Nghiên cứu tối ưu kích thước của quạt thổi roots dẫn động bằng cặp bánh răng không tròn tt

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Quạt thổi rơto khơng tiếp xúc (QTRTKTX) loại máy thủy lực thể tích (MTLTT) hình thành theo ngun lý ăn khớp cặp bánh ăn khớp Người đưa ý tưởng thiết kế George Jones vào năm 1843 [1], sáng chế anh em nhà Roots (Philander Higley Roots Francis Marion Roots) ứng dụng hệ thống thơng gió hầm lị vào năm 1860 Do đó, loại MTLTT có tên gọi máy thủy lực thể tích kiểu Roots (Bơm/Quạt) Lobe [2] Trong q trình phát triển gần 180 năm qua loại máy nghiên cứu cải tiến, phát triển cho nhiều kịch ứng dụng khác lĩnh vực sản xuất cơng nghiệp, an ninh quốc phịng đời sống dân sinh Trong phải kể đến nghiên cứu cải tiến biên dạng rơto có ảnh hưởng nhiều đến lưu lượng áp suất chất lượng dòng chảy sau máy [10, 52], sau cải tiến sáng chế [2, 10, 21, 26-36, 39, 40] cho ứng dụng khác Trong q trình tìm hiểu, phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu ngồi nước MTLTT rơto kiểu Roots tác giả luận án nhận thấy vấn đề cải tiến biên dạng có hai xu hướng là: (i) Phối hợp hai đường cong làm biên dạng rơto, đường làm biên dạng đỉnh rơto, cịn đường làm biên dạng chân rơto [10, 38]; (ii) Sử dụng tổ hợp nhiều đường cong liên hợp khác làm biên dạng rôto [39-49] Tuy nhiên, nghiên cứu xuất phát từ nguyên lý cặp bánh trụ trịn ăn khớp ngồi có tỷ số truyền 1:1 Mặt khác, loại máy có hai chế độ làm việc bơm động nên ứng dụng chế độ bơm có: (a) Quạt thổi có chức biến đổi lượng học thành lượng lưu chất thể khí; (b) Bơm thủy lực có chức biến đổi lượng học thành lượng lưu chất qua bơm Cịn chế độ động loại máy ứng dụng làm loại cảm biến đo dịng chất lỏng/khí có lưu lượng lớn có độ nhớt cao mà nguyên lý khác khơng thể đáp ứng Ngồi ra, cịn nhiều hướng nghiên cứu khác như: lưu lượng áp suất máy [62-65, 105-108], tổn thất thủy lực [76-87], tối ưu tham số thiết kế kết cấu quạt [88, 89] v.v tình hình nghiên cứu ngồi nước Ở nước để phát triển kinh tế doanh nghiệp ngành công nghiệp như: xi măng, giấy, in ấn, hóa chất, thực phẩm, xử lý nước thải, chế biển sau thu hoạch sản phẩm nông nghiệp, khai thác khống sản v.v nhập máy móc, thiết bị, dây chuyền mà QTRTKTX phận cấu thành quan trọng hệ thống để phục vụ sản suất Sau thời gian vận hành lâu ngày đến thời kỳ bảo dưỡng sửa chữa loại quạt phải nhập từ nước ngồi nước chưa sản xuất Vì vậy, nhà khoa học nước bắt đầu nghiên cứu loại quạt theo hai hướng: (1) Giải mã cơng nghệ có đề tài nghiên cứu cấp từ sở [92] cấp [93, 97, 98]; (2) Nghiên cứu vấn đề động học thiết kế [91, 94-96] Nhưng hầu hết nghiên cứu nước tập trung vào giải mã công nghệ chế tạo [91, 93, 97, 98], khảo sát đặc tính thơng qua mơ [95, 96] hay tổng hợp thiết kế cho đối tượng cụ thể [94] loại máy dẫn động theo nguyên lý truyền thống với cặp bánh trụ trịn có tỷ số truyền 1:1 Những nghiên cứu loại quạt cách từ chất hình thành quạt trình biến đổi thành lượng dịng chất khí sau quạt, từ ảnh hưởng thơng số thiết đặc tính động học động lực học chất lượng làm việc quạt chưa có cơng trình nghiên cứu Do đó, nói cơng trình nghiên cứu chuyên sâu lĩnh vực Việt Nam cịn mang tính thời giới, lẽ cải tiến, phát triển nhu cầu cấp thiết không nước mà cịn giới điều hồn toàn với quy luật phát triển nhân loại Mục tiêu luận án Luận án đặt mục tiêu cải tiến biên dạng rôto sở đề xuất đường cong phát triển theo nguyên lý dẫn động cặp bánh khơng trịn (BRKT) ăn khớp ngồi Trên sở để thiết kế QTRTKTX kiểu Roots nhằm tạo loại quạt thổi có hiệu suất thể tích lưu lượng lớn so với thiết kế nghiên cứu thời điểm Để đạt điều luận án đề mục tiêu cụ thể sau: i) Thiết lập phương trình biên dạng rơto cải tiến theo nguyên lý dẫn động cặp BRKT ăn khớp mà cụ thể cặp bánh họ elíp ii) Tính tốn tối ưu thơng số thiết kế đặc trưng (TSTKĐT) để kích thước thiết kế quạt nhỏ theo lưu lượng cho trước iii) Xác định ảnh hưởng khe hở cạnh rôto, khe hở mặt đầu khe hở hướng kính đến tượng tụt áp lưu lượng quạt giới hạn tốc độ làm việc ổn định từ đưa giới hạn sai số chế tạo cần phải đáp ứng để quạt đạt hiệu suất mong muốn Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 3.1 Đối tượng nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu luận án máy thủy lực thể tích rơto khơng tiếp xúc (MTLTTRTKTX) dùng để vận chuyển lưu chất thể khí ứng dụng phổ biến cơng nghiệp Trong đó, đối tượng cụ thể loại MTLTT kiểu Roots có biên dạng rơto đường cong xyclơít cải tiến họ đường cong elíp, dẫn động đồng với cặp bánh elíp ăn khớp ngồi 3.2 Phạm vi nghiên cứu luận án Đối với loại MTLTT thông số quan trọng là: áp suất, lưu lượng, tổn thất thủy lực chất lượng dòng chảy sau máy (dao động áp suất dao động lưu lượng) Do đó, phạm vi nghiên cứu luận án tập trung vào nghiên cứu giải quyết, toán tối ưu thông số thiết đặc trưng ảnh hưởng đến thơng số quan trọng Ngồi ra, luận án nghiên cứu đưa giải pháp tách rôto ghép quạt song song nhằm giảm dao động lưu lượng, nâng cao chất lượng dịng chảy qua quạt Trong q trình đánh giá tình hình nghiên cứu ngồi nước máy thủy lực rôto không tiếp xúc tác giả luận án nhận thấy lĩnh vực chun mơn hẹp phong phú, đa dạng tích hợp nhiều kiến thức chuyên môn sâu hẹp để giải quyết, vấn đề về: biến dạng, chuyển vị rôto