Luận văn thạc sĩ XÁC ĐỊNH SỰ BIẾN ĐỔI ÁP SUẤT VÀ LƯU LƯỢNG CỦA QUẠT THỔI CAO ÁP TRONG CÁC DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG

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

PHẠM THIÊN TOÀN

XÁC ĐỊNH SỰ BIẾN ĐỔI ÁP SUẤT VÀ LƯU LƯỢNG
CỦA QUẠT THỔI CAO ÁP TRONG CÁC DÂY CHUYỀN
SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ


HÀ NỘI – 2019

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

PHẠM THIÊN TOÀN

XÁC ĐỊNH SỰ BIẾN ĐỔI ÁP SUẤT VÀ LƯU LƯỢNG
CỦA QUẠT THỔI CAO ÁP TRONG CÁC DÂY CHUYỀN
SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG
Chuyên ngành: Cơ điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN HỒNG THÁI

HÀ NỘI – 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các số liệu
và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác.
Tác giả

PHẠM THIÊN TOÀN

i


MỤC LỤC
Trang

LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................i
MỤC LỤC................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT...............................................iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................v
DANH MỤC BẢNG..............................................................................................viii
LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
Chương 1:TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI QUẠT THỔI CAO ÁP DẠNG ROOTS 4
1.1 Lịch sử phát triển của các loại quạt thổi Roots................................................................4
1.2 Các ứng dụng của các loại quạt thổi Roots trong công nghiệp........................................5

1.2.1 Ứng dụng trong việc vận chuyển nguyên liệu rời.............................................5
1.2.2 Ứng dụng trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp................................................6

1.2.3 Ứng dụng trong nuôi trồng thuỷ sản.............................................................................6
1.2.4 Ứng dụng trong ngành công nghiệp nặng.....................................................................7
1.2.5 Một số ứng dụng khác của quạt thổi Roots...................................................................8
1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các loại quạt Roots..................................8
Kết luận chương 1................................................................................................................12

Chương 2:THIẾT KẾ BIÊN DẠNG RÔTO CỦA QUẠT THỔI ROOTS...............13
2.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của quạt Roots............................................................13
2.1.1 Đặt vấn đề...................................................................................................................13
2.1.2 Nguyên lý hoạt động...................................................................................................13
2.1.3 Cấu tạo........................................................................................................................15
2.2 Mô hình toán học đường epixyclôít và hypôxyclôít......................................................16
2.2.1 Mô hình toán học của đường Xyclôít..........................................................................16
2.2.2 Mô hình toán học của đường epixyclôít......................................................................17
2.2.3 Mô hình toán học đường hypôxyclôít.........................................................................20
2.3 Tổng hợp biên dạng rôto của quạt thổi Roots................................................................22
2.3.1 Loại 2 răng..................................................................................................................22
2.3.2 Loại 3 răng..................................................................................................................24
2.4 Các thông số thiết kế hình học của quạt.........................................................................25
Kết luận chương 2................................................................................................................26

ii


Chương 3:THIẾT LẬP BIỂU THỨC GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH SỰ BIẾN ĐỔI THỂ
TÍCH KHOANG HÚT VÀ KHOANG ĐẨY CỦA QUẠT.........................................27
3.1 Mô tả sự hình thành khoang hút và khoang đẩy............................................................27
3.2 Xác định sự biến đổi diện tích các khoang hút và khoang đáy theo góc quay của trục
dẫn động...............................................................................................................................31
3.2.1 Quạt cao áp 2 răng.......................................................................................................31

3.2.2 Quạt cao áp 3 răng.......................................................................................................36
3.2.3 Quạt cao áp 4 răng.......................................................................................................40
3.2.4 Quạt cao áp 5 răng.......................................................................................................45
3.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến thể tích khoang hút và khoang đẩy
của quạt................................................................................................................................50
3.3.1 Trường hợp 1: khảo sát ảnh hưởng của bán kính r......................................................50
3.3.2 Trường hợp 2: khảo sát ảnh hưởng của số răng Z.......................................................52
3.3.3 Trường hợp 3: khảo sát ảnh hưởng sự biến thiên thể tích khi r tăng, Z giảm.............53
3.3.4 Trường hợp 4: khảo sát ảnh hưởng sự biến thiên thể tích khi r giảm, Z tăng.............54
Kết luận chương 3................................................................................................................56

Chương 4:ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ HÌNH HỌC TRƯNG
ĐẾN ÁP SUÁT VÀ LƯU LƯỢNG CỦA QUẠT....................................................57
4.1 Thiết lập biểu thức xác định áp suất trong các khoang hút và khoang đẩy của quạt.....57

4.1.1 Phương pháp tính toán các thông số...............................................................60
4.1.2 Biến đổi áp suất trong các khoang hút và khoang đẩy....................................61
4.2 Ảnh hưởng của các thông số thiết kế đặc trưng đến sự biến đổi áp suất trong các
khoang bơm..........................................................................................................................63

