Ứng dụng phương pháp số trong tính toán mô phỏng động học, động lực học quá trình làm việc của quạt thổi roots

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Ứng dụng phương pháp số tính tốn mơ động học, động lực học trình làm việc quạt thổi Roots NGUYỄN XUÂN ĐỨC Duc.NXCB190058@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Vân Hương Viện: Cơ khí Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 04/2021 CỘNG HÒA 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 : Nguyễn Xuân Đức Đề tài luận văn: Ứng dụng phương pháp số tính tốn mơ động học, động lực học q trình làm việc quạt thổi Roots Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử (KH) Mã số SV: CB190058 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 27/04/2021 với nội dung sau: - Thêm dấu ‘,’ “động học” “ động lực học” tên đề tài luận văn - Thay thuật ngữ “bơm Roots” “quạt Roots” - Chỉnh sửa, rút ngắn kết luận chương 2, - Bổ sung kết luận chương - Sửa lỗi soạn thảo, rà soát lại trích dẫn có liên quan Ngày 20 tháng 05 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Lời cảm ơn Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn, em nhận giúp đỡ thầy, cô Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung Viện Cơ Khí nói riêng quan tâm động viên gia đình, bạn bè giúp em hồn thành luận văn đạt kết tốt Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Vân Hương mơn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ khí định hướng, bảo tận tình, động viên em gặp khó khăn q trình làm luận văn Bên cạnh đó, em xin cảm ơn nhiệt tình, đóng góp, giúp đỡ TS Nguyễn Hồng Thái môn Cơ sở Thiết kế máy & Robot, Viện Cơ khí Em cảm thấy may mắn tiếp thu, học hỏi kiến thức bổ ích, lý thuyết vững vàng trình nghiên cứu khoa học hướng dẫn thầy, cô Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, người u nhóm bạn thân em bên cạnh quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình hồn thành luận văn Tóm tắt nội dung luận văn Quạt Roots loại máy thủy lực thể tích phát triển từ năm 1860 anh em nhà Roots phát minh Từ có nhiều lý thuyết cải tiến biên dạng quạt Roots tiến hành nghiên cứu phát triển Cho đến ngày nay, có nhiều phiên khác quạt Roots đời, với ưu điểm lưu lượng đầu lớn hẳn loại quạt thông thường nên quạt Roots ứng dụng nhiều ngành công nghiệp khác như: Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, ngành cơng nghiệp hóa chất, loại quạt ổn định y học, vận chuyển nhiên liệu khí, hệ thống sấy sản phẩm nông nghiệp v.v Ở nước hệ thống cơng nghiệp có ứng dụng loại quạt Roots phải nhập nhằm mục đích thay thế, sửa chữa, bảo dưỡng v.v Điều thúc đẩy nhà nghiên cứu nước nghiên cứu loại quạt Tuy nhiên hướng nghiên cứu lý thuyết tác giả nước giải vấn đề động học tập trung vào mơ hình hóa biểu thức giải tích xác định lưu lượng lý thuyết áp suất quạt, chưa giải vấn đề động lực học lưu chất chảy qua quạt Tác giả ứng dụng mô đun CFX Ansys để khảo sát động lực học dòng chất khí chảy qua quạt Ngồi ra, tiến hành tính tốn mơ động lực học dịng lưu chất trường ghép quạt nhằm nâng cao lưu lượng áp suất quạt, từ góp phần việc hồn thiện lý thuyết thiết kế ứng dụng chế tạo loại quạt tương lai HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH ẢNH III DANH MỤC BẢNG V LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC VỀ MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH KIỂU RƠTO DẠNG ROOTS 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Các ứng dụng máy thủy lực kiểu Roots 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước MTLTT kiểu Roots 1.3.1 Các nghiên cứu phát triển cải tiến biên dạng 1.3.2 Nghiên cứu lưu lượng áp suất 13 1.4 Tình hình nghiên cứu nước MTLTT kiểu