Tổng quan nghiên cứu

Quạt thổi cao áp dạng Roots là thiết bị cơ khí thể tích có lịch sử phát triển từ năm 1860, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại như hóa chất, giấy, nhiệt điện, nuôi trồng thủy sản và xử lý nước thải. Theo ước tính, các loại quạt này đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nguyên liệu rời, cung cấp khí oxy trong các hệ thống xử lý nước thải và tăng hiệu quả nuôi trồng thủy sản nhờ khả năng sục khí hiệu quả. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc nghiên cứu chuyên sâu về quạt Roots còn hạn chế, chủ yếu dựa trên tài liệu nước ngoài và nhập khẩu thiết bị.

Luận văn thạc sĩ này nhằm mục tiêu thiết lập mô hình toán học xác định sự biến đổi áp suất và lưu lượng của quạt thổi cao áp dạng Roots trong các dây chuyền sản xuất tự động, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế hình học đến hiệu suất làm việc của quạt. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các loại quạt Roots có số răng từ 2 đến 5, với các phân tích lý thuyết và thực nghiệm được thực hiện tại Việt Nam trong năm 2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán cho quạt Roots, đồng thời có giá trị thực tiễn trong thiết kế, chế tạo và bảo dưỡng quạt thổi cao áp trong nước, góp phần giảm phụ thuộc vào nhập khẩu và nâng cao hiệu quả sản xuất công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về bánh răng phẳng, đặc biệt là các bánh răng xyclôít ăn khớp ngoài, để mô tả biên dạng rôto của quạt Roots. Hai loại đường cong chính được sử dụng là đường epixyclôít và hypôxyclôít, tạo thành biên dạng đỉnh và chân răng của rôto.

Mô hình toán học được xây dựng dựa trên các phương trình biểu diễn sự lăn không trượt của vòng sinh trên đường tâm tích bánh răng, từ đó xác định diện tích và thể tích biến thiên của các khoang hút và đẩy theo góc quay trục dẫn động. Các khái niệm chính bao gồm: số răng rôto (Z), bán kính tâm tích sinh (r), bán kính tâm tích bánh răng (R), diện tích khoang hút (SKH), diện tích khoang đẩy (SKD), và lưu lượng trung bình (Q).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật và hình học của quạt Roots được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành và thực nghiệm chế tạo mẫu quạt tại phòng thí nghiệm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các loại quạt Roots với số răng từ 2 đến 5, chiều dày rôto khoảng 40 mm, bán kính tâm tích sinh từ 20 mm trở lên.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình toán học giải tích để tính toán biến đổi diện tích và thể tích khoang hút, khoang đẩy theo góc quay, từ đó xác định áp suất và lưu lượng. Các công thức được lập trình trên phần mềm Matlab để mô phỏng và trực quan hóa kết quả dưới dạng đồ thị biến thiên thể tích và áp suất.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, bao gồm các giai đoạn: tổng hợp lý thuyết, thiết kế mô hình, tính toán mô phỏng, chế tạo mẫu thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến đổi thể tích khoang hút và khoang đẩy theo góc quay:
    Với quạt Roots 2 răng, thể tích khoang đẩy biến đổi theo chu kỳ 4 lần mỗi vòng quay trục, thể tích khoang hút biến đổi tương ứng, với tổng thể tích biến thiên đạt khoảng 96$r^2$ mm³ (với $r$ là bán kính tâm tích sinh). Quạt 3 răng có chu kỳ biến đổi thể tích 6 lần mỗi vòng quay, tổng thể tích biến thiên khoảng 256$r^2$ mm³, cao hơn 166% so với loại 2 răng.

  2. Ảnh hưởng số răng đến áp suất và lưu lượng:
    Số răng tăng từ 2 đến 5 làm tăng lưu lượng trung bình của quạt lên đến khoảng 40%, đồng thời áp suất trong khoang đẩy cũng tăng theo, nhờ diện tích khoang làm việc lớn hơn và chu kỳ biến đổi thể tích nhiều hơn.

  3. Ảnh hưởng các thông số hình học:
    Bán kính tâm tích sinh (r) và khoảng cách giữa hai trục (a) ảnh hưởng trực tiếp đến thể tích khoang và lưu lượng. Khi tăng $r$ và giảm $Z$ (số răng), thể tích khoang đẩy tăng lên, giúp tăng lưu lượng nhưng có thể làm giảm áp suất do giảm số chu kỳ biến đổi thể tích.

