ĐẶT VẤN ĐỀ Quạt thổi cao áp dạng Roots đƣợc phát minh từ những năm 1860, sau đó đƣợc công ty Roots Blower phát triển thành các sản phẩm thƣơng mại. Theo thời gian loại quạt này đã đƣợc phát triển với nhiều biến thể khác nhau để phù hợp với các ứng dụng cho các ngành công nghiệp khác nhau. Ngày nay, với sự phát triển của nền công nghiệp hiện đại loại quạt này đã và đang đƣợc ứng dụng khá phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau nhƣ công nghiệp hóa chất, công nghiệp giấy, các loại quạt thổi trong hệ thống thổi không khí trong động cơ tubô của các loại ôtô hiện đại (đời 2018), hay các loại phƣơng tiện cơ giới công suất lớn trong quốc phòng cũng nhƣ các hệ thống bơm ôxy tƣơi của các nhà máy nhiệt điện đốt than. Với những ứng dụng nhƣ ở trên loại quạt này đang đƣợc các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu theo nhiều phƣơng diện khác nhau để ngày càng hoàn thiện và tối ứu cho các ứng dụng khác nhau.
Nhƣng vấn đề này ở Việt nam thì còn rất hạn chế và chỉ đƣợc giới thiệu trong một số giáo trình còn tài liệu kỹ thuật hầu nhƣ không có. Do đó, việc nghiên cứu về loại quạt này có ý nghĩa thực tiễn và khoa học trong bối cảnh Việt Nam đang phải nhập khẩu 100% các loại quạt này để phục vụ cho quá trình duy tu bảo dƣỡng các dây chuyền sản xuất trong nƣớc đã đƣợc nhập khẩu để phát triển kinh tế. Nhƣ đã trình bày ở trên, cùng với sự định hƣớng của giảng viên hƣớng dẫn TS. Nguyễn Hồng Thái, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu : “Xác định sự biến đổi áp suất và lƣu lƣợng của quạt thổi cao áp trong các dây chuyền sản xuất tự động ” với mục đích nghiên cứu phát triển loại quạt này ở Việt Nam.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN - Thiết lập mô hình tính toán, mô tả sự biến đổi thể tích trong các khoang của quạt thổi cao áp dạng Roots. - Xác định biểu thức toán học dƣới dạng giải tích lƣu lƣợng trung bình. - Khảo sát các tham số thiết kế hình học để lựa chọn bộ thông số thiết kế tối ƣu nhất phục vụ bài toán thiết kế và chế tạo. -Chế tạo thử nghiệm một mẫu quạt thổi cao áp dạng Roots.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Thiết lập mô hình toán học biên dạng cánh quạt thổi cao áp dạng Roots. - Thiết lập mô hình toán dƣới dạng giải tích của lƣu lƣợng lý thuyết. - Thiết kế và chế tạo thực nghiệm một mẫu quạt thổi cao áp dạng Roots. - Các giả thiết đƣợc đặt ra là không có khe hở mặt đầu, khe hở cạnh răng cũng nhƣ sai số chế tạo và lắp ráp đƣợc bỏ qua.
- Các bài toán sóng va, sinh nhiệt, độ ồn và rung động chƣa đƣợc xét đến trong luận văn này. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN 4.1 Ý nghĩa khoa học + Các kết quả của luận văn là cơ sở để tiếp tục cho các nghiên cứu sâu hơn về quạt thổi cao áp dạng Roots. + Các biểu thức giải tích đƣợc thiết lập bởi luận văn có ý nghĩa quan trọng trong việc khảo sát lựa chọn bộ thông số tối ƣu khi thiết kế.2 Ý nghĩa thực tiễn Các kết quả của luận văn có thể làm tài liệu tham khảo cho quá trình thiết kế, chế tạo quạt thổi cao áp dạng Roots, cũng nhƣ sửa chữa bảo dƣỡng các loại quạt thổi cao áp cụ thể: - Khôi phục lại cánh quạt và toàn bộ thông số khi biết khoảng cách trục. - Thiết kế đƣợc quạt mới khi biết thông số công nghệ, áp suất và lƣu lƣợng.
