Nghiên cứu tối ưu kích thước của quạt thổi Roots dẫn động bằng cặp bánh răng không tròn

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu tối ưu kích thước của quạt thổi Roots dẫn động bằng cặp bánh răng không tròn

1. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Quạt thổi rôto không tiếp xúc (QTRTKTX) là một loại máy thủy lực thể tích (MTLTT) được hình thành theo nguyên lý ăn khớp của cặp bánh răng ăn khớp ngoài. Người đầu tiên đưa ra ý tưởng thiết kế là George Jones vào năm 1843 [1], tiếp theo là sáng chế của anh em nhà Roots (Philander Higley Roots và Francis Marion Roots) ứng dụng trong hệ thống thông gió của các hầm lò vào năm 1860. Do đó, cho đến nay loại MTLTT này có tên gọi là máy thủy lực thể tích kiểu Roots (Bơm/Quạt) hoặc Lobe [2]. Trong quá trình phát triển gần 180 năm qua loại máy này đã được nghiên cứu cải tiến, phát triển cho nhiều kịch bản ứng dụng khác nhau của các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, an ninh quốc phòng cho đến đời sống dân sinh. Trong đó phải kể đến các nghiên cứu cải tiến về biên dạng rôto là có ảnh hưởng nhiều nhất đến lưu lượng và áp suất cũng như chất lượng dòng chảy sau máy [10, 52], sau mỗi cải tiến là một sáng chế [2, 10, 21, 26-36, 39, 40] cho các ứng dụng khác nhau. Trong quá trình tìm hiểu, phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về MTLTT rôto kiểu Roots tác giả luận án nhận thấy về vấn đề cải tiến biên dạng có hai xu hướng chính đó là: (i) Phối hợp hai đường cong làm biên dạng rôto, trong đó một đường làm biên dạng đỉnh rôto, còn một đường làm biên dạng chân rôto [10, 38]; (ii) Sử dụng tổ hợp nhiều đường cong liên hợp khác nhau làm biên dạng rôto [39-49]. Tuy nhiên, các nghiên cứu đều xuất phát từ nguyên lý của cặp bánh răng trụ tròn ăn khớp ngoài có tỷ số truyền 1:1. Mặt khác, do loại máy này có hai chế độ làm việc là bơm và động cơ nên khi ứng dụng ở chế độ bơm thì có: (a) Quạt thổi có chức năng biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng của lưu chất ở thể khí; (b) Bơm thủy lực có chức năng biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng của lưu chất đi qua bơm. Còn khi ở chế độ động cơ thì loại máy này được ứng dụng làm các loại cảm biến đo các dòng chất lỏng/khí có lưu lượng lớn hoặc có độ nhớt cao mà các nguyên lý khác không thể đáp ứng được. Ngoài ra, còn nhiều hướng nghiên cứu khác như: lưu lượng và áp suất của máy [62-65, 105-108], tổn thất thủy lực [76-87], tối ưu tham số thiết kế và kết cấu của quạt [88, 89] v.v đó là tình hình nghiên cứu ngoài nước. Ở trong nước để phát triển kinh tế các doanh nghiệp trong các ngành công nghiệp như: xi măng, giấy, in ấn, hóa chất, thực phẩm, xử lý nước thải, chế biển sau thu hoạch sản phẩm nông nghiệp, khai thác khoáng sản v.v đã nhập khẩu máy móc, thiết bị, dây chuyền mà trong đó QTRTKTX là một bộ phận cấu thành quan trọng của hệ thống để phục vụ sản suất. Sau một thời gian vận hành lâu ngày đến thời kỳ bảo dưỡng sửa chữa các loại quạt này đều phải nhập khẩu từ nước ngoài vì trong nước chưa sản xuất được. Vì vậy, các nhà khoa học trong nước cũng đã bắt đầu nghiên cứu về loại quạt này theo hai hướng: (1) Giải mã công nghệ có các đề tài nghiên cứu các cấp từ cơ sở [92] cho đến cấp bộ [93, 97, 98]; (2) Nghiên cứu về vấn đề động học và thiết kế [91, 94-96]. Nhưng hầu hết các nghiên cứu trong nước cũng chỉ tập trung vào giải 1
2. mã công nghệ chế tạo [91, 93, 97, 98], khảo sát đặc tính thông qua mô phỏng [95, 96] hay tổng hợp thiết kế cho một đối tượng cụ thể [94] của loại máy dẫn động theo nguyên lý truyền thống với cặp bánh răng trụ tròn có tỷ số truyền 1:1. Những nghiên cứu về loại quạt này một cách bài bản từ bản chất hình thành quạt cho đến quá trình biến đổi cơ năng thành năng lượng của dòng chất khí sau quạt, từ ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến các đặc tính động học và động lực học cũng như chất lượng làm việc của quạt chưa có một công trình nào nghiên cứu. Do đó, có thể nói đây là công trình nghiên cứu chuyên sâu đầu tiên về lĩnh vực này ở Việt Nam và vẫn còn mang tính thời sự đối với thế giới, bởi lẽ cải tiến, phát triển luôn là một nhu cầu cấp thiết không chỉ ở trong nước mà còn trên thế giới và điều đó hoàn toàn đúng với quy luật phát triển của nhân loại. 2. Mục tiêu của luận án Luận án đặt ra mục tiêu cải tiến biên dạng rôto trên cơ sở đề xuất đường cong mới phát triển theo nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng không tròn (BRKT) ăn khớp ngoài. Trên cơ sở đó để thiết kế QTRTKTX kiểu Roots nhằm tạo ra một loại quạt thổi mới có hiệu suất thể tích và lưu lượng lớn hơn so với các thiết kế đã được nghiên cứu cho đến thời điểm hiện tại. Để đạt được điều này luận án đề ra các mục tiêu cụ thể như sau: i) Thiết lập được phương trình biên dạng rôto cải tiến mới theo nguyên lý dẫn động của cặp BRKT ăn khớp ngoài mà cụ thể ở đây là cặp bánh răng họ elíp. ii) Tính toán tối ưu thông số thiết kế đặc trưng (TSTKĐT) để kích thước thiết kế của quạt là nhỏ nhất theo lưu lượng cho trước. iii) Xác định được ảnh hưởng của khe hở cạnh rôto, khe hở mặt đầu và khe hở hướng kính đến hiện tượng tụt áp và mất lưu lượng của quạt trong giới hạn tốc độ làm việc ổn định từ đó đưa ra giới hạn sai số chế tạo cần phải đáp ứng để quạt đạt được hiệu suất mong muốn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3.1. Đối tượng nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu của luận án là máy thủy lực thể tích rôto không tiếp xúc (MTLTTRTKTX) dùng để vận chuyển lưu chất ở thể khí được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp. Trong đó, đối tượng cụ thể là loại MTLTT kiểu Roots có biên dạng rôto là đường cong xyclôít cải tiến của họ đường cong elíp, được dẫn động đồng bộ với cặp bánh răng elíp ăn khớp ngoài. 3.2. Phạm vi nghiên cứu của luận án Đối với các loại MTLTT các thông số quan trọng là: áp suất, lưu lượng, tổn thất thủy lực và chất lượng dòng chảy sau máy (dao động áp suất và dao động lưu lượng). Do đó, phạm vi nghiên cứu của luận án là tập trung vào nghiên cứu giải quyết, bài toán tối ưu thông số thiết đặc trưng ảnh hưởng đến các thông số quan trọng trên. Ngoài ra, luận án cũng nghiên cứu đưa ra giải pháp tách rôto và ghép quạt song song nhằm giảm dao động lưu lượng, nâng cao chất lượng dòng chảy qua quạt. Trong quá trình đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về 2
