Khảo sát tối ưu kích thước, lưu lượng của bơm thể tích kiểu rotor không tiếp xúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Khảo sát tối ưu kích thước, lưu lượng bơm thể tích kiểu rotor khơng tiếp xúc TRẦN HUY TOÀN Toan.THCA190062@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Giảng viên hướng dẫn: Viện: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Chữ ký GVHD Cơ khí HÀ NỘI, 10/2020 ii CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trần Huy Toàn Đề tài luận văn: Khảo sát tối ưu kích thước, lưu lượng bơm thể tích kiểu rotor không tiếp xúc Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số SV: CA190062 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày / / 2020 với nội dung sau: STT Nội dung chỉnh sửa Thêm dấu ‘,’ “lưu lượng” “kích thước” Sửa lỗi soạn thảo Trang bìa 4,8,11,16 Thay thuật ngữ “răng” “cánh” 29 Thay thuật ngữ “thông số tối ưu” “thơng số kích thước” 39 Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2020 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG iii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN HUY TOÀN KHẢO SÁT TỐI ƯU KÍCH THƯỚC, LƯU LƯỢNG CỦA BƠM THỂ TÍCH KIỂU ROTOR KHƠNG TIẾP XÚC Chun ngành : CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS PHẠM HỒNG PHÚC iv MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG vii LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BƠM ROOTS 1.1 Lịch sử trình phát triển bơm Roots 1.2 Nguyên lý hoạt dộng cấu tạo 1.2.1 Giới Thiệu bơm Roots 1.2.2 Nguyên lý hoạt động 1.2.3 Cấu tạo 1.3 Các ứng dụng nguyên lý Roots [7] 1.3.1 Ứng dụng làm bơm 1.3.2 Ứng dụng làm quạt 1.4 Các phát minh sáng chế bơm Roots 11 1.5 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 12 1.5.1 Tình hình nghiên cứu nước 12 1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 13 Kết luận chương 15 CHƯƠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC BIÊN DẠNG RÔTO 17 2.1 Nguyên lý hình thành biên dạng 17 2.2 Phương trình Elip lăn 17 2.3 Phương trình biên dạng đỉnh rơto 18 2.4 Phương trình biên dạng chân rơto 23 2.5 So sánh sánh kích thước biên dạng bơm Roots kiểu với bơm Roots truyền thống 29 2.5.1 Biên dạng bơm Roots truyền thống [49] 29 2.5.2 Khảo sát kích thước động học đến biên dạng bơm Roots 30 2.6 Tỷ số hàm truyền 31 2.6.1 Cơ sở lý thuyết tỷ số hàm truyền 31 2.6.2 Cơ sở lý thuyết tỷ số truyền cặp bánh ăn khớp 33 2.7 Thông số thiết kế bơm Roots 35 Kết luận chương 36 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MƠ ĐUN CFX CỦA ANSYS TRONG TÍNH TỐN MƠ PHỎNG SỐ 37 3.1 Giới thiệu mô đun CFX Ansys 37 3.1.1 Các tính mơ đun CFX 37 3.1.2 Đặt vấn đề 38 3.2 Các bước thiết lập tính tốn mơ 39 3.2.1 Thiết lập mơ hình tốn 40 3.2.2 Chia lưới 41 3.2.3 Thiết lập điều kiện cho toán 56 3.2.4 Chạy chương trình Solution 66 Kết luận chương 67 CHƯƠNG TÍNH TỐN MƠ PHỎNG NHẰM XÁC ĐỊNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BƠM ROOTS TỐI ƯU 68 ii 4.1 Đặt vấn đề 68 4.2 Đặt điều kiện biên cho tốn mơ số bơm Roots .68 4.3 Mô tả thông số bơm Roots 68 4.4 Trình bày kết mơ 69 4.5 Khảo sát lưu lượng theo hệ số  92 4.5.1 Khảo sát lưu lượng tức thời theo hệ số  92 4.5.2 Dao động lưu lượng tức thời 93 4.6 Khảo sát áp suất theo hệ số  95 4.6.1 Khảo sát áp suất theo hệ số  95 4.6.2 Dao động áp suất bơm Roots 97 Kết luận chương 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Nội Dung Hình 1.1 Một số mẫu bơm Roots [5] Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động bơm Hình 1.3 Cấu tạo bơm Roots [6] Hình 1.4 Sơ đồ vận chuyển nguyên liệu thơ dạng hạt Hình 1.5 Sơ đồ ứng dụng vận chuyển Hình 1.6 Sơ đồ ứng dụng ngành cơng nghệ Hình 1.7 Ứng dụng bơm Roots xử lý nước Hình 1.8 Ứng dụng sản xuất đồ uống Hình 1.9 Ứng dụng xử lý chân khơng Hình 1.10 Ứng dụng kiểm tra đóng gói Hình 1.11 Ứng dụng trong cơng nghiệp Phát minh loại bơm Roots cải tiến biên dạng roto đường xyclơít Hình 1.12 [9] Phát minh loại bơm Roots giảm thiểu rị rỉ, dao