1. Ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật của máy nén khí trục vít.

Lịch sử của các ngành công nghiệp và kỹ thuật luôn gắn liền với lịch sử phát triển của máy nén khí. Máy nén khí đã xuất hiện ngay từ thời cổ đại đã có các loại máy thổi khí dùng trong các ngành sản xuất đồng và sắt, kể cả những máy thổi chạy bằng sức nước.

Máy nén khí trục vít là loại máy kiểu thể tích, nó được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp nén khí cũng như như làm lạnh ở các máy điều hòa không khí, chúng có nhiều ưu điểm, tiết kiệm không gian, thời gian làm việc dài.

Sử dụng máy nén khí trục vít trong công nghiệp được thịnh hành kể từ khi nó  thay thế máy nén khí chuyển động tịnh tiến với số lượng lớn sử dụng trong việc nén khí, máy nén làm lạnh, trong ngành công nghiệp thực phẩm, máy nén khí trục vít cho chất lượng khí nén sạch hơn so với các loại máy nén khí khác, ngoài ra máy nén khí trục vít còn có thể nén khí có chứa chất rắn nhỏ, đặc biệt hơn là trong kỹ thuật tăng áp trong công nghiệp ô tô. Ngày nay xu hướng toàn cầu hóa chung là sự chuyển đổi năng lượng và tái tạo năng lượng giảm chi phí trở nên một vấn đề rất quan trọng, ngay như là trong việc lắp ráp động cơ và ô tô, hơn thế nữa là việc giảm lượng phát thải khí xả và sự cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu và hiệu suất của động cơ đốt trọng, là nhiệm vụ và là vấn đề rất cấp bách của mổi quốc gia trên toàn cầu. Một giải pháp có giá trị hiệu lực trong vấn đề này là sự gia tăng công suất và cho những động cơ cỡ nhỏ có gắn thêm thiết bị tăng áp trục vít kép. Nói đầy đủ hơn, những cải thiện khác trong máy nén khí trục vít được ưa chuộng trong việc tăng hiệu suất của chúng, giảm mức năng lượng tiêu thụ, phát sinh tiếng ồn và giá thành chế tạo.

2. Giới thiệu về các loại máy nén khí kiểu rotor.

2.1 Máy thổi khí kiểu Roots.

2.1.1 Cấu tạo.

Theo tài liệu [1] trang 83 ta có sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy thổi khí kiểu roots như sau:

Hình 2-1 Sơ đồ máy thổi Roots.

a)     Rotor hình số 8; b) Rotor hình sao.

1-4: Stator; 2-5: Rotor; 3-6: Trục quay.

2.1.2 Nguyên lý làm việc.

Trên hình 2-1 là sơ đồ kết cấu của máy thổi khí kiểu Roots, bộ phận công tác chính của máy là hai rotor có đường tâm song song với nhau đặt trong vỏ (stator).

Rotor của máy có thể coi như những bánh răng có hai hoặc ba răng, rotor có hai răng gọi là rotor số 8, rotor có ba răng gọi là rotor hình sao. Các rotor được dẫn động bởi động cơ chuyển động quay qua bộ truyền cơ khí. Giữa rotor và stator và giữa các rotor với nhau đều có các khe hở, nhờ vậy mà các rotor có thể quay với vận tốc lớn.

Khi các rotor quay chúng bao lấy không khí từ cửa hút A rồi chuyển qua cửa đẩy B. Khi buồng C (khoảng không gian giữa rotor thành vỏ) vừa thông với cửa đẩy, áp suất trong buồng C tăng vọt từ áp suất hút ban đầu tới giá trị áp suất nén cuối. Như vây không khí hút vào bị nén trong buồng C có thể tích thực tế không thay đổi, quá trình nén không khí xảy ra đẳng tích.

2.1.3 Các đặc điểm khác.

Có kết cấu đơn giản, có nhược điểm là piston nhanh bị mài mòn. Để khắc phục nhược điểm này, các piston thường được gắn thêm các thanh đệm bằng gỗ. Máy thổi khí kiểu roots có hiệu suất lưu lượng nhỏ, đặc biệt cột áp lớn hơn 2 mH_­2O. Khi cột áp lớn hơn 3mH₂O, sử dụng các máy thổi khí kiểu roots sẽ không có lợi, vì khi đó hiệu suất lưu lượng sẽ giảm rất nhanh do rò rỉ không khí từ bọng đẩy về bọng hút của máy.

2.2 Máy nén rotor cánh gạt.

2.2.1 Cấu tạo.

Theo tài liệu [1] trang 86 ta có sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy nén rotor cánh gạt như sau:

Hình 2-2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy nén rotor cánh gạt.

1: Rotor; 2: Stator; 3: Khoang chứa chính; 4: Cánh; 5: Áo nước làm mát.

2.2.2 Nguyên lý làm việc.

Máy nén rotor cánh gạt có kết cấu giống như bơm rotor cánh gạt, nó làm việc theo nguyên lý thể tích.

Khi rotor 1 đặt lệch tâm so với rotor 2 một khoảng là e quay theo chiều kim đồng hồ thì các cánh 4 sẽ luôn tỳ cạnh ngoài vào thành trong của rotor 2 nhờ lực ly tâm. Dung tích khoang 3 chứa đầy khí vừa hoàn thành quá trình hút sẽ bắt đầu quá trình nén cho tới khi cánh phía trước tới cửa đẩy.

2.2.3 Các đặc điểm khác.

Máy rotor cánh gạt có kết cấu đơn giản, nhỏ, gọn, lưu lượng tương đối đều, rotor có thể quay với vận tốc lớn, do vậy có thể nối trực tiếp với động cơ. Nhược điểm là hiệu suất không cao, chế tạo khó, nhạy cảm với bụi bẩn, vì vậy trước khi không khí được hút vào máy phải được lọc sạch.

2.3 Máy nén khí trục vít.

2.3.1 Cấu tạo.

Theo tài liệu [1] trang 89 ta có sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy nén khí trục vít như sau:

Hình 2-3 Sơ đồ cấu tạo của máy nén khí trục vít.

1: Vỏ máy; 2: trục vít chủ động; 3: Trục vít bị động; 4: Ổ tỳ; 5-6: Ổ đở; 7-8: Cặp bánh răng lắp trên đầu trục vít; 9: Bộ làm kín; 10: Khoang dẫn chất lỏng làm mát tuần hoàn.

2.3.2 Nguyên lý làm việc.

Trục vít quay, nhìn từ phía hút (hình 2-4a), phía cặp bánh răng nhả khớp, hốc giữa các răng khi tách xa nhau phát triển thành khoang lớn được thông với cửa hút và được làm đầy bởi không khí. Khi khoang đó được giãn ra hoàn toàn thì thể tích nó là lớn nhất nó tách khỏi cửa hút, đến đây quá trình hút kết thúc.

Hình 2-4 Quá trình làm việc của máy nén.

a: Hút; b: Nén; c: Kết thúc nội nén; d: Đẩy khí.

Quá trình nén khí xảy ra khi vít vào ăn khớp với nhau (hình 2-4b) cho đến khi cặp buồng chung đó chưa nối với mép cửa sổ ống đẩy, vị trí đó được thể hiện trên (hình 2-4c). Tiếp tục quay trục vít, khi cặp buồng nén khí đã được nối với buồng đẩy, quá trình đẩy khí xảy ra (hình 2-4d).

2.3.3 Một số đặc điểm.

Làm việc không có ma sát, tuổi thọ cao, làm việc êm, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, giá thành bảo trì thấp. Lưu lượng, cột áp ít bị dao động.

Không sử dụng van hút và van đẩy.

2.3.4 Nhược điểm.

Yêu cầu độ kín khít, và giá thành chế tạo cao.

Tồn tại lực li tâm và lực dọc trục nên lực tác dụng trên các ổ lăn phức tạp.

3. Khảo sát máy nén khí trục vít.

3.1 Sơ đồ kết cấu máy nén khí trục vít (hình 2-3).

Hình dạng của máy nén trục vít được phát minh vào năm 1878, biên dạng xoắn của máy nén trục vít được sử dụng cho tới ngày hôm nay được phát minh bởi Alf Lysholm, một kỹ sư trưởng của Svenska Rotor Maskiner AB (SRM). Nên máy nén được gọi là máy nén Lysholm.

3.1.1 Loại hai trục vít.

Máy nén trục vít bao gồm những chi tiết cơ bản như (hình 2-3): Vỏ máy, rotor, ổ tì, ổ lăn, bộ làm kín, … Trong phần chính giữa rotor là các trục vít, đây là những chi tiết quan trọng và phức tạp nhất của máy nén khí trục vít. Truyền chuyển động quay cho các trục vít nhờ các bánh răng lắp trên các đầu trục của rotor. Các trục vít của máy nén trục vít hiện đại là các bánh răng trụ nghiêng modul lớn đối với các profile chuyên dùng.

Dạng răng của mổi vít trên tiết diện vuông góc với trục quay (tiết diện mặt đầu) được xây dựng bởi những đường cong đặc biệt, tạo nên profile răng. Profile của trục vít được thiết kế sao cho khi cặp vít quay các mặt răng trượt với nhau, về lý thuyết không có khe hở.

Để khống chế khe hở hai mặt đầu và giữa các vít, người ta lắp cặp truyền bánh răng trên đầu trục vít, nó loại trừ khả năng kẹt của các trục vít. Khống chế khe hở giữa trục vít và vỏ theo hướng kính và hướng trục bằng các ổ tì và ổ lăn trục. Điền đầy trong các khe hở đó là khí ép khô, không có chất lỏng bôi trơn.

Những năm gần đây phổ biến các loại máy nén trục vít có pha chất lỏng bôi trơn vào khí làm việc. Ở đây những máy này các trục vít có thể tiếp xúc với nhau theo mặt cạnh profile răng, và khi đó không cần cặp bánh răng trên đầu trục. Nhưng chú ý rằng kết cấu của máy nén trục vít không cho phép các vít tiếp xúc với vỏ (stator) của máy.

Trên (hình 2-3) chỉ ra các mặt cắt sơ đồ kết cấu của máy nén trục vít. Vỏ 1 gồm có các khoang tiện tròn với đường tâm song song để đặt rotor. Các mặt tiện tròn này cắt nhau tạo thành hình số 8 theo tiết diện ngang. Các khoang tiện này tạo thành không gian chung mà một đầu thông với cửa hút hay buông hút, còn đầu kia thông với ống đẩy hay buồng đẩy. Cửa hút và cửa đẩy bố trí theo hướng chéo nhau, ống hút và ống đẩy cũng bố trí như vậy.

Hình 3-1 Dạng cửa hút.

a) Đối với biên dạng răng tròn, đối xứng.b) Đối với biên dạng răng không đối xứng.

c) Cửa hút có dạng chữ W.

Cửa hút có dạng hai cung tròn tiếp xúc nhau (dạng chữ W như hình 3-1c) nó bố trí phía trên mặt đầu của vít, đôi khi nằm trên đoạn đầu của mặt cạnh vít. Cửa đẩy bố trí trên mặt đầu đối diện của vít.

Vỏ máy nén có khoang 10 để dẫn chất lỏng làm mát tuần hoàn. Nếu áp suất nén không cao, vỏ chỉ cần tạo gân để tăng bề mặt trao đổi nhiệt với dòng khí bên ngoài.

Đối với máy nén khí có dầu hay máy nén khí có chất lỏng làm mát phun vào khí làm việc thì một lượng nhiệt trong máy nén được cuốn theo chất lỏng này. Những máy nén như vậy vỏ máy không có cơ cấu làm mát chuyên dùng.

Máy nén khí trục vít trong công nghiệp có hai vít (rotor). Một trong chúng là vít chủ động 2 (hình 2-3) nối với động cơ. Nó có răng rộng, cong lồi. Vít còn lại 3 – bị động – răng dạng cong lõm và mỏng hơn. Mô men xoắn từ động cơ truyền trực tiếp hoặc qua bộ truyền trung gian (trường hợp có hộp giảm tốc) với vít chủ động, cặp bánh răng gắn trên đầu trục vít cũng truyền một phần mô men này.

Cặp bánh răng 7 và 8 lắp trên đầu các trục vít làm đồng bộ chuyển động các trục vít và không cho phép các trục vít tiếp xúc với nhau. Cặp bánh răng này gọi là cặp bánh răng liên kết. Thường bánh răng lớn trong chúng lắp trên trục bị động, có mặt đầu răng là tròn, làm mặt chuẩn khi lắp ghép trục vít.

Trên trục rotor còn lắp các chi tiết khác ví dụ như vòng chắn đầu, gân ổ tì, các chi tiết làm kín, ống hút, …

Ổ đỡ 5 và 6 (hình 2-3) có thể là ổ trượt hay ổ lăn. Lực hướng trục tác dụng lên rotor được truyền tới ổ tì 4, ổ này cũng có thể là ổ trượt hay ổ lăn. Cọ xát trực tiếp với trục là các bộ phận làm kín 9. Số vòng quay của máy nén trục vít được coi là số vòng quay của trục chủ động.

Trong sơ đồ máy nén khí trục vít hai trục, các đường tâm trục đặt song song với nhau, mổi vít có bước xoắn không đổi, tiết diện ngang lý thuyết cũng không thay đổi. Do đó tiết diện mặt đầu của các vít là sự ăn khớp của hai bánh răng có biên dạng chuyên dùng, sử dụng quy luật ăn khớp của các đường cong tiếp xúc. Do đó bước xoắn không đổi và tiết diện ngang không đổi, mà mặt cắt ngang trục tại mổi điểm khác nhau trên suốt chiều dài tâm trục có kích thước và biên dạng thống nhất, chỉ khác nhau về góc quay tương đối. Điều đó đơn giản hóa về lý thuyết biên dạng hóa và tính toán răng vít.

Sơ đồ vít kép 4/6 cho phép trục vít to và có độ dài bền vững tương đối đều khi đường kính ngoài của chúng như nhau.

Xét về khe hở nhỏ nhất cần thiết giữa vít và vỏ, độ cứng của trục cần như thế nào để độ uốn không vượt quá 0,25 lần khe hở giữa vít và vỏ.

3.1.2 Loại ba trục vít trở lên.

Hình 3-2 Sơ đồ máy nén khí trục vít ba trục.

a) Một trục chủ động, b) Hai trục chủ động.

Chúng ta bắt đầu từ cái chung nhất có trong kết cấu máy nén khí trục vít, hình ảnh phổ biến nhất của máy nén khí trục vít là hai trục vít, hoặc có thể ba hay lớn hơn số trục vít.

Trong sơ đồ máy nén khí trục vít nhiều trục, hiệu quả của trục vít trung gian (giữa) nhỏ vì khó đảm bảo sự điền đầy trong khoang, không những thế tăng độ phức tạp kết cấu và khó khăn công nghệ chế tạo. Máy nén khí trục vít nhiều trục ít sử dụng trong thực tế, máy nén loại ba trục vít thường dùng làm động cơ khí nén trục vít.

Loại máy nhiều trục vít có thể khác nhau về sơ đồ phân bố trục vít, cửa hút, cửa đẩy. Song, về hình học và kết cấu của vít không phụ thuộc vào số trục vít. Tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát kết cấu máy nén khí trục vít hai trục vít, đang sử dụng nhiều trong thực tế.

3.2 Phân loại máy nén khí trục vít.

Theo tài liệu [1] trang 93 ta có thể phân loại máy nén khí trục vít như sau:

Việc chế tạo máy nén khí trục vít với tốc độ cao và việc sử dụng rộng rãi chúng trong các lĩnh vực công nghiệp và vận tải làm cho kết cấu máy nén khí trục vít rất đa dạng.

Hiện nay trong sản xuất máy nén khí trục vít có thể chia ra làm hai nhóm:

Hình 3-3 Kết cấu máy nén khí kiểu khô.

1-  Máy nén khí kiểu khô (hình 3-3): Cho các loại khí nén không bẩn, không dầu hay không có hạt mài mòn chi tiết. Trong khoang làm việc của máy nén khí trục vít loại này không có chất lỏng để bôi trơn và làm mát, sư làm mát loại máy này nhờ.

a.    Thổi khí nén hoặc không khí qua vỏ máy.

b.   Làm mát vỏ bằng nước hay dầu, làm mát trục vít bằng nước, dầu hay chất lỏng khác.

Hình 3-4 Kết cấu máy nén khí kiểu ướt.

2-  Máy nén kiểu ướt (hình 3-4): Làm việc có sự phun chất lỏng vào khoang nén máy nén khí trục vít, tại đây khí và chất lỏng được trộn đều.

Phụ thuộc vào khối lượng và tính chất của chất lỏng phun vào, có thể chia loại máy này thành hai loại:

a.    Máy chỉ phun vào một lượng không lớn chất lỏng để làm mát và làm kín máy nén khí trục vít.

b.   Máy được phun vào một lượng đáng kể chất lỏng bôi trơn đồng thời làm mát và làm kín máy nén khí, gọi là máy nén khí dầu.

3.3 Kết cấu và phân loại biên dạng răng vít.

3.3.1 Kết cấu biên dạng răng vít.

Theo tài liệu [1] trang 95 có những khái nhiệm kết cấu biên dạng răng vít như sau:

Biên dạng răng vít cần như thế nào để cho đường ăn khớp của vít – đường tiếp xúc của các vít khi chúng cọ sát với nhau – luôn liên tục từ điểm đầu (trên buồng hút) đến điểm cuối (trên buồng đẩy).

Mổi biên dạng đều có tính năng kỹ thuật của nó. Như biên dạng răng thân khai, thường sử dụng trong bộ truyền bánh răng lớn, không đảm bảo tính liên tục của đường tiếp xúc, còn trong máy nén khí trục vít hiện tượng đứt quãng đường tiếp xúc không cho phép, vì khi đó sẽ thông buồng hút với buồng đẩy.

Vì vậy, yêu cầu đầu tiên đối với biên dạng răng vít là đảm bảo tính liên tục của đường tiếp xúc.

Yêu cầu thứ hai là đảm bảo độ kín hướng trục của các cặp khoang làm việc. Thực hiện điều đó tức là thực hiện việc cách ly chắc chắn buồng nén với buồng có áp suất thấp hơn nằm ở khoang kế tiếp. Yêu cầu thứ hai này thường không được thực hiện hoàn toàn bởi giữa các cặp khoang kế tiếp có lỗ nối giữa chúng. Trường hợp như vậy lỗ này không được phép lớn.

Trong máy nén khí trục vít người ta chỉ sử dụng một số loại biên dạng răng đảm bảo được yêu cầu thứ nhất và mức độ nào đó đảm bảo yêu cầu thứ hai.

Các loại biên dạng răng mặt đầu trục vít thường sử dụng là:

1-  Biên dạng Trokhoit là dạng gần giống với Epixicloid và Hypoxicloid. Nó có thể gọi chung là Xicloid. Sử dụng biên dạng Xicloid cho một nữa biên dạng răng tính theo đường trục đối xứng hướng kính. Nó có thể đảm bảo chặt chẽ về lý thuyết yêu cầu thứ hai: Độ kín hướng trục.

2-  Biên dạng tròn, tâm của vòng tròn biên dạng chạy trên vòng xoắn vít – Biên dạng sao.

Biên dạng Elipse với trục lớn Elipse nằm theo phương hướng kính hoặc cũng có thể theo hướng vuông góc với nó.

Phải hiểu rằng quy luật ăn khớp của các biên dạng tiếp xúc không cho phép tiếp xúc với một biên dạng nào đó với một đoạn chân răng kia. Bởi vậy hiện nay biên dạng răng của máy trục vít là tổng hợp của các biên dạng khác nhau thành một biên dạng phù hợp, loại trừ biên dạng Xicloit.

Với chức năng đã nói ở trên, người ta xây dựng đoạn biên dạng thể hiện tính chất ăn khớp của răng, hay rộng hơn tính chất của máy trục vít.

Để tăng cường cho tính chất này hay tính chất khác theo hướng mong muốn, người ta làm răng vít có dạng không đối xứng theo trục hướng kính và sử dụng các đoạn đường cong biên dạng khác nhau.

