Ảnh hưởng của khe hở đến áp lực và công suất ở máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài

Nội dung luận văn đề cập bao gồm: 1 Tổng quan về máy thủy lực thể tích xyclôít: Lịch sử phát, phân loại, ứng dụng, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước; 2 Thiết kế một máy thủy lực t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hồng Thái

HÀ NỘI, 1/2022

Chữ ký của GVHD

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Duy Long

Đề tài luận văn: Ảnh hưởng của khe hở đến áp lực và công suất ở máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

Mã số SV: 20202923M

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 25/1/2022 với các nội dung sau:

1 Bổ sung thêm mục “3.5 Khảo sát ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất lưu

lượng và áp suất của một loại máy thủy lực thể tích kiểu Lobe với lưu chất là

dầu” ở trang 81

2 Bổ sung kết quả khảo sát ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất lưu lượng và áp

suất của một loại máy thủy lực thể tích kiểu Lobe với lưu chất là dầu vào phần

kết luận chương 3 ở trang 88

3 Đã viết lại kết luận của luận văn ở trang 99-100

4 Các lỗi về văn phong, chính tả

- Đã sửa “…từ những trình bày ở trên, sử dụng phần mềm Matlab thu được

đồ thị biến đổi…” thành “…từ những trình bày ở trên kết hợp với tính toán bằng phương pháp số trên phần mềm Matlab thu được đồ thị biến đổi…” ở trang 71

- Đã sửa “…sử dụng phần mềm Matlab, Hình 3.13 và Bảng 3.1 dưới đây là

kết quả tính toán tổn thất lưu lượng và áp suất của máy trong trường hợp chỉ có

khe hở hướng kính” thành “…Kết hợp với tính toán bằng phương pháp số trên

phần mềm Matlab thu được kết quả tính toán tổn thất lưu lượng và áp suất ứng với các giá trị kích thước khe hở hướng kính được tổng hợp ở Bảng 3.1 và Hình

3.13…” ở trang 76

- Đã sửa “…sử dụng phần mềm Matlab, Hình 3.14 và Bảng 3.2 dưới đây là

kết quả tính toán tổn thất lưu lượng và áp suất của máy trong trường hợp chỉ có

khe hở cạnh rôto…” thành “…Kết hợp với tính toán bằng phương pháp số trên

phần mềm Matlab thu được kết quả tính toán tổn thất lưu lượng và áp suất ứng với các giá trị kích thước khe hở cạnh rôto được tổng hợp ở Bảng 3.2 và Hình

3.14…” ở trang 77

- Đã sửa “…, sử dụng phần mềm Matlab, Hình 3.15 và Bảng 3.3 dưới đây

là kết quả tính toán tổn thất lưu lượng và áp suất của máy trong trường hợp chỉ có

khe hở mặt đầu …” thành “…Kết hợp với tính toán bằng phương pháp số trên

phần mềm Matlab thu được kết quả tính toán tổn thất lưu lượng và áp suất ứng với các giá trị kích thước khe hở mặt đầu được tổng hợp ở Bảng 3.3 và Hình

3.15…” ở trang 78

- Đã sửa “…Sử dụng phần mềm Matlab, Hình 3.16 và Bảng 3.4 dưới đây là

kết quả tính toán tổn thất lưu lượng và áp suất của máy trong trường hợp có cả ba

loại khe hở…” thành “…Kết hợp với tính toán bằng phương pháp số trên phần

mềm Matlab thu được kết quả tính toán tổn thất lưu lượng và áp suất ứng với các

giá trị kích thước khe hở được tổng hợp ở Bảng 3.4…” ở trang 79

5 Bổ sung các nhận xét kết quả của đồ thị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN DUY LONG

ẢNH HƯỞNG CỦA KHE HỞ ĐẾN ÁP LỰC VÀ CÔNG SUẤT Ở MÁY

THỦY LỰC THỂ TÍCH XYCLÔÍT ĂN KHỚP NGOÀI

Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS NGUYỄN HỒNG THÁI

Lời cảm ơn

Trước tiên, tôi xin bày tỏ sự cảm kích đặc biệt tới giảng viên hướng dẫn của tôi, TS Nguyễn Hồng Thái - Người đã định hướng, trực tiếp dẫn dắt và cố vấn cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học Thầy là người luôn cho tôi những lời khuyên vô cùng quý giá về cả kiến thức chuyên môn cũng như định hướng phát triển sự nghiệp Một lần nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn đến

thầy bằng tất cả tấm lòng và sự biết ơn của mình

Đồng thời, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô bộ môn Cơ sở thiết

kế máy và robot và khoa Sau đại Học của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình viết luận văn thạc sĩ

Trong bài luận, chắc hẳn không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Tôi mong muốn sẽ nhận được nhiều đóng góp quý báu đến từ các quý thầy cô và bạn đọc để đề tài được hoàn thiện hơn nữa và có ý nghĩa thiết thực áp dụng trong thực tiễn cuộc sống Chân thành cảm ơn

Tóm tắt nội dung luận văn

Luận văn gồm 98 trang được trình bày trong 4 chương chính cùng các phần

mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo Nội dung luận văn đề cập bao gồm: 1) Tổng quan về máy thủy lực thể tích xyclôít: Lịch sử phát, phân loại, ứng dụng, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước; 2) Thiết kế một máy thủy lực thể tích kiểu Lobe rôto có bốn răng; 3) Khảo sát ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất lưu lượng

và áp suất của máy thủy lực thể tích xyclôít; 4) Xây dựng mô hình toán học xác định áp lực và momen tác động lên hai rôto của máy từ đó xác định công suất cung cấp thiết cho máy

Luận văn nghiên cứu dựa trên nguyên ký dẫn động của cặp bánh răng ôvan dẫn động tựa elíp để tiến hành thiết lập phương trình biên dạng rôto cảu máy thủy lực thể tích kiểu Lobe Luận văn có sử dụng các phần mềm Matlab để viết

mô đun tính toán, sử dụng phần mềm SolidWorks để dựng các mô hình 3D của máy và phần mềm Ansys để tiến hành tính toán mô phỏng số

Kết quả nghiên cứu của luận văn có ý nghĩa khoa học quan trọng góp phần hoàn thiện lý thuyết thiết kế về loại máy thủy lực thể tích xyclôít Luận văn đưa

ra một thiết kế mới của máy thủy lực thể tích xyclôít kiểu Lobe rôto có bốn răng, đây là một thiết kế mới hoàn toàn so với các thiết kế đã có trước đây với hai rôto

có biên dạng và kích thước hoàn toàn khác nhau Thiết kế mới này có ưu điểm là

có lưu lượng lớn hơn 26,35% và kích thước máy nhỏ hơn 21,43% so với thiết kế truyền thống

HỌC VIÊN

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH ĂN KHỚP NGOÀI 5

1.1 Lịch sử phát triển 5

1.2 Phân loại máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài 6

1.3 Ứng dụng của máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài 8

1.4 Các xu hướng nghiên cứu về máy thủy lực thể tích 9

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 12

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 12

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 13

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 17

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH KIỂU LOBE RÔTO CÓ BỐN RĂNG 18

2.1 Nguyên lý hình thành biên dạng rôto 18

2.2 Thiết lập phương trình biên dạng đỉnh rôto 18

2.3 Thiết lập phương trình biên dạng chân rôto 22

2.4 Xác định điều kiện hình thành biên dạng rôto 26

2.4.1 Xác định mối quan hệ giữa bán kính r của đường tròn sinh {C} và kích thước bán trục lớn a, bán trục nhỏ b của đường lăn {E} 26

2.4.2 Xác định góc giới hạn cung biên dạng đỉnh và cung biên dạng chân của rôto 1 và rôto 2 27

2.5 Thông số kích thước thiết kế và hệ số sử dụng thể tích 29

2.6 Thiết lập biểu thức tính lưu lượng trung bình của máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài kiểu Lobe rôto có bốn răng 33

2.7 Tính toán số lưu lượng và áp suất tức thời của máy thủy lực thể tích xyclôít kiểu Lobe rôto có bốn răng bằng phương pháp số 35

2.7.1 Thiết lập mô hình tính toán số trong Ansys Workbench 36

2.7.2 Kết quả tính toán số 38

2.7.3 Ảnh hưởng của thông số thiết kế đặc trưng a, b của đường ôvan lăn tựa elíp đến chất lượng dòng chảy sau bơm 41

