Luận văn Thạc sĩ: Khảo sát tối ưu kích thước, lưu lượng bơm Roots không tiếp xúc

Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa kích thước và lưu lượng bơm Roots, nâng cao hiệu suất hoạt động và tiết kiệm năng lượng trong hệ thống chân không công nghiệp.

• Tác giả: Trần Huy Toàn
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Hồng Phúc
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Khảo Sát Tối Ưu Kích Thước, Lưu Lượng Của Bơm Thể Tích Kiểu Rotor Không Tiếp Xúc
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Bơm Roots và Nguyên lý Hoạt động

Bơm Roots là một loại bơm thể tích kiểu rotor không tiếp xúc được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Bơm này hoạt động dựa trên nguyên lý quay hai rotor theo hình dạng đặc biệt, tạo ra lưu lượng ổn định và áp suất nhất quán. Lịch sử phát triển của bơm Roots bắt đầu từ thế kỷ 19 và đã trải qua nhiều cải tiến công nghệ. Ngày nay, bơm Roots được ứng dụng trong vận chuyển vật liệu, xử lý nước thải, công nghệ chân không, và nhiều lĩnh vực khác. Việc tối ưu kích thước và lưu lượng bơm là yếu tố quyết định để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí vận hành. Nghiên cứu luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc khảo sát và tối ưu hóa các thông số thiết kế của bơm Roots kiểu rotor không tiếp xúc.

1.1. Nguyên lý hoạt động của bơm Roots

Nguyên lý hoạt động của bơm Roots dựa trên hai rotor quay ngược chiều nhau, tạo các khoảng không gian thay đổi liên tục. Khi rotor quay, chúng hút chất lỏng từ cổng vào và đẩy nó đến cổng ra. Lưu lượng bơm được xác định bởi thể tích quét của rotor và tốc độ quay. Tính chất không tiếp xúc giữa hai rotor giảm ma sát và hao mòn, tối ưu kích thước giúp nâng cao độ tin cậy.

1.2. Ứng dụng của bơm Roots trong công nghiệp

Bơm Roots được ứng dụng rộng rãi trong vận chuyển hạt, xử lý nước, công nghệ sạch, và chân không. Trong ngành công nghiệp đồ uống và thực phẩm, lưu lượng ổn định của bơm Roots đảm bảo chất lượng sản phẩm. Khả năng tối ưu lưu lượng bơm giúp các ứng dụng này đạt hiệu suất cao nhất.

II. Mô hình Toán học Biến dạng Rotor Bơm Roots

Mô hình toán học cho biến dạng rotor là nền tảng quan trọng để tối ưu kích thước bơm Roots. Luận văn sử dụng các phương trình toán học phức tạp để mô tả hình dạng của rotor, bao gồm đường cong epicycloit và hypocycloit. Các thông số thiết kế như hệ số tỷ số hàm, diametr cơ sở, và chiều dài rotor được xác định thông qua các phương trình này. Việc so sánh biên dạng rotor giữa bơm Roots truyền thống và bơm Roots cải tiến cho phép xác định những tối ưu hóa kích thước có khả năng cải thiện hiệu suất. Phương pháp này cho phép các nhà thiết kế điều chỉnh lưu lượng bơm một cách chính xác theo yêu cầu ứng dụng.

2.1. Phương trình biến dạng đỉnh và chân răng

Phương trình epicycloit và hypocycloit được sử dụng để xác định biên dạng rotor chính xác. Hệ số tỷ số hàm quyết định hình dạng cuối cùng của rotor. Việc tối ưu kích thước rotor dựa trên các phương trình này giúp cải thiện khít khớp giữa hai rotor.

2.2. So sánh kích thước bơm Roots truyền thống và cải tiến

Bơm Roots truyền thống có biên dạng đơn giản, trong khi bơm Roots cải tiến sử dụng biên dạng phức tạp hơn. Tối ưu lưu lượng và kích thước giúp bơm cải tiến đạt hiệu suất cao hơn, giảm dao động, và hạn chế rò rỉ.