động khí q Hình 1.13 trình làm việc [8] Hình 1.14 Phát minh loại bơm Roots nhiều tầng [48] Hình 2.1 Nguyên lý hình thành biên dạng Hình 2.2 Đường lăn elip tọa độ cực Hình 2.3 Đặt hệ quy chiếu thiết lập phương trình đỉnh Hình 2.4 Tọa độ điểm O2 hệ 0 ( X 0Y0 Z ) Epixycloit Hình 2.5 Đồ thị đường đỉnh rơ tơ Epixiclơít thành lập từ Matlab Hình 2.6 Đặt hệ quy chiếu thiết lập phương trình chân Hình 2.7 Tọa độ điểm O2 hệ 0 ( X 0Y0 Z ) hipoxycloit Hình 2.8 Đồ thị đường chân rơ tơ Hipoxiclơít thành lập từ Matlab Hình 2.9 Xác định góc 1 Hình 2.10 Đồ thị cánh rơto xuất từ Matlab Hình 2.11 Mơ tả rơto cánh dạng 2D Hình 2.12 Mơ tả roto cánh dạng 3D Hình 2.13 Mơ tả bơm Roots rơto Hình 2.14 Biên dạng bơm Roots truyền thống Hình 2.15 Cố định chiều dài biên dạng rơto Hình 2.16 Đồ thị khảo sát kích thước biên dạng rơto Hình 2.17 Mơ tả ăn khớp cặp rơto Hình 2.18 Đường lăn roto Hình 2.19 Đồ thị biểu diễn liên hệ 1 ,  Hình 2.20 Thơng số thiết kế bơm Roots Hình 3.1 Cấu trúc tốn mơ Hình 3.2 Mơ hình 3D roto Hình 3.3 Mơ hình 3D vỏ bơm Hình 3.4 Mơ hình 3D bơm hồn chỉnh Hình 3.5 Vùng đầu vào (Inlet) Hình 3.6 Vùng đầu (Outlet) Hình 3.7 Giao diện chia lưới tự động Hình 3.8 Kết chia lưới tự động thơ Hình 3.9 Kết chia lưới tự động tinh Hình 3.10 Cấu trúc module chia lưới ICEM CFD iv Trang 8 9 10 10 11 11 12 12 17 17 19 20 23 23 24 27 28 28 29 29 29 30 30 31 31 33 35 35 38 40 40 40 41 41 42 43 45 46 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.26 Hình 3.27 Hình 3.28 Hình 3.29 Hình 3.30 Hình 3.31 Hình 3.32 Hình 3.33 Hình 3.34 Hình 3.35 Hình 3.36 Hình 3.37 Hình 3.38 Hình 3.39 Hình 3.40 Hình 3.41 Hình 3.42 Hình 3.43 Hình 3.44 Hình 3.45 Hình 3.46 Hình 3.47 Hình 3.48 Hình 3.49 Hình 3.50 Hình 3.51 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Giao diện cơng cụ ICEM CFD Rơto sau xóa đường điểm Rơto sau hợp mặt Thêm mặt rôto Cây thư mục mặt sau định nghĩa Tạo khối để bao bên ngồi rơto Các lệnh hộp thoại Blocking Associations Rôto sau sử dụng lệnh Associate Edge to Curve Rôto sau sử dụng lệnh Snap Project Vertices Dùng lệnh Associate Face to Surface chọn Rôto định nghĩa Rôto sau sử dụng lệnh Split Block Rôto sau sử dụng lệnh Ogrid Block Dùng lệnh Split Block để chia nhỏ khối Định nghĩa lỗ sử dụng lệnh Associate Face to Surface Thực chia nhỏ đường thành n nút Thực chia nhỏ đường thành nút theo tỷ lệ chiều dài Rôto sau chia lưới Bảng thể chất lượng lưới Bảng mô tả chi tiết số phần tử lưới Một số vị trí lưới có chất lượng chưa cao Rơto sau chia hồn chỉnh Thông số sau chia lưới So sánh phân bố lưới tự động ICEM CFD So sánh mật độ lớp biên lưới tự động ICEM CFD Chia lưới ICEM CFD vỏ bơm Giao diện thiết lập điều kiện biên Thiết lập hệ trục tọa độ cho rôto Hệ trục tọa độ cho rôto rôto Thiết lập thông số cho rôto Thiết lập thông số cho rôto Thiết lập điều kiện cho vỏ bơm Chọn mơ hình giải cho dịng lưu chất Thêm đường biên giới hạn Thiết lập điều kiện biên cho đầu vào Thiết lập điều kiện biên cho đầu Khai báo hàm Thiết lập thời gian cho tốn Thiết lập đối tượng mơ Giao diện q trình mơ Kết chạy sau hội tụ Giao diện phần chạy kết Giao diện phần thêm khối Giao diện sau thêm khối Kết bơm thêm khối Kết bơm thêm mặt phẳng Chọn đối tượng để biểu diễn mặt phẳng Áp suất góc đặc biệt  = 0.5 Áp suất góc đặc biệt  = 0.6 Áp suất góc đặc biệt  = 0.7 Áp suất góc đặc biệt  = 0.8 v 47 48 48 49 49 50 50 51 51 51 51 52 52 52 52 53 53 53 53 54 54 55 55 55 55 56 57 58 58 58 59 59 60 62 63 63 64 65 66 66 67 69 69 70 70 70 71 72 73 74 75 Hình 4.11 Hình 4.12 Hình 4.13 Hình 4.14 Hình 4.15 Hình 4.16 Hình 4.17 Hình 4.18 Hình 4.19 Hình 4.20 Hình 4.21 Hình 4.22 Hình 4.23 Hình 4.24 Hình 4.25 Hình 4.26 Hình 4.27 Hình 4.28 Hình 4.29 Hình 4.30 Hình 4.31 Hình 4.32 Hình 4.33 Hình 4.34 Hình 4.35 Hình 4.36 Hình 4.37 Áp suất góc đặc biệt  = 0.9 Áp suất góc đặc biệt  = Trường véctơ bơm Roots Trường véctơ góc đặc biệt  = 0.5 Trường véctơ góc đặc biệt  = 0.6 Trường véctơ góc đặc biệt  = 0.7 