Từ những ưu điểm như đã trình bày ở trên, loại máy thủy lực thể tích rơto khơng
tiếp xúckiểu Roots và cụ thể là ứng dụng làm quạt thổi đã được ứng dụng rộng rãi
trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, đáp ứng nhu cầu mà thực tiễn đòi hỏi. Tuy
nhiên, trong khuôn khổ và phạm vi nghiên cứu của luận án người viết chỉ thống kê
và biên tập trong một số lĩnh vực cụ thể sau:
(1) Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp: Trong công nghiệp điện quạt thổi kiểu
Roots cung cấp khơng khí cho các nhà máy nhiệt điện đốt than; vận chuyển
bột xi măng trong ngành cơng nghiệp xi măng; vận chuyển khí trơ trong cơng nghiệp hóa chất; ứng dụng trong hệ thống sấy trong các nhà máy sản xuất
giấy; cơng nghệ mạ kim loại, luyện kim, cơ khí, v.v..
(2) Ứng dụng trong ngành mơi trường: Máy sục khí trong các hệ thống xử lý nước
thải, lị đốt rác, v.v..
(3) Trong lĩnh vực nông nghiệp: Máy sục khí cung cấp ơ xi tầng sâu cho các trang
trại nuôi trồng thủy sản; các hệ thống sản xuất chế biến nông sản sau thu hoạch như: hệ thống sấy, hệ thống vận chuyển nông sản dạng hạt, hệ thống
trộn nguyên liệu dạng bột; các máy hút chân không trong sản xuất thực phẩm,
(4) Ứng dụng tích hợp trong các loại động cơ: hệ thống cung cấp ô xi cho các
động cơ đốt trong (động cơ tăng áp) của ô tô, tàu thủy vận tải, các tàu du lịch
và tàu quân sự, máy bay, v.v..
(5) Ứng dụng trong ngành khai thác khoáng sản: Quạt thổi Roots được ứng dụng
trong các hệ thống hút khí độc và hệ thống cung cấp ô xi trong các hầm lị
khai thác khống sản; vận chuyển khí dầu trong ngành dầu mỏ, hệ thống đo lưu lượng, v.v..
(6) Trong lĩnh vực máy thi công cơng trình: ứng dụng gia cố nền đất yếu, hệ thống thơng khí đường hầm, hầm lị v.v..
Dưới đây là một số sơ đồ nguyên lý điển hình của các hệ thống sử dụng quạt
thổi rôto không tiếp xúckiểu Roots trong thực tiễn.
Bảng 1.1Ứng dụng của quạt thổi rôto không tiếp xúc [38]
Ứng dụng quạt thổi rôto không tiếp xúctrong công nghiệp
Công nghệ mạ Công nghiệp sản xuất giấy Nhiệt luyện
Để nâng cao chất lượng mạ kim loại quạt thổi rôto khơng tiếp xúc đóng vai trị là nguồn cung cấp khơng khí để lưu thơng điện tử trong bể mạ, tạo cho lớp
mạ có độ dày đồng đều hơn. Quạt thổi rôto không tiếp xúc tách giấy trong nghiệp sản xuất giấy. ứng dụng thổi
Quạt thổi rôto không tiếp xúc đảm bảo cho
quá trình xử lý nhiệt với khơng khí sạch khơng có dầu.
Cơng nghệ Ơ-Zơn hóa Cơng nghệ dập Khử bọt chân không
Quạt thổi rôto không tiếp xúc được sử
dụng làm nguồn cung cấp khơng khí cho
q trình ơ-zơn hóa nồng độ cao. Quạt thổi rôto không tiếp xúc được sử dụng để nâng sản phẩm đúc từ máy dập.
Quạt thổi rôto không tiếp xúc được sử dụng để loại bỏ bọt khí tăng chất lượng của hóa chất và dược phẩm bằng cách khử bọt
trong chân khơng.
Dây chuyền đóng gói Máy ép chân không Công nghệ rửa ngược
Quạt thổi rôto không tiếp xúc được ứng
dụng để hút chân khơng trong những dây chuyền đóng gói.