III. Mô phỏng Số sử dụng ANSYS CFX

Mô phỏng số là công cụ quan trọng để xác định phương án thiết kế bơm Roots tối ưu. Luận văn sử dụng mô đun CFX của ANSYS để tính toán dòng chảy, áp suất, và lưu lượng tức thời trong bơm. Quá trình mô phỏng bao gồm xây dựng mô hình 3D, chia lưới, thiết lập điều kiện biên, và chạy chương trình tính toán. Điều kiện biên bao gồm áp suất đầu vào, áp suất đầu ra, và tốc độ quay của rotor. Kết quả mô phỏng cho phép đánh giá hiệu suất bơm, xác định lưu lượng thực tế, và tối ưu kích thước rotor để đạt hiệu quả cao nhất.

3.1. Xây dựng mô hình 3D và chia lưới

Mô hình 3D của bơm Roots gồm rotor, vỏ bơm, và các cổng vào/ra được xây dựng bằng phần mềm CAD. Chia lưới sử dụng ICEM CEFD để tạo lưới tự động, đảm bảo độ chính xác. Kích thước lưới ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của mô phỏng lưu lượng bơm.

3.2. Thiết lập điều kiện biên và chạy mô phỏng

Điều kiện biên được thiết lập tại đầu vào, đầu ra, và tường bơm. Tốc độ quay rotor được nhập làm điều kiện ranh giới chuyển động. Sau khi chạy mô phỏng CFX, kết quả cho biết lưu lượng tức thời, áp suất, và dao động áp suất của bơm Roots.

IV. Kết quả Khảo sát và Tối ưu hóa Bơm Roots

Kết quả mô phỏng số cung cấp dữ liệu chi tiết về lưu lượng bơm theo hệ số thiết kế khác nhau. Khảo sát lưu lượng tức thời cho thấy dao động trong quá trình làm việc, từ đó xác định được tối ưu kích thước rotor để giảm thiểu dao động. Nghiên cứu áp suất theo hệ số giúp hiểu rõ ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến hiệu suất bơm. Lưu lượng thực tế của bơm có thể khác với lý thuyết do rò rỉ và mất độ lấp đầy. Bằng cách tối ưu hóa kích thước rotor, chiều dài rotor, và tỉ số hàm, có thể cải thiện lưu lượng bơm và giảm tiêu thụ năng lượng. Những phát hiện này cung cấp căn cứ để thiết kế bơm Roots tối ưu cho các ứng dụng cụ thể.

4.1. Khảo sát lưu lượng theo các hệ số thiết kế

Lưu lượng tức thời được theo dõi trên một chu kỳ quay hoàn chỉnh. Dao động lưu lượng phụ thuộc vào hệ số thiết kế như tỉ số hàm, số cánh rotor, và khe hở. Bằng tối ưu lưu lượng, có thể đạt được lưu lượng ổn định hơn.

4.2. Phân tích áp suất và dao động bơm Roots

Áp suất trong bơm biến đổi theo vị trí rotor, tạo ra dao động áp suất đặc trưng. Tối ưu kích thước giúp giảm biên độ dao động, cải thiện độ ổn định. Kết quả cho thấy bơm Roots cải tiến có áp suất ổn định hơn bơm truyền thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 - CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC BIẾN DANG ROTO 2.1 Nguyễn lý hình thành biên dạng 2.2 Phương trình Elip lãn.3 Phươngtrình bién dang dinh rét 2.4 Phuong trinh bién dang chin rato.5 So sánh sánh kích thước biên dạng bơm Roois kiến nmới vớibơm Roots truyêian thông 29 5.1 Bién dang bam Koots truyền thing [49] coe 29 2.2 Khảo sát kích thước đông học đến biên dạng bơm Roots 30 2.6Tỷ số hàm: - 31 2.1 Cơ sở lý thuyết tỷ số hàm truyở 1.2 Cơ sở lý thuyết tỷsố tuyển của cặp ảnh rằng ân"khớp ngoài 33 2.7 Thông số thiệt kế của bơm Roots Kết luận chương 2. CƠ SỐ LÝ THUYẾT VE M6 BUN CEX C UA ANSYS TRONG TỈNH TOẢN MÔ PHÒNG SỐ.1 Giới thiệu vé mé dun CFX cia Ansys 3. Cáe tính năng của mồ đun CEX 3.3 Cáo bước thiết lập trong tính toán và mô phỏng - cc) 3.1 Thiết lap m6 hinh bai Loan - 3.4 Chay chương trình Solutiort Kết luận chương 3.