2.8 Thiết lập biểu thức xác định biến thiên diện tích khoang đẩy 42

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 59

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA KHE HỞ ĐẾN TỔN THẤT ÁP SUẤT VÀ LƯU LƯỢNG TRONG MỘT LOẠI MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH

XYCLÔÍT KIỂU LOBE RÔTO CÓ BỐN RĂNG 61

3.1 Đặt vấn đề 61

3.2 Thiết lập mô hình toán học mô tả sự biến đổi áp suất trong buồng đẩy của một loại máy thủy lực thể tích xyclôít trong trường hợp không có khe hở 61

3.2.1 Quá trình biến đổi áp suất trong máy 61

3.2.2 Mô hình toán học mô tả biến đổi áp suất trong buồng đẩy 62

3.3 Thiết lập mô hình toán học xác định ảnh hưởng của khe hở đến áp suất trong buồng đẩy của một loại máy thủy lực thể tích xyclôít 64

3.3.1 Các khe hở trong bơm 64

3.3.2 Xác định diện tích tiết diện khe hở và vận tốc khi qua khe hở 65

3.3.3 Thiết lập mô hình toán học xác định đến áp suất trong máy thủy lực thể tích xyclôít có ảnh hưởng của khe hở 74

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất áp suất và lưu lượng trong một loại máy thủy lực thể tích xyclôít 75

3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của khe hở hướng kính đến áp suất trong máy (không có khe hở cạnh rôto và khe hở mặt đầu) 76

3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của khe hở cạnh rôto đến áp suất trong máy (không có khe hở hướng kính và khe hở mặt đầu) 77

3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của khe hở mặt đầu đến áp suất trong máy (không có khe hở hướng kính và khe hở cạnh rôto) 78

3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của cả ba loại khe hở đến áp suất trong máy 79

3.5 Khảo sát ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất lưu lượng và áp suất của máy thủy lực thể tích kiểu Lobe với lưu chất là dầu 81

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 87

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG BIỂU THỨC XÁC ĐỊNH ÁP LỰC VÀ MOMEN DO LƯU CHẤT TRONG BUỒNG ĐẨY TÁC ĐỘNG LÊN RÔTO TRONG MỘT MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH XYCLÔÍT 89

4.1 Đặt vấn đề 89

4.2 Thiết lập mô hình toán học xác định ảnh hưởng của khe hở đến công suất của máy 89

4.2.1 Thiết lập biểu thức toán học xác định lực tác dụng lên rôto 89

4.2.2 Thiết lập biểu thức xác định momen tác động lên rôto của máy 94

4.2.3 Thiết lập biểu thức xác định công suất của máy 96

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 97

KẾT LUẬN 99

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN VĂN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.5 Biên dạng rôto được thiết kế theo nguyên lý dẫn động của cặp

Hình 1.6 Biên dạng rôto được thiết kế theo nguyên lý dẫn động của cặp

bánh răng không tròn có tỷ số truyền thay đổi [15] 7 Hình 1.7 Ứng dụng quạt Roots trong ngành công nghiệp nặng 8

Hình 1.11 Nguyên lý hình thành biên dạng rôto được Hsieh đề xuất [37] 14 Hình 1.12 Sơ đồ và ảnh của giàn thí nghiệm trong [43] 15

Hình 1.14 Bộ kiểm tra quạt Roots với kính hiển vi trong [44] 16 Hình 1.15 Dao động của lực hướng kính lên rôto theo phương x trong [45] 17 Hình 1.16 Dao động của lực hướng kính lên rôto theo phương y trong [45] 17

Hình 2.3 Tọa độ điểm P trong hệ tọa độ 1(O1x1y1z1) 20 Hình 2.4 Tọa độ điểm O2 trong hệ tọa độ P(O P x P y P z P) 20 Hình 2.5 Biểu diễn hệ tọa độ 2(O2x c y c z c) so với 1(O1x1y1z1) 21

Hình 2.8 Tọa độ điểm P trong hệ tọa độ 1(O1x1y1z1) 24 Hình 2.9 Tọa độ điểm O2 trong hệ tọa độ P(O P x P y P z P) 24

Hình 2.11 Các góc giới hạn biên dạng của rôto với (a) các góc giới hạn của

rôto 1 và (b) là các góc giới hạn của rôto 2 27 Hình 2.12 Thuật toán xác định các góc giới hạn đỉnh và chân rôto 27

Hình 2.14 Mô tả biên dạng rôto dạng 3D với (a) biên dạng rôto 1 và (b)

Hình 2.17 Một phần tư diện tích tiết diện mặt cắt ngang của rôto 1 30

Hình 2.18 Một phần tư diện tích tiết diện mặt cắt ngang của rôto 2 31

Hình 2.20 Diện tích tiết diện các buồng bơm với (a) diện tích buồng bơm

được tạo bởi rôto 1 và (b) diện tích buồng bơm được tạo bởi rôto

Hình 2.21 Lưu lượng trung bình của các phương án thiết kế theo  34 Hình 2.22 Khoảng cách trục A12 của các phương án thiết kế máy theo  35

Hình 2.24 Lưu lượng tức thời ứng với từng phương án thiết kế với: (a)  =

0,5, (b)  =0,6, (c)  =0,7, (d)  =0,8, (e)  = 0,9 và (f)  = 1,0 38 Hình 2.25 Biến thiên áp suất ở cửa ra của máy theo các phương án thiết kế

với: (a)  =0,5, (b)  =0,6, (c)  =0,7, (d)  =0,8, (e)  = 0,9 và

Hình 2.26 Hệ số dao động đánh giá chất lượng dòng chảy sau máy theo hệ

số  với (a) là dao động lưu lượng còn (b) là dao động áp suất 41

Hình 2.28 Diện tích với (a) rôto phía cửa đẩy và (b) stato phía cửa đẩy 42 Hình 2.29 Diện tích phần stato phía cửa đẩy trường hợp 1 43 Hình 2.30 Diện tích phần rôto phía cửa đẩy trường hợp 1 43 Hình 2.31 Các thành phần diện tích phần rôto phía cửa đẩy trường hợp 1 44 Hình 2.32 Diện tích stato phía cửa đẩy trường hợp 2 45

Hình 2.34 Các diện tích thành phần của diện tích rôto phía cửa đẩy trường

Hình 2.35 Diện tích stato phía cửa đẩy trường hợp 3 46

Hình 2.37 Các diện tích thành phần của rôto phía cửa đẩy trường hợp 3 47 Hình 2.38 Diện tích stato phía cửa đẩy trường hợp 4 48

Hình 2.40 Các diện tích thành phần của rôto phía cửa đẩy trường hợp 4 49 Hình 2.41 Diện tích stato phía cửa đẩy trường hợp 5 50

Hình 2.43 Các diện tích thành phần của rôto phía cửa đẩy trường hợp 5 51 Hình 2.44 Diện tích stato phía cửa đẩy trường hợp 6 52

Hình 2.46 Các diện tích thành phần của rôto phía cửa đẩy trường hợp 6 53 Hình 2.47 Diện tích stato phía cửa đẩy trường hợp 7 54

Hình 2.49 Các diện tích thành phần của rôto phía cửa đẩy trường hợp 7 55 Hình 2.50 Diện tích stato phía cửa đẩy trường hợp 8 56

Hình 2.52 Các diện tích thành phần của rôto phía cửa đẩy trường hợp 8 57 Hình 2.53 Biến thiên diện tích tiết diện buồng đẩy của máy theo góc quay

Hình 3.1 Biến đổi áp suất trong buồng đẩy theo góc quay của trục dẫn

Hình 3.2 Vị trí xuất hiện các khe hở trong bơm với: (a) là vị trí xuất hiện

khe hở hướng kính R và khe hở cạnh rôto K và (b) là vị trí

Hình 3.4 Chiều dài khe hở mặt đầu trong trường hợp 1 66 Hình 3.5 Chiều dài khe hở mặt đầu trong trường hợp 2 66 Hình 3.6 Chiều dài khe hở mặt đầu trong trường hợp 3 67 Hình 3.7 Chiều dài khe hở mặt đầu trong trường hợp 4 68 Hình 3.8 Chiều dài khe hở mặt đầu trong trường hợp 5 68 Hình 3.9 Chiều dài khe hở mặt đầu trong trường hợp 6 69 Hình 3.10 Chiều dài khe hở mặt đầu trong trường hợp 7 69 Hình 3.11 Chiều dài khe hở mặt đầu trong trường hợp 8 70 Hình 3.12 Biến đổi chiều dài khe hở mặt đầu theo góc quay của trục dẫn