Roots 14 CHƯƠNG THIẾT LẬP MƠ HÌNH TỐN HỌC MƠ TẢ BIÊN DẠNG RƠTO CĨ CUNG TRÒN Ở ĐỈNH 16 2.1 Đặt vấn đề 16 2.2 Mơ hình tốn học biên dạng đỉnh rôto 16 2.3 Mơ hình tốn học biên dạng chân rơto 18 2.4 Ví dụ áp dụng 20 2.5 Lưu lượng trung bình quạt Roots 23 2.6 Ảnh hưởng hệ số thiết kế đặc trưng  đến biên dạng lưu lượng quạt Roots 26 2.7 Ảnh hưởng tham số thiết kế đặc trưng  đến lưu lượng quạt 27 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG LƯU CHẤT QUA QUẠT THỔI ROOTS 31 3.1 Thiết lập mơ hình tính tốn 31 3.2 Các thông số thiết kế 33 3.3 Kết tính tốn mơ dịng chảy 33 3.4 Kết tính tốn lưu lượng 39 3.5 Tính tốn mơ áp suất quạt 41 i 3.6 Kết tính tốn áp suất quạt 44 3.7 Dao động áp suất quạt 45 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH LÀM VIỆC KHI GHÉP QUẠT 48 4.1 Sơ đồ ghép quạt 48 4.2 Kết tính tốn mơ trường hợp ghép nối tiếp 49 4.3 Kết tính tốn mơ trường hợp ghép song song .53 4.4 Thảo luận kết tính tốn mơ kết luận .59 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sáng chế quạt Roots [1] Hình 1.2 Các vị trí roto q trình hoạt động quạt Hình 1.3 So sánh đặc tính lưu lượng-áp suất số loại bơm [8] Hình 1.4 Sáng chế quạt Roots [1] Hình 1.5 Biên dạng roto cải tiến với đỉnh roto đường epixyclơít, chân roto đường hypơxyclơít [4] Hình Biên dạng roto cải tiến sở nguyên lý ăn khớp đối tiếp bánh 10 Hình 1.7 Biên dạng quạt biên dạng quạt truyền thống 10 Hình Biên dạng roto cải tiến 11 Hình Cánh quạt cải tiến việc ghép nối cung tròn [21] 12 Hình 10 Nguyên lý hình thành biên dạng roto cải tiến 13 Hình 11 Các kết thiết kế biên dạng roto 13 Hình 12 Mơ hình thiết kế quạt Roots truyền thống roto thẳng dạng trục vít [23] 14 Hình 13 Thiết kế liên hợp quạt dạng nối tiếp dạng song song [25, 26] 14 Hình 2.1 Ngun lý hình thành cặp rơto 16 Hình 2.2 Mơ tả mối quan hệ đại lượng r, a,  với rơ to 17 Hình 2.3 Biên dạng đỉnh rơto thực tính tốn mơ Matlab 18 Hình 2.4 Xác định quan hệ hình học 19 Hình 2.5 Kết cung biên dạng chân rơto lập trình Matlab 21 Hình 2.6 Biên dạng rơ to hồn chỉnh sử dụng phần mềm Matlab 21 Hình 2.7 Mơ tả mơ hình 3D rơto 22 Hình 2.8 Bản thiết kế kết cấu quạt Roots rôto cánh 22 Hình 2.9 Biểu diễn diện tích S k 23 Hình 2.10 Diện tích rơ to 24 Hình 2.11 Cố định bán kính hướng trục rb rơ to 26 Hình 2.12 Kích thước rơto với giá trị  mặt cắt vng góc với trục 27 Hình 2.13 Ảnh hưởng kích thước khoang quạt đến lưu lượng 28 iii Hình 2.15 Ảnh hưởng  đến lưu lượng trung bình .29 Hình 3.1 Đặt mơ hình tính tốn cho đối tượng .31 Hình 3.2 Lưu lượng tức thời phương án thiết kế  =0.5  =0.6 39 Hình 3.3 Lưu lượng tức thời phương án thiết kế  =0.7,  =0.8  =0.9 40 Hình 3.4 Dao động lưu lượng quạt theo  41 Hình 3.5 Áp suất tức thời phương án thiết kế  =0.5  =0.6 44 Hình 3.6 Áp suất tức thời phương án thiết kế  =0.7,  =0.8  =0.9 45 Hình 3.7 Dao động lưu lượng phương án thiết kế 46 Hình 4.1 Sơ đồ ghép quạt 48 Hình 4.2 Áp suất cửa quạt 1, cửa sau hệ quạt chu kỳ ổn định quạt 53 Hình 4.3 Lưu lượng tức thời cửa quạt quạt quạt .53 Hình 4.4 Lưu lượng tức thời cửa quạt 1, 55 Hình 4.5 Lưu lượng tức thời cửa đường ống 56 Hình 4.6 Áp suất cửa quạt 1, 58 Hình 4.7 Áp suất cửa đường ống 59 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 So sánh diện tích hữu ích quạt cải tiến quạt truyền thống [17] 11 Bảng 2.1 Thông số thiết kế lưu lượng riêng, lưu lượng trung bình quạt 25 Bảng 2.2 Bộ thông số thiết kế rôto theo hệ số thiết kế đặc trưng  26 Bảng 2.3 Khảo sát lưu lượng trung bình biên dạng quạt Roots 28 Bảng 3.1 Thông số điều kiện biên mô số 32 Bảng 3.2 Bộ thông số thiết kế quạt theo hệ số thiết kế đặc trưng  33 Bảng 3.3 Số phần tử tứ giác 33 Bảng 4.1 Kết tính tốn mơ đường dịng vận tốc