Quạt thổi rơto khơng tiếp xúc sử dụng làm nguồn tạo chân không cho máy ép nhựa chân
không.
Quạt thổi rôto không tiếp xúc được sử dụng để tối ưu hiệu suất của bộ lọc bằng cách đẩy nước chảy ngược qua tấm lọc.
Ứng dụng quạt thổi rôto không tiếp xúctrong nông nghiệp sau thu hoạch
Vận chuyển ngũ cốc Phục hồi đất Dây chuyền sấy
Quạt thổi rôto không tiếp xúc được sử
dụng trong vận chuyển bột gạo, lúa mì,
đậu nành... Quạt thổi rơto khơng tiếp xúc được sử dụng trong quá trình phục hồi đất.
Quạt thổi rôto không tiếp xúc được sử dụng trong dây chuyền sấy để vận chuyển
khí nóng.
Bảo quản nơng sản Ngâm tẩm sản phẩm Nuôi trồng thủy hải sản
Quạt thổi rôto không tiếp xúc được sử
dụng để hút chân không bảo quản nông sản sau thu hoạch.
Quạt thổi rôto không tiếp xúc được sử dụng
tạo áp suất dương phục vụ cho quá trình ngâm tẩm các sản phẩm.
Quạt thổi rôto không tiếp xúc sục khí trong
các ao hồ ni trồng thủy sản để tăng lượng ô-xi trong nước.
Ứng dụng quạt thổi rôto không tiếp xúctrong vấn đề môi trường
Xử lý nước Máy giặt khơ Lị đốt rác thải
Quạt thổi rơto không tiếp xúc được sử
dụng để lọc nước bằng cách sục khí khuấy trầm tích trong bể chứa nhà máy xử lý nước.
Quạt thổi rôto không tiếp xúc được sử dụng
để thu hồi dung môi trong máy giặt khô sử dụng dung môi Hydrocarbon.
Quạt thổi rôto không tiếp xúc được sử dụng trong lò đốt rác để tăng cường hiệu suất đốt cháy.
Từ bảng 1.1 trên đây cho thấyquạt thổi rôto không tiếp xúcđược ứng dụng rất rộng
rãi trong nhiều ngành công nghiệp, nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống. Do đó,
có thể nói quạt thổi rơto khơng tiếp xúclà thiết bị nguồn của các hệ thống sản xuất.
Dẫn đến, theo dòng thời gian, cập nhật, sáng tạo, khám phá tri thức của nhân loại
với những tiến bộ khoa học và công nghệ, quạt thổi rôto không tiếp xúc đã không
ngừng được các nhà khoa học, kỹ thuật trên thế giới nghiên cứu, cải tiến để ngày càng hoàn thiện hơn về mặt nguyên lý thiết kế, công nghệ chế tạo và phát triển để đáp ứng được những địi hỏi ngày càng cao của q trình sản xuất thực tiễn. Vấn đề này sẽ được trình bày trong mục 1.4 dưới đây của luận án.
1.4. Tình hình nghiên cứu ngồi nước về quạt thổi rơto không tiếp xúc kiểu Roots
Với những mục tiêu nghiên cứu mà luận án đặt ra, trong phần này tác giả luận án tổng hợp, chắt lọc, biên tập từ kho tri thức đã khám phá và hiểu biết của nhân loại
cũng như những khám phá mới nhất của thế giới về lĩnh vực chuyên môn hẹp mà luận án quan tâm giải quyết. Qua đó cho thấy từ khi được đề xuất năm 1843 [1] trải qua gần 180 năm nghiên cứu, phát triển, ứng dụng để phục vụ cho sự phát triển của
nhân loại theo thời gian [1-110], tác giả luận án nhận định: (a) hầu hết các nghiên
cứu, phát triển, cải tiến trên thế giới tập trung vào chế độ bơm (Quạt/Bơm) của loại
máy này; (b) chế độ động cơ cịn ít được nghiên cứu và ứng dụng hơn. Do đó, những lý giải dưới đây tập trung vào chế độ bơm của loại máy này.