Hình 3.16 Lưu lượng tức thời tại cửa ra của máy ứng với các trường hợp

Hình 3.17 Áp suất tức thời tại cửa ra của máy ứng với các trường hợp kích

Hình 3.18 Lưu lượng tức thời tại cửa ra của máy ứng với các trường hợp

Hình 3.19 Áp suất tức thời tại cửa ra của máy ứng với các trường hợp kích

Hình 3.20 Lưu lượng tức thời tại cửa ra của máy ứng với các trường hợp

Hình 3.21 Áp suất tức thời tại cửa ra của máy ứng với các trường hợp kích

Hình 4.1 Áp lực tác động lên bề mặt làm việc của hai rôto bởi áp suất

Hình 4.2 Giá trị lực tác động lên rôto 1 theo phương x theo góc quay của

Hình 4.3 Giá trị lực tác động lên rôto 1 theo phương y theo góc quay của

Hình 4.4 Độ lớn lực tác động lên rôto 1 theo góc quay của trục dẫn động 92 Hình 4.5 Giá trị lực tác động lên rôto 2 theo phương x theo góc quay của

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Giá trị góc giới hạn biên dạng đỉnh và chân của rôto 1 và rôto 2 28

Bảng 2.3 Các phương án thiết kế bơm tiến hành mô phỏng số 36 Bảng 2.4 Số lượng nút và phần tử lưới của các phương án thiết kế theo hệ

Bảng 3.1 Tổn thất áp suất và lưu lượng gây ra bởi khe hở hướng kính 75 Bảng 3.2 Tổn thất áp suất và lưu lượng gây ra bởi khe hở cạnh rôto 76 Bảng 3.3 Tổn thất áp suất và lưu lượng gây ra bởi khe hở mặt đầu 77 Bảng 3.4 Tổn thất áp suất và lưu lượng gây ra bởi ba loại khe hở trong

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài là loại máy được hình thành dựa trên nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng ăn khớp ngoài, lần đầu tiên được đưa vào ứng dụng trong hệ thống thông hơi hầm lò và bằng phát minh sáng chế đầu tiên cho loại máy này được cấp cho anh em nhà Roots vào năm 1860 ở Mỹ [2] Từ đó đến nay loại máy này đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: máy hút chân không, các hệ thống vận chuyển bằng khí, các hệ thống cung cấp khí, vận chuyển chất lỏng có độ nhớt cao, các ngành công nghiệp nặng, trong các động cơ đốt trong… và tồn tại dưới hai tên gọi là máy thủy lực thể tích kiểu Roots (rôto có hai răng) và máy thủy lực thể tích kiểu Lobe (rôto có từ ba răng trở lên) Với khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống, máy thủy lực thể tích rôto kiểu Roots trở thành một chủ đề nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nhằm hoàn thiện thiết kế, cải tiến để nâng cao chất lượng cũng như phù hợp với từng ứng dụng cụ thể Vì vậy mà cho đến nay đã có rất nhiều bằng sáng chế trên thế giới được cấp cho loại máy này, mỗi sáng chế là một cải tiến khác nhau trong đó hướng cải tiến biên dạng rôto là hướng có nhiều nghiên cứu và sáng chế nhất Trong đó phải kể đến Kang và Vu [46] đã đưa ra giải pháp cải tiến biên dạng mà Litvin đã đưa ra [9] thành biên dạng mới, với biên dạng mới này làm tăng 55% hiệu suất so với bơm có biên dạng rôto được Litvin đề xuất; Hsieh [37] đã đề xuất một biên dạng mới bằng cách thay đường tròn sinh bằng elíp sinh lăn không trượt phía ngoài đường tròn lăn theo nguyên lý hình thành đường epixyclôít và đường hypôxyclôít Ở trong nước cũng đã có một

số nghiên cứu cải tiến nhưng chủ yếu là cho loại máy kiểu Roots, rôto có hai răng [15] có lưu lượng lớn và áp suất nhỏ phù hợp cho thiết kế loại quạt thổi Để phát triển một loại máy thể tích rôto ăn khớp ngoài có áp suất lớn hơn phục vụ cho mục đích làm bơm, trong luận văn đề xuất một thiết kế rôto mới cho bơm Lobe, trong đó mỗi rôto có bốn răng được dẫn động theo nguyên lý bánh răng elíp Đây

là máy thủy lực thể tích kiểu Lobe có hai rôto hoàn toàn khác nhau và khác hoàn toàn so với những thiết kế đã có trước đây Mỗi rôto có hai cặp bánh răng không giống nhau đối xứng qua hai bán trục của hình ôvan cơ sở

Máy thủy lực thể tích kiểu Roots là loại máy thủy lực thể tích không tiếp xúc

vì vậy trong loại máy này xuất hiện các loại khe hở đó là khe hở hướng kính (xuất hiện giữa đỉnh rôto và lòng trong stato), khe hở cạnh rôto (xuất hiện giữa hai rôto) và khe hở mặt đầu (xuất hiện giữa mặt đầu của rôto và mặt đầu của stato) gây ra tổn thất lưu lượng và áp suất trong máy Về vấn đề này có các

nghiên cứu: Patterson [20] đã khảo sát ảnh hưởng độ giảm tỷ lệ áp suất do khe hở hướng kính đến lưu lượng tổn thất của một loại quạt Roots có biên dạng đỉnh rôto là cung tròn; Sun [44] sử dụng mô hình thực nghiệm và mô phỏng số để xác định tổn thất áp suất qua khe hở hướng kính, khe hở mặt đầu và khe hở cạnh rôto của một loại quạt thổi có ba răng, tuy nhiên nghiên cứu chỉ xét một giá trị kích thước khe hở; Kang và Vu [46] khảo sát ảnh hưởng của khe hở hướng kính và khe hở cạnh rôto đến hiệu suất của quạt có biên dạng rôto được hình thành từ cung tròn và đường epixyclôít; Ashish [47] đã phân tích ảnh hưởng của khe hở hướng kính đến tổn thất lưu lượng của một loại máy nén rôto có biên dạng đường thân khai bằng mô phỏng số CFD Tuy nhiên, các nghiên cứu trên mới chỉ xét đến ảnh hưởng của một hoặc hai loại khe hở trong máy mà chưa xét đến ảnh hưởng của cả ba loại khe hở, có nghiên cứu xét đến cả ba loại khe hở nhưng lại chỉ xét một giá trị kích thước khe hở Do đó luận văn tiến hành khảo sát ảnh hưởng của ba loại khe hở (khe hở hướng kính, khe hở cạnh rôto và khe hở mặt đầu) đến ảnh hưởng của một loại máy thủy lực thể tích kiểu Lobe rôto có bốn răng được dẫn động theo nguyên lý bánh răng elíp

2 Mục tiêu của luận văn

Luận văn đặt ra mục tiêu đưa ra một thiết kế rôto mới cho máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài kiểu Lobe trong đó mỗi rôto có bốn răng được dẫn động theo nguyên lý bánh răng elíp Từ thiết kế rôto mới này, luận văn tiến hành khảo sát ảnh hưởng của ba loại khe hở (khe hở hướng kính, khe hở cạnh rôto và khe hở mặt đầu) đến tổn thất lưu lượng và áp suất trong máy Do vậy luận văn đề

ra các mục tiêu cụ thể sau:

i) Thiết lập phương trình biên dạng rôto của máy thủy lực thể tích xyclôít

ăn khớp ngoài kiểu Lobe rôto có bốn răng Đưa ra điều kiện để hình thành nên biên dạng rôto, các thông số thiết kế của máy

ii) Khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế đặc trưng đến lưu lượng,

áp suất cũng như chất lượng dòng chảy sau máy

iii) Xây dựng mô hình toán học xác định ảnh hưởng của khe hở hướng kính, khe hở cạnh rôto và khe hở mặt đầu đến tổn thất lưu lượng và áp suất Từ