tác dụng tải làm việc, khuếch tán truyền nhiệt qua stato, độ ồn, rung động, kết cấu, tổn thất khí v.v vấn đề mà luận án chưa đặt để nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học Các kết nghiên cứu luận án phát triển biên dạng rôto theo nguyên lý ăn khớp cặp BRKT, điều kiện hình thành biên dạng rơto tối ưu TSTKĐT theo lưu lượng cho trước có ý nghĩa quan trọng việc góp phần hồn thiện lý thuyết thiết kế Ngoài ra, điểm luận án phát triển loại QTRTKTX kiểu Roots có lưu lượng lớn so với loại quạt nghiên cứu khác có kích thước cơng bố thời điểm Đây đóng góp bật luận án, đóng góp phần nhỏ vào kho tàng tri thức hiểu biết, khám phá nhân loại loại QTRTKTX kiểu Roots 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Với việc đề xuất biên dạng nhằm cải tiến rôto QTRTKTX kiểu Roots để cung cấp cho nhà sản xuất giải pháp chế tạo loại quạt thổi Roots khơng tiếp xúc Ngồi ra, luận án đưa giải pháp cơng nghệ nhằm tăng chất lượng dịng chảy sau quạt, khắc phục nhược điểm dao động lưu lượng lớn vốn nhược điểm cố hữu loại quạt Do đó, kết nghiên cứu luận án có ý nghĩa thực tiễn sản xuất Ngoài ra, kết nghiên cứu luận án cịn lựa chọn có nhiều tiềm cho kịch ứng dụng lĩnh vực khác sống dân sinh công nghiệp thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 Phương pháp nghiên cứu luận án Để đạt mục tiêu mà luận án đề phương pháp nghiên cứu nghiên cứu lý thuyết dựa chất vật lý sở khoa học mà nhân loại khám phá, từ tiếp tục kế thừa để nghiên cứu, phát triển kết hợp mô số phần mềm đại nhằm kiểm chứng công thức lý thuyết nghiên cứu luận án Ngoài ra, để kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thông qua chế tạo mẫu máy thử nghiệm thiết kế từ kết nghiên cứu lý thuyết luận án để hiệu chỉnh, hoàn thiện kết nghiên cứu, cụ thể là: i) Tiếp thu, kế thừa có chọn lọc thành nghiên cứu giới lĩnh vực QTRTKTX kiểu Roots lý thuyết ăn khớp cặp BRKT Trên sở phát triển đường cong theo nguyên lý ăn khớp cặp BRKT nhằm mục đích cải tiến biên dạng rơto để hình thành loại QTRTKTX kiểu Roots Từ đó, tiến hành nghiên cứu đánh giá so sánh ưu nhược điểm quạt thổi đề xuất luận án với kết nghiên cứu công bố trước thời điểm Với nhược điểm cố hữu loại QTRTKTX kiểu Roots dao động lưu lượng lớn Do đó, thiết kế nghiên cứu luận án không tránh khỏi nhược điểm Để khắc phục nhược điểm luận án nghiên cứu đưa giải pháp ghép quạt Kết cho thấy khắc phục hoàn toàn nhược điểm iii) Ứng dụng phần mềm mô số mô kiểm chứng nhằm hiệu chỉnh thông số thiết kế nhằm giảm thời gian kinh phí chế tạo thực nghiệm Từ tiến hành chế tạo quạt mẫu, đo đạc thực nghiệm để kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết phát triển luận án Những đóng góp luận án ii) Với mục tiêu cụ thể mà luận án đề với phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm, thông qua phân tích, đánh giá kết nghiên cứu luận án so với kết cơng trình nghiên cứu ngồi nước cơng bố đến thời điểm Luận án có đóng góp cụ thể sau: i) Phát triển đường cong dựa nguyên lý dẫn động cặp BRKT họ elíp để cải tiến biên dạng rơto hình thành QTRTKTX kiểu Roots dẫn động đồng cặp BRKT, nguyên lý chưa xuất loại quạt thổi Loại quạt thổi phát triển luận án có ưu điểm bật hệ số sử dụng thể tích (HSSDTT) lưu lượng lớn so với kết nghiên cứu, sáng tạo hiểu biết mà giới có thời điểm ii) Đưa biểu thức giải tích xác định ảnh hưởng khe hở cạnh rơto, khe hở hướng kính khe hở mặt đầu đến tụt lưu lượng áp suất quạt Kết nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng việc xác định sai số chế tạo sai số lắp ráp để đạt hiệu suất biến đổi thủy lực mong muốn quạt iii) Đưa thuật toán tối ưu tham số thiết kế đặc trưng nhằm đảm bảo kích thước nhỏ gọn mà đáp ứng lưu lượng cho trước thuật tốn xác định góc lệch pha ghép song song rôto nhằm giảm dao động lưu lượng để tăng chất lượng dòng chảy sau quạt Bố cục luận án Để diễn giải kết nghiên cứu luận án, nội dung luận án trình bày chương với nội dung cụ thể sau: Chương Tổng quan quạt thổi rơto khơng tiếp xúc kiểu Roots: Tìm hiểu tổng quan lịch sử phát triển, nghiên cứu, sáng tạo, tích lũy tri thức nhân loại MTLTTRTKTX kiểu Roots thời điểm Ngoài ra, chương tiến hành tổng hợp, chắt lọc, phân tích, đánh giá ưu nhược điểm, tồn chưa giải kết nghiên cứu nước hiểu biết, sáng tạo nhân loại loại máy Trên sở kế thừa cách có chọn lọc để đưa định hướng mục tiêu nghiên cứu luận án Chương Nghiên cứu tổng hợp biên dạng thiết kế rôto quạt thổi không tiếp xúc: Trình bày nghiên cứu tổng hợp biên dạng nhằm cải tiến rôto quạt thổi không tiếp xúc, diễn giải trình thiết lập phương trình đường cong để cải tiến biên dạng rôto nhằm tạo QTRTKTX kiểu Roots Ngoài ra, xác định điều kiện hình thành biên dạng thực rơto sở đánh giá vận tốc trượt tương đối hai biên dạng rơto q trình làm việc Chương Tối ưu kích thước thiết kế quạt thổi theo lưu lượng cho trước: Trình bày phương pháp thiết lập phương trình mơ tả biến đổi thể tích buồng hút/đẩy quạt theo góc quay trục dẫn động Từ tiến hành mơ hình hóa q trình: hút, trộn nén quạt làm việc Trên sở tiến hành xây dựng thuật tốn tối ưu kích thước thiết kế theo lưu lượng cho trước Để giải vấn đề luận án tiến hành xác định điều kiện biên, mơ hình hóa để thực theo hai thuật tốn là: (i) Thuật tốn tối ưu theo vét cạn; (ii) Tối