4.2.1 Ảnh hưởng của số răng Z tới áp suất..............................................................63
4.3 Ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến lưu lượng trung bình.........................67
4.4 Chế tạo thực nghiệm......................................................................................................68
4.4.1 Thông số thiết kế của quạt Roots................................................................................68
4.4.2 Chương trình gia công.................................................................................................68
Kết luận chương 4................................................................................................................76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................78
PHỤ LỤC 1.............................................................................................................80

PHỤ LỤC 2...........................................................................................................100
iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT
Kí hiệu

Nội dung, ý nghĩa

V0(xoy)

: hệ quy chiếu gắn trên đĩa con lăn

V1(x’o’y’)

: hệ quy chiếu gắn trên bánh răng Hypôxyclôít, Epixyclôít

φ

: góc quay giữa hệ V0 và V1

T

: điểm thuộc đường tâm tích bánh răng tại thời điểm ban đầu

MS

: điểm thuộc đường tâm tích sinh tại thời điểm đầu

P

: điểm tiếp xúc của 2 đường tròn tại các thời điểm bất kỳ

Z

: số bánh răng của rôto

VKD

: thể tích khoang đẩy

VKH

: thể tích khoang hút

r

: bán kính tâm tích sinh

R

: bán kính tâm tích sinh bánh răng

a

: khoảng cách giữa hai trục của quạt

RV

: bán kính khoang quạt

d

: chiều dày rôto

Q

: là lưu lượng trung bình lý thuyết

b

: độ dày bánh răng rôto

SK

: diện tích mặt khoang vận chuyển trong quạt

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Quạt thổi Roots Đài Loan Trung Quốc....................................................... 4
Hình 1.2 Máy hút thổi trấu công nghệ silo lắng......................................................... 5
Hình 1.3 Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp [2].................................................. 6
Hình 1.4 Quạt thổi khí cho ao nuôi tôm.................................................................... 7
Hình 1.5 Nhà máy nhiệt điện..................................................................................... 8
Hình 1.6 Quạt DRYMAC PDR-090CH sử dụng trong quá trình LP-CVD SI-N [6]. 9
Hình 1.7 Sự khác nhau biên dạng giữa hai phương pháp thiết kế mới và truyền
thống [7].................................................................................................................. 10
Hình 1.8 Biên dạng rôto mới [8].............................................................................. 10

Hình 1.9 Các khe hở trong bơm Roots cánh xoắn [9].............................................. 11
Hình 2.1 Bơm Roots TLP Series của hãng Johnson [16]......................................... 13
Hình 2.2 Nguyên lý thành biên dạng cánh quạt....................................................... 14
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của quạt thổi Roots........................................ 14
Hình 2.4 Các vị trí của cánh bơm trong quá trình trục chính................................... 15
Hình 2.5 Cấu tạo quạt thổi dạng Roots [17]............................................................ 15
Hình 2.6 Nguyên lý hình thành đường xyclôít........................................................ 17
Hình 2.7 Đường xyclôít dãn dài.............................................................................. 17
Hình 2.8 Đường Tơrocoít........................................................................................ 17
Hình 2.9 Nguyên lý hình thành đường epixyclôít.................................................... 18
Hình 2.10 Nguyên lý hình thành đường hypôxyclôít............................................... 22
Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc quạt thổi.......................................................................... 23
Hình 2.12 Bản vẽ mặt cắt tiết diện quạt................................................................... 24
Hình 2.13 Biên dạng rôto........................................................................................ 24
Hình 2.14 Quạt Roots loại 3 răng............................................................................ 25
Hình 2.15 Các thông số thiết kế hình học của quạt Roots........................................ 26
Hình 3.1 Mặt cắt thể hiện tiết diện V khoang hút và khoang đẩy............................28
Hình 3.2 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích bơm 2 răng tại góc đặc biệt   0 ......29
Hình 3.3 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích bơm 2 răng tại góc  

v


...................30
4


Hình 3.4 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích cần tính toán S1,S2,S3,S4.....................31
Hình 3.5 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích cần tính toán....................................... 31
Hình 3.6 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích quạt roots 2 răng tại thời điểm ban đầu......33

Hình 3.7 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích quạt 2 răng tại  


.......................... 33
4

Hình 3.8 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích quạt 2 răng tại   100 ........................34
Hình 3.9 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích quạt 2 răng tại   500 .......................36
Hình 3.10 Thể tích biến thiên khoang đẩy của quạt Roots 2 răng............................ 36
Hình 3.11 Thể tích biến thiên khoang hút của quạt Roots 2 răng............................37
Hình 3.12 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích quạt roots 3 răng ban đầu.................38
Hình 3.13 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích quạt roots 3 răng   300 ...................38
Hình 3.14 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tíchquạt roots 3 răng   400 ....................40
Hình 3.15 Thể tích biến thiên khoang đẩy của bơm quạt 3 răng............................. 41
Hình 3.16 Thể tích biến thiên khoang hút của quạt Roots 3 răng...........................41
Hình 3.17 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích quạt roots 4 răng tại thời điểm ban đầu....42
Hình 3.18 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích quạt 4 răng tại góc đặc biệt  


....43
8

Hình 3.19 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích quạt 4 răng tại   300 ......................45
Hình 3.20 Thể tích biến thiên khoang đẩy của quạt Roots 4 răng........................... 46
Hình 3.21 Thể tích biến thiên khoang hút của quạt Roots 4 răng............................46
Hình 3.22 Mặt cắt thể hiện tiết diện diện tích bơm quạt 5 răng tại thời điểm ban đầu. . .47
Hình 3.23 Mặt cắt thể hiện tiết diện, diện tích quạt roots 5 răng   180 ..................48
Hình 3.24 Mặt cắt thể hiện tiết diện, diện tích quạt roots 3 răng   250 ..................50
Hình 3.25 Thể tích biến thiên khoang đẩy của quạt Roots 5 răng............................ 51
Hình 3.26 Thể tích biến thiên khoang hút của quạt Roots 5 răng............................51

Hình 3.27 Thể tích biến thiên khoang đẩy của quạt Roots 4 răng........................... 52
Hình 3.28 Thể tích biến thiên khoang hút của quạt Roots 4 răng............................52
Hình 3.29 Thể tích biến thiên khoang cửa đẩy của quạt theo Z............................... 53
Hình 3.30 Thể tích biến thiên khoang hút của quạt Roots theo Z............................53
Hình 3.31 Thể tích biến thiên khoang cửa đẩy của quạt Roots................................ 54
Hình 3.32 Thể tích biến thiên khoang hút của quạt Roots....................................... 55
vi


Hình 3.33 Biến thể tích của khoang đẩy theo Z và r............................................... 56
Hình 3.34 Biến thể tích của khoang hút theo Z và r............................................... 56
Hình 4.1 Mô hình bơm quạt 2 răng.......................................................................... 58
Hình 4.2 Mô hình hóa các lớp chất khí.................................................................... 59
Hình 4.3 Mô hình hóa mặt phân tố thể tích của khoang quạt................................... 60
Hình 4.4 Quạt Roots hai răng tại vị trí góc quay  70 o ......................................... 62
Hình 4.5 Đồ thị thể hiện áp suất biến thiên khoang cửa hút của quạt Roots hai răng......63
Hình 4.6 Biểu đồ thể hiện áp suất biến thiên bơm khoang đẩy của quạt Roots 2 răng....64
Hình 4.7 Mặt cắt thể hiện diện tích các khoang và thông số của quạt Roots 2 răng 65
Hình 4.8 Đồ thị thể hiện biến thiên áp suất khoang hút quạt Roots 2 răng..............65
Hình 4.9 Đồ thị thể hiện biến thiên áp suất khoang đẩy quạt Roots 2 răng.............65
Hình 4.10 Đồ thị thể hiện biến thiên áp suất khoang hút quạt Roots 3 răng............66
Hình 4.11 Đồ thị thể hiện biến thiên áp suất khoang đẩy quạt Roots 3 răng............66
Hình 4.12 Đồ thị thể hiện biến thiên áp suất khoang hút quạt Roots 4 răng............66
Hình 4.13 Đồ thị thể hiện biến thiên áp suất khoang đẩy quạt Roots 4 răng...........67
Hình 4.14 Đồ thị thể hiện biến thiên áp suất khoang hút quạt Roots 5 răng............67
Hình 4.15 Đồ thị thể hiện biến thiên áp suất khoang đẩy quạt Roots 5 răng...........67
Hình 4.16 Lưu lượng của quạt Roots theo số răng trên rôto.................................... 69
Hình 4.17 Ảnh chụp vỏ hộp phần............................................................................ 74
Hình 4.18 Ảnh chụp vỏ hộp của quạt..................................................................................74

Hình 4.19 Ảnh chụp bộ truyền động chính của quạt................................................ 75
Hình 4.20 Ảnh chụp bạc trên mặt bích................................................................................75

Hình 4.21 Ảnh chụp bạc truyền động 1...................................................................... 75
Hình 4.22Ảnh chụp bạc truyền động 2................................................................................75

Hình 4.23 Ảnh chụp bạc số 1................................................................................... 75
Hình 4.24 Ảnh chụp trục đẫn động......................................................................................75

Hình 4.25 Ảnh chụp trục bị động............................................................................ 76
Hình 4.26 Ảnh chụp tổng thể các chi tiết cấu thành quạt thổi Roots.......................76
Hình 4.27 Ảnh chụp quạt thổi Roots sau khi chế tạo............................................... 77

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Các thông số thiết kế của quạt thổi Roots............................................... 26
Bảng 3.1 Thông số kích thước khảo sát................................................................... 54
Bảng 3.2 Thông số kích thước khảo sát................................................................... 55
Bảng 4.1 : Thông số kỹ thuật chính của máy cắt dây EDM DK7763.....................69

viii


LỜI MỞ ĐẦU
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Quạt thổi Roots được phát minh từ những năm 1860, sau đó được công ty
Roots Blower phát triển thành các sản phẩm thương mại. Theo thời gian loại quạt
này đã được phát triển với nhiều biến thể khác nhau để phù hợp với các ứng dụng

cho các ngành công nghiệp khác nhau. Ngày nay, với sự phát triển của nền công
nghiệp hiện đại loại quạt này đã và đang được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều
ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp hóa chất, công nghiệp giấy, các loại
quạt thổi trong hệ thống thổi không khí trong động cơ tubô của các loại ôtô hiện đại
(đời 2018), hay các loại phương tiện cơ giới công suất lớn trong quốc phòng cũng
như các hệ thống bơm ôxy tươi của các nhà máy nhiệt điện đốt than.
Với những ứng dụng như ở trên loại bơm này đang được các nhà khoa học
trên thế giới quan tâm nghiên cứu theo nhiều phương diện khác nhau để ngày càng
hoàn thiện và tối ứu cho các ứng dụng khác nhau. Nhưng vấn đề này ở Việt nam thì
còn rất hạn chế và chỉ được giới thiệu trong một số giáo trình còn tài liệu kỹ thuật
hầu như không có. Do đó, việc nghiên cứu về loại quạt này có ý nghĩa thực tiễn và
khoa học trong bối cảnh Việt Nam đang phải nhập khẩu 100% các loại quạt này để
phục vụ cho quá trình duy tu bảo dưỡng các dây chuyền sản xuất trong nước đã
được nhập khẩu để phát triển kinh tế.
Như đã trình bày ở trên, cùng với sự định hướng của giảng viên hướng dẫn
TS. Nguyễn Hồng Thái, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu : “Xác định sự biến đổi
áp suất và lưu lượng của quạt thổi cao áp trong các dây chuyền sản xuất tự
động ” với mục đích nghiên cứu phát triển loại quạt này ở Việt Nam.
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
- Thiết lập mô hình tính toán, mô tả sự biến đổi thể tích trong các khoang bơm
của quạt thổi cao áp dạng Roots.
- Xác định biểu thức toán học dưới dạng giải tích lưu lượng trung bình.
- Khảo sát các tham số thiết kế hình học để lựa chọn bộ thông số thiết kế tối ưu
nhất phục vụ bài toán thiết kế và chế tạo.
-

Chế tạo thử nghiệm một mẫu quạt thổi cao áp dạng Roots.

1

III. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
-

Thiết lập mô hình toán học biên dạng cánh quạt thổi cao áp dạng Roots.
- Thiết lập mô hình toán dưới dạng giải tích của lưu lượng lý thuyết.
- Thiết kế và chế tạo thực nghiệm một mẫu quạt thổi cao áp dạng Roots.
- Các giả thiết được đặt ra là không có khe hở mặt đầu, khe hở cạnh răng cũng

như sai số chế tạo và lắp ráp được bỏ qua.
- Các bài toán sóng va, sinh nhiệt, độ ồn và rung động chưa được xét đến trong
luận văn này.
IV. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN
4.1 Ý nghĩa khoa học
+ Các kết quả của luận văn là cơ sở để tiếp tục cho các nghiên cứu sâu hơn về
quạt thổi cao áp Roots.
+ Các biểu thức giải tích được thiết lập bởi luận văn có ý nghĩa quan trọng
trong việc khảo sát lựa chọn thông bộ số tối ưu khi thiết kế.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả của luận văn có thể làm tài liệu tham khảo cho quá trình thiết kế,
chế tạo quạt thổi cao áp dạng Roots, cũng như sửa chữa bảo dưỡng các loại quạt
thổi cao áp cụ thể:
- Khôi phục lại cánh quạt và toàn bộ thông số khi biết khoảng cách trục.
- Thiết kế được quạt mới khi biết thông số công nghệ, áp suất và lưu lượng.
V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Luận văn được nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về bánh răng phẳng, đặc
biệt là các bánh răng xyclôít ăn khớp ngoài. Trên cơ sở đó thiết lập phương trình
biên dạng, biểu thức tính toán lưu lượng và thiết kế quạt. Để chứng minh cho lý
thuyết đã thiết lập, luận văn và chế tạo thực nghiệm để chứng minh.
VI. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày trong 80 trang và cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về các loại quạt thổi cao áp dạng Roots
Chương 1 của luận văn trình bày tổng quan về quạt thổi cao áp dạng Roots như:
lịch sử quá trình hình thành và phát triển của các loại quạt thổi cao áp dạng Roots, cũng

2


như các ứng dụng của các loại quạt thổi cao áp dạng Roots trong công nghiệp. Trên cơ
sở đó đề ra mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể phải thực hiện của luận văn.
Chương 2: Thiết kế biên dạng rôto của quạt thổi Roots
Chương này trình bày nguyên lý hoạt động và cấu tạo của quạt, cơ sở lý thuyết
về đường Epixyclôít và Hypôxyclôít, các biên dạng rôto của quạt cũng như các
thông số thiết kế hình học đặc trưng của quạt và lưu lượng trung bình của quạt. Đây
là tiền đề cho các chương tiếp theo.
Chương 3: Ảnh hưởng của các thông số thiết kế đặc trưng đến lưu lượng của quạt
Trên cơ sở biên dạng rôto của quạt thổi Roots đã được xây dựng ở chương 2,
chương 3 của luận văn trình bày sự hình thành khoang hút và khoang đẩy cũng như
xác định diện tích các khoang hút và khoang đẩy theo góc quay của trục dẫn động.
Bên cạnh đó, chương 3 cũng khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến thể
tích khoang hút và khoang đẩy đến lưu lượng trung bình của quạt.
Chương 4: Khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế động học đặc trưng
đến áp suất và lưu lượng của quạt
Trong chương 4 của luận văn, biểu thức xác định áp suất trong các khoang hút và
khoang đẩy của quạt được xây dựng. Qua đó, khảo sát ảnh hưởng của các thông số
thiết kế đặc trưng đến sự biến đổi áp suất trong các khoang hút và khoang đẩy của quạt.
Từ đó luận văn đưa ra phương án tối ưu để thiết kế và chế tạo thực nghiệm.
Kết luận
Phần này trình bày các kết quả nghiên cứu của luận văn và đề ra các hướng
nghiên cứu để tiếp tục hoàn thiện kết quả nghiên cứu.

3


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI QUẠT THỔI CAO ÁP
DẠNG ROOTS
Section I.1

1.1 Lịch sử phát triển của các loại quạt thổi Roots

Quạt thổi Roots là loại máy có thiết kế, kết cấu cơ khí đơn giản và được ra đời
từ rất lâu, có lịch sử phát triển từ hàng trăm năm trước. Thiết kế đầu tiên của loại
quạt này được cấp bằng sáng chế năm 1860 bởi hai nhà thiết kế người mỹ là
Philander Higley and Francis Marion Roots. Từ năm 1944, Roots blower là một
thương hiệu của công ty Dresser Industries, và hiện nay hãng quạt Dresser vẫn sản
xuất loại quạt này[1].
Ngày nay, loại máy này đã được nghiên cứu và chế tạo bởi rất nhiều hãng trên
thế giới như: Robuschi Blower của Italy, Dresser Root của Mỹ, Một số hãng sản
xuất máy thổi khí của nhật: Heywel, Alnet, Tsurumi... Một số hãng của Đài Loan,
Trung Quốc như: Longtech, Taiko, Changsha, Fusheng, Aowei, Grea tech,... Tuy
nhiên, các máy xuất xứ châu Âu hoặc Nhật luôn có được chất lượng tốt hơn và giá
cả sẽ đắt hơn (gấp khoảng 2 ÷ 3 lần) so với các máy thổi khí cùng thông số xuất xứ
từ Đài Loan, Trung Quốc. Do vậy, tùy vào nguồn tài chính kinh tế và yêu cầu sử
dụng mà người ta lựa chọn máy thổi khí phù hợp với mục đích sử dụng.

Hình 1.1 Quạt thổi Roots Đài Loan Trung Quốc
4

1.2 Các ứng dụng của các loại quạt thổi Roots trong công nghiệp
Trong những năm gần đây quạt thổi dạng Roots đang được ứng dụng phổ biến
trong công nghiệp cũng như trong các thiết bị dân dụng trong đời sống hàng ngày.
Tuy nhiên, chúng ta gần như không biết nhiều về loại thiết bị có thiết kế đơn giản
này, ngay cả đối với những người tiếp xúc trực tiếp với các ứng dụng của quạt thổi
cao áp dạng Roots.
1.2.1 Ứng dụng trong việc vận chuyển nguyên liệu rời

Hình 1.2 Máy hút thổi trấu công nghệ silo lắng
Việc vận chuyển nguyên liệu rời bằng dòng khí dựa trên nguyên lý sử dụng sự
chuyển động của dòng khí trong ống dẫn với tốc độ đủ lớn để mang nguyên liệu từ
vị trí này đến vị trí khác. Quạt thổi Roots ở đây đóng vai trò là thiết bị tạo ra dòng
khí chuyển động có lưu lượng và tốc độ đủ lớn để vận chuyển các nguyên liệu rời.
Việc sử dụng dòng khí để vận chuyển nguyên liệu được ứng dụng rất rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, cũng như nông nghiệp khác nhau như: Công
nghiệp thực phẩm, công nghiệp nặng, hay cơ khí hóa nông nghiệp.
Tuy nhiên, một ứng dụng nổi bật của quạt thổi Roots trong lĩnh vực này là
máy hút thổi nguyên liệu rời, được ứng dụng để hút thổi nhiều loại nguyên liệu khác
nhau như: lúa, ngô, đậu lành, cà phê, bột mì, bột cám ngô v.v.. máy được dùng trong
việc vận chuyển nguyên liệu từ thuyền vào kho, từ kho lên nhà máy, silo, hay vận
chuyển từ kho lên các xe bồn. Quạt hút thổi nguyên liệu rời đang được ứng dụng rất

5


phổ biến tại đồng bằng sông cửu long, qua đó nâng cao hiệu quả sản xuất, góp phần
cơ khí hóa nông nghiệp.
1.2.2 Ứng dụng trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp

Hình 1.3 Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp [2]

Hiện nay, trên cả nước có rất nhiều khu công nghiệp và khu chế xuất hoạt
động đã và đang giải quyết được vấn đề việc làm cho người lao động và góp phần
không nhỏ vào sự tăng trưởng của nền kinh tế. Nhưng bên cạnh đó, môi trường
cũng đang bị đe dọa và ô nhiễm trầm trọng bởi chất thải từ các khu công nghiệp và
các khu chế xuất thải trực tiếp ra môi trường không qua xử lý. Trong lịch sử phát
triển loài người, chưa bao giờ Môi Trường và điều kiện sống lại được quan tâm như
những năm gần đây. Vì vậy, việc xây dựng các trạm nhà máy xử lý nước thải đã và
đang chở thành điều bắt buộc đối với khu công nghiệp, khu chế suất.
Quạt thổi cao áp dạng Roots được sử dụng để sục khí cho các bể điều hòa và
bể vi sinh học, quạt sẽ cung cấp một lượng ôxy để giúp quá trình ôxy hóa các chất
hưu cơ, và phát triển các vi sinh vật trong nước.
Có thể thấy rằng quạt thổi cao áp dạng Roots là thiết bị không thể thiếu trong
hệ thống xử lý nước thải: như hệ thống xử lý nước thải công nghiệp tại các nhà máy,
khu công nghiệp, khu chế xuất. Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tại các tòa nhà,
khu đô thị, trung tâm thương mại. Hệ thống xử lý nước thải y tế tại các bệnh viện
v.v..
1.2.3 Ứng dụng trong nuôi trồng thuỷ sản

Những năm gần đây quạt thổi Roots đã được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh
vực nuôi trồng thủy hải sản, đặc biệt là nuôi tôm và nuôi cá tra. Sự thiếu hụt ôxy
hòa tan trong các ao nuôi tôm, nuôi cá dẫn đến việc tôm cá chậm lớn, mầm bệnh
6


phát triển nhanh chóng dẫn đến tình trạng tôm cá gặp khó khăn trong môi trường
sống của mình.

Hình 1.4 Quạt thổi khí cho ao nuôi tôm
Quạt thổi cao áp dạng Roots dùng để sục khí vào các ao, hồ, đầm nuôi tôm,
nuôi cá tra nhờ đó làm tăng lượng khí ôxy hòa tan trong nước. Qua đó thúc đẩy quá

trình phát triển của thủy hải sản và giúp tăng mật độ nuôi trồng trong hồ nuôi, rút
ngắn thời gian nuôi và tăng năng suất cho mỗi vụ nuôi.
1.2.4 Ứng dụng trong ngành công nghiệp nặng

Quạt thổi cao áp dạng Roots có nhiều ứng dụng trong hệ thống của nhà máy xi
măng và nhiệt điện. Tùy vào yêu cầu hoạt động và dây chuyền công nghệ mà quạt
thổi Roots sẽ được sử dụng với những mục đích khác nhau.
Quạt thổi Roots được sử dụng để cung cấp khí cho các máng khí động dưới
các silo xi măng (mỗi silo xi măng bố trí một hệ thống khoảng 10 quạt tùy theo yêu
cầu công nghệ). Bột xi măng ( và các loại bột, hạt khác) khi được trộn với không
khí sẽ có hiệu ứng linh động như chất lỏng, dễ dàng chảy trong máng khí động đến
các vị trí theo yêu cầu công nghệ.
Ngoài ra, quạt thổi cao áp dạng Roots còn được sử dụng để cấp khi cho các hệ
thống silo vật liệu, silo xi măng, cấp khí thổi than vào lò nung Clinker, cung cấp khí
ôxy vào lò đốt than. Trong các nhà máy nhiệt điện máy thổi khí được ứng dụng
trong hệ thống thu hồi tro bay. Đây là hệ thống đem lại lợi ích rất cao trong nhà máy
nhiệt điện. Đảm bảo toàn bộ tro bụi khi đốt than sẽ không bị thải ra ngoài không
khí, không gây ô nhiểm môi trường và tro bay sau khi thu được lại có gia trị kinh tế

7


rất lơn vì đây là chất phụ gia quý cho ngành sản xuất xi măng, bê tông, vật liệu xây
dựng...[3]

Hình 1.5 Nhà máy nhiệt điện
1.2.5 Một số ứng dụng khác của quạt thổi Roots

Ngoài các ứng dụng tiêu biểu trên máy thổi khí 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,...[4-5]
1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các loại quạt Roots
Với những ưu điểm nổi trội cũng với việc được ứng dụng rộng dãi trong nhiều
lĩnh vực như đã nêu ở trên của quạt Roots. Nhưng việc nghiên cứu các vấn đề
chuyên sâu về ảnh hưởng của khe hở cạnh răng, ảnh hưởng của sai số chế tạo đến
chất lượng ăn khớp, sinh nhiệt và tiếng ồn cũng như các nghiên cứu về vật liệu
nhằm giảm kích thước và tăng tuổi bền hay ảnh hưởng của các thông số kích thước
động học đến chất lượng loại quạt này trong nước vẫn còn chưa được quan tâm
đúng mực, mặc dù trong thực tế loại quạt này đang được sử dụng khá phổ biến
trong các dây truyền sản xuất ngoại nhập.
Mặc dù quạt Roots đã được nghiên cứu và phát triển từ những năm 50 của thế
kỉ XX đến nay cũng như đã có rất nhiều hãng khác nhau nghiên cứu và sản xuất các
sản phẩm thương mại nhưng với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ
và nhu cầu sản xuất thực tiễn cũng như đòi hỏi ngày càng cao nhằm phục vụ cho

