Chương 1 Tổng quan về quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots: Chương này, trình bày giới thiệu một cách tổng quan về quạt thổi Roots, nguyên lý hoạt động cũng như ứng dụng của loạt quạt thổi này. Ngoài ra, chương này còn tìm hiểu, phân tích, tổng hợp đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về loại quạt Roots này thông qua các tài liệu kỹ thuật, các bài báo khoa học công bố mới nhất trong vào ngoài nước, cũng như các phát minh sáng chế để từ đó lựa chọn đối tượng nghiên cứu của luận văn. Chương 2: Mô hình toán học biên dạng rôto của quạt thổi Roots mới: Chương này, trình bày phương pháp thiết lập phương trình biên dạng của rôto bằng phương pháp chuyển tọa độ khi biết trước các thông số về mặt khích thước của các đường tâm tích sinh. Trên cơ sở lý thuyết ăn khớp, chương 2 đã trình bày về đường ăn khớp của mẫu quạt rôto 2 cánh.
Các kết quả của chương này là cơ sở cho các tính toán ở các chương tiếp theo của luận văn. Chương 3: Khảo sát sảnh hưởng của tham số thiết kế đặc trưng đến biên dạng rôto, lưu lượng trung bình và lưu lượng tức thời của quạt thổi: Chương này, trình bày những tính toán về lưu lượng riêng, lưu lượng trung bình từ việc xây dựng được phương pháp thiết lập phương trình tính toán diện tích một rôto, diện tích khoang làm việc. Bên cạnh đó, khảo sát biên dạng rôto và lưu lượng riêng của quạt thổi Roots từ những thông số kích thước elip thay đổi. Đồng thời, chương này còn trình bày phương pháp thiết lập công thức tính lưu lượng tức thời của quạt thổi Roots dựa trên phương pháp tính toán biến thiên thể tích của khoang đẩy từ kích thước của tâm tích sinh elip.
Trên cơ sở đó tiến hành khảo sát đánh giá đưa ra ảnh hưởng của thông số hình học đến biến thiên thể tích ở khoang hút và khoang đẩy cũng như lưu lượng tức thời của quạt thổi. Đồng thời các kết quả của chương này cũng là một phần nghiên cứu chính của luận văn. Chương 4: Khảo sát áp suất tức thời trong quá trình quạt làm việc: Trên cơ sở lý thuyết và các tính toán ở chương 2 và 3, chương này đã tiến hành tính toán và xác định áp suất của quạt thổi dựa trên định lý biến thiên động lượng. Bên cạnh đó tiến hành khảo sát đánh giá đưa ra ảnh hưởng của thông số hình học đến áp suất ở cửa đẩy của quạt thổi Roots.
TỔNG QUAN VỀ QUẠT THỔI RÔTO KHÔNG TIẾP XÚC KIỂU ROOTS 1.1 LỊCH SỬ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN Quạt thổi Roots là loại quạt thổi được anh em nhà Philander và Francis Marion Roots phát minh năm 1860. Loại quạt thổi này có biên dạng cơ bản là đường Epixicloít và hypôxycloid. Và đã được ứng dụng trong ngành công nghiệp giấy, hóa chất, thực phẩm, nước giải khát, ngành công nghiệp sản xuất dược phẩm, công nghệ sinh học v.v… với ưu điểm của loại bơm này là công suất lớn, khối lượng nhỏ, kích thước tương đối gọn, loại bơm này thường được dùng làm máy hút chân không, máy sục khí dùng trong nuôi trồng thủy sản hay thủy lực trong các dây chuyền sản xuất. Năm 1874, quạt thổi Roots được Thwaites và Carbutt đề xuất ứng dụng trong hầm lò được trưng bày tại triển lãm West Gallereis.
Và năm 1875, với việc cải tiến biên dạng rôto bằng các đường Epixicloít và hypôxycloid 2 nhà khoa học người Mỹ L. Knox đã được cấp bằng sáng chế tại Mỹ với việc cải tiến biên dạng rôto bằng các đường epyxycloid và hypoxycloít (năm 1875) [1]. Ứng dụng này hiện nay vẫn được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Năm 1900, quạt thổi Roots đã được Gottlieb Daimler ứng dụng vào trong các động cơ đốt trong tăng áp [2].