ưu theo giải thuật di truyền Ngoài ra, chương đưa giải thuật tối ưu góc lệch pha tách rơto ghép song song quạt mà để giảm dao động lưu lượng tăng chất lượng dòng chảy sau quạt đảm bảo lưu lượng cần thiết Chương Ảnh hưởng khe hở đến tổn thất lưu lượng, tụt áp suất quạt thực nghiệm kiểm chứng: Trình bày phương pháp thiết lập phương trình giải tích xác định ảnh hưởng khe hở bao gồm: khe hở mặt đầu, khe hở cạnh rôto đến tổn thất lưu lượng áp suất Ngồi ra, chương trình bày mẫu quạt chế tạo thử nghiệm thí nghiệm kiểm chứng bao gồm: kiểm chứng lý thuyết mô số thông qua mô đun CFX phần mềm Ansys; đo đạc thực nghiệm thiết bị thí nghiệm để kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết luận án Kết luận kiến nghị: Phần tóm tắt kết đạt luận án đóng góp luận án nhằm hoàn thiện mặt lý thuyết thiết kế ứng dụng thực tiễn Từ thảo luận, bàn thảo khả ứng dụng kết nghiên cứu luận án vào thực tiễn kiến nghị định hướng phát triển Ngoài ra, số tri thức dạng sở lý thuyết bao gồm kết nghiên cứu có, lý thuyết giải thuật di truyền mà luận án có áp dụng để so sánh, sử dụng làm công cụ đưa vào thuật tốn tối ưu trình bày phụ lục Phụ lục trình bày thiết kế, sản phẩm mẫu chế tạo theo kết nghiên cứu luận án thiết bị thí nghiệm thực nghiệm luận án Phụ lục trình bày kết đo thực nghiệm kiểm chứng Phụ lục trình bày mã nguồn lập trình theo kết nghiên cứu lý thuyết luận án Chương TỔNG QUAN VỀ QUẠT THỔI RÔTO KHÔNG TIẾP XÚC KIỂU ROOTS 1.1 Tổng quan quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots a) Định nghĩa Quạt thổi Roots loại máy thủy lực thể tích kiểu rơto khơng tiếp xúc đề xuất lần George Johnes vào năm 1843 [1] (hình 1.1a), tiếp sau phát minh anh em nhà Roots (Philander Higley a) Quạt thổi Roots George b) Phát minh anh em nhà Roots Roots Francis Marion Johnes (1843) [1] (1860) [2] Roots) vào năm 1860 [2] Hình 1.1 Phát minh quạt thổi Roots (hình 1.1b) với ứng dụng làm quạt thổi khí hầm lị khai thác khống sản Từ đến loại quạt có tên gọi quạt thổi Roots b) Cấu tạo nguyên lý hoạt động Về mặt cấu tạo quạt thổi Roots hình thành từ ba phận là: (1) Rơto: gồm hai rơto có biên dạng hình thành theo ngun lý ăn khớp cặp bánh ăn khớp dẫn động trực tiếp qua cặp bánh trụ trịn có tỉ số truyền 1:1, tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng cụ thể mà cấu tạo rơto có dạng trụ thẳng xoắn theo kiểu trục vít; (2) Bánh dẫn động: cặp bánh trụ trịn ăn khớp ngồi có tỷ số truyền 1:1 dùng để truyền chuyển động từ nguồn động lực đến rôto Tùy thuộc vào công suất quạt mà cặp bánh truyền động bánh trụ thẳng, bánh trụ nghiêng bánh trụ chữ V; (3) Stato: phận tĩnh quạt có chức giá đỡ phận quay (rôto bánh dẫn động) kết hợp với hai rơto để hình thành khoang hút, khoang đẩy khoang đong khí c) Phân loại Có ba hướng phân loại là: (1) phân loại theo số rôto; (2) phân loại theo cấu tạo rôto; (3) phân loại theo nguyên lý dẫn động d) Ưu nhược điểm So với máy thủy lực thể tích có kích thước quạt thổi Roots có ưu điểm nội trội là: lưu lượng lớn, làm việc ổn định, kết cấu đơn giản, vận chuyển vật liệu rời dạng hạt, khoang làm việc khơng có dầu bơi trơn Tuy nhiên có nhược điểm kể đến như: dao động lưu lượng dao động áp suất lớn, rung động tiếng ồn lớn, sinh nhiệt lớn 1.2 Lịch sử phát triển quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots Trên sở tìm hiểu tổng hợp, phân tích, đánh giá cập nhật từ nguồn tài liệu, tác giả luận án tạm chia thành ba giai đoạn phát triển với đặc trưng gắn liền với cách mạng khoa học kỹ thuật loại quạt thổi Roots: (i) giai đoạn từ năm 1843 đến 1900; (ii) giai đoạn từ 1900-1960; giai đoạn từ 1960 đến 1.3 Ứng dụng quạt thổi rôto khơng tiếp xúc kiểu Roots 1.4 Tình hình nghiên cứu nước QTRTKTX kiểu Roots Các hướng nghiên cứu chuyên sâu nhà khoa học, kỹ thuật quan tâm nhiều là: (1) biên dạng rôto; (2) lưu lượng áp suất; (3) tổn thất thủy lực quạt 1.5 Tình hình nghiên cứu nước Trái ngược với tình hình nghiên cứu giới, nghiên cứu loại quạt Việt Nam hạn chế 1.6 Thống kê cơng trình cơng bố máy TLTTRTKTX kiểu Roots Trong phần luận án tổng hợp số cơng trình cơng bố 30 năm trở lại (hình1.6), theo lãnh thổ Quốc gia (hình 1.7) theo Châu lục (hình 1.8), số phát minh sáng chế (hình 1.9) Phát minh sáng chế (%) Số công bố 90 45 80 40 70 35 60 30 50 25 20 40 15 30 10 20 10 0 Trung Hoa Kỳ Nhật Bàn Anh Quốc Đức Ý Áo Canada Hàn Quốc Số lượng báo 12 Châu Mỹ 17.87% 10 Châu Á 61.28% Châu Âu 20.00% Châu Úc 0.85% Hình 1.6-9 Phân bố nghiên cứu theo số lượng công bố, sáng chế theo quốc gia, vùng lãnh thổ, năm Từ phân tích, tổng hợp, đánh giá trình bày thấy từ xuất vào năm 1843 nghiên cứu quạt thổi Roots tập trung vào nguyên lý dẫn động cặp bánh trụ trịn có tỷ số truyền 1:1, nguyên lý dẫn động cặp BRKT (bánh elíp), tức đường lăn rơto đường elíp chưa quan tâm nhiều Với trình phát triển gần 180 năm qua, loại quạt thổi Roots đưa vào nhiều kịch ứng dụng khác thực tiễn sản xuất công nghiệp đời sống dân sinh Vì vậy, chủ đề nghiên cứu cộng đồng nhà khoa học, nhà kỹ thuật giới quan tâm tiến hành nghiên cứu nhiều khía cạnh chuyên sâu nhằm: (1) hoàn thiện lý thuyết thiết kế; (2) nâng cao hiệu suất chất lượng làm việc; (3) ứng dụng vào kịch ứng dụng cụ thể Mặt khác, loại quạt thổi Roots loại máy thủy lực hình