8


đời sống của con người. Chính vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới vẫn tiếp tục
các nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời hạ giá thành cũng
như mở rộng khả năng ứng dụng của loại quạt này trong công nghiệp và các mặt
khác nhau của đời sống con người. Tiêu biểu trong số đó là các nghiên cứu sau đây:
 Tại Nhật Bản các nhà khoa học đã tập trung vào đối tượng quạt cụ thể là
quạt DRYMAC, đây là một loại quạt thổi cao áp dạng Roots chân không với sáu
khoang. Quạt này được chế tạo từ hợp kim nhôm có khả năng dẫn nhiệt cao, tạo
điều kiện cho quá trình kiểm soát nhiệt độ trong phạm vi rộng một cách đồng bộ khi
quạt hoạt động. Với những ưu điểm của mình DRYMAC đã được các nhà khoa học
ứng dụng vào một trong những quá trình sản xuất phức tạp nhất đối với các loại

quạt nói chung và quạt thổi dạng Roots nói riêng đó là quá trình Silicon nitride (SiN) trong hệ thống LP-CVD [6] . Trong hình 1.6 chính là hình ảnh của quạt
DRYMAC được chế tạo dựa trên những nghiên cứu thu được từ nghiên cứu này.

Hình 1.6 Quạt DRYMAC PDR-090CH sử dụng trong quá trình LP-CVD SI-N [6]
 Về thiết kế biên dạng cánh quạt Chiu-Fan Hsieh và Yii-Wen Hwang (2008)
thuộc bộ môn cơ khí - Đại học Quốc gia Chung-Cheng - Đài Loan đã giới thiệu một
phương án thiết kế biên dạng răng mới của bơm Roots. Phương pháp này đưa ra
cách thiết kế dựa trên một loại đường xyclôít mở rộng là đường torocoít với một tỉ
lệ xác định đã được tính toán. Phương pháp này mở ra một hướng thiết kế biên dạng
rôto mới của quạt thổi cao áp dạng Roots cho hiệu suất lớn hơn so với phương pháp
truyền thống [7]. Hình 1.7 cho ta thấy cụ thể sự khác biệt về biên dạng rôto theo hai
phương pháp thiết kế truyền thống và phương pháp mới đưa ra, ta có thấy điểm

9


khác nhau giữa đường hypôxyclôít và epyxyclôít trong phương pháp mới “mềm
hơn” làm giảm ứng suất tiếp xúc.
Biên dạng theo thiết
kế theo phương pháp
truyền thống

Biên dạng theo thiết kế theo
phương pháp mới

Hình 1.7 Sự khác nhau biên dạng giữa hai phương pháp
thiết kế mới và truyền thống [7]
 Để tăng lưu lượng bằng cách tối ưu biên dạng rôto các tác giả Shih-Hsi
Tong và Daniel C.H. Yang (2000) (thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ
trụ thuộc Đại học California-Hoa Kỳ) cũng đã giới thiệu hai phương pháp thiết kế

rôto mới và vấn đề ảnh hưởng của các thông số hình học của rôto quạt Roots (trong
bài báo gọi là bơm Lobe) trong phương pháp thiết kế mới này đến chỉ số hiệu suất
và tỉ lệ bơm. Các thông số hình học này còn được sử dụng để đo đạc hiệu suất của
quạt đặc biệt các kết quả nghiên cứu đã được áp dụng cho loại quạt với tốc độ dòng
chảy cao [8]. Trong hình 1.8 là biên dạng rôto sau khi đã được tối ưu về biên dạng
theo phương pháp được đưa ra với phương pháp mới này ta thấy phần diện tích rôto
được thu nhỏ lại làm tăng diện tích khoang làm việc giúp tăng lưu lương của quạt.