TĨNH TOÁN MÔ PHÒNG NHẰM XÁC ĐỊNH PHƯƠNG ẤN THIETKE BOM ROOTS TÔI ƯU.1 Dat van dé. 42 Dit điều kiện biên cho bài toán mô phóng 36 ofa bom Roots 4.3 Mô tả thông số bơm Reots 4-4 Trình bày két qua mé phéng .5 Khảo sắt hưu lượng theo hệ số 2.1 Khảo sát lưu lượng tức thời theo hệ số A.2 Dao động lưu lượng tức thời 4/6 Khảo sắt ấp suất theo hệ số 4.1 Khio sal ap suất theo hệ số A.2 Dao động áp suất của bơm Roots kết luận chương 4. XÉT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, TÀI LIỆU THAM KHẢO. DANH MUC HiNH VE Hình Hinh 1.1 Một số mâu bơm Roots [5] Hinh 12 Nguyên lý hoạt động của bơm.3 Cau tao bom Roots [6] Hinh 14 Sơ đỏ vận chuyển nguyen | liệu thô đạng hạt Hình 1S Sơ đỗ ứng dụng vàn chuyển.6 Sơ đồ ứng dụng trong ngành công nghệ sạch.7 Ung dung bom Roots trong xứ lý nước Hinh 1.8 Ung dụng trong sân xuat d6 uéng Hinh 1.9 Ung dung trong xử lý chân không.10 Ứng dụng trong kiếm tra và đóng gói Hình 1.11 Ung đụng trong trong công, nghiệp Hình 1.12 Phát mình loại bơm Roots cải tiên biên dạng roto là đường xyclôit P] Hình 1.13 Phat minh loại bơm Roots giảm thiếu rõ rỉ, đao động khí trong quả trình làm việc [8] Hinh 1.14 Phát minh loại bơm Roots nhiêu tầng [48] Hình 2.1 Nguyên lý hình thành biên đang, Hình 22 Đường lăn elip trong tọa độ cực.

Hình 23 Đặt hệ quy chiều thiết lập phương trình đỉnh răng Hình 24 Tọa độ điểm ©, trong hệ 4/(Y;7Z¿)Epixyeloit Hình 25 Đô thủ đường đỉnh rô tô Epixiclôit được thành lập từ Matlab. Hình 26 Đặt hệ quy chiêu thiết lập phương trình chân răng. Hình 27 Tọa độ điểm O, trong hé 9,(X,¥,Z,)hipoxycloit Hình 28 Do thi dong chan 16 to Hipoxicléit curge thanh lap tit Matlab Hình 2.9 Xac dinh géc a, Hình 2.10 Đô thị cánh rôto xuât từ Matlab Hình 2.11 Mô tả rôto 2 cảnh đạng 2D.12 Mô tả roto 2 cảnh dạng 3D Hinh 2.13 Mé ta bom Roots 2 réto Hình 2.14 Biên dang bom Roots truyén thong Hình 2.15 Cổ định chiều đài biên dạng rôto Hình 2.16 Đô thị khảo sát kích thước biên dang réto Hình 2.17 Mô tả ăn khớp của cặp rôto Hình 2.18 Duong lan của 2 roto Hình 2.19 Đồ thị biểu điền liên hệ ø,,Ø, Hình 220 “Thông số thiết kế bom Roots Hinh 3.1 Câu trúc bài toàn mô phỏng.2 Mô hình 3D của roto Hình 3.3 Mô hình 3D của vỏ bơm Hình 34 Mô hình 3D bơm hoàn chỉnh.5 Vũng đâu vào (Inlet) Hinh 3.6 Vig dau ra (Outlet) Hinh 3.7 Giao diện chia lưới tự động.8 Kết quả chia lưới tư động thô Hinh 3.9 Kết quả chia lưới tự động tỉnh Hinh 3.10 Cau tric module chia lưới ICEM CEFD. iv DANH MUC BANG Noi dung, Khảo sát kích thước biên dạng bom Roots 31 “Thông số thiết kế bơm Roots 36 Thông số chỉ tiết của bơm chia lưới thỏ 43 ‘Thong s6 chỉ tiết của bơm cha lưới tỉnh 4? Khao sat thông số lưới theo hệ số 2.2 Lưu lượng trưng bình chu kỳ 4 9 Bang 4.3 Dao động lưu lượng 95 Bang 4 Áp suất trung bình và đao động áp suất theo giá trị 2.