đó khảo sát ảnh hưởng của ba loại khe hở trên đến tổn thất lưu lượng và

áp suất

iv) Xây dựng mô hình toán học xác định lực và momen do áp suất của lưu chất trong khoang làm việc của máy tác động lên bề mặt làm việc của hai rôto

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

3.1 Đối tượng nghiên cứu của luận văn

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là máy thủy lực thể tích rôto không tiếp xúc kiểu Lobe rôto có bốn răng, biên dạng rôto là đường cong xyclôít cải tiến của

họ đường cong elíp được dẫn động bởi cặp răng elíp ăn khớp ngoài

3.2 Phạm vi nghiên cứu của luận văn

Phạm vi nghiên cứu của luận văn tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở hướng kính, khe hở cạnh rôto và khe hở mặt đầu đến tổn thất lưu lượng

và áp suất trong một máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài kiểu Lobe rôto

có bốn răng Bên cạnh đó, luận văn tiến hành nghiên cứu về lực và momen do áp suất của lưu chất trong buồng làm việc của máy tác động lên bề mặt làm việc của hai rôto Ngoài ra luận văn cũng nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số thiết kế đặc trưng đến lưu lượng và áp suất của một máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài kiểu Lobe rôto có bốn răng

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn

4.1 Ý nghĩa khoa học

Các kết quả nghiên cứu của luận văn như một thiết kế mới của máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài kiểu Lobe rôto có bốn răng, ảnh hưởng của các thông số thiết kế đặc trưng đến lưu lượng và áp suất của máy, ảnh hưởng của khe

hở hướng kính, khe hở cạnh rôto, khe hở mặt đầu đến tổn thất lưu lượng và áp suất của máy cũng như xây dựng mô hình tính toán lực và momen do lưu chất trong buồng làm việc tác động lên bề mặt làm việc của rôto có ý nghĩa quan trọng góp phần hoàn thiện lý thuyết thiết kế về loại máy này Luận văn có điểm mới là thiết kế mới của máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài, đây là loại máy kiểu Lobe với rôto có bốn răng, hai rôto có biên dạng hoàn toàn khác nhau, đây là một thiết kế hoàn toàn mới so với các nghiên cứu trước đây

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Thiết kế mới được luận văn đề xuất cung cấp cho nhà sản xuất một giải pháp hoàn toàn mới trong chế tạo các loại máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài Các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở hướng kính, khe hở cạnh rôto, khe

hở mặt đầu đến tổn thất lưu lượng và áp suất giúp cho nhà sản xuất lựa chọn phương pháp gia công và lắp ghép để máy đạt được hiệu suất theo yêu cầu

5 Bố cục của luận văn

Nội dung kết quả nghiên cứu của luận văn được diễn giải trong 96 trang và phân bố thành 4 chương có nội dung cụ thể như sau:

Chương 1 Tổng quan về máy thủy lực thể tích xyclôít: Chương này trình bày tổng quan về máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài từ lịch sử phát triển, ứng dụng của máy, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước từ đó đề ra định hướng nghiên cứu cho luận văn

Chương 2 Thiết kế máy thủy lực thể tích kiểu Lobe rôto có bốn răng:

Chương trình trình bày về một thiết kế mới của bơm Lobe rôto có bốn răng, từ thiết kế mới này luận văn tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các tham số hình học đến lưu lượng, áp suất, dao động lưu lượng, dao động áp suất và kích thước của máy

Chương 3 Khảo sát ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất áp suất và lưu lượng trong một loại máy thủy lực thể tích xyclôít: Chương này trình bày và tính toán tổn thất lưu lượng và áp suất của máy thủy lực thể tích kiểu Lobe rôto có bốn răng bởi ảnh hưởng của ba loại khe hở có trong máy là khe hở cạnh rôto, khe

hở hướng kính và khe hở đầu Từ kết quả tính toán và thảo luận đưa ra kiến nghị khi thiết kế loại máy này để đảm bảo hiệu suất của máy

Chương 4 Xây dựng biểu thức xác định áp lực và momen do lưu chất trong buồng đẩy tác động lên rôto trong một máy thủy lực thể tích xyclôít: Chương này trình bày và tính toán lực tác động lên rôto trong máy do áp suất trong buồng làm việc của máy gây nên, từ đó tiến hành xác định momen tác động lên rôto và công suất do áp suất trong buồng làm việc của máy gây nên

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH ĂN KHỚP

NGOÀI

1.1 Lịch sử phát triển

Được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1843 bởi George Jones [1], từ đó cho đến nay trải qua gần 180 năm phát triển dọc theo quá triển của nhân loại, máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài được các nhà khoa học, các nhà kỹ thuật, công nghệ không ngừng nghiên cứu phát triển, ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực của công nghiệp cũng như trong đời sống Trên cơ sở tìm hiểu, phân tích và tổng hợp quá trình phát triển của loại máy này tạm chia thành ba giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1 (1843 đến 1900)

Đây là giai đoạn khởi đầu, là giai đoạn hình thành nên ý tưởng và phát triển ứng dụng gắn liền với sự phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất Từ đề xuất về loại máy này bởi George Jones[1] và hai anh em nhà Roots [2], đã có những nghiên cứu và bằng sáng chế cải tiến để phục vụ trong hoạt động khai thác Thwaites và Carbutt đề xuất một loại quạt thổi Roots ứng dụng thông gió trong hầm lò năm 1874 [3] Palmer và Knox đã cải tiến biên dạng rôto bằng các đường epixyclôít và hypôxyclôít và được cấp bằng sáng chế cho cải tiến này vào năm 1875 [4] từ đó cho đến này sáng chế này vẫn được ứng dụng rất phổ biến

Giai đoạn 2 (từ 1900 đến 1960)

Đây là giai đoạn bắt đầu ứng dụng loại máy này vào trong các ngành công nghiệp gắn với cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai với sự ra đời của các loại máy gia công tự động, các phương tiện vận tải Năm 1900, Gottlieb Daimler đã nghiên cứu ứng dụng quạt Roots vào trong động cơ đốt trong tăng áp [5] Năm

1921, quạt Roots lần đầu tiên được dưa vào sử dụng trong các mẫu xe của Mercedes [6] Palmer và Knox [4] đề xuất ứng dụng quạt thổi Roots vào trong công nghệ hút chân không Hallett [7] đã thiết kế một loại quạt Roots rôto xoăn

có 3 răng và được cấp bằng sáng chế cho thiết kế này vào năm 1933.Năm 1948, một nghiên cứu cải tiến biên dạng rôto của Mcculloch và Ryde [8] nhằm giảm tiếng ồn Nghiên cứu cải tiến biên dạng của Wellington (1956) để tăng hiệu suất chuyển đổi thủy lực

Giai đoạn 3 (từ 1960 đến nay)

Ở giai đoạn này các nguyên lý thiết kế dần được hoàn thiện, đánh dấu sự ra đời của nhiều bằng sáng chế và cải tiến về máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài Litvin [9] đã xuất bản cuốn sách “Lý thuyết bánh răng” vào năm 1960, đây là lý

thuyết mạng tính học thuật sâu sắc đầu tiên về thiết kế biên dạng rôto của máy thủy lực thể tích Hubrich Christoph đã đề xuất cải tiến biên dạng rôto được hình thành bởi các cung tròn và được cấp bằng sáng chế vào năm 1963 [10] Forrest Schultz [11] đã thiết lập điều kiện khe hở cạnh rôto của máy để tăng hiệu suất thủy lực Cho đến nay, với ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của cuộc sống, gần như các nghiên cứu cải tiến về loại máy này đều tương ứng với một bằng sáng chế như một số cải tiến về biên dạng rôto nhằm tăng hiệu suất làm việc [12]

1.2 Phân loại máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài

Trong quá trình hình thành và phát triển của máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài, ta có thể phần loại máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài dựa theo các đặc điểm sau:

Phân loại theo số răng của rôto: Máy thường được chia làm hai loại: Rôto

chỉ có hai răng sẽ được gọi là máy thủy lực thể tích kiểu Roots [2] được thể hiện trên Hình 1.1, còn rôto có ba răng trở lên thì được gọi là máy thủy lực thể tích kiểu Lobe được thể hiện trên Hình 1.2