Cần phải chú ý một đặc điểm của biên dạng hóa các răng trục vít là: Biên dạng đoạn đầu răng rất quan trọng, không chỉ theo hướng cạnh của răng mà khe hở theo hướng kính giữa đỉnh răng và rãnh của răng đối diện (khe hở hướng kính của khớp răng có tải) của máy trục vít về lý thuyết cũng không được tồn tại theo yêu cầu đầu tiên của biên dạng răng máy trục vít. Song đoạn chân răng cũng là đoạn sườn của biên dạng răng.

Từ đó có thể cho phép kết luận rằng biên dạng răng của máy trục vít là yếu tố quan trọng, xác định tính kinh tế, dạng đặc tính và các thông số kích thước của máy. Việc chọn loại biên dạng răng và chế tạo chính xác đảm bảo chất lượng trong việc chế tạo máy trục vít.

Bề mặt ngoài vít, trong đó kể cả bề mặt biên dạng răng, được chế tạo với kích thước nhỏ đi một chút so với lý thuyết để tạo ra khe hở nhỏ giữa các vít với nhau, giữa các vít với vỏ sau khi lắp chúng vào vỏ.

Các kích thước thực tế bề mặt biên dạng vít nhận được do lượng ăn dao tương ứng của các dụng cụ cắt gọt chuyên dùng sử dụng khi cắt vít.

Hình 3-5 Vít xoắn được chế tạo có gờ hẹp.

a) Trục chủ động; b) Trục bị động.

Khe hở giữa bề mặt biên dạng vít, giữa các vít với vỏ cần phải như thế nào để đảm bảo sự làm việc không có cọ sát của các chi tiết này trong mọi chế độ làm việc của máy ngay cả khi làm việc đột ngột. Song, giá trị khe hở ảnh hưởng rất lớn đến tính kinh tế của máy. Với mục đích giảm rò rỉ qua khe hở đỉnh răng và khe hở mặt đầu trục của vít, người ta làm các gờ hẹp (“lưỡi”) làm kín (hình 3-4).

Khi cọ sát với bề mặt làm việc, các lưỡi này bị mài mòn đều mà không ảnh hưởng đến chất lượng của máy.

Các gờ làm kín này được chế tạo cùng với trục vít. Cơ tính của gờ làm kín này so với cơ tính vật liệu vít được đảm bảo bởi công nghệ chế tạo trục vít. Trong một số trường hợp gờ làm kín này được ép vào rãnh cắt hẹp.

Vật liệu của gờ làm kín này thường là kim loại mềm, dễ biến dạng khi nguyên công ép đầu tiên.

Trục vít có gờ làm kín như vậy thường giá thành cao hơn vì đòi hỏi nhiều lao động bằng tay, đồng thời cho phép dễ thay thế khi mài mòn hết.

Hình 3-6 Biên dạng biên tròn đối xứng có sử dụng các gờ làm kín.

a) Gờ đắp thêm; b) Gờ được gia công cơ (cùng chất với thân vít).

Cần hiểu rằng, những “lưỡi” này trên đỉnh răng của trục vít (hình 3-5)  ngăn cản sự rò rỉ khí chỉ qua khe hở giữa đỉnh răng và vỏ. Sự rò rỉ làm ảnh hưởng không lớn đến hiệu suất lưu lượng của máy nén trục vít, nhưng làm giảm hiệu suất lưu lượng làm giảm công nén bên trong. Việc chế tạo các “lưỡi” theo sơ đồ (hình 3-6) có hiệu quả hơn đến sự giảm rò rỉ, làm giảm công nén, cũng như tăng hiêu suất lưu lượng máy nén. Một số hãng đã tạo ra các “lưỡi” cạnh như trên (hình 3-6b).

3.3.2 Phân loại biên dạng răng vít.

Theo tài liệu [2] trang 13÷16, và tài liệu [3] trang 32 ta có thể phân loại biên dạng răng vít như sau:

Với những kỹ thuật cao hơn được sử dụng để tạo ra các biên dạng của trục vít từ những đường cong biên dạng thực cơ bản của trục vít, và tạo ra những đường cong biên dạng tương đồng thứ hai trên trục vít khác, và được sử dụng trong những điều kiện thích hợp. một trong những đường cong có thể sử dụng là những đường cong cơ bản, những đường tròn cổ điển thì hầu như thông dụng hơn, tất cả những đường tròn có tâm trên vòng chia tạo ra vòng tròn đồng dạng trên một trục vít khác.

Những vòng tròn có tâm lệch khỏi vòng tròn chia và những đường cong khác, như: Elipse, Parapolic, Hyperpolic, có những chi tiết đối xứng, và tạo ra những đường cong mà được gọi là Trochoid trên trục vít khác, tương tự những điểm cục bộ trên một rotor sẽ cắt đường Epicycloid và nội Cycloid trên một trục vít khác. Trong một thập kĩ thì kỹ năng để chế tạo một trục vít thì rất giới hạn trong việc lựa chọn những đường cong cơ bản mà có thể nối tiếp với một biên dạng thứ hai.

Biên dạng của vòng tròn không đối xứng bao gồm chỉ những vòng tròn. Biên dạng không đối xứng Lyshom, phần riêng của đường tròn đồng trục trên vòng chia được giới thiệu và gọi là Cycloid trên những bề mặt áp suất cao, là hình dáng đầu tiên của trục vít có biên dạng không đối xứng. Biên dạng không đối xứng SRM sử dụng là đường tròn lệch tâm trên những bề mặt có áp suất thấp của trục vít bị động. Theo sau đó là biên dạng SKBK được giới thiệu như trên trục vít chủ động, trong cả hai trường hợp những biên dạng bao quanh được phân tích như Epicycloid hoặc nội Cycloid. Biên dạng SRM “D” bao gồm những đường tròn riêng biệt, hầu như chúng có những vị trí lệch tâm trên trục vít chủ động và trục vít bị động. Những phát minh sau đây cho đường cong cơ sở trên một trục vít và đường cong thứ hai, tạo ra những đường cong khác trên một trục vít. Cơ bản suy ra từ sự ăn khớp cổ điển hoặc những điều kiện tương tự khác. Gần đây những đường tròn dần dần được thay thế dần bằng những đường cong khác, như: Elipse trong biên dạng của FuSheng, Parapolic trong biên dạng của Compar và Hitachi và Hypoloic trong biên dạng của “Hyper”. Hypoloic là biên dạng gần đây nhất hầu như được thay thế tương thích nhất mang lại tỉ lệ tốt nhất của sự dịch chuyển trục vít và độ dài đường kín khít.

Hiệu suất của máy nén trục vít phụ thuộc vào những biên dạng của trục vít mà có lưu lượng lớn qua diện tích mặt cắt, độ dài mép bít kín ngắn và diện tích rò rỉ nhỏ. Diện tích mặt cắt lớn thì tỉ lệ lưu lượng lớn giống như kích thước của trục vít và tốc độ của trục vít. Độ dài mép bít kín ngắn hơn và giảm khe hở nên rò rỉ nhỏ hơn, tỉ lệ giữa lưu lượng lớn hơn và khe hở nhỏ thì làm tăng hiệu suất thể tích của máy nén, mà tỉ lệ của lưu lượng được đưa vào như tổng phần của lưu lượng rò rỉ dương, đây là một chỗ ngoặt để tăng hiệu suất đoạn nhiệt bởi vì công suất tổn hao nhỏ trong việc nén khí mà tuần hoàn bên trong.

Những điểm chính của những máy nén trục vít vẫn được sản xuất 4 vít đối với trục vít chủ động và 6 vít trục vít bị động với cả hai trục vít có đường kính ngoài giống nhau. Hình dạng này là sự thỏa hiệp có triển vọng cho cả hai, áp dụng cho máy nén khí kiểu khô và kiểu ướt và được sử dụng cho không khí và làm lạnh hoặc quá trình công nghệ của máy nén khí. Tuy nhiên những hình dạng khác như: 5/6 và 5/7 và gần đây nhất là 4/5 và 3/5 trở nên được phổ biến. Năm vít ở rotor chủ động tương ứng cho tỉ lệ áp suất cao hơn, đặc biệt nếu kết hợp với những góc xoắn lớn hơn, dãy 4/5 xuất hiện như việc kết hợp tốt nhất trong việc sử dụng cho kiểu ướt cho tỉ lệ áp suất vừa phải. Kiểu 3/5 được sử dụng cho phương pháp khô, bởi vì nó đưa ra tỉ số truyền lớn giữa trục vít chủ động và bị động mà có thể có những ưu điểm để giảm yêu cầu tốc độ dẫn động.

Hình 3-7 Những biên dạng thông dụng của máy nén trục vít.

Nhìn trên hình 3-7 những cặp biên dạng của trục vít được vẽ đồng thời để so sánh, được mô tả bằng những tên thương mại của chúng hoặc bằng những tên biểu hiện sự phát minh.

Nhóm thứ nhất với trục vít có 4 vít ở trục vít chủ động và 6 vít ở trục vít bị động. Hình dạng của trục vít này có thể chấp nhận một cách chung chung cho bất cứ việc sử dụng nào. Biên dạng Shibbie không đối xứng SRM, 1979, lịch sử xuất hiện biên dạng của máy nén trục vít hầu như thành công gần đến đỉnh cao.

Tiếp theo là biên dạng Astberg SRM “D”, 1982.

Nhóm lớn nhất của trục vít được trình bày trong hình dạng 5/6 là sự kết hợp trục vít trở nên phổ biến nhất bởi vì nó kết hợp với sự dịch chuyển lớn với cửa đẩy lớn và trong trục vít kích cở nhỏ có đường đặc tính tải tốt hơn. Đó là sự thành công hơn nữa trong việc nén khí, trong làm lạnh điều hòa không khí.

Một nhóm bắt đầu với biên dạng SMR “D” theo sau bởi “Sigma”, Biên dạng Bammert,1979; FuSheng, Lee, 1988 và biên dạng “Hyper”, Chia-Hsing 1995. Tất cả các biên dạng ở trên là “ Tạo ra trục vít” sự khác nhau giữa chúng là vít dẫn mà những đường tròn lệch tâm của trục vít chủ động, những đường cong được nối tiếp theo sau là đường thẳng, đường Elipse, đường Hyperpolic tương ứng. Sự xuất hiện Hyperpolic là những hình dạng có thể tốt nhất cho những mục đích đó. Hai hình còn lại là trục vít được tạo kiểu bánh cóc của Rinder, 1984 và Stosic, 1996. Đường cong chính cho sự lựa chọn và phân bố trên bánh cóc là tạo ra diện tích mặt cắt lớn với những trục vít bị động khỏe mạnh hơn, hơn các loại khác được biết đến ở máy nén khí trục vít.

3.4 Kết cấu vỏ máy nén khí trục vít.

Theo tài liệu [1] trang 98 ta có khái nhiệm vỏ máy nén khí trục vít như sau:

Vỏ của máy nén khí trục vít được đúc từ thép, gang hay kim loại màu. Đối với máy nén loại nhỏ và vừa (đường kính trục vít đến 250 mm) thường có mặt ngang tháo được trong khoang mặt đầu hút. Mặt tháo được theo hướng dọc trục thường không có. Điều đó làm giảm biến dạng (lối ra) của vỏ, đơn giản chế tạo, đồng thời làm gọn nhẹ thiết bị áo nước làm  mát cho vỏ.

Hình 3-8 Kết cấu vỏ máy nén trục vít.

Đối với máy nén khí lớn, ngoài mặt tháo được ngang tâm còn có mặt tháo được dọc tâm, để đảm bảo việc lắp đặt, kiểm tra hiệu chỉnh khe hở - lắp ráp máy. Để tránh khe hở chỗ nối dùng các buloong kéo.

Yếu tố quan trọng của kết cấu vỏ là buồng hút và cửa hút.

3.5 Dạng cửa hút và cửa đẩy máy nén khí trục vít.

Theo tài liệu [1] ta có khái nhiệm kết cấu dạng cửa hút máy nén khí trục vít như sau:

Hình 3-9 Dạng cửa hút.

a) Đối với biên dạng răng tròn, đối xứng.

b) Đối với biên dạng răng không đối xứng.

Như chỉ ra sau đây, tổn hao trên đường hút làm giảm hiệu suất lưu lượng máy nén, tăng tiêu hao năng lượng khi nén khí. Để giảm tổn hao đó, nhiệm vụ quan trọng của nhà thiết kế là:

1.   Xây dựng khoang dẫn mà từ đó khí đi vào khoang vít theo hướng gần với hướng dọc tâm trục vít, hạn chế các khuỷu, vùng xoáy, …

2.   Chọn tiết diện cửa hút phù hợp – giá trị góc ở tâm α_1b và α­_2b (hình 3-10) của rãnh vòng cửa hút.

3.    Tăng có thể được tiết diện rãnh hút làm giảm vận tốc chuyển động của khí cửa vào.

Sự mở rộng và thiên hướng gần với hướng dọc tâm của rãnh hút làm cản trở kích thước hướng kính của bộ làm kín, đặc biệt là bộ bánh răng liên kết mà thường được lắp trên hướng cửa hút.

Việc chuyển bộ bánh răng liên kết sang hướng cửa đẩy và việc giảm kích thước hướng kính của bộ làm kín và ổ trục đến tối thiểu cho phép được dẫn dòng khí theo hướng dọc trục vít. Trên hình 3-9 chỉ ra dạng cửa hút đối với biên dạng răng tròn đối xứng và biên dạng không đôi xứng.

Trong buồng ăn khớp sự giãn nở khí tạo nên càng lớn thì sự rò rỉ qua khe hở càng nhỏ. Vào thời điểm nối buồng ăn khớp này với buồng hút xảy ra sự điền đầy khí rất nhanh tạo nên sự va đập. Đó là nguyên nhân tổn thất và sinh ra tiếng ồn ở phía cửa hút máy nén.

Việc nối sớm thể tích ăn khớp của răng với buồng hút sẽ làm giảm thể tích ăn khớp. Với mục đích đó, cửa hút phía đối diện với chỗ ăn khớp răng người ta làm rãnh hình nêm, còn trên phần lưng của răng vít chủ động, người ta tạo ra rãnh như chỉ trên hình 3-9. Thể tích ăn khớp W_kh chiếm khoảng 0,2% thể tích toàn phần cặp khoang. Những vít có biên dạng hình tròn đối xứng về lý thuyết không có thể tích ăn khớp này.

Đối diện với cửa hút theo đường chéo của hình chiếu cạnh trên vỏ là cửa sổ thông với ống đẩy.

Ở máy nén có hệ số nén trong không cao, cửa đẩy được bố trí bên sườn, từ mặt đầu vít, khi đó kích thước của nó không lớn.

Ở máy nén có hệ số nén trong cao hay máy có số mối ren ít, cửa sổ buồng đẩy chủ yếu đặt ở trên mặt đầu trục vít. Diện tích cửa sổ đẩy trường hợp này không lớn. Điều đó dẫn tới tăng tổn thất năng lượng cửa đẩy.

Hình 3-10 Đường bao của cửa sổ đẩy máy nén khí trục vít.

Kết cấu cửa đẩy trên mặt phẳng dọc trục và phần mặt đầu cửa đẩy chỉ ra trên hình 3-10. Ống đẩy phải đặt như thế nào đó để phần tiết diện của nó đặt trên mặt đầu (diện tích  DF_n) phải không nhỏ hơn diện tích phần mặt đầu buồng đẩy (F_T).

Phần cửa đẩy được đặt ở phía cạnh vít có mép ngắt được bố trí trên bề mặt tiện hình trụ của vỏ trên trục vít. Phần này thực tế có hình dạng như nhau đối với biên dạng bất kỳ. Phần cửa sổ trong mặt đầu có dạng copy biên dạng mặt đầu của vít. Vì vậy dạng phần này cửa đẩy phụ thuộc vào dạng răng.

Trên hình chiếu cạnh (hình 3-10). chỉ ra dạng phần mặt đầu cửa đẩy (F_T­) đối diện với biên dạng răng tròn. Đối với biên dạng răng không đối xứng, phần mặt đầu cửa đẩy chỉ ra trên hình 3-10.

Hình 3-11 Các mép buồng đẩy đối với biên dạng răng không đối xứng.

a) Trên mặt đầu vỏ b) Phác thảo các cữ để đánh dấu và kiểm tra biên dạng cửa sổ.

b: Mặt chuẩn cửa cữ.

Trên hình 3-11b chỉ ra cữ để đánh dấu và kiểm tra hình dạng cửa đẩy.

Đối với biên dạng răng không đối xứng thì cửa đẩy cũng không đối xứng, hơn nữa phía bên trái, bên vít bị động mép cửa đẩy hạ thấp xuống đến mặt phẳng tháo được (mặt phẳng đi qua các đường tâm trục vít) với mục đích dẫn hoàn toàn khí từ khoang ăn khớp ra buồng đẩy.

Trong thể tích ăn khớp phía buồng đẩy, khí được nén đến áp suất cao hơn áp suất buồng đẩy, điều đó làm tăng tổn thất năng lượng. Bởi vậy thể tích này thiết kế theo quan điểm nhỏ nhất. Ở vít có những biên dạng răng tròn đối xứng thể tích ăn khớp này không có nên cửa sổ buồng đẩy có dạng đơn giản hơn. Cặp bánh răng liên kết truyền một lượng không lớn mô men xoắn của máy nén nếu như dẫn động qua trục vít chủ động. Lượng mô men xoắn qua đây khoảng 4-10% mô men xoắn chung.

3.6 Kết cấu ổ trục máy nén khí trục vít.

Theo tài liệu [1] trang 101 ta có khái nhiệm kết cấu ổ trục máy nén khí trục vít như sau:

Hình 3-12 Kết cấu ổ trục máy nén khí trục vít.

a) Kết cấu ổ trượt; b) Kết cấu ổ lăn.

Ổ trục máy trục vít có đặc trưng trước tiên là vận tốc vòng cao. Đối với máy nén vít áp suất thấp và kích thước nhỏ, thường chọn ổ lăn theo tiêu chuẩn chung hoặc chuyên ngành. Sử dụng ổ lăn cho máy nén vít đơn giản kết cấu và rẻ tiền hơn, phía buồng đẩy lắp ổ lăn và ổ chặn kiểu con lăn. Ổ chặn chịu lực ảnh hưởng của lực hướng trục theo hai hướng ngược nhau. Điều đó xảy ra khi khởi động máy hay khi làm việc của máy nén khí trục vít có hệ số nén thấp, trước tiên hay xảy ra đối với trục vít bị động.

Điểm định vị rotor với vỏ phải đặt ở phía đẩy bởi vì khe hở mặt đầu của vít với vỏ theo phía đẩy phải tối thiểu. Thường nó nằm trong giới hạn d = 0,05÷0,1 mm. Khi làm việc khe hở này sẽ không thay đổi đáng kể nếu như khoảng cách giữa điểm định vị với buồng đẩy càng nhỏ. Việc lắp đặt ổ chặn phía hút đòi hỏi tăng đáng kể khe hở hướng trục của vít với vỏ phía đẩy, điều đó làm tăng rò rỉ khí nén về buồng hút.

Trong máy nén khí có hệ số nén thấp, độ chênh nhiệt độ không lớn, có thể lắp ổ chặn ở phía hút, ổ thứ hai là ổ lăn để chịu lực hướng kính và không cần hạn chế dịch chuyển hướng trục của rotor.

Việc dùng ổ trục lăn trong máy nén trục vít còn có ưu điểm so với ổ trượt là nó đảm bảo ổn định giá trị khe hở giữa các vít và cho phép đơn giản hóa về độ tin cậy khi tính toán khe hở trong trạng thái làm việc.

Máy nén trục vít có lưu lượng trung bình và lớn thường có áp suất buồng đẩy khoảng 4÷5 at và cao hơn. Có giá trị lực hướng kính của nó đến vài tấn. Trong trường hợp này, tính thêm điều kiện số vòng quay lớn, không thể chọn ổ lăn được mà chọn ổ trượt.

Ổ trục trượt đòi hỏi phải có tra dầu cưỡng bức để bôi trơn và làm mát. Một số kết cấu người ta dùng bơm dầu. Chính điều đó dẫn đến tính toán phức tạp và không đạt độ tin cậy cao. Khó khăn là ở chỗ khi thay đổi số vòng quay hình hoc sẽ thay đổi đáng kể (từ 0 đến giá trị nào đó) trong khi tính và chon các giá trị của các thông số khác chỉ trong một số lượng giới hạn chế độ làm việc (vị trí của trục).