Như đã trình bày trong mục 1.2, quá trình hình thành và phát triển của quạt thổi
rôto không tiếp xúc là không dài, cho đến nay mới gần 180 năm, nhưng loại quạt
này đã được nhiều nhà khoa học kỹ thuật, công nghệ nối tiếp nhau phát triển một cách liên tục, đa dạng, phong phú về nhiều khía cạnh cũng như tìm cách ứng dụng
vào nhiều mặt của cuộc sống. Trong đó nổi lên ba vấn đề chính đó là: (1) Dựa trên
nguyên lý Roots cải tiến biên dạng rôto để tạo ra các máy mới cho nhiều ứng dụng
khác nhau; (2) Xác định lưu lượng, áp suất cũng như cải thiện chất lượng dòng lưu
chất (chất lỏng/chất khí) được vận chuyển qua máy; (3) Nghiên cứu nâng cao hiệu
suất chuyển đổi thủy lực của máy. Dưới đây là những nội dung cụ thể.
1.4.1. Những nghiên cứu về cải tiến và phát triển biên dạng rôto của máy
Có thể nói đây là một hướng có nhiều nghiên cứuquan tâm nhất, sau mỗi cải tiến là
có một sáng chế [25, 26, 28, 30-37]. Tuy nhiên, về mặt tổng thể thì có thể nói là
theo hai xu hướng chính:
Thứ nhất là, cải tiến biên dạng rôto dựa trên nguyên lý dẫn động bằng cặp bánh
răng trụ trịn có tỷ số truyền 1:1, trên cơ sở đó hình thành biên dạng rơto theo đường
lăn của cặp rôto (đường lăn của cặp rôto trùng với đường lăn của cặp bánh răng
dẫn động) nhằm đảm bảo hai rôto quay đồng tốc với cặp bánh răng dẫn động. Mặt
khác, để đảm bảo khe hở cạnh rơto ln bằng hằng số và khơng có va đập trong q
trình làm việc thì biên dạng rơto phải thỏa mãn định lý ăn khớp [39, 40]. Vì vậy,
cặp rơto chính là cặp bánh răng ăn khớp ngồi có tỷ số truyền 1:1 nhưng có sốrăng
rất ít để tạo ra khoảng trống giữa các răng trong quá trình ăn khớp lớn hình thành
các buồng quạt. Với nguyên tắc tạo hình biên dạng như trên mà mỗi rơto thường có
từ hai răng trở lên và biên dạng là những đường cong khác nhau thông thường là những đường cong xyclơít (đỉnh rơto là đường epixyclơít cịn chân rơto là đường
hypơxyclơít) [11]. Về sau, do sự phát triển của máy tính và các phương pháp gia
cơng hiện đại mà theo thời gian có các cải tiến như: Litvin (1960) [21, 39, 40] đã đề
xuất một biên dạng rôto mới được thiết kế theo nguyên lý: Đỉnh rôto là một cung trịn cịn chân rơto là biên dạng đối tiếp của đỉnh rôto. Cho đến những năm 1990, xu hướng sử dụng tổ hợp các đường cong để tạo đường cong trơn được các nhà khoa
cung trịn để tăng hệ số sử dụng thể tích; Niimura và cộng sự (1990) [42] sử dụng tổ
hợp các đường thân khai và cung tròn. Vào năm 1999, Mimmi và Pennacchi [43,
44] tổ hợp các đường cong tốn học phục vụ thiết kế rơto cho quạt thổi rôto không
tiếp xúc kiểu Lobe (loại ba răng), bao gồm: đường epixyclơít, cung trịn, đường
thân khai và đường chơtroiít. Sự kết hợp các đường cong khác nhau làm cho quá
trình ăn khớp khơng liên tục trên tồn bộ biên dạng rơto dẫn đến có hiện tượng tạo
khoảng trống cục bộ khơng mong muốn gây ra tiếng ồn và dao động cơ học do bị
