phần mở đầu quạt thổi Roots là loại MTLTT kiểu rôto không tiếp xúc được đề xuất lần đầu tiên bởi George Jones vào năm 1843 [1] (hình 1.1a), tiếp sau đó là phát minh bởi anh em nhà Roots (Philander Higley Roots và Francis Marion Roots) vào năm 1860 [2] (hình 1.1b) với ứng dụng làm quạt thổi khí trong hầm lò khai thác khoáng sản ở Hoa Kỳ và từ đó đến nay loại quạt này có tên gọi là quạt thổi Roots. Theo dòng thời gian của quá trình phát triển và tích lũy tri thức của nhân loại, quạt thổi Roots đã được liên tục nghiên cứu, sáng tạo và phát triển về mặt lý thuyết thiết kế, công nghệ chế tạo cũng như ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống, sản xuất công nghiệp và an ninh quốc phòng. a) Quạt thổi Roots của George Jones (1843) [1] b) Phát minh của anh em nhà Roots (1860) [2] Hình 1.1 Phát minh đầu tiên về quạt thổi Roots 7 luan an b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Cấu tạo Về mặt cấu tạo quạt thổi Roots (hình 1.2) 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 phát động 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 buồng hút, buồng đẩy và buồng đong khí như được mô tả trên hình 1.
Do loại quạt này có đặc điểm sinh nhiệt rất lớn [3] nên stato thường được tích hợp hệ thống làm mát tự nhiên bằng các cánh tản nhiệt hoặc kết hợp giữa làm mát tự nhiên và cưỡng bức thông qua các ống dẫn nước trên stato. (1) Rôto 2 Cửa đẩy Cửa hút Phớt chắn dầu Thể tích chết (1) Rôto 1 Buồng đong khí Buồng hút Vh Phớt khí (3) Bánh răng dẫn động Trục dẫn động Ổ đỡ (2) Stato Cửa đẩy Thể tích chết Buồng đẩy Vx Cửa đẩy a) Cấu tạo quạt thổi Roots [109] b) Mặt cắt ngang quạt vuông góc với trục quay Hình 1.2 Cấu tạo QTRTKTX kiểu Roots Nguyên lý hoạt động Hình 1.2b mô tả một mặt cắt vuông góc với trục quay của quạt. Với chiều quay được cho trên hình 1. Như vậy, sau mỗi vòng quay của trục dẫn động, có một lượng thể tích khí được vận chuyển từ buồng hút sang buồng đẩy và thể tích này phụ thuộc vào số răng của rôto.
Nếu gọi z là số răng của rôto thì lượng thể tích khí được vận chuyển xét về mặt lý thuyết sẽ là 2zV1. Ngoài ra, trong buồng làm việc của quạt còn có vùng thể tích chết (vùng thể tích không thuộc vùng quét của hai rôto, xem hình 1. Vùng thể tích này không tham gia vào quá trình biến đổi thể tích của quạt. c) Phân loại quạt thổi rôto không tiếp xúc Trong quá trình hình thành và phát triển trải qua nhiều giai đoạn phát triển khác nhau gắn liền với sự phát triển của khoa học, đặc biệt là sự phát triển của nền sản xuất công nghiệp mà loại quạt này đã có nhiều cải tiến để hình thành những biến thể khác nhau phù hợp với các kịch bản ứng dụng của thực tiễn.
Tuy nhiên, có thể phân loại theo các đặc điểm sau: (i) Phân loại theo số răng rôto của quạt: theo đặc điểm này quạt thường được chia thành hai loại: (a) Loại rôto chỉ có hai răng thì được gọi là quạt thổi Roots gắn liền với tên người phát minh ra quạt (hình 1.3a); (b) Loại rôto có số răng lớn hơn hai thì được gọi là quạt thổi Lobe (hình 1.3 Phân loại quạt thổi Roots theo số răng rôto (ii) Phân loại theo cấu tạo rôto: theo đặc điểm này cũng được chia thành hai loại đó là: (a) Loại rôto răng thẳng dạng trụ; (b) Loại rôto răng xoắn kiểu trục vít. Trong đó, loại rôto dạng trụ thường là các loại quạt thổi có lưu lượng lớn và áp suất thấp và có dao động lưu lượng lớn, còn quạt thổi rôto dạng xoắn trục vít thường là quạt có lưu lượng nhỏ hơn và áp suất lớn hơn. Đây là loại quạt mới được đề xuất trong những năm gần đây, do đó nghiên cứu về loại quạt này còn rất ít và hầu như không có. d) Ưu nhược điểm Ưu điểm So với những MTLTT có cùng kích thước thì loại quạt thổi kiểu Roots /Lobe có ưu điểm nổi trội: - Lưu lượng lớn.
- Làm việc ổn định. - Kết cấu đơn giản. - Có thể vận chuyển được các vật liệu rời dạng hạt. - Buồng làm việc không có dầu bôi trơn.
Ngoài ra, loại MTLTT này có hai chế độ làm việc đó là: (1) Quạt/bơm: Khi trục của máy được cung cấp năng lượng (động cơ điện, động cơ đốt trong v.) dùng để biến đổi từ năng lượng cơ học thành năng lượng thủy lực (năng lượng của dòng chất khí/chất lỏng); (2) Chế độ động cơ: Khi cửa vào của máy được cung cấp năng lượng của dòng lưu chất (khí/lỏng) qua máy sẽ biến thành chuyển động quay của trục, ở chế độ này đến thời điểm hiện tại đang được ứng dụng làm các cảm biến đo lưu lượng trong các lĩnh vực cần đo lưu lượng lớn và có độ nhớt cao như trong ngành dầu mỏ mà các nguyên lý đo khác không đáp ứng được. Nhược điểm Mặc dù có những ưu điểm như trên nhưng theo tìm hiểu của tác giả luận án thì loại MTLTT này [3, 4] cũng có một số nhược điểm sau: - Áp suất thấp hơn so với một số loại máy thủy lực khác có cùng công suất và kích thước. - Dao động lưu lượng và dao động áp suất lớn. - Rung động lớn.