thành theo ngun lý biến đổi thể tích thông qua chuyển động tương đối hai rôto trình làm việc để tạo buồng hút, buồng đong khí buồng đẩy Mà biến đổi thể tích buồng lại phụ thuộc vào biên dạng kết cấu rơto Do đó, vấn đề cải thiện chất lượng làm việc, nâng cao hiệu suất bắt nguồn từ việc cải tiến biên dạng rơto Chính mà hướng nghiên cứu tập trung nhiều (1) Nghiên cứu biên dạng rôto quạt thổi Như trình bày mục 1.4.1 nghiên cứu vấn đề có hai xu hướng tập trung vào nguyên lý dẫn động cặp bánh trụ trịn ăn khớp ngồi với tỷ số truyền 1:1 Điều cho thấy chất nghiên cứu nước đến thời điểm xuất phát từ hai đường tròn lăn tiếp xúc ngồi, để từ tìm đường cong khác làm biên dạng rôto cho khoảng trống hai rơto q trình ăn khớp lớn Các đường cong tìm đưa vào áp dụng là: đường epixyclơít, hypơxyclơít Palmer Knox [10], cung trịn Litvin [38], đường trochoiít Mimmi [41, 42], đường thân khai Niimura [40] hay tổ hợp đường cong Kang [44], Cai [45], Yu [49], gần đường cong hình thành đường elíp sinh lăn khơng trượt elíp lăn Hsieh (2015) [52] Ưu điểm nghiên cứu sử dụng cặp bánh trụ trịn có tỷ số truyền 1:1 truyền thống lại có số nhược điểm hạn chế sau: i) Tương ứng với thông số đường lăn trụ trịn có đường cong làm biên dạng rơto, dẫn đến thơng số kích thước quạt cố định theo đường lăn Do đó, khơng thể hiệu chỉnh hay tối ưu kích thước để tăng lưu lượng hay số khác quạt ii) Chỉ hiệu chỉnh thơng số kích thước quạt cách hiệu chỉnh có giới hạn tham số hình thành biên dạng rơto đường lăn trụ tròn cố định, tham số biên dạng lại ràng buộc với hai đường tròn lăn Dẫn đến có số cải tiến, tối ưu định hiệu chưa cao Như vậy, vấn đề đặt với kích thước hướng kính rơto khơng đổi ta cần phải tìm phương thức để hiệu chỉnh tham số đường lăn tham số hình thành biên dạng rơto để cải thiện HSSDTT, kích thước lưu lượng quạt Vấn đề luận án giải chương Ngoài ra, q trình nghiên cứu, tìm hiểu cơng trình cơng bố lĩnh vực quạt thổi Roots, tác giả luận án phát vấn đề hầu hết nghiên cứu nói quạt thổi Roots loại quạt thổi rôto không tiếp xúc Nhưng nghiên cứu trình hình thành biên dạng rôto lại xuất phát từ đường ăn khớp (để hình thành biên dạng lý thuyết), cịn vấn đề khe hở cạnh rơto để hình thành biên dạng thực lại xác định thông qua mô số, thay đổi khoảng cách cách thủ công [44] thực nghiệm thông qua tượng sinh nhiệt trình làm việc [84] để cách biên dạng vào phía trong, mà chưa giải tích hóa thành phương trình tốn học để lý giải cách thỏa đáng Luận án tiến hành giải vấn đề tồn mục 2.7 luận án (2) Nghiên cứu vấn đề lưu lượng áp suất quạt thổi Roots Như trình bày mục 1.4.2 luận án có bốn xu hướng nghiên cứu Trong ba hướng nghiên cứu (xu hướng thứ hai, thứ ba thứ tư) có ưu điểm xác cho đối tượng cụ thể phù hợp với ứng dụng cụ thể Nhưng lại có số nhược điểm tồn là: (i) Chỉ hiệu chỉnh tối ưu cục số phần biên dạng rôto để đảm bảo đặc tính nghiên cứu mơ số [85, 105-107, 109]; (ii) Quá trình thực nghiệm tốn nhiều thời gian khơng mang tính tổng qt mà hiệu chỉnh cho thông số cụ thể Do phù hợp với sản xuất thử nghiệm trước sản xuất thương mại Để giải vấn đề này, luận án kế thừa phương pháp luận nghiên cứu thuộc xu hướng thứ nhất, mà cụ thể nhóm nghiên cứu Ucer [102], để tiến hành thiết lập phương trình giải tích tính toán lưu lượng áp suất cho thiết kế cải tiến đề xuất luận án dẫn động theo nguyên lý ăn khớp cặp BRKT (bánh elíp) chưa xuất nghiên cứu trước Vấn đề lý giải so sánh với số thiết kế trước để làm rõ ưu điểm thiết kế đề xuất luận án, trình bày mục 3.1 đến mục 3.5 thuộc chương luận án (3) Về vấn đề tối ưu kích thước lưu lượng Như trên, nghiên cứu ngồi nước tối ưu cách hiệu chỉnh cục phần biên dạng rôto [50, 51] hiệu chỉnh tham số hình thành biên dạng rơto [124] theo tiêu chí lưu lượng, áp suất lớn nhất, chất lượng dòng chảy qua quạt (dao động lưu lượng dao động áp suất) v.v mà khơng thể tối ưu cách tồn cục bán kính hai đường lăn cố định Với đề xuất cải tiến luận án mở rộng tối ưu tham số hình thành đường lăn tham số biên dạng rơto Điều dẫn đến hệ với lưu lượng cho trước cải tiến đề xuất luận án có kích thước nhỏ gọn so với nghiên cứu từ trước đến từ 4.5% đến 18.1%; HSSDTT tăng 19% đến 37% Vấn đề lý giải trình bày mục 2.5 thuộc chương luận án (4) Về giải pháp nhằm nâng cao chất lượng dòng lưu chất quạt Như trình bày mục 1.4.4 có hai phải pháp là: (i) Biến đổi rơto từ dạng trụ thành dạng xoắn vít (ii) Ghép quạt (song song/nối tiếp) Nhưng giải pháp ghép quạt, nghiên cứu trước chưa đưa phương pháp tổng quát mà thực gieo nghiệm cách tăng gia số góc lệch pha, sau mơ số để tìm góc lệch pha mà dao động lưu lượng nhỏ Cách làm có phần thủ cơng kết chưa làm thỏa mãn người quan tâm vấn đề Để giải cách khoa học tìm góc lệch pha tối ưu, luận án xây dựng giải thuật trình bày mục 3.6 (5) Về tổn thất thủy lực Đây toán khó tính tốn hiệu suất máy Hầu hết nghiên cứu sử dụng mơ số, nghiên cứu sâu vào chất chuyển động động học cặp rơto tính chất vật lý dịng lưu chất Từ tìm mối liên hệ TSTKĐT biên dạng rôto đến lưu lượng, áp suất hiệu suất quạt Vấn đề trình bày chương luận án Từ phân tích, đánh giá thảo luận đánh giá luận án đề nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây: i) Luận án tiến hành sử dụng đường lăn khơng trịn elíp (họ đường elíp) việc thiết kế biên dạng rôto QTRTKTX kiểu Roots ii) Để hoàn thiện thiết kế luận án áp dụng phương trình giải tích tốn học để tìm điều kiện cắt chân răng, sử dụng điều kiện lăn không trượt để xác định ràng buộc TSTKĐT Trên sở biên dạng rơto hồn chỉnh, luận án đánh giá ưu nhược điểm thiết kế so với số nghiên cứu có iii) Luận án xây dựng phương trình biên dạng thực rơto phục vụ cho q trình xác định kích thươc khe hở Trên sở đánh giá ảnh hưởng khe hở đến tổn thất lưu lượng áp suất máy iv) Luận án thiết lập mô hình tốn học xác định biến đổi thể tích buồng hút buồng đẩy quạt Trên sở giải tốn động học động lực học trình biến đổi lượng học thành lượng dịng khí sau quạt thơng qua lưu lượng áp suất Từ đánh giá ưu nhược điểm đề xuất luận án với nghiên cứu có đến thời điểm Từ luận án tiến hành đánh giá, khảo sát tham số thiết kế đặc trưng đến lưu lượng áp suất đánh giá chất lượng làm việc quạt v) Để giảm dao động lưu lượng quạt mà khơng làm thay đổi kích thước buồng làm việc, luận án đề xuất giải pháp chia rôto thực tốn tổng qt xác định góc lệch pha tối ưu vi) Luận án tiến hành tối ưu thơng số kích thước thiết kế đặc trưng cho kích thước quạt nhỏ mà đảm bảo lưu lượng cho trước vii) Để kiểm chứng sở lý luận lý thuyết đưa luận án, luận án tiến hành mô số chế tạo quạt mẫu thực nghiệm Chương NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BIÊN DẠNG MỚI THIẾT KẾ RÔTO CỦA QUẠT THỔI KHÔNG TIẾP XÚC 2.1 Thiết lập phương trình tốn học mơ tả biên dạng rôto đề xuất Hướng nghiên cứu luận án gì? Có điểm khác biệt so với nghiên cứu trước đây? 10 Về mặt phương pháp luận biên dạng rôto đề xuất luận án hình thành dẫn động theo nguyên lý cặp bánh khơng trịn (BRKT) có tỷ số truyền hàm biến đổi tuần hoàn ii) Về đường cong dùng làm biên dạng rơto hình thành từ hai đường cong là: (a) Đường cong dùng làm biên dạng đỉnh rơto hình thành i) từ đường trịn sinh {Σ S } lăn khơng trượt phía ngồi đường tâm tích rơto {Σ } kiểu elíp (b) Đường cong dùng làm biên dạng chân rơto e hình thành thơng qua điều kiện đối tiếp với đường cong biên dạng đỉnh rôto thiết lập theo nguyên lý ăn khớp cặp BRKT 2.1.1 Mơ tả ngun lý hình thành biên dạng rơto { S} Biên dạng đỉnh rôto { d} Biên dạng rôto { } { d} K { c } e b r b e { e} a a Biên dạng chân rơto { c} a) Ngun lý hình thành biên dạng đỉnh rôto c) Biên dạng rôto { } { d} { c } { e} b) Nguyên lý hình thành biên dạng chân rơto Hình 2.1 Ngun lý hình thành biên dạng rơto 2.1.2 Thiết lập phương trình biên dạng rơto Phương trình biên dạng đỉnh rơto  xd ( )  r cos ( ) + r cos ( ) + xe ( ) {Γ } : rd ( ) =  yd ( ) =  r sin  ( ) + r sin  ( ) + ye ( )      d 11 (2.3) Phương trình biên dạng chân rôto  xc ( , 1 )   xd ( ) cos(1 +  (1 )) + y d ( ) sin(1 +  (1 )) − e cos (1 )  rc ( , 1 ) =  y c ( , 1 ) = − xd ( ) sin(1 +  (1 )) + y d ( ) cos(1 +  (1 )) + e sin  (1 ) (2.12)     1 Mối quan hệ tham số: Mối quan hệ góc quay trục dẫn động rôto rôto 2: 2 (1 ) = 1 e ( )  e −  ( ) d (2.14) e y d (  x d ( )  f ( , 1 ) = −  e ( ) sin 1 − xd ( ) sin 1 + y d ( ) cos1  −  sin 1 +  cos1  +       y  d ( )  xd ( )  +  e ( ) cos1 + xd ( ) cos1 + y  d ( ) sin 1  cos1 + sin 1  = (2.30)     ( ) ( ) 2.2 Điều kiện hình thành biên dạng rôto 2.2.1 Kiểm tra điều kiện cắt chân 2.2.2 Xác định điều kiện ràng buộc thông số thiết kế đặc trưng hình thành biên dạng rơto Để thỏa mãn điều kiện hình thành biên dạng rơto thơng số thiết kế phải thỏa mãn hệ phương trình (2.60) Áp dụng (2.60) ta kết hình 2.6, 2.7 r  0.5b 0.5 2    r =    e ( )  + ( ( ))2  d e   8        = b / a  f ( ,1 ) =   = 21 + 22    x 1011 =0 35.560 35.560 35.56 35.56 450 35.560 0 =0 =0 =0 =0 =0 =1 -1 -2  = 0.5  = 0.6  = 0.7  = 0.8  = 0.9  = 1.0 1[ 0] 10 15 20 25 30 35 40 45 50 b) Bao hình biên dạng rơto (=0.7) a) Kiểm tra điều kiện cắt lẹm chân rôto Hình 2.7 Kiểm tra điều kiện hình thành biên dạng rơto 12 2.4 Xác định thơng số kích thước thiết kế hình học hình thành quạt thổi theo thông số thiết kế đặc trưng 2.5 Hệ số sử dụng thể tích quạt 4S  = K 100 % (2.64) S stato 2.5.2 So sánh hệ số sử dụng thể tích quạt thổi theo đề xuất luận án với số nghiên cứu có đến thời điểm Bảng 2.3 Bảng thông số thiết kế quạt khảo sát theo HSTT  biên dạng rôto TSTKĐT Loại 2[ 178] Loại Đề xuất Loại [192] R2 c (mm) (mm)  = 0.5  = 0.6 Hệ số tâm tích   = 0.7  = 0.8  = 0.9 58.2142 29.1071 54.7457 32.8474 51.1676 35.8173 47.5819 38.0655 44.0921 39.6829  = 1.0 - 2 (mm) 42.8929 39.1526 36.1827 33.9345 32.3171 R3 (mm) 43.6754 44.5724 45.4636 46.3366 47.1836 48.0000 a3 (mm) 14.1623 13.7138 13.2682 12.8317 12.4082 12.0000 b3 (mm) 7.0811 8.2283 9.2877 10.2654 11.1674 12.0000 a b r (mm) 51.6393 50.9932 50.2980 49.5611 48.7918 48.0000 (mm) 25.8196 30.5959 35.2086 39.6489 43.9126 48.0000 (mm) 10.1803 10.5034 10.8510 11.2194 11.6041 12.0000 - Ghi chú: loại suy biến loại đề xuất luận án nên khơng có bảng  [%] A [mm] 90 265 Loại Loại Đề xuất 260 255 Palmer&Knox [10] 80 Litvin [38] Hsieh [52] Đề xuất 70 Loại 250 60 245 50 240 40 235 30 230 20 225 10 220 215 =0.5 =0.6 =0.7 =0.8 =0.9 =0.5 =1.0 =0.6 =0.7 =0.8 =0.9 Hình 2.14, 2.15 Kích thước ngang hiệu suất thể tích phương án thiết kế 13 =1.0 2.6 Hiện tượng trượt biên dạng rơto 2.6.1 Thiết lập phương trình đường ăn khớp { e2} n1 { e1} { e1} n2’ K1i K2i { } O1 P P2i K { e2} P0 O2 P1i Ki { 1} { 2} n2 P { 1} P0 n1’ Hình 2.16 Thiết lập phương trình đường ăn khớp Phương trình đường ăn khớp:  xKf ( ,1 )   xd ( ) cos1 + yd ( ) sin 1  f rK ( ,1 ) =  y Kf ( ,1 ) = − xd ( ) sin 1 + yd ( ) cos1      1 Hình 2.18 Hệ số trượt biên dạng rôto 14 (2.70) 2.7 Thiết lập phương trình mơ tả biên dạng thực rơto quạt thổi Kết luận chương Từ nghiên cứu, phân tích, đánh giá, thảo luận chương luận án có đóng góp cụ thể mặt lý thuyết sau: i) Đề xuất đường cong ứng dụng thiết kế biên dạng rôto quạt thổi không tiếp xúc kiểu Roots theo nguyên lý dẫn động cặp BRKT kiểu elíp Đề xuất hồn tồn khác biệt với nghiên cứu cơng bố thời điểm ii) Luận án giải cách triệt để điều kiện biên hình thành biên dạng rơto điều kiện hình thành quạt thổi dạng biểu thức giải tích tổng qt Khơng nghiên cứu khác tương đương [84, 88] đưa điều kiện hình thành rơto cịn điều kiện khác xác định thực nghiệm thay đổi cách thủ công thông qua mô số phần mềm thương mại có Ngồi ra, lý giải biểu thức giải tích loại quạt phải có khe hở cạnh rơto gọi quạt thổi rôto không tiếp xúc Trong nghiên khác phải xác định từ thực nghiệm quan sát từ tượng sinh nhiệt quạt hoạt động Do đó, coi đóng góp mặt lý thuyết thiết kế luận án iii) Từ kết khảo sát đánh giá mục 2.6 cho thấy ưu điểm biên dạng đề xuất luận án HSSDTT tăng lên từ 19% đến 37% kích thước hướng kính giảm từ 4.5% đến 18.1% so với thiết kế có thời điểm Từ thấy nghiên cứu luận án tiềm ứng dụng cho kịch ứng dụng tương lai Chương TỐI ƯU KÍCH THƯỚC THIẾT KẾ CỦA QUẠT THỔI THEO LƯU LƯỢNG CHO TRƯỚC 3.1 Thiết lập phương trình tốn học xác định lưu lượng quạt thổi Roots 3.1.1 Lưu lượng quạt thổi Lưu lượng riêng Lưu lượng riêng quạt Qr lượng thể tích quạt đẩy sau vòng quay trục dẫn động cho bởi:  e  x d ( )  d − Qr = 0.5 (a + 2r ) − yd ( )        −e   e  x c ( , 1 )  d (3.1) yc ( , 1 )      Lưu lượng trung bình Lưu lượng trung bình lý thuyết quạt lượng thể tích quạt đẩy sau n vòng quay trục dẫn động cho bởi: Qtblt = nQr (3.2) Lưu lượng tức thời 15 Lưu lượng tức thời quạt xác định biến thiên thể tích khoang đẩy đơn vị thời gian  dV ( ) d Qtt (1 ) = Vx = Vx (1 ) = x (3.3) dt d1 3.1.2 Sự biến đổi thể tích khoang hút khoang đẩy theo góc quay trục dẫn động 3.2 Ảnh hưởng TSTKĐT đến biến đổi thể tích khoang hút khoang đẩy 3.3 Ảnh hưởng TSTKĐT đến lưu lượng tức thời 3.4 Dao động lưu lượng quạt 3.5 So sánh lưu lượng quạt đề xuất luận án so với nghiên cứu có thời điểm Khi  tăng dần lưu lượng riêng thiết kế đề xuất luận án với loại giảm dần đạt giá trị nhỏ suy biến thành loại (=1).Tại giá trị  = 0.5 lưu lượng thiết kế lớn loại 19.8%, so với loại lớn 36.6% Lưu lượng riêng thiết kế lớn loại (loại lưu lượng lớn  = 0.9 ) 20.7% 3.6 Tối ưu góc lệch pha để giảm dao động lưu lượng Luận án đề xuất giải pháp tách rôto thành hai pha tương ứng hai quạt độc lập ghép song song (quạt quạt 2), rơto đặt lệch pha góc  Như vậy, kích thước buồng làm việc quạt khơng thay đổi tốn đặt tìm góc lệch pha  để dao động lưu lượng quạt nhỏ max Qlp (1,i ,  ) − Qlp (1,i ,  ) Hàm mục tiêu: f lp ( ) =  Qlp ( ) = → max Qlp (1,i ,  ) + Qlp (1,i ,  ) ( ( ( 16 ) ) ( ( )) ) 3.7 Tối ưu TSTKĐT theo lưu lượng cho trước giải thuật di truyền Luận án sử dụng giải thuật di truyền xác định thông số thiết kế đặc trưng tối ưu để đạt kích thước quạt nhỏ mà đáp ứng lưu lượng cho trước Kết luận chương Xuất phát từ đường cong đề xuất luận án chương để cải tiến biên dạng rơto hình thành loại quạt thổi Roots có khác biệt so với nghiên cứu trước dẫn động đồng cặp bánh họ elíp Chương luận án có số đóng góp cụ thể sau: i) Đã thiết lập biểu thức giải tích mơ tả q trình biến đổi thể tích buồng (hút/đẩy) theo góc quay trục dẫn động cho loại quạt thổi đề xuất luận án Trên sở thiết lập biểu thức giải tích tính lưu lượng tức thời để tiến hành khảo sát đánh giá áp dụng thuật toán tối ưu tồn cục Khơng nghiên cứu khác tương đương loại quạt [84, 88] thực tối ưu cục tham số cách gieo nghiệm thay đổi thủ công phần mềm mô số ii) Đã đưa biểu thức giải tích tìm điều kiện biên để thực tìm góc lệch pha lệch pha tối ưu chia quạt giải pháp nhằm giảm dao động lưu lượng, tăng chất lượng dòng chảy sau quạt Kết nghiên cứu có ưu điểm nghiên cứu khác công bố [5, 6] lĩnh vực là: (1) dùng công thức điều kiện để viết thành mô đun phần mềm tự động, tối ưu nhanh chóng cho phương án thiết kế luận án, cho kịch ứng dụng đòi hỏi chất lượng dòng chảy sau quạt cao; (2) Khắc phục hạn chế so với phương pháp Hsieh [5, 6] thay thủ công tăng 17 góc lệch pha theo gia số  đạt dao động lưu lượng theo yêu cầu Qua thấy coi đóng góp luận án mặt lý thuyết thiết kế quạt Ngoài ra, phương pháp luận luận án kết nghiên cứu vấn đề hồn tồn áp dụng cho thiết kế có cách cần thay phương trình biên dạng vào cơng thức tổng quát trình bày mục 3.6 (các nghiên khác trình bày phụ lục mà luận án dùng để so sánh) iii) Đã tiến hành xây dựng hàm mục tiêu, điều kiện biên, điều kiện ràng buộc dạng giải tích để từ thực tốn thiết kế ngược tốn khó xuất phát từ u cầu thực tiễn Mà nghiên cứu khác phải dùng phương pháp thử để tìm thơng số kích thước theo yêu cầu cho trước Nhưng quan trọng áp dụng điều kiện tìm luận án việc áp dụng thuật tốn tối ưu trở nên đơn giản