Hiệu suất hoạt động và độ bền của quạt hướng trục phụ thuộc chủ yếu vào thiết kế cánh quạt, trong đó biên dạng cánh đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định đặc tính khí động học và
Trang 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG -
BÀI TẬP LỚN ÚNG DỤNG TIN HỌC TRONG THIẾT KẾ MÁY VÀ THIẾT BỊ
THỰC PHẨM
Đề tài : Nghiên cứu thay đổi biên dạng cánh đến độ bền và hiệu suất
chung của quạt hướng trục Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Thị Kim Liên 20240085E
Giảng viên hướng dẫn:
Hà Nội, 01/2025
Trang 2MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUẠT HƯỚNG TRỤC 3
1.1 Cấu tạo 3
1.2 Nguyên lý hoạt động 4
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng 4
CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT CÁC BIÊN DẠNG CÁNH 6
2.1 Đối tượng nghiên cứu 6
2.2 Điều kiện mô phỏng 7
2.3 Kết quả 10
2.3.1 Tổng lực và moment tác dụng lên cánh: 10
2.3.2 Phân bố áp suất trên cánh 10
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 19
3.1 Kết luận 19
3.2 Kiến nghị 19
Trang 3CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUẠT HƯỚNG TRỤC
Quạt hướng trục là một thiết bị quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như thông gió, điều hòa không khí, và vận chuyển khí Hiệu suất hoạt động
và độ bền của quạt hướng trục phụ thuộc chủ yếu vào thiết kế cánh quạt, trong đó biên dạng cánh đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định đặc tính khí động học và cơ học của thiết bị
Việc nghiên cứu thay đổi biên dạng cánh nhằm mục tiêu cải thiện hiệu suất khí động học, tối ưu hóa luồng khí và giảm tổn thất năng lượng Đồng thời, yếu tố độ bền cũng cần được đảm bảo để duy trì tuổi thọ và hiệu quả kinh tế trong vận hành Do đó, đề tài này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như độ cong, biên dạng cánh thông qua việc so sánh tác dụng của lực tác dụng, phân bố áp suất và moment tác dụng lên bề mặt cánh của quạt hướng trục từ đó chỉ ra thiết kế cánh tối ưu
1.1 Cấu tạo
Quạt hướng trục thông thường bao gồm các bộ phận chính
- Vỏ quạt: Vỏ quạt, thường làm từ inox, sắt hoặc thép không gỉ, đóng vai trò như
lớp áo giáp bảo vệ toàn bộ hệ thống bên trong khỏi tác động từ môi trường Tùy thuộc vào thiết kế của từng loại quạt, vỏ có thể có hình vuông hoặc dạng hộp Bên cạnh việc đảm bảo độ bền cao, lớp sơn tĩnh điện không chỉ tô điểm cho sản phẩm
mà còn ngăn ngừa nguy cơ nhiễm điện, đảm bảo an toàn cho người sử dụng
- Cánh quạt: Đặc trưng của quạt hướng trục là sở hữu số lượng cánh ít nhưng bề
mặt rộng, được cân bằng động kỹ lưỡng để tạo ra luồng gió mạnh mẽ Thông thường, cánh quạt được sản xuất bằng thép với việc sử dụng công nghệ cắt tiện hiện đại và máy hàn cao mang đến độ chính xác cao Quạt được làm bằng thép, chống bám bụi, bền với nhiệt Tuy nhiên, đối với các dòng quạt phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày, cánh nhựa cũng được sử dụng rộng rãi nhờ tính nhẹ và khả năng làm mát hiệu quả
Trang 4- Motor: Động cơ chính là trái tim của chiếc quạt, cung cấp năng lượng để cánh
quạt quay Nhờ quá trình chuyển đổi điện năng thành cơ năng, động cơ tạo ra lực xoay, kéo theo trục và cánh quạt chuyển động, từ đó tạo ra luồng gió làm mát Động cơ quạt hướng trục Vimax được nhập khẩu từ các hãng hàng đầu Có 2 loại động cơ quạt hướng trục chính: động cơ gắn liền với cánh quạt (quạt hướng trục trực tiếp) và động cơ được gắn gián tiếp với cánh quạt thông qua dây đai curoa (quạt hướng trục gián tiếp)
1.2 Nguyên lý hoạt động