Sang năm 1921, Mercedes đã lần đầu tiên sử dụng bô tăng áp Roots để cho ra mắt những mẫu xe của họ [3]. Năm 1926, Armstrong Siddeley đã sử dụng bộ tăng áp Roots để phát triển dòng động cơ máy bay Jaguar. Và sau năm 1930, hầu hết các máy bay vận tải dân sự và quân sự đều được trang bị bộ siêu tăng áp Roots [4]. Năm 1933, Hallett được cấp bằng sáng chế cho thiết bị quạt thổi Roots rôto xoắn 3 răng [5], đây được coi là thiết kế rôto kiểu xoắn trục vít đầu tiên của quạt thổi Roots.
Trong gia đoạn năm 1946, kỹ thuật hút chân không được các nhà khoa học, kỹ thuật công nghệ quan tâm nghiên cứu phát triển. Hiughton [6] được cấp bằng sáng chế cho cho thiết kế máy nén Roots với rãnh làm mát xung quanh stato. Năm 1960, Lorenz Albert [7] đã đề xuất một loại bơm chân không Roots có thể xử lý một lượng lớn chất khí đạt áp suất từ dưới 10−4 mmHg đến 10mmHg. Năm 1968, việc thiết kế biên dạng rôto với phần đỉnh răng là cung tròn còn chân răng là đường tròn đối tiếp theo nguyên lý bao đã được Litvin đề xuất [8].
Phương án thiết kế biên dạng rôto bằng việc kết hợp các cung tròn và đường Epixicloít đã được Kang, Vu đề xuất. Với phương án đề xuất này thì đã làm tăng 8%-10% hiệu suất thể tích so với phương án cải tiến quạt thổi Roots mà Palmer và Litvin đã đề xuất trước đó. Cùng với sự phát triển nghiên cứu thiết kế biên dạng rôto của quạt thổi Roots thì vào năm 2008, Hseih đã đề xuất thay thế đường tròn sinh bằng elip lăn dựa trên nguyên lý hình thành đường Epixicloít và đường hypôxycloid [9]. Và ưu điểm của đề xuất này là làm tăng lưu lượng từ 12-15% so với loại quạt thổi truyền thông.
Ngoài ra thì còn rất nhiều nghiên cứu khác nữa đã được đề xuất nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.1 Một loại quạt thổi Roots 1.2 NGUYÊN LÝ CỦA QUẠT THỔI RÔTO KHÔNG TIẾP XÚC KIỂU ROOTS 1.1 Nguyên lý của quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots Cấu tạo của quạt thổi Roots bao gồm thành phần chính là 2 bánh răng thường là bánh răng nghiêng hoặc chữ V. Hai bánh răng được đặt ở khoang riêng gồm một bánh chủ động và một bánh bị động ăn khớp với nhau theo kiểu ăn khớp ngoài và có tỉ số truyền là 1:1. Chúng có tác dụng truyền chuyển động đến hai cánh bơm với biên dạng là các đường Epixicloít và hypôxycoid đặt trong khoang quạt thổi, hai cánh bơm quay ngược chiều nhau nhưng cùng tốc độ tạo ra các khoang hút và đẩy. Quạt thổi Roots có nhiều loại với số cánh bơm khác nhau như loại 2 cánh, 3 cánh, 4 cánh, 5 cánh v.v…, nhưng loại 2 cánh và 3 cánh là những loại được dùng phổ biến nhất do có ưu điểm lưu lượng lớn.
