Nhận xét:
+ Áp suất cục bộ giữa vùng thể tích bị nén bởi hai rôto trong buồng đẩy thay đổi dần từ lớn đến nhỏ (4.12b, c, d) và từ nhỏ tăng dần đến lớn (4.12f, g, h) và đạt trạng thái cân bằng tại vị trí 4.12a và 4.12e (tương ứng với góc quay
0
0
= và 0
90
= ). Buồng hút có xu hướng ngược lại và luôn tạo áp suất âm hơn so với mặt thống để hút khí vào trong quạt.
+ Từ 4.12a và 4.12e ta thấy rằng áp suất trong buồng đẩy lớn hơn buồng đong khí và buồng hút. Khi buồng đong khí được thơng với buồng đẩy, dịng khí áp suất cao trong buồng đấy sẽ trộn với dịng khí có áp suất thấp hơn trong buồng hút dẫn đến áp suất đẩy bị giảm đi so với thời điểm trước khi thơng khí.
Nhận xét:
+ Khi hệ số càng tăng thì áp suất càng giảm được thể hiện trên thang đo của mỗi bơm. Khi =0.4 áp suất cao nhất và giảm dần khi tăng đến =1 theo các góc quay, giá trị áp suất được thể hiện ở cột bên trái. Vậy nên, biên dạng rơto có ảnh hưởng đến áp suất của quạt.
a) =00 b) 0 30 = c) 0 45 = d) 0 60 = e) 0 90 = f) 0 120 = g) =1350 h) 0 150 =
68 + Ứng suất tập trung tại những vị trí ăn khớp, vậy nên cần tính tốn đến khe hở của quạt để giảm ứng suất tại vị trí tiếp xúc để tăng tuổi thọ của rôto cũng như tuổi thọ của quạt.
Từ Hình 4.13 đến Hình 4.16 dưới đây thể hiện đường dòng và véc tơ của dòng chảy:
+ Sự chảy rối diễn ra nhiều hơn ở buồng hút. Các phần tử khí bám ở thành rôto sẽ chuyển động cùng với vận tốc của rơto cịn các phần tử khí bám ở thành stato có xu hướng chuyển động chậm hơn dẫn đến giữa stato và rôto do sự chênh lệch vận tốc nên gây ra các vùng xốy.
Trường vecto dịng lưu chất của bơm
Trường vecto của dòng lưu chất thể hiện tốc độ và hướng của dòng chảy, vậy nên đây cũng là một yếu tố quan trọng trong việc nghiên cứu quạt thổi Roots. Hình 4.13 đến 4.16 đã khảo sát vấn đề này theo hệ số của các mẫu bơm Roots:
Trường vecto của dòng lưu chất khi =0.4
Hình 4.13 Trường vecto của dòng lưu chất khi =0.4
a) =00 b) 0 30 = c) 0 45 = d) 0 60 = e) 0 90 = f) 0 120 = g) =1350 h) 0 150 =
69 Trường vecto của dòng lưu chất khi =0.6
Hình 4.14 Trường vecto của dịng lưu chất khi =0.6 Trường vecto của dòng lưu chất khi =0.8
Hình 4.15 Trường vecto của dịng lưu chất khi =0.8
a) =00 b) 0 30 = c) 0 45 = d) 0 60 = e) 0 90 = f) 0 120 = g) =1350 h) =1500 a) 0 0 = b) 0 30 = c) =450 d) =600 e) 0 90 = f) 0 120 = g) 0 135 = h) 0 150 =
70 Trường vecto của dòng lưu chất khi =1
Hình 4.16 Trường vecto của dịng lưu chất khi =1
Nhận xét:
+ Từ hình 5.12 đến 5.15 thể hiện vận tốc dịng có sự xuất hiện của các vùng xốy trong quạt thổi. Những vị trí có màu đỏ thể hiện vận tốc lớn, những vùng màu xanh thể hiện vận tốc nhỏ và hướng vecto thể hiện hướng của dòng chảy.
