Tóm tắt Luận án 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

 1 
MỞ ĐẦU 
1. 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 Jones 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, 105-108], tổn thất thủy lực [76-87], tối ưu tham số thiết kế và kết cấu của 
quạt [88, 89] v.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.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 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 
 2 
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. 
2. 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. 
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 
3.1. 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 
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. 
3.2. 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 
 3 
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.v.. là những vấn đề mà luận án chưa đặt ra để nghiên cứu. 
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 
4.1. 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. 
4.2. 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 4.0. 
5. Phương pháp nghiên cứu của luận án 
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. 
 4 
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. 
iii) Ứng dụng các phần mềm mô phỏng số hiện đại để mô phỏng kiểm chứng 
nhằm hiệu chỉnh các thông số thiết kế nhằm giảm thời gian và kinh phí chế 
tạo thực nghiệm. Từ đó tiến hành chế tạo quạt mẫu, đo đạc thực nghiệm để 
kiểm chứng những kết quả nghiên cứu lý thuyết được phát triển bởi luận án. 
6. Những đóng góp của luận án 
Với những mục tiêu cụ thể mà luận án đã đề ra cùng với phương pháp nghiên cứu 
kết hợp giữa lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, thông qua những phân tích, 
đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án so với các kết quả của những công trình 
nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố đến thời điểm hiện tại. Luận án đã có 
những đóng góp cụ thể sau: 
i) Phát triển được đường cong mới dựa trên nguyên lý dẫn động của cặp 
BRKT họ elíp để cải tiến biên dạng rôto hình thành QTRTKTX kiểu Roots 
mới được dẫn động đồng bộ bằng cặp BRKT, đây là nguyên lý chưa từng 
xuất hiện đối với loại quạt thổi này. Loại quạt thổi mới được phát triển bởi 
luận án có ưu điểm nổi bật là hệ số sử dụng thể tích (HSSDTT) và lưu 
lượng lớn hơn so với các kết quả nghiên cứu, sáng tạo và hiểu biết mà thế 
giới đã có cho đến thời điểm hiện tại. 
ii) Đưa ra được biểu thức giải tích xác định được ảnh hưởng của khe hở cạnh 
rôto, khe hở hướng kính và khe hở mặt đầu đến tụt lưu lượng và áp suất của 
quạt. Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định sai 
số chế tạo và sai số lắp ráp để đạt được hiệu suất biến đổi thủy lực mong 
muốn của quạt. 
iii) Đưa ra được thuật toán tối ưu tham số thiết kế đặc trưng nhằm đảm bảo 
kích thước nhỏ gọn nhất mà vẫn đáp ứng được lưu lượng cho trước và thuật 
toán xác định góc lệch pha khi ghép song song các rôto nhằm giảm dao 
động lưu lượng để tăng chất lượng dòng chảy sau quạt. 
7. Bố cục của luận án 
Để diễn giải các kết quả nghiên cứu của luận án, nội dung của luận án được trình 
bày trong 4 chương chính với các nội dung cụ thể như sau: 
Chương 1 Tổng quan về quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots: Tìm hiểu 
tổng quan về lịch sử phát triển, nghiên cứu, sáng tạo, tích lũy tri thức của nhân loại 
về MTLTTRTKTX kiểu Roots cho đến thời điểm hiện tại. Ngoài ra, chương này 
cũng tiến hành tổng hợp, chắt lọc, phân tích, đánh giá ưu nhược điểm, những tồn 
tại chưa được giải quyết của các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước cũng như 
những hiểu biết, sáng tạo của nhân loại về loại máy này. Trên cơ sở đó kế thừa một 
cách có chọn lọc để đưa ra định hướng và mục tiêu nghiên cứu của luận án. 