dịng chảy vị trí đặc biệt chu kỳ ổn định 49 Bảng 4.2 Kết tính tốn áp suất vị trí đặc biệt chu kỳ ổn định 51 Bảng 4.3 Kết tính tốn mơ trường véc tơ dịng chất khí đường dịng chất khí di chuyển hệ quạt 54 Bảng 4.4 Kết tính tốn áp suất vị trí đặc biệt chu kỳ ổn định 56 v LỜI MỞ ĐẦU I ĐẶT VẤN ĐỀ Quạt Roots loại quạt thủy lực thể tích phát triển từ năm 1960 anh em nhà Roots phát minh Từ đến có nhiều cải tiến tiến hành nghiên cứu phát triển nhằm đáp ứng kịch ứng dụng thực tiễn, dẫn đến đời nhiều phiên quạt khác phù hợp cho đối tượng công nghệ Trong phổ biến hướng cải tiến biên dạng rơto máy từ cho đời mẫu máy khác hướng nghiên cứu lại chia theo nguyên lý: (1) Dẫn động bánh trụ tròn [19 -29] (2) dẫn động bánh van tựa elip [33-41] Tuy nhiên, có ưu điểm lưu lượng đầu lớn hẳn loại quạt thông thường nên quạt Roots ứng dụng nhiều ngành công nghiệp khác như: Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, ngành cơng nghiệp hóa chất, loại quạt ổn định y học, vận chuyển nhiên liệu khí, hệ thống sấy sản phẩm nông nghiệp, hệ thống cung cấp ô xi nhà máy nhiệt điện đốt than, hệ thống cung cấp ô xi hút khí độc hầm lị ngành khai thác khống sản v.v Ở nước hệ thống cơng nghiệp có ứng dụng loại quạt Roots phải nhập nhằm mục đích thay thế, sửa chữa, bảo dưỡng v.v Điều thúc đẩy nhà nghiên cứu nước nghiên cứu loại quạt có hai hướng là: (i) Nghiên cứu thực nghiệm thực Viên nghiên cứu khí với hai đề tài cấp cơng thương theo hướng nghiên cứu giải mã công nghệ chế tạo chi tiết tĩnh quạt [42-43] (ii) Nghiên cứu lý thuyết nhằm cải tiến biên dạng để hình thành loại quạt có lưu lượng lớn thực nhóm tác giả Nguyễn Hồng Thái [35-41] trường Đại học BKHN Tuy nhiên hướng nghiên cứu lý thuyết nhóm tác giả giải vấn đề động học tập trung vào mô hình hóa biểu thức giải tích xác định lưu lượng lý thuyết áp suất quạt chưa giải vấn đề động lực học lưu chất chảy qua quạt Vì vậy, để giải vấn đề luận văn ứng dụng mô đun CFX để khảo sát động lực học dịng chất khí chảy qua quạt Ngồi ra, tiến hành tính tốn mơ động lực học dòng lưu chất trường ghép quạt nhằm nâng cao lưu lượng áp suất quạt Như trình bày với định hướng TS Nguyễn Thị Vân Hương em lựa chọn đề tài “ Ứng dụng phương pháp số tính tốn động học động lực học trình làm việc quạt thổi Roots” làm chủ đề nghiên cứu luận văn II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU + Tìm hiểu, tổng hợp, hệ thống hóa thành tài liệu thiết kế biên dạng cho loại quạt thổi Litvin đề xuất [14] có biên dạng đỉnh rơto cung trịn từ nguồn học liệu khác tài liệu kỹ thuật, báo tạp chí uy tín nước quốc tế + Vận dụng, kế thừa kết nghiên cứu trước để thiết lập phương trình mơ tả biên dạng rôto theo đề xuất Litvin + Ứng dụng mô đun CFX phần mềm Ansys với mơ hình biên nhúng để tính tốn, khảo sát động lực học lưu chất thể khí loại quạt Roots III PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Luận văn chưa quan tâm giải vấn đề sau: Khe hở, sai số chế tạo, tổn thất khí, tổn thất tiêu tán, khuếch tán lượng dòng chảy xảy trình quạt làm việc - Luận văn giải trường hợp quạt thổi Roots (rơto có răng), trường hợp khác loại Lobe tức rơto có từ trở lên chưa nghiên cứu luận văn - Các vấn đề thiết kế cửa vào cửa khơng xét đến mà giả thiết dịng chất khí ln điền đầy khoang hút q trình quạt làm việc IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 4.1 Ý nghĩa khoa học + Các kết luận văn có ý nghĩa quan trọng việc hồn thiện phần lý thuyết tính tốn, thiết kế quạt thổi Roots có biên dạng đỉnh rơto cung trịn + Kết nghiên cứu đóng góp phần tổng hợp thành tài liệu kỹ thuật tính tốn, thiết kế quạt thổi Roots có biên dạng đỉnh rơto cung trịn, sở để tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu thiết kế 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Các kết luận văn góp phần giảm thiểu chế tạo thực nghiệm sản xuất loại quạt Roots có biên dạng đỉnh rơto cung trịn V Nội dung luận văn Luận văn bố cục thành bố chương cụ thể sau: Chương Tổng quan tình hình nghiên cứu nước máy thủy lực thể tính kiểu rơto dạng Roots Trình bày vấn đề tổng quan loại máy thủy lực thể tích kiểu Roots nói chung Ngồi ra, chương cịn tìm hiểu tình hình nghiên cứu ngồi nước loại quạt thổi Roots, từ định hướng nghiên cứu luận văn Chương Thiết lập mơ hình tốn học mơ tả biên dạng rơto có cung trịn đỉnh Trình bày thiết lập mơ hình tốn biên dạng rơto có biên dạng đỉnh rơto cung trịn phương pháp động học giải tích Trên sở tiến hành đánh giá ảnh hưởng phần chiếm chỗ rơto đến thể tích buồng làm việc quạt theo hệ số thiết kế đặc trưng, từ hệ số thiết kế tối ưu Chương Ứng dụng phương pháp số tính tốn mơ động học động lực học dòng lưu chất qua quạt thổi Roots Trình bày khảo sát ảnh hưởng hệ số thiết kế đặc trưng đến lưu lượng áp suất quạt thơng qua tính tốn mơ số động lực học lưu chất  84o = 84 độ 84 độ = 102o = 146o Từ bảng 4.2 ta nhận thấy áp suất quạt trường hợp ghép quạt với kiểu ghép nối tiếp quạt pha áp suất hệ thống thay đổi không lớn kết thể đồ thị hình 4.2 52 P [atm] Áp suất cửa quạt 10 12 Áp suất cửa quạt Áp suất cửa quạt P [atm] 12 108 Áp suất cửa quạt -20 0.20 0.206 0.213 0.22 Áp suất 0.226 cửa quạt t [s] 0.233 0.24 t [s] -2 quạt 1, cửa sau hệ quạt chu kỳ ổn định quạt 0.20 Hình 4.2 Áp suất 0.206tại cửa của0.213 0.22 0.226 0.233 0.24 Qtt [l/s] Từ hình 4.2 cho thấy áprasuất cửa thống khiở ghép Hình 4.2 Áp suất cửa cácở quạt 1, cửa hệ sau củaquạt hệ quạt chu kỳsong ổn định song quạtổn định so với cửa quạt quạt khơng có biến đổi đột ngột Cịn lưu lượng tức thời hệ quạt không đổi 31 Lưu lượng tức thời cửa quạt quạt quạt (giá trị lưu lượng tức thời giống nhau) 31 30 Hình 4.4 Lưu lượng tức thời cửa quạt 1, 3Lưu lượng tức thời cửa quạt quạt quạt (giá trị lưu lượng tức thời giống nhau) 30 29 29 28 28 27 27 26 t [s] 26 25 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 Hình 4.3 Lưu lượng tức thời cửa quạt quạt quạt 25 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 Từ hình 4.2 hình 4.3Lưu ta có nhận sau:1 đối với2giải pháp Hình 4.3 lượng tứcxét thờicụtạithể cửanhư quạt quạt quạt ghép quạt nối kiểu nối từ cửa quạt cửa vào quạt có tác dụng giảm dao động áp suất áp suất lưu lượng trung bình hệ quạt khơng đổi 4.3 Kết tính tốn mơ trường hợp ghép song song Trong trường hợp thông số cài đặt cho q trình tính tốn mơ tương tự với trường hợp ghép nối tiếp Cịn kích thước thiết kế quạt hệ tương tự trường hợp ghép nối tiếp Bảng 4.3 kết tính tốn đường dòng trường véc tơ chu kỳ ổn định (chu kỳ thứ 6) Từ kết tính tốn mơ Bảng 4.3 cho thấy hình thành hỗn loạn cửa hút quạt quạt tạo xốy làm cho khơng khí không điền đầy khoang hút 53 t [s] Bảng 4.3 Kết tính tốn mơ trường véc tơ dịng chất khí đường dịng chất khí di chuyển hệ quạt Vị trí Vận tốc dịng chất khí Đường dịng  = 0o  = 10o  = 56o  = 84o 54 = 98o = 146 o Trong đó:  = 0o vị trí lặp lại chu kỳ sau vòng quay trục chính;  = 10o vị trí áp suất nhỏ nhất;  = 56o vị trí có giá trị áp suất cửa lớn nhất;  = 84o vị trí thể tích khoang hút lớn nhất;  = 98o vị trí khoang đẩy tích nhỏ nhất;  =146o vị trí có áp suất cửa lớn Từ bảng 4.3 cho thấy dự đốn lưu lượng trung bình hệ quạt khơng phải tổng lưu lượng ba quạt mà có tổn thất hình thành nhiễu loạn đường ống vào buồng hút quạt quạt làm cho lượng khí khơng điền đầy buồng hút Đồ thị hình 4.4 kết tính tốn lưu lượng tức thời thời điểm ổn định Lưu lượng tức thời cửa quạt Qtt [l/s] Qtt [l/s] Lưu lượng