nén cụcbộ, đây là nhược điểm của thiết kế này. Để khắc phục hiện tượng trên, các
nhà khoa học đã đề xuất thiết kế sử dụng tổ hợp các đường cong kết hợp với
phương pháp đường cong đối tiếp của Litvin [40]. Theo hướng này đã có nhiều
nghiên cứu được cơng bố: Wang và cộng sự (2002) [45] đã đề xuất thiết kế mới với
đỉnh rơto gồm 5 cung trịn; Kang, Vu [46] đề xuất hai kiểu thiết kế mới bằng việc tổ
hợp từng đơi một các đường epixyclơítvà cung trịn; Cai và cộng sự [47-49] thiết kế
một loại máy nén theo nguyên lý quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Lobe loại ba
răng với chân rơto là cung trịn cịn đỉnh rơto là cung xyclơít. Năm 2018, Jun Wang
và cộng sự [50] sử dụng tổ hợp các cung elíp để tăng hiệu suất làm việc của quạt
thổi. Gần đây nhất năm 2018 có Yu và Van [51] cải tiến biên dạng với sự kết hợp
các đường cong liên hợp: cung trịn, epixyclơít, đường thân khai, hypơxyclơít, biên dạng đối tiếp của đường trịn. Ngồi phương pháp tổ hợp các đường cong tốn học,
nhóm tác giả Chiu-Fan Hsieh và Hwang [52, 53] đã giới thiệu mộtphương án thiết
kế biên dạng rôto mới nhằm tăng hệ số sử dụng thể tíchcủa quạtbằng cách sử dụng
đường xyclơít mở rộng theo hệ số tỉ lệ là các đa thức bậc cao. Gần đây vào năm
2015, dựa trên những ý tưởng của thiết kế truyền thống [11] tác giả Chiu-Fan Hsieh
[54] đã đề xuất một đường cong mới được hình thành từ quỹ tích một điểm cố định
trên elíp sinh khi elíp sinh lăn khơng trượt trên đường trịn lăn của rôto để cải tiến biên dạng rôto nhằm tăng lưu lượng của máy. Đối với các nghiên cứu sử dụng
đường biên dạng đối tiếp [50-54] thường kèm theo các tính tốn về điều kiện cắt
lẹm chân răng và các điều kiện hình thành biên dạng rơto.
Thứ hai là, nghiên cứu thiết kế biên dạng rôto theo nguyên lý dẫn động của
bánh răng khơng trịn. Có thể nói đây là một hướng phát triển mới. Theo hướng này có rất ít nghiên cứu đề cập tới và theo tìm hiểu của tác giả luận án thì chỉ có một
nghiên cứu duy nhất đó là: nhóm tác giả Tong và Yang [55] thuộc bộ mơn kỹ thuật
cơ khí và hàng khơng vũ trụ thuộc Đại học California (Hoa Kỳ), giới thiệu hai
phương pháp đó là DPD (Direct-Profile-Design) và DF (Deviation-Function) kết
hợp với phương pháp thiết kế đường lăn trong bánh răng khơng trịn để thay đổi các tham số thiết kế tạo ra biên dạng rôto mới. Nhưng các tác giả vẫn đưa thiết kế mới
Từ những phân tích và đánh giá trên đây có thể khẳng định cho đến hiện tại các
nghiên cứu về máy thủy lực thể tích rơto khơng tiếp xúckiểu Roots được phát triển
theo nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng trụ tròn. Bảng 1.2 dưới đây là tổng hợp ưu nhược điểm của các cải tiến này.
Bảng 1.2So sánh ưu nhược điểm của các thiết kế theo kết quả nghiên cứu đã công bố
Năm Tác giả Mô tả biên dạng Ưu nhược điểm
1860 Philander Higley Roots và Francis Marion Roots [2]
Tổ hợp các cung tròn. Là biên dạng rôto khởi thủy tuy nhiên quạt có hiệu suất thấp.