+ Ứng với từng hệ số thì có các vị trí xốy khác nhau với từng góc quay của rơto và khi rơto cùng góc quay thì xốy ở từng trường hợp của thì xốy xuất hiện ở các vị trí tương đối giống nhau.
+ Trong q trình quạt thổi, áp suất và vận tốc dòng lưu chất thay đổi đột ngột dẫn đến phá vỡ liên kết giữa các phân tử chất lưu với nhau. Nên giữa rôto, stato và các phân tử chất lưu sẽ sinh ra các xung lực tác dụng trực tiếp lên các rôto và vỏ quạt gây ra hiện tượng tróc rỗ ảnh hưởng đến tuổi thọ của quạt.
+ Ở phía cửa đẩy vận tốc dịng khí lớn hơn so với cửa hút do buồng đẩy có áp suất lớn hơn. g) 0 135 = h) 0 150 = a) 0 0 = b) 0 30 = c) 0 45 = d) =600 e) 0 90 = f) =1200
71
Đường dòng của quạt Roots
Đường dòng của dòng chất lưu là các đường cong sao cho mỗi phân tử chất lưu nằm trên đường dịng nào đều có vecto vận tốc tức thời theo phương tiếp tuyến với đường dịng đó. Đường dòng cũng biểu thị quỹ đạo của phần tử chất khí chuyển động.
Dưới đây là hình ảnh mơ phỏng đường dòng ứng với từng trường hợp
khi rơto quay các góc quay đặc biệt:
Đường dòng của quạt khi =0.4
Hình 4.17 Đường dịng của dịng lưu chất khi =0.4
Đường dòng của quạt khi =0.6
g) 0 135 = h) 0 150 = a) 0 0 = b) 0 30 = c) 0 45 = d) 0 60 = e) 0 90 = f) =1200 a) =00 b) 0 30 = c) 0 45 =
72
Hình 4.18 Đường dịng của dịng lưu chất khi =0.6
Đường dòng của quạt khi =0.8
Hình 4.19 Đường dịng của dòng lưu chất khi =0.8
g) =1350 h) 0 150 = f) 0 120 = d) 0 60 = e) 0 90 = g) 0 135 = h) 0 150 = b) 0 30 = c) 0 45 = f) =1200 a) 0 0 = d) =600 e) 0 90 =
73
Đường dòng của quạt khi =1
Hình 4.20 Đường dịng của dịng lưu chất khi =1
Nhận xét:
+ Đường dòng thể hiện quỹ đạo của phần tử chuyển động, ở những vị trí trong khoang bơm mà đường dịng bị hỗn loạn có xuất hiện các xốy giống như trường hợp mô phỏng trường vecto. Khi áp suất và vận tốc của dòng chất lưu thay đổi đột ngột thì sẽ gây ra hiện tượng này.
a) =00 b) 0 30 = c) 0 45 = f) 0 120 = d) 0 60 = e) 0 90 = g) 0 135 = h) 0 150 =
74
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Từ những trình bày ở trên, chương 5 của luận văn đã đạt được một số kết quả sau:
(1) Xây dựng được biểu thức xác định và khảo sát sự chênh lệch áp suất ở khoang đẩy và khoang hút của quạt so với bên ngoài. Luận văn đã chỉ ra được chu kỳ biến đổi áp suất đột ngột của quạt phụ thuộc vào số răng của rôto
1 4
f
nZ
= . Vậy nên, tùy vào mục đích sử dụng để chọn được loại quạt thổi phù hợp.
(2) Từ thông số quạt đã đưa ra luận văn đã khảo sát, mô phỏng ảnh hưởng của các thông số đến áp suất của quạt khi thay đổi hệ số trong khoảng 0.4 1 trên phần mềm Ansys sử dụng modul CFX. Đồng thời cũng trình bày mơ phỏng về dịng chảy trong quạt. Qua q trình mơ phỏng, luận văn đã chỉ ra được khi hệ số tăng dần từ 0.4 1 thì áp suất và dao động áp suất sẽ giảm dần.
