Máy bơm cánh khế và máy bơm trục vít là hai loại máy bơm thể tích được sử dụng để di chuyển một lượng chất lỏng cố định. Điều quan trọng là phải hiểu sự khác biệt về thiết kế giữa hai loại khi dùng kiểu máy bơm nào phù hợp với ứng dụng nhất định. Máy bơm cánh khế đang nhanh chóng trở thành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng trong công nghiệp vì khả năng bảo trì dễ dàng hơn, hoạt động nhất quán và linh hoạt.

Nguyên lý hoạt động máy bơm cánh khế

Một máy bơm cánh khế được thiết kế với các cánh bơm dạng thùy tròn và thiết kế hình học khác nhau. Trong quá trình hoạt động, hai thùy khớp với nhau trong khi quay ngược chiều nhau. Sự quay này tạo ra các khoang chứa chất lỏng giữa cánh bơm và vỏ bơm, được sử dụng để bơm chất lỏng từ phía đầu vào sang phía đầu ra. Một ổ chứa phốt được tạo ra theo một trong hai cách:

Các thùy cánh được bao phủ một vật liệu đàn hồi, cho phép chống lại lực nén nhẹ và khoảng hở tối thiểu giữa các cánh và vỏ bơm.

Dung sai của khoảng hở khi bơm hoạt động rất nhỏ. Điều này giúp giảm sự trượt (rò rỉ) với thiết kế dạng di chuyển piston giữa kim loại với kim loại.

Nguyên lý hoạt động máy bơm trục vít

Một máy bơm trục vít bơm một lượng thể tích chất lỏng cố định sau mỗi vòng quay. Rotor (thiết kế xoắn đơn) cuộn "lệch tâm" trong stator (thiết kế xoắn kép). Sự kết hợp thiết kế này tạo ra các khoang hoặc khoảng trống di chuyển về phía đầu xả của máy bơm khi rotor quay. Mỗi khoang bên trong bơm có một đường làm kín hoàn chỉnh, giúp giảm lượng trượt trong mỗi vòng quay của máy bơm và rất quan trọng đối với hiệu suất. Một máy bơm trục vít yêu cầu một liên kết chuyển động sẽ truyền động để làm việc với stator quay lệch tâm - thường là khớp chốt, trục linh hoạt và khớp bánh răng. Công suất của bơm được xác định bởi kích thước thể tích chứa của khoang được hình thành khi rotor được đặt bên trong stator.

So sánh

Khi xác định kiểu máy bơm nào để sử dụng, kỹ sư phải đánh giá ứng dụng, bao gồm cân nhắc về lắp đặt, tính chất hóa lý của chất lỏng cần bơm, mức lưu lượng và áp suất yêu cầu. Trong nhiều ứng dụng, máy bơm cánh khế và máy bơm trục vít có thể đưa ra cùng một giải pháp: tạo năng lượng di chuyển chất lỏng. Để lựa chọn cho nhiều ứng dụng kiểm soát chất lỏng với hiệu suất cao, hoạt động bền bỉ phù hợp, diện tích lắp đặt nhỏ gọn và tần suất bảo trì thấp, chúng ta cùng xem xét một số khía cạnh sau:

1. Kích thước tổng thể

So với máy bơm trục vít có cùng công suất 200 gpm hoặc lớn hơn, máy bơm cánh khế thường yêu cầu chỉ gần một nửa không gian lắp đặt và bảo trì. Một số nhà sản xuất máy bơm có thể thiết kế cấu hình máy bơm với vòng quay nhỏ hơn so mới máy bơm trục vít , nhưng vẫn không làm giảm hiệu suất hoạt động của hệ thống. Đây là một giải pháp hữu ích đáng kể đối với nhiều ngành công nghiệp yêu cầu chức năng của một máy bơm dịch chuyển tích cực dạng thể tích, nhưng cần có yêu cầu giải pháp bài toán trong không gian chật hẹp.

2. Khả năng bảo trì bảo dưỡng

Với kích thước máy bơm cánh khế nhỏ hơn và cần ít không gian để bảo trì hơn so với máy bơm trục vít. Chúng được bảo trì tại chỗ, có nghĩa là có thể thay thế các tấm chống mòn, vòng đệm và các ống hút mà không cần tháo bất kỳ đường ống nào trong hệ thống hiện hữu và thường có thể được tiếp cận bằng cách tháo một phần trước của vỏ máy bơm ra. Máy bơm cánh khế thường có thể được bảo dưỡng bởi một công nhân và không yêu cầu bất kỳ thiết bị đặc biệt nào.

Máy bơm trục vít thường có kích thước lớn hơn máy bơm cánh khế và chúng yêu cầu cần phải tháo đường ống kết nối và tháo rời các bộ phần bên trong để bảo trì sửa chữa. Máy bơm trục vít vì kích thước  lớn hơn cũng có thể yêu cầu nhiều nhân viên bảo dưỡng hơn ( thường là 2-3 người) hoặc thiết bị nâng hạng nặng để xử lý các bộ phận khi thực hiện bảo trì những máy bơm công suất lớn.

3. Khi mài mòn xảy ra

Máy bơm cánh khế có thể chạy hiệu quả ngay cả khi cánh thùy đã bị một lượng mòn đáng kể. Và một ưu điểm khác đó là máy bơm vẫn có thể hoạt động tiếp tục trong một thời gian dài vì tình trạng mài mòn cánh xảy ra trên máy bơm cánh khế là do vận tốc dòng chảy ngược chứ không phải do mài mòn tiếp xúc (xem Hình bên dưới, đường cong trên). Do giới hạn tốc độ cao của các nhà sản xuất bơm, nên chúng ta luôn có thể bù đắp rò rỉ bên trong do mài mòn bằng cách tăng tốc độ của máy bơm cánh khế.