3. máy thủy lực rôto không tiếp xúc tác giả luận án nhận thấy đây là một lĩnh vực chuyên môn hẹp rất phong phú, đa dạng tích hợp nhiều kiến thức chuyên môn sâu và hẹp để giải quyết, vì vậy những vấn đề về: biến dạng, chuyển vị của rôto dưới tác dụng của tải làm việc, khuếch tán truyền nhiệt qua stato, độ ồn, rung động, kết cấu, tổn thất cơ khí v.v là những vấn đề mà luận án chưa đặt ra để nghiên cứu. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4.1. Ý nghĩa khoa học Các kết quả nghiên cứu của luận án như phát triển biên dạng rôto mới theo nguyên lý ăn khớp của cặp BRKT, các điều kiện hình thành biên dạng rôto và tối ưu các TSTKĐT theo lưu lượng cho trước có ý nghĩa quan trọng trong việc góp phần hoàn thiện lý thuyết thiết kế. Ngoài ra, một điểm mới của luận án là phát triển một loại QTRTKTX kiểu Roots mới có lưu lượng lớn hơn so với loại quạt của các nghiên cứu khác có cùng kích thước đã công bố cho đến thời điểm hiện tại. Đây cũng là một đóng góp mới nổi bật của luận án, đóng góp một phần nhỏ vào kho tàng tri thức hiểu biết, khám phá của nhân loại về loại QTRTKTX kiểu Roots. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Với việc đề xuất một biên dạng mới nhằm cải tiến rôto của QTRTKTX kiểu Roots để cung cấp cho các nhà sản xuất một giải pháp mới trong chế tạo các loại quạt thổi Roots không tiếp xúc. Ngoài ra, luận án cũng đưa ra giải pháp công nghệ nhằm tăng chất lượng dòng chảy sau quạt, khắc phục được nhược điểm dao động lưu lượng lớn vốn là nhược điểm cố hữu của các loại quạt này. Do đó, kết quả nghiên cứu của luận án rất có ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu của luận án còn là một sự lựa chọn mới có nhiều tiềm năng cho các kịch bản ứng dụng trong những lĩnh vực khác nhau của cuộc sống dân sinh cũng như công nghiệp trong thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0. 5. Phương pháp nghiên cứu của luận án Để đạt được mục tiêu mà luận án đã đề ra phương pháp nghiên cứu đó là nghiên cứu lý thuyết dựa trên bản chất vật lý và cơ sở khoa học mà nhân loại đã khám phá, từ đó tiếp tục kế thừa để nghiên cứu, phát triển cũng như kết hợp mô phỏng số bằng các phần mềm hiện đại nhằm kiểm chứng các công thức lý thuyết được nghiên cứu bởi luận án. Ngoài ra, để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thông qua chế tạo mẫu máy thử nghiệm được thiết kế từ kết quả nghiên cứu lý thuyết của luận án để hiệu chỉnh, hoàn thiện kết quả nghiên cứu, cụ thể là: i) Tiếp thu, kế thừa có chọn lọc các thành quả nghiên cứu của thế giới về lĩnh vực QTRTKTX kiểu Roots và lý thuyết ăn khớp của cặp BRKT. Trên cơ sở đó phát triển đường cong mới theo nguyên lý ăn khớp của cặp BRKT nhằm mục đích cải tiến biên dạng rôto để hình thành loại QTRTKTX kiểu Roots mới. Từ đó, tiến hành nghiên cứu đánh giá so sánh ưu nhược điểm của quạt thổi mới được đề xuất bởi luận án với các kết quả nghiên cứu đã được công bố trước đây cho đến thời điểm hiện tại. 3
4. ii) Với nhược điểm cố hữu của các loại QTRTKTX kiểu Roots đó là dao động lưu lượng lớn. Do đó, thiết kế được nghiên cứu bởi luận án cũng không tránh khỏi nhược điểm này. Để khắc phục nhược điểm này luận án cũng nghiên cứu và đưa ra giải pháp ghép quạt. Kết quả cho thấy khắc phục được hoàn toàn nhược điểm trên. iii) Ứng dụng các phần mềm mô phỏng số hiện đại để mô phỏng kiểm chứng nhằm hiệu chỉnh các thông số thiết kế nhằm giảm thời gian và kinh phí chế tạo thực nghiệm. Từ đó tiến hành chế tạo quạt mẫu, đo đạc thực nghiệm để kiểm chứng những kết quả nghiên cứu lý thuyết được phát triển bởi luận án. 6. Những đóng góp của luận án Với những mục tiêu cụ thể mà luận án đã đề ra cùng với phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, thông qua những phân tích, đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án so với các kết quả của những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố đến thời điểm hiện tại. Luận án đã có những đóng góp cụ thể sau: i) Phát triển được đường cong mới dựa trên nguyên lý dẫn động của cặp BRKT họ elíp để cải tiến biên dạng rôto hình thành QTRTKTX kiểu Roots mới được dẫn động đồng bộ bằng cặp BRKT, đây là nguyên lý chưa từng xuất hiện đối với loại quạt thổi này. Loại quạt thổi mới được phát triển bởi luận án có ưu điểm nổi bật là hệ số sử dụng thể tích (HSSDTT) và lưu lượng lớn hơn so với các kết quả nghiên cứu, sáng tạo và hiểu biết mà thế giới đã có cho đến thời điểm hiện tại. ii) Đưa ra được biểu thức giải tích xác định được ảnh hưởng của khe hở cạnh rôto, khe hở hướng kính và khe hở mặt đầu đến tụt lưu lượng và áp suất của quạt. Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định sai số chế tạo và sai số lắp ráp để đạt được hiệu suất biến đổi thủy lực mong muốn của quạt. iii) Đưa ra được thuật toán tối ưu tham số thiết kế đặc trưng nhằm đảm bảo kích thước nhỏ gọn nhất mà vẫn đáp ứng được lưu lượng cho trước và thuật toán xác định góc lệch pha khi ghép song song các rôto nhằm giảm dao động lưu lượng để tăng chất lượng dòng chảy sau quạt. 7. Bố cục của luận án Để diễn giải các kết quả nghiên cứu của luận án, nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương chính với các nội dung cụ thể như sau: Chương 1 Tổng quan về quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots: Tìm hiểu tổng quan về lịch sử phát triển, nghiên cứu, sáng tạo, tích lũy tri thức của nhân loại về MTLTTRTKTX kiểu Roots cho đến thời điểm hiện tại. Ngoài ra, chương này cũng tiến hành tổng hợp, chắt lọc, phân tích, đánh giá ưu nhược điểm, những tồn tại chưa được giải quyết của các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước cũng như những hiểu biết, sáng tạo của nhân loại về loại máy này. Trên cơ sở đó kế thừa một cách có chọn lọc để đưa ra định hướng và mục tiêu nghiên cứu của luận án. 4