tức thời cửa quạt 23 Lưu lượng tức thời cửa quạt 23 22 22 21 21 20 20 19 t [s] Lưu lượng tức thời cửa quạt 19 18 0.20 0.21 Lưu lượng tức thời cửa quạt 0.22 0.23 0.24 t [s] Hình 4.4 Lưu lượng tức thời cửa quạt 1, 18 0.20 0.21 0.22 0.23 Hình 4.4 Lưu lượng tức 55thời cửa quạt 1, 0.24 66 64 Qtt [l/s] 66 Hình 4.5 Lưu lượn g tức thời cửa đườn g ống Qtt [l/s] Cịn hình 4.5 lưu lượng tức thời hệ quạt 64 62 62 60 60 58 t [s] 58 56 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 Hình 4.5 Lưu lượng tức thời cửa đường ống 56 0.20 0.21 0.22 0.23 t [s] 0.24 Từ hình 4.4 hình 4.5 ta nhận thấy lưu lượng tức thời quạt Hình 4.5 Lưu lượng tức thời cửa đường ống quạt xấp xỉ nhỏ quạt có tính đối xứng đường ống dẫn đến buồng hút, quạt đường ống chạy thẳng vào buồng hút khơng xảy tượng dịng khí chuyển hướng đột ngột gây nhiễu loạn nên khả điền đầy buồng hút tốt Từ đó, cho thấy để khắc phục tượng toán đặt phải xác định vận tốc làm việc quạt phải tính tốn kích thước đường ống nhằm đáp ứng khả điền đầy buồng hút quạt gợi ý cho nghiên cứu giới hạn nghiên cứu Để rõ vấn đề bảng 4.4 kết tính tốn mơ áp suất vị trí đặc biệt nêu Bảng 4.3 nêu Từ kết qủa tính tốn, mơ nhận thấy phản ánh phù hợp với chất vật lý trình làm việc hệ quạt giải thích kết tính tốn hình 4.4 hình 4.5 hồn tồn hợp lý Bảng 4.4 Kết tính tốn áp suất vị trí đặc biệt chu kỳ ổn định Vị trí Áp suất dịng chất khí  = 0o 56  10o =  56o = 10 độ 10 độ 56 độ 56 độ  84o = 84 độ 84 độ 57 = 98o = 146o Hình 4.6 hình 4.7 kết tính tốn áp suất tức thời quạt hệ quạt ghép song song P [atm] 27 28 Hình 4.6 Áp suất cửa quạt 1, P [atm] Áp suất cửa quạt 28 Áp suất cửa quạt Áp suất cửa quạt 26 27 25 26 24 25 23 24 22 23 21 22 t [s] 20 21 0.20 0.21 0.22 0.23 0.240 t [s] Hình 4.6 Áp suất cửa quạt 1, 20 0.20 0.21 0.22 0.23 0.240 Từ hình 4.6 cho thấy có biết đổi áp suất bất thường vị trí đặc biệt Hình 4.6 Áp suất cửa quạt 1, nêu Tuy nhiên, áp suất tức thời cửa lại đồng biến đổi theo 58 đường cong trơn Nguyên nhân có độ dài đường ống cửa áp suất bù trừ cho làm cho áp suất cửa đồng mơ tả hình 4.7 21.5 20.5 [atm] Hình 4.7 Áp suất cửa đường ống raP P [atm] 21.5 20.5 19.5 19.5 18.5 18.5 17.5 17.5 16.5 t [s] 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 Hình 4.7 Áp suất cửa đường ống 16.5 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24 4.4 Thảo luận kết tính tốn mơ kết luận Hình 4.7 Áp suất cửa đường ống Từ kết tính tốn mô hai trường hợp ghép quạt với kích thước, tốc độ làm việc, lưu chất, điều kiện biên pha cho thấy: • Trong hai trường hợp ghép nối tiếp song song lưu lượng tức thời ổn định biến đổi theo quy luật hình sin đường cong trơn khơng gây xung lực tác động lên hệ thống Nhưng trường hợp ghép nối tiếp biên độ dao động lưu lượng tức thời nhỏ hơn, trường hợp ghép song song dao động lưu lượng lớn • Trong hai trường hợp ghép quạt áp suất khơng thay đổi đáng kể có trường hợp ghép song song lưu lượng tăng lên khơng có nghĩa cộng học mà có tổn thất dịng xốy Vì vậy, nghiên cứu mặt hình học giả thiết khơng có dịng xoáy số nghiên cứu thực nghiệm thực việc đong thể tích chất lỏng qua vòng quay để áp đặt biên thiên lưu lượng đo vịng quay để tính lưu lượng trung bình khơng xác đo thường đo dòng chảy tầng mà chưa quan tâm đến tính chất lưu chất tốc độ dòng chảy Đặc biệt dòng chảy lưu chất quạt dòng chảy rối phức tạp với thay đổi áp suất vận tốc Những vấn đề gợi mở nghiên cứu sâu sau để có kết xác 59 t [s] Kết luận chương Qua kết mơ tính tốn thảo luận tác giả luận văn đưa số kết luận sau: • Phương án ghép quạt nối tiếp làm ổn định dòng lưu chất sau quạt, hiệu không cao Do đó, luận văn đưa khuyến cáo khơng nên ghép quạt theo phương án vừa tốn mà hiệu