Để tránh cọ sát giữa vít với vỏ phải khống chế khe hở tối thiểu giữa chúng nên yêu cầu khe hở hướng kính giữa ngõng trục và ống lót nhỏ hơn 1,5 đến 2 lần giá trị ổ trục làm việc trong điều kiện tương tự của máy khác.

Trường hợp sử dụng ổ trục trượt trong máy nén trục vít cần phải tính đến nguyên tắc ổn định chiều lực tác dụng trên tất cả 4 ổ lăn do tổng lực tác động, kể cả trọng lượng của rotor, điều đó tránh được sự cọ sát giữa các vít hay kẹt giữa hai vít.

Khi thiết kế các bộ phận ổ trục trượt đặc biệt chú ý tới sự dẫn dầu và dẫn dầu ra một cách tự nhiên, cũng như bảo đảm lượng dầu chảy theo hướng trục trên vít từ phía buồng hút.

Các ống lót của ổ trượt thường làm dạng tháo được. Trong các loại vỏ có mặt tháo được dọc trục, các ống lót không tháo được sẽ là sự bất tiện, nhưng nó được sử dụng để tạo ra màn dầu vững chắc ngay cả khi có nguyên nhân nào đó làm thay đổi hướng lực tác dụng lên ổ tựa.

Các ổ chặn trượt trong máy nén trục vít người ta sử dụng má rẻ quạt dạng Mitrec. Ổ chặn trượt thường lắp đặt ở phía buồng đẩy. Ổ trượt chặn từ hai phía, trong đó phía không làm việc các má rẻ quạt có số lượng ít hơn hoặc đơn giản là vòng babit.

Đối với ổ này vì phía không làm việc, khe hở giữa mặt đầu rotor và vỏ ở phía đẩy phải đặt nhỏ tối thiểu. Di chuyển đầu trục của rotor phụ thuộc vào kích thước máy và kết cấu ổ chặn trục, có giá trị trung bình khoảng 0,12÷0,2 mm. Giá trị lớn nhất của khe hở phía buồng đẩy giữa vít và phải khác xa với giá trị nhỏ nhất của độ di chuyển này.

3.7 Kết cấu vòng làm kín máy nén khí trục vít.

Theo tài liệu [1] trang 102 ta có khái niệm kết cấu vòng làm kín máy nén khí trục vít như sau:

Hình 3-13 Kết cấu vòng làm kín máy nén khí trục vít.

Các vòng làm kín cổ trục dùng để ngăn cản theo hướng dọc trục dòng khí và dầu chảy vào buồng hút và dòng khí từ buồng đẩy ra ngoài. Người ta dùng các loại làm kín bằng than, răng vòng, kiểu mặt đầu, kiểu hổn hợp, bằng kim loại với đá chuyên dùng hay làm kín bằng buồng chất lỏng hay buồng khí, …

Khó khăn của bộ làm kín máy nén trục vít là làm kín trên hai trục sao cho rò khí trong máy nén là không lớn. Giá trị rò khí trong máy nén với bộ làm kín bằng sợi khoảng 1÷2% so với lưu lượng máy, với bộ làm kín chuyên dùng được giảm xuống đến 0,5% hoặc nhỏ hơn.

Ở một loạt kết cấu máy nén khí, sự rò khí từ buồng đẩy được đưa vào buồng hút. Điều đó làm tăng sự điền đầy cho máy nén và tăng công nén. Khí được tách ra từ bộ làm kín lại được dẫn qua bộ làm mát trước khi dẫn vào khoang làm việc vùng bắt đầu nén.

Bộ làm kín thường bằng than, bao gồm các vòng graphic không cắt mỏng với khe hở rất nhỏ đều với trục (như khe hở mối ghép động). Đối với vòng làm kín mặt đầu các vòng than được ép vào đĩa nhờ các lò xo chuyên dùng.

Bộ làm kín kiểu răng vòng về nguyên tắc làm việc kéo theo tổn hao khí nén. Đối với trục vít cần phải chú ý kết cấu để giảm tổn hao này. Nhưng bộ làm kín này đạt độ tin cậy trong vận hành, những năm gần đây phổ biến rộng rải bộ làm kín không tiếp xúc với các răng vòng xoắn ngược.

Các làm kín phía cửa hút và cửa đẩy được phát triển như nhau, bởi vì mổi một máy trong dãy có thể là tầng thứ nhất và cũng có thể là tầng thứ hai.

Nếu nén khí có áp suất hút ít chênh lệch so với áp suất khí quyển thì các bộ làm kín mặt cắt chữ L tại phía cửa hút đơn giản đi. Tại phía cửa đẩy sau hai ba vòng làm kín mặt cắt chữ L sẽ có một khoang để làm thoát lượng khí lọt vào hoặc để tạo ra vòng chèn khí bằng khí trơ. Kết cấu của bộ làm kín này được thể hiện trên hình 3-14.

Hình 3-14 Các bộ làm kín trục bằng graphic.

3.8 Các đường đặc tính của máy nén khí trục vít.

Theo tài liệu [1] trang 114 ta có khái niệm đường đặc tính của máy nén trục vít như sau:

Một trong những đường đặc tính cơ bản của máy nén khí trục vít là tương quan phụ thuộc giữa năng suất và số vòng quay.

Hình 3-15 Các đường đặc tính Q = f(n) của máy nén khí trục vít.

Đối với máy nén khí dùng nguyên lý nén thể tích, năng suất lý thuyết phụ thuộc tuyến tính vào số vòng quay. Đường thẳng Q_T = f(n) được biểu diễn trên hình 3-15. Cũng trên đó bố trí các đường công suất thực Q­_b = f(n) của máy nén khí với các cấp độ nén khác nhau.

Thông thường, năng suất thực của máy nén khí được quy đổi theo các điều kiện hút, nghĩa là theo các thông số không khí trong buồng hút.

Hiệu suất tung độ năng suất lý thuyết Q­­_T và năng suất thực Q_b nếu cùng vòng quay cho ta thấy trị số tổn thất năng suất do sự lọt khí và sức cản trong quá trình hút phụ thuộc và cấp độ nén π. Nếu số vòng quay thấp thì trị số lọt khí khá lớn. Các đường cong năng suất thực trong vùng số vòng quay của máy nén khí nhỏ giảm xuống theo đường dốc đứng. Nếu tăng số vòng quay thì trị số lọt khí tương đối giảm xuống và đường cong năng suất thực tiến gần sát đường lý thuyết. Nếu tiếp tục tăng số vòng quay thì bắt đầu xuất hiện rõ rệt hơn sự ảnh hưởng của các yếu tố khác – sức cản thủy lực hoặc trong trường hợp thông thường là tổn thất động học trên đường hút. Sự tăng năng suất và số vòng quay trong trường hợp này làm xấu đi sự nạp khí của các khoang.

Nếu tốc độ quay của trục vít và tốc độ chuyển động của không khí hút vào là đáng kể thì yếu tố này bắt đầu có ưu thế trước các yếu tố còn lại xuất hiện trong sự tăng độ lệch của các đường cong năng suất thực so với lý thuyết.

Các đường cong năng suất thực trong hàm số của số vòng quay máy nén khí chỉ ra sự phụ thuộc tuyến tính gần đúng giữa lưu lượng và số vòng quay, nếu loại trừ các đoạn làm việc ban đầu của máy nén khí ở số vòng quay thấp và vùng số vòng quay quá cao.

Hình 3-16 Các đường đặc tính Q = f(π) của máy nén khí trục vít và các đường cong.

h_k = const; n₁ > n₂ > …> n₀

Một đặc tính không kém quan trọng là tương quan phụ thuộc giữa năng suất thực Q_b và cấp độ nén π ở các số vòng quay n không đổi khác nhau (hình 3-16), tương quan này chỉ ra hai đặc điểm tiếp sau đây của các máy nén khí trục vít:

1)  Năng suất thực giảm xuống gần như là tuyến tính nếu tăng cấp độ nén, hơn nữa sự giảm xuống này có tính thoải.

2)  Sự thay đổi năng suất ở các số vòng quay thấp (tốc độ thấp) với sự tăng cấp độ nén diễn ra mạnh hơn so với các điều kiện nếu số vòng quay cao.

Hiệu suất lưu lượng của máy nén khí trục vít và tỉ số giữa năng suất thực, được quy theo các điều kiện hút (nghĩa là theo các thông số của không khí trong buồng hút), và năng suất lý thuyết ở các số vòng quay đã cho. Hiệu suất lưu lượng này tính đến sự ảnh hưởng của sự nạp khí của các khoang máy nén khí và sự lọt khí đến năng suất thực.

Hình 3-17 Hiệu suất lưu lượng (h_v), hiệu suất đoạn nhiệt chung (h_k) của máy nén khí trục vít phụ thuộc cấp độ nén ở số vòng quay khác nhau.

Hình 3-18 Hiệu suất lưu lượng (h_v) và hiệu suất đoạn nhiệt chung (h_k) của máy nén khí trục vít trong hàm số của số vòng quay ở các cấp độ nén khác nhau (π).

Trên hình 3-17 và 3-18 đưa ra các đường cong thực nghiệm sự biến thiên của hiệu suất lưu lượng h_v và hiệu suất đoạn nhiệt chung h_k trong hàm số của cấp độ nén ở các số vòng quay với các giá trị π không đổi khác nhau.

Giá trị hiệu suất đoạn nhiệt khá cao và ít thay đổi trong phạm vi thay đổi số vòng quay hoặc cấp độ nén rộng thu hút được sự chú ý. Tính chất rất quan trọng này của máy nén khí trục vít chỉ ra tính thích hợp của nó để làm việc trong các chế độ thay đổi.

3.9 So sánh tính kinh tế kỹ thuật của máy nén khí trục vít với các loại máy nén khí khác.

Theo tài liệu [1] trang 119 ta có có thể so sánh tính kinh tế kỹ thuật của máy nén khí trục vít như sau:

Hiện nay ở một loạt các nước công nghiệp phát triển, các máy nén khí trục vít được thiết kế và chế tạo để nén các chất khí khác nhau, trong các điều kiện làm việc khác nhau. Việc chế tạo chúng từ sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ lớn mạnh dần đến loạt lớn.

Bảng 3-1 Các kết quả tính toán và so sánh

Máy nén khí trục vít với các loại máy nén khí khác.

(Trị số tương đối theo các số liệu bình quân theo tài liệu [1] trang 121)

Sự so sánh của các máy nén đã nêu trên vì những lý do đã biết chỉ là quy ước, nhưng nó cho ta một nhận xét khách quan về một số loại máy.

Qua bảng số liệu ta nhận thấy máy nén khí trục vít có nhiều ưu điểm hơn so với các loại máy nén khí khác. Giá thành tuy cao hơn một chút nhưng chi phí bảo trì thấp, giảm năng lượng tiêu thụ, …

3.10 Phạm vi sử dụng máy nén khí trục vít.

Theo tài liệu [1] trang 123 ta có những khái niệm về phạm vi sử dụng máy nén khí trục vít như sau:

Các thông số của máy nén khí trục vít – Năng suất và áp suất – nằm trong dải thường gặp trong ngành công nghiệp nên đã tạo ra nhu cầu sản xuất hàng loạt các máy như thế.

nhu cầu tiêu thụ lớn là máy nén không khí, hơn nữa các khách hàng có thể chia thành hai nhóm.

1)  Đặt ra các yêu cầu đặc biệt về độ sạch dầu trong không khí đã được nén hoặc, ngược lại, yêu cầu tồn tại một lượng dầu nào đó trong không khí nén để bôi trơn công cụ khí nén.

2)  Đặt ra các yêu cầu khắt khe về độ sạch của không khí đã được nén.

Đối với khách hàng nhóm một, tất cả các kiểu máy trục vít trong dải thông số đều thích hợp, nếu còn hạn chế nào về đặc tính của máy thì ưu tiên chọn máy hoạt động theo nguyên lý thể tích. Trong các điều kiện như vậy, được sử dụng nhiều và thông dụng hơn là những máy đảm bảo được hiệu quả kinh tế tối đa.

Đối với khách hàng nhóm hai, các máy trục vít và máy ly tâm là thích hợp, tuy nhiên nếu lại yêu cầu có các đặc tính của máy thể tích hoặc yêu cầu làm việc ở các chế độ thay đổi thì máy trục vít là thích hợp hơn cả.

Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao của máy nén khí trục vít làm cho việc ứng dụng và sử dụng các máy trục vít được rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau và trong tất cả các loại phương tiên vận tải.

Một loạt các ngành công nghiệp đặt ra cho các máy nén khí trục vít các yêu cầu đặc biệt theo đòi hỏi của các điều kiện sản xuất.

Chẳng hạn trong công nghiệp hóa chất, chỉ tiêu quan trong là khả năng máy nén khí trục vít vận chuyển cùng với khí ép một lượng lớn chất lỏng được thêm riêng vào trong trường hợp nếu nhiệt độ nén cao có thể gây ra sự polime hóa hoặc những thay đổi tính chất không mong muốn khác của chất khí, khả năng máy nén khí trục vít nén các chất khí nhiểm bẩn với tính kinh tế cao, kể như lò luyện cốc, khí lò đứng, khí lò cao không được làm sạch sơ bộ trong sản xuất xút và xi măng, thực hiện việc nén khí có tỉ trọng bất kỳ, thực hiện việc nén các khí không làm thay đổi thành phần của chúng và không làm chúng nhiễm bẩn.

Nói cách khác, đối với các nhà sản xuất hóa chất rất quan trọng là các máy nén khí trục vít nén được các chất khí khác nhau, sạch, chứa các hạt rắn nhỏ hoặc chất lỏng dạng giọt.

Đối với các loại phương tiện vận tải – nói riêng như đường biển, đường sắt, hàng không – các chỉ tiêu chất lượng cũng rất quan trọng của máy nén khí trục vít là cân nặng và cỡ kích thước trên một đơn vị năng suất nhỏ, tính kinh tế cao, độ tin cậy và độ bền lớn, bảo dưỡng đơn giản và khả năng dễ chuyển sang điều khiễn từ xa hoặc tự động hóa hoàn toàn, không cần đến bơm và có sự thay đổi đều của các đường đặc tính.

Trong công nghiệp luyện kim, quan trọng là sự hoạt động đáng tin cậy, lâu bền của máy nén khí trục vít trong các chế độ thay đổi với tính kinh tế cao.

Đối với các mỏ than cần máy nén khí kích thước nhỏ, nhẹ, dễ vận chuyển, truyền dẫn không khí sạch không có hơi dầu. Những máy có thể làm việc gần sát gương lò chợ để nhờ đó loại bỏ sự tổn thất áp suất và lưu lượng không khí trên đường ống dẫn.

Yêu cầu truyền dẫn không khí đặc biệt sạch trong công nghiệp thực phẩm cũng được máy nén khí trục vít đáp ứng có kết quả.

Với sự xuất hiện của các máy nén trục vít nạp dầu thì phạm vi sử dụng của máy nén khí trục vít càng được mở rộng hơn. Việc phun dầu vào các khoang làm việc, như đã nêu, cho phép đơn giãn hóa hơn những kết cấu của máy nén khí, không còn cần đến một số cụm chi tiết máy và làm giảm giá thành chế tạo và vận hành.

Máy nén khí trục vít nạp dầu được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp xây dựng, trong các trạm khí nén ở các xí nghiệp chế tạo máy, đóng tàu và ở những nơi tương tự theo yêu cầu đối với các mạng không khí, trong các thiết bị lạnh, trong các trạm nén khí di động. Chủng loại các máy cho các giàn khoan dùng để làm đường và xây dựng hàng năm được bổ sung chủ yếu nhờ có sự ứng dụng của máy nén khí trục vít nạp dầu.

Các máy nén khí trục vít được sử dụng trong các thiết bị chân không, đặc biệt là để tạo ra chân không thấp. Một cấp nén khô tạo ra 75÷80% chân không, còn nếu hiệu suất giảm đôi chút là 90%, một cấp nén của máy nén khí nạp dầu (bơm chân không) tạo ra 92÷97% chân không.

4. Cơ sở lý thuyết để tính toán và thiết kế máy nén khí trục vít.

4.1 Tính chất của không khí.

Không khí tồn tại xung quanh chúng ta, thành phần gồm Nitrogen chiếm 78%, 21% Oxygen và 1% các loại khí như: Khí trơ, CO₂, và nước, …

Theo tài liệu [4] trang 13 ta có khái niệm sau: Không khí có khả năng chịu nén rất lớn, độ nhớt động học của không khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ, ở cùng một nhiệt độ thì độ nhớt động học của không khí nhỏ hơn rất nhiều so với độ nhớt động học của chất lỏng.

Hình 4-1 Đồ thị thể hiện độ nhớt của chất khí theo nhiệt độ

4.2 Các thông số hình học của trục vít.

Theo tài liệu [1] trang 30,31 ta có các thông số hình học của trục gồm các yếu tố sau: Số răng vít, góc xoắn, tỉ lệ  và góc mở sớm của cửa đẩy phụ thuộc vào hình dạng đặc biệt của biên dạng răng, các thông số để thiết kế, kích thước, đường kính của trục vít chủ động phải được chuẩn mực hóa, biên dạng của trục vít phải đồng dạng với các biện dạng chuẩn, nhiều tác giả ứng dụng và phát triển phương pháp toán học để tính toán đặc tính hình học. Nhiều tác giả ứng dụng và phát triển phương pháp toán học để tính toán các đặc điểm hình học và đã đưa ra nhiều kết quả. Việc nghiên cứu đó cho ta kết quả là chiều dài đường kính khí phía trong vít tăng mạnh theo số vít, mà nó có tác động nghịch lại đến đặc tính tại đó tỉ lệ giữa áp suất cao và tốc độ thấp của trục vít chủ động.

Bốn vít đã được kết hợp để trong nghiên cứu  là 4/5; 4/6; 5/6; 5/7 tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính nằm trong khoảng 1,0 ÷ 2,2 và góc xoắn nằm trong khoảng 250^o ÷ 300^o. Ngoài ra, những thông số đặc tính là những chỉ số để đánh giá độ lệch của trục vít, tải trọng và tuổi thọ của trục vít, và bao gồm ứng suất của chúng.

Độ võng của trục vít chủ động đã được tính toán khi có nhiều thời gian hơn, và đã tìm ra bộ 4/5 là việc lựa chọn tuyệt vời đem lại kích thước nhỏ nhất và trọng lượng thấp nhất, khi thiết kế bộ 5/6 nhận được mô men vào là thấp nhất. Tuy nhiên có hai bộ có mối quan hệ về độ võng lớn là bộ 4/6 và 5/7.

Nhiều tác giả kết luận rằng bộ biên dạng 4/6 và 5/7 là sự lựa chọn tốt nhất để sử dụng trong áp suất cao, bộ 5/6 cho thấy hiệu suất chỉ thị đẳng Entropi cao ở tỉ lệ  tới 1,7. Bộ 5/7 cho thấy rằng đặc tính của bộ này rất hạn chế như bộ 5/7 có tỉ lệ trên 1,7.

Hình 4-2 Biến thiên độ võng của trục vít chủ động theo tỉ lệ .

Quan sát trên hình 4-2 ta có thể kết luận rằng 5/6 thích hợp với tỉ lệ  trên 1,7 đặc biệt là áp suất làm việc cao.

4.3 Sự hình thành biên dạng  của Rotor máy nén trục vít.

4.3.1 Phương pháp hình bao cho biên dạng cơ bản của máy nén khí trục vít.

Theo tài liệu [2] trang 20 ta có khái niệm về phương pháp hình bao cho biên dạng cơ bản của máy nén trục vít như sau: Phương pháp hình bao được sử dụng ở đây như phương pháp cơ bản để tạo biên dạng của máy nén trục vít. Những điều kiện của phương pháp này là hai bề mặt ăn khớp với nhau nếu sự tạo thành hoặc sự bao lấy được xác định bằng mối quan hệ chuyển động. Để tiếp cận phương pháp này trở nên phổ biến hơn và đề tài này làm thế nào được ứng dụng vào biên dạng của máy nén trục vít được thực hiện bởi Giáo Sư Stosic năm 1998, mặc dầu sự tạo thành những trục vít của máy nén có thể được chấp nhận như bài toán tiếp xúc hai chiều, ba chiều, hơn nữa mang lại những tính chất đúng để tạo thành những dụng cụ cắt trục vít từ những phương trình đó. Andreev năm 1961, gần đây hơn là Xing 2000a, cũng sử dụng phương pháp hình bao để tạo ra trục vít của máy nén trục vít, đến gần sự đồng dạng đó được thực hiện bởi Tang năm 1995.

