Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí: Tối ưu kích thước quạt thổi Roots dẫn động bằng cặp bánh răng không tròn - Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tính cấp thiết Quạt thổi rôto không tiếp xúc (QTRTKTX) là một loại máy thủy lực thể tích (MTLTT) được hình thành theo nguyên lý ăn khớp của cặp bánh răng ăn khớp ngoài. Người đầu tiên đưa ra ý tưởng thiết kế là George Johnes vào năm 1843 [1], tiếp theo là sáng chế của anh em nhà Roots (Philander Higley Roots và Francis Marion Roots) ứng dụng trong hệ thống thông gió của các hầm lò vào năm 1860. Do đó, cho đến nay loại MTLTT này có tên gọi là máy thủy lực thể tích kiểu Roots (Bơm/Quạt) hoặc Lobe [2]. Trong quá trình phát triển gần 180 năm qua loại máy này đã được nghiên cứu cải tiến, phát triển cho nhiều kịch bản ứng dụng khác nhau của các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, an ninh quốc phòng cho đến đời sống dân sinh.

Trong đó phải kể đến các nghiên cứu cải tiến về biên dạng rôto là có ảnh hưởng nhiều nhất đến lưu lượng và áp suất cũng như chất lượng dòng chảy sau máy [10, 52], sau mỗi cải tiến là một sáng chế [2, 10, 21, 26-36, 39, 40] cho các ứng dụng khác nhau. Trong quá trình tìm hiểu, phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về MTLTT rôto kiểu Roots tác giả luận án nhận thấy về vấn đề cải tiến biên dạng có hai xu hướng chính đó là: (i) Phối hợp hai đường cong làm biên dạng rôto, trong đó một đường làm biên dạng đỉnh rôto, còn một đường làm biên dạng chân rôto [10, 38]; (ii) Sử dụng tổ hợp nhiều đường cong liên hợp khác nhau làm biên dạng rôto [39-49]. Tuy nhiên, các nghiên cứu đều xuất phát từ nguyên lý của cặp bánh răng trụ tròn ăn khớp ngoài có tỷ số truyền 1:1. Mặt khác, do loại máy này có hai chế độ làm việc là bơm và động cơ nên khi ứng dụng ở chế độ bơm thì có: (a) Quạt thổi có chức năng biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng của lưu chất ở thể khí; (b) Bơm thủy lực có chức năng biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng của lưu chất đi qua bơm.

Còn khi ở chế độ động cơ thì loại máy này được ứng dụng làm các loại cảm biến đo các dòng chất lỏng/khí có lưu lượng lớn hoặc có độ nhớt cao mà các nguyên lý khác không thể đáp ứng được. Ngoài ra, còn nhiều hướng nghiên cứu khác như: lưu lượng và áp suất của máy [62- 65], tổn thất thủy lực [76-87], tối ưu tham số thiết kế và kết cấu của quạt [88, 89] v. đó là tình hình nghiên cứu ngoài nước. Ở trong nước để phát triển kinh tế các doanh nghiệp trong các 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 khoáng sản v.

đã nhập khẩu máy móc, thiết bị, dây chuyền mà trong đó QTRTKTX là một bộ phận cấu thành quan trọng của hệ thống để phục vụ sản suất. Sau một thời gian vận hành lâu ngày đến thời kỳ bảo dưỡng sửa chữa các loại quạt này đều phải nhập khẩu từ nước ngoài vì trong nước chưa sản xuất được. Vì vậy, các nhà khoa học trong nước cũng đã bắt đầu nghiên cứu về loại quạt này theo hai 1 hướng: (1) Giải mã công nghệ có các đề tài nghiên cứu các cấp từ cơ sở [92] cho đến cấp bộ [93, 97, 98]; (2) Nghiên cứu về vấn đề động học và thiết kế [91, 94-96]. Nhưng hầu hết các nghiên cứu trong nước cũng chỉ tập trung vào giải mã công nghệ chế tạo [91, 93, 97, 98], khảo sát đặc tính thông qua mô phỏng [95, 96] hay tổng hợp thiết kế cho một đối tượng cụ thể [94] của loại máy dẫn động theo nguyên lý truyền thống với cặp bánh răng trụ tròn có tỷ số truyền 1:1.

Những nghiên cứu về loại quạt này một cách bài bản từ bản chất hình thành quạt cho đến quá trình biến đổi cơ năng thành năng lượng của dòng chất khí sau quạt, từ ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến các đặc tính động học và động lực học cũng như chất lượng làm việc của quạt chưa có một công trình nào nghiên cứu. Do đó, có thể nói đây là công trình nghiên cứu chuyên sâu đầu tiên về lĩnh vực này ở Việt Nam và vẫn còn mang tính thời sự đối với thế giới, bởi lẽ cải tiến, phát triển luôn là một nhu cầu cấp thiết không chỉ ở trong nước mà còn trên thế giới và điều đó hoàn toàn đúng với quy luật phát triển của nhân loại. Mục tiêu của luận án Luận án đặt ra mục tiêu cải tiến biên dạng rôto trên cơ sở đề xuất đường cong mới phát triển theo nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng không tròn (BRKT) ăn khớp ngoài. Trên cơ sở đó để thiết kế QTRTKTX kiểu Roots nhằm tạo ra một loại quạt thổi mới có hiệu suất thể tích và lưu lượng lớn hơn so với các thiết kế đã được nghiên cứu cho đến thời điểm hiện tại.