5. Chương 2 Nghiên cứu tổng hợp biên dạng mới thiết kế rôto của quạt thổi không tiếp xúc: Trình bày nghiên cứu tổng hợp biên dạng mới nhằm cải tiến rôto của quạt thổi không tiếp xúc, diễn giải quá trình thiết lập phương trình đường cong mới để cải tiến biên dạng rôto nhằm tạo ra QTRTKTX kiểu Roots mới. Ngoài ra, cũng xác định được các điều kiện hình thành biên dạng thực của rôto trên cơ sở đánh giá vận tốc trượt tương đối giữa hai biên dạng rôto trong quá trình làm việc. Chương 3 Tối ưu kích thước thiết kế của quạt thổi theo lưu lượng cho trước: Trình bày phương pháp thiết lập phương trình mô tả sự biến đổi thể tích các buồng hút/đẩy trong quạt theo góc quay của trục dẫn động. Từ đó tiến hành mô hình hóa quá trình: hút, trộn và nén khi quạt làm việc. Trên cơ sở đó tiến hành xây dựng thuật toán tối ưu kích thước thiết kế theo lưu lượng cho trước. Để giải quyết vấn đề này luận án tiến hành xác định điều kiện biên, mô hình hóa để thực hiện theo hai thuật toán đó là: (i) Thuật toán tối ưu theo vét cạn; (ii) Tối ưu theo giải thuật di truyền. Ngoài ra, chương này cũng đưa ra giải thuật tối ưu góc lệch pha khi tách rôto và ghép song song các quạt mà để giảm dao động lưu lượng tăng chất lượng dòng chảy sau quạt vẫn đảm bảo lưu lượng cần thiết. Chương 4 Ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất lưu lượng, tụt áp suất của quạt và thực nghiệm kiểm chứng: Trình bày phương pháp thiết lập phương trình giải tích xác định ảnh hưởng của khe hở bao gồm: khe hở mặt đầu, khe hở cạnh rôto đến tổn thất lưu lượng và áp suất. Ngoài ra, chương này cũng trình bày mẫu quạt chế tạo thử nghiệm và các thí nghiệm kiểm chứng bao gồm: kiểm chứng lý thuyết bằng mô phỏng số thông qua mô đun CFX của phần mềm Ansys; đo đạc thực nghiệm trên thiết bị thí nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết của luận án. Kết luận và kiến nghị: Phần này tóm tắt những kết quả chính đạt được của luận án và những đóng góp mới của luận án nhằm hoàn thiện về mặt lý thuyết thiết kế cũng như ứng dụng thực tiễn. Từ đó thảo luận, bàn thảo về khả năng ứng dụng những kết quả nghiên cứu của luận án vào thực tiễn và kiến nghị các định hướng phát triển tiếp theo. Ngoài ra, một số tri thức dưới dạng cơ sở lý thuyết bao gồm kết quả nghiên cứu đã có, lý thuyết về giải thuật di truyền mà luận án có áp dụng để so sánh, sử dụng làm công cụ đưa vào thuật toán tối ưu được trình bày ở phụ lục 1. Phụ lục 2 trình bày thiết kế, sản phẩm mẫu chế tạo theo kết quả nghiên cứu của luận án và thiết bị thí nghiệm do thực nghiệm của luận án. Phụ lục 3 trình bày kết quả đo thực nghiệm kiểm chứng. Phụ lục 4 trình bày mã nguồn lập trình theo kết quả nghiên cứu lý thuyết của luận án. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUẠT THỔI RÔTO KHÔNG TIẾP XÚC KIỂU ROOTS 1.1. Tổng quan về quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots 5
6. a) Định nghĩa Quạt thổi Roots là loại máy thủy lực thể tích kiểu rôto không tiếp xúc được đề xuất lần đầu tiên bởi George Johnes vào năm 1843 [1] (hình 1.1a), tiếp sau đó là phát minh bởi anh em nhà Roots (Philander Higley Roots và Francis Marion a) Quạt thổi Roots của George b) Phát minh của anh em nhà Roots Johnes (1843) [1] (1860) [2] Roots) vào năm 1860 [2] Hình 1.1 Phát minh đầu tiên quạt thổi Roots (hình 1.1b) với ứng dụng làm quạt thổi khí trong hầm lò khai thác khoáng sản. Từ đó đến nay loại quạt này có tên gọi là quạt thổi Roots. b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Về mặt cấu tạo quạt thổi Roots được hình thành từ ba bộ phận chính đó là: (1) Rôto: gồm hai rôto có biên dạng được hình thành theo nguyên lý ăn khớp của cặp bánh răng ăn khớp ngoài và được dẫn động trực tiếp qua cặp bánh răng trụ tròn có tỉ số truyền 1:1, tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng cụ thể mà cấu tạo của rôto có dạng trụ thẳng hoặc xoắn theo kiểu trục vít; (2) Bánh răng dẫn động: là cặp bánh răng trụ tròn ăn khớp ngoài có tỷ số truyền 1:1 dùng để truyền chuyển động từ nguồn động lực đến các rôto. Tùy thuộc vào công suất của quạt mà cặp bánh răng truyền động có thể là bánh răng trụ răng thẳng, bánh răng trụ răng nghiêng hoặc bánh răng trụ răng chữ V; (3) Stato: là bộ phận tĩnh của quạt có chức năng là giá đỡ các bộ phận quay (rôto và bánh răng dẫn động) và kết hợp với hai rôto để hình thành khoang hút, khoang đẩy và khoang đong khí. c) Phân loại Có ba hướng phân loại chính là: (1) phân loại theo số răng của rôto; (2) phân loại theo cấu tạo rôto; (3) phân loại theo nguyên lý dẫn động. d) Ưu nhược điểm So với những máy thủy lực thể tích có cùng kích thước thì quạt thổi Roots có ưu điểm nội trội là: lưu lượng lớn, làm việc ổn định, kết cấu đơn giản, có thể vận chuyển được các vật liệu rời dạng hạt, khoang làm việc không có dầu bôi trơn. Tuy nhiên vẫn có các nhược điểm có thể kể đến như: dao động lưu lượng và dao động áp suất lớn, rung động và tiếng ồn lớn, sinh nhiệt lớn. 1.2. Lịch sử phát triển của quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots Trên cơ sở tìm hiểu tổng hợp, phân tích, đánh giá cập nhật từ các nguồn tài liệu, tác giả luận án tạm chia thành ba giai đoạn phát triển với các đặc trưng gắn liền với 6
7. các cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật của loại quạt thổi Roots: (i) giai đoạn 1 từ năm 1843 đến 1900; (ii) giai đoạn 2 từ 1900-1960; giai đoạn 3 từ 1960 đến nay. 1.3. Ứng dụng của quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots 1.4. Tình hình nghiên cứu ngoài nước về QTRTKTX kiểu Roots Các hướng nghiên cứu chuyên sâu được các nhà khoa học, kỹ thuật quan tâm nhiều nhất là: (1) biên dạng rôto; (2) lưu lượng và áp suất; (3) tổn thất thủy lực của quạt. 1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước Trái ngược với tình hình nghiên cứu trên thế giới, những nghiên cứu về loại quạt này ở Việt Nam còn hạn chế. 1.6. Thống kê về các công trình công bố về máy TLTTRTKTX kiểu Roots Trong phần này luận án tổng hợp số công trình công bố trong 30 năm trở lại đây (hình1.6), theo lãnh thổ và Quốc gia (hình 1.7) và theo Châu lục (hình 1.8), số phát minh sáng chế (hình 1.9). Số công bố Phát minh sáng chế (%) 90 45 80 40 70 35 60 30 50 25 20 40 15 30 10 20 5 10 0 0 Trung Hoa Kỳ Nhật Bàn Anh Đức Ý Áo Canada Hàn Quốc Quốc Số lượng bài báo 12 Châu Mỹ 10 17.87% Châu Á 8 61.28% Châu Âu 20.00% 6 4 2 0 Châu Úc 0.85% Hình 1.6-9 Phân bố các nghiên cứu theo số lượng công bố, sáng chế theo quốc gia, vùng lãnh thổ, từng năm Từ những phân tích, tổng hợp, đánh giá đã trình bày có thể thấy từ khi xuất hiện vào năm 1843 cho đến nay các nghiên cứu về quạt thổi Roots đều tập trung vào nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng trụ tròn có tỷ số truyền 1:1, còn nguyên lý dẫn động bằng cặp BRKT (bánh răng elíp), tức đường lăn của rôto là đường elíp chưa được quan tâm nhiều. Với quá trình phát triển gần 180 năm qua, các loại quạt thổi Roots đã được đưa vào nhiều kịch bản ứng dụng khác nhau của thực tiễn sản xuất công nghiệp 7
