Bơm trục vít lệch tâm (progressive cavity) là gì? Nguyên lý rotor-stator

Bơm trục vít lệch tâm thuộc nhóm bơm thể tích (positive displacement). Khác với bơm ly tâm vốn truyền động năng cho chất lỏng qua cánh quạt, bơm trục vít lệch tâm vận chuyển một thể tích chất lỏng cố định trong mỗi vòng quay. Hai bộ phận chính tạo nên cơ cấu bơm là rotor (phần quay) và stator (phần đứng yên đàn hồi).

Tên gọi “progressive cavity” xuất phát từ chuỗi khoang kín liên tiếp hình thành giữa rotor và stator. Khi rotor quay, các khoang này lần lượt “tiến” từ đầu hút sang đầu đẩy, mang theo chất lỏng một cách đều đặn. Nhờ vậy, dòng chảy gần như liên tục và ít dao động áp suất, khác hẳn với nhịp đập của bơm màng khí nén.

Trái tim của bơm là cặp rotor-stator. Rotor là một trục xoắn kim loại có dạng ren một đầu mối (single helix), thường chế tạo từ thép. Stator là một ống cao su đúc bên trong có biên dạng xoắn hai đầu mối (double helix). Sự chênh lệch một bước ren giữa rotor và stator chính là yếu tố tạo ra các khoang kín.

Khi trục quay, tâm của rotor không nằm cố định mà chuyển động lệch tâm (eccentric) theo một quỹ đạo nhỏ bên trong stator. Đường tiếp xúc kín giữa hai bề mặt liên tục dịch chuyển, khiến mỗi khoang chất lỏng được “đẩy” tịnh tiến dọc theo trục từ cổng hút đến cổng đẩy mà không bị trộn ngược lại. Đây là lý do dòng chảy ổn định và áp suất tăng dần đều theo số bước khoang.

Vật liệu stator được chọn theo môi chất: NBR cho dầu và dịch gốc dầu, EPDM cho hóa chất gốc nước, Viton (FKM) cho môi trường ăn mòn hoặc nhiệt. Việc chọn đúng cao su quyết định tuổi thọ và khả năng tương thích của bơm.

Ưu điểm cốt lõi của bơm trục vít lệch tâm nằm ở khả năng bơm êm và ít cắt. Vì chất lỏng được nâng từ từ trong khoang kín thay vì bị quật bởi cánh quạt tốc độ cao, các dịch nhạy cắt như kem, sốt, gel, hồ tinh bột hay dịch lên men giữ được cấu trúc. Bơm cũng tự mồi tốt, đảo chiều được và xử lý được dịch chứa hạt rắn hoặc sợi.

Lưu lượng tỷ lệ thuận với tốc độ quay, nên rất thuận tiện cho ứng dụng định lượng: muốn tăng giảm lưu lượng chỉ cần điều chỉnh số vòng quay qua biến tần.

Về nhược điểm, cặp rotor-stator là chi tiết hao mòn và cần thay thế định kỳ. quan trọng: bơm hoàn toàn không được chạy khô. Khi không có chất lỏng bôi trơn và làm mát giữa rotor và stator, ma sát sẽ làm cháy cao su stator chỉ trong thời gian ngắn. Do đó hệ thống thường cần cảm biến hoặc quy trình vận hành đảm bảo luôn có dịch trong bơm.

Nhờ dải làm việc rộng, bơm trục vít lệch tâm được dùng trong thực phẩm và đồ uống (dịch đặc, mứt, sốt), hóa chất, xử lý nước thải và bùn, ngành dược, cũng như định lượng công nghiệp. Với dịch chứa hạt rắn lớn, người ta thường ghép thêm máy nghiền hai trục (grinder/macerator) ở đầu vào để giảm kích thước rắn trước khi bơm.

Một biến thể đáng chú ý là dòng wobble với stator nổi (floating stator). Thiết kế này có ít chi tiết hơn, cấu tạo gọn (compact), phù hợp với dịch nhớt và lượng rắn nhẹ. Trong dải Nova Rotors, wobble gồm phiên bản R compact và RL có đầu trục rời kèm khớp nối, mở rộng lựa chọn cho các bài toán đơn giản hơn so với dòng progressive cavity tiêu chuẩn.