Trường véctơ góc đặc biệt  = 0.8 Trường véctơ góc đặc biệt  = 0.9 Trường véctơ góc đặc biệt  = Biểu thị đường dòng Thiết lập cho đường dịng Đường dịng góc đặc biệt  = 0.5 Đường dòng góc đặc biệt  = 0.6 Đường dịng góc đặc biệt  = 0.7 Đường dịng góc đặc biệt  = 0.8 Đường dịng góc đặc biệt  = 0.9 Đường dịng góc đặc biệt  = Đồ thị khảo sát lưu lượng tức thời mô theo hệ số  Lưu lượng tức thời theo hệ số  Đồ thị lưu lượng tức thời chu kỳ Đồ thị lưu lượng trung bình chu kỳ Đồ thị dao động lưu lượng Áp suất bơm Roots theo hệ số  Đồ thị khảo sát áp suất tức thời mô theo hệ  Đồ thị áp suất trung bình theo hệ số  Dao động áp suất theo hệ số  Khoảng cách trục A12 theo  vi 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 94 95 96 97 98 98 98 DANH MỤC BẢNG Bảng Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 4.1 Bảng 4.2 Bảng 4.3 Bảng 4.4 Nội dung Khảo sát kích thước biên dạng bơm Roots Thông số thiết kế bơm Roots Thông số chi tiết bơm chia lưới thô Thông số chi tiết bơm chia lưới tinh Khảo sát thông số lưới theo hệ số  Lưu lượng trung bình chu kỳ Dao động lưu lượng Áp suất trung bình dao động áp suất theo giá trị  vii Trang 31 36 43 47 69 94 95 97 + Từ đồ thị hình 4.28 ta thấy lưu lương lượng tức thời chu kỳ đầu chưa ổn định hệ số  nguyên nhân khởi động mômen qn tính cịn lớn sau khoảng thời gian nhỏ lưu lượng bơm đạt trạng thái ổn định + Từ đồ thị ta thấy lưu lượng tức thời bơm Roots miềm biên thiên liên tục sau đạt trạng thái ổn định Khi  =0.5÷0.9 đồ thị lưu lượng đường biến thiên với chu kỳ 1800 Khi  =1 đồ thị lưu lượng biến thiên với chu kỳ 90o Đây điểm khác biệt thiết kế so với thiết kế truyền thống Lưu lương tức thời đạt giá trị Qmin giá trị  = k/2 giá trị Qmax giá trị xác định  = k thông số  =0.5  =0.6 Q[l/s] Ta có đồ thị so sánh lưu lượng theo hệ số  sau: 40 =0.5 35 =0.6 30 =0.7 25 20 15 =0.8 =0.9 =1.0 10 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 [o] Hình 4.29 Lưu lượng tức thời theo hệ số  Nhận xét + Từ đồ thị 4.29 với bán kính rơto cố định (R=81mm) lưu lương bơm Roots có dạng đường cong giống Khi  tăng dần lưu lượng giảm dần mẫu bơm truyền thống (=1) Do bơm Roots cải tiến cho lưu lượng tốt bơm truyền thống [49] 4.5.2 Dao động lưu lượng tức thời Lưu lượng trung bình: Giá trị lưu lượng trung bình bơm lưu lượng chất lỏng chảy qua bơm đơn vị thời gian đánh giá qua công thức: QTB  QMax  QMin (4.1) Tại chu kỳ cuối kết mô phỏng, lấy trung bình đỉnh cao thấp đồ thị lưu lượng tức thời 93 Q[l/s] Q[l/s] 38.542 38.265 40 38.365 31.533 34 35 31.546 31.666 30 30 26 25 22 20 19.869 15 19.916 19.924 14 1080 1260 =0.5 27.739 1440 27.744 [o ] 900 1080 Q[l/s] Q[l/s] 10 900 18 19.9 27.74 1440 [o ] 24.72 24.694 25 28 1260 =0.6 24 26 23 24 22 22 21 20 18 19.535 18.994 20 19.526 18.987 19 24 23 1260 =0.7 22.973 23.032 973  [ o ] 900 1440 22.914 1080 Q[l/s] 1080 Q[l/s] 900 23.163 =0.8 21.7 22 1260 21.701 1440 21.74 [o ] 21.687 21 22 20 21 19 20 19 900 1080 17.674 18 18.452 973 18.456 1260 =0.9 17 [o ] 1440 17.764 17.764 900 1080 =1.0 17.635 1260 1440 Hình 4.30 Đồ thị lưu lượng tức thời chu kỳ Từ đồ thị hình 4.30 cơng thức 4.1 ta có lưu lượng trung bình Bảng 4.2 Lưu lượng trung bình chu kỳ  0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Qmax 38.391 31.582 27.741 24.704 23.021 21.707 Qmin 19.885 19.92 19.531 18.991 18.454 17.694 Qtb 29.138 25.751 23.636 21.848 20.738 19.7 Q[l/s] Từ bảng 4.2 ta có đồ thị lưu lượng trung bình theo hệ số  sau: 30 29.138 25.751 25 23.636 21.848 20.738 20 19.7 15 10 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.31 Đồ thị lưu lượng trung bình chu kỳ 94 17.635  [o ] Nhận xét + Từ đồ thị hình 4.31 bảng 4.2 ta thấy lưu lượng trung bình lưu lương tức thời  nhỏ cho lưu lương lớn Lưu lượng trung bình =0.5 gấp 1.48 lần =1 (bơm truyền thống) Như việc cải thiện biên dạng giúp tăng lưu lượng bơm Dao động lưu lượng tức thời : độ biến thiên lưu lượng tức thời bơm, đánh giá hoạt động êm ái, ổn