Do đó, coi đóng góp tích cực vào hồn thiện thiết kế loại quạt thổi Roots nói chung phương án đề xuất luận án nói riêng iv) Từ đóng góp mục iii luận án tiến hành xây dựng thuật tốn tối ưu (vét cạn) mơ hình hóa thơng số kích thước quạt thủy lực thể tích để áp dụng thuật tốn di truyền vào mục đích tối ưu Từ đóng góp mặt lý thuyết phương pháp luận áp dụng vào đối tượng đề xuất luận án cho thấy đề xuất luận án có ưu điểm so với nghiên cứu cơng bố trước là: (a) mặt lưu lượng cho thấy với kích thước hướng kính hướng trục lưu lượng thiết kế lớn loại 19,8%, lớn loại 20,7% so với loại lớn 36,6% Đối chiếu với kết luận trình bày chương cho thấy phương án nghiên cứu đề xuất luận án có HSSDTT lưu lượng lớn so với phương án công bố; (b) mặt dao động lưu lượng sau áp dụng thuật tốn tối ưu góc lệch pha phương pháp luận cho thấy dao động lưu lượng giảm 80% Chương ẢNH HƯỞNG CỦA KHE HỞ ĐẾN TỔN THẤT THỦY LỰC CỦA QUẠT VÀ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 4.1 Thiết lập phương trình mơ tả áp suất quạt thổi Roots 4.1.1 Sự biến đổi áp suất tức thời khoang hút khoang đẩy Kết biến đổi áp suất khoang hút khoang đẩy quạt theo góc quay trục dẫn động theo thay đổi thông số thiết kế đặc trưng thể hình 4.3 18 4.1.2 Dao động áp suất quạt thổi Roots Nếu gọi  P , Pmax , Pmin dao động áp suất, áp suất lớn nhỏ quạt Roots, theo [6, 192] ta có: P − Pmin  P = max (4.10) Ptb 4.1.3 Sự biến đổi áp suất trình nén Khi thực nén khí quạt diễn ra: (i) q trình đong khí (ii) q trình trộn nén khí 4.2 Thiết lập phương trình xác định tổn thất lưu lượng áp suất 4.2.5 Đánh giá ảnh hưởng khe hở cạnh rôto khe hở hướng kính đến tổn thất lưu lượng tượng tụt áp 4.3 Mô số quạt thổi rôto khơng tiếp xúc kiểu Roots 4.3.1 Mơ hình tốn học mô số 4.3.4 Kết mô số Kết phân bố áp suất, đường dòng véc tơ dịng chảy thể hình 4.6-4.8 19 Kết mô chia quạt lưu lượng tức thời mơ tả bảng 4.9 hình 4.19 4.4 Thực nghiệm kiểm chứng Trong phần tác giả tiến hành chế tạo sản phẩm bơm mẫu sau tính tốn tối ưu thơng số thiết kế loại quạt đề xuất luận án Trên sở mơ hình thiết kế, tác giả tiến hành lấy kết đo theo sơ đồ nguyên lý với phương pháp đo sau: i) Đo lưu lượng chế độ không tải để so sánh kiểm chứng với lưu lượng lý thuyết tính tốn quạt ii) Đo lưu lượng áp suất điểm gia tải sở xây dựng đường đặc tính quạt Lưu lượng thực tế sai số so với lưu lượng lý thuyết từ 1,63% đến 8,23% cho thấy độ tin cậy mơ hình tốn tính xác cơng thức lý thuyết mà luận án thiết lập.Lưu lượng tính tốn lý thuyết lớn so với lưu lượng thực tế tính tốn lý thuyết chưa kể đến tổn thất khí máy, sai số lắp ghép rò rỉ hệ thống đường ống thí nghiệm, ma sát dịng khí với bề mặt kim loại, truyền nhiệt qua rôto stato máy i) Khi làm việc áp suất pt=10x103Pa: Quạt đạt hiệu suất lưu lượng từ 38,18%  88,46% tương ứng với tốc độ quay trục dẫn động từ 100 vòng/phút đến 1000 vòng/phút 20 ii) Khi làm việc áp suất pt=20x103Pa: Quạt đạt hiệu suất lưu lượng 35,07%  72,85% tương ứng với tốc độ quay trục dẫn động từ 400 vòng/phút đến 1000 vòng/phút iii) Khi làm việc áp suất cực đại pt=50x103Pa: Quạt đạt hiệu suất lưu lượng 12.34% tương ứng với tốc độ quay trục dẫn động 1000 vòng/phút iv) Hiệu suất quạt tăng tăng tốc độ quay trục dẫn động Ngoài dải tốc độ áp suất tăng lên lượng tổn thất tăng dẫn đến giảm hiệu suất quạt Kết luận chương Từ việc thực phương pháp nghiên cứu lý thuyết, kiểm tra lý thuyết phương pháp mô số đến thí nghiệm thực nghiệm, chương luận án có đóng góp cụ thể: dựa việc kế thừa định luật phương trình nhiệt động lực học chất lỏng, phát triển mơ hình tốn học dạng giải tích để đánh giá tổn thất lưu lượng tụt áp có khe hở mặt đầu, khe hở cạnh rơto khe hở hướng kính cho đối tượng đề xuất luận án Đây coi đóng góp luận án cho lý thuyết tính tốn thiết kế quạt thổi Roots Ngoài ra, chương giải vấn đề sau: i) Xây dựng biểu thức xác định tổn thất lưu lượng áp suất Từ đó, khảo sát đánh giá ảnh hưởng khe hở mặt đầu, khe hở cạnh rôto khe hở hướng kính đến tổn thất thủy lực Kết nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng việc thiết kế, chế tạo loại quạt thổi đề xuất luận án vào kịch ứng dụng khác ii) Chứng minh tính đắn kết nghiên cứu lý thuyết chương 2, chương phần mềm mơ số thực nghiệm Từ cho thấy: a) Trong ba loại khe hở xét kích thước khe hở khe hở mặt đầu ảnh hưởng lớn đến tổn thất lưu lượng áp suất cụ thể chiếm 62,1% lượng khí tổn thất, khe hở hướng kính chiếm 25,2% cịn khe hở cạnh rôto 12,7% 21 b) Khi sử dụng giải pháp chia rôto dao động lưu lượng giảm đáng kể từ 52,31% (  = 0.8 ) đến 96,44% (  = ) khắc phục nhược điểm loại máy mà khơng làm thay đổi kích thước buồng làm việc quạt Về mặt thực nghiệm chương chế tạo mẫu quạt theo kết nghiên cứu luận án Từ thiết bị thí nghiệm, ngồi việc kiểm chứng kết lưu lượng lý thuyết, luận án xây dựng đường đặc tính làm việc mẫu quạt chế tạo giúp cho người sử dụng ứng dụng vào điều kiện vận hành khác đáp ứng nhu cầu thực tiễn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Việc tìm đường cong nhằm cải tiến biên dạng rôto để tạo loại QTRTKTX kiểu Roots tối ưu thông số thiết kế đặc trưng, nhằm đảm bảo kích thước nhỏ mà đáp ứng lưu lượng cho trước, nhu cầu cấp thiết nước trước đòi hỏi ngày cao thực tiễn sản xuất công nghiệp