kinh tế không cao phức tạp công nghệ chế tạo tăng thêm nhiều chi tiết ngun cơng Nhưng điều khơng đồng nghĩa với việc nghiên cứu khơng có ý nghĩa thực tiễn ứng dụng thiết bị y tế, ý tưởng lại hiệu cho việc chế tạo multiple quạt pha nhau, tỷ số truyền, kích thước lên hồn tồn thiết kế đồng trục với cặp bánh dẫn động • Đối với phương pháp ghép song song cho lưu lượng lớn Nhưng để nâng cao hiệu suất điền đầy phải tính tốn thiết kế kích thước cửa vào cho điền đầy buồng hút Đặc biệt phải xác định tốc độ làm việc quạt ghép quạt hiệu Ngoài ra, với phương án ghép song song dao động áp suất lưu lượng quạt ổn định 60 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN Các kết đạt Từ kết nghiên cứu, tổng hợp, phân tích, đánh giá, tính tốn mơ luận văn đạt số kết sau: ✓ Đã tổng hợp, kế thừa cách có định hướng tạo tài liệu có hệ thống quạt thổi kiểu Roots có biên dạng đỉnh rơto cung trịn từ nguồn tài liệu khác mà tài liệu nói khía cạnh ✓ Đã tiến hành thiết lập phương trình biên dạng rôto cách chi tiết mà nghiên cứu trước đưa dạng tổng quát Trên sở tiến hành lập trình đánh giá, khảo sát ảnh hưởng hệ số thiết kế  mà nghiên cứu trước chưa đặt vấn đề mà lấy ngẫu nhiên ✓ Đã tiến hành tính tốn, mơ sở vận dụng mơ hình biên nhúng mơ đun CFX phần mềm tính tốn số Ansys cho trường hợp: Tính tốn quạt đơn; ghép nối quạt thổi theo hai trường hợp: ghép nối nối tiếp ghép nối song song để từ đưa nhận định quan trọng mang tính dự báo mà khơng phải chế thử Với kết thực nêu luận văn có đóng góp mặt lý luận thực tiễn sau: 1) Về mặt lý luận: - Đã hệ số thiết kế  ảnh hưởng đến lưu lượng trung bình kích thước thiết kế quạt - Khi hệ số thiết kế  biến đổi miền giới hạn hình thành rơto [0,5 – 0,9] gần giá trị 0,9 xuất dịng xốy khoang hút làm giảm khả điền đầy có tượng tổn thất lượng biến đổi từ thành nhiệt làm quạt nóng lên 2) Về mặt thực tiễn - Tại vị trí ăn khớp hai rơto ln xuất hiệu ứng chêm khí sinh áp suất cao có tác dụng ngăn chặn dòng ngược cửa đẩy cửa hút khơng thiết phải gia cơng, lắp ráp xác để làm kín khít Đặc biệt quạt khơng có bơi trơn, làm mát khuyến cáo trở nên có ý nghĩa sản xuất loại quạt Vì để làm kín khe hở cạnh khó khăn gia công chế tạo làm giá thành sản xuất đẩy lên cao Ngồi ra, làm kín điểm tiếp xúc xuất ma sát khô kim loại với kim loại sinh nhiệt vô lớn dẫn đến dãn nở rôto gây tượng kẹt quạt làm việc - Không nên ghép quạt nối kiểu cửa quạt trước cửa vào quạt sau hiệu khơng cao không làm tăng lưu lượng áp suất mà giảm dao động lưu lượng áp suất mức độ định 61 - Khi ghép song song quạt để đạt lưu lượng lớn cần phải tính tốn tiết diện cửa hút đoạn theo tốc độ làm việc để tăng khả điền đầy buồng hút Do trường hợp đường ống buồng hút phát sinh dịng xốy chảy rối làm cản trở dịng khí vào buồng hút Điều dẫn đến quạt hoạt động khơng với kích thước thiết kế làm giảm hiệu Từ nhận định tác giả luận văn đề xuất hướng nghiên cứu luận văn: - Chế tạo thực nghiệm kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết tính tốn mơ luận văn chưa đề cập đến vấn đề sai số chế tạo sai số lắp ráp mà vấn đề hồn tồn khơng thể tránh khỏi sản xuất - Hồn thiện lý thuyết tính tốn cửa hút/ cửa đẩy để đảm bảo khí điền đầy buồng hút đẩy hết khỏi buồng xả không tạo thành luồng khí quẩn buồng xả - Mơ hình hóa tốn khuếch tán lượng tổn thất lượng học thành nhiệt dòng xốy chảy rối - Tính tốn q trình khuếch tán nhiệt dịng chất khí đến tượng dãn nở nhiệt rơto stato, từ đưa thơng số khe hở xác dung sai chế tạo, lắp ráp phù hợp với sản xuất để nâng cao hiệu suất quạt tối ưu kích thước 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO Philander Higley Roots, Francis Marion Roots Patent; “Rotary blower”; US2369 Patent, 