định bơm trình vận hành Dao động lưu lượng đánh giá công thức: Q  QMax  QMin 2QMax  QMin   QTB QMax  QMin (4.2) Từ cơng thức 4.2 bảng 4.2 ta tính dao động lưu lượng thức thời sau: Bảng 4.3 Dao động lưu lượng  0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Qmax 38.391 31.582 27.741 24.704 23.021 21.707 Qmin 19.885 19.92 19.531 18.991 18.454 17.694 Q 0.635 0.453 0.347 0.261 0.220 0.204 Từ bảng 4.3 ta có đồ thị dao động lưu lượng: Q 0.7 0.635 0.6 0.5 0.453 0.4 0.347 0.261 0.3 0.2 0.5 Nhận xét: 0.6 0.7 0.8 0.220 0.9 Hình 4.32 Đồ thị dao động lưu lượng 0.204  + Từ đồ thị hình 4.4 ta thấy dao động lưu lượng tức thời nhỏ dần  tăng dần =1(bơm truyền thống) Ta có =0.5 có dao động lưu lượng gấp 3.11 lần =1 điều có nghĩa dao động chất lỏng bơm Roots theo thiết kế lớn dao động chất lỏng thiết kế truyền thống, bù lại thiết kế lại cho lưu lượng gấp 1.77 lần 4.6 Khảo sát áp suất theo hệ số  4.6.1 Khảo sát áp suất theo hệ số  Tượng với phần lưu lượng với thông số bơm cho mục 4.3 tác giả chạy mô phần mềm Ansys sử mô đun CFX thu kết áp suất theo góc quay trục dẫn động sau: 95 P[x105Pa] P[x106Pa] 2.2 Vùng chưa ổn định Vùng ổn định Vùng ổn định Vùng chưa ổn định 14 12 1.8 10 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 180 360 540 P[x105Pa 14 720 900 1080 1260 =0.5 1440 o α[ ] Vùng chưa ổn định 720 900 1080 1260 1440 α[o] Vùng ổn định 10 8 6 4 2 180 360 540 P[x105Pa] 720 =0.7 900 1080 1260 α[ ] P[x10 Pa] o 1440 180 360 540 720 =0.8 Vùng chưa ổn định Vùng ổn định 900 Vùng chưa ổn định 9 1080 1260 1440 α[o] Vùng ổn định 8 7 6 5 4 3 2 540 Vùng chưa ổn định 11 10 10 360 =0.6 P[x10 Pa] Vùng ổn định 12 180 180 360 540 720 =0.9 900 1080 1260 1440 o α[ ] 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 =1.0 Hình 4.33 Áp suất bơm Roots theo hệ số  Nhận xét : + Từ độ thị hình 4.33 ta thấy áp suất chu kỳ chưa ổn định vừa khởi động monen ban đầu lớn chu kỳ sau áp suất ổn định + Áp suất thay đổi đột ngột giá trị α=kπ/2 (k số tự nhiên) Khảo sát hệ số =0.5÷1.0 số liệu bảng 4.1 Với : a bán trục lớn elip lăn, b bán trục nhỏ elip lăn, r bán kính đường trịn sinh, d = 50 mm chiều dày rơto, bán kính rơto R=a+2r = 81 mm, A12 khoảng cách trục rôto, tốc độ quay rơto 1200(vịng/phút) với tổng thời gian chạy t=0.2s tương đương với chu kỳ với chất lỏng nước có độ nhớt, khối lượng riêng xác định thiết lập chương điều kiện biên mục 4.2 Sử dụng phần mềm mô số Ansys CFX ta thu đồ thị sau : 96 α[o] P[x106] Pa 2.2 =0.5 1.8 1.6 =0.6 1.4 1.2 =0.7 0.8 0.6 0.4 =1.0 0.2 180 =0.9 =0.8 360 540 720 900 1080 1260 Hình 4.34 Đồ thị khảo sát áp suất tức thời mô theo hệ  1440 α[o] Nhận xét: + Từ đồ thị hình 4.34 hệ số  tăng dần áp suất bơm giảm dần Đặc biệt  lớn chu kỳ biến thiên áp suất lớn + Nghiên cứu giải thích nguyên nhân gây rung động tiếng ồn biến đổi đột ngột áp suất Chính thay đổi đột ngột tạo xung lực có chu kỳ tác động trực tiếp lên rôto làm cho máy dung động gây tiếng ồn 4.6.2 Dao động áp suất bơm Roots Áp suất trung bình: Giá trị áp suất đầu bơm đạt sau thời gian hoạt động PTB  PMax  PMin (4.3) Dao động áp suất: độ ổn định áp suất đầu ra, với biên độ dao động nhỏ ta bơm hoạt động ổn định Dao động áp suất tính theo cơng thức: P  PMax  PMin 2PMax  PMin   PTB PMax  PMin (4.4) Từ đồ thị hình 4.33 kết mô ta xây dựng bảng thông số áp suất trung bình dao động áp suất sau: Bảng 4.4 Áp suất trung bình dao động áp suất theo giá trị   0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Pmax 1997900 1283800 1210600 1004500 890820 764580 Pmin 406760 365390 388680 375390 364640 333520 Ptb 1202330 824595 799640 689945 627730 549050 P 1.323 1.114 1.028 0.912 0.838 0.785 97 Ptb[X105 Pa] 14 12.0233 12 10 8.24595 7.9964 6.89945 6.2773 5.4905 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9  Hình 4.35 Đồ thị áp suất trung bình theo hệ số  P 1.3 1.323 1.2 1.114 1.1 1.028 0.912 0.9 0838 0.785 0.8 0.7 0.5 0.6 0.8 0.7 0.9 Hình 4.36 Dao động áp suất theo hệ số Nhận xét:   + Từ đồ thị hình 4.35 hình 4.36 ta thấy áp suất trung bình dao động áp suất hệ số  tăng dần áp suất trung bình dao động áp suất giảm dần + Khi =0.5 áp suất trung bình gấp 2.19 lần so với =1 (bơm truyền thống) dao động áp suất gấp 1.69 lần Từ bảng mô tả thông số thiết kế mục 4.3 cố định bán kính hướng kính rơto R = 81 (mm) hệ số  thay đổi với A12 khoảng cách hai trục rôto ta có đồ thị sau A12[mm] 110 108 104 105 100 100 96 95 92 90 87 85 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.37 Khoảng cách trục A12 theo  98  Nhận xét: + Từ đồ thị hình 4.37 ta thấy hệ số  tăng dần khoảng cách trục tăng lên Mặt khác bán kính rơto cố định R = 81 (mm) từ bảng thông số thiết kế trình bày mục 4.3  tăng dần kích thước vỏ bơm tăng lên Từ mục 4.3, 4.4, 4.5 đồ thị lưu lượng, áp suất, khoảng cách trục nhận thấy: +Khi hệ số  giảm dần từ đến 0.5 cho lưu lượng áp suất tăng dần Như  = 0.5 cho lưu lượng áp suất lớn dao động lưu lượng, dao động áp suất lại cao nguyên nhân gây tiếng ổn rung động + Về mặt kích thước  giảm dần từ đến 0.5 kích thước bơm giảm dần Với  =0.5 có kích thước bơm biên dạng rơto nhỏ + Tại vị trí thắt chân rôto (=2b-4r)  = 0.5 nhỏ khó cho việc chế tạo trục dẫn động   2b  4r + Khi  =1 bơm truyền thống + Ưu điểm loại bơm Roots cải tiến lưu lương tăng từ đến 1.77 lần, áp suất tăng 2.6 lần so với thiết kế truyền thống Tùy thuộc vào mục đích lựa chọn giá trị thiết kế  để chọn mà khơng làm tăng kích thước máy + Khi hệ số tâm tích bánh  tăng dần 0.5 đến lưu lượng áp suất bơm giảm dần, ngược lại chất lượng làm việc bơm lại tăng lên Do đó, sử dụng biên dạng để thiết kế rôto cho loại bơm dạng Roots phù hợp với ứng dụng thiên lưu lượng áp suất lớn mà không đòi hởi cao ổn định dòng chảy áp suất lớn Kết luận chương Từ nghiên cứu tác giả có kết luận sau : (i) Về lưu lượng áp suất: (1) lưu lượng mẫu thiết kế tăng từ đến 1.77 lần lưu lượng trung bình gấp 1.48 lần so với mẫu thiết kế truyền thống xong dao động lưu lượng gấp 3.11 lần; (2) áp suất hệ số tâm tích bánh  giảm áp suất tăng Áp suất trung bình bơm Roots cải tiến giảm từ 2.19 lần dao động áp suất giảm dần từ 1.69 lần (ii) Về kích thước hình học : hệ số thiết hệ số tâm tích bánh  tăng 0.5 đến với bán kính hướng kính rơto cố định kích thước bơm tăng Do tùy thuộc vào mục đích sử dụng chọn bơm thiên lưu lượng áp suất mà không đòi hỏi cao ổn định dòng chảy áp suất mẫu biên dạng rơto cải tiến ứng cách hoàn hảo mặt lưu lương lượng áp suất kích thước Ngược lại chọn bơm Roots làm việc ổn định dao động lưu lượng dao động áp suất thấp mà không quan tâm tới lưu lương mẫu quạt thổi truyền thống đáp ứng yêu cầu 99 (ii) Về đặc tính động học động lực học: (1) Từ kết áp suất ta thấy hệ số  tăng áp suất giảm thể thăng đo giá trị mẫu bơm Điều chứng tỏ biên dạng rơto có ảnh hưởng tới áp suất bơm Từ góc quay quay 0o đến góc quay 90o, nội khoang bơm vị trí ăn khớp có áp suất tức thời tăng dần, giảm dần góc quay 90 o đến 180o Cứ lặp lặp lại với chu kì 90o Khi hình thành ứnng suất tập trung vùng ăn khớp cần phải nghiên cứu, tính tốn đến khe hở bơm để giảm ứng suất vùng tiếp xúc, nâng cao tuổi thọ rôto tuổi thọ bơm; (2) Trường véctơ biểu thị tốc độ hướng dòng chảy, vị trí vùng xốy Ngun nhân hình thành vùng xốy q trình hoạt động máy bơm áp suất vận tốc dòng chất lưu thay đổi đột ngột phá vỡ lực liên kết phân tử chất lưu với nhau, phân tử chất lưu với rơto thành vỏ bơm sinh xung lực tác dụng trực tiếp lên rơto vỏ bơm q trình lặp lặp lại phá hủy bề mặt cứng gây tượng sứt mẻ, rỗ ảnh hưởng đến tuổi thọ bơm Bên cạnh phá hủy, gây sứt mẻ chúng gây tiếng ồn lớn; (3) Đường dịng thể hiện đặc tính dịng chất lỏng giống trường véctơ có vị trí xốy nội khoang bơm Tuy hướng dòng chảy thể quỹ đạo phần tử chất lỏng Tại số vị trí khoang bơm có đường dịng bị hỗn loạn Ngun nhân hình thành vị trí xốy hỗ loạn đường dịng giống với trường véctơ thay đổi đột ngột áp suất vật tốc dòng chất lưu Không áp suất hay lưu lượng, trường véctơ … sử dụng phần Ansys thiết lập, biểu diễn tính tốn nhiều kết khác nhiệt độ, ứng suất, vận tốc dòng chảy … giúp giảm thời gian tính tốn mà kết đem lại sát với thực tiễn 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Sau khoảng thời gian làm luận văn tốt nghiệp luận văn đạt kết sau: + Tìm hiểu lịch sử trình phát triển bơm Roots, nguyên lý cấu tạo bơm Roots trình bày ứng dụng bơm Roots ngành cơng nghiệp + Tìm hiểu tình hình nghiên cứu nước gần lĩnh vực bơm Roots Từ khắc phục nhược điểm mà nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết chưa giải phương pháp mô số với mô đun CFX phần mềm ansys đưa vào đặc tính chất lưu để nâng cao độ xác giảm thời gian thiết kế chế tạo thử nghiệm + Thiết lập phương trình biên dạng cho bơm Roots kiểu mới, xác định biểu thức tỷ số truyền + Trên sở lý thuyết thiết lập chương trình mơđun tính tốn khảo sát kích thước thiết kế theo tham số đặc trưng + Tìm hiểu kiến thức sở mơđun CFX tính tốn mơ động học động lực học chất lỏng + Tìm hiểu phương pháp chia lưới ICEM CFD điều kiện biên tốn mơ + Từ kết trường véc tơ đường dòng tác vận tốc, quỹ đạo hướng dòng chất lưu giải thích ngun nhân hình thành vị trí xốy + Mơ số tính tốn lưu lượng áp suất theo góc quay trục dẫn động + Đánh giá hệ số hệ số thiết kế  phù hợp Khi hệ số tâm tích bánh  tăng dần 0.5 đến lưu lượng áp suất bơm giảm dần, ngược lại chất lượng làm việc bơm lại tăng lên Do đó, sử dụng biên dạng để thiết kế rôto cho loại bơm dạng Roots phù hợp với ứng dụng thiên lưu lượng áp suất lớn mà khơng địi hởi cao ổn định dòng chảy áp suất lớn Trên kết qủa luận văn điểm mà luận văn đạt Các kết đóng góp phần nhỏ hồn thiện lý thuyết thiết kế ứng dụng chế tạo loại bơm tương lai II MỘT SỐ HẠN CHẾ CỦA LUẬN VĂN Mặc dù đạt số kết định số mặt hạn chế sau : - Sai số phương pháp số q trình tính tốn - Chưa tính đến áp lực tác động lên bơm, lực truyền cho cặp rơto - Tính tốn ứng suất bền cho cặp rôto - Khe hở bánh III HƯỚNG NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN TIẾP THEO 101 Để hoàn thiện kết nghiên cứu sở đạt số kết tác giả tự nhận thấy cần tiếp tục nghiên cứu số vấn đề sau đây: - Xác định áp lực tác động lên bơm, lực truyền cho cặp rơto - Tính tốn ứng suất bền cho cặp rôto - Thiết kế cửa đẩy-hút cho bơm Roots - Tính tốn khe hở cho cặp rôto ảnh hưởng đến lưu lượng áp suất - Tính tốn chọn vận liệu cơng nghệ chế tạo bơm Roots 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO K.H Ronthaler; Leak-proof Roots vacuum pumps; Leak-Free Pumps and Compressors Handbook; Chapter thirteen; (1995) https://doi.org/10.1016/B9781-85617-230-1.X5000-7 Igor Bello, Vacuum and Ultravacuum: Physics and Technology (2018), Chair Professor, College of Nano Science and Technology (CNST) and Institute of Functional Nano and Soft Matters (FUNSOM), Soochow University, pp 530 Ian McNeil, An Encyclopedia of the History of Technology (1990), pp 315 Gottlieb Daimler, DRP 34926: The Daimler engine (1886) Web: https://www.idealvac.com/New-Booster-Pumps/ct/9-59; 25/12/2019 truy cập Web: http://www.gmek.com.vn/ ; truy cập 25/12/2019 Catalog: Anlet lobbes blower & vacuum Pump (2010) thuộc Anlet CO.,LTD Albert Lorenz, Hanau, Germany, assignor to W C Heraus G.m.b.H., Hanau, Germany, a German body corporate; Application october 25, 1955, serial No 542,566 Claims priority, application Germany October 28, 1954 WALES L PALMER AND ISRAEL W KNOX, OF SAN FRANCISCO, CAL; IMPROVEMENT IN ROTARV PRESSURE-BOWERS; Specification forming part of Letters Patent No 166,295, dated August 3, 1875; application filed July 13, 1875 10 F.L Litvin, Theory of gearing, in: NASA RP–1212, Washington, DC, 1989 11 C.B Tsay, Solving the conjugated curves of Roots blower lobe profile by analytic method, Journal of Machine 13 (1) (1987) 129–133 12 G.E Hsieh, J.L Meng, Computer aided design of Roots blower profile, in: Proceedings of the 1989 Technology and Occupation Education Conference at the National Taipei University of Technology Taiwan ROC, 1989, pp 2123– 2128 13 H.C Chiu, The mathematical model and computer aided manufacturing of Roots blower gerotor profile, Journal of Technology (1) (1994) 13–19 14 Z.H Fong, P.Y Wang, Study on the tooth profile of the multi-lobed Roots pump, in: Proceedings of 10th World Congress on Theory of Machines and Mechanisms, 1999, pp 2392–2405 103 15 C.B Tsay, Y.C Chen, Characteristic study on the lobe profile of Roots blowers, in: Proceedings of the 1998 Manufacture Technology Conference at National Cheng Kung University Taiwan ROC, 1998, pp 173–179 16 Kang, C.F Hsieh, Study on CAD/CAM of Roots rotor profile, in: Proceedings of the 2000 Manufacture Technology Conference at the National Tsing-Hua University, Taiwan ROC, 2000, pp 357–363 17 H.S Fang, Rotor profile for a roots vacuum pump, U.S Patent 5,152,684, 1992 18 H.S Fang, Two-Shaft type rotary machine having a tip circle diameter to shaft diameter within a certain range, U.S Patent 4,943,214, 1990 19 P.Y Wang, Z.H Fong, H.S Fang, Design constraints of five-arc Roots vacuum pumps, Journal of Mechanical Engineering Science Part C 216 (2) (2002) 225– 234 20 Ritchie JB and Patterson J Geometry and leakage aspects of involute rotors for roots blower Proc Inst Mech Eng 1968; 183: 707–724 21 Holmes WT Plane geometry of rotors in pumps and gears Manchester: Manchester Scientific Publishing, 1978 22 Litvin FL Gear geometry and applied theory Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1994 23 Vecchiato D, Demenego A, Litvin FL, et al Geometry of a cycloidal pump Comput Method Appl M 2001; 190: 2309–2330 24 Ryde, J L., The Positive Displacemdlt Superehc,.rg-:or, SA£ Trans 1942, SO, No 25 Cole, B.N., Grooves, J.F., linrie, B.W Performance Charncteristics of Roots Blower Systems, Proc last Mech Eng 1967-1970, Vol 189, pp 114-127 26 Winterc, E.F., The Effect of Running Clearances on the Performance of Roots Type Superchargers R.A.E Rept Bug 1945 27 Ritchie, J.B., Patcursun, J Geometry and Leakage Aspects of Involute Rotors for the Roots Blower, Proc Inst Mech Eng 1968-1969 No.36 28 Patteron, J, Ritchie, J.B., Roots Blower Performance Inc.J Mech Sci Pergamon Press, 1969, pp 575-5Y3 29 He Dour;ald, S., Imrie, B.W., Cole, B.N., An Investigation on the Volumetric efficency of RooLs Blower, 1974 Purdue Comperssor Technology Conference Proceedings 104 30 Cole, B.N., D'ath, D.N.E., Computer Modelling of Roots Blower Systems, 1974 Purdue Compressor Technology Conference Proceedings 31 Ucer, S and Celik, I., "Analysis of Flow Through Roots Blower Systems" (1980) International Compressor Engineering Conference Paper 319 32 TH Costopoulos, A Kanarachos and E Pantazis; Recduction of Delivery Fluctuation and Optimum Tooth Profile of Spur Gear Rotary Pumps; Mech Mach Theory Vol 23, No 2, 1998, pp 141-146 33 H.C Liu, S.H Tone, D.C.H Yang, Trapping-Free Rotors for High-Sealing Lobe Pumps, ASME J Mech Des 122 (2000) 536–542 34 S.H Tone, D.C.H Yang, On the Generation of New Lobe Pumps for Higher Pumping Flowrate, Mech Mach Theory 35 (2000) 997–1012 35 S.H Tone, D.C.H Yang, The Specific Flowrate of Deviation Function Based Lobe Pumps – Derivation and Analysis, Mech Mach Theory 37 (2002) 1025– 1042 36 S.H Tone, D.C.H Yang, Rotor Profiles Synthesis for Lobe Pumps with Given Flowrate Functions, ASME J Mech Des 127 (2005) 287–294 37 Y.W Hwang, C.F Hsieh, Study on High Volumetric Efficiency of the Roots Rotor Profile with Variable Trochoid Ratio, Proc IMechE, Part C: J Mech Eng Sci 220 (2006) 1375–1384 38 C.F Hsieh, Y.W Hwang, Study on the High-Sealing of Roots Rotor with Variable Trochoid Ratio, ASME J Mech Des 129 (2007) 1278–1284 39 N Stošic´, I.K Smith, A Kovacˇevic´, Screw Compressors: Mathematical Modelling and Performance Calculation, Springer-Verlag, Berlin, 2005 40 A Kovacevic, Boundary adaptation in grid generation for CFD analysis of screw compressors, Int J Numer Methods Eng 64 (2005) 401–426 41 A Kovacˇevic´, N Stošic´, I.K Smith, Screw Compressors – Three-dimensional Computational Fluid Dynamics and Solid-fluid Interaction, Springer-Verlag, Berlin, 2007 42 Kris Riemslagh, Jan Vierendeels and Erik Dick; An arbitrary Lagrangian Eulerian finite - volume method for the simulation of rotary displacement pump flow; Applied Numerical Mathematics 32, 2000, pp 419–433 43 G Houzeaux, R Codina, A Finite Element Method for the Solution of Rotary Pumps, Comput Fluids 36 (2007)667–679 105 44 D Del Campo, R Castilla, G.A Raush, P.J Gamez Montero, E Codina, Numerical Analysis of External Gear Pumps Including Cavitation, ASME J Fluids Eng.134 (2012) 081105 45 Y-W Hwang and C-F Hsieh; Study on high volumetric efficiency of the Roots rotor profile with variable trochoid ratio; Proc IMechE Vol 220 Part C: J Mechanical Engineering Science, 2006 pp 1375-1384 46 Decai Li, Haiping Xu, Xinzhi He, Huiqing Lan; Study on the magnetic fluid sealing for dry Roots pump; Journal of Magnetism and Magnetic Materials 289 (2005) 419–422 47 Shu-Kai Sun, Xiao-Han Jia, Lin-Fen Xing & Xue-Yuan Peng (2018) Numerical study and experimental validation of a Roots blower with backflow design, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 12:1, 282-292 48 Nigel Paul Schofield, Stephen Dowdeswell; Roots Pumps; This application claims priority to a foreign patent appli cation no 08167555.5 filed with the European Patent Office on Oct 24, 2008 49 Nguyễn Hồng Thái*, Nguyễn Thành Trung;“establishing formulas for design of roots pump geometrical parameters with given specific flow rate”;Tạp chí Khoa học Công nghệ 53 (4) (2015) 533-542;1/6/2015; Doi: 10.15625/0866708X/53/4/3908 50 Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến, Phan Tiến Dũng; “ Biến thiên áp suất cửa hút cửa đẩy loại quạt Roots cải tiến theo góc quay trục dẫn động ’’; Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017 Tập Cơ học Thủy khí 51 Ansys CFX tutorial guide 15.0 52 Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến; “Ảnh hưởng tham số thiết tượng trượt biên dạng lưu lượng quạt Roots” ; Tạp chí Khoa học Công nghệ (1) (2018) 53 Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến (2017), “Đề xuất biên dạng thiết quạt thổi cao áp dạng Roots”, Tuyển tập hội nghị khoa học học thủy khí tồn quốc lần thứ 20, tr 692-698 54 Trần Ngọc Tiến, Luận án tiến sĩ kỹ thuật khí “Nghiên cứu tối ưu kích thước quạt thổi Roots dẫn động cặp bánh khơng trịn” (2020) 106 55 Chiu-Fan Hsieh; “ A new curve for application to the rotor profile of rotary lobe pumps”; Mechanism and Machine Theory 87 (2005) 7081;Doi:10.1016/j.mechmachtheory 56 Dominique Guittet, Eric Taberlet, Jean-Francois, Vuillermoz (1991), “MultiStage Roots vacuum pump with sealing module” United Sates Patent no 4990069 57 Chiu-Fan Hsieh, Yu-Cheng Deng “A design method for improving the flow characteristics of a multistage Roots pumps” (2015) http://dx.doi.org/10.1016/j.vacuum.2015.09.001 58 Nguyễn Hồng Thái, Phan Tiến Dũng, Trần Ngọc Tiến (2017), “Biến thiên áp suất cửa hút cửa đẩy loại quạt Roots cải tiến theo góc quay trục dẫn động”, Tuyển tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, tr.239-246 107 ... Đồ thị khảo sát lưu lượng tức thời mô theo hệ số  Lưu lượng tức thời theo hệ số  Đồ thị lưu lượng tức thời chu kỳ Đồ thị lưu lượng trung bình chu kỳ Đồ thị dao động lưu lượng Áp suất bơm Roots... ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN HUY TỒN KHẢO SÁT TỐI ƯU KÍCH THƯỚC, LƯU LƯỢNG CỦA BƠM THỂ TÍCH KIỂU ROTOR KHƠNG TIẾP XÚC Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ... SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trần Huy Toàn Đề tài luận văn: Khảo sát tối ưu kích thước, lưu lượng bơm thể tích kiểu rotor khơng tiếp xúc Chun ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số SV: CA190062 Tác