4.3.2 Sự ăn khớp của phương pháp hình bao.

Theo tài liệu [2] trang 120 ta có những khái niệm về sự ăn khớp của phương pháp hình bao và cơ sở lý thuyết để xác định chúng như sau:

Hình 4-3 Hệ tọa độ của xoắn vít với hệ trục không song song và không cắt nhau.

Theo Stosic 1998 những trục vít của máy nén trục vít được xét ở đây với bánh vít  không song song và không cắt nhau hoặc chéo trục như được trình bày ở hình 4-3. x­_01­, y₀₁ và x₀₂, y₀₂ là những điểm của hệ tọa độ tại mặt đầu của trục vít trong hệ tọa độ gắn ở trục vít chủ động và bị động. Để có biên dạng của trục vít chủ động và bị động tiến hành quay quanh hệ trục quanh trục y theo góc  S .

Trục vít chủ động quay 1 góc q thì trục vít bị động quay một góc .   (4-1)

Ở đó:

         r_w: Bán kính vòng chia.

         Z: Số vít.

Hình 4-4 Sự ăn khớp của biên dạng răng vít.

Bán kình ngoài trục vít: r_1e = r_1w + r₁.                                                         (4-2)

Bán kính trong trục vít: r_1i = r_1w – r₀.                                                          (4-3)

Trong đó:

         r₁: Chiều cao răng vít của trục vít chủ động.

         r₀: Chiều cao răng vít của trục vít bị động.

Khoảng cách giữa hai trục vít: C = r_1w + r_2w.                                             (4-4)

p: Bước xoắn của trục vít trong một đơn vị vòng quay.

Chỉ số 1 và 2 tương ứng với các chỉ số của trục vít chủ động và bị động.

Phương pháp bắt đầu xác định hoặc tạo thành bề mặt r₁(t,q) ăn khớp, hoặc tạo bề mặt để xác định các thông số, một họ các bề mặt tạo thành để xác định các thông số là: r₂(t,q,t).

Trong đó:

         t: Biến số của profile răng.

         q, t: Là các thông số chuyển động.

Ta có:

18. q) = [x₁,y₁,z₁] = [x₀₁cosq - y₀₁sinq, x₀₁sinq + y­₀₁cosq,p₁q]      (4-5)

          (4-6)

                 (4-7)

18. q,t) = [x₂,y₂,z₂] = [x₁ – C, y₁cosS - z₁sinS,y₁sinS + z₁cosS]

    = [x₀₂cost - y₀₂sint,x₀₂sint + y­₀₂cost,p₂t]                                            (4-8)

= [p₁ q sinS - y₁ cosS, p₂ sinS + (x₁ - C)cosS, p₂ cosS - (x₁ - C)sin S]  (4-9)

Công thức hình bao xác định sự ăn khớp giữa hai bề mặt r₁ và bề mặt r₂.

                                                                                           (4-10)

Nếu sự hình thành bề mặt 1 được định nghĩa bằng thông số t, phương pháp hình bao có thể được sử dụng để tính toán các thông số q còn lại, xem như hàm số theo t, cũng như điều kiện ăn khớp để xác định bề mặt 2, hàm số phụ thuộc vào t và q. Tích véc tơ trong phương trình hình bao trình bày như một bề mặt thông thường và có quan hệ với nhau, vận tốc trượt của hai điểm đơn trên bề mặt 1 và 2 mà cả hai có điểm tiếp tuyến chung và sự tiếp xúc hai bề mặt đó, kết quả là tích vô hướng của ba phần tử đó tiến về không là bất biến và được biểu diễn trong hệ tọa độ, và mối quan hệ vận tốc xảy ra đồng thời trong cả hai hệ tọa độ, điều kiện ăn khớp được định nghĩa như sau:

                                                                (4-11)

Thế các phương trình trên vào phương trình (4-11) rồi đơn giản ta được:

                                                (4-12)

Với S = 0 ta có:

                                                               (4-13)

Trong đó:

         ;

Trong trường hợp t = q/i hai trục song song với nhau, phương trình ăn khớp của biên dạng răng theo phương ngang được tính như sau:

Trong hệ trục bánh cóc có thể tìm được giá trị đơn trị, tỉ số ăn khớp giữa bánh răng cóc tiến tới giá trị vô hạn, ta có:

                                                                         (4-15)

Ngược lại nếu các đường cong của trục bị động được xác định, những đường cong được hình thành sẽ được áp dụng vào trục bị động và phương trình đồng dạng với những chỉ số nối sẽ được sử dụng để tạo biên dạng trục chủ động.

Tuy nhiên, nếu những đường cong cơ bản được xác định trên bánh cóc, trong hệ trục của chúng x_0r­ và y_0r, thực hiện đạo hàm cấp một  và hoặc  đã biết và những đường cong được hình thành sẽ được tính toán tại trục vít như sau.

                                                                      (4-16)

Điều kiện ăn khớp được xác như sau:

                                                                     (4-17)

Điều kiện ăn khớp của bánh răng cóc là q có thể được tính trực tiếp và không yêu cầu giá trị phương pháp số, đó là một ưu điểm khác của phương pháp tạo biên dạng cóc.

Phương pháp xác định dùng để tính toán điều kiện ăn khớp bằng cả phương pháp số hoặc bằng trực tiếp cho phép giới thiệu những đường cong cơ bản phức tạp và một phương pháp chung hiệu quả. Hơn nữa, phương pháp số suy ra được những đường cong cơ bản có thể xác định chúng một cách đầy đủ và đơn giản, chỉ những hệ tọa độ của đường cong cơ bản mà không cần đến đạo hàm. Như vậy một trường hợp mà những hàm giải tích và những hàm gián đoạn có thể được sử dụng như những đường cong cơ bản, thông qua đó có thể tiếp cận những phương pháp đơn giản hơn. Chỉ những đường cong cơ bản cần được xác định. Từ đó bên trục chủ động không được suy ra nhưng được ước lượng một cách tự động bằng phương pháp số.

Những độ dài mép bít kín của máy nén trục vít gọi là đường tiếp xúc răng đồng dạng nhưng vẫn hiện hữu khe hở giữa các trục vít, độ dài mép bít kín là những đường bao gồm những điểm vị trí cạnh của trục vít. Trong hệ trục là x₁, y₁ và z₁ và chúng được tính toán như hàm suy rộng q. Hầu như việc thực hiện này thuận lợi đạt được độ hở của khe hở bên trong vít được xem xét độ hở là nhỏ nhất giữa hai trục bánh cóc của những điểm bít kín ở trục chủ động và bị động trên mặt cắt chung của trục vít xoắn.

Trục của bánh cóc tìm được bằng phương pháp nghịch đảo, có thể bao gồm cả việc chế tạo và hư hỏng, tuy nhiên sự phân bố khe hở thể hiện trên máy nén thật, từ những khe hở bình thường chuyển sang khe hở theo phương ngang có thể nhận được bằng phương pháp chuyển đổi gần đúng.

Hơn nữa sự hoán vị điều kiện ăn khớp của trục vít xác định được từ việc sử dụng vết biên dạng răng và bánh răng xoắn ốc. Đặt f là góc áp suất hoặc góc chuẩn của trục vít và bánh cóc tại những điểm tiếp xúc, xác định được trong hệ tọa độ x₀₁ và y₀₁, , đặt j là góc của biên dạng răng tại những điểm tiếp xúc nhận được  suy ra  và , trong đó r₀₁ là điểm của bán kính, đặt q là điều kiện ăn khớp hoặc góc quay của trục vít chủ động mà trục vít và bánh cóc có những điểm tiếp xúc (x₀₁,y₀₁), (x₀₂,y₀₂) và (x_0r,y_0r). Mối quan hệ của ba góc này yêu cầu cho việc tính toán điều kiện ăn khớp q  và nhận được là:

                                                                                (4-18)

4.4 Tối ưu hóa quá trình thiết kế.

Theo tài liệu [3] trang 36 ta có khái niệm để tối ưu hóa trong thiết kế máy nén khí trục vít như sau: Với sự đòi hỏi ngày càng tăng hiệu suất của máy nén trục vít yêu cầu rằng việc thiết kế phải tiến hành chế tạo riêng để biến đổi hiệu suất, năng suất và năng suất sản xuất. Một phương pháp thích hợp để tối ưu hình dạng biên dạng của máy nén khí trục vít là các thông số kích thước và làm việc cần được phát triển mà sẽ đem lại cho việc thiết kế hiệu suất máy nén thích hợp nhất. Tối ưu hóa kỹ thuật được phát triển và ứng dụng trong thiết kế máy nén làm lạnh hoặc máy nén trục vít kép. Nhiều tác giả đã xác định được các thông số làm việc như các thông số của trục vít hoặc các thông số của máy nén, như góc xoắn, tỉ lệ L/D và các thông số kỹ thuật của van trượt. Sự chú ý đặc biệt đến góc ở đỉnh của trục vít chủ động và chiều cao răng của trục vít bị động, những thông số này có tác động lớn hơn các thông số của trục vít khác trong việc tối ưu hóa thiết kế vít. Xing và một số tác giả khác đã nghiên cứu và thiết kế tạo ra những máy nén khí làm lạnh mới, biên dạng của trục vít hoặc các thông số thiết kế khác được tối ưu hóa với sự trợ giúp của phần mềm SCCAD.

Hình 4-5 Những thiết kế biên dạng trục vít đã được tối ưu hóa.

Stosic và một số tác giả khác đạt được những thiết kế cho họ hiệu suất máy nén khí trục vít kiểu kép loại ướt sử dụng phần mềm mà bao gồm rất nhiều biên dạng của trục vít và tính toán nhiệt động của máy nén và các kiểu hình học với năng suất được truyền để tính toán một cách trực tiếp trong hệ thống vẽ CAD. Họ đã thiết kế một họ trục vít cơ bản có hiệu suất cao trên biên dạng bánh cóc được thể hiện trên hình 4-5. Mà có thể dùng để thay thế biên dạng không đối xứng chuẩn. Tối ưu hóa từng bậc đơn giản của máy nén không dầu và có dầu để nén khí hoặc làm lạnh được sử dụng và phát triển bởi các tác giả được thể hiện trên hình 4-6. Những biên dạng này được so sánh ở bảng 4-1.

Hình 4-6 Tối ưu hóa những biên dạng trục vít cho máy nén khí không dầu và có dầu sửu dụng nén khí và làm lạnh.

Bảng 4-1 Kết quả tính toán tối ưu hóa cho máy nén khí kiểu khô và kiểu ướt và máy nén làm lạnh kiểu ướt ( tài liệu [3] ).

4.5 Lực tác dụng lên trục vít.

Theo tài liệu [2] trang 61 ta có những khái niệm về lực tác dụng lên trục vít và cơ sở lý thuyết để xác định nó như sau:

Trục vít máy nén khí chịu tải trọng áp suất khắc nghiệt, các trục vít cũng như các ổ lăn phải thỏa mãn độ cứng độ bền, và yêu cầu độ đàn hồi chắc chắn quá trình làm việc của máy nén được đảm bảo.

Để giải thích quá trình tính toán tải trọng áp suất, những trường hợp chung được xem xét như sau. Gọi áp suất p(q) biết được góc quay tức thời q, với một lượng gia góc hợp lý, từng độ 1.

Hình 4-7 Áp lực tác dụng trên rotor trục vít.

Trên hình 4-7 thể hiện lực hướng kính và mô men trên mặt cắt của trục vít, ví dụ trục vít 5-6 ‘N’. Áp lực p tác dụng tương ứng lên bề mặt bên trong vít theo đường vuông góc với đường A-B. A và B là một trong hai độ dài mép bít kín của các trục vít hoặc trên đầu mút của các trục vít, chúng thuộc đường bít kín nên chúng được định nghĩa một cách đầy đủ theo hình học trục vít.

Tại vị trí 1, không có sự tiếp xúc giữa các trục vít, do đó A, B ở trên đường tròn, lực tổng cộng F₁, F₂ tác dụng trực tiếp lên trục vít, và chúng chỉ là các lực hướng kính, không có mô men sinh ra trong trường hợp này.

Tại vị trí 2, chỉ có sự tiếp xúc của trục vít tại điểm A, lực F₁, F₂ lệch tâm, gồm hai lực theo hướng kính và theo chu vi hợp thành, là nguyên nhân sinh ra mô men, mô men trên trục bị động nhỏ hơn trên trục chủ động.

Tại vị trí 3, cả hai điểm tiếp xúc trên trục vít với tổng lực như nhau và lực hướng kính tác dụng lên các trục vít. Như vậy trong trường hợp trước chúng là nguyên nhân gây ra mô men.

4.5.1 Tính toán lực hướng kính và mô men.

Gọi x là phương song song với hai trục O₁ và O₂, y vuông góc với x. Lực hướng kính gồm:

                                                                            (4-19)

                                                                             (4-20)

Vậy mô men sinh ra là:

                                              (4-21)

Những công thức trên được lấy tính phân theo biên dạng cho tất cả những điểm trên biên dạng, sau đó chúng được lấy tích phân theo từng góc đến khi kết thúc vòng quay làm việc xác định áp suất theo góc quay p = p(q). Cuối cùng, tổng tất cả các vít được tính toán theo độ dịch chuyển pha, cũng như sự dịch chuyển dọc trục của bề mặt vít.

Như vậy trục vít bị động có góc bước ren lớn hơn góc bước ren của trục chủ động, theo tỉ lệ ăn khớp z₂/z₁ ở đây z là số răng vít, một kết luận tương ứng thường sử dụng những bước ren cho lực hướng kính lớn hơn trên trục vít bị động.

Ta có thể xem hình 4-8:

Hình 4-8 Lực hướng kính tác dụng lên ổ lăn.

Hình 4-9 Lực dọc trục tác dụng lên ổ lăn.

Lực dọc trục được thể hiện trên hình 4-9 là do áp suất và diện tích mặt cắt mặt vít bên trong, tại những miền có bề mặt bên trong vít chồng lên nhau. Trục vít bị động phủ lên một phần bề mặt bên trong vít của trục vít chủ động, trong khi trục vít chủ động phủ lên phần lớn bề mặt trong của trục vít bị động. Hiện tượng này là do nguyên nhân lực dọc trục không cân đối của trục chủ động lớn hơn trục bị động. Một sự điều chỉnh đã được thừa nhận lực dọc trục mà đưa vào để tính toán đó là áp suất trong khe hở phía trước cũng như phương của lực dọc trục bằng cách sử dụng áp suất trung bình trong hai bề mặt lân cận vít.

Lực dọc trục của trục vít được dịch chuyển theo phép quay hệ trục của chúng, giảm đến mức nhỏ nhất lực hướng kính tác dụng lên phía ổ lăn cửa đẩy và tăng lực tác dụng lên ổ lăn phía cửa hút. Đó là việc tiện lợi chung bởi vì lực tác dụng lên phía ổ lăn phía cửa hút thường nhỏ hơn phía cửa đẩy. Áp lực trong trường hợp này cần được chú ý rằng lực dọc trục của trục chủ động là lớn hơn so với trên trục bị động, sự ảnh hưởng này có lợi cho trục chủ động.

Hình 4-10 Mô men của trục vít.

Sự chịu lực hướng kính và lực dọc trục và mô men đã được tính toán cho rotor máy nén khí trục vít loại 5/6 – 128 mm kiểu ướt, áp suất nạp 1 bar và áp suất đẩy 8 bar.

Những kết quả đánh giá của phản lực hướng kính tác dụng lên ổ lăn phía cửa hút và cửa đẩy, mô men, lực dọc trục, góc và vị trí của lực hướng kính được xác định trên hình 4-10 là hàm theo góc quay.

4.5.2 Độ uốn trục vít.

Những phản lực hướng kính tác dụng lên ổ lăn được tính toán bởi phương pháp được trình bày trên hình 4-11 việc trình bày này đưa ra lực hướng kính R, với phản lực tại ổ lăn là R_D và R_S trên cửa đẩy và cửa hút của mặt đầu trục vít với khoảng cách là z­₂.

Hàm đàn hồi của trục vít được xác định bằng phường trình vi phân sau:

                                                                                                        (4-22)

Trong đó:

 độ võng, M là mô men uốn. E: Module đàn hồi, E = 2,1.10¹¹ [Pa], I: là mô men quan tính, được tính toán từ hình học trục vít bằng phương pháp tích phân số. Từ đó lực hướng kính R có khoảng cách là đoạn z₁, được tính toán theo góc sớm pha trong mổi góc quay.

Hình 4-11 Lực uốn, mô men và độ uốn.

Phép tính tích phân của phương trình này trên trục vít là khoảng cách giữa hai điểm đặt lực hướng kính cho độ võng như hàm số của trục vít trong hệ tọa độ z mà có giá trị là lớn nhất, nó được tính toán theo số gia của mổi góc quay.

4.6 Đặc tính của máy nén khí trục vít.

Theo tài liệu [3] trang 41 ta có những khái niệm về đặc tính của máy nén khí trục vít như sau:

Máy nén khí trục vít có những đặc tính giống máy nén khí chuyển động tịnh tiến, toàn bộ thể tích khí được đẩy ra sau khi nén, bởi vì không có phần thể tích chết, khoảng bên trong vít của máy nén trục vít tương ứng với phần thể tích quét của máy nén khí chuyển động tịnh tiến.

Hầu như trong hệ thống làm lạnh tải trọng thay đổi đáng kể suốt quá trình làm việc. Tối ưu những đặc tính của những hệ thống, những máy nén làm việc với hiệu suất vượt quá dải rộng của tải trọng trong một thời gian dài, việc điều chỉnh năng suất là một trong những mặt quan trọng nhất của quá trình làm việc của máy nén. Giáo sư Stosic và một số tác giả khác đã mô hình hóa những phương pháp thay đổi tốc độ trục chủ động, cửa hút và thay đổi thể tích hút sử dụng cơ cấu van trượt.

Điều chỉnh năng suất máy nén để giảm năng lượng tiêu thụ là nhỏ nhất, có nhiều phương pháp để điều chỉnh năng suất. Phương pháp điều chỉnh năng suất với sự điều biến xung đã được phân tích và tác động nối tiếp để điều chỉnh năng suất cho một và một nhóm máy nén đã được đề xuất bởi Alyokhin và một số tác giả khác, phương pháp điều chỉnh năng suất này là sử dụng phương pháp toán học và sử dụng hệ thống điện tử điều khiển, và đã cho kết quả trong việc cân tiết kiệm năng lượng trong các thiết bị làm lạnh. Tính năng của máy nén trong những điều kiện làm việc khác nhau đã được nghiên cứu bởi các tác giả Alyokhin, Sjohom và Sauls sử dụng những phương pháp điều chỉnh năng suất khác nhau.

4.7 Phân tích nhiệt của máy nén khí trục vít.

Theo tài liệu [3] trang 45 ta có những khái niệm để xác định nhiệt của máy nén khí trục vít như sau:

Có nhiều cách để đến gần với phương pháp nhiệt đông học của máy nén khí trục vít đó là phương pháp mô phỏng quá trình nén trong cặp trục vít, phương pháp mô phỏng của quá trình nén có thể chuyển sang những hình dạng trục vít phức tạp và việc lựa chọn cửa đẩy, trục vít và những khoang trống và phun dầu hoặc chất lỏng làm mát. Sự lựa chọn khe hở bao gồm sự dao động trục vít trong khoang trống là hàm vị trí trong khoang, sự dao động trong trục vít, khe hở trục vít dọc theo chiều dài trục vít, trục vít và khe hở của van trượt và khe hở cuối cửa đẩy, việc lựa chọn cửa đẩy bao gồm bán kính tách và chiều trục cửa đẩy với những hình dạng được tính toán được xác định bằng tỉ lệ thể tích và sự điều chỉnh tự động bán kính hình học các cửa của hệ thống van trượt không tải.