1875 Palmer và Knox [11] Đường epixyclơít, đường hypơxyclơít.
Giảm khe hở cạnh rôto, tăng hiệu suất. 1960 Hubrich Christoph [22] Tổ hợp các cung tròn. Tăng hệ số sử dụng
thể tích. 1960 Litvin [21, 39, 40] Cung tròn và biên dạng đối
tiếp. Giảm khe hở tăng hiệu suất làm việc 1990 Ralf Steffens [41] Tổ hợp các cung tròn. Tăng hiệu suất. 1990 Niimura [42] Tổ hợp đường thân khai và
cung tròn.
Tăng hệ số sử dụng thể tích.
1999 Mimmi và Pennacchi [43, 44]
Tổ hợp đường epixyclơít, cung trịn và đường thân khai, đường chơtroiít.
Ổn định dịng chảy tuy nhiên hiệu suất không cao.
2000 Tong và Yang [55-63] Ứng dụng nguyên lý thiết kế bánh răng khơng trịn.
Tăng lưu lượng. 2002 Wang [45] Tổ hợp các cung tròn và biên
dạng đối tiếp.
Giảm kích thước khe hở cạnh rơto.
2005 Cai, Yao [47-49] Tổ hợp cung tròn và cung xyclơít.
Giảm tiếng ồn, tăng lưu lượng.
2007 Hsieh và Hwang [52, 53]
Sử dụng hệ số tỷ lệ bậc cao. Tăng hệ số sử dụng thể tích.
2014 Kang, Vu [46] Tổ hợp đường epixyclơít và cung trịn.
Tăng hệ số sử dụng thể tích.
2015 Hsieh [54] Sử dụng đường elip lăn không trượt trên đường tròn.
Tăng lưu lượng và hệ số sử dụng thể tích.
2018 Wang [50] Tổ hợp các cung elíp. Tăng lưu lượng. 2018 Yu, Van [51] Tổ hợp các đường epixyclơít,
đường thân khai, hypơxyclơít, cung trịn.
Tăng hệ số sử dụng thể tích.
1.4.2. Nghiên cứu về lưu lượng và áp suất của máy
Lưu lượng và áp suất là hai thông số quan trọng của các máy thủy lực thể tích. Đồ
thị biểu diễn mối quan hệ của hai thông số này được gọi là đường đặc tính của
máy. Trên cơ sở đường đặc tính người ta lựa chọn chế độ làm việc và điều khiển
máy, do đó đây là thơng số quan trọng của máy. Tuy nhiên, đường đặc tính lại phụ
thuộc chủ yếu vào sự biến đổi thể tích của buồng hút và buồng đẩy cũng như thể
tích buồng đong của máy (hình 1.2). Do đó, chung quy lại là phụ thuộc vào biên dạng và kết cấu của rơto. Điều đó dẫn đến khi thay đổi tham số thiết kế biên dạng rôto, sẽ dẫn đến thay đổi đường đặc tính của quạt. Vì vậy, sau khi thiết kế rơto hầu hết các nghiên cứu đều phải quan tâm đến vấn đề lưu lượng và áp suất. Theo trình tự thời gian cũng như sự phát triển khoa học qua từng thời kỳ mà nghiên cứu vấn đề này được chia thành bốn hướng đó là:
Thứ nhất là, nghiên cứu phát triển và ứng dụng lý thuyết cơ học thủy khí vào
máy thủy lực thể tích, Ucer và cộng sự [64] đã tính tốn sự biến đổi thể tích buồng
hút/đẩy theo góc quay trục dẫn động để xác định lưu lượng và áp suất cho loại quạt
được Niimura đề xuất [42]. Yang và Tong đã có nhiều nghiên cứu về quạt thổi rơto
khơng tiếp xúc từ năm 1998 đến năm 2009 về hình dạng hình học biên dạng rơto
hình học rơto cho đến lưu lượng của máy, trong nghiên cứu [63] các tác giả đã đưa
ra cơng thức tính lưu lượng tổng quát cho kiểu quạt mà nhóm tác giả này đề xuất đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các thơng số đặc trưng hình thành biên dạng rơto