8. cũng như đời sống dân sinh. Vì vậy, đây là một chủ đề nghiên cứu được cộng đồng các nhà khoa học, các nhà kỹ thuật trên thế giới quan tâm và đã tiến hành nghiên cứu nhiều khía cạnh chuyên sâu nhằm: (1) hoàn thiện lý thuyết thiết kế; (2) nâng cao hiệu suất và chất lượng làm việc; (3) ứng dụng vào một kịch bản ứng dụng cụ thể. Mặt khác, loại quạt thổi Roots là loại máy thủy lực được hình thành theo nguyên lý biến đổi thể tích thông qua chuyển động tương đối của hai rôto trong quá trình làm việc để tạo ra buồng hút, buồng đong khí và buồng đẩy. Mà sự biến đổi thể tích các buồng này lại phụ thuộc vào biên dạng và kết cấu của rôto. Do đó, vấn đề cải thiện chất lượng làm việc, nâng cao hiệu suất đều bắt nguồn từ việc cải tiến biên dạng rôto. Chính vì vậy mà hướng nghiên cứu này được tập trung nhiều nhất. (1) Nghiên cứu về biên dạng rôto của quạt thổi Như đã trình bày trong mục 1.4.1 nghiên cứu về vấn đề này có hai xu hướng nhưng đều tập trung vào nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng trụ tròn ăn khớp ngoài với tỷ số truyền 1:1. Điều đó cho thấy bản chất của các nghiên cứu trong và ngoài nước đến thời điểm hiện tại đều xuất phát từ hai đường tròn lăn bằng nhau tiếp xúc ngoài, để từ đó tìm các đường cong khác nhau làm biên dạng rôto sao cho khoảng trống giữa hai rôto trong quá trình ăn khớp là lớn nhất. Các đường cong đã tìm được và đưa vào áp dụng đó là: đường epixyclôít, hypôxyclôít của Palmer và Knox [10], cung tròn của Litvin [38], đường trochoiít của Mimmi [41, 42], đường thân khai của Niimura [40] hay tổ hợp các đường cong này của Kang [44], Cai [45], Yu [49], gần đây nhất là đường cong được hình thành bởi đường elíp sinh lăn không trượt trên elíp lăn của Hsieh (2015) [52]. Ưu điểm của các nghiên cứu trên là sử dụng được cặp bánh răng trụ tròn có tỷ số truyền 1:1 truyền thống nhưng lại có một số nhược điểm và hạn chế sau: i) Tương ứng với mỗi một bộ thông số đường lăn trụ tròn chỉ có một đường cong làm biên dạng rôto, dẫn đến thông số kích thước của quạt cố định theo đường lăn. Do đó, không thể hiệu chỉnh hay tối ưu được kích thước để tăng lưu lượng hay các chỉ số khác của quạt. ii) Chỉ có thể hiệu chỉnh các thông số kích thước của quạt bằng cách hiệu chỉnh có giới hạn các tham số hình thành biên dạng rôto do đường lăn trụ tròn cố định, trong khi tham số biên dạng lại ràng buộc với hai đường tròn lăn. Dẫn đến đã có một số cải tiến, tối ưu nhất định nhưng hiệu quả vẫn chưa cao. Như vậy, vấn đề đặt ra là với kích thước hướng kính của rôto không đổi ta cần phải tìm ra phương thức để hiệu chỉnh các tham số của đường lăn và tham số hình thành biên dạng rôto để cải thiện HSSDTT, kích thước và lưu lượng của quạt. Vấn đề này sẽ được luận án giải quyết ở chương 2. Ngoài ra, trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu các công trình đã công bố về lĩnh vực quạt thổi Roots, tác giả luận án phát hiện ra một vấn đề đó là hầu hết các nghiên cứu đều nói rằng quạt thổi Roots là loại quạt thổi rôto không tiếp xúc. Nhưng khi nghiên cứu về quá trình hình thành biên dạng rôto lại xuất phát từ 8
9. đường ăn khớp (để hình thành biên dạng lý thuyết), còn vấn đề khe hở cạnh rôto để hình thành biên dạng thực lại được xác định thông qua mô phỏng số, thay đổi khoảng cách này một cách thủ công [44] hoặc bằng thực nghiệm thông qua hiện tượng sinh nhiệt trong quá trình làm việc [84] để cách đều biên dạng vào phía trong, mà chưa giải tích hóa thành các phương trình toán học để lý giải một cách thỏa đáng. Luận án đã tiến hành giải quyết các vấn đề tồn tại trên ở mục 2.7 của luận án. (2) Nghiên cứu về vấn đề lưu lượng và áp suất của quạt thổi Roots Như đã trình bày trong mục 1.4.2 của luận án thì có bốn xu hướng nghiên cứu. Trong đó ba hướng nghiên cứu (xu hướng thứ hai, thứ ba và thứ tư) có ưu điểm là chính xác cho một đối tượng cụ thể và phù hợp với một ứng dụng cụ thể. Nhưng lại có một số nhược điểm tồn tại đó là: (i) Chỉ hiệu chỉnh hoặc tối ưu cục bộ một số phần trên biên dạng rôto để đảm bảo các đặc tính như nghiên cứu bằng mô phỏng số của [85, 105-107, 109]; (ii) Quá trình thực nghiệm tốn kém mất nhiều thời gian không mang tính tổng quát mà chỉ hiệu chỉnh cho một bộ thông số cụ thể. Do đó chỉ phù hợp với sản xuất thử nghiệm trước khi sản xuất thương mại. Để giải quyết vấn đề này, luận án đã kế thừa phương pháp luận của các nghiên cứu thuộc xu hướng thứ nhất, mà cụ thể là của nhóm nghiên cứu Ucer [102], để tiến hành thiết lập các phương trình giải tích tính toán lưu lượng và áp suất cho thiết kế cải tiến được đề xuất bởi luận án là dẫn động theo nguyên lý ăn khớp của cặp BRKT (bánh răng elíp) chưa từng được xuất hiện bởi các nghiên cứu trước đây. Vấn đề này được lý giải cũng như so sánh với một số thiết kế trước đây để làm rõ ưu điểm của thiết kế mới được đề xuất bởi luận án, được trình bày ở mục 3.1 đến mục 3.5 thuộc chương 3 của luận án. (3) Về vấn đề tối ưu kích thước và lưu lượng Như đã chỉ ra ở trên, các nghiên cứu trong và ngoài nước chỉ có thể tối ưu bằng cách hiệu chỉnh cục bộ một phần biên dạng rôto [50, 51] hoặc hiệu chỉnh các tham số hình thành biên dạng rôto [124] theo các tiêu chí lưu lượng, áp suất lớn nhất, chất lượng dòng chảy qua quạt (dao động lưu lượng và dao động áp suất) v.v mà không thể tối ưu một cách toàn cục do bán kính của hai đường lăn là cố định. Với đề xuất cải tiến của luận án có thể mở rộng tối ưu cả tham số hình thành đường lăn và tham số biên dạng rôto. Điều đó dẫn đến hệ quả là với cùng lưu lượng cho trước thì cải tiến được đề xuất của luận án có kích thước nhỏ gọn hơn so với các nghiên cứu từ trước đến nay từ 4.5% đến 18.1%; HSSDTT tăng 19% đến 37%. Vấn đề này được lý giải và trình bày trong mục 2.5 thuộc chương 2 của luận án. (4) Về giải pháp nhằm nâng cao chất lượng dòng lưu chất của quạt Như đã trình bày ở mục 1.4.4 có hai phải pháp đó là: (i) Biến đổi rôto từ dạng trụ thành dạng xoắn vít và (ii) Ghép quạt (song song/nối tiếp). Nhưng ở giải pháp ghép quạt, các nghiên cứu trước đây chưa đưa ra được một phương pháp tổng quát mà chỉ thực hiện gieo nghiệm bằng cách tăng gia số góc lệch pha, sau đó mô phỏng số để tìm ra góc lệch pha mà tại đó dao động lưu lượng nhỏ nhất. Cách làm này có phần thủ công và kết quả chưa làm thỏa mãn những người quan tâm về vấn đề này. 9