Giáo sư Stosic đã mô tả phương pháp số của nhiệt động học và phương pháp dòng chảy chất lỏng trong quá trình làm việc của máy nén và bộ giản nở. Sử dụng phương trình bảo toàn khối lượng và năng lượng được áp dụng cho thể tích chiếm được tức thời trong máy nén với sự rò rỉ chất lỏng cho phép, phun dầu hoặc các dung dịch khác, truyền nhiệt và những đặc tính thực của dung dịch.

Mô tả phương pháp nhiệt động học trong máy nén trục vít được thực hiện bằng phương trình vi phân cho những thể tích của vít, được định nghĩa V(q), và dV/dq, bằng phương trình nhiệt năng bên trong, và phương trình vi phân mô tả sự cân bằng khối lượng trong khoang làm việc. Thêm vào đó những phương trình trạng thái và nội năng riêng, và enthalpy riêng, là điều kiện đủ để tìm được lưu lượng khối lượng qua cửa hút và cửa đẩy và qua các khe hở, khối lượng trong khoang làm việc, áp suất và nhiệt độ của chất lỏng trong khoang làm việc, khối lượng và nhiệt độ của dầu được phun vào.

Nếu những tính chất của chất lỏng được mô tả bằng áp suất và nhiệt độ của chất lỏng và khoang hút được xem xét và thay đổi theo góc quay, điều đó là sự cần thiết của cặp phương trình vi phân cho năng lượng và tỉ lệ giữa lưu lượng khối lượng.

Tất cả các phương trình vi phân khác được giải bằng phương pháp Runge-Kutta 4. Điều kiện ban đầu được lựa chọn một cách tùy ý, phép giải hội tụ đã đạt được sau khi thực hiện vi phân giữa hai chu trình nén liên tục chỉ ra những giá trị định mức đủ nhỏ.

Khối lượng riêng tức thời là r nhận được từ khối lượng chiếm được tức thời trong việc điều chỉnh thể tích và độ lớn tương ứng với thể tích tức thời V như vậy .

Phương trình năng lượng và liên tục được giải tìm được U(q) và m(q). Như vậy với V(q), để xác định nội năng và thể tích riêng  và  đã biết. T và p hoặc x có thể được tính như sau:

Cho khí lý tưởng:

                                                                                       (4-23)

Trong trường hợp này T và p đã được tính toán rỏ ràng.

Cho khí thực, như môi chất làm lạnh hoặc môi chất khác.

                                                                                (4-24)

Những phương trình này thường không theo từng cặp, với T được xác định bằng phương pháp kiểm nghiệm bằng số bằng cách thiết lập phương trình. Trong đó p được xác định rỏ ràng bằng những điều kiện của phương trình.

Cho hơi ẩm:

Trong trường hợp này sự thay đổi pha trong suốt chu trình nén hoặc quá trình giản nỡ, nội năng riêng và thể tích của hổn hợp chất lỏng và khí là:

                                                             (4-25)

Trong đó:

u_f, u_g, v_f và v_g là nội năng riêng và thể tích của chất lỏng và khí, chúng là hàm của nhiệt độ bão hòa. Phương trình này yêu cầu một ẩn số để giải được sử dụng để kết hợp những đặc tính. Kết quả là nhiệt độ T, tỉ lệ độ khô x đã được xác định. Những phương trình này là những dạng giống nhau cho một trong nhiều loại chất lỏng, và về bản chất thì đơn giản hơn những dạng khác được suy ra, hơn thế nữa sự bao hàm một trong những hiện tượng trong những phương trình vi phân của nội năng và liên tục là đơn giản.

4.8 Phun dầu và sự trao đổi nhiệt.

Theo tài liệu [2] trang 55 ta có  những khái niệm về phun dầu để trao đổi nhiệt và cơ sở lý thuyết để tính toán chúng:

Đường đặc tính của máy nén bị ảnh hưởng bởi môi chất làm lạnh và kiểu bôi trơn được sử dụng. Hiệu suất nhiệt động học phụ thuộc rất lớn vào sự trao đổi nhiệt giữa dầu và khí. Kiểu phun dầu trong máy nén trục vít sử dụng một lượng lớn dầu phun vào để bôi trơn trục vít, bịt kín những khe hở, và giảm sự gia tăng nhiệt độ trong quá trình nén. Nhiệt trao đổi giữa dầu và khí là quá trình làm việc cơ bản của sự đối lưu, hệ số trao đổi nhiệt là hàm của các thông số phun vào, để tăng cường lượng dầu phun vào thì cở hạt dầu nên càng nhỏ càng tốt, vì vậy dầu nên được phun thành sương bằng thiết bị phun mù. Thời gian bao phủ của những hạt dầu trong khoang máy nén độc lập với tốc độ quay của máy nén và thông thường được đo trong mili giây. Thời gian phun trên bề mặt đã làm cho sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn trong vòi phun của máy nén. Vì vậy cần hiểu rỏ bản chất của quá trình phun dầu, nhất là hệ thống phun sương mù.

Giáo sư Stosic và một số tác giả khác đã công bố những kết quả mô phỏng bằng toán học và sự nghiên cứu thực nghiệm trên sự phun dầu và sự ảnh hưởng của quá trình nhiệt động trên máy nén khí trục vít kép. Mô hình đó được áp dụng để phân tích kích thước hạt dầu, vị trí của cửa phun dầu vào khoang, tốc độ phun dầu và góc phun, nhiệt độ của tia dầu, tỉ lệ khối lượng giữa dầu và không khí, độ nhớt của dầu và thời gian duy trì tia dầu trong một thể tích làm việc. Đặc tính của máy nén được đánh giá bằng phép đo một lượng lớn các thông số, như lưu lượng, công suất tiêu thụ, hệ số công suất sử dụng, công suất chỉ thị cũng như giá trị tức thời của áp suất và nhiệt độ tại những vị trí chung trên một thể tích làm việc trên đồ thị chỉ thị. Sau khi phân tích toàn diện những ảnh hưởng của các thông số khác nhau, nhiều tác giả đã phát minh ra các hệ thống phun mới với hiệu suất phun tốt hơn.

Tỷ lệ áp suất làm việc trong một giai đoạn mà không phun dầu được giới hạn bởi độ biến dạng của trục vít là nguyên nhân do tăng nhiệt độ. Việc làm mát trục vít giảm độ biến dạng đó. Giáo sư Stosic và một số tác giả khác đã đề nghị phương pháp mới để đánh giá điều chỉnh sự truyền nhiệt trong các trục vít bằng việc phun một khối lượng trong một phút để chất lỏng dễ bây hơi.

Sự phun dầu hoặc các chất lỏng khác để bôi trơn, làm mát hoặc bịt kín khe hở, cần sự điều chỉnh phương pháp nhiệt động học của máy nén khí trục vít một cách cơ bản. Các phương pháp khác nhau có thể được áp dụng để xử lý quá trình phun các chất lỏng khác nhau. Những ảnh hưởng đặc biệt là khí và phần ngưng nước của khí hòa tan và phân tán trong chất lỏng phun hoặc ngược lại nên tính toán để tách chúng ra.

Để định nghĩa lưu lượng khối lượng dầu phun, như tỉ lệ khối lượng giữa dầu và khí , từ đó lưu lượng dầu phun vào khi cửa dầu được mở, được tính toán để phân bố đều, và được ước lượng bằng công thức sau:

                                                                                              (4-26)

Trong đó: Tỉ lệ khối lượng giữa dầu và khí được xác định sớm như các thông số đầu vào.

Mục đích chính của việc phun dầu vào máy nén là làm mát không khí, để nâng cao hiệu suất làm lạnh được làm lạnh và phun tơi thành hạt nhỏ nghĩa là làm cho sự tiếp xúc giữa khí và dầu được gia tăng, sự phun sương được thực hiện bằng cách sử dụng những đầu phun được thiết kế đặc biệt hoặc đơn giản hơn áp suất phun cao. Sự phân bố kích thước hạt sương có thể xác định thông qua các thông số, lưu lượng khối lượng giữa dầu và khí và tỉ số vận tốc nhận được trong hệ thống phun dầu. Hơn thế nữa, cái đích là mổi kích cở khác nhau của những hạt dầu có thể đi vào cho đến khi đập vào trục vít và thành vỏ bằng phép giải phương trình động học cho mổi kích cở hạt nhỏ trong hệ qui chiếu Lagrange, xét đến lực quán tính, lực kéo, hoặc các lực khác. Phép giải phương trình năng lượng của hạt dầu song song với phương trình động lượng cho hiệu suất lớn của sự trao đổi nhiệt với lớp khí.

Trong những cách trình bày, phương pháp giải đơn giản hơn là được chấp nhận sự trao đổi nhiệt của khí được xác định bằng phương trình vi phân cho sự trao đổi nhiệt tức thời giữa đám khí và các hạt dầu. Giả thiết rằng những hạt nhỏ tồn tại dạng hình cầu, Sauter gọi là đường kính hạt dầu và kí hiệu d_S, sự trao đổi nhiệt hạt dầu có thể xảy ra nhanh trong những điều kiện của nguyên lý làm lạnh.

Ta có                                                                             (4-27)

Trong đó:

A_o: Là diện tích bề mặt hạt dầu, , d­_S: Theo Sauter là đường kính hạt dầu, h_o: Là hệ số truyền nhiệt trên bề mặt hạt dầu, được xác định từ biểu thức kinh nghiệm.

Sự trao đổi nhiệt phải được cân bằng với hệ số nhiệt được lấy đi hoặc nhận được bởi số lượng hạt dầu trên một đơn vị thời gian.

Ta có:                                                  (4-28)

Trong đó: C_oil: Nhiệt dung riêng của dầu, và chỉ số dưới o là ký hiệu hạt dầu.

Hệ số thay đổi nhiệt độ của hạt dầu có thể được xác định như sau:

                                                                                      (4-29)

Hệ số trao đổi nhiệt h_o có thể được xác định như sau:

                                                                                   (4-30)

Thực hiện tích phân phương trình trong hai bước thời gian/góc lập tức nhận được nhiệt độ của hạt dầu mới tại mổi bước mới thời gian/góc ta có:

                                                                                              (4-31)

Trong đó:

T_o,p: Là nhiệt độ của hạt dầu tại bước trước đó, k: Là hằng thời gian không thứ nguyên của hạt dầu, , với là hằng số thời gian thực của hạt dầu. Với đường kính Sauter d_S, hàm thời gian không thứ nguyên được xác định như sau:

                                                                                   (4-32)

Để suy ra nhiệt độ hạt dầu ta phải tính toán nhiều hơn nữa để đơn giản ta lấy giá trị nhiệt độ trung bình của dầu: Ta có T_oil  » T_o, hơn thế nữa được sử dụng để tính toán Enthalpy của hổn hợp khí và dầu.

Để đơn giản phương pháp tính toán trên được dựa trên giả thuyết mà hằng số thời gian của hạt dầu t nhỏ hơn thời gian di chuyển của hạt dầu qua khí trước khi đập vào trục vít hoặc thành vỏ, hoặc bán kính cửa đẩy của máy nén. Đó là phương pháp trao đổi nhiệt được hoàn thành với thời gian di chuyển hạt dầu xuyên qua không khí trong suốt quá trình nén. Điều kiên trước tiên được đầy đủ là sự phun sương của dầu được phun, quá trình phun đó tạo ra kích thước hạt dầu đủ nhỏ cho hằng số thời gian của hạt dầu nhỏ bằng việc chọn góc phun phù hợp, và trong khoảng rộng, vận tốc bắt đầu phun. Quỹ đạo của hạt dầu được tính toán một cách độc lập trên cơ sở lời giải của phương trình động lượng của hạt dầu cho những hạt dầu khác nhau nghĩa là đường kính và vận tốc ban đầu. Những dấu hiệu cho thấy rằng, hầu như các máy nén hiện tại được sử dụng có vận tốc ban đầu của hạt dầu nằm trong khoảng 20÷50 [m/s] và đường kính hạt dầu nhỏ hơn 50 [mm]. Theo đề tài nghiên cứu của Giáo sư Stosic và một số tác giả khác, năm 1992.

4.9 Lưu lượng và sự rò rỉ.

Để lưu lượng mất mát tại cửa hút nhỏ, cửa hút nên được bố trí trong vỏ máy sao cho khí nạp vào có thể bị bẻ cong nhỏ nhất và vận tốc khí nên giữ ở tốc độ nhỏ bằng cách làm cho diện tích mặt cắt lớn bằng cách có thể. Kích thước cửa đẩy được xác định bằng việc xây dựng tỉ lệ thể tích yêu cầu các đặc tính động học là tối ưu nhất. Hầu như công lý thuyết làm việc bỏ qua sự rò rỉ khí trong máy nén dựa trên chế độ điều kiện một chiều.

Hình dáng và vị trí của cửa hút và cửa đẩy ảnh hưởng đến sự tổn thất động học, vị trí của cửa phun dầu và số lượng dầu được phun vào trong khoang ảnh hưởng đến nhiệt độ cửa ra và lượng tiêu thụ công suất. Sự tổn thất động học dòng chảy trong khoang hút là nhân tố có ý nghĩa làm giảm hiệu suất của máy nén nhưng chỉ có thể đánh giá một cách sơ lược trong suốt quá trình thiết kế máy nén, từng bước có những phương pháp phân tích đơn giản để tính đến những ảnh hưởng này.

Ngày nay, những phép tính cơ học chất lỏng dựa vào sự phân tích được sử dụng để đánh giá vân tốc, áp suất, nhiệt độ và trường nồng độ trong máy nén. Giáo sư Stosic và một số tác giả khác đã ứng dụng kỹ thuật đó để thiết kế cửa hút với sự tổn thất dòng chảy là nhỏ nhất, đặc trưng của cửa đẩy trên máy nén khí là để cung cấp một lượng khí và dầu từ rãnh của trục vít, thể tích của các rãnh chiếm một lượng khí bắt đầu đẩy tỉ đối với tổng thể tích các khoang cho ra tỉ số thể tích của máy nén.

Sự tổn thất được xem xét như một trong những nguyên nhân chính của hiệu suất tổn thất trong máy nén, khe hở của trục vít là một trong những nguyên nhân chính của sự rò rỉ, khe hở phải đủ nhỏ để nhận được hiệu suất thể tích và công suất cao, khí rò về phía sau không chỉ chiếm không gian mà còn làm cho nhiệt độ tăng cao hơn. Một điều hiển nhiên rằng việc hệ dung sai trong sản xuất trục vít và trong ống là rất quan trọng, tăng dung sai lên 0,01 [mm] kết quả cho thấy làm tăng 1% tổn thất thể tích.

Sự tính toán thực tiển những tác động của khe hở trong quá trình nén, và sự phân biệt thích hợp giữa hai loại khe hở dọc theo hướng của chúng trong buồng làm việc: Sự tăng hoặc tổn thất rò rỉ. Sự gia tăng lưu lượng rò rỉ trong buồng nén từ vùng áp suất cao của cửa đẩy và từ vùng lân cận của buồng làm việc mà có áp suất cao hơn, việc tổn thất rò rỉ từ các khoang về buồng hút và các buồng lân cận làm cho áp suất thấp hơn.

Sự rò rỉ của hổn hợp khí và dầu bố trí vào những khe hở bên trong của vít, chỗ rổ, khe hở giữa tấm đệm và trục vít cuối cửa đẩy, đỉnh vít. Khe hở được điền đầy dầu và chịu lực li tâm, và chỉ có sự rò rỉ của dầu mới được giữ lại mà có thể được tính toán được bằng phép sử dụng phương trình dòng nhớt không nén được xuyên qua khe hẹp. Một lượng lớn dầu rò rỉ phụ thuộc vào giữa đỉnh vít và vỏ, và chiều dài độ dài mép bít kín, chiều dài kín khít phụ thuộc vào góc quay của trục vít. Vì thế khi bắt đầu quay thì độ dài kín khít giảm đến giá trị cực đại thì bắt đầu nén và bằng không khi quá trình đẩy kết thúc.

Sự hình thành tam giác rò khí là hậu quả không tránh được của biên dạng hình học trục vít, trong suốt quá trình nén tồn tại hai chỗ rò chính và một chỗ rò phụ, chúng được thể hiện trên diện tích mặt cắt. Khe hở giữa dầu và khí vào trong buồng làm việc là chỗ rò chính và bên ngoài buồng làm việc là chỗ rò phụ.

Sự rò rỉ khí được tính toán dựa trên giả thiết rằng khí và dầu là hổn hợp đều và được cách nhiệt xung quanh, tỉ lệ rò rỉ hổn hợp dầu và khí được tính toán bằng phương trình chuẩn cho dòng chất lỏng chịu nén qua vòi phun chụm. Sự ảnh hưởng đến độ nhớt của hệ số đồng nhất giữa lưu lượng có chức năng kín khít của dầu bôi trơn được sử dụng.

Diện tích rò rỉ được xác định bằng cách tăng thêm chiều dài đường kín khí với độ hở trung bình của mổi kiểu rò rỉ, giá trị trung bình của độ hở trên khe hở được xác định bằng phép đo khe hở thực tế trên máy nén. Hệ số đẩy và lưu lượng được chọn theo kinh nghiệm các khe hở để tính toán áp suất dầu, lưu lượng của hổn hợp dầu khí đi qua đường rò rỉ theo hai pha, để xác định đúng tính chất vật lý của hổn hợp dầu khí là khác nhau, dự trên số liệu kiểm tra thực tế.

Để tính toán vận tốc rò rỉ theo nghiên cứu dòng chảy chất lỏng qua khe hở, phương pháp này thực chất là dòng Fano đoạn nhiệt. Để đơn giản việc tính toán, dòng chảy thông thường được giả định nhiệt độ không đổi đúng hơn Enthapy là không đổi, sự sai lệch đó chiếm ưu thế trong điều kiện đoạn nhiệt chỉ có ảnh hưởng đến lớp biên nếu quá trình phân tích chuyển sang một hướng khác như những thay đổi nhỏ trong của góc quay, sau đây trình bày những phương pháp: Phương pháp hiện tại chỉ xử lý sự rò rỉ khí. Không có sự cố gắng nào để đưa ra lời giải cho sự rò rỉ của hổn hợp khí và chất lỏng, mà những ảnh hưởng của lớp dầu có thể được kết hợp chặt chẽ để giảm khe hở tương ứng.

Để lý tưởng hóa những khe hở được giả định là hình chữ nhật và lưu lượng khối lượng của chất lỏng rò rỉ được trình bày bằng phương trình liên tục.

                                                                                                 (4-33)

Trong đó:

r và w là mật độ và vận tốc của khí rò rỉ, A_g = l_gd_g là diện tích mặt cắt của khe hở rò rỉ, l_g là chiều dài của khe hở rò rỉ, d_g là độ rộng của khe hở rò rỉ, m = m(Re,Ma) hệ số lưu lượng chảy qua khe hở.

Vận tốc rò rỉ khí được suy ra từ phương trình động lượng mà có tính đến lực ma sát giữa chất lỏng và thành.

                                                                             (4-34)

Trong đó: f(Re,Ma) là hệ số ma sát phụ thuộc vào số Reynold và Số Mach, D_g là đường kính hiệu dụng của khe hở D_g » 2d_g, dx độ gia tăng kích thước, từ phương trình liên tục và giả định rằng T» const loại bỏ mật độ khí trong điều kiện áp suất, phương trình có thể được lấy tích phân theo áp suất từ vị trí có áp suất cao (vị trí 2) đến vị trí có áp suất thấp (vị trí 1) của khe hở.

                                                                    (4-35)

Trong đó:  chỉ số cãn trở dòng rò rỉ, L_g chiều dài khe hở theo hướng dòng chảy, f là hệ số ma sát và x là hệ số cản trở cục bộ, z có thể định lượng cho mổi khe hở theo hàm theo đặc tính kích thước, hình dạng, lưu lượng, a là vân tốc âm thanh.

Phương pháp đầy đủ yêu cầu mô phỏng hệ số ma sát và lực cản trong những điều kiện số Reynold và số Mach cho mổi loại khe hở.

Như vậy tổn thất do ma sát chất lỏng trong quá trình làm việc có thể được xác định trong điều kiện của hệ số ma sát cục bộ và vận tốc chất lỏng theo tốc độ, mật độ và diện tích mặt cắt. Trong thực tế quá trình mô phỏng sử dụng giá trị z trong những điều kiện đặc trưng đơn giản của mổi loại máy nén đặc biệt được sử dụng.