97 vil Trình 3.11 Giao điện công cn IC rn Hình 3.12 Réto sau khi xóa đường và điểm Hình 3.13 Réto sau khi hop mat 1nh 3.14 Thêm tác mặt của 1ôto Hình 3.15 Cây thir muc va các mặt san khi được định nghĩa Hình 3.16 Tạo khối để bao bèn ngoài rồto Hình 3.17 Các lệnh trong liệp thoại Blocking, Ázeocialiorts.18 Réto sau khi sử dụng lệnh Associare Rdge ta Curve Hinh 3.19 Réto sau khi sit dung lệnh Snap Project Vertices Hình 3.20 Từng lệnh Assucinle Face to Surface chon Trình 3.21 Réto da duge dinh ngirta Hình 3.22 Réto sau khi sử dựng lệnh Split Block Hình 3.23 Réto sau khi sit dang lénh Ogrid Block Tinh 3.24 Dùng lệnh Split Block để chúa nhỏ khối.25 Dinh nghia 16 sit đụng lệnh Associate Face to Surface Hinh 3.26 "Thực luện chúa nhỏ các đường thánhw nút Hinh 3.27 Thực hiện chia nhỏ các đường thành mút theo tỷ Tệ chiều dài Hinh 3.28 Réto sau khi đã chia hưới Hinh 3.29 Bảng thể hiện chất lượng lưới Tinh 3.30 Bảng mô tả chỉ tiết số phần tử lưới Hình 3.31 Một số vị trí lưới cỏ chất lượng, chưa cao.32 Rôto sau khi đã được chia hoàn chỉnh Hình 3.33 Thông số sau khu clủa lưới Hình 3.31 So sánh về phân bố lưới tự động và ICEM CED Hình 3.35 Sơ sánh mật độ lớp biên lưới tự động và ICEM CFD Hình 3.36 Chữa lưới bằng ICEM CFD ola v6 bum Uinh 3.37 Giao điện thiết lập điên kiện hiển Hinh 3.38 "Thiết lập hệ trục tọa độ cho rồto 1 Hinh 3.39 Tê trục tọa độ cho tôto 1 và rồto 2 TBnh 3.46 'Tiuết lập thông số cho rộto 1 Hình 3.41 Thiết lập thông số cho tồto 2 Hình 3.42 Thiết lập điêu kiện chơ vỏ bơm. Chọn mô hình giải cho động lưu chất.44 Thêm đường, biên giới han Hình 345 Thiết lập điện kiện biên cho đâu vào Hình 3.46 TTiuết lập điều kiện biên cho đầu ra.47 Khai baa ham Hinh 3.48 "Thiết lập thời gian cho bài toán.49 Thiết lập các đối tượng mở phỏng, Tinh 3.50 Giao điện yud tinh mo phong Hình 3.51 'ết quả chạy san khi đã hội rụ.1 Giao điện phân chạy kết quả.2 Giao điện phẩm hêm khôi tình 4.3 Giao điện sau khi thêm khối Hình 44 Két qua bom khi thêm khối Hinh 4.5 él qua um kid thé mặt phẳng, Uinh 4.6 Chọn đối tượng để biểu dién trên mật phẳng, Hinh 4.7 Áp suất tại các góc đặc Liệt khú 2.8 Ấp suất tại các góc đặc biệt khi 2= 0: Hình 4.8 Ấp suất tại các góc đặc biệt khi 2.10 Áp suất tại các góc đặc biệt khi 2= 0.1 Dat van dé. 42 Dit điều kiện biên cho bài toán mô phóng 36 ofa bom Roots 4.3 Mô tả thông số bơm Reots 4-4 Trình bày két qua mé phéng .5 Khảo sắt hưu lượng theo hệ số 2.1 Khảo sát lưu lượng tức thời theo hệ số A.2 Dao động lưu lượng tức thời 4/6 Khảo sắt ấp suất theo hệ số 4.1 Khio sal ap suất theo hệ số A.2 Dao động áp suất của bơm Roots kết luận chương 4. XÉT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, TÀI LIỆU THAM KHẢO.1 Dat van dé.