Phân loại theo cấu tạo rôto: Theo cấu tạo của rôto được chia làm hai loại

là: Rôto răng thẳng dạng trụ được thể hiện trên Hình 1.3 và rôto răng xoắn kiểu trục vít được thể hiện trên Hình 1.4 Trong đó rôto răng thẳng dạng trụ thường là các máy có lưu lượng lớn, áp suất thấp và có dao động lưu lượng lớn, còn rôto dạng xoắn kiểu trục vít thường là các máy có lưu lượng nhỏ hơn và áp suất lớn hơn

Hình 1.2 Loại máy kiểu Lobe Hình 1.1 Loại máy kiểu Roots [2]

Phân loại theo nguyên lý dẫn động: Theo nguyên lý dẫn động được chia

thành hai loại: Cặp rôto được thiết kế dựa trên nguyên lý dẫn động bằng cặp bánh răng trụ tròn có tỷ số truyền 1:1 (nguyên lý dẫn động này đã được các nghiên cứu sản xuất thương mại) và cặp rôto được thiết kế dựa trên nguyên lý dẫn động bằng cặp bánh răng không tròn có tỷ số truyền thay đổi (đây là phương án thiết kế được đề xuất trong những năm gần đây, các nghiên cứu về hướng này còn rất hạn chế và hầu như không có)

Hình 1.5 Biên dạng rôto được thiết kế

theo nguyên lý dẫn động của cặp bánh

răng có tỷ số truyền 1:1 [4]

Hình 1.6 Biên dạng rôto được thiết kế theo

nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng không tròn có tỷ số truyền thay đổi [15]

Hình 1.4 Bơm có rôto dạng xoắn [16] Hình 1.3 Bơm có rôto dạng thẳng [10]

1.3 Ứng dụng của máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài

Máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài có ưu điểm là lưu lượng lớn hơn so với các loại máy khác có cùng kích thước, kết cấu đơn giản, làm việc ổn định, có thể vận chuyển được các vật liệu rời dạng hạt, buồng làm việc không có dầu bôi trơn

do đó loại máy này được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của đời sống, cụ thể một số ứng dụng tiêu biểu sau:

Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp: Máy thủy lực thể tích ăn khớp ngoài

được ứng dụng trong cung cấp khí cho các nhà máy nhiệt điện; vận chuyển bột xi măng trong ngành công nghiệp, vận chuyển nguyên liệu rời; ứng dụng trong các

hệ thống sấy trong các nhà máy sản xuất giấy; luyện kim; cơ khí, v.v

Ứng dụng trong ngành môi trường: được ứng dụng trong hệ thống xử lý nước

thải (được sử dụng để sục khí cho các bể điều hòa và bể vi sinh học, máy sẽ cung cấp một lượng Oxy để giúp quá trình oxy hóa các chất hưu cơ, và phát triển các

vi sinh vật trong nước); lò đốt rác, v.v

Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp: được sử dụng để sục khí cung cấp oxi

cho các ao nuôi trồng; các hệ thống chế biến nông sản như hệ thống sấy, vận chuyển nông sản, hệ thống hút chân không, v.v

Hình 1.8 Ứng dụng quạt Roots trong nuôi trồng tôm Hình 1.7 Ứng dụng quạt Roots trong ngành công nghiệp nặng

Ứng dụng tích hợp trong các loại động cơ: được sử dụng trong hệ thống cấp oxi

trong động cơ đốt trong của ôtô, tàu thủy, các tàu quân sự, máy bay…

Ứng dụng trong khai thác khoáng sản: được ứng dụng trong các hệ thống hút

khí độc, hệ thống cung cấp ôxi trong các hầm lò, hệ thống đo lưu lượng, vận chuyển khí dầu trong ngành dầu mỏ, v.v

Ứng dụng trong lĩnh vực y tế: được sử dụng trong hệ thống hút chân không,

v.v

Ứng dụng trong lĩnh vực thủy lợi: được sử dụng để trợ giúp cho các trạm bơm,

kiểm soát lũ, thoát nước, v.v

Ngoài các ứng dụng tiêu biểu trên máy thủy lực thể tích vẫn còn rất nhiều ứng dụng khác như: Thu hồi khí bioga, sục khí để tạo bọt trong các bể bơi, di chuyển giấy trong quá trình in ấn, ứng dụng trong lâm nghiệp, chế biến gỗ, hệ thống sấy khô, hệ thống xông hơi công nghiệp, hệ thống xông hơi khách sạn, công nghiệp in, công nghiệp chế biến và sản xuất giấy, hệ thống lọc và cấp khí v.v

1.4 Các xu hướng nghiên cứu về máy thủy lực thể tích

Từ khi xuất hiện lần đầu, máy thủy lực thể tích thể hiện được tiềm năng ứng dụng và phát triển, điều đó đã được chứng minh với rất nhiều ứng dụng của loại máy này trong các lĩnh vực của thực tiễn trong những năm sau đó cho đến ngày nay Do đó loại máy này được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới nhằm hoàn thiện lý thuyết thiết kế, cải tiến nhằm tăng hiệu suất làm việc của máy đáp ứng các yêu cầu của thực tiễn Các hướng nghiên cứu phát triển loại máy này có thể kể đến một số hướng nghiên cứu chính sau:

Hướng nghiên cứu về biên dạng rôto

Đây là xu hướng nghiên cứu được các nhà khoa học quan tâm nhiều nhất, xu hướng nghiên cứu này theo hai hướng chính: cải tiến biên dạng rôto dựa trên

Hình 1.9 Bơm di động xả lũ

nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng trụ tròn có tỷ số truyền 1:1 và thiết kế biên dạng rôto theo nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng không tròn Trong đó hướng thiết kế biên dạng rôto theo nguyên lý dẫn động của cặp bánh trụ tròn có

tỷ số truyền 1:1 có nhiều nghiên cứu được công bố có thể kể đến một như nghiên cứu của Litvin (1960) [9], Mimmi và Pennacchi (1999) [16] Còn hướng thiết kế biên dạng rôto theo nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng không tròn có tỷ số truyền thay đổi thì có rất ít nghiên cứu được công bố chỉ có Tong và Yang [17]

Hướng nghiên cứu về lưu lượng và áp suất của máy

Lưu lượng và áp suất là hai thông số quan trọng của máy thủy lực thể tích

Từ hai thông số này người ta lựa chọn chế độ làm việc và điều khiển máy, do đó đây là thông số quan trọng của máy Hai thông số này lại phụ thuộc vào sự biến đổi thể tích của buồng hút và buồng đẩy cũng như thể tích buồng đong của máy

mà sự biến đổi thể tích của buồng hút và buồng đẩy lại phụ thuộc vào biên dạng

và kết cấu của rôto Dẫn đến khi thay đổi tham số thiết kế biên dạng rôto, sẽ dẫn đến thay đổi lưu lượng và áp suất của máy Do đó, các nghiên cứu về thiết kế biên dạng mới thường sẽ quan tâm về lưu lượng và áp suất, vấn đề này được chia thành các hướng sau:

Hướng nghiên cứu phát triển và ứng dụng lý thuyết cơ học thủy khí vào máy thủy lực thể tích: hướng nghiên cứu này như tên gọi của nó, sử dụng các lý thuyết,

phương trình cơ học, thủy khí đến tiến hành xác định sự biến đổi thể tích buồng hút/đẩy theo góc quay trục dẫn động, xác định lưu lượng và áp suất , tính toán áp

suất của quạt trong quá trình nén khí vào bình tích áp

Hướng nghiên cứu sử dụng mô phỏng số: cùng với sự ra đời của máy tính và các

phần mềm phân tích, xử lý có tốc độ cao thì hướng nghiên cứu này được ứng dụng rất nhiều, giúp cho người đọc có cái nhìn trực quan, chính xác hơn về đối tượng được nghiên cứu so với hướng nghiên cứu sử dụng lý thuyết cơ học, thủy khí Các nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏng số có thể kể đến như Huang và Liu (2009) [18] v.v