  4. Mô hình toán học và thực nghiệm:
    Mô hình giải tích xây dựng cho phép dự đoán chính xác sự biến đổi áp suất và lưu lượng, kết quả mô phỏng phù hợp với dữ liệu thực nghiệm chế tạo mẫu quạt Roots tại phòng thí nghiệm, với sai số dưới 5%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến đổi áp suất và lưu lượng là do cấu trúc biên dạng rôto dựa trên các đường epixyclôít và hypôxyclôít, tạo ra các khoang hút và đẩy có thể tích thay đổi theo góc quay. Số răng và bán kính tâm tích sinh là các tham số thiết kế quan trọng quyết định hiệu suất quạt.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các mô hình tối ưu biên dạng rôto nhằm tăng lưu lượng và giảm tổn thất áp suất. Việc áp dụng mô hình giải tích giúp giảm chi phí thử nghiệm và tối ưu thiết kế trước khi chế tạo thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ biến thiên thể tích khoang hút và đẩy theo góc quay, biểu đồ áp suất biến đổi trong khoang, và bảng so sánh lưu lượng trung bình theo số răng rôto, giúp trực quan hóa hiệu quả thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu số răng và bán kính tâm tích sinh:
    Đề xuất thiết kế quạt Roots với số răng từ 3 đến 4 và bán kính tâm tích sinh phù hợp để cân bằng giữa lưu lượng và áp suất, nâng cao hiệu suất làm việc. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: các nhà thiết kế và kỹ sư cơ khí.

  2. Áp dụng mô hình giải tích trong thiết kế:
    Khuyến khích sử dụng mô hình toán học giải tích để mô phỏng trước khi chế tạo, giúp giảm chi phí và thời gian thử nghiệm. Thời gian triển khai: liên tục trong quá trình thiết kế, chủ thể: phòng nghiên cứu và phát triển.

  3. Chế tạo và thử nghiệm mẫu quạt:
    Thực hiện chế tạo mẫu thử nghiệm dựa trên thông số tối ưu, đánh giá hiệu suất thực tế và điều chỉnh thiết kế. Thời gian: 9 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất.

  4. Nâng cao công nghệ gia công và kiểm soát khe hở:
    Đề xuất cải tiến công nghệ gia công để giảm khe hở giữa rôto và stator xuống dưới 0,1 mm nhằm giảm tổn thất áp suất và tăng tuổi thọ quạt. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: nhà máy sản xuất và kỹ sư công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế cơ khí và cơ điện tử:
    Hưởng lợi từ mô hình toán học và phương pháp thiết kế biên dạng rôto, giúp tối ưu hóa sản phẩm quạt Roots cho các ứng dụng công nghiệp.

  2. Nhà sản xuất và chế tạo quạt công nghiệp:
    Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí nhập khẩu và phát triển sản phẩm nội địa.

  3. Chuyên gia bảo trì và vận hành dây chuyền sản xuất tự động:
    Sử dụng kiến thức về biến đổi áp suất và lưu lượng để cải thiện hiệu quả vận hành, phát hiện và xử lý sự cố kịp thời.

  4. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử:
    Tham khảo làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu sâu hơn về quạt Roots, mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quạt thổi cao áp dạng Roots có ưu điểm gì so với các loại quạt khác?
    Quạt Roots có cấu tạo đơn giản, hiệu suất ổn định, khả năng tạo áp suất cao và lưu lượng lớn, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp như vận chuyển nguyên liệu và sục khí.

  2. Các thông số thiết kế nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất quạt?
    Số răng rôto (Z), bán kính tâm tích sinh (r), và khe hở giữa rôto và stator là các yếu tố quan trọng quyết định lưu lượng và áp suất của quạt.

  3. Mô hình toán học giải tích có thể áp dụng cho các loại quạt Roots khác nhau không?
    Mô hình có thể điều chỉnh cho các loại quạt Roots với số răng khác nhau và kích thước khác nhau, giúp dự đoán chính xác biến đổi thể tích và áp suất.

  4. Làm thế nào để giảm tổn thất áp suất trong quạt Roots?
    Giảm khe hở giữa các bộ phận, tối ưu biên dạng rôto và sử dụng vật liệu có độ bền cao giúp giảm tổn thất áp suất và tăng hiệu suất.

  5. Nghiên cứu này có thể hỗ trợ gì cho việc sản xuất quạt Roots trong nước?
    Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình thiết kế, giúp các nhà sản xuất trong nước phát triển sản phẩm chất lượng, giảm phụ thuộc nhập khẩu và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Kết luận

  • Đã thiết lập thành công mô hình toán học giải tích xác định sự biến đổi thể tích, áp suất và lưu lượng của quạt thổi cao áp dạng Roots với các loại từ 2 đến 5 răng.
  • Khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các thông số thiết kế hình học đến hiệu suất quạt, làm cơ sở cho việc tối ưu thiết kế.
  • Kết quả mô phỏng phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, chứng minh tính khả thi của mô hình trong thiết kế và chế tạo.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và công nghệ gia công nhằm nâng cao hiệu suất và tuổi thọ quạt.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào giảm tổn thất do khe hở, tiếng ồn và rung động, cũng như ứng dụng vật liệu mới cho rôto.

Next steps: Triển khai chế tạo mẫu thử nghiệm theo thông số tối ưu, đánh giá hiệu suất thực tế và hoàn thiện công nghệ sản xuất.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực cơ điện tử được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm quạt Roots nội địa, góp phần nâng cao năng lực công nghiệp quốc gia.