- Tiếng ồn lớn hơn các loại máy thủy lực khác. - Sinh nhiệt lớn. Do những nhược điểm trên mà khi áp dụng vào những trường hợp cụ thể trong thực tiễn các nhà kỹ thuật, công nghệ đã phải đưa ra các giải pháp kỹ thuật khác nhau như: ghép quạt [5, 6], chế tạo trục rôto kiểu trục vít [7], làm mát tự nhiên hoặc cưỡng bức [3, 8]. Lịch sử phát triển của quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots 10 luan an Trải qua gần 180 năm phát triển từ khi được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1843 cho đến nay dọc theo quá trình tích lũy tri thức của nhân loại, QTRTKTX kiểu Roots đã được các nhà khoa học, các nhà kỹ thuật, công nghệ không ngừng nghiên cứu, sáng tạo, cải tiến và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống cho đến sản xuất công nghiệp cũng như an ninh quốc phòng.
Trên cơ sở tìm hiểu, tổng hợp, phân tích, đánh giá, cập nhật từ các nguồn tài liệu: bằng sáng chế, bài báo uy tín đã công bố, tài liệu kỹ thuật mới nhất về lĩnh vực QTRTKTX, tác giả luận án tạm chia thành ba giai đoạn phát triển của loại quạt này như được mô tả trên hình 1. Giai đoạn 3 Hsieh Tong, Yang Sử dụng đường (1960-nay) elip trong thiết kế Ứng dụng nguyên lý thiết kế biên dạng rôto Mimmi và Penanchi bánh răng không tròn Tổ hợp các đường 2015 Quạt thổi kiểu claw epixyclôít, thân khai, đường trochoiid để thiết 1999 Kết hợp quạt thổi kiểu kế biên dạng rôto Claw ứng dụng trong công nghệ bơm chân 1990 Forrest không Hubrich Xác định khe hở mặt 1980 Cải tiến biên đầu để tăng hiệu suất dạng rôto được làm việc của máy Litvin hình thành bởi 1966 Lý thuyết học các cung tròn thuật đầu tiên về thiết kế biên 1963 dạng rôto 1960 Giai đoạn 2 Houghton (1900-1960) Máy nén Roots với 1948 rãnh làm mát xung Hallett quanh stato Thiết kế quạt thổi Lobe cánh xoắn 3 Warren William Mcculloch răng Armstrong Siddeley Thiết kế giảm 1946 Ứng dụng trong công nghệ hút chân không Phát triển dòng động tiếng ồn 1933 cơ máy bay Jagur Mercedes được tích hợp bộ siêu Giới thiệu mẫu xe 1928 tăng áp Roots sử dụng bộ tăng áp kiểu Roots Gottlied Daimler 1926 Cung cấp khí cho động cơ đốt trong 1921 1900 L. Knox Anh em nhà Roots Đề xuất biên dạng đường epixyclôít và hypôxyclôít Sáng chế đầu tiên 1875 Giai đoạn 1 1874 (1843-1900) 1843 1860 Thwaites và Carbutt Ứng dụng thông gió George Johnes trong hầm lò Đề xuất nguyên lý quạt Roots Hình 1.4 Các giai đoạn phát triển của QTRTKTX kiểu Roots Giai đoạn 1 (1843-1900) Đây là giai đoạn hình thành ý tưởng và xuất hiện những thành tựu phát triển ứng dụng gắn liền với sự phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất. Từ nguyên lý hoạt động của quạt thổi được đề xuất bởi George Jones và anh em nhà Roots, đã có những bằng sáng chế cải tiến đầu tiên để phục vụ các hoạt động khai thác.
Thwaites và Carbutt đề xuất loại quạt thổi Roots ứng dụng thông gió trong hầm lò được trưng bày tại triển lãm West Galleries, năm 1874 [9] (hình 1. Hai 11 luan an nhà khoa học người Mỹ là L. Knox đã được cấp bằng sáng chế tại Mỹ với việc cải tiến biên dạng rôto bằng các đường epixyclôít và hypôxyclôít (năm 1875) [10] (hình 1. Sáng chế này của L.
Knox cho đến nay vẫn được ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp. a) Sáng chế quạt thổi Roots của Thwaites và b) Sáng chế quạt thổi Roots của Palmer và Carbutt (1874) [9] Knox (1875) [10] Hình 1.5 Sáng chế cải tiến quạt thổi Roots Giai đoạn 2 (1900-1960) Đây là giai đoạn quạt thổi Roots bắt đầu đươc ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp gắn liền với sự phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai với sự ra đời của máy tính, các loại máy gia công tự động, sự phát triển của các phương tiện giao thông vận tải trong đó có máy bay. Năm 1900, Gottlieb Daimler đã nghiên cứu đề xuất ứng dụng quạt thổi Roots vào việc cung cấp không khí tươi cho các động cơ đốt trong tăng áp [11]. Tại Đức vào năm 1921, Mercedes đã giới thiệu những mẫu xe hơi đầu tiên trên thế giới có sử dụng bộ tăng áp Roots [12].
Năm 1926, Armstrong Siddeley phát triển dòng động cơ máy bay Jaguar được tích hợp bộ siêu tăng áp Roots.