Quạt hướng trục hoạt động dựa trên nguyên lý hút và đẩy không khí theo phương song song với trục quay Không khí ô nhiễm, nóng ẩm hoặc bụi bẩn sẽ được hút vào qua một đầu quạt, sau đó được đẩy ra ngoài qua đầu còn lại Nhờ đó, không gian bên trong được làm sạch và cung cấp không khí tươi mát Động cơ của quạt sẽ tạo ra lực xoáy cho cánh quạt, giúp quá trình lưu thông không khí diễn ra liên tục và hiệu quả
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng
Hoạt động của quạt hướng trục chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố liên quan đến thiết kế, vận hành, và môi trường xung quanh Trong báo cáo này ta tập trung đến các yếu tố thiết
kế như biên dạng cánh, phân bố viền cánh,…
Biên dạng cánh (airfoil profile):
• Độ cong: Biên dạng cánh có độ cong lớn hơn thường tạo lực nâng cao hơn nhưng
cũng làm tăng lực cản, dẫn đến giảm hiệu suất tổng thể Độ cong vừa phải giúp cân bằng giữa lực nâng và lực cản
• Chiều dày:
Trang 5o Cánh dày hơn thường tăng độ bền và khả năng chịu tải nhưng có thể gây nhiễu động lớn hơn, làm giảm hiệu suất khí động học
o Cánh mỏng hơn có thể giảm lực cản nhưng kém ổn định và dễ bị biến dạng dưới tải trọng cao
Góc nghiêng cánh (angle of attack):
• Góc nghiêng lớn hơn giúp tăng lực nâng nhưng dễ gây hiện tượng mất lực nâng (stall) khi đạt giới hạn góc tới
• Góc nghiêng tối ưu đảm bảo luồng khí bám sát bề mặt cánh, tối ưu hóa lực nâng
và giảm thiểu lực cản
Phân bố viền cánh (leading edge, trailing edge):
• Viền trước (leading edge):
o Hình dạng mượt mà, bo tròn giúp giảm hiện tượng nhiễu động khi không khí tiếp xúc với cánh quạt, tăng hiệu suất
o Viền sắc hoặc không đồng đều gây mất ổn định luồng khí, làm giảm lực nâng và tăng lực cản
• Viền sau (trailing edge):
o Viền sau nhọn và mỏng giúp giảm hiện tượng tách dòng (flow separation), giảm lực cản và tăng hiệu suất
o Viền sau dày hoặc gồ ghề có thể tạo dòng xoáy lớn, làm giảm hiệu quả khí động học
➔Để kiêm tra tính đúng đắn, ta thực hiện mô phỏng khí động một số biên dạng cánh khác nhau từ đó phân tích và rút ra thiết kế tối ưu
Trang 6CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT CÁC BIÊN DẠNG CÁNH 2.1 Đối tượng nghiên cứu
Thông qua phân mềm mô phỏng ANSYS, tập trung nghiên cứu 3 loại quạt kí hiệu số 1, 2,
3 đã có số liệu sẵn Thông số quạt được liệt kê ở bảng sau:
Quạt số Loại quạt Sải cánh(mm) Động cơ(Kw) Tốc độ( v/p)
Với quạt 3 lá cánh POM sẽ khảo sát 2 loại cánh là POM và PAG
Quạt số 1
Quạt số 2
Quạt số 6
- Cánh POM:
- Cánh PAG:
Trang 72.2 Điều kiện mô phỏng
- Lựa chọn hệ số phương trình vận tốc dòng chảy không khí
• Phương trình k-epsilon
• k-epsilon Model : Realizable
• Near-wall treatment : Standard Wall Functions
- Lựa chọn tốc độ quay :
• Điểm gốc quay
• Trục quay
• Vận tốc quay : tương ứng với từng loại quạt đã nếu trong bảng -Lựa chọn thông số tự nhiên
• Grativational Acceleration : chọn theo chiều trọng lực -9,81
• Vảiable denstity parameter : Thông số khí nén được( mặc định) -Lựa chọn thông số mặt đầu vào inlet
• Vào theo áp suất khí quyển không có tác động
• Vận tốc = 0
• Áp suất = 0
• Thông số k-epsilon (mặc định)
- Các tường biên dạng khác giữ mặc định
- Lựa chọn hệ số ban đầu để giải phương trình
• Standard Initialization
• All-zones (thông số của các mặt)
• Lựa chọn phương vào absolute
Trang 102.3 Kết quả
2.3.1 Tổng lực và moment tác dụng lên cánh:
Quạt số Loại quạt Tổng lực tác dụng
(N)
Tổng moment tác dụng (N.m)
2.3.2 Phân bố áp suất trên cánh
a) Quạt số 1
- Phân bố áp suất trên mặt hút
Trang 11- Phân bố áp suất trên mặt đẩy
Trên mặt hút và mặt đẩy của quạt đều xuất hiện áp suất dương và áp suất âm nhưng vùng có áp suất dương lớn nhất của mặt đẩy không tương ứng với vùng có
áp suất âm nhất tại mặt hút
Khảo sát hiệu áp suất tại 2 mặt của cùng 1 vị trí tại một điểm ở vùng có áp suất cao nhất và vùng áp suất thấp nhất được kết quả xấp xỉ nhau là 160Pa