75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Nghiên cứu và cải tiến quạt thổi Roots làm tăng lưu lượng hoặc áp suất đồng thời giảm kích thước đang là một vấn đề đang được rất quan tâm trên thế giới, để góp phần vào q trình nghiên cứu và hồn thiện đế ứng dụng vào thực tế thì luận văn cũng đưa ra và giải quyết được một số vấn đề sau:
1. Sau khi nghiên cứu, phân tích và đánh giá các kết quả nghiên cứu về quạt thổi Roots ở trong và ngoài nước, luận văn đã đưa ra các mục tiêu và các vấn đề cần giải quyết cụ thể. Các nội dung nghiên cứu của luận văn bám sát với mục tiêu và tên đề tài của luận văn đã đề ra.
2. Luận văn đã thiết lập được đường cong mới, với mục đích cải tiến biên dạng rôto của quạt thổi Roots. Kết quả khảo sát cho thấy lưu lượng và áp suất tăng lên thì kích thước rơto sẽ giảm đi. Điều đó cho thấy tính khả dụng của loại quạt thổi cải tiến này trong ngành công nghiệp tương lai.
3. Thơng qua tính tốn, khảo sát và mô phỏng, luận văn đã chỉ ra rằng, để có được kích thước tối ưu đạt lưu lượng và áp suất lớn nhất thì hệ số phải nằm trong khoảng: 0.4 1. Và đối với từng trường hợp của ứng với từng góc, luận văn đã chỉ ra những đặc điểm về lưu lượng, áp suất và dòng chảy của quạt, từ đó tùy vào mục đích sử dụng để chọn được thông số
phù hợp nhất.
Kiến nghị
Trên đây là những kết quả tính tốn của luận văn, nhưng luận văn chỉ giải quyết được vấn đề rất nhỏ trong lĩnh vực quạt thổi Roots. Vậy nên luận văn đề xuất một số kiến nghị để tiếp tục nghiên cứu cải tiến như sau:
Nghiên cứu sự thay đổi lưu lượng và áp suất của quạt khi xuất hiện khe hở trong quạt.
Nghiên cứu tính tốn ảnh hưởng lực hút và lực đẩy tại cửa hút và cửa đẩy đến lưu lượng, áp suất và dịng chảy trong quạt.
Mơ phỏng và chế tạo thực nghiệm để mô tả ảnh hưởng của sai số so với lý thuyết đến quạt khi nghiên cứu chế tạo quạt thổi cải tiến kiểu Roots.
Tính tốn, khảo sát, đánh giá các quá trình chuyển động của lưu chất diễn ra trong quạt.
76
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN VĂN
1. Nguyễn Hồng Thái, Nguyễn Duy Long, Lê Thị Ninh (2021) “Ảnh hưởng
góc lệch pha đến lưu lượng và áp suất khi ghép song song các bơm Roots: Loại biên dạng đỉnh rơto là cung trịn”, Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ
77
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Wales L. Palmer, Israel W. Knox (1875), “Improvement in rotary pressureblowers”, Patent US166295A
[2] Arvid Linde (2011), "Preston tucker and others: tales of brilliant automotive innovators and innovations", Veloce Publishing.
[3] G. N. Georgano (1982), “The new encyclopedia of motorcars 1885 to the present”, New York: Dutton, pp. 415.
[4] Anderson, John D (2002), “The airplane: A history of its technology. Reston, VA”, USA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, pp. 252- 253.
[5] Anderson, John D (2002), “The airplane: A history of its technology. Reston, VA”, USA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, pp. 252- 253.
[6] Carl R. Houghton (1946), “Rotary pump”, Patent US2489887A [7] Lorenz Albert (1960), “High vacuum pumps”, Patent US2937807A. [8] F. L. Litvin, A. Fuentes (2004), “Gear geometry and applied theory”, Second Edition, Cambridge University Press, New York.