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Luận văn đƣợc nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về bánh răng phẳng, đặc biệt là các bánh răng xyclôít ăn khớp ngoài. Trên cơ sở đó thiết lập phƣơng trình biên dạng, biểu thức tính toán lƣu lƣợng và thiết kế quạt. Để chứng minh cho lý thuyết đã thiết lập, luận văn và chế tạo thực nghiệm. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN Luận văn đƣợc trình bày trong 80 trang và cụ thể nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về các loại quạt thổi cao áp dạng Roots Chƣơng 1 của luận văn trình bày tổng quan về quạt thổi cao áp dạng Roots nhƣ: lịch sử quá trình hình thành và phát triển của các loại quạt thổi cao áp dạng Roots, cũng 2 nhƣ các ứng dụng của các loại quạt thổi cao áp dạng Roots trong công nghiệp.
Trên cơ sở đó đề ra mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể phải thực hiện của luận văn. Chƣơng 2: Thiết kế biên dạng rôto của quạt thổi cao áp dạng Roots Chƣơng này trình bày nguyên lý hoạt động và cấu tạo của quạt, cơ sở lý thuyết về đƣờng Epixyclôít và Hypôxyclôít, các biên dạng rôto của quạt cũng nhƣ các thông số thiết kế hình học đặc trƣng của quạt và lƣu lƣợng trung bình của quạt. Đây là tiền đề cho các chƣơng tiếp theo. Chƣơng 3: Thiết lập biểu thức giải tích xác định sự biến đổi thể tích khoang hút và khoang đẩy của quạt Trên cơ sở biên dạng rôto của quạt thổi cao áp dạng Roots đã đƣợc xây dựng ở chƣơng 2, chƣơng 3 của luận văn trình bày sự hình thành khoang hút và khoang đẩy cũng nhƣ xác định diện tích các khoang hút và khoang đẩy theo góc quay của trục dẫn động.
Bên cạnh đó, chƣơng 3 cũng khảo sát ảnh hƣởng của các thông số thiết kế đến thể tích khoang hút, khoang đẩy và lƣu lƣợng trung bình của quạt. Chƣơng 4: Ảnh hƣởng của các thông số thiết kế hình học đặc trƣng đến áp suất và lƣu lƣợng của quạt Trong chƣơng 4 của luận văn, biểu thức xác định áp suất trong các khoang hút và khoang đẩy của quạt đƣợc xây dựng. Qua đó, khảo sát ảnh hƣởng của các thông số thiết kế hình học đặc trƣng đến sự biến đổi áp suất trong các khoang hút và khoang đẩy của quạt. Từ đó luận văn đƣa ra phƣơng án tối ƣu để thiết kế và chế tạo thực nghiệm.
Kết luận Phần này trình bày các kết quả nghiên cứu của luận văn và đề ra các hƣớng nghiên cứu để tiếp tục hoàn thiện kết quả nghiên cứu. 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI QUẠT THỔI CAO ÁP DẠNG ROOTS 1.1 Lịch sử phát triển của các loại quạt thổi Roots Quạt thổi cao áp dạng Roots là loại máy có thiết kế, kết cấu cơ khí đơn giản và đƣợc ra đời từ rất lâu, có lịch sử phát triển từ hàng trăm năm trƣớc. Thiết kế đầu tiên của loại quạt này đƣợc cấp bằng sáng chế năm 1860 bởi hai nhà thiết kế ngƣời mỹ là Philander Higley and Francis Marion Roots. Từ năm 1944, Roots blower là một thƣơng hiệu của công ty Dresser Industries và hiện nay hãng quạt Dresser vẫn sản xuất loại quạt này[1].