10. Để giải quyết một cách khoa học và tìm ra góc lệch pha tối ưu, luận án đã xây dựng giải thuật được trình bày ở mục 3.6. (5) Về tổn thất thủy lực Đây là một bài toán khó trong tính toán hiệu suất của máy. Hầu hết các nghiên cứu sử dụng mô phỏng số, rất ít nghiên cứu đi sâu vào bản chất chuyển động động học của cặp rôto và tính chất vật lý của dòng lưu chất. Từ đó tìm ra mối liên hệ giữa các TSTKĐT của biên dạng rôto đến lưu lượng, áp suất và hiệu suất của quạt. Vấn đề này sẽ được trình bày trong chương 4 của luận án. Từ những phân tích, đánh giá thảo luận đánh giá trên đây luận án đề ra những nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây: i) Luận án tiến hành sử dụng đường lăn không tròn elíp (họ đường elíp) trong việc thiết kế biên dạng rôto mới của QTRTKTX kiểu Roots. ii) Để hoàn thiện thiết kế luận án áp dụng các phương trình giải tích toán học để tìm điều kiện cắt chân răng, sử dụng các điều kiện lăn không trượt để xác định ràng buộc giữa các TSTKĐT. Trên cơ sở biên dạng rôto hoàn chỉnh, luận án đánh giá ưu nhược điểm của thiết kế mới so với một số các nghiên cứu đã có. iii) Luận án xây dựng phương trình biên dạng thực của rôto phục vụ cho quá trình xác định kích thươc khe hở. Trên cơ sở đó đánh giá ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất lưu lượng và áp suất của máy. iv) Luận án thiết lập mô hình toán học xác định sự biến đổi thể tích buồng hút và buồng đẩy của quạt. Trên cơ sở đó giải quyết bài toán động học và động lực học quá trình biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng của dòng khí sau quạt thông qua lưu lượng và áp suất. Từ đó đánh giá ưu nhược điểm của đề xuất mới bởi luận án với các nghiên cứu đã có đến thời điểm hiện tại. Từ đó luận án tiến hành đánh giá, khảo sát các tham số thiết kế đặc trưng đến lưu lượng và áp suất cũng như đánh giá chất lượng làm việc của quạt. v) Để giảm dao động lưu lượng của quạt mà không làm thay đổi kích thước buồng làm việc, luận án đề xuất giải pháp chia rôto thực hiện bài toán tổng quát xác định góc lệch pha tối ưu. vi) Luận án tiến hành tối ưu các thông số kích thước thiết kế đặc trưng sao cho kích thước của quạt là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo lưu lượng cho trước. vii) Để kiểm chứng cơ sở lý luận lý thuyết đưa ra bởi luận án, luận án tiến hành mô phỏng số và chế tạo quạt mẫu thực nghiệm. Chương 2 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BIÊN DẠNG MỚI THIẾT KẾ RÔTO CỦA QUẠT THỔI KHÔNG TIẾP XÚC 2.1. Thiết lập phương trình toán học mô tả biên dạng rôto đề xuất mới Hướng nghiên cứu của luận án là gì? Có điểm gì khác biệt so với nghiên cứu trước đây? 10
11. i) Về mặt phương pháp luận biên dạng rôto đề xuất mới của luận án được hình thành và dẫn động theo nguyên lý của cặp bánh răng không tròn (BRKT) có tỷ số truyền là một hàm biến đổi tuần hoàn. ii) Về đường cong dùng làm biên dạng rôto được hình thành từ hai đường cong đó là: (a) Đường cong được dùng làm biên dạng đỉnh rôto được hình thành từ đường tròn sinh{Σ S } lăn không trượt phía ngoài đường tâm tích rôto {Σ e } kiểu elíp và (b) Đường cong được dùng làm biên dạng chân rôto được hình thành thông qua điều kiện đối tiếp với đường cong biên dạng đỉnh rôto được thiết lập theo nguyên lý ăn khớp của cặp BRKT. 2.1.1. Mô tả nguyên lý hình thành biên dạng rôto S { } d { d} Biên dạng rôto { } Biên dạng đỉnh rôto { } K { c} b r b e e { e} a a Biên dạng chân rôto { c} a) Nguyên lý hình thành biên dạng đỉnh rôto c) Biên dạng rôto mới { } { d} { e} { c} b) Nguyên lý hình thành biên dạng chân rôto Hình 2.1 Nguyên lý hình thành biên dạng rôto mới 2.1.2. Thiết lập phương trình biên dạng rôto Phương trình biên dạng đỉnh rôto xd () r cos () r cos() xe () d 1 {Γ } : r () y d () rsin () r sin() y e () (2.3) d   1 1 11
12. Phương trình biên dạng chân rôto xc (,1) xd () cos(1 2 (1)) yd ()sin(1 2 (1)) ecos2 (1) 2 (2.12) r (, ) y c (, ) x d ()sin(  ( )) y d ()cos(  ( )) esin ( ) c2 1  1  1 2 1  1 2 1 2 1 1 1 Mối quan hệ giữa các tham số: Mối quan hệ giữa góc quay trục dẫn động của rôto 1 và rôto 2:  1 ()  ( ) e d (2.14) 2 1 e () 0 e xd () yd ( f (, ) ( )sin x d ()sin y d ( )cos sin cos 1 e 1  1  1 1 1   x d ( ) y d ( )   (2.30) ( ) cos x d ( ) cos y d ( )sin cos sin 0 e 1  1  1 1 1   2.2. Điều kiện hình thành biên dạng rôto 2.2.1. Kiểm tra điều kiện cắt chân răng 2.2.2. Xác định điều kiện ràng buộc các thông số thiết kế đặc trưng hình thành biên dạng rôto Để thỏa mãn điều kiện hình thành biên dạng rôto các thông số thiết kế phải thỏa mãn hệ phương trình (2.60). Áp dụng (2.60) ta được kết quả hình 2.6, 2.7. r 0.5b 0.5 2 2 1  e ( ) 2 r e ( ) d 8  0  b / a f (,1) 0 2 2 1 2 0 x 1011 8 7 6 =0 5 4 35.560 35.560 35.560 35.56 35.56 450 0 0 3 2 =0. =0. =0. =0. =0. =1. 0 1 5 6 7 8 9  = 0.5 0  = 0.6  = 0.7 -1  = 0.8 0  = 0.9 1[ ] -2  = 1.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 a) Kiểm tra điều kiện cắt lẹm chân rôto b) Bao hình biên dạng rôto (=0.7) Hình 2.7 Kiểm tra điều kiện hình thành biên dạng rôto 12
13. 2.4. Xác định các thông số kích thước thiết kế hình học hình thành quạt thổi theo các thông số thiết kế đặc trưng 2.5. Hệ số sử dụng thể tích của quạt 4SK  100% (2.64) Sstato 2.5.2. So sánh hệ số sử dụng thể tích của quạt thổi theo đề xuất của luận án với một số nghiên cứu đã có đến thời điểm hiện tại Bảng 2.3 Bảng thông số thiết kế quạt khi khảo sát theo HSTT  của biên dạng rôto Hệ số tâm tích  Loại TSTKĐT  = 0.5  = 0.6  = 0.7  = 0.8  = 0.9  = 1.0 R2 (mm) 58.2142 54.7457 51.1676 47.5819 44.0921 - 2[ 2[ 178] c (mm) 29.1071 32.8474 35.8173 38.0655 39.6829 - (mm) - Loại 2 42.8929 39.1526 36.1827 33.9345 32.3171 R3 (mm) 43.6754 44.5724 45.4636 46.3366 47.1836 48.0000 [192] a3 (mm) 14.1623 13.7138 13.2682 12.8317 12.4082 12.0000 Loại 3 b3 (mm) 7.0811 8.2283 9.2877 10.2654 11.1674 12.0000 a (mm) 51.6393 50.9932 50.2980 49.5611 48.7918 48.0000 b (mm) 25.8196 30.5959 35.2086 39.6489 43.9126 48.0000 mới ề xuấtề Đ r (mm) 10.1803 10.5034 10.8510 11.2194 11.6041 12.0000 Ghi chú: đối với loại 1 chính là suy biến của loại 3 và đề xuất mới của luận án nên không có trong bảng này A [mm]  [%] 90 265 Palmer&Knox Litvin [38] Hsieh [52] Đề xuất mới 260 Loại 3 80 [10] Loại 2 Đề xuất mới 255 70 Loại 1 250 60 245 50 240 40 235 30 230 20 225 10 220 215 0 =0.5 =0.6 =0.7 =0.8 =0.9 =1.0 =0.5 =0.6 =0.7 =0.8 =0.9 =1.0 Hình 2.14, 2.15 Kích thước ngang và hiệu suất thể tích của các phương án thiết kế 13