 5 
Chương 2 Nghiên cứu tổng hợp biên dạng mới thiết kế rôto của quạt thổi 
không tiếp xúc: Trình bày nghiên cứu tổng hợp biên dạng mới nhằm cải tiến rôto 
của quạt thổi không tiếp xúc, diễn giải quá trình thiết lập phương trình đường cong 
mới để cải tiến biên dạng rôto nhằm tạo ra QTRTKTX kiểu Roots mới. Ngoài ra, 
cũng xác định được các điều kiện hình thành biên dạng thực của rôto trên cơ sở 
đánh giá vận tốc trượt tương đối giữa hai biên dạng rôto trong quá trình làm việc. 
Chương 3 Tối ưu kích thước thiết kế của quạt thổi theo lưu lượng cho 
trước: Trình bày phương pháp thiết lập phương trình mô tả sự biến đổi thể tích các 
buồng hút/đẩy trong quạt theo góc quay của trục dẫn động. Từ đó tiến hành mô 
hình hóa quá trình: hút, trộn và nén khi quạt làm việc. Trên cơ sở đó tiến hành xây 
dựng thuật toán tối ưu kích thước thiết kế theo lưu lượng cho trước. Để giải quyết 
vấn đề này luận án tiến hành xác định điều kiện biên, mô hình hóa để thực hiện 
theo hai thuật toán đó là: (i) Thuật toán tối ưu theo vét cạn; (ii) Tối ưu theo giải 
thuật di truyền. Ngoài ra, chương này cũng đưa ra giải thuật tối ưu góc lệch pha khi 
tách rôto và ghép song song các quạt mà để giảm dao động lưu lượng tăng chất 
lượng dòng chảy sau quạt vẫn đảm bảo lưu lượng cần thiết. 
Chương 4 Ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất lưu lượng, tụt áp suất của 
quạt và thực nghiệm kiểm chứng: Trình bày phương pháp thiết lập phương 
trình giải tích xác định ảnh hưởng của khe hở bao gồm: khe hở mặt đầu, khe hở 
cạnh rôto đến tổn thất lưu lượng và áp suất. Ngoài ra, chương này cũng trình bày 
mẫu quạt chế tạo thử nghiệm và các thí nghiệm kiểm chứng bao gồm: kiểm chứng 
lý thuyết bằng mô phỏng số thông qua mô đun CFX của phần mềm Ansys; đo đạc 
thực nghiệm trên thiết bị thí nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý 
thuyết của luận án. 
Kết luận và kiến nghị: Phần này tóm tắt những kết quả chính đạt được của luận 
án và những đóng góp mới của luận án nhằm hoàn thiện về mặt lý thuyết thiết kế 
cũng như ứng dụng thực tiễn. Từ đó thảo luận, bàn thảo về khả năng ứng dụng 
những kết quả nghiên cứu của luận án vào thực tiễn và kiến nghị các định hướng 
phát triển tiếp theo. 
Ngoài ra, một số tri thức dưới dạng cơ sở lý thuyết bao gồm kết quả nghiên cứu đã 
có, lý thuyết về giải thuật di truyền mà luận án có áp dụng để so sánh, sử dụng làm 
công cụ đưa vào thuật toán tối ưu được trình bày ở phụ lục 1. Phụ lục 2 trình bày 
thiết kế, sản phẩm mẫu chế tạo theo kết quả nghiên cứu của luận án và thiết bị thí 
nghiệm do thực nghiệm của luận án. Phụ lục 3 trình bày kết quả đo thực nghiệm 
kiểm chứng. Phụ lục 4 trình bày mã nguồn lập trình theo kết quả nghiên cứu lý 
thuyết của luận án. 
Chương 1 
TỔNG QUAN VỀ QUẠT THỔI RÔTO KHÔNG TIẾP XÚC KIỂU 
ROOTS 
1.1. Tổng quan về quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots 
 6 
a) Định nghĩa 
Quạt thổi Roots là loại máy 
thủy lực thể tích kiểu rôto 
không tiếp xúc được đề xuất 
lần đầu tiên bởi George 
Johnes vào năm 1843 [1] 
(hình 1.1a), tiếp sau đó là 
phát minh bởi anh em nhà 
Roots (Philander Higle ... iêu: 
 min),(min),(max
),(min),(max2
)()(
,1,1
,1,1



ilpilp
ilpilp
Qlplp
QQ
QQ
f 
 17 
3.7. Tối ưu các TSTKĐT theo lưu lượng cho trước bằng giải thuật di 
truyền 
Luận án sử dụng giải thuật di truyền xác định được các thông số thiết kế đặc trưng 
tối ưu để đạt được kích thước quạt nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng được lưu lượng cho 
trước. 
Kết luận chương 3 
Xuất phát từ đường cong mới được đề xuất bởi luận án ở chương 2 để cải tiến biên 
dạng rôto hình thành một loại quạt thổi Roots mới có sự khác biệt so với các 
nghiên cứu trước đây là dẫn động đồng bộ bằng cặp bánh răng họ elíp. Chương 3 
của luận án đã có một số đóng góp cụ thể sau: 
i) Đã thiết lập được biểu thức giải tích mô tả quá trình biến đổi thể tích ở buồng 
(hút/đẩy) theo góc quay của trục dẫn động cho loại quạt thổi được đề xuất bởi 
luận án. Trên cơ sở đó thiết lập được biểu thức giải tích tính lưu lượng tức thời 
để tiến hành khảo sát đánh giá và áp dụng các thuật toán tối ưu toàn cục. 
Không như các nghiên cứu khác tương đương về loại quạt này như [84, 88] chỉ 
thực hiện tối ưu cục bộ từng tham số bằng cách gieo nghiệm và thay đổi thủ 
công trên các phần mềm mô phỏng số. 
ii) Đã đưa ra được biểu thức giải tích và tìm được các điều kiện biên để có thể 
thực hiện tìm góc lệch pha lệch pha tối ưu khi chia quạt trong giải pháp nhằm 
giảm dao động lưu lượng, tăng chất lượng dòng chảy sau quạt. Kết quả nghiên 
cứu này có ưu điểm hơn các nghiên cứu khác đã công bố như [5, 6] về lĩnh 
vực này đó là: (1) có thể dùng công thức và điều kiện để viết thành mô đun 
phần mềm tự động, tối ưu nhanh chóng cho phương án thiết kế của luận án, 
cho các kịch bản ứng dụng đòi hỏi chất lượng dòng chảy sau quạt cao; (2) 
Khắc phục hạn chế so với phương pháp của Hsieh [5, 6] thay thủ công và tăng 
 18 
góc lệch pha theo gia số  cho đến khi đạt được dao động lưu lượng theo 
yêu cầu. Qua đó có thể thấy đây cũng có thể coi là một đóng góp mới của 
luận án về mặt lý thuyết thiết kế quạt. Ngoài ra, phương pháp luận của luận 
án cũng như những kết quả nghiên cứu về vấn đề này hoàn toàn có thể áp dụng 
cho các thiết kế đã có bằng cách chỉ cần thay phương trình biên dạng vào các 
công thức tổng quát được trình bày ở mục 3.6 (các nghiên khác được trình bày 
ở phụ lục 1 mà luận án dùng để so sánh). 
iii) Đã tiến hành xây dựng các hàm mục tiêu, các điều kiện biên, các điều kiện 
ràng buộc dưới dạng giải tích để từ đó có thể thực hiện bài toán thiết kế ngược 
vốn dĩ là bài toán khó và xuất phát từ yêu cầu thực tiễn. Mà các nghiên cứu 
khác phải dùng phương pháp thử để tìm ra thông số kích thước theo yêu cầu 
cho trước. Nhưng quan trọng hơn là khi áp dụng các điều kiện được tìm ra bởi 
luận án thì việc áp dụng các thuật toán tối ưu trở nên đơn giản. Do đó, đây 
cũng có thể coi là một đóng góp tích cực vào hoàn thiện thiết kế các loại quạt 
thổi Roots nói chung và phương án đề xuất của luận án nói riêng. 
iv) Từ những đóng góp ở mục iii trên đây luận án cũng đã tiến hành xây dựng được 
thuật toán tối ưu (vét cạn) và mô hình hóa các thông số kích thước của quạt 
thủy lực thể tích để có thể áp dụng được thuật toán di truyền vào mục đích tối 
ưu. 
Từ những đóng góp trên về mặt lý thuyết và phương pháp luận áp dụng vào 
đối tượng đề xuất của luận án cho thấy đề xuất của luận án có ưu điểm hơn so với 
các nghiên cứu đã công bố trước đây đó là: (a) về mặt lưu lượng cho thấy với cùng 
kích thước hướng kính và hướng trục thì lưu lượng của thiết kế mới lớn hơn loại 3 
là 19,8%, lớn hơn loại 2 là 20,7% còn so với loại 1 thì lớn hơn 36,6%. Đối chiếu 
với kết luận đã trình bày ở chương 2 cho thấy phương án được nghiên cứu đề xuất 
bởi luận án có HSSDTT và lưu lượng lớn nhất so với các phương án đã công bố; 
(b) về mặt dao động lưu lượng sau khi áp dụng thuật toán tối ưu góc lệch pha cũng 
như phương pháp luận cho thấy dao động lưu lượng giảm đi 80%. 
Chương 4 
ẢNH HƯỞNG CỦA KHE HỞ ĐẾN TỔN THẤT THỦY LỰC CỦA 
QUẠT VÀ THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 
4.1. Thiết lập phương trình 
mô tả áp suất của quạt thổi 
Roots 
4.1.1. Sự biến đổi áp suất tức 
thời của khoang hút và khoang 
đẩy 
Kết quả sự biến đổi áp suất trong 
khoang hút và khoang đẩy của 
quạt theo góc quay trục dẫn động 
theo sự thay đổi của các thông số thiết kế đặc trưng được thể hiện trên hình 4.3. 
 19 
4.1.2. Dao động áp suất của quạt thổi 
Roots 
Nếu gọi P , maxP , minP lần lượt là dao 
động áp suất, áp suất lớn nhất và nhỏ nhất 
của quạt Roots, khi đó theo [6, 192] ta có: 
tb
P
P
PP minmax  (4.10) 
4.1.3. Sự biến đổi áp suất trong quá trình nén 
Khi thực hiện nén khí thì trong quạt diễn ra: (i) quá trình đong khí và (ii) quá trình 
trộn và nén khí. 
4.2. Thiết lập phương trình xác định tổn thất lưu lượng và áp suất 
4.2.5. Đánh giá ảnh hưởng của khe hở cạnh rôto và khe hở hướng kính 
đến tổn thất lưu lượng và hiện tượng tụt áp 
4.3. Mô phỏng số quạt thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots 
4.3.1. Mô hình toán học mô phỏng số 
4.3.4. Kết quả mô phỏng số 
Kết quả phân bố áp suất, đường dòng và véc tơ dòng chảy được thể hiện trên hình 
4.6-4.8 
 20 
Kết quả mô phỏng chia quạt và lưu lượng tức thời lần lượt được mô tả trên bảng 
4.9 và hình 4.19. 
4.4. Thực nghiệm kiểm chứng 
Trong phần này tác giả tiến hành chế tạo một sản phẩm bơm mẫu sau khi tính toán 
tối ưu các thông số thiết kế của loại quạt được đề xuất mới bởi luận án. Trên cơ sở 
mô hình thiết kế, tác giả tiến hành lấy kết quả đo theo các sơ đồ nguyên lý cùng với 
phương pháp đo như sau: 
i) Đo lưu lượng ở chế độ không tải để so sánh kiểm chứng với lưu lượng lý 
thuyết tính toán của quạt. 
ii) Đo lưu lượng và áp suất ở các điểm gia tải trên cơ sở đó xây dựng đường đặc 
tính của quạt. 
Lưu lượng thực tế sai số so với lưu 
lượng lý thuyết từ 1,63% đến 8,23% cho 
thấy độ tin cậy của mô hình toán và tính 
chính xác của công thức lý thuyết mà 
luận án đã thiết lập.Lưu lượng tính toán 
lý thuyết lớn hơn so với lưu lượng thực 
tế do tính toán lý thuyết chưa kể đến tổn 
thất cơ khí trong máy, sai số lắp ghép và 
rò rỉ trong hệ thống đường ống thí 
nghiệm, ma sát dòng khí với bề mặt kim 
loại, truyền nhiệt qua rôto và stato của 
máy. 
i) Khi làm việc ở áp suất 
pt=10x103Pa: Quạt đạt hiệu suất về 
lưu lượng từ 38,18%  88,46% 
tương ứng với tốc độ quay trục dẫn 
động từ 100 vòng/phút đến 1000 
vòng/phút. 
 21 
ii) Khi làm việc ở áp suất pt=20x103Pa: Quạt đạt hiệu suất về lưu lượng lần lượt 
là 35,07%  72,85% tương ứng với tốc độ quay trục dẫn động từ 400 
vòng/phút đến 1000 vòng/phút. 
iii) Khi làm việc ở áp suất cực đại 
pt=50x103Pa: Quạt đạt hiệu suất 
về lưu lượng là 12.34% tương 
ứng với tốc độ quay trục dẫn 
động là 1000 vòng/phút. 
iv) Hiệu suất của quạt tăng khi tăng 
tốc độ quay của trục dẫn động. 
Ngoài ra khi ở cùng một dải tốc 
độ áp suất tăng lên thì lượng tổn 
thất càng tăng dẫn đến giảm hiệu 
suất của quạt. 
Kết luận chương 4 
Từ việc thực hiện phương pháp 
nghiên cứu lý thuyết, kiểm tra lý 
thuyết bằng phương pháp mô phỏng 
số đến thí nghiệm thực nghiệm, 
chương 4 của luận án đã có những 
đóng góp cụ thể: dựa trên việc kế 
thừa các định luật và phương trình 
nhiệt động lực học chất lỏng, phát 
triển mô hình toán học dưới dạng giải 
tích để đánh giá tổn thất lưu lượng và 
tụt áp khi có khe hở mặt đầu, khe hở 
cạnh rôto và khe hở hướng kính cho 
đối tượng được đề xuất bởi luận án. 
Đây cũng có thể coi là một đóng góp của luận án cho lý thuyết tính toán thiết kế 
quạt thổi Roots. Ngoài ra, chương này cũng đã giải quyết được các vấn đề sau: 
i) Xây dựng được biểu thức xác định được tổn thất lưu lượng và áp suất. Từ đó, 
khảo sát đánh giá được ảnh hưởng của khe hở mặt đầu, khe hở cạnh rôto và 
khe hở hướng kính đến tổn thất thủy lực. Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa 
quan trọng trong việc thiết kế, chế tạo loại quạt thổi đề xuất bởi luận án vào 
các kịch bản ứng dụng khác nhau. 
ii) Chứng minh tính đúng đắn các kết quả nghiên cứu lý thuyết ở chương 2, 
chương 3 bằng phần mềm mô phỏng số và thực nghiệm. 
Từ đó cho thấy: 
a) Trong ba loại khe hở nếu xét ở cùng một kích thước khe hở thì khe hở mặt đầu 
ảnh hưởng lớn nhất đến tổn thất lưu lượng và áp suất cụ thể chiếm 62,1% 
lượng khí tổn thất, khe hở hướng kính chiếm 25,2% còn khe hở cạnh rôto là 
12,7%. 
 22 
b) Khi sử dụng giải pháp chia rôto dao động lưu lượng được giảm đi đáng kể từ 
52,31% ( 8.0  ) đến 96,44% ( 1  ) khắc phục được nhược điểm của loại 
máy này mà không làm thay đổi kích thước buồng làm việc của quạt. 