Mối quan hệ giữa Lưu lượng theo thời gian: máy bơm cánh khế so với máy bơm trục vít

Mặc dù tốc độ của máy bơm trục vít cũng có thể được tăng lên để bù đắp cho sự rò rỉ bên trong, nhưng vẫn tồn tại nhiều hạn chế. Nếu stator mòn đến mức không còn tiếp xúc chặt chẽ giữa rotor và stator thì khi đó máy bơm sẽ cần được bảo dưỡng ngay lập tức để tránh tình trạng mài mòn sẽ diễn ra nhanh hơn  (Xem Hình trên, đường cong dưới).

4. Chốt khớp & khớp bánh răng (Pin joint & Gear joint)

Một máy bơm trục vít sẽ hoạt động nhờ vào chuyển động lệch tâm của rotor sang chuyển động hướng tâm của trục truyền động, cũng như truyền tải moment xoắn và lực đẩy. Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng các khớp chốt và khớp bánh răng. Các mối nối này là các điểm tiếp xúc kim loại với kim loại nên tình trạng mài mòn diễn ra nhanh chống khiến cho máy bơm có tuổi thọ hạn chế.

Các khớp chốt và khớp bánh răng thường chìm trong chất lỏng được bơm, khiến chúng dễ bị mài mòn hơn. Trong trường hợp sử dụng khớp bánh răng có thêm một số vấn đề là bôi trơn. Các khớp bánh răng yêu cầu bôi trơn khi hoạt động, điều này làm tăng yêu cầu bảo trì bảo dưỡng và nguy cơ xảy ra tình trạng chất bôi trơn có thể bị rò rỉ lẫn vào chất lỏng được bơm. Nên việc kiểm tra thường xuyên bánh răng là yêu cầu rất quan trọng và khó khăn, vì người vận hành phải tháo máy bơm ra khỏi hệ thống đường nối và tháo rời các vật tư bên trong ra ngoài vì không có cách nào để kiểm tra bằng mắt thường. Việc sửa chữa thường không hiệu quả về mặt kinh tế vì chi phí thay thế khớp bánh răng cao,  cao hơn cả chi phí thay thế rotor và stator mới đối với một số kiểu máy bơm trục vít.

Bơm cánh khế không yêu cầu khớp bánh răng hoặc khớp chốt. Động năng chuyển động của động cơ được truyền trực tiếp đến các cánh thùy quay thông qua trục truyền động, điều này có nghĩa là loại bỏ khả năng xảy ra sự cố như trên máy bơm trục vít

Các khớp chốt và khớp bánh răng có các nhu cầu bảo dưỡng khác nhau.

5. Hiệu suất máy bơm

Để xác định được hiệu suất của một máy bơm dịch chuyển dạng thể tích, người ta phải đánh giá hiệu quả khoang thể tích được tạo ra khi vận hành và hiệu quả về cơ khí tổng thể hệ thống.

Hiệu suất về thể tích đặc trưng cho độ kín của máy bơm. Máy bơm trục vít thường thì nhỏ hơn so với máy bơm cánh khế vì thể tích dịch chuyển nhỏ. Tương tự, máy bơm cánh khế lớn hơn với thể tích dịch chuyển cao hơn nên hiệu suất tổng thể cũng sẽ tốt hơn.

Hiệu suất tổng thể tính đến sự rò rỉ bên trong và mô-men xoắn được tạo ra từ ma sát bên trong. Hình minh họa trong máy bơm trục vít chỉ đạt được với mô-men xoắn cao. Tuy nhiên, mô-men xoắn của máy bơm trục vít sẽ tăng dần khi nhiệt độ chất lỏng tăng lên do cao su giãn nở.

So sánh hiệu suất bơm và lưu lượng của máy bơm cánh khế và trục vít

6. Khả năng chạy khô

Bơm di chuyển thể tích thường yêu cầu phải chạy khô do yêu cầu của hệ thống hoặc do đặc trưng vận hành ngẫu nhiên. Trong khi một máy bơm trục vít bộ chạy khô, sự tiếp xúc chặt chẽ giữa rotor và stator sẽ làm tăng ma sát. Ma sát này làm cho nhiệt độ nhanh chóng tăng lên và do đó phá hủy stator làm hỏng bơm và ngừng máy ảnh hưởng đến hiệu suất nhà máy.

Với máy bơm cánh khế được thiết kế để rotor không chạm vào bất kỳ phần nào của vỏ bơm. Điều này cho phép máy bơm cánh khế chạy khô, với một sự gia tăng nhiệt độ nhỏ không đáng kể và không có nguy cơ hư hỏng bất kỳ bộ phận nào của thiết bị khi chạy khô.

Tổng kết

Trong khi máy bơm cánh khế và máy bơm trục vít là các loại máy bơm dịch chuyển tích cực, thiết kế của mỗi loại sẽ dẫn đến một số khác biệt trong hoạt động vận hành. Máy bơm cánh khế thường có thể ứng dụng bơm với nhiều lưu chất khó với độ ổn định cao - xử lý hiệu quả chất lỏng nhớt cao, bột nhão và chất mài mòn. Các máy bơm cánh khế có thể bơm chất lỏng lẫn chất rắn (vật chất mài mòn) một cách hiệu quả, giúp giảm thiểu việc bảo trì đột xuất và cung cấp thời gian làm việc liên tục trong khoảng thời gian dài. Trong hầu hết các hệ thống, máy bơm cánh khế có thể lắp đặt dễ dàng hơn và xử lý nhanh hơn để bảo dưỡng khi cần thiết. Cùng với kết hợp diện tích nhỏ hơn, làm cho máy bơm cánh khế trở thành lựa chọn ưu tiên cho nhiều ứng dụng.