14. 2.6. Hiện tượng trượt biên dạng rôto 2.6.1. Thiết lập phương trình đường ăn khớp n1 e2 { } n2’ e1 e1 { } { } K1i K2i { 2} P2i K { e2} P1i { 1} O1 P P0 O2 Ki { 2} n2 P P0 { 1} n1’ Hình 2.16 Thiết lập phương trình đường ăn khớp Phương trình đường ăn khớp: xKf (,1) xd ()cos1 yd ()sin1 f r (, ) y (, ) x d ()sin y d ()cos (2.70) K 1 Kf 1  1  1 1 1 Hình 2.18 Hệ số trượt biên dạng rôto 14
15. 2.7. Thiết lập phương trình mô tả biên dạng thực rôto của quạt thổi Kết luận chương 2 Từ những nghiên cứu, phân tích, đánh giá, thảo luận chương 2 của luận án đã có những đóng góp cụ thể về mặt lý thuyết như sau: i) Đề xuất được đường cong mới ứng dụng trong thiết kế biên dạng rôto quạt thổi không tiếp xúc kiểu Roots mới theo nguyên lý dẫn động bằng cặp BRKT kiểu elíp. Đề xuất này hoàn toàn khác biệt với các nghiên cứu đã được công bố cho đến thời điểm hiện tại. ii) Luận án cũng đã giải quyết một cách triệt để các điều kiện biên hình thành biên dạng rôto cũng như điều kiện hình thành quạt thổi dưới dạng các biểu thức giải tích tổng quát. Không như các nghiên cứu khác tương đương như [84, 88] chỉ đưa ra điều kiện hình thành rôto còn các điều kiện khác được xác định bằng thực nghiệm hoặc thay đổi một cách thủ công thông qua mô phỏng số bằng các phần mềm thương mại đã có. Ngoài ra, cũng lý giải được bằng các biểu thức giải tích tại sao các loại quạt này phải có khe hở cạnh rôto và được gọi là quạt thổi rôto không tiếp xúc. Trong khi các nghiên khác phải xác định từ thực nghiệm và quan sát từ hiện tượng sinh nhiệt trong khi quạt hoạt động. Do đó, đây cũng có thể coi là một đóng góp về mặt lý thuyết thiết kế của luận án. iii) Từ những kết quả khảo sát đánh giá ở mục 2.6 cho thấy ưu điểm của biên dạng mới được đề xuất bởi luận án đó là HSSDTT tăng lên từ 19% đến 37% trong khi kích thước hướng kính giảm đi từ 4.5% đến 18.1% so với các thiết kế đã có cho đến thời điểm hiện tại. Từ đó có thể thấy nghiên cứu mới của luận án là một tiềm năng ứng dụng cho các kịch bản ứng dụng trong tương lai. Chương 3 TỐI ƯU KÍCH THƯỚC THIẾT KẾ CỦA QUẠT THỔI THEO LƯU LƯỢNG CHO TRƯỚC 3.1. Thiết lập phương trình toán học xác định lưu lượng của quạt thổi Roots 3.1.1. Lưu lượng của quạt thổi Lưu lượng riêng Lưu lượng riêng của quạt Qr là lượng thể tích được quạt đẩy ra sau một vòng quay của trục dẫn động và được cho bởi: e e 2 xd () xc (,1) Q 0.5 (a 2r) 2. y d () d 2. y c (, ) d (3.1) r   1   0 e Lưu lượng trung bình Lưu lượng trung bình lý thuyết của quạt là lượng thể tích được quạt đẩy ra sau n vòng quay của trục dẫn động được cho bởi: Qtblt nQr (3.2) Lưu lượng tức thời 15
16. Lưu lượng tức thời của quạt được xác định bởi sự biến thiên thể tích khoang đẩy trên một đơn vị thời gian.  d 1dVx (1) Qtt (1) Vx Vx (1) (3.3) dt d1 3.1.2. Sự biến đổi thể tích các khoang hút và khoang đẩy theo góc quay của trục dẫn động 3.2. Ảnh hưởng của TSTKĐT đến sự biến đổi thể tích khoang hút và khoang đẩy 3.3. Ảnh hưởng của TSTKĐT đến lưu lượng tức thời 3.4. Dao động lưu lượng của quạt 3.5. So sánh lưu lượng của quạt được đề xuất của luận án so với các nghiên cứu đã có cho tới thời điểm hiện tại Khi  tăng dần thì lưu lượng riêng của thiết kế mới được đề xuất bởi luận án cùng với loại 3 giảm dần đạt giá trị nhỏ nhất khi suy biến thành loại 1 ( 1).Tại giá trị  0.5 thì lưu lượng của thiết kế mới lớn hơn loại 3 là 19.8%, còn so với loại 1 thì lớn hơn 36.6%. Lưu lượng riêng của thiết kế mới lớn hơn loại 2 (loại 2 lưu lượng lớn nhất tại  0.9 ) là 20.7%. 3.6. Tối ưu góc lệch pha để giảm dao động lưu lượng Luận án đề xuất giải pháp tách rôto thành hai pha tương ứng như hai quạt độc lập khi được ghép song song (quạt 1 và quạt 2), các rôto đặt lệch pha nhau một góc . Như vậy, kích thước buồng làm việc của quạt không thay đổi và bài toán đặt ra là tìm góc lệch pha  để dao động lưu lượng của quạt nhỏ nhất. 2 max Qlp (1,i , ) min Qlp (1,i , ) Hàm mục tiêu: flp () Qlp () min max Qlp (1,i , ) min Qlp (1,i , ) 16
17. 3.7. Tối ưu các TSTKĐT theo lưu lượng cho trước bằng giải thuật di truyền Luận án sử dụng giải thuật di truyền xác định được các thông số thiết kế đặc trưng tối ưu để đạt được kích thước quạt nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng được lưu lượng cho trước. Kết luận chương 3 Xuất phát từ đường cong mới được đề xuất bởi luận án ở chương 2 để cải tiến biên dạng rôto hình thành một loại quạt thổi Roots mới có sự khác biệt so với các nghiên cứu trước đây là dẫn động đồng bộ bằng cặp bánh răng họ elíp. Chương 3 của luận án đã có một số đóng góp cụ thể sau: i) Đã thiết lập được biểu thức giải tích mô tả quá trình biến đổi thể tích ở buồng (hút/đẩy) theo góc quay của trục dẫn động cho loại quạt thổi được đề xuất bởi luận án. Trên cơ sở đó thiết lập được biểu thức giải tích tính lưu lượng tức thời để tiến hành khảo sát đánh giá và áp dụng các thuật toán tối ưu toàn cục. Không như các nghiên cứu khác tương đương về loại quạt này như [84, 88] chỉ thực hiện tối ưu cục bộ từng tham số bằng cách gieo nghiệm và thay đổi thủ công trên các phần mềm mô phỏng số. ii) Đã đưa ra được biểu thức giải tích và tìm được các điều kiện biên để có thể thực hiện tìm góc lệch pha lệch pha tối ưu khi chia quạt trong giải pháp nhằm giảm dao động lưu lượng, tăng chất lượng dòng chảy sau quạt. Kết quả nghiên cứu này có ưu điểm hơn các nghiên cứu khác đã công bố như [5, 6] về lĩnh vực này đó là: (1) có thể dùng công thức và điều kiện để viết thành mô đun phần mềm tự động, tối ưu nhanh chóng cho phương án thiết kế của luận án, cho các kịch bản ứng dụng đòi hỏi chất lượng dòng chảy sau quạt cao; (2) Khắc phục hạn chế so với phương pháp của Hsieh [5, 6] thay thủ công và tăng 17