b) Quạt số 2
Do setup quạt chạy theo chiều ngược chiều kim đồng hồ theo hướng nhìn vào trục z nên áp suất bị đổi dấu Vì thế ta coi giá trị áp suất thực tế có dấu ngược lại
-Phân bố áp suất mặt hút của cánh quạt:
Trang 12-Phân bố áp suất mặt đẩy của cánh:
=>Nhận xét phân bố:
-Trên mặt hút và mặt đẩy của cánh quạt đều xuất hiện vùng áp suất dương và áp suất
âm
-Tại vùng có áp suất dương lớn nhất trên mặt đẩy (vùng màu xanh dương) thì vị trí tương ứng của nó trên mặt hút là vùng có áp suất âm không phải là lớn nhất (vùng màu vàng)
Tại vùng có áp suất âm lớn nhất trên mặt hút (vùng màu đỏ) thì vị trí tương ứng của
nó trên mặt hút là vùng có áp suất dương không phải là lớn nhất (vùng màu xanh dương nhạt)
-Vùng giá trị áp suất lớn nhất trên mặt đẩy rơi vào khoảng 360Pa đến 450Pa
Trang 13=> độ chênh áp tại vùng này là khoảng 580Pa đến 650Pa
-Vùng giá trị áp suất nhỏ nhất trên mặt hút rơi vào khoảng -200Pa đến -280Pa
Trang 14=> độ chênh áp tại vùng này là khoảng 280Pa đến 320Pa
c) Quạt số 6 - POM
-Phân bố áp suất mặt hút của cánh quạt:
-Phân bố áp suất mặt đẩy của cánh:
Trang 15=>Nhận xét phân bố:
-Trên mặt hút và mặt đẩy của cánh quạt đều xuất hiện vùng áp suất dương và áp suất âm -Tại vùng có áp suất dương lớn nhất trên mặt đẩy (vùng màu đỏ) thì vị trí tương ứng của
nó trên mặt hút cũng là vùng có áp suất âm lớn nhất (vùng màu xanh) Do đó, đây là vị trí chúng ta cần quan tâm vì nó sẽ gây ra chênh áp lớn giữa 2 mặt cánh và gây bẻ cánh -Vùng giá trị áp suất lớn nhất trên mặt đẩy rơi vào khoảng 50Pa đến 150Pa
Vùng giá trị áp suất nhỏ nhất trên mặt hút rơi vào khoảng -270Pa đến -500Pa
Trang 16=> độ chênh áp tại vùng lớn nhất rơi vào khoảng 320Pa đến 650Pa
d) Mẫu quạt 6- PAG
Do setup quạt chạy theo chiều ngược chiều kim đồng hồ theo hướng nhìn vào trục z nên
áp suất bị đổi dấu Vì thế ta coi giá trị áp suất thực tế có dấu ngược lại
-Phân bố áp suất mặt hút của cánh quạt:
Trang 17-Phân bố áp suất mặt đẩy của cánh:
=>Nhận xét phân bố:
-Trên mặt hút và mặt đẩy của cánh quạt đều xuất hiện vùng áp suất dương và áp suất âm -Tại vùng có áp suất dương lớn nhất trên mặt đẩy (vùng màu xanh dương) thì vị trí tương ứng của nó trên mặt hút là vùng có áp suất âm không phải là lớn nhất (vùng màu vàng) Tại vùng có áp suất âm lớn nhất trên mặt hút (vùng màu đỏ) thì vị trí tương ứng của nó trên mặt hút là vùng có áp suất dương không phải là lớn nhất (vùng màu xanh dương nhạt)
-Vùng giá trị áp suất lớn nhất trên mặt đẩy rơi vào khoảng 360Pa đến 460Pa
Trang 18=> độ chênh áp tại vùng này là khoảng 500Pa đến 620Pa
-Vùng giá trị áp suất nhỏ nhất trên mặt hút rơi vào khoảng -240Pa đến -340Pa
=> độ chênh áp tại vùng này là khoảng 450Pa đến 500Pa
Trang 19CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận
- Đối với 2 quạt 6 cánh 1 và 2, đều xuất hiện 2 vùng chênh áp lơn có thể gay hiên tượng
bẻ cánh tuy nhiên quạt số 1 vùng chênh áp bé hơn, và giá trị chênh áp tại 1 điểm cũng bé hơn quạt 2 nên quạt 1 sẽ bền hơn quạt 2 khi hoạt động ở cùng điều kiện
- Đối với quạt 3 cánh:
+ Cánh POM chỉ xuất hiện 1 vùng chênh áp lớn
+ Cánh PAG xuật hiện 2 vùng chênh áp
Mà giá trị chênh áp của 2 loại cánh tại mỗi vùng là tương đương nhau nên cánh POM sẽ bền hơn cánh PAG khi hoạt động ở cùng điều kiện
- Quạt 6 cánh có giá trị chênh lệch áp suất nhỏ hơn nhiều so với quạt 3 cánh do đó
có thể sơ bộ kết luận rằng quạt số 1 là quạt hoạt động bền hơn so với các loại khảo sát còn lại
3.2 Kiến nghị
- Tại các vị trí có chênh lệch áp suất lớn, có thể dập gân để tăng độ cứng và độ bền
khi quạt chạy
- Trong báo cáo này, ta chỉ quan tâm đến độ bền quạt Tuy nhiên, có thể khảo sát
thêm lưu lượng để xác định liên hệ giữa độ bền cánh và lưu lượng gió