đầu thời kỳ cách mạng cơng nghiệp 4.0 Để đạt điều luận án đề mục tiêu là: (i) Thiết lập phương trình biên dạng rơto cải tiến theo ngun lý dẫn động cặp BRKT ăn khớp (cặp bánh họ elíp); (ii) Tính tốn tối ưu TSTKĐT để kích thước quạt nhỏ theo lưu lượng cho trước; (iii) Xác định ảnh hưởng khe hở đến tượng tổn thất lưu lượng tụt áp giới hạn tốc độ làm việc ổn định quạt Để giải mục tiêu đề luận án đạt kết sau: Về mặt lý thuyết (1) Luận án thiết lập phương trình đường cong sở lý thuyết ăn khớp cặp BRKT để cải tiến biên dạng rơto hình thành QTRTKTX kiểu Roots Với kích thước hướng kính, hướng trục chế độ làm việc, quạt thổi Roots đề xuất luận án có HSSDTT lưu lượng lớn so với phương án công bố Cụ thể HSSDTT lớn 19% so với thiết kế Hsieh (2015) [52] 21% so với Litvin (1960) [38], 37% so với Palmer (1875) [10], lưu lượng thiết kế lớn từ 19,8% đến 36,6% kích thước ngang giảm từ 4,5% đến 18,1% (2) Từ phương trình biên dạng rơto thiết lập, luận án giải cách triệt để điều kiện hình thành biên dạng rơto như: điều kiện cắt lẹm chân răng, điều kiện hình thành rơto cho cải tiến, thiết kế nghiên cứu luận án Ngoài ra, sở nghiên cứu tượng trượt biên dạng (vận tốc trượt tương đối) luận án đưa phương trình biên dạng thực để làm sở xác định khe hở cạnh rơto q trình quạt làm việc tránh tượng mài mòn, sinh 22 nhiệt ma sát học hai rơto q trình làm việc, với lý giải cách khoa học loại quạt có tên gọi quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots (3) Luận án cải tiến luận án có nhược điểm ổn định dịng chất khí sau quạt thiết kế công bố trước từ 1.18 đến 2.96 lần Để khắc phục nhược điểm luận án nghiên cứu đưa thuật tốn xác định góc lệch pha tách ghép rôto song song, kết cho thấy dao động lưu lượng giảm giảm đáng kể từ 52,31% đến 96,44% (4) Bắt nguồn từ định luật nhiệt động lực học chất lỏng với phương trình mơ tả biến đổi thể tích buồng hút/đẩy theo trình hút/nén/đẩy quạt Luận án thiết lập phương trình lưu lượng tức thời áp suất tức thời quạt, từ áp dụng phương pháp đại giải thuật di truyền vào thuật toán tối ưu tham số thiết kế đặc trưng nhằm đảo bảo quạt thổi có kích thước thiết kế nhỏ mà đáp ứng lưu lượng cho trước (5) Luận án thiết lập phương trình tốn học mô tả ảnh hưởng khe hở cạnh rôto, khe hở mặt đầu khe hở hướng kính đến tượng tụt áp lưu lượng miền giới hạn tốc độ làm việc quạt Trong ba loại khe hở xét kích thước khe hở khe hở mặt đầu ảnh hưởng lớn đến tổn thất lưu lượng áp suất cụ thể chiếm 62,1% lượng khí tổn thất, khe hở hướng kính chiếm 25,2% cịn khe hở cạnh rơto 12,7% (6) Để kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết, luận án tiến hành kiểm chứng phương pháp mô số mô đun CFX phần mềm Ansys thấy sai số 3.48% Qua cho thấy sở lý thuyết nghiên cứu luận án đáng tin cậy Về mặt thực nghiệm (1) Luận án tiến hành chế tạo mẫu quạt theo kết nghiên cứu lý thuyết tối ưu luận án (2) Luận án chế tạo xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm Kết lưu lượng thực nghiệm sai số so với lưu lượng lý thuyết từ 1.63% đến 8.23% cho thấy độ tin cậy mơ hình tốn vá tính xác cơng thức lý thuyết mà luận án thiết lập Ngoài thực nghiệm, luận án xây dựng đường đặc tính cho mẫu quạt chế tạo thử nghiệm 23 Từ kết nghiên cứu luận án có đóng góp cụ thể sau: (1) Đã nghiên cứu phát triển loại quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots dẫn động cặp BRKT kiểu elíp có HSSDTT lưu lượng lớn so với kết nghiên cứu thời điểm (2) Đưa biểu thức giải tích xác định khe hở cạnh rơto, khe hở mặt đầu, khe hở hướng kính ảnh hưởng khe hở đến tổn thất thủy lực loại quạt nghiên cứu luận án (3) Về thuật toán luận án xây dựng được: (i) thuật toán tối ưu với công cụ đại giải thuật di truyền để tối ưu thông số thiết kế đặc trưng nhằm đảm bảo kích thước nhỏ mà đáp ứng lưu lượng cho trước quạt; (ii) Thuật tốn xác định góc lệch pha ghép song song để giảm dao động lưu lượng dẫn đến tăng chất lượng dòng chảy sau quạt Kiến nghị Trong phạm vi nghiên cứu luận án, vấn đề sau chưa đề cập tới ý tưởng đề xuất để tiếp tục cải tiến hồn thiện mặt thiết kế cơng nghệ để nâng cao tuổi thọ quạt vận dụng kết nghiên cứu vào kịch ứng dụng khác là: i) Nghiên cứu vấn đề mặt khí như: ứng suất, biến dạng chuyển vị rôto tác dụng tải làm việc ii) Hình dạng hình học kết cấu cửa hút cửa đẩy đến hiệu suất quạt iii) Quá trình sinh nhiệt, trình nén truyền nhiệt qua vỏ giải pháp làm mát quạt iv) Nghiên cứu độ ồn giải pháp giảm ồn thay đổi dịng khí chi tiết khí chuyển động v) Ứng dụng kết phương pháp luận luận án tiến hành thiết kế mẫu tiến hành thí nghiệm thiết bị đo kiểm luận án cho kịch ứng dụng phong phú đa dạng 24 ... Chương TỐI ƯU KÍCH THƯỚC THIẾT KẾ CỦA QUẠT THỔI THEO LƯU LƯỢNG CHO TRƯỚC 3.1 Thiết lập phương trình toán học xác định lưu lượng quạt thổi Roots 3.1.1 Lưu lượng quạt thổi Lưu lượng riêng Lưu lượng... rơto, dẫn đến thơng số kích thước quạt cố định theo đường lăn Do đó, khơng thể hiệu chỉnh hay tối ưu kích thước để tăng lưu lượng hay số khác quạt ii) Chỉ hiệu chỉnh thơng số kích thước quạt cách... trình theo kết nghiên cứu lý thuyết luận án Chương TỔNG QUAN VỀ QUẠT THỔI RÔTO KHÔNG TIẾP XÚC KIỂU ROOTS 1.1 Tổng quan quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots a) Định nghĩa Quạt thổi Roots loại