[9] Chiu-Fan Hsieh, Yii-Wen Hwang (2008), “Tooth profile of a Roots with a variable trochoid ratio”, Mathematical and Computer Modelling, Vol. 48, pp. 19-33
[10] F.L. Litvin, “Theory of Gearing (in Russian)”, 1st edition in 1960, 2nd edition in 1968.
[11] F. L. Litvin, P. H. Feng (1996), “Computerized design and generation of cycloidal gearings”, Mechanism and Machine Theory, Vol. 31 (7), pp. 891- 911.
[12] F. L. Litvin, A. Fuentes (2004), “Gear geometry and applied theory”, Second Edition, Cambridge University Press, New York.
[13] G. C. Mimmi, P.E. Pennacchi (1999), “Analytical model of a particular type of positive displacement blower”, Proc. Inst. Mech. Eng. C. J. Mech. Eng. Sci., Vol. 213 (5).
[14] G. C. Mimmi, P.E. Pennacchi (2001), “Compression load dynamics in a special helical blower: a modeling improvement”, ASME J. Mech. Des., Vol. 123 (3), pp. 402-407.
[15] Yaw-Hong Kang, Ha-Hai Vu (2014), “A newly developed rôtor profile for lobe pumps:Generation and numerical performance assessment”, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 28 (3), pp. 915-926.
[16] Jun Wang, Ruiqing Liu, Shuran Yang, Hongxin Li, Zengli Wang, Qiang Li (2018), “Geometric study and simulation of an elliptical rôtor profile for Roots vacuum pumps”, Vacuum, Vol. 152, pp. 168-175.
78 [17] D.C.H. Yang, S.H. Tong, J. Lin (1999), “Deviation-function based pitch curve modification for conjugate pair design”, Transactions of ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 121 (4), pp. 579-586.
[18] Daniel C. H. Yang, Shih-Hsi Tong (2002), “The specific flow rate of deviation function based lobe pumps-derivation and analysis”, Mechanism and Machine Theory, Vol. 37, pp. 1025-1042.
[19] S. Ucer, I. Celik (1980), “Analysis of flow trough roots blower systems”, International Compressor Engineering Conference, Purdue, pp. 126- 132.
[20] Y. Niimura, R. Kikuta, K. Usui (1990), “Two-Shaft type rotary machine having a tip circle diameter to shaft diameter within a certain range”, Patent US4943214A.
[21] Z. F. Huang, Z. X. Liu (2009), “Numerical study of a positive displacement blower”, Proc. Inst. Mech. Eng. C J. Mech. Eng. Sci., Vol. 223 (10), pp 2309-2316.
[22] Y. B. Li, K. Jia, Q. W. Meng, H. Shen, X. H. Sang (2013), “Flow simulation of the effects of pressure angle to lobe pump rôtor meshing characteristics”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 52(3), pp.1-7.
[23]J. V. Voorde, J. Vierendeels, E. Dick (2004), “Flow simulations in rotary volumetric pumps and compressors with the fictitious domain method [J]”, Journal of Computational and Applied Mathematics, Vol. 168 (1), pp. 491-499.
[24] John Vande Voorde, Jan Vierendeels, Erik Dick (2003), “A force- based grid manipulator for ale calculations in a lobe pump”, Journal of Thermal Science, Vol. 12, pp. 318-322
[25] Yaw-Hong Kang, Ha-Hai Vu (2014), “A newly developed rôtor profile for lobe pumps:Generation and numerical performance assessment”, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 28 (3), pp. 915-926.
[26] Z. F. Huang, Z. X. Liu (2009), “Numerical study of a positive displacement blower”, Proc. Inst. Mech. Eng. C J. Mech. Eng. Sci., Vol. 223 (10), pp.2309–2316.
[27] Chien-Song Chyang, Yen-Chin Lin (2002), “Influence of the nature of the Roots blower on pressure fluctuations in a fluidized bed”, Powder Technology, Vol. 127, pp. 19-31.