Ngày nay, loại máy này đã đƣợc nghiên cứu và chế tạo bởi rất nhiều hãng trên thế giới nhƣ: Robuschi Blower của Italy, Dresser Root của Mỹ, Một số hãng sản xuất máy thổi khí của nhật: Heywel, Alnet, Tsurumi. Một số hãng của Đài Loan, Trung Quốc nhƣ: Longtech, Taiko, Changsha, Fusheng, Aowei, Grea tech,. Tuy nhiên, các máy xuất xứ châu Âu hoặc Nhật luôn có đƣợc chất lƣợng tốt hơn và giá cả sẽ đắt hơn (gấp khoảng 2 ÷ 3 lần) so với các máy thổi khí cùng thông số xuất xứ từ Đài Loan, Trung Quốc. Do vậy, tùy vào nguồn tài chính kinh tế và yêu cầu sử dụng mà ngƣời ta lựa chọn máy thổi khí phù hợp với mục đích sử dụng.1 Quạt thổi cao áp dạng Roots Đài Loan Trung Quốc 4 1.2 Các ứng dụng của các loại quạt thổi cao áp dạng Roots trong công nghiệp Trong những năm gần đây quạt thổi cao áp dạng Roots đang đƣợc ứng dụng phổ biến trong công nghiệp cũng nhƣ trong các thiết bị dân dụng trong đời sống hàng ngày.
Tuy nhiên, chúng ta gần nhƣ không biết nhiều về loại thiết bị có thiết kế đơn giản này, ngay cả đối với những ngƣời tiếp xúc trực tiếp với các ứng dụng của quạt thổi cao áp dạng Roots.1 Ứng dụng trong việc vận chuyển nguyên liệu rời Hình 1.2 Máy hút thổi trấu công nghệ silo lắng Việc vận chuyển nguyên liệu rời bằng dòng khí dựa trên nguyên lý sử dụng sự chuyển động của dòng khí trong ống dẫn với tốc độ đủ lớn để mang nguyên liệu từ vị trí này đến vị trí khác. Quạt thổi cao áp Roots ở đây đóng vai trò là thiết bị tạo ra dòng khí chuyển động có lƣu lƣợng và tốc độ đủ lớn để vận chuyển các nguyên liệu rời. Việc sử dụng dòng khí để vận chuyển nguyên liệu đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, cũng nhƣ nông nghiệp khác nhau nhƣ: Công nghiệp thực phẩm, công nghiệp nặng, hay cơ khí hóa nông nghiệp. Tuy nhiên, một ứng dụng nổi bật của quạt thổi cao áp dạng Roots trong lĩnh vực này là quạt hút thổi nguyên liệu rời, đƣợc ứng dụng để hút thổi nhiều loại nguyên liệu khác nhau nhƣ: lúa, ngô, đậu lành, cà phê, bột mì, bột cám ngô v.
quạt đƣợc dùng trong việc vận chuyển nguyên liệu từ thuyền vào kho, từ kho lên nhà máy, silo, hay vận chuyển từ kho lên các xe bồn. Quạt hút thổi nguyên liệu rời 5 đang đƣợc ứng dụng rất phổ biến tại đồng bằng sông cửu long, qua đó nâng cao hiệu quả sản xuất, góp phần cơ khí hóa nông nghiệp.2 Ứng dụng trong hệ thống xử lý nƣớc thải công nghiệp Hình 1.3 Hệ thống xử lý nƣớc thải công nghiệp [2] Hiện nay, trên cả nƣớc có rất nhiều khu công nghiệp và khu chế xuất hoạt động đã và đang giải quyết đƣợc vấn đề việc làm cho ngƣời lao động và góp phần không nhỏ vào sự tăng trƣởng của nền kinh tế. Nhƣng bên cạnh đó, môi trƣờng cũng đang bị đe dọa và ô nhiễm trầm trọng bởi chất thải từ các khu công nghiệp và các khu chế xuất thải trực tiếp ra môi trƣờng không qua xử lý. Trong lịch sử phát triển loài ngƣời, chƣa bao giờ môi trƣờng và điều kiện sống lại đƣợc quan tâm nhƣ những năm gần đây.
Vì vậy, việc xây dựng các trạm nhà máy xử lý nƣớc thải đã và đang chở thành điều bắt buộc đối với khu công nghiệp, khu chế suất. Quạt thổi cao áp dạng Roots đƣợc sử dụng để sục khí cho các bể điều hòa và bể vi sinh học, quạt sẽ cung cấp một lƣợng ôxy để giúp quá trình ôxy hóa các chất hƣu cơ, và phát triển các vi sinh vật trong nƣớc.