Hướng nghiên cứu thực nghiệm: đây là hướng nghiên cứu cho kết quả chính xác

và toàn diện nhất về đối tượng nghiên cứu, hướng nghiên cứu này thường được ứng dụng trong sản xuất, chế tạo hàng loạt, thông qua việc đo đạc, phân tích, đánh giá kết quả đo để xác định đặc tính làm việc của máy và hiệu suất làm việc của phương án thiết kế Đây là điều bắt buộc để đưa kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm ra sản xuất thương mại Kết quả thực nghiệm thu được là chính xác và khắc phục được những giả thiết, điều kiện làm việc, yếu tố môi trường mà phương pháp nghiên cứu lý thuyết phải giả định hoặc phương pháp mô phỏng số

chưa mô hình hóa hết được Theo hướng này có nghiên cứu của Mcdougald và cộng sự [19], v.v

Hướng nghiên cứu về hiệu suất biến đổi thủy lực của máy

Hiệu suất của máy là thông số rất quan trọng của tất cả các thiết bị, đối với máy thủy lực thể tích thì hiệu suất của máy phụ thuộc rất nhiều yếu tố như cấu tạo rôto, sai số chế tạo và lắp ghép, năng lượng tiêu hao do các bộ phận cơ khí, các yếu tố của môi trường Do đó, đây là một vấn đề rất phức tạp, hướng nghiên cứu này có Patterson và Ritchie [20] đã tiến hành xây dựng các công thức thực nghiệm để xác định tổn thất thủy lực qua khe hở cạnh rôto của một loại quạt thổi ứng dụng trong lĩnh vực hút chân không được đề xuất bởi Kobuta (1936) [21], v.v

Các giải pháp tăng áp suất, lưu lượng và chất lượng dòng chảy qua máy

Với ưu điểm của loại máy này là lưu lượng lớn nhưng áp suất làm việc thấp nên các nhà khoa học đã đưa ra được giải pháp làm tăng áp suất của máy đồng thời vẫn giữ được ưu điểm là lưu lượng lớn của nó đó chính là phương pháp ghép quạt và biến đổi rôto từ dạng trục thành dạng xoắn vít Hướng nghiên cứu này có Hsieh [22] sử dụng phương pháp mô phỏng số trên phần mềm CFD PumpLinx

để nghiên cứu máy thủy lực thể tích có rôto kiểu xoắn vít Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng lưu lượng trung bình của quạt có rôto kiểu trụ lớn hơn rôto kiểu xoắn vít Tuy nhiên, dao động lưu lượng lại lớn hơn Rôto kiểu trụ có lợi hơn cho những ứng dụng đòi hỏi lưu lượng lớn còn rôto kiểu xoắn vít phù hợp cho những đòi hỏi áp suất lớn; Hsieh và các cộng sự [23] nghiên cứu về giải pháp ghép quạt,

sử dụng phương pháp mô phỏng số để khảo sát lưu lượng và áp suất theo góc lệch pha của loại quạt thổi được đề xuất bởi Palmer và Knox [4] trong hai trường hợp ghép quạt ở dạng nối tiếp và dạng song song Nghiên cứu này chỉ ra: (a) Ghép quạt nối tiếp có lưu lượng trung bình nhỏ hơn ghép song song; (b) Ghép quạt song song có dao động lưu lượng nhỏ hơn nhiều so với ghép nối tiếp dẫn đến giảm rung động và tiếng ồn; (c) Ghép quạt nối tiếp tạo được áp suất lớn hơn ghép quạt song song

Nghiên cứu về tối ưu

Đây là hướng nghiên cứu để tìm ra những giải pháp tối ưu trong một điều kiện thực tế, tuy nhiên các nghiên cứu về tối ưu đối với loại máy này còn rất hạn chế chưa đáp ứng được nhu cầu và đòi hỏi của thực tiễn Chỉ có Costopoulos và cộng sự [24] tối ưu các tham số biên dạng rôto để tăng hiệu suất bằng các mô hình toán học

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở trong nước, các nghiên cứu về máy thủy lực thể tích còn rất hạn chế Ban đầu, loại máy này chỉ được giới thiệu trong các giáo trình nguyên lý máy chuyên nghiệp dành cho giảng viên các trường đại học vào năm 1970 [25] Tuy nhiên, mãi cho đến năm 2006 mới có công bố được coi là đầu tiên về lĩnh vực này của tác giả Nguyễn Hồng Thái và cộng sự [26] Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở việc thiết lập phương trình biên dạng rôto và lập trình mô phỏng thiết kế lại mẫu quạt của Palmer đã đề xuất năm 1875 [4] Tiếp đó là các

đề tài nghiên cứu trong nước được thực hiện ở cấp cơ sở năm 2003 [27] và đề tài cấp bộ giáo dục năm 2006 [28] Nhưng những kết quả nghiên cứu thời điểm đó mới chỉ nghiên cứu tính toán giải mã thiết kế của loại quạt thổi Roots cổ điển được ứng dụng làm máy sục khí trong nuôi trồng thủy sản Đến năm 2015, tác giả Nguyễn Hồng Thái cùng cộng sự [29] tiếp tục nghiên cứu và đưa ra công thức tổng quát cho việc thiết kế kích thước quạt thổi Roots kiểu Palmer theo lưu lượng cho trước.Năm 2018, Nguyễn Hồng Thái và công sự đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế của quạt Roots đến dao động lưu lượng và

áp suất của máy [30] Cũng trong năm 2018, Nguyễn Hồng Thái và các cộng sự tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tham số thiết kế đến hiện tượng trượt biên dạng

và lưu lượng của quạt Roots [31] Năm 2019, Nguyễn Hồng Thái và các cộng sự

đã đề xuất một biên dạng mới trong thiết kế quạt thổi cao áp dạng Roots [15], biên dạng rôto được hình thành từ một điểm cố định trên đường tròn sinh lăn không trượt quanh một elip lăn Nghiên cứu đã đạt được một số kết quả như sau: với cùng một hệ số  phương án này sẽ có lưu lượng lớn hơn và kích thước nhỏ hơn phương án thiết kế trước đó của tác giả [32], với cùng một kích thước hướng kính thì nghiên cứu này sẽ cho kích thước ngang tối ưu hơn so với phương án trong [32] Nhược điểm của nghiên cứu này là yếu chân răng vì vậy để tối ưu về mặt lưu lượng và kích thước nhưng phải khắc phục được hiện tượng yếu chân răng khi làm việc ở một áp suất nhất định thì phải khảo sát và lựa chọn hệ số  hợp lý Về nghiên cứu ứng dụng, nhận thấy vai trò quan trọng của thiết bị này trong các dây chuyền sản xuất các nhà nghiên cứu của Viện nghiên cứu Cơ khí

đã thực hiện hai đề tài cấp bộ Bộ Công Thương đó là: (a) Đề tài mã số 241-08 RD/HĐ-KHCN [33] thực hiện năm 2008, với mục đích là tiến hành giải mã công nghệ thiết kế chế tạo các bộ phận tĩnh gồm vỏ và trục của quạt thổi kiểu Roots có thông số kỹ thuật: lưu lượng 600m3/h, áp suất 0,5 bar, công suất là 15kW dùng

để thổi khí vào si lô xi măng của nhà máy xi măng lò quay; (b) Đề tài mã số

202-10 RD/HD-KHCN [34] tiếp tục giải mã chế tạo phần vỏ trên của quạt thổi kiểu

Roots có lưu lượng 8,71 m3/phút, áp suất 0,5 bar, công suất 15kW Kết quả nghiên cứu chủ yếu đi về công nghệ chế tạo cụ thể với các chi tiết chính như: stato, các bộ phận chính (bánh răng dẫn động ), tuy nhiên công nghệ chế tạo rôto cũng chưa được đề cập Một nghiên cứu trong nước [35] đã chế tạo thành công quạt Roots có thông số Q = 8,71 m3/ph, P = 0,5 bar, N = 15KW phục vụ cho dây chuyền thổi khí vào các máng khí động tại silo xi măng của nhà máy xi măng lò quay, cấu tạo cảu quạt Roots được cho ở Hình 1.10

Hình 1.10 Cấu tạo bên trong quạt Roots [35]