5. Tính toán thiết kế máy nén khí trục vít và tính chọn động cơ.

5.1 Tính toán kích thước cơ bản của trục vít.

Các thông số kỹ thuật yêu cầu: Các thông số ban đầu được dựa theo phiên bản chuẩn máy nén trục SM 9 của hãng KAESER COMPRESSOR do Đức sản xuất:

Bảng 5-1 các thông số kỹ thuật:

5.1.1 Xác định sơ bộ nhiệt độ không khí tại cửa đẩy.

Theo tài liệu [3] trang 17 ta có những khái niệm về chu kỳ làm việc của máy nén khi trục vít như sau:

Hình 5-1 Đồ thị P-V của chu trình làm việc của máy nén trục vít.

Chu trình làm việc của máy nén khí trục vít cũng giống như chu trình làm việc của máy nén chuyển động tịnh tiến, chỉ có khác là nó không có khoảng không gian chết cuối quá trình đẩy vì vậy nó không bị giản nở lại. Trên độ thị P-V hình 5-1 ta có thể quan sát thấy chu trình làm việc của máy nén khí trục vít không có không gian chết.

Giai đoạn là giai đoạn hút nó phụ thuộc vào góc quay của trục vít chủ động, thể tích khí phụ thuộc và thể tích của cặp rãnh vít, nó không giống như máy nén khí chuyển động tịnh tiến, máy nén khí trục vít quá trình hút và đẩy được thực hiện đồng thời nhau.

Hình 5-2 Đồ thị P-q_m của chu trình làm việc của máy nén khí trục vít.

Có thể quan sát trên đồ thị P-q_m hình 5-2 ta thất giai đoạn nén và đẩy làm việc đồng thời nhau, giai đoạn hút làm việc trong một vòng quay của trục vít chủ động bắt đầu từ điểm 1 và kết thúc tại điểm 2, quá trình nén giữa điểm 2 và điểm 3, điểm 3 bắt đầu giai đoạn đẩy ở đó không khí nén được đẩy vào khoang nén của trục vít chủ động và bị động khi cửa đẩy mở.

Giả sử trong quá trình nén máy nén không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài.

Theo tài liệu [6] trang 27 ta định nghĩa quá trình đoạn nhiệt như sau: Quá trình đoạn nhiệt là quá trình môi chất thay đổi trạng thái trong điều kiện không thay đổi nhiệt với môi trường bên ngoài.

dq = 0 ® q = 0.                                                                                              (5-1)

Theo định luật nhiệt động học thứ nhất ta có:

dq = du + dl                                                                                                    (5-2)

Trong đó:

         dq: Nhiệt lượng cung cấp.

         du: Nội năng.

         dl: Công sinh ra.

Mặc khác theo định nghĩa enthapy ta có: i = u + pv, lấy đạo hàm ta được di = du + pdv + vdp hay du = di – pdv –vdp, thay vào biểu thức (5-2) và dl = pdv ta có biểu thức như sau:

         dp = di – pdv –vdp + pdv

hay dp = di – vdp                                                                                          (5-3)

         dp = di + dl                                                                                             (5-4)

Đối với khí lý tưởng ta có:

         du = C_vdT                                                                                              

         di = C_pdT

Trong đó:

         C_p, C_v: Nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích.

Thay giá trị du, và di và biểu thức (5-2) và (5-3) thì phương trình nhiệt động học thứ nhất như sau:

         dq = C_vdT + pdv = 0                                                                             (5-5)

         dq = C_pdT – vdp = 0                                                                             (5-6)

Chia (5-5) ch0 (5-6) ta được:

                                                                                               (5-7)

Trong đó: k: Là chỉ số đoạn nhiệt.

Hay                                                                                            (5-8)

Lấy tích phân phương trình (5-8) ta được:

         ln p + k ln v = const

Hay pv^k = const                                                                                              (5-9)

Dựa và đồ thị P-V hình (5-1) ta viết phương trình đoạn nhiệt cho giai đoạn nén đoạn nhiệt 2-3.

                                                                                                     (5-10)

Hay                                                                                              (5-11)

Từ phương trình trạng thái ta có: thay vào (5-11) ta được:

Trong đó: R hằng số không khí.

®                                                             (5-12)

Từ (5-12) và (5-11) ta suy ra:

                                                                                                (5-12)

Theo tài liệu [6] trang 24, đối với không khí ta có k =1,4.

Giả sử nhiệt độ cuối quá trình nạp chính bằng nhiệt độ tại khí trời và nhiệt độ cuối quá trình nén chính bằng nhiệt độ tại cửa đẩy.

Tại chế độ 1 ta có:

         p₂ = p₁ = p_a = 1,013 [bar]

         p₃ = p₄ = p_c = 8         [bar]

® Tỉ số nén:

®

® t_c = 528,793 - 273 = 255,793 [^oC].

Như vậy ta xác định sơ bộ nhiệt độ không khí tại cửa đẩy là rất lớn nên phải tiến hành làm mát không khí, bằng cách phun dầu trực tiếp vò máy nén một lượng nhất định tỉ lệ với số vòng quay trục vít chủ động. Sao cho nhiệt độ cửa đẩy khi có phun dầu thì nhiệt độ không lớn quá 200 [^oC].

Dầu phun vào yêu cầu là trao đổi nhiệt tốt với không khí, giảm ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc, làm kín các khe hở, và bảo vệ bề mặt chi tiết. Đối với thị trường Việt Nam thì yêu cầu nhiệt độ đông đặc không cần cao lắm, nhiệt độ chớp của dầu phải trên 200 [^oC] như ta đã tính toán sơ bộ nhiệt độ cửa ra, và độ nhớt thể hiện khả năng bám chắc vào bề mặt kim loại, chỉ số độ nhớt của dầu là một yếu tố không thể thiếu nó đánh giá khả năng lưu chuyển và bôi trơn khi nhiệt độ thay đổi, đối với máy nén khí được làm mát bằng dầu thì sẽ duy trì nhiệt độ cửa ra nằm trong khoảng từ 40÷80 [^oC] vì vậy yêu cầu dầu bôi trơn phải có chỉ số độ nhớt cao, có nghĩa là độ nhớt ít thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ.

Tìm hiểu trên thị trường Việt Nam năm 2009, có loại dầu BESLUX AIRLUBE 46 chuyên dùng cho máy nén khí trục vít.

Bảng 5-2 Các thông số kỹ thuật của loại dầu BESLUX AIRLUBE 46.

5.1.2 Tính chọn kích thước của trục vít.

Theo tài liệu [1] trang trang 126 ta có những khái niệm để lựa chọn các kích thước cơ bản của trục vít như sau:

Các hãng chế tạo máy nén trục vít hàng đầu thế giới đa phần chọn đường kính ngoài trục vít theo dãy kích thước do hãng đưa ra. Về nguyên tắc, dãy kích thước lấy sự đồng dạng về mặt hình học với cụm chi tiết có sự thống nhất hóa để làm gốc, hơn nữa nhận kích thước cơ sở làm đường kính ngoài trục vít.

Với quan điểm cổ điển: Đường kính ngoài của trục vít chủ động và bị động là như nhau, đường kính ngoài của trục vít theo dãy có các kích thước sau [mm]: 40, 50, 63, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630. Các tỉ lệ cơ bản của trục vít đồng dạng về mặt hình học theo dãy đã được soan thảo kinh qua thực tế có số đầu mối răng theo sơ đồ 4/6 (4 trên trục chủ động, 6 trên trục bị động).

Với quan niệm hiện đại: Theo tài liệu [2] trang 10 ta có khái niệm để xác định các kích thước cơ bản của trục vít như sau: Dãy kích thước của máy nén khí trục vít hiện tại được sản xuất theo đường kính trục vít chủ động nằm trong khoảng 75÷620 [mm] và lưu lượng cung cấp từ 0,6 [m³/ph] đến 600 [m³/ph]. Tỉ số áp suất có thể đạt đến 3,5 theo góc quay của trục vít đối với máy nén khí kiểu khô, đối với máy nén khí kiểu ướt có thể đạt đến 15. Bình thường áp suất nén khác có thể lên tới 15 [bar] những áp suất nén cực đại thỉnh thoảng đạt tới 40 [bar]. Điển hình máy nén khí trục vít đã được kiểm nghiệm và hiệu suất thể tích của những máy này vượt 90% và giảm công suất tiêu thụ.

Theo tài liệu [3] trang 31 từ các kết quả nghiên cứu thực tiển đã đưa ra kết luận sau: Sự kết hợp giữa bốn đầu mối răng vít đã được xem xét và nghiên cứu là: 4/5, 4/6, 5/6, 5/7, tỉ lệ giữa đường kính và kích thước nằm trong dãy từ 1,0÷2,2 và góc xoắn của trục vít chủ động nằm trong dãy từ 25^o÷300^o. Một phần các thông số đặc tính và các hệ số như độ uốn trục vít chủ động, tải trọng các ổ lăn, cụ thể là lực tiếp xúc trên bề mặt trục vít, những ảnh hưởng của các thông số hình học này đã được bàn luận và đề nghị chọn các thông số mối răng một cách tối ưu nhất.

Với nhu cầu đòi hỏi ngày càng cao về chất lượng máy nén khí trục vít, một máy nén khí trục vít có kích thước nhỏ, hiệu suất cao, tiêu thụ điện năng ít, theo kết quả nghiên cứu mới nhất của Giáo sư Stosic và các đồng nghiệp thì biên dạng trục vít ‘N’ Rotor mang lại thì diện tích mặt cắt lưu lượng lớn, chiều dài mép bít kín ngắn, nên diện tích rò rỉ nhỏ, vì vậy ta chọn biên dạng răng vít ‘N’ Rotor làm biên dạng cho máy nén.

Theo tài liệu [3] trang 14 thì trục vít có 5 mối răng vít cho tỉ số nén áp suất cao hơn các loại khác, và đặc biệt là có góc xoắn lớn, và đã được chứng minh rằng với số đầu mối răng này có đặc tính, độ bền, và kích thước tốt.

Hiện nay có loại có số đầu mối răng 5/6 và 5/7 đều mạng lại những đặc tính tốt, nhưng theo tài liệu [3] trang 30 thì loại có số đầu mối răng 5/6 đem lại sự đồng nhất về lưu lượng trên một vòng quay, và mô men vào thấp nhất, cho hiệu suất chỉ thị đẳng entropy cao nhất nếu tỉ lệ L/D nhỏ hơn 1,7.

Theo tài liệu [3] trang 49 nếu tăng dung sai lên 0,01 [mm] thì tổn thất thể tích tăng lên 1%, kết hợp đồ thị biến thiên độ võng (hình 4-2) ta nhận thấy đối với biên dạng ‘N’ Rotor có số đầu mối răng 5/6 thì tỉ lệ L/D nên chọn nhỏ hơn 1,7. Nếu lựa chọn tỉ số L/D lớn thì chiều dài trục vít tăng lên thì độ dài đường bít kín nhỏ nên diện tích rò rỉ nhỏ đồng thời độ võng lại tăng lên. Theo số liệu thống kê ở tài liệu [8] trang 6 ta có dãy số sau: 1,05; 1,25; 1,5; 1,65; 1,9; 2,25. Theo tài liệu [3] trang 23 thì tỉ số L/D nằm trong giới hạn 1,65÷1,8.

Với những ưu điểm trên ta chọn số đầu mối răng vít 5/6 và tỉ số

Theo tài liệu [5] trang 99 ta có công thức tính lưu lượng của máy nén trong một vòng quay trục chính.

                                                                                                     (5-13)

Trong đó:

         q: Lưu lượng riêng [m³/vòng].

         D: Đường kính trục vít chủ động [m].

         L: Chiều dài trục vít [m].

         c: Hệ số đặc trưng của biên dạng răng.

Để xác định đường kính của trục vít chủ động, ta sử dụng định luật đồng dạng hình học về đường kính.

Hình 5-3   5/6 - 128 [mm] ‘N’ rotors

Trục vít 5/6 – 128 của máy nén khí có dầu đã được Giáo sư Stosic và một số giáo sư khác nghiên cứu và kiểm nghiệm.

+ Đường kính trục chủ động: D^* = 128 [mm].

+ Lưu lượng q = 8 [m³/ph].

+ Tỉ số: .

Qua công thức (5-13) ta nhận thấy lưu lượng của máy nén tỉ lệ lủy thừa bậc ba với đường kính trục vít.

Ta có:

         ®

®                                                                                               (5-14)

®                                                                                                (5-15)

®

® L = 1,65.D = 1,65.64,604 = 106,596 [mm]

Theo tài liệu [2] trang 23 ta có:

+ Tỉ số truyền của trục vít:

                                                                                                      (5-16)

®

Theo tài liệu [1] trang 127 ta có:

+ Đường kính vòng chia:

                                                                                                     (5-17)

®

Từ công thức (5-16) ta suy ra, đường kính vòng chia của trục vít bị động:

                                                                                                        (5-18)

®

Theo tài liệu [2] trang 20 ta có thể xác định khoảng cách giữa các trục vít như sau:

                                                                                                     (5-19)

®

Theo tài liệu [1] trang 126 thì với khả năng công nghệ của các máy công cụ hiện nay, có thể cắt được trục vít với góc nghiêng trong phạm vi 30^o £y£ 60^o nên ta chọn y sát với giá trị cực đại, cũng theo tài liệu này trang 127 thì ta chọn .

Theo tài liệu [1] trang 125 ta có:

h₁ = 2p.R.ctg y                                                                                               (5-20)

® h₁ = 2p.R.ctg y = 2.3,14.32,302.ctg 51^o29’17,21’ = 161,510 [mm]

                                                                                                               (5-21)

®

Theo tài liệu [1] trang 127 ta xác định được góc xoắn trên trục vít bị động:

                                                                                                         (5-22)

+ Đối với trục chủ động:

                                                                                                         (5-23)

® .

5.2 Tính toán và chọn biên dạng răng trục vít.

Theo tài liệu [1] trang 127 ta có:

+ Chiều cao đầu răng:

                                                                                                        (5-24)

®

Theo tài liệu [2] trang 27 của Giáo sư Stosic ta có biên dạng răng vít ‘N’ Rotor đầu mối răng vít 5/6.

Hình 5-4 Biên dạng răng vít ‘N’ Rotor có đầu mối răng vít 5/6.

Bằng định luật đồng dạng hình học ta hoàn toàn xác định được biên dạng răng vít ‘N’ Rotor có đầu mối răng vít 5/6 có kích thước thực đã tính.

Hình 5-5 Các đường cong tạo nên biên dạng ‘N’ Rotor.

Hệ tọa độ của tất cả những đường cong cơ sở trên bánh cóc tổng hợp ở đây trong hệ tọa độ của bánh cóc tương đối. Vít của bánh cóc được chia ra thành những cung tròn, quá trình chia này được ký hiệu bằng các chữ hoa cho mổi đường cong là độc lập, được thể hiện trên hình 5-5.

Tất cả những đường cong nhận được là “cung tròn chung” bằng phương trình , tuy nhiên đường thẳng, đường tròn, parapolae, elipse, Hypecpolae được mô tả một cách dể dàng bằng những giá trị thích hợp a, b, p và q.

5.3 Xác định số vòng quay cần thiết.

Từ công thức (5-13) ta có thể tính được lưu lượng của máy nén trong một vòng quay như sau:

Trong đó:

         q: Lưu lượng trong một vòng quay [m³/vòng].

         D: Đường kính trục vít chủ động [m].

         L: Chiều dài trục vít [m].

         c: Hệ số đặc trưng của biên dạng răng. Với biên dạng răng ‘N’ Rotor ta xem như biên dạng răng không đối xứng, vì vậy chọn c = 2,055.

®

Theo tài liệu [5] trang 100 ta có:

Q_lt = n.q                                                                                                           (5-25)

Trong đó:

         Q_lt: Lưu lượng lý thuyết [m³/ph].

         n: Số vòng quay [vg/ph].

+ Tính cho chế độ 1:

         Q_lt = 0,9 [m³/ph].

(5-25) ®

+ Tính cho chế độ 2:

         Q_lt2 = 0,75 [m³/ph]

(5-25) ®

+ Tính cho chế độ 3:

         Q_lt3 = 0,55 [m³/ph]

(5-24) ®

Như vậy ta chọn tốc độ cho trục vít chủ động n_max = 4157 [vg/ph]

5.4 Xác định công suất cần thiết.

Theo tài liệu [5] trang 103 ta có:

                                                                          (5-26)

Trong đó:

         p₁: Áp suất nạp.

         Q₁: Lưu lượng nạp.

         N_k: Công suất đoạn nhiệt.

         h_k: Hiệu suất đoạn nhiệt.

+ Tính cho chế độ 1:

Ta có Q₁ = Q_lt1 = 0,9 [m³/ph] = 15.10^-3 [m³/s]

Hình 5-6 Đồ thị quan hệ giữa áp suất cửa đẩy và hiệu suất đoạn nhiệt

Qua đồ thị hình 5-6 với áp suất cửa đẩy p_max = 8 [bar], với biên dạng ‘N’ Rotor ta xác định được hiệu suất đoạn nhiệt h_k = 0,8.

p₁ = 1 [bar] = 101325 [N/m²]

(5-26)

Theo tài liệu [5] thì công suất cần đặt lên trục vít chủ động được xác định như sau:

N_s = N_k + Tổn thất cơ khí.                                                                            (5-27)

Trong đó: Tổn thất cơ khí = 0,07.N_k.

® N_s = N_k + 0,07.N_k = 1,07.N_k = 1,07.5,351 = 5,726 [kw]

+ Tính cho chế độ 2:

Ta có Q₂ = Q_lt2 = 0,75 [m³/ph] = 12,5.10^-3 [m³/s]

Qua đồ thị hình 5-6 với áp suất cửa đẩy p_max = 11 [bar], với biên dạng ‘N’ Rotor ta xác định được hiệu suất đoạn nhiệt h_k = 0,82.

(5-26)

® N_s = N_k + 0,07.N_k = 1,07.N_k = 1,07.5,280 = 5,650 [kw]

+ Tính cho chế độ 3:

Ta có Q₃ = Q_lt3 = 0,55 [m³/ph] = 9,167.10^-3 [m³/s]

Qua đồ thị hình 5-6 với áp suất cửa đẩy p_max = 15 [bar], với biên dạng ‘N’ Rotor bằng phương pháp xấp xỉ ta xác định được hiệu suất đoạn nhiệt h_k = 0,75.

(5-26) ®

® N_s = N_k + 0,07.N_k = 1,07.N_k = 1,07.5,028 = 5,380 [kw]

Vậy ta chọn công suất trên trục vít chủ động N_max = 5,650 [kw]

5.5 Xác định nhiệt độ cửa thải.

Theo tài liệu [5] trang 103 ta có:

                                                                                    (5-28)

Trong đó:

         t₁: Nhiệt độ cửa nạp.

         t₂: Nhiệt độ cửa thải.

         T₁: Nhiệt độ tuyệt đối cửa nạp.

         h_k; h_t: Hiệu suất đoạn nhiệt và hiệu suất làm tăng nhiệt độ.

Giá trị đặc trưng cho hiệu suất gia tăng nhiệt độ là h_t = 0,9.

+ Tính cho chế độ 1:

         t₁ = 20 [^oC].

         T₁ = t₁ + 273 = 20 + 273 = 293 [^oK].

         h_k = 0,8.

(5-28) ®

+ Tính cho chế độ 2:

         h_k = 0,82.

(5-28) ®

+ Tính cho chế độ 3:

         h_k = 0,75.

(5-28) ®

Như vậy ta chọn nhiệt độ cửa thải t_cmax = 428 [^oC].

5.6 Xác định nhiệt lượng tỏa ra và lưu lượng dầu cần thiết phun vào để trao đổi nhiệt.

+ Xác định thể tích khí nạp:

Theo tài liệu [13] trang 1266 ta có công thức xác định được thể tích khí nạp như sau:

                                                                                              (5-29)

Trong đó:

         V₁: Thể tích khí nạp [m³].

         S_m: Diện tích mặt cắt trục vít chủ động [m²].

         S_fm: Diện tích mặt cắt trục vít bị động  [m²].

         L: Chiều dài trục vít [m].