18. góc lệch pha theo gia số  cho đến khi đạt được dao động lưu lượng theo yêu cầu. Qua đó có thể thấy đây cũng có thể coi là một đóng góp mới của luận án về mặt lý thuyết thiết kế quạt. Ngoài ra, phương pháp luận của luận án cũng như những kết quả nghiên cứu về vấn đề này hoàn toàn có thể áp dụng cho các thiết kế đã có bằng cách chỉ cần thay phương trình biên dạng vào các công thức tổng quát được trình bày ở mục 3.6 (các nghiên khác được trình bày ở phụ lục 1 mà luận án dùng để so sánh). iii) Đã tiến hành xây dựng các hàm mục tiêu, các điều kiện biên, các điều kiện ràng buộc dưới dạng giải tích để từ đó có thể thực hiện bài toán thiết kế ngược vốn dĩ là bài toán khó và xuất phát từ yêu cầu thực tiễn. Mà các nghiên cứu khác phải dùng phương pháp thử để tìm ra thông số kích thước theo yêu cầu cho trước. Nhưng quan trọng hơn là khi áp dụng các điều kiện được tìm ra bởi luận án thì việc áp dụng các thuật toán tối ưu trở nên đơn giản. Do đó, đây cũng có thể coi là một đóng góp tích cực vào hoàn thiện thiết kế các loại quạt thổi Roots nói chung và phương án đề xuất của luận án nói riêng. iv) Từ những đóng góp ở mục iii trên đây luận án cũng đã tiến hành xây dựng được thuật toán tối ưu (vét cạn) và mô hình hóa các thông số kích thước của quạt thủy lực thể tích để có thể áp dụng được thuật toán di truyền vào mục đích tối ưu. Từ những đóng góp trên về mặt lý thuyết và phương pháp luận áp dụng vào đối tượng đề xuất của luận án cho thấy đề xuất của luận án có ưu điểm hơn so với các nghiên cứu đã công bố trước đây đó là: (a) về mặt lưu lượng cho thấy với cùng kích thước hướng kính và hướng trục thì lưu lượng của thiết kế mới lớn hơn loại 3 là 19,8%, lớn hơn loại 2 là 20,7% còn so với loại 1 thì lớn hơn 36,6%. Đối chiếu với kết luận đã trình bày ở chương 2 cho thấy phương án được nghiên cứu đề xuất bởi luận án có HSSDTT và lưu lượng lớn nhất so với các phương án đã công bố; (b) về mặt dao động lưu lượng sau khi áp dụng thuật toán tối ưu góc lệch pha cũng như phương pháp luận cho thấy dao động lưu lượng giảm đi 80%. Chương 4 ẢNH HƯỞNG CỦA KHE HỞ ĐẾN TỔN THẤT THỦY LỰC CỦA QUẠT VÀ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 4.1. Thiết lập phương trình mô tả áp suất của quạt thổi Roots 4.1.1. Sự biến đổi áp suất tức thời của khoang hút và khoang đẩy Kết quả sự biến đổi áp suất trong khoang hút và khoang đẩy của quạt theo góc quay trục dẫn động theo sự thay đổi của các thông số thiết kế đặc trưng được thể hiện trên hình 4.3. 18
19. 4.1.2. Dao động áp suất của quạt thổi Roots Nếu gọi  P , Pmax , Pmin lần lượt là dao động áp suất, áp suất lớn nhất và nhỏ nhất của quạt Roots, khi đó theo [6, 192] ta có: Pmax Pmin  P (4.10) Ptb 4.1.3. Sự biến đổi áp suất trong quá trình nén Khi thực hiện nén khí thì trong quạt diễn ra: (i) quá trình đong khí và (ii) quá trình trộn và nén khí. 4.2. Thiết lập phương trình xác định tổn thất lưu lượng và áp suất 4.2.5. Đánh giá ảnh hưởng của khe hở cạnh rôto và khe hở hướng kính đến tổn thất lưu lượng và hiện tượng tụt áp 4.3. Mô phỏng số quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots 4.3.1. Mô hình toán học mô phỏng số 4.3.4. Kết quả mô phỏng số Kết quả phân bố áp suất, đường dòng và véc tơ dòng chảy được thể hiện trên hình 4.6-4.8 19
20. Kết quả mô phỏng chia quạt và lưu lượng tức thời lần lượt được mô tả trên bảng 4.9 và hình 4.19. 4.4. Thực nghiệm kiểm chứng Trong phần này tác giả tiến hành chế tạo một sản phẩm bơm mẫu sau khi tính toán tối ưu các thông số thiết kế của loại quạt được đề xuất mới bởi luận án. Trên cơ sở mô hình thiết kế, tác giả tiến hành lấy kết quả đo theo các sơ đồ nguyên lý cùng với phương pháp đo như sau: i) Đo lưu lượng ở chế độ không tải để so sánh kiểm chứng với lưu lượng lý thuyết tính toán của quạt. ii) Đo lưu lượng và áp suất ở các điểm gia tải trên cơ sở đó xây dựng đường đặc tính của quạt. Lưu lượng thực tế sai số so với lưu lượng lý thuyết từ 1,63% đến 8,23% cho thấy độ tin cậy của mô hình toán và tính chính xác của công thức lý thuyết mà luận án đã thiết lập.Lưu lượng tính toán lý thuyết lớn hơn so với lưu lượng thực tế do tính toán lý thuyết chưa kể đến tổn thất cơ khí trong máy, sai số lắp ghép và rò rỉ trong hệ thống đường ống thí nghiệm, ma sát dòng khí với bề mặt kim loại, truyền nhiệt qua rôto và stato của máy. i) Khi làm việc ở áp suất 3 pt=10x10 Pa: Quạt đạt hiệu suất về lưu lượng từ 38,18%  88,46% tương ứng với tốc độ quay trục dẫn động từ 100 vòng/phút đến 1000 vòng/phút. 20
21. 3 ii) Khi làm việc ở áp suất pt=20x10 Pa: Quạt đạt hiệu suất về lưu lượng lần lượt là 35,07%  72,85% tương ứng với tốc độ quay trục dẫn động từ 400 vòng/phút đến 1000 vòng/phút. iii) Khi làm việc ở áp suất cực đại 3 pt=50x10 Pa: Quạt đạt hiệu suất về lưu lượng là 12.34% tương ứng với tốc độ quay trục dẫn động là 1000 vòng/phút. iv) Hiệu suất của quạt tăng khi tăng tốc độ quay của trục dẫn động. Ngoài ra khi ở cùng một dải tốc độ áp suất tăng lên thì lượng tổn thất càng tăng dẫn đến giảm hiệu suất của quạt. Kết luận chương 4 Từ việc thực hiện phương pháp nghiên cứu lý thuyết, kiểm tra lý thuyết bằng phương pháp mô phỏng số đến thí nghiệm thực nghiệm, chương 4 của luận án đã có những đóng góp cụ thể: dựa trên việc kế thừa các định luật và phương trình nhiệt động lực học chất lỏng, phát triển mô hình toán học dưới dạng giải tích để đánh giá tổn thất lưu lượng và tụt áp khi có khe hở mặt đầu, khe hở cạnh rôto và khe hở hướng kính cho đối tượng được đề xuất bởi luận án. Đây cũng có thể coi là một đóng góp của luận án cho lý thuyết tính toán thiết kế quạt thổi Roots. Ngoài ra, chương này cũng đã giải quyết được các vấn đề sau: i) Xây dựng được biểu thức xác định được tổn thất lưu lượng và áp suất. Từ đó, khảo sát đánh giá được ảnh hưởng của khe hở mặt đầu, khe hở cạnh rôto và khe hở hướng kính đến tổn thất thủy lực. Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế, chế tạo loại quạt thổi đề xuất bởi luận án vào các kịch bản ứng dụng khác nhau. ii) Chứng minh tính đúng đắn các kết quả nghiên cứu lý thuyết ở chương 2, chương 3 bằng phần mềm mô phỏng số và thực nghiệm. Từ đó cho thấy: a) Trong ba loại khe hở nếu xét ở cùng một kích thước khe hở thì khe hở mặt đầu ảnh hưởng lớn nhất đến tổn thất lưu lượng và áp suất cụ thể chiếm 62,1% lượng khí tổn thất, khe hở hướng kính chiếm 25,2% còn khe hở cạnh rôto là 12,7%. 21