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trải qua gần 180 năm phát triển, máy thủy lực thể tích là một vấn đề được rất nhiều các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu cải tiến và phát triển nhằm mục đích nâng cao hiệu suất của máy phục vụ vào trong các lĩnh vực của đời sống Trải qua tìm hiểu, phân tích và tổng hợp, chuyên đề sẽ tập trung vào 2 hướng

chính là: cải tiến biên dạng rôto tạo ra các máy ứng dụng vào lĩnh vực khác nhau

và nghiên cứu về lưu lượng và áp suất của máy để đưa ra các chế độ làm việc của

máy phù hợp với từng ứng dụng của máy

Về cải tiến biên dạng rôto

Với hướng nghiên cứu này có thể kể đến như: Litvin (1960) [9] đã đưa ra một thiết kế biên dạng rôto với phần biên dạng đỉnh rôto là một cung tròn và chân rôto là biên dạng đối tiếp của đỉnh rôto Về hướng tổ hợp các đường cong còn có Niimura và cộng sự [36] sử dụng tổ hợp các đường thân khai và cung tròn Mimmi và Pennacchi (1999) [16] tổ hợp các đường epixyclôít, cung tròn, đường thân khai và đường chôtroiít để thiết kế rôto quạt kiểu Lobe Tuy nhiên việc sử dụng tổ hợp các đường cong để hình thành biên dạng rôto lại gây ra tiếng

ồn khi làm việc lớn, dao động cơ học do bị nén cục bộ Do vậy, các nhà khoa học

đã sử dụng phương pháp đường cong đối tiếp của Litvin [9] để khắc phục nhược

điểm trên Hsieh (2015) [37] đã đề xuất một đường cong mới được hình thành từ quỹ tích một điểm cố định trên elíp sinh lăn không trượt trên đường tròn lăn nhằm cải tiến biên dạng tăng lưu lượng của máy được thể hiện ở Hình 1.11

Tuy nhiên các nghiên cứu trên thiết kế biên dạng rôto theo nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng trụ có tỷ số 1:1, còn thiết kế biên dạng rôto theo nguyên

lý dẫn động của cặp bánh răng không tròn có tỷ số truyền thay đổi thì có rất ít nghiên cứu đề cập đến chỉ có Tong và Yang [17] sử dụng hai phương pháp DPD (Direct-Profile-Design) và DF (Deviation-Function) kết hợp với phương pháp thiết kế đường lăn trong bánh răng không tròn để thay đổi các tham số thiết kế tạo ra biên dạng rôto mới

Về lưu lượng và áp suất

Như đã trình bày ở mục 1.4 thì các nghiên cứu về lưu lượng và áp suất được chia thành các hướng với các nghiên cứu của các nhà khoa học về từng hướng như sau:

Hướng nghiên cứu phát triển và ứng dụng lý thuyết cơ học thủy khí vào máy thủy lực thể tích: Hướng nghiên cứu này có Hsieh và Hwang [38] tiến hành khảo

sát diện tích tiết diện rôto theo hệ số tỷ lệ các đa thức bậc cao cho loại quạt thổi

đã được nhóm tác giả này đề xuất trước đó [37] để tăng lưu lượng và hiệu suất của máy, kết quả lưu lượng tăng khoảng 5% so với mẫu quạt thổi của Palmer [4] Mimmi và cộng sự [39] đã tiến hành tính toán áp suất của quạt trong quá trình

nén khí vào bình tích áp

Hướng nghiên cứu sử dụng mô phỏng số: Có các nghiên cứu về hướng này

như: Huang và Liu (2009) [18] mô hình hóa dòng chảy trong máy thủy lực kiểu

Hình 1.11 Nguyên lý hình thành biên dạng rôto được Hsieh đề xuất [37]

Lobe có ba răng, trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã sử dụng mô hình chảy rối K-Epsilon để xác định các vị trí dòng xoáy theo sự thay đổi của góc quay trục dẫn động Liu và cộng sự [40] đã đưa ra giải pháp thiết kế cửa ra dạng xoắn ốc để giảm xung áp lực và thông qua mô phỏng số để điều chỉnh thiết kế góc xoắn cải thiện hiệu suất của máy Cai và cộng sự [41] sử dụng công cụ mô phỏng số để xác định dao động lưu lượng của loại quạt được đề xuất trong [42]

Hướng nghiên cứu thực nghiệm: hướng nghiên cứu này thường được ứng dụng

trong sản xuất, chế tạo hàng loạt, thông qua việc đo đạc, phân tích, đánh giá kết quả đo để xác định đặc tính làm việc của máy và hiệu suất làm việc của phương

án thiết kế Đây là điều bắt buộc để đưa kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm

ra sản xuất thương mại Kết quả thực nghiệm thu được là chính xác và khắc phục được những giả thiết, điều kiện làm việc, yếu tố môi trường mà phương pháp nghiên cứu lý thuyết phải giả định hoặc phương pháp mô phỏng số chưa mô hình hóa hết được Theo hướng nghiên cứu này có: Mcdougald và cộng sự [19] đã xây dựng mô hình thực nghiệm xác định lượng khí tổn thất qua các khe hở Kauder

và cộng sự [20] đã đề xuất mô hình thí nghiệm xác định ảnh hưởng của ba loại khe hở (khe hở hướng kính, khe hở mặt đầu, khe hở cạnh rôto) đến hiện tượng tụt

áp của máy hút chân không kiểu Roots, kết quả cho thấy khe hở mặt đầu có ảnh hưởng lớn nhất

Bên cạnh đó còn có một số nghiên cứu khác như: Qing Guo và các cộng sự (2020) [43] tiến hành mô phỏng số và thực nghiệm sự phù hợp và nâng cao hiệu suất của bơm Roots hoạt động với hỗn hợp khí-chất lỏng với sơ đồ thí nghiệm được thể hiện ở Hình 1.12, nghiên cứu cho cái nhìn sâu sắc về đặc tính dòng chảy của bơm Roots hoạt động với hỗn hợp khí-chất lỏng

Hình 1.12 Sơ đồ và ảnh của giàn thí nghiệm trong [43]

Shuaihui Sun và các cộng sự (2020) [44] tiến hành mô phỏng số và thực nghiệm để khảo sát dòng qua khe hở trong một loại quạt Roots với sơ đồ thí nghiệm và bộ kiểm tra với kính hiểm vi được thể hiện lần lượt ở Hình 1.13 và Hình 1.14, kết quả thu được trường dòng chảy CFD phù hợp với kết quả thực nghiệm về dòng chảy và vận tốc tại các khu vực, dòng xoáy gây ra bởi dòng rò rỉ dẫn đến sự phân tách các vùng vận tốc cao và thấp ở vùng dòng xuống của khe

hở

Yi-Bin Li và cộng sự (2018) [45] đã trình bày một cấu trúc mới của khoang bơm với khe hở thay đổi trong quá trình rôto hoạt động để giảm độ lớn và dao

động của lực hướng tâm lên rôto Khi khe hở biến thiên nhỏ dần r max = 0,1 mm

thì ở phía có áp suất cao, lực kích thích hướng tâm lên rôto theo phương y giảm

Hình 1.14 Bộ kiểm tra quạt Roots với kính hiển vi trong [44]

Hình 1.13 Mô hình thực nghiệm trong [44]

12% so với khe hở không thay đổi trong quá trình hoạt động, và giảm 19% theo phương x, giúp cho máy có thể tránh được ảnh hưởng của sự thay đổi đột ngột ứng suất lên hệ thống truyền động

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương này trình bày tổng quan về máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài bao gồm các nội dung: (1) Lịch sử hình thành và quá trình phát triển của máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài; (2) Nguyên lý hoạt động, phân loại

và ứng dụng của máy thủy lực thể tích xyclôít ngoài; (3) Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài Từ những trình bày ở trên có thể thấy:

(1) Các nghiên cứu về biên dạng tập trung nhiều vào thiết kế biên dạng rôto cho máy thủy lực thể tích xyclôít kiểu Roots (rôto có hai răng), có rất ít nghiên cứu về máy thủy lực thể tích xyclôít kiểu Lobe (rôto có từ 3 răng trở lên) Về vấn đề này luận văn trình bày một thiết kế mới của máy thủy lực thể tích xyclôít kiểu Lobe với rôto cso bốn răng Đây là một thiết kế hoàn toàn khác so với các thiết kế có trước đây với hai rôto của máy khác nhau cả về biên dạng cũng như kích thước

(2) Các nghiên cứu về tổn thất lưu lượng và áp suất của máy mới chỉ xét đến ảnh hưởng của một loại khe hở trong các khe hở hướng kính, khe hở cạnh rôto, khe hở mặt đầu mà chưa xét đến ảnh hưởng của cả ba loại khe

hở trên đến tổn thất lưu lượng và áp suất do trong máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài luôn tồn tại cùng lúc ba loại khe hở trên Vấn đề này được luận văn giải quyết ở chương 3 của luận văn