[28] L. Yao, Z. Ye, H. Cai, et al (2004), “Design of a milling cutter for a novelthree-lobe arc-cycloidal helical rôtor”, Proceeding of IMechE, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, Vol. 218(C10), pp. 1233-1241.
[29] Cai Ying-jie, Yao Li-gang, Du Bei-jiang (2016), “Modelling and verification of a new Roots blower profile based on analysis of performance of different leaf contour”, Chongqing Univ. Eng. Ed. [ISSN 1671-8224], Vol. 15(3), pp. 95-102.
79 [30] Nguyễn Xuân Lạc (1970), “Nguyên lý máy chuyên nghiệp”, Nhà xuất bản Đại học Bách Khoa Hà Nội.
[31] Taatsuo Matsuyama (1994), “Rotary piston fluid pump”, Patent US5336069A.
[32] Wales L. Palmer, Israel W. Knox (1875), “Improvement in rotary pressureblowers”, Patent US166295A.
[33] Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến "Đề xuất một biên dạng mới trong thiết kế quạt thổi cao áp dạng Roots", Tuyển tập hội nghị khoa học cơ học thủy khí tồn quốc lần thứ 20, 2017, pp. 692-698.
[34] Nguyễn Hồng Thái, Phan Tiến Dũng, Trần Ngọc Tiến (2017) "Biến thiên áp suất ở cửa hút và cửa đẩy của một loại quạt Roots cải tiến theo góc quay của trục dẫn động", Tuyển tập hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ X, 2017, tr. 239- 246.
[35] Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến, Tống Công Khánh, Nguyễn Thùy Dương "Ảnh hưởng của tham số thiết kế đặc trưng đến lưu lượng lý thuyết tức thời của một loại quạt thổi Roots mới được hình thành theo nguyên lý của cặp bánh răng khơng trịn kiểu elip chính tâm", Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học Kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học Hà Nội, 2019, tr. 286-295.
[36] Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến, Trần Huy Toàn, Nguyễn Thùy Dương "Ảnh hưởng của hệ số tâm tích bánh răng đến lưu lượng và áp suất của một loại quạt thổi Roots mới", Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học Kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện cơ học Hà Nội, 2019, tr. 269-303.
[37] Nguyễn Hồng Thái, Trần Ngọc Tiến, Nguyễn Duy Long, Nguyễn Thế Mịch "Tối ưu góc lệch pha khi ghép song song hai bơm Roots để cải thiện dao động lưu lượng", Hội nghị khoa học tồn quốc về máy thủy khí và tự động hóa, 2021, tr. 372-383.
[38] Cao Tiến Khánh (2008), “Nghiên cứu và chế tạo hoàn chỉnh một đầu quạt Roots”, Đề tài cấp Bộ, Bộ Công thương, Mã số 241-08 RD/HĐ-KHCN.
[39] Trần Thị Hoàng Thanh (2010), “Nghiên cứu chế tạo toàn bộ phần tĩnh của quạt Roots”, Đề tài cấp Bộ, Bộ Công thương, Mã số 202-10 RD/HĐ-KHCN.
[40] George Jones (1843) “Jone’s gas and air exhauster or blower, Mechanics Magazine”, Vol 39 305-306.
[41] Chiu-Fan Hsied (2015), “A new curve for application to the rôtor profile of rotary lobe pumps”. Mechanism and Machine Theory, Vol. 87, pp. 70- 81.
[42] F. L. Litvin, A. Fuentes (2004), “Gear geometry and applied theory”, Second Edition, Cambridge University Press, New York.
[43] Palmer Wales L., Knox Isreal W. – Improment in rotary pressure- blowers, US166295A Patent (1875).
80 [44] Trần Ngọc Tiến, “Nghiên cứu tối ưu kích thước của quạt thổi Roots dẫn động bằng cặp bánh răng khơng trịn”, Luận án tiến sĩ (2020)