Để đạt được điều này luận án đề ra các mục tiêu cụ thể như sau: i) Thiết lập được phương trình biên dạng rôto cải tiến mới theo nguyên lý dẫn động của cặp BRKT ăn khớp ngoài mà cụ thể ở đây là cặp bánh răng họ elíp. ii) Tính toán tối ưu thông số thiết kế đặc trưng (TSTKĐT) để kích thước thiết kế của quạt là nhỏ nhất theo lưu lượng cho trước. iii) Xác định được ảnh hưởng của khe hở cạnh rôto, khe hở mặt đầu và khe hở hướng kính đến hiện tượng tụt áp và mất lưu lượng của quạt trong giới hạn tốc độ làm việc ổn định từ đó đưa ra giới hạn sai số chế tạo cần phải đáp ứng để quạt đạt được hiệu suất mong muốn. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3.

Đối tượng nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu của luận án là máy thủy lực thể tích rôto không tiếp xúc (MTLTTRTKTX) dùng để vận chuyển lưu chất ở thể khí được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp. Trong đó, đối tượng cụ thể là loại MTLTT kiểu Roots có biên 2 dạng rôto là đường cong xyclôít cải tiến của họ đường cong elíp, được dẫn động đồng bộ với cặp bánh răng elíp ăn khớp ngoài. Phạm vi nghiên cứu của luận án Đối với các loại MTLTT các thông số quan trọng là: áp suất, lưu lượng, tổn thất thủy lực và chất lượng dòng chảy sau máy (dao động áp suất và dao động lưu lượng). Do đó, phạm vi nghiên cứu của luận án là tập trung vào nghiên cứu giải quyết, bài toán tối ưu thông số thiết đặc trưng ảnh hưởng đến các thông số quan trọng trên.

Ngoài ra, luận án cũng nghiên cứu đưa ra giải pháp tách rôto và ghép quạt song song nhằm giảm dao động lưu lượng, nâng cao chất lượng dòng chảy qua quạt. Trong quá trình đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về máy thủy lực rôto không tiếp xúc tác giả luận án nhận thấy đây là một lĩnh vực chuyên môn hẹp rất phong phú, đa dạng tích hợp nhiều kiến thức chuyên môn sâu và hẹp để giải quyết, vì vậy những vấn đề về: biến dạng, chuyển vị của rôto dưới tác dụng của tải làm việc, khuếch tán truyền nhiệt qua stato, độ ồn, rung động, kết cấu, tổn thất cơ khí v. là những vấn đề mà luận án chưa đặt ra để nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4.

Ý nghĩa khoa học Các kết quả nghiên cứu của luận án như phát triển biên dạng rôto mới theo nguyên lý ăn khớp của cặp BRKT, các điều kiện hình thành biên dạng rôto và tối ưu các TSTKĐT theo lưu lượng cho trước có ý nghĩa quan trọng trong việc góp phần hoàn thiện lý thuyết thiết kế. Ngoài ra, một điểm mới của luận án là phát triển một loại QTRTKTX kiểu Roots mới có lưu lượng lớn hơn so với loại quạt của các nghiên cứu khác có cùng kích thước đã công bố cho đến thời điểm hiện tại. Đây cũng là một đóng góp mới nổi bật của luận án, đóng góp một phần nhỏ vào kho tàng tri thức hiểu biết, khám phá của nhân loại về loại QTRTKTX kiểu Roots. Ý nghĩa thực tiễn Với việc đề xuất một biên dạng mới nhằm cải tiến rôto của QTRTKTX kiểu Roots để cung cấp cho các nhà sản xuất một giải pháp mới trong chế tạo các loại quạt thổi Roots không tiếp xúc.

Ngoài ra, luận án cũng đưa ra giải pháp công nghệ nhằm tăng chất lượng dòng chảy sau quạt, khắc phục được nhược điểm dao động lưu lượng lớn vốn là nhược điểm cố hữu của các loại quạt này. Do đó, kết quả nghiên cứu của luận án rất có ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu của luận án còn là một sự lựa chọn mới có nhiều tiềm năng cho các kịch bản ứng dụng trong những lĩnh vực khác nhau của cuộc sống dân sinh cũng như công nghiệp trong thời kỳ cách mạng công nghiệp 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án 3 Để đạt được mục tiêu mà luận án đã đề ra phương pháp nghiên cứu đó là nghiên cứu lý thuyết dựa trên bản chất vật lý và cơ sở khoa học mà nhân loại đã khám phá, từ đó tiếp tục kế thừa để nghiên cứu, phát triển cũng như kết hợp mô phỏng số bằng các phần mềm hiện đại nhằm kiểm chứng các công thức lý thuyết được nghiên cứu bởi luận án.

Ngoài ra, để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thông qua chế tạo mẫu máy thử nghiệm được thiết kế từ kết quả nghiên cứu lý thuyết của luận án để hiệu chỉnh, hoàn thiện kết quả nghiên cứu, cụ thể là: i) Tiếp thu, kế thừa có chọn lọc các thành quả nghiên cứu của thế giới về lĩnh vực QTRTKTX kiểu Roots và lý thuyết ăn khớp của cặp BRKT. Trên cơ sở đó phát triển đường cong mới theo nguyên lý ăn khớp của cặp BRKT nhằm mục đích cải tiến biên dạng rôto để hình thành loại QTRTKTX kiểu Roots mới. Từ đó, tiến hành nghiên cứu đánh giá so sánh ưu nhược điểm của quạt thổi mới được đề xuất bởi luận án với các kết quả nghiên cứu đã được công bố trước đây cho đến thời điểm hiện tại. ii) Với nhược điểm cố hữu của các loại QTRTKTX kiểu Roots đó là dao động lưu lượng lớn.

Do đó, thiết kế được nghiên cứu bởi luận án cũng không tránh khỏi nhược điểm này. Để khắc phục nhược điểm này luận án cũng nghiên cứu và đưa ra giải pháp ghép quạt. Kết quả cho thấy khắc phục được hoàn toàn nhược điểm trên.