(3) Nghiên cứu về lực và momen do lưu chất trong buồng làm việc tác động lên rôto còn rất hạn chế Để giải quyết vấn đề này, chương 4 của luận văn tiến hành xây dựng mô hình tính toán lực và momen tác động lên rôto của máy thủy lực thể tích xyclôít loại Lobe rôto có bốn răng

Hình 1.15 Dao động của lực hướng kính

lên rôto theo phương x trong [45]

Hình 1.16 Dao động của lực hướng kính

lên rôto theo phương y trong [45]

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH KIỂU LOBE

RÔTO CÓ BỐN RĂNG

2.1 Nguyên lý hình thành biên dạng rôto

Biên dạng rôto {R} của bơm bao gồm phần biên dạng đỉnh rôto và phần biên dạng chân rôto Trong đó phần biên dạng đỉnh rôto được hình thành dựa trên quỹ tích của một điểm K cố định trên đường tròn sinh {C} lăn không trượt phía bên ngoài đường elíp lăn {E}; phần biên dạng chân rôto được hình thành dựa trên quỹ tích một điểm K cố định trên đường tròn sinh {C} lăn không trượt phía bên trong đường elíp lăn {E} như được thể hiện trên Hình 2.1

2.2 Thiết lập phương trình biên dạng đỉnh rôto

Để thiết lập phương trình biên dạng đỉnh rôto ta đặt các hệ quy chiếu }

Hình 2.1 Nguyên lý hình thành biên dạng rôto

)( 1 1 1 1

P O x y z

 là hệ quy chiếu gắn tại tâm O P trùng với điểm tiếp xúc P

)( 2

K là điểm cố định trên đường tròn sinh C(O2,r)

P là điểm tiếp xúc giữa đường tròn sinh C(O2,r) với elíp lăn E(O1,r P)

a là bán trục lớn của elíp lăn E(O1,r P)

b là bán trục nhỏ của elíp lăn E(O1,r P)

r là bán kính đường tròn sinh C(O2,r)

 là góc quay giữa hệ P(O P x P y P z P) và 1(O1x1y1z1)

 là góc quay giữa hệ 2(O2x c y c z c) và P(O P x P y P z P)

 là góc quay giữa hệ 2(O2x c y c z c) và 1(O1x1y1z1)

 là góc tạo bởi đường pháp tuyến đi qua P với trục x1

 là góc quay của đường tròn sinh

Biên dạng đỉnh rôto được hình thành dựa trên quỹ tích điểm K cố định trên đường tròn sinh {C} lăn không trượt phía bên ngoài đường elíp lăn {E} Với nguyên lý hình thành như vậy, quỹ tích điểm K được xác định bằng phép biến đổi:

K O

P P P

Từ Hình 2.3, tọa độ điểm P trong hệ tọa độ 1(O1x1y1z1) được cho bởi:

cos



P P

)(

2



b a b a

Từ Hình 2.3, ma trận quay quanh trục z của hệ tọa độ P(O P x P y P z P) so với

hệ tọa độ 1(O1x1y1z1) được cho bởi:

0cossin

0sincos

r (2.5)

Xác định 1 2

M :

Từ Hình 2.5, ma trận quay quanh trục z của hệ tọa độ 2(O2x c y c z c) so với

hê tọa độ 1(O1x1y1z1) được cho bởi:

0cossin

0sincos

2 1

)(

2sin

sin

cos)2cos(

)(

2cos

ab r

r

b a b a

ab r

r

K

Phương trình (2.8) là phương trình biên dạng đỉnh rôto

Trong phương trình (2.8) ta cần xác định các góc , theo 

   (2.10) Trong đó () được cho bởi (2.9), () được cho bởi:

) ( )

( 1

)

r

P P

(2.11)

Ví dụ 2.1

Từ nguyên lý hình thành biên dạng đỉnh rôto đã trình bày ở trên, với bộ

thông số a = 65,8396 mm, b = 45,6604 mm, r = 7,0802 mm, sử dụng phần mềm

Matlab thu được đường biên dạng đỉnh rôto của bơm như Hình 2.6

2.3 Thiết lập phương trình biên dạng chân rôto

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -60

-40 -20

Để thiết lập phương trình biên dạng chân rôto ta đặt các hệ quy chiếu }

 là hệ quy chiếu gắn tại tâm O1 trên đường elíp lăn E(O1,r P)

)( P P P P

P O x y z

 là hệ quy chiếu gắn tại tâm O P trùng với điểm tiếp xúc P

)( 2

K là điểm cố định trên đường tròn sinh C(O2,r)

P là điểm tiếp xúc giữa đường tròn sinh C(O2,r) với elíp lăn E(O1,r P)

a là bán trục lớn của elíp lăn E(O1,r P)

b là bán trục nhỏ của elíp lăn E(O1,r P)

r là bán kính đường tròn sinh C(O2,r)

 là góc quay giữa hệ P(O P x P y P z P) và 1(O1x1y1z1)

 là góc quay giữa hệ 2(O2x c y c z c) và P(O P x P y P z P)

 là góc quay giữa hệ 2(O2x c y c z c) và 1(O1x1y1z1)

 là góc tạo bởi đường pháp tuyến đi qua P với trục x1

 là góc quay của đường tròn sinh

Biên dạng chân rôto được hình thành dựa trên quỹ tích điểm K cố định trên

đường tròn sinh {C} lăn không trượt phía bên trong đường elíp lăn {E} Với

nguyên lý hình thành như vậy, quỹ tích điểm K được xác định bằng phép biến

đổi:

K O

P P P



P P

)(

2



b a b a

Từ Hình 2.8, ma trận quay quanh trục z của hệ tọa độ P(O P x P y P z P) so với

hệ tọa độ 1(O1x1y1z1) được cho bởi:

0cossin

0sincos

Hình 2.8 Tọa độ điểm P trong hệ tọa độ 1(O1x1y1z1)

Từ Hình 2.9, tọa độ điểm O2 trong hệ tọa độ P(O P x P y P z P) được cho bởi:

)cos(

0cossin

0sincos

)(

2sin

sin

cos)2cos(

)(

2cos

ab r

r

b a b a

ab r

r

K

Phương trình (2.19) là phương trình biên dạng chân rôto

Trong (2.19) các góc (), () được xác định theo (2.9), (2.10), (2.11)

Ví dụ 2.2

Từ nguyên lý hình thành biên dạng chân rôto đã trình bày ở trên, với bộ

thông số thiết kế đặc trưng a = 65,8396 mm, b = 45,6604 mm, r = 7,0802 mm,

sử dụng phần mềm Matlab thu được đường biên dạng chân rôto của máy thủy lực thể tích kiểu Lobe rôto có bốn răng được thể hiện trên Hình 2.10

Hình 2.10 Đường chân rôto 2.4 Xác định điều kiện hình thành biên dạng rôto

2.4.1 Xác định mối quan hệ giữa bán kính r của đường tròn sinh {C} và kích thước bán trục lớn a, bán trục nhỏ b của đường lăn {E}

Từ điều kiện hình biên dạng rôto, khi đường tròn sinh lăn không trượt phía ngoài hoặc phía trong đường lăn hết một vòng của đường tròn sinh tương ứng với một cung của đường lăn mà đường tròn sinh vừa lăn không trượt trên đường lăn, khi đó chu vi của đường tròn sinh bằng chiều dài của cung mà đường tròn sinh

vừa lăn trên đường lăn Nếu gọi chu vi của đường tròn sinh là C C và chu vi của

đường lăn là C E, để đảm bảo hình thành biên dạng rôto có 4 răng thì chu vi của đường lăn gấp 8 lần chu vi của đường tròn sinh:

C

C 8 (2.20) Với C C là chu vi đường tròn sinh được cho bởi:

)/)(()( (2.22)

Thay (2.21) và (2.22) vào (2.20) ta được:

0

2 2

d r

r r

P P

 (2.23)

Phương trình (2.23) là phương trình thể hiện mối quan hệ giữa bán kính đường tròn sinh r và bán trục lớn a, bán trục nhỏ b của đường lăn để đảm bảo điều kiện hình thành biên dạng rôto

-50 -40 -30 -20 -10

Đường lăn