Để minh họa cho nguyên lí hoạt động, trên hình 1.2 dưới đây là vị trí của các cánh bơm thể hiện quá trình hút và nén khi trục chính của bơm quay ở các vị trí khác nhau.2a, 2 cánh bơm 1 và 2 quay đến vị trí 0 tạo ra 2 khoang trống có áp suất bằng nhau. Hai cánh bơm 1, 2 tiếp tục quay, ăn khớp với nhau tạo ra các khoang có trống để chứa chất lỏng hoặc không khí như trên Hình 1.2d, khi cánh bơm ở vị trí 180°, chất lỏng hoặc không khí được các cánh bơm đưa sang khoang 2, tại đây áp suất tăng và lớn hơn bên ngoài khiến chất lỏng hoặc không khí bị nén lại và đẩy ra ngoài ở cửa ra.2 Các vị trí của cánh quạt thổi trong quá trình hoạt động Đặc biệt khi thay đổi cách bố trí cửa vào, ra của quạt thổi hay cách ghép nối các quạt thổi với nhau ta có được như sau: + Nếu cửa vào lắp vào một bình kín sẽ tạo ra máy hút chân không. 2 + Nếu cửa ra được nối với ống và sục xuống nước thì gọi là máy sục khí. + Khi kết hợp nhiều quạt thổi với nhau có thể tạo thành máy trộn cho các loại nguyên liệu ở dạng lỏng được đưa vào từ cửa vào.3 Nguyên lý bao hình hình thành biên dạng rôto Trên Hình 1.3 là mô tả quá trình ăn khớp của cặp rôto.
Nếu coi 1 rôto là đứng yên thì rôto còn lại sẽ lăn không trượt ngoài biên dạng của rôto đó. Phần chân răng của rôto này sẽ khớp với phần đỉnh răng của rôto kia và ngược lại. Điều đó có nghĩa rôto này là bao hình của rô to kia trong quá trình ăn khớp.2 Phân loại quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots Trong suốt quá trình phát triển của quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots, loại quạt này có nhiều đề xuất được đưa ra để cải tiến thành nhiều biến thể khác nhau để phù hợp với trong từng trường hợp ứng dụng. Tuy nhiên, có thể phân loại quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots thành ba loại như sau: (i) Phân loại theo số răng rôto của quạt: + Loại quạt thổi có số răng của rôto là hai răng được gọi là quạt thổi Roots (Hình 1.
+ Loại quạt thổi có số răng lớn hơn hai thì được gọi là quạt thổi Lobe (Hình 1.4 Phân loại quạt thổi theo số răng 3 (ii) Phân loại theo biên dạng rôto của quạt: + Biên dạng rôto là đường cong cycloid bao gồm đường cong hypocycloid làm chân rôto, còn đường epixycolid làm đỉnh rôto [32]. + Biên dạng rôto là đường cong cycloid cải tiến với biên dạng đỉnh răng là đường cycloid cải tiến của đường elip, biên dạng chân rôto là đường cong đối tiếp của đỉnh rôto [42]. + Biên dạng rôto là cung tròn. Đối với loại này, đỉnh rô to là cung tròn, còn chân rô to là đường tòn đối tiếp với cung tròn [41].
Những biên dạng trên đây đều theo nguyên lý ăn khớp của cặp bánh răng trụ tròn có tỷ số truyền không đổi (Hình 1.5 Biên dạng rô to được hình thành theo nguyên lý dẫn động bằng cặp bánh răng trụ tròn có tỷ số truyền 1:1 [1] Ngoài ra, những năm gần đây một số công trình nghiên cứu mới đã được đề xuất biên dạng rôto theo nguyên lý của cặp bánh răng không tròn. Đối với loại này, có hai kiểu đó là: (i) Đường lăn là đường elíp còn đường sinh là đường tròn (Hình 1.6 Đường lăn là đường elíp, đường sinh là đường tròn 4 (ii) Đường lăn và đường sinh đều là đường elíp (Hình 1.7 Đường lăn và đường sinh là đường elíp Ưu điểm của đề xuất này là lưu lượng, áp suất của máy sẽ lớn hơn, nhưng có nhược điểm là dao động lưu lượng, áp suất lớn hơn so với máy dẫn động theo nguyên lý ăn khớp của bánh răng trụ tròn.