Về mặt thực nghiệm chương này đã chế tạo một mẫu quạt theo kết quả nghiên cứu 
của luận án. Từ bộ thiết bị thí nghiệm, ngoài việc kiểm chứng kết quả lưu lượng lý 
thuyết, luận án đã xây dựng được đường đặc tính làm việc của mẫu quạt đã chế tạo 
giúp cho người sử dụng có thể ứng dụng vào các điều kiện vận hành khác nhau đáp 
ứng nhu cầu thực tiễn. 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
Kết luận 
Việc tìm ra một đường cong mới nhằm cải tiến biên dạng rôto để tạo ra một loại 
QTRTKTX kiểu Roots và tối ưu các thông số thiết kế đặc trưng, nhằm đảm bảo 
kích thước nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng được lưu lượng cho trước, là một nhu cầu cấp 
thiết hiện nay ở cả trong và ngoài nước trước những đòi hỏi ngày càng cao của 
thực tiễn sản xuất công nghiệp ở đầu thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0. Để đạt 
được điều đó luận án đề ra mục tiêu là: (i) Thiết lập được phương trình biên dạng 
rôto cải tiến mới theo nguyên lý dẫn động của cặp BRKT ăn khớp ngoài (cặp bánh 
răng họ elíp); (ii) Tính toán tối ưu TSTKĐT để kích thước của quạt là nhỏ nhất 
theo lưu lượng cho trước; (iii) Xác định được ảnh hưởng của khe hở đến hiện 
tượng tổn thất lưu lượng và tụt áp trong giới hạn tốc độ làm việc ổn định của quạt. 
Để giải quyết các mục tiêu đã đề ra luận án đã đạt được những kết quả sau: 
Về mặt lý thuyết 
(1) Luận án đã thiết lập được phương trình đường cong mới trên cơ sở lý 
thuyết ăn khớp của cặp BRKT để cải tiến biên dạng rôto hình thành 
QTRTKTX kiểu Roots mới. Với cùng kích thước hướng kính, hướng 
trục và chế độ làm việc, quạt thổi Roots mới được đề xuất bởi luận án có 
HSSDTT và lưu lượng lớn nhất so với các phương án đã công bố. Cụ 
thể HSSDTT lớn hơn 19% so với thiết kế mới nhất của Hsieh (2015) 
[52] và 21% so với Litvin (1960) [38], 37% so với Palmer (1875) [10], 
còn lưu lượng của thiết kế mới lớn hơn từ 19,8% đến 36,6% trong khi 
kích thước ngang giảm đi từ 4,5% đến 18,1%. 
(2) Từ phương trình biên dạng rôto đã thiết lập, luận án cũng đã giải quyết 
một cách triệt để các điều kiện hình thành biên dạng rôto như: điều kiện 
cắt lẹm chân răng, điều kiện hình thành rôto cho cải tiến, thiết kế mới 
được nghiên cứu bởi luận án. Ngoài ra, trên cơ sở nghiên cứu về hiện 
tượng trượt biên dạng (vận tốc trượt tương đối) luận án cũng đã đưa ra 
được phương trình biên dạng thực để làm cơ sở xác định khe hở cạnh 
rôto trong quá trình quạt làm việc và tránh hiện tượng mài mòn, sinh 
 23 
nhiệt do ma sát cơ học giữa hai rôto trong quá trình làm việc, cùng với 
đó là lý giải một cách khoa học tại sao loại quạt này có tên gọi là quạt 
thổi rôto không tiếp xúc kiểu Roots. 
(3) Luận án đã chỉ ra đối với cải tiến mới bởi luận án có nhược điểm là sự 
ổn định của dòng chất khí sau quạt kém hơn các thiết kế đã được công 
bố trước đây từ 1.18 đến 2.96 lần. Để khắc phục nhược điểm này luận 
án cũng nghiên cứu đưa ra thuật toán xác định góc lệch pha khi tách và 
ghép rôto song song, kết quả cho thấy dao động lưu lượng giảm đi giảm 
đi đáng kể từ 52,31% đến 96,44%. 
(4) Bắt nguồn từ định luật nhiệt động lực học chất lỏng cùng với phương 
trình mô tả biến đổi thể tích ở buồng hút/đẩy theo quá trình hút/nén/đẩy 
của quạt. Luận án đã thiết lập được phương trình lưu lượng tức thời và 
áp suất tức thời của quạt, từ đó đã áp dụng một phương pháp hiện đại là 
giải thuật di truyền vào thuật toán tối ưu tham số thiết kế đặc trưng 
nhằm đảo bảo quạt thổi có kích thước thiết kế nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng 
được lưu lượng cho trước. 