1860 London Gazette (1869), page 6052 Oil of Russia: New Technologies of "Steam Age" Archive No.4, 2005 Wales L Palmer and Israel W Knox; “Improvement in rotary pressureblowers”; US166295A Patent, 1875 Mini-Blowers.com: Roots Blower History; Retrieved 1/2021 Georgano, G.N.; “The new encyclopedia of motorcars 1885 to the present”; New York: Dutton; (1982) pp.415 Carl R Houghton; “Rotary pump”; US2489887A Patent, 1946 M H Hablanian; “Design and performance of oil-free pumps”; Vacuum, Vol 41 (7-9) (1990), 1814-1818 Lorenz Albert; “High vacuum pumps”; US2937807A Patent, 1960 10 Everestblowers.com: Application for blowers; Retrieved 1/2021 11 Trundean.com: Application; Retrieved 2/2021 12 Tmvt.com: Application twin lobe Roots blower; Retrieved 1/2021 13 F.L Litvin, P.H Feng; “Computerized design and generation of cycloidal gearings”; Mechanism and Machine Theory 31 (7) (1996) 891–911 14 Litvin, F.L., and Fuentes, A.; “Gear Geometry and Applied Theory”; Second Edition, Cambridge University Press, New York, 2004 15 F.L Litvin; “Theory of Gearing (in Russian)”; 1st edition in 1960, 2nd edition in 1968 16 Hwang, Y W., and Hsieh, C F.; “Geometric Design Using Hypotrochoid and Non-Undercutting Conditions for an Internal Gear,” ASME J Mech Des., 129 (2007), pp 413–420 17 Chiu-Fan Hsieh, Yii-Wen Hwang; “Tooth profile of a Roots with a variable trochoid ratio”; Mathematical and Computer Modelling, No 48 (2008) pp 19-33 18 Ligang Yao, Zhonghe Ye, Jian S Dai, Haiyi Cai, “Geometric analysis and tooth profiling of a three-lobe helical rotor of the Roots blower”; Journal of Materials Processing Technology 170 (2005) 259–267 19 Yao L.,Ye Z., Cai H., et al ; “Design of a milling cutter for a novelthreelobe arc-cycloidal helical rotor”; Proceeding of IMechE, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2004, 218(C10), 1233–1241 63 20 Cai Ying-jie, Yao Li-gang, Du Bei-jiang; “Modelling and verification of a new Roots blower profile based on analysis of performance of different leaf contour ”; Chongqing Univ Eng Ed (2016) 15(3), 95-102 21 Wang, P Y., Fong, Z H., and Fang, H S.; “Design constraints of five-arc Roots vacuum pumps”; Proc Instn Mech Engrs, Part C: J Mechanical Engineering Science, 2002, 216(C2), 225–234 22 Chiu-Fan Hsieh; “A new curve for application to the rotor profile of rotary lobe pumps”; Mechanism and Machine Theory, 87 (2015) 70–81 23 C.F Hsieh, Q.J Zhou; “Fluid analysis of cylindrical and screw type Roots vacuum pumps”; Vacuum, Volume 121(2015), 274-282 24 Cai Ying-jie, Yao Li-gang, Du Bei-jiang; “Modelling and verification of a new Roots blower profile based on analysis of performance of different leaf contour [J]”; Journal of Chongqing University English Edition, 15(3) (2016); 95-102 25 Chiu-Fan Hsieh, Yu-Cheng Deng; “A design method for improving the flow characteristics of a multistage Roots pumps”; Vacuum, Volume 121 (2015), 217-222 26 C.F Hsieh; “Flow characteristics of Roots pumps with multistage designs by CFD investigation”; Mech Ind 16 (6) (2015) 601: 1-11 27 Nguyễn Xuân Lạc; “Nguyên lý máy chuyên nghiệp”; Nhà xuất Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1969 28 Nguyễn Hồng Thái, Nguyễn Tiến Dũng, Vương Văn Thanh; “Phần mềm mơ hình động học bơm root”; Tạp chí khoa học & Công nghệ trường đại học kĩ thuật, (2006) Số 55, tr 53-55 29 Nguyen Hong Thai, Nguyen Thanh Trung; “Establishing formulas for design of Roots pump geometrical parameters with given specific flow rate”; Journal of Science and Technology, Volume 53, Number ( 2015) 533-542, Doi: 10.15625/0866-708X/53/4/3908 30 Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến; "Đề xuất