Hình 5-7 Biên dạng răng vít có số đầu mối răng 5/6 đã tính toán.

Dựa vào phần mềm AutoCAD ta có thể tính được diện tích của biên dạng răng vít trục chủ động và trục bị động.

S_m = 216,887 [mm²]

S_fm = 174,496 [mm²]

L = 106,596 [mm]

Thể tích khoang nạp được xác định như sau:

(5-29) ®

Khối lượng khí nạp được tính như sau:

                                                                                                        (5-30)

Trong đó:

         r₁: Khối lượng riêng của không khí, r₁ = 1,293 [kg/m³].

(5-30) ®

Theo tài liệu [13] trang 1266 lưu lượng khối lượng khí nạp được xác định theo công thức sau:

                                                                                               (5-31)

Trong đó:

         n_m: Số đầu mối răng vít trên trục chủ động.

         n_max: Tốc độ quay của trục chủ động [vg/ph].

(5-31) ®

+ Tính toán nhiệt trao đổi giữa khí nén và dầu làm mát.

Quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí nén và dầu làm mát trong máy nén là quá trình trao đổi nhiệt hổn hợp với nhau. Để tính toán lượng nhiệt trao đổi ta sử dụng phương trình cân bằng nhiệt sau.

Theo tài liệu [10] trang 148 ta có phương trình cân bằng nhiệt:

                                                                        (5-32)

Trong đó:

         Q: Nhiệt lượng trao đổi [w].

         M₁: Khối lượng khí trao đổi [kg].

         i: Enthapy.

         F: Diện tích truyền nhiệt [m²].

         Q_x: Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh.

Các chỉ số “1” và “2” ứng với không khí nén chưa được làm mát và dầu làm mát, các ký hiệu “’”, “”” ứng với trạng thái lúc chưa trao đổi nhiệt, và lúc đã trao đổi nhiệt.

Khi không kể đến tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh thì Q_x = 0, và khi không có sư biến đổi pha của không khí và dầu thì phương trình (5-32) được viết lại như sau:

                                                                    (5-33)

 Từ phương trình (5-33) ta suy ra nhiệt lượng trao đổi trong một đơn vị thời gian được tính như sau:

®                                                                                      (5-34)

Trong đó:

         C_p1: Nhiệt dung riêng của không khí ở trạng thái đẳng áp.

                                                                                                    (5-35)

         R: Hằng số không khí

         (5-35) ®

         T: Nhiệt độ tuyệt đối [^oK].

Theo tài liệu [11] trang 14-34 thì nhiệt độ khí sau khi phun dầu làm mát thì nhiệt độ của hổn hợp khí và dầu sau khi làm mát là , như vậy hiệu suất đoạn nhiệt (tổn thất cơ khí ở lớp khí cuối) nó nằm trong khoảng từ 0,7÷0,88 ở chế độ chạy cầm chừng. Giá trị trung bình của máy nén cở trung là 0,75÷0,78 dựa trên nhiệt độ khí có phun dầu bằng nhiệt độ khí nạp cộng thêm 20÷30[^oC], như vậy ta chọn .

Trong trường hợp này .

(5-34) ®

Ta xác định được lưu lượng khối lượng dầu phun vào.

(5-33) ®                                                                            (5-36)

Trong trường hợp này nhiệt độ dầu trong bình chứa, giả sử được làm mát bằng nhiệt độ của không khí  và .

Theo tài liệu [12] với loại dầu sử dụng cho máy nén khí trục vít như đã chọn BESLUX AIRLUBE 46, theo tiêu chuẩn ISO 46 ở nhiệt độ 100 [^oC] thì ta có nhiệt dung riêng của dầu tại nhiệt độ 100 [^oC], .

(5-36) ®

Theo tài liệu [3] trang 65 ta có tỉ lệ khối lượng giữa không khí nạp vào và lượng dầu phun vào:

                                                                                                             (5-37)

®

Theo tài liệu [11] trang 16-14 ta có phương trình chuyển đổi giữa lưu lượng thể tích và lưu lượng khối lượng như sau:

                                                                                                      (5-38)

Trong đó:

         m₂: Lưu lượng khối lượng [kg/s].

         k: Hằng số phụ thuộc vào đơn vị, đối với hệ dơn vị SI thì k = 1.

         r₂: Khối lượng riêng [kg/m³], với loại dầu sử dụng cho máy nén khí trục vít như đã chọn BESLUX AIRLUBE 46, theo tài liệu [12] theo tiêu chuẩn ISO 46 ở nhiệt độ 100 [^oC] thì r₂ = 0,83 [kg/l] = 830 [kg/m³].

         Q_2t: Lưu lượng thể tích [m³/s]

(5-37) ®

Theo tài liệu [8] trang 12 ta có công thức tính tỉ số nén giữa áp suất khí cửa hút và áp suất dầu cung cấp tại vòi phun như sau:

                                                                                                          (5-39)

Theo tài liệu này cho biết để phun được áp suất cao thì tỉ số nén , vì vậy ta chọn  để cho dầu phun được tới, tạo điều kiện dể dàng trao đổi nhiệt với không khí.

(5-38) ® , như vậy ta lấy p_o2 = 4 [bar].

5.7 Chọn các khe hở giữa và tính lưu lượng rò rỉ qua các khe hở của máy nén khí trục vít.

5.7.1 Chọn các khe hở trong máy nén khí trục vít.

Trong máy nén người ta phân biệt hai dạng rò khí – đó là rò rỉ bên ngoài và rò khí bên trong.

Rò bên ngoài là dạng rò khí qua các vòng bít đầu mút của mổi trục vít. Theo nguyên tắc, sự rò từ phía đẩy là rò khí từ máy nén ra bên ngoài, còn rò khí từ phía hút thì có thể là sự lọt khí hay sự hút khí vào. Rò rỉ bên ngoài cần phải được tính đến khi tính toán năng suất.

Rò bên trong trong máy nén trục vít được chia thành hai dạng có sự khác nhau cơ bản về mức độ ảnh hưởng tới các thông số của máy:

1) Rò trong khoang trục vít ở giai đoạn hút khí, sự rò khí này trước hết ảnh hưởng đến hệ số cấp của máy nén cũng như ảnh hưởng đến hiệu suất và công suất của dẫn động máy nén. Dạng rò khí này gọi là sự lọt khí.

2) Rò trong khoang trục vít ở giai đoạn nén khí, sự rò khí này ít ảnh hưởng đến hệ số cấp của máy nén cũng như ảnh hưởng đến hiệu suất và công suất của dẫn động máy nén. Dạng rò khí này gọi là sự tràn khí.

Việc phân chia rò khí bên trong thành hai dạng – lọt khí và tràn khí nhằm nhấn mạnh yếu tố rất quan trọng rằng, sự lọt khí trong máy nén trục vít ở giai đoạn hút khí có ảnh hưởng không giống nhau tới năng suất và công suất của máy nén do đó không nên đồng nhất của hai dạng rò rỉ này.

Ngoài ra, sự lọt khí và tràn khí lại có liên quan mật thiết với nhau, và do đó ở mức độ nào đó chúng gây ra những hiện tượng có tính chất giống nhau.

Sự lọt khí xuất hiện ở các khoang có áp suất cao trong khoang hút, tức là tại thời điểm đã cho các khoang này được nối thông với buồng hút. Sự điền đầy buồng hút do lọt khí làm giảm thể tích của khí vừa mới được hút vào. Khí lọt vào có nhiệt độ cao hơn nhiệt của khí được hút vào nên gây ra sự gia tăng nhiệt độ của hổn hợp khí trong khoang hút và do đó làm giảm mật độ của khối khí. Khối lượng nạp của khí mới được hút vào khoang hút giảm đi. Như vậy là sự lọt khí vào khoang hút làm giảm năng suất của máy nén, và ngoài ra nó còn gây ra sự gia tăng công suất tiêu thụ cho việc nén khí tới áp suất đã cho trước. Điều đó có nghĩa là nó giảm hiệu suất máy nén.

Sự tràn khí xảy ra với các khoang cách ly với buồng hút, tức là sau khi khoang này đã đi qua cửa hút. Do đó, sự tràn khí không gây ảnh hưởng trục tiếp tới năng suất của máy nén. Sự tràn khí có ảnh hưởng gián tiếp đến năng suất bằng cách làm gia tăng đôi chút sự lọt khí. Sự tràn khí làm thay đổi khối lượng khối khí trong khoang cách ly, và cũng giống như sự lọt khí từ các khoang đó, sự lọt khí làm thay đổi (thường là làm gia tăng) công suất tiêu thụ cho việc nén khí.

Rỏ ràng là, trong giới hạn nào đó có thể thay đổi sự liên hệ tương hỗ giữa lọt khí và tràn khí bằng cách thay đổi một cách tương ứng cửa nạp và chọn kiểu biên dạng răng của trục vít.

Trong máy nén trục vít, các mép bít kín và các phần của trục vít được vỏ máy bao quanh (theo đỉnh răng và các mặt đầu mút) thực hiện vai trò bịt kín trong.

Có thể phân loại các mép bít kín theo kiểu khe được tạo ra theo các bề mặt tương ứng (hình 5-8).

Hình 5-8 Các kiểu khe trong máy nén khí trục vít. Tiếp xúc răng.

a,e,i: Theo đỉnh răng; b,c,d,đ,g,h: Theo đường; k,l: Theo mặt đầu mút trục vít.

Khe kiểu 1: (hình 5-8 a, đ) là khe có các thành tiến về phía sau, sau đó tách ra xa nhau theo đường trơn đều. Các thành khe có thể có độ cong cùng dấu hoặc khác dấu, kích thước tuyệt đối của các bán kính có thể bằng nhau hoặc rất xa nhau.

Khe kiểu 2: Khe có mặt gãy ở một thành (góc gãy có thể là góc nhọn hoặc góc tù) tạo ra giữa đầu nhọn và bề mặt hoặc giữa dảy hẹp và bề mặt.

Khe kiểu 3: Khe có các thành cách đều với đường chặn lớn (khe “sâu”). Kiểu này gồm các khe được tạo ra giữa các mặt đầu của trục vít với vỏ máy và các khe tạo ra giữa vỏ máy và đỉnh răng của trục dẫn.

Diện tích rò rỉ trung bình, chiều dài mép bít kín, các khe hở giữa đỉnh răng, … được xác định bằng cách đo các khe hở thực tế trên máy nén thí nghiệm .

Dựa vào tài liệu [13] trang 1265 ta lấy giá trị thí nghiệm trên máy nén có số mối răng 5/6 biên dạng răng.

Bảng 5-3 Các giá trị khe và độ dài mép bít kín thí nghiệm.

5.7.2 Tính lưu lương rò rỉ qua các khe hở.

Hình 5-9 Khe hở giữa đỉnh răng vít và vỏ máy nén.

Theo tài liệu [1] trang 203 ta có áp suất phía trước khe khi thử nghiệm đối với không khí p₁ = 1,25÷1,27 [at]. Như vậy ta chọn áp suất phía trước khe p₁ = 1,25 [at].

Khe hở trong máy nén khí trục vít gồm: Khe hở đỉnh răng và thành vỏ, khe hở bên trong mặt vít, khe hở giữa các mặt đầu cuối trục vít, khe hở phía trước trước buồng làm việc, khe hở phía sau buồng làm việc.

Để đơn giản ta chỉ tính rò rỉ giữa đỉnh răng vít và thành vỏ, khe hở giữa đỉnh răng vít và thành vỏ có dạng như sau:

Hình 5-10 Khe hở giữa đỉnh răng và vỏ.

Theo tài liệu [1] trang 203 áp suất phía sau khe hở nằm trong giới hạn 0,1÷0,4 [at], nhiệt độ trước khe hở khi thử nghiệm đối với không  khí 275÷295 [^oK].

Ta chọn p₂ = 1,1 [at], T = 293 [^oK].

Theo tài liệu [14] trang 180 ta có ta giải bài toán dòng khí theo điều kiện dòng Fanno cho dòng khí có vận tốc cao.

·            Chiều dài của khe nhỏ vì vậy diện tích truyền nhiệt nhỏ, với lưu lượng khối lượng vì vậy sự truyền nhiệt là không đáng kể.

·            Xem như khe giữ nhiệt.

Để giải bài toán dòng khí đi qua khe có vận tốc cao theo điều kiện Fanno ta xem như dòng khí đi qua một van an toàn vào thiết bị ngưng, và tạm thời xem như dòng khi được xả ra khí quyển. Kết quả thỏa đáng có thể nhận được với giả thuyết dòng Fanno như khí lý tưởng với số mũ đẵng entropi k = 1,3.

Theo tài liệu [14] trang 22 ta xác định được vận tốc âm thanh theo công thức sau:

                                                                                                        (5-40)

Ta có:

        R: Hằng số không khí

        T = 20+273 = 293 [^oK].

(5-40)  ®

Theo tài liệu [14] trang 137 thì hệ số Mach giới hạn được xác định theo công thức sau :

                                                                              (5-41)

®

Như vậy vận tốc giới hạn của dòng khí được xác định như sau :

®

Theo tài liệu [14] trang 137 ta có :

                                                                                                         (5-48)

(5-48) ®  ®  ®

®

Theo tài liệu [14] trang 125 đối với k = 1,3, M^T = 0,769, tra bảng ta được hệ số tổn thất .

Như vậy diện tích khe hở được tính như sau :

Theo tài liệu [14] trang 136 ta có phương trình sau :

                                                             (5-49)

Từ phương trình (5-49) ta suy ra được lưu lượng khối lượng rò rỉ :

                                                                          (5-50)

®

5.8 Tính chọn động cơ điện.

Theo tài liệu [15] trang 297 ta có công thức xác định công suất cần thiết trên động cơ điện.

                                                                                                      (5-51)

                                                                                                        (5-52)

Trong đó:

         h₁ = 0,94 - hiệu suất của bộ truyền đai.

         h₂ = 0,995 - hiệu suất của một cặp ổ lăn.

         h₃ = 1 – hiệu suất của cặp răng vít.

Ta sử dụng bốn ổ lăn nên hiệu suất truyền động được tính như sau:

(5-52) ®

(5-51) ®

5.8.1 Chọn động cơ điện.

Với công suất động cơ yêu cầu N_đc = 6,069 [kw], theo tài liệu [18] ta chọn loại động cơ điện Yb2-132S2-2 có công suất N₁ = 7,5 [kw], có số vòng quay n₁ = 2900 [vg/ph].

Hình 5-11 Động cơ điện Yb2-132S2-2.

5.8.2 Tính bộ truyền đai.

Theo tài liệu [15] trang 84 ta xác định đường kính bánh đai chủ động theo công thức sau:

                                                                                   (5-53)

Trong đó:

         D₁: Đường kính bánh đai chủ động [mm].

         N₁: Công suất của động cơ điện [kw].

         n₁: Số vòng quay của động cơ điện [vg/ph].

(5-53) ®

Cần kiểm nghiệm vận tốc đai theo điều kiện sau:

                                                                           (5-54)

®

Theo tài liệu [15] trang 93 thì ta chọn đường kính bánh đai chủ động theo tiêu chuẩn, với công suất động cơ điện N₁ = 7,5 [kw] với vận tốc đai lớn hơn 10 [m/s] loại đai hình thang kiểu ь, B. Như vậy ta chọn loại đai ь và đường kính bánh đai chủ động D₁ = 160 [mm].

Theo yêu cầu tại trục vít chủ động phải đạt tốc độ n₂ = n_max = 4157 [vg/ph]. Ta phải tính chọn đường kính bánh đai bị động.

Ta có tỉ số truyền của bộ truyền đai như sau:

                                                                                                             (5-55)

®

 Tính đường kính bánh đai bị động, được xác định teo công thức sau:

                                                                                               (5-56)

Trong đó:

          x = 0,02 hệ số trượt của bánh đai.

(5-56) ®

Theo tài liệu [15] trang 93 ta chọn đường kính bánh đai theo tiêu chuẩn, như vậy ta chọn D₂ = 110 [mm].

Ta xác định lại vận tốc đai.

(5-54) ®

Theo tài liệu [15] trang 85 ta có công thức xác định chiều dài tối thiểu của đai.

                                                                                                       (5-57)

Trong đó: u_max = 3÷5.

(5-57) ®

Theo tài liệu [15] trang 92 ta chọn chiều dài của đai theo tiêu chuẩn sau: L = 1800 [mm].

Theo tài liệu [15] trang 83 ta xác định khoảng cách giữa hai trục của bộ truyền.

                              (5-58)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

®

Ta lấy A = 688 [mm]. Theo tài liệu [15] trang 86, ta tính kiểm nghiệm lại theo điều kiện sau:

                                                                                                 (5-59)

® , như vậy góc ôm đủ lớn để đai khỏi bị trượt.

Theo tài liệu [15] trang 83 ta có công thức xác định góc ôm của bánh đai.

+ Bánh chủ động.

                                                                                   (5-60)

®

+ Bánh chủ động.

                                                                                  (5-61)

®

Theo tài liệu [15] trang 95,90,92 ta chọn:

Ø  Ứng suất có ích cho phép [s_p]_o = 1,67 [N/mm²].

Ø  Hệ số xét đến ảnh hưởng của chế độ tải trọng C_t = 0,6.

Ø  Hệ số xét đến ảnh hưởng của góc ôm C_a = 1.

Ø  Hệ số xét đến ảnh hưởng của vận tốc C_v = 0,74.

Ø  Diện tích tiết diện đai F = 138 [mm²].

Theo tài liệu [15] trang 94 ta xác định được số đai cần thiết theo công thức sau:

                                                                                       (5-62)

®

Như vậy ta chọn Z = 3 [dây đai].

Theo tài liệu [15] trang 96 ta xác định chiều rộng của bánh đai theo công thức sau:

                                                                                               (5-63)

Trong đó: Theo tài liệu [15] trang 257 ta có các kích thước của bánh đai hình thang như sau:

         t = 20 [mm]

         S = 12,5 [mm]

         h_o = 5 [mm]

(5-63) ®

Đường kính ngoài bánh đai được xác định theo công thức sau:

+ Bánh chủ động:

                                                                                                  (5-64)

+ Bánh bị động:

                                                                                                 (5-65)

(5-64) ®

(5-65) ®

Theo tài liệu [15] trang 96 ta xác định lực căng ban đầu S_o và lực tác dụng lên trục R theo công thức sau:

+ Lưc căng ban đầu đối với mỗi đai:

                                                                                                         (5-66)

Trong đó:

         s_o: Ứng suất ban đầu, [N/mm²].

         F: Diện tích một đai [mm²].

(5-66) ®

+ Lực tác dụng lên trục:

                                                                                             (5-67)

®

6. Tính bền các chi tiết của máy nén khí trục vít.

6.1 Xác định kích thước trục để lắp ổ lăn trên  trục vít chủ động.

Theo tài liệu [2] trang 74, dựa theo kết quả thí nghiệm của Giáo sư Stosic trên máy nén khí có biên dạng kiểu ‘N’ Rotor, có số mối răng vít 5/6, ta có độ thị biểu diễn sự quan hệ giữa áp suất nén theo góc quay trục vít chủ động.

Hình 6-1 Độ thị thể hiện quá trình nén khí của trục vít.

Qua đồ thị ta nhận thấy ta nhận thấy áp suất đạt cực đại p_max = 9 [bar], ứng với góc quay trục vít chủ động f = 288 [^o].

Tải trọng áp suất tác dụng lên trục vít theo góc quay của trục vít phân bố theo chiều dài của trục vít được thể hiện qua hình sau:

Hình 6-2 Tải trọng áp suất phân bố theo chiều dài trục vít.

Để xác định đường kính trục để lắp ổ lăn, ta xét tại mặt cắt mà ở đó áp suất trong buồng làm việc là lớn nhất.

p_max = 9 [bar] = 0,9 [N/mm²].

6.1.1 Xác định tải trọng tác dụng lên trục vít chủ động và xác định kích thước tại mặt cắt nguy hiểm.

Đối với trục vít chủ động ngoài tải trọng của áp suất thì còn chịu tải trọng do mô men từ động cơ nên ta xét trục tại mặt cắt nguy hiểm chịu tải trọng áp suất lớn nhất.