Hình 1.8 Biên dạng rôto mới [8]

10


 Các kỹ sư của Viện nông nghiệp kỹ thuật Leibniz (Đức) và nhà máy sản
xuất quạt Vogelsang Hugo Maschinenbau đã có nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề
khe hở ở điểm tiếp xúc giữa hai rôto và giữa rôto với thành của buồng làm việc. Cụ
thể đối tượng nghiên cứu là loại quạt Roots có bốn răng, rôto dạng xoắn ốc dùng
trong các nhà máy nước thải hay trong nông nghiệp, trong môi trường làm việc này
rôto thương bị dính các tác nhân cơ học làm tăng độ lớn của khe hở gây giảm hiệu
quả của dòng chảy. Các tác giả của công trình nghiên cứu đã phân tích, tính toán
những ảnh hưởng. Đồng thời, cũng đưa ra các giải pháp kĩ thuật đối với vấn đề này.
Và các giải pháp kĩ thuật trên đã được áp dụng thành công vào các sản phẩm quạt
mới được sản xuất tại nhà máy Vogelsang [9]. Hình 1.9 cho ta cái nhìn khái quát về
các điểm xảy ra khe hở trong quạt Root.
Khe hở phía trên

Khe hở trung tâm

Hình 1.9 Các khe hở trong bơm Roots cánh xoắn [9]
Ngoài ra còn rất nhiều nghiên cứu khác trong những năm gần đây được đề cập

trong mục tài liệu tham khảo [6,10 - 14].
Về loại quạt này ở trong nước hầu như mới chỉ đề cập đến mặt nguyên lý hay
xây dựng biên dạng rôto [15], trong các sách về bơm thủy lực hay các tài liệu
nguyên lý máy chủ yếu mới chỉ là giới thiệu qua chứ chưa có các nghiên cứu
chuyên sâu. Các tài liệu kỹ thuật về loại quạt này hầu như không có mặc dù loại
quạt này được dùng phổ biến trong các dây chuyền sản xuất nhập ngoại.

11


Kết luận chương 1
Chương 1 giới thiệu về lịch sử phát triển các loại quạt thổi Roots cũng như các
ứng dụng phổ biến của quạt thổi cao áp dạng Roots trong công nghiệp và đời sống.
Quạt thổi cao áp dạng Roots được sản xuất chủ yếu bởi các nhà sản xuất nước
ngoài có kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực sản xuất quạt.
Tình hình nghiên cứu loại quạt thổi cao áp dạng Roots này trong nước còn ít
và mới chỉ dừng lại ở việc xây dựng biên dạng. Ngược lại với tình trong nước, trên
thế giới có rất nhiều nghiên cứu chuyên sâu về loại quạt này về mọi mặt như tối ưu
biên dạng, vật liệu chế tạo rôto, chính vì vậy mà tác giả luận văn chọn “ Xác định
sự biến đổi áp suất và lưu lượng của quạt thổi cao áp trong các dây chuyền sản
xuất tự động” làm chủ đề nghiên cứu của luận văn.

12


Chương 2
THIẾT KẾ BIÊN DẠNG RÔTO CỦA QUẠT THỔI ROOTS
2.1 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của quạt Roots
2.1.1 Đặt vấn đề
Quạt thổi cao áp dạng Roots là loại máy thủy lực thể tích rôto làm việc dựa trên

nguyên lý ăn khớp của hai bánh răng xyclôít ăn khớp ngoài, đây là loại quạt được sử
dụng rộng rãi vì tính ưu việt của nó. Nổi bật và phổ biến nhất trong họ quạt bánh răng
xyclôít là quạt Roots. Quạt Roots (hay còn gọi là quạt Lobe) là một loại quạt bánh
răng ăn khớp ngoài, với biên dạng là các đường epixyclôit và hypôxyclôit đã được biết
đến từ lâu. Loại quạt này đã được phát triển và thương mại hóa ở các nước có nền công
nghiệp phát triển như: Mỹ, Anh, Hàn Quốc, Nhật Bản, Đức v.v… Do đòi hỏi độ chính
xác gia công cao, vì có biên dạng phức tạp.

Hình 2.1 Bơm Roots TLP Series của hãng Johnson [16]
2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Khi hai rôto của quạt quay với cùng vận tốc góc và ngựơc chiều nhau sẽ tạo ra
hai khoảng trống tại cửa vào và cửa ra.
Lúc đầu thể tích khoảng trống ở cửa vào tăng làm áp suất ở trong buồng vào thấp
hơn ở ngoài khí quyển khiến không khí ở ngoài tràn vào buồng hút lượng không khí
này được chuyển tới của ra sau một vòng quay, sau nhiều vòng quay khiến cho áp suất
cửa của ra sẽ tăng lên như vậy:
+ Nếu cửa vào lắp vào bình kín thì sẽ tạo ra máy hút chân không.
13


+ Nếu cửa ra được nối với ống và sục xuống nước thì được gọi là máy sục khí.
+ Ngoài ra khi nguyên liệu ở dạng bột hay lỏng đưa vào cửa vào của quạt khi đó
quạt được ứng dụng làm máy trộn vật liệu.
Cửa ra

d
'

O2

b
c
'
a3
b
' 2a
p
r' 1

c

r
S

d


O
1

S

rL

rL

2

1

Cửa vào

Hình 2.2 Nguyên lý thành biên dạng cánh quạt.

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của quạt thổi Roots
Hai rôto công tác 1 và 3 ăn khớp và quay xung quanh trục cố định theo chiều mũi
tên trên hình vẽ. Khi hai rôto quay, kết hợp với stator tạo thành cửa hút (cửa vào), cửa
đẩy (cửa ra), buồng hút (phần mầu vàng a), buồng nén buồng nén khí (phần mầu hồng
14