biên dạng thiết kế quạt thổi cao áp dạng Roots", Tuyển tập Hội nghị khoa học học Thủy khí tồn quốc lần thứ 20, (2017) tr 692-698 31 Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến, Phạm Thiên Tồn; "Về loại bơm thủy lực thể tích bánh ăn khớp ngồi có biên dạng họ đường cong xyclơít cải tiến", Tuyển tập Hội nghị khoa học học Thủy khí tồn quốc lần thứ 20, (2017), tr 681 - 691 32 Nguyễn Hồng Thái, Phan Tiến Dũng, Trần Ngọc Tiến, "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, (2017) tr 239-246 64 33 Trần Ngọc Tiến, Nguyễn Hồng Thái, "Thiết kế rotor quạt thổi lobe sở đường elip sinh lăn không trượt elip lăn", Tuyển tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, (2017) tr 315-321 34 Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến, "Ảnh hưởng tham số thiết tượng trượt biên dạng lưu lượng quạt Roots", Tạp chí phát triển Khoa học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (2018), Tập (Số 1), tr 13-19 35 Nguyen Hong Thai, Tran Ngoc Tien, Phan Tien Dung, Nguyen Quang Huy, "Influence of the Designing Parameters on Flow Fluctuation and Pressure of the Improved Roots Blower", International Conference of Fluid Machinery and Automation Systems - ICFMAS2018 (2018), pp 196-203 36 Tran Ngoc Tien, Nguyen Hong Thai, "A novel design of the Roots blower", Vietnam Journal of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology 57 (2), (2019)pp 249-260 37 Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến, Tống Công Khánh, Nguyễn Thùy Dương, "Ảnh hưởng tham số thiết kế đặc trưng đến lưu lượng lý thuyết tức thời loại quạt thổi Roots hình thành theo nguyên lý cặp bánh khơng trịn kiểu elip tâm", Tuyển tập Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, (2019) tr 286-295 38 Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến, Trần Huy Toàn, Nguyễn Thùy Dương, "Ảnh hưởng hệ số tâm tích bánh đến lưu lượng áp suất loại quạt thổi Roots mới", Tuyển tập Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, (2019) tr 296303 39 Tran Ngoc Tien, Nguyen Hong Thai, Nguyen Duy Long, "Effects of head and rotor clearances on leakage of flow rate and pressure in a novel noncontact Rotor blower", Vietnam Journal of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology 57 (4A), (2019) pp 125140 40 Trịnh Đồng Tính, Trần Ngọc Tiến, Nguyễn Hồng Thái, "Thiết lập mơ hình tốn học mơ tả biến đổi thể tích buồng hút buồng đẩy loại quạt Roots cải tiến", Tạp chí Khoa học & Công nghệ trường đại học kỹ thuật, (2020) Số 141, tr 28-33 41 Nguyễn Hồng Thái, Nguyễn Duy Long; “Một thiết kế bơm Lobe dựa nguyên lý ăn khớp cặp bánh elíp”, Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Engineering and Technology (2021) (2), 861871; Doi: https://doi.org/10.32508/stdjet.v4i2.769 42 Cao Tiến Khánh (2008), “Nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh đầu quạt Roots”, Đề tài cấp Bộ, Bộ Công thương, Mã số 241-08 RD/HĐ-KHCN 65 43 Trần Thị Hoàng Thanh (2010), “Nghiên cứu chế tạo toàn phần tĩnh quạt Roots”, Đề tài cấp Bộ, Bộ Công thương, Mã số 202- 10 RD/HĐKHCN 66 ... CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG LƯU CHẤT QUA QUẠT THỔI ROOTS 3.1 Thiết lập mơ hình tính tốn a, Mơ hình tính tốn: Mơ hình tính tốn luận văn sử dụng. .. tích buồng làm việc quạt theo hệ số thiết kế đặc trưng, từ hệ số thiết kế tối ưu Chương Ứng dụng phương pháp số tính tốn mơ động học động lực học dòng lưu chất qua quạt thổi Roots Trình bày khảo... luận văn: Ứng dụng phương pháp số tính tốn mơ động học, động lực học trình làm việc quạt thổi Roots Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử (KH) Mã số SV: CB190058 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội