xe cánh quạt được phân bố đều đặn.
• Trong sử dụng vận hành: Phải giữ cho máy bơm làm việc với các thông số không vượt quá các thông số định mức của nó (Lưu Lượng, số vòng quay, cột nước và độ cao hút). Nếu mức nước xuống thấp hơn mức nước cho phép phải lập tức dừng máy, ngăn ngừa tác nhân bên ngoài có thể gây ra bọt khí (như xoáy, cuộn rác, vật cản dòng ở buồng hút). Khi phát hiện có hiện tượng khí thực phái dừng bơm kịp thời và tìm nguyên nhân khắc phục.

Nguồn: Google.