                                                                                                 (6-1)

®

Trục vít được đặt trên hai ổ lăn được xem như hai gối tựa cố định, tải trọng áp suất tác dụng lên trục vít chủ động theo hai hướng: Hướng kính và hướng dọc trục, vì vậy ta có sơ đồ tải trọng áp suất tác dụng lên trục vít như sau:

Hình 6-3 Tải trọng tác dụng lên trục vít.

Tải trọng tiếp tuyến do áp suất sinh ra:

                                                                                               (6-2)

®

Tải trọng pháp tuyến do áp suất sinh ra:

                                                                                               (6-3)

®

Theo tài liệu [15] trang 55 ta có công thức xác định mô men xoắn tác dụng lên trục vít như sau:

                                                                                       (6-4)

Trong đó:

         M_1x: Mô men xoắn tác dụng lên trục vít chủ động [N.mm]

         N_1max: Công suất đặt lên trục vít chủ động [kw]

         n₁: Số vòng quay của trục vít chủ động [vg/ph]

(6-4) ®

Theo tài liệu [15] trang 55 ta có công thức xác định lực tác dụng lên trục vít như sau:

+ Lực tiếp tuyến.

                                                                                                     (6-5)

®

+ Lực dọc trục.

                                                                                                 (6-6)

®

+ Lực hướng tâm:

                                                                                               (6-7)

Trong đó:

         a_n: Góc ăn khớp, đối với trục vít ta xem như bánh răng trụ răng nghiêng nên theo tài liệu [15] ta chọn a_n = 20^o.

(6-7) ®

Như vậy tổng các lực tác dụng lên trục vít chủ động.

+ Lực tiếp tuyến:

+ Lực dọc trục:

+ Lực hướng kính:

F_1r = F_1rm = 234,881 [N].

Theo tài liệu [15] trang 114, xác định sơ bộ đường kính lắp ổ lăn trục vít, được xác định theo công thức sau:

                                                                                                  (6-8)

Trong đó:

         d₁: Đường kính trục để lắp ổ lăn [mm].

         M_1x: Mô men xoắn [Nmm].

         [t]_x: Ứng suất xoắn cho phép [N/mm²], đối với vật liệu thép sử dụng để thiết kế trục vít tại tiết diện nguy hiểm thì thông thường có thể lấy [t]_x = 10÷13 [N/mm²], đối với trục vít máy nén khí ta chọn sơ bộ [t]_x = 10 [N/mm²].

(6-8) ®

Theo tài liệu [16] trang 7,8; dựa vào đường kính trục để lắp ổ lăn tính sơ bộ ta chọn ổ lăn cho máy nén khí trục vít NJ 204 ET7 có đường kính trong d_b = 20 [mm], bề rộng của ổ lăn B_b = 14 [mm].

Theo tài liệu [17] trang 10 thì để làm kín phía cửa đẩy trục vít thì sử dụng hai đệm kín: PS-Seal Standart Sizes có đường kính trong d_s1 = 20 [mm] và chiều rộng của của đệm làm kín B_s1 = 8 [mm].

 Sơ đồ lực phân bố trên trục vít chủ động và biểu đồ nội lực.

Hình 6-4 Sơ đồ phân bố lực trên trục vít chủ động và biểu đồ nội lực.

+ Xác định phản lực tại các gối đỡ:

Viết phương trình mô men đối với điểm A:

                                               (6-9)

                                                                    (6-10)

(6-9) ®

(6-10) ®

®

®

Tính mô mem uốn tại tiết diện nguy hiểm: m-m.

                                                                                     (6-11)

Trong đó:

                                                                               (6-12)

®

                                                                                                    (6-13)

®

(6-11) ®

Theo tài liệu [15] trang 117 ta xác định được mô men tương đương theo công thức sau:

                                                                                     (6-14)

Trong đó:

M_td: Mô men tương đương.

M_u, M_x: Mô men uốn và xoắn ở tiết diện nguy hiểm.

 (6-14) ®

Xác định đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm m-m:

                                                                                                    (6-15)

Trong đó:

[s_b] ứng suất cho phép [N/mm²].

Vật liệu để chế tạo chi tiết trục vít máy nén khí, chịu tải trọng phức tạp, đặc biệt là phía cửa đẩy của máy nén khí trục vít, trục vít chịu tải trọng tiếp tuyến, dọc trục, hướng kính, vì vậy vật liệu chọn phải phải đảm bảo độ bền, trong quá trình nén áp suất tác dụng lên bề mặt vít có sự dao động nên vật liệu chọn phải chịu được độ bền mỏi, ngoài ra vật liệu chọn phải chịu được độ võng, chống mài mòn tốt do tiếp xúc, chống oxy hóa tốt khi tiếp xúc với các chất khí.

Theo tài liệu [19] trang 155 để thỏa mãn các yêu cầu trên ta chọn thép các bon chất lượng theo tiêu chuẩn (GOCT 4543-71), có mác thép 40Cr có ứng suất bền [s_b] = 1000 [Mpa], thép 40Cr là loại thép kết cấu rẻ tiền.

(6-15) ®

6.1.2 Xác định tải trọng tác dụng lên trục vít bị động và xác định kích thước tại mặt cắt nguy hiểm.

- Số vòng quay trên trục bị động:

                                                                                                             (6-16)

®

- Công suất trên trục chủ động:

(6-4) ®

+ Lực tiếp tuyến:

(6-5) ®

+ Lực dọc trục:

(6-6) ®

+ Lực hướng tâm:

(6-7) ®

- Tải trọng áp suất sinh ra trên trục vít bị động.

                                                                                                (6-17)

®

Trục vít được đặt trên hai ổ lăn được xem như hai gối tựa cố định, tải trọng áp suất tác dụng lên trục vít bị động theo hai hướng: Hướng kính và hướng dọc trục.

Tải trọng tiếp tuyến do áp suất sinh ra:

                                                                                               (6-18)

®

Tải trọng pháp tuyến do áp suất sinh ra:

                                                                                               (6-19)

®

Như vậy tổng các lực tác dụng lên trục vít bị động.

+ Lực tiếp tuyến:

+ Lực dọc trục:

+ Lực hướng kính:

F_2r = F_2rfm = 351,810 [N].

Sơ đồ lực phân bố trên trục vít bị động và biểu đồ nội lực.

Hình 6-5 Sơ đồ phân bố lực trên trục vít bị động và sơ đồ nội lực.

- Xác định các phản lực tại gối đỡ.

+ Viết phương trình mô men đối với điểm C.

                                                       (6-20)

                                                                    (6-21)

(6-20) ®

(6-21) ®

                                                                                (6-20)

                                                                               (6-21)

(6-20) ®

(6-21) ®

Tính mô men uốn tại tiết diện n-n:

(6-11) ®                                                                     (6-22)

Trong đó:

(6-22) ®

(6-14) ®                                                                    (6-23)

®

(6-16) ®

Theo tài liệu [16] trang 7 dựa vào đường kính lắp ổ lăn tiêu chuẩn ta chon d = 20 [mm], B = 14 [mm], tải trọng tĩnh C_or­ = 25700 [N].

6.2 Tính bền trục vít.

6.2.1 Xác định độ bền uốn của trục vít.

Giả sử trục vít như một dầm chịu uốn thuần túy phẳng, nên ta sử dụng bài toán uốn ngang thuần túy phẳng để giải.

Hình 6-6 Mặt cắt trục vít chủ động dầm chịu uốn ngang thuần túy.

Theo giả thuyết về mặt cắt ngang phẳng thì trên mặt cắt ngang của dầm chỉ có ứng suất s_z. Theo các giả thuyết về các thớ dọc thì s_x = s_x = 0.

Nên                                                                                          (6-24)

Mặt khác theo định luật Hook ta có:

                                                                                              (6-25)

Trong đó:

         y: Khoảng cách từ thớ đang xét đến thớ trung hòa.

         r: Bán  kính cong.

Thế (6-25) vào (6-24) ta được:

                                                                 (6-26)

Thế (6-26) vào (6-25) ta được.

                                                                                                       (6-27)

ö Đối với trục vít chủ động:

+ Mô mem xoắn tác dụng trên trục vít bị động theo trục Ox.

                                                                                                    (6-28)

®

+ Xác định mô mem quán tính.

Ta dùng phần mềm AutoCAD ta xác định được các thông số trên:

J_x = 411010,052 [mm⁴].

y = 13,794 [mm].

(6-27) ®

Đối với vật liệu ta chọn là thép kết cấu hợp kim theo tiêu chuẩn (GOCT 4543-71), có mác thép 40Cr có ứng suất bền [s_b] = 1000 [Mpa] thì thỏa mãn.

ö Đối với trục vít bị động.

+ Mô mem uốn tác dụng lên trục vít chủ động theo trục Ox.

                                                                                                     (6-29)

®

Hình 6-7 Mặt cắt trục vít bị động dầm chịu uốn ngang thuần túy.

+ Xác định mô men quán tính.

Ta dùng phần mềm AutoCAD xác định được các thông số trên.

J_x = 117790,560 [mm⁴].

y = 10,561 [mm].

(6-27) ®

Đối với vật liệu ta chọn là thép kết cấu hợp kim theo tiêu chuẩn (GOCT 4543-71), có mác thép 40Cr có ứng suất bền [s_b] = 1000 [Mpa] thì thỏa mãn.

6.2.2 Xác định độ bền xoắn của trục vít.

Ta giả sử trục vít như một thanh tròn chịu xoắn, vì vậy ta đưa ra các giả thuyết sau:

·     Giả thuyết 1(về mặt cắt ngang): Trước và sau biến dạng các mặt cắt ngang vẫn phẳng, vuông góc với trục thanh và khoảng cách giữa chúng không thay đổi.

·     Giả thuyết 2 (về bán kính): Trước và sau biến dạng các bán kính vẫn thẳng và có chiều dài không đổi.

·     Giả thuyết 3 (về các thớ): Trong quá trình biến dạng các thớ dọc không ép lên nhau hoặc đẩy nhau.

Hình 6-8 Quá trình biến dạng của trục vít khi chịu mô men xoắn.

Ta tưởng tượng tách một phân tố ABCDEFGH trên trục vít chịu xoắn thuần túy giới hạn bởi:

·     Hai mặt cắt 1-1, 2-2 cách nhau dz.

·     Hai mặt trụ có bán kính r và r + dr.

·     Hai mặt phẳng chứa trục thanh và hợp với nhau một góc da.

Theo giả thuyết 1,3 thì s_x = s_y = s_z = 0. Theo giả thuyết 2 không có thành phần ứng suất tiếp dọc theo phương bán kính, vậy chỉ có một thành phần ứng suất tiếp theo phương tiếp tuyến t_r.

Sau khi biến dạng mặt phẳng 1-1 sẽ xoay đi một góc j so với mặt cắt ngang ở đầu mút trái, mặt cắt ngang 2-2 có hoành độ z + dz sẽ xoay đi một góc j + dj ở mặt cắt ngang ở đầu mút trái. Như vậy góc xoắn tương đối giữa mặt phẳng 1-1 và 2-2 là một góc dj. Ta có thể giả thuyết 1-1 đứng yên còn 2-2 xoay đi một góc dj, A, B, C, D lần lượt đến A’, B’, C’, D’.

Gọi g_r = ÐAEA’ là góc trượt tương đối giữa hai mặt cắt 1-1, 2-2, do t_r gây ra.

Theo hình vẽ ta có:

                                                                                           (6-30)

Vì biến dạng bé nên suy ra được .

                                                                                                         (6-31)

Theo định luật hooke về trượt ta có:

                                                                                                         (6-32)

Trong đó:

         G: Mô đun chống xoắn.

         t_r: Ứng suất tiếp trên phân tố cách tâm trục một đoạn r.

Từ (6-31) và (6-32) ®                                                             (6-33)

t_r phân bố bậc nhất theo r, t_r phân bố trên diện tích dF quanh điểm ta khảo sát gây ra mô men uốn so với trục z.

                                                                                                  (6-34)

Hợp của các mô men vi phân dM_z chính là mô men xoắn nội lực M_z.

®                                                                                                   (6-35)

Æ Đối với trục vít chủ động.

Mô men xoắn:

Mô mem quán tính:

J_p = J_x + J_y = 411010,052 + 411010,050 = 822020,102[mm⁴]

Bán kính quán tính:

(6-35) ®

Theo thuyết bền thế năng biến đổi hình dạng, ứng suất giới hạn được xác định như sau:

                                                                                                       (6-36)

®

 vì vậy trục vít đủ bền theo ứng suất tiếp.

Æ Đối với trục vít bị động.

Mô men xoắn:

Mô mem quán tính:

J_p = J_x + J_y = 117790,560 + 117790,560 = 235581,120[mm⁴]

Bán kính quán tính:

(6-35) ®

 vì vậy trục vít đủ bền theo ứng suất tiếp.

6.2.3 Xác định độ bền uốn của trục vít.

Lực tác dụng trên trục vít để làm biến dạng trục vít chủ yếu là lực hướng kính F_r, ta xem lực hướng kính phân bố đều trên một đơn vị chiều dài của trục vít.

Sơ đồ lực phân bố trên trục vít chủ động như sau:

Ta viết phương trình mô men uốn tại mặt cắt có hoành độ z:

                                                                                                (6-37)

Theo tài liệu [20] trang 72 ta có phương trình vi phân tổng quát của đường đàn hồi gần đúng như sau:

                                                                                                       (6-38)

Thay biểu thức (6-37) vào (6-38) ta được phương trình vi phân của đường đàn hồi như sau:

                                                                                            (6-39)

Để được phương trình của góc xoay ta lấy tích phân cấp một phương trình (6-39) ta được.

                                                                           (6-40)

Tích phân cấp hai ta được phương trình đàn hồi.

                                                                         (6-41)

Với trục vít được bố trí như hình vẽ ta có điều kiện biên như sau:

z = 0; y = 0.                                                                                                     (6-42)

z = l; y = 0.                                                                                                      (6-43)

Thay (6-42), (6-43) vào (6-41) ta được: D = 0,

Như vậy phương trình góc xoay và độ võng được viết lại như sau:

                                                                         (6-44)

                                                                        (6-45)

© Xét trục vít chủ động.

Đối với vật liệu ta chon 40Cr thì có modul đàn hồi E = 218800 [Mpa].

J_x = 411010,052 [mm⁴].

Như vậy góc xoay và độ võng của trục vít tại vị trí có tọa độ z = 53,298[mm].

(6-44) ®

(6-45) ®

Vậy độ biến dạng của trục vít chủ động nhỏ hơn khe hở ta đã chọn.

© Xét trục vít chủ động.

Đối với vật liệu ta chon 40Cr thì có modul đàn hồi E = 218800 [Mpa].

J_x = 117790,560 [mm⁴].

Như vậy góc xoay và độ võng của trục vít tại vị trí có tọa độ z = 53,298 [mm].

(6-44) ®

(6-45) ®

Vậy độ biến dạng của trục vít chủ động nhỏ hơn khe hở ta đã chọn.

7. Hướng dẫn sử dụng.

7.1 Vận hành máy nén khí trục vít.

7.1.1 Khởi động lần đầu tiên.

Mọi hoạt động phải tuân theo các biện pháp an toàn sau:

ü   Nếu máy nén khí được di chuyển và nâng phải cẩn thận không được làm hỏng phần làm việc trong suốt quá trình nâng và vận chuyển, máy nén phải được đặt trong rãnh có khung.

ü   Chắc chắn rằng vỏ áo máy nén không được nhô ra bên ngoài khung, máy nén có thể được nâng lên khi được chèn đòn qua rãnh, chắc chắn rằng đòn không bị trượt. Dây buộc vào phải được giữ song song khi được căng ra đều không làm hỏng máy nén, thiết bị nâng phải được đặt trên đường mà máy nén phả được nâng vuông góc. Trong quá trình nâng phải nhẹ nhàn, êm dịu, tránh bị xoắn.

ü   Kỹ thuật viên điện đấu hệ thống điện cung cấp cho động cơ điện, và các hệ thống điện có liên quan, và chắc chắn rằng quá trình kết nối tốt.

ü   Kỹ thuật viên thủy lực thiết kế hệ thống cung cấp khí nén đến nơi tiêu thụ, và đảm bảo rằng quá trình kết nối được thông suốt.

7.1.2 Trước khi khởi động.

Nếu máy nén không hoạt động trong vòng 6 tháng phải bôi trơn máy nén trước khi khởi động.

Máy nén có nhiều thuộc tính nên bật công tắc điện trong 4 giờ để hâm nóng thùng chứa dầu bôi trơn, thiết bị lọc, bộ phận tách dầu.

Kiểm tra mức dầu trong bình, thay dầu cần thiết nếu thấy dầu bẫn, dầu phải chứa trong bình tới mức qui định.

Kiểm tra bầu lọc không khí nếu có bụi bẫn tiến hành súc bầu lọc không khí.

7.1.3 Quá trình khởi động.

Bật công tắc điện, kiểm tra các đèn tín hiệu đảm bảo hệ thống vẫn hoạt động bình thường.

Mỡ van của nạp, và van đẩy, bấm nút khởi động máy nén khí, cho đến khi động cơ chạy và duy trì tốc độ thiết kế.

Nếu quá trình làm việc liên tục có thể dầu làm làm mát bị hao hụt nên thường xuyên quan sát trên trên vạch báo dầu để mà châm thêm dầu.

7.1.4 Quá trính dừng máy.

Ấn nút dừng, máy nén khí sẽ dừng lại, đóng van nạp và van đẩy lại. Tiến hành mở van thoát nước ngưng tụ lại trong các thiết bị tách khí và dầu và thiết bị lọc.

Tắt công tắt điện, đóng các thiết bị liên quan.

8. Kết luận.

Ngày nay nhu cầu sử dụng máy nén khí trong công nghiệp là rất lớn, không chỉ trong công nghiệp mà trong gia dụng sinh hoạt, các thiết bị nén khí khác không mang lại hiệu suất cao như máy nén khí trục vít, độ bền và tuổi thọ của máy nén khí trục vít cao, chi phí bảo dưỡng thấp.

Máy nén khí trục vít ra đời từ rất sớm, nhưng việc thiết kế và chế tạo gặp nhiều khó khăn, đặc biệt trong việc chế tạo để đạt hiệu suất cao đòi hỏi kỹ thuật cao, ngày nay với sự trợ giúp của máy tính và các thiết bị gia công có độ chính xác cao nên con người đã dần dần hoàn thiện những ưu điểm của máy nén khí trục vít.

Bước đầu thiết kế một thiết bị thật mang tính chất thực tiển em gặp rất nhiều khó khăn, nhưng em cũng rất cố gắng và miệt mài làm việc và cũng đã cơ bản thiết kế những phần quan trọng của máy nén khí trục vít.

Do chỉ dừng lại đề tài thiết kế lý thuyết nên em cũng chưa có thể tiến hành kiểm lại nghiệm thực tiển, nhưng em đem kết quả tính toán được so sánh với các số liệu mà các hãng đã chế tạo và đo thực nghiệm thì không khác nhau bao nhiêu.

Qua đề tài này mạng lại cho em kiến thức và kỹ năng để thiết kế và ứng dụng các thiết bị trong công nghiệp cũng như trong gia dụng trong sinh hoạt hằng ngày, nhằm góp phần thúc đẩy sự phát triển của đất nước.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. TS. Bùi Quốc Thái, Hà Nội 2007. Máy nén khí trục vít . NXB Bách khoa.

[2]. N. Stoic, I. Smith, A. Kovacevic, London February 2005. Screw compressor mathematical modelling and performance calculation. Printed in Neitherlands.

[3]. Doctor of philosophy Nagam Seshaiah, Rourkele Indian 2006. Exprimental and computational studies on oil injected twin-screw compressor. National Institute of technology.

[4]. TS. Huỳnh Văn Hoàng, Đà Nẵng 8-2005. Thủy khí ứng dụng. Lưu hành nội bộ ĐHBK Đà Nẵng.

[5. Royce N. Brown, Houston Texas 1997. Compressors selection and sizing. Printed in The United States of America.

[6]. PTS. Nguyễn Bốn, PTS Hoàng Ngọc Đồng, Đà Nẵng 1999. Nhiệt kỹ thuật. NXB Giáo dục.

[7]. http://www.brugarolas.com/html/eng/inicio_.php

[8]. HARTFORD COMPRESSORS. Engineering data sheets.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"