(5) Luận án đã thiết lập phương trình toán học mô tả 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 trong miền giới hạn tốc độ làm việc của quạt. Trong 
ba loại khe hở nếu xét ở cùng một kích thước khe hở thì khe hở mặt đầu 
ảnh hưởng lớn nhất đến tổn thất lưu lượng và áp suất cụ thể chiếm 
62,1% lượng khí tổn thất, khe hở hướng kính chiếm 25,2% còn khe hở 
cạnh rôto là 12,7%. 
(6) Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết, luận án đã tiến hành kiểm 
chứng bằng phương pháp mô phỏng số trên mô đun CFX của phần mềm 
Ansys và thấy sai số 3.48%. Qua đó cho thấy cơ sở lý thuyết nghiên cứu 
ở của luận án là đáng tin cậy. 
Về mặt thực nghiệm 
(1) Luận án đã tiến hành chế tạo mẫu quạt theo kết quả nghiên cứu lý thuyết 
và tối ưu của luận án. 
(2) Luận án đã chế tạo và xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm. Kết quả 
lưu lượng thực nghiệm sai số so với lưu lượng lý thuyết từ 1.63% đến 
8.23% cho thấy độ tin cậy của mô hình toán vá tính chính xác của công 
thức lý thuyết mà luận án đã thiết lập. Ngoài ra bằng thực nghiệm, luận 
án đã xây dựng đường đặc tính cho mẫu quạt đã chế tạo thử nghiệm. 
 24 
Từ những kết quả nghiên cứu trên luận án có những đóng góp mới cụ thể như 
sau: 
(1) Đã nghiên cứu và phát triển được một loại quạt thổi rôto không tiếp xúc 
kiểu Roots mới dẫn động bằng cặp BRKT kiểu elíp có HSSDTT và lưu 
lượng lớn hơn so với các kết quả nghiên cứu cho đến thời điểm hiện tại. 
(2) Đưa ra được biểu thức giải tích xác định khe hở cạnh rôto, khe hở mặt 
đầu, khe hở hướng kính và ảnh hưởng của khe hở đến tổn thất thủy lực 
của loại quạt mới được nghiên cứu bởi luận án. 
(3) Về thuật toán luận án đã xây dựng được: (i) thuật toán tối ưu với công 
cụ hiện đại là giải thuật di truyền để tối ưu các thông số thiết kế đặc 
trưng nhằm đảm bảo kích thước nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng được lưu 
lượng cho trước của quạt; (ii) Thuật toán xác định góc lệch pha khi ghép 
song song để giảm dao động lưu lượng dẫn đến tăng chất lượng dòng 
chảy sau quạt. 
Kiến nghị 
Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, những vấn đề sau chưa được đề cập tới và 
cũng là những ý tưởng đề xuất để tiếp tục cải tiến và hoàn thiện hơn về mặt thiết kế 
cũng như công nghệ để nâng cao tuổi thọ của quạt và vận dụng kết quả nghiên cứu 
vào các kịch bản ứng dụng khác nhau đó là: 
i) Nghiên cứu những vấn đề về mặt cơ khí như: ứng suất, biến dạng 
chuyển vị của rôto dưới tác dụng của tải làm việc. 
ii) Hình dạng hình học và kết cấu của cửa hút và cửa đẩy đến hiệu suất của 
quạt. 
iii) Quá trình sinh nhiệt, quá trình nén và truyền nhiệt qua vỏ cũng như giải 
pháp làm mát quạt. 
iv) Nghiên cứu về độ ồn và giải pháp giảm ồn do sự thay đổi dòng khí và 
các chi tiết cơ khí chuyển động. 
v) Ứng dụng các kết quả và phương pháp luận của luận án tiến hành thiết 
kế các mẫu mới và tiến hành thí nghiệm trên các thiết bị đo kiểm của 
luận án cho các kịch bản ứng dụng phong phú và đa dạng.