22. b) Khi sử dụng giải pháp chia rôto dao động lưu lượng được giảm đi đáng kể từ 52,31% (  0.8) đến 96,44% (  1 ) khắc phục được nhược điểm của loại máy này mà không làm thay đổi kích thước buồng làm việc của quạt. Về mặt thực nghiệm chương này đã chế tạo một mẫu quạt theo kết quả nghiên cứu của luận án. Từ bộ thiết bị thí nghiệm, ngoài việc kiểm chứng kết quả lưu lượng lý thuyết, luận án đã xây dựng được đường đặc tính làm việc của mẫu quạt đã chế tạo giúp cho người sử dụng có thể ứng dụng vào các điều kiện vận hành khác nhau đáp ứng nhu cầu thực tiễn. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Việc tìm ra một đường cong mới nhằm cải tiến biên dạng rôto để tạo ra một loại QTRTKTX kiểu Roots và tối ưu các thông số thiết kế đặc trưng, nhằm đảm bảo kích thước nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng được lưu lượng cho trước, là một nhu cầu cấp thiết hiện nay ở cả trong và ngoài nước trước những đòi hỏi ngày càng cao của thực tiễn sản xuất công nghiệp ở đầu thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0. Để đạt được điều đó luận án đề ra mục tiêu là: (i) Thiết lập được phương trình biên dạng rôto cải tiến mới theo nguyên lý dẫn động của cặp BRKT ăn khớp ngoài (cặp bánh răng họ elíp); (ii) Tính toán tối ưu TSTKĐT để kích thước của quạt là nhỏ nhất theo lưu lượng cho trước; (iii) Xác định được ảnh hưởng của khe hở đến hiện tượng tổn thất lưu lượng và tụt áp trong giới hạn tốc độ làm việc ổn định của quạt. Để giải quyết các mục tiêu đã đề ra luận án đã đạt được những kết quả sau: Về mặt lý thuyết (1) Luận án đã thiết lập được phương trình đường cong mới trên cơ sở lý thuyết ăn khớp của cặp BRKT để cải tiến biên dạng rôto hình thành QTRTKTX kiểu Roots mới. Với cùng kích thước hướng kính, hướng trục và chế độ làm việc, quạt thổi Roots mới được đề xuất bởi luận án có HSSDTT và lưu lượng lớn nhất so với các phương án đã công bố. Cụ thể HSSDTT lớn hơn 19% so với thiết kế mới nhất của Hsieh (2015) [52] và 21% so với Litvin (1960) [38], 37% so với Palmer (1875) [10], còn lưu lượng của thiết kế mới lớn hơn từ 19,8% đến 36,6% trong khi kích thước ngang giảm đi từ 4,5% đến 18,1%. (2) Từ phương trình biên dạng rôto đã thiết lập, luận án cũng đã giải quyết một cách triệt để các điều kiện hình thành biên dạng rôto như: điều kiện cắt lẹm chân răng, điều kiện hình thành rôto cho cải tiến, thiết kế mới được nghiên cứu bởi luận án. Ngoài ra, trên cơ sở nghiên cứu về hiện tượng trượt biên dạng (vận tốc trượt tương đối) luận án cũng đã đưa ra được phương trình biên dạng thực để làm cơ sở xác định khe hở cạnh rôto trong quá trình quạt làm việc và tránh hiện tượng mài mòn, sinh 22
23. nhiệt do ma sát cơ học giữa hai rôto trong quá trình làm việc, cùng với đó là lý giải một cách khoa học tại sao loại quạt này có tên gọi là quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots. (3) Luận án đã chỉ ra đối với cải tiến mới bởi luận án có nhược điểm là sự ổn định của dòng chất khí sau quạt kém hơn các thiết kế đã được công bố trước đây từ 1.18 đến 2.96 lần. Để khắc phục nhược điểm này luận án cũng nghiên cứu đưa ra thuật toán xác định góc lệch pha khi tách và ghép rôto song song, kết quả cho thấy dao động lưu lượng giảm đi giảm đi đáng kể từ 52,31% đến 96,44%. (4) Bắt nguồn từ định luật nhiệt động lực học chất lỏng cùng với phương trình mô tả biến đổi thể tích ở buồng hút/đẩy theo quá trình hút/nén/đẩy của quạt. Luận án đã thiết lập được phương trình lưu lượng tức thời và áp suất tức thời của quạt, từ đó đã áp dụng một phương pháp hiện đại là giải thuật di truyền vào thuật toán tối ưu tham số thiết kế đặc trưng nhằm đảo bảo quạt thổi có kích thước thiết kế nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng được lưu lượng cho trước. (5) Luận án đã thiết lập phương trình toán học mô tả ảnh hưởng của khe hở cạnh rôto, khe hở mặt đầu và khe hở hướng kính đến hiện tượng tụt áp và mất lưu lượng trong miền giới hạn tốc độ làm việc của quạt. Trong ba loại khe hở nếu xét ở cùng một kích thước khe hở thì khe hở mặt đầu ảnh hưởng lớn nhất đến tổn thất lưu lượng và áp suất cụ thể chiếm 62,1% lượng khí tổn thất, khe hở hướng kính chiếm 25,2% còn khe hở cạnh rôto là 12,7%. (6) Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết, luận án đã tiến hành kiểm chứng bằng phương pháp mô phỏng số trên mô đun CFX của phần mềm Ansys và thấy sai số 3.48%. Qua đó cho thấy cơ sở lý thuyết nghiên cứu ở của luận án là đáng tin cậy. Về mặt thực nghiệm (1) Luận án đã tiến hành chế tạo mẫu quạt theo kết quả nghiên cứu lý thuyết và tối ưu của luận án. (2) Luận án đã chế tạo và xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm. Kết quả lưu lượng thực nghiệm sai số so với lưu lượng lý thuyết từ 1.63% đến 8.23% cho thấy độ tin cậy của mô hình toán vá tính chính xác của công thức lý thuyết mà luận án đã thiết lập. Ngoài ra bằng thực nghiệm, luận án đã xây dựng đường đặc tính cho mẫu quạt đã chế tạo thử nghiệm. 23
24. Từ những kết quả nghiên cứu trên luận án có những đóng góp mới cụ thể như sau: (1) Đã nghiên cứu và phát triển được một loại quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots mới dẫn động bằng cặp BRKT kiểu elíp có HSSDTT và lưu lượng lớn hơn so với các kết quả nghiên cứu cho đến thời điểm hiện tại. (2) Đưa ra được biểu thức giải tích xác định khe hở cạnh rôto, khe hở mặt đầu, khe hở hướng kính và ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất thủy lực của loại quạt mới được nghiên cứu bởi luận án. (3) Về thuật toán luận án đã xây dựng được: (i) thuật toán tối ưu với công cụ hiện đại là giải thuật di truyền để tối ưu các thông số thiết kế đặc trưng nhằm đảm bảo kích thước nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng được lưu lượng cho trước của quạt; (ii) Thuật toán xác định góc lệch pha khi ghép song song để giảm dao động lưu lượng dẫn đến tăng chất lượng dòng chảy sau quạt. Kiến nghị Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, những vấn đề sau chưa được đề cập tới và cũng là những ý tưởng đề xuất để tiếp tục cải tiến và hoàn thiện hơn về mặt thiết kế cũng như công nghệ để nâng cao tuổi thọ của quạt và vận dụng kết quả nghiên cứu vào các kịch bản ứng dụng khác nhau đó là: i) Nghiên cứu những vấn đề về mặt cơ khí như: ứng suất, biến dạng chuyển vị của rôto dưới tác dụng của tải làm việc. ii) Hình dạng hình học và kết cấu của cửa hút và cửa đẩy đến hiệu suất của quạt. iii) Quá trình sinh nhiệt, quá trình nén và truyền nhiệt qua vỏ cũng như giải pháp làm mát quạt. iv) Nghiên cứu về độ ồn và giải pháp giảm ồn do sự thay đổi dòng khí và các chi tiết cơ khí chuyển động. v) Ứng dụng các kết quả và phương pháp luận của luận án tiến hành thiết kế các mẫu mới và tiến hành thí nghiệm trên các thiết bị đo kiểm của luận án cho các kịch bản ứng dụng phong phú và đa dạng. 24