42 Dit điều kiện biên cho bài toán mô phóng 36 ofa bom Roots 4.3 Mô tả thông số bơm Reots 4-4 Trình bày két qua mé phéng .5 Khảo sắt hưu lượng theo hệ số 2.1 Khảo sát lưu lượng tức thời theo hệ số A.2 Dao động lưu lượng tức thời 4/6 Khảo sắt ấp suất theo hệ số 4.1 Khio sal ap suất theo hệ số A.2 Dao động áp suất của bơm Roots kết luận chương 4. XÉT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, TÀI LIỆU THAM KHẢO. DANH MUC HiNH VE Hình Hinh 1.1 Một số mâu bơm Roots [5] Hinh 12 Nguyên lý hoạt động của bơm.3 Cau tao bom Roots [6] Hinh 14 Sơ đỏ vận chuyển nguyen | liệu thô đạng hạt Hình 1S Sơ đỗ ứng dụng vàn chuyển.6 Sơ đồ ứng dụng trong ngành công nghệ sạch.7 Ung dung bom Roots trong xứ lý nước Hinh 1.8 Ung dụng trong sân xuat d6 uéng Hinh 1.9 Ung dung trong xử lý chân không.10 Ứng dụng trong kiếm tra và đóng gói Hình 1.11 Ung đụng trong trong công, nghiệp Hình 1.12 Phát mình loại bơm Roots cải tiên biên dạng roto là đường xyclôit P] Hình 1.13 Phat minh loại bơm Roots giảm thiếu rõ rỉ, đao động khí trong quả trình làm việc [8] Hinh 1.14 Phát minh loại bơm Roots nhiêu tầng [48] Hình 2.1 Nguyên lý hình thành biên đang, Hình 22 Đường lăn elip trong tọa độ cực. Hình 23 Đặt hệ quy chiều thiết lập phương trình đỉnh răng Hình 24 Tọa độ điểm ©, trong hệ 4/(Y;7Z¿)Epixyeloit Hình 25 Đô thủ đường đỉnh rô tô Epixiclôit được thành lập từ Matlab.

Hình 26 Đặt hệ quy chiêu thiết lập phương trình chân răng. Hình 27 Tọa độ điểm O, trong hé 9,(X,¥,Z,)hipoxycloit Hình 28 Do thi dong chan 16 to Hipoxicléit curge thanh lap tit Matlab Hình 2.9 Xac dinh géc a, Hình 2.10 Đô thị cánh rôto xuât từ Matlab Hình 2.11 Mô tả rôto 2 cảnh đạng 2D.12 Mô tả roto 2 cảnh dạng 3D Hinh 2.13 Mé ta bom Roots 2 réto Hình 2.14 Biên dang bom Roots truyén thong Hình 2.15 Cổ định chiều đài biên dạng rôto Hình 2.16 Đô thị khảo sát kích thước biên dang réto Hình 2.17 Mô tả ăn khớp của cặp rôto Hình 2.18 Duong lan của 2 roto Hình 2.19 Đồ thị biểu điền liên hệ ø,,Ø, Hình 220 “Thông số thiết kế bom Roots Hinh 3.1 Câu trúc bài toàn mô phỏng.2 Mô hình 3D của roto Hình 3.3 Mô hình 3D của vỏ bơm Hình 34 Mô hình 3D bơm hoàn chỉnh.5 Vũng đâu vào (Inlet) Hinh 3.6 Vig dau ra (Outlet) Hinh 3.7 Giao diện chia lưới tự động.8 Kết quả chia lưới tư động thô Hinh 3.9 Kết quả chia lưới tự động tỉnh Hinh 3.10 Cau tric module chia lưới ICEM CEFD.11 Áp suất tại các góc đặc biệt Khi 2. Áp mnất tại các góc đặc biệt khi 2.13 Trung véctu cima bom Rools 78 Himh 4.14 Trường véctơ tại các góc đặc biết khiA 0. Trường véctơ tại các góc đặc biệt Khi A— 0.16 - Trường vẻctơ tại cá góc đặc biệt khi A= 0.17 Tawimg vécte tai cic woe die biệt khí Â = 0.18 Trường vẻctơ tại các góc đặc biệt khi 4 — 0,9 R3 Hinh 4.19 Trường véctơ tại các góc đặc biệt khiA 1 #4 Hình4.20 Biểnthì đường dong 85 Iĩnh 4.21 Thiết lập cho đường dòng BS Hìmh 422 Đường đòng tại các góc đặc biệt khi A— 0.23 Đường đỏng tại các góc đặc biệt khiA.

Đường đòng tại các góc đặc biệt khi À.23 Dường đồng tại các góc đặc biệt khi A.26 Đường đồng tại các góc đặc biệt Khi A.27 Đường đồng tạ các góc đặc biệt khiA 1 91 Tính 4.