Quạt hướng trục

Xem thêm thông tin: Quạt cơ khí

Một quạt hướng trục (axial fan) là một loại quạt làm cho khí đi qua nó theo hướng trục, song song với trục mà các cánh quay quanh. Dòng chảy là hướng trục ở cả đầu vào và đầu ra. Quạt được thiết kế để tạo ra sự chênh lệch áp suất, và do đó tạo ra lực, nhằm gây ra dòng chảy qua quạt. Các yếu tố quyết định hiệu suất của quạt bao gồm số lượng và hình dạng của cánh. Quạt có nhiều ứng dụng bao gồm trong ống thử gió và tháp giải nhiệt. Các thông số thiết kế bao gồm công suất, lưu lượng, độ tăng áp suất và hiệu suất.

Quạt hướng trục thường có ít cánh hơn (hai đến sáu) so với quạt ly tâm. Quạt hướng trục thường có bán kính lớn hơn và tốc độ thấp hơn (ω) so với quạt có ống dẫn (đặc biệt khi cùng công suất. Ứng suất tỷ lệ với r^2).

Tính toán các thông số

Do việc tính toán không thể thực hiện bằng các tam giác vận tốc tại đầu vào và đầu ra như các máy tuabin khác, nên việc tính toán được thực hiện bằng cách xét một trung bình tam giác vận tốc cho dòng chảy qua một phần tử cánh vi phân. Cánh được chia thành nhiều phần tử nhỏ và các thông số khác nhau được xác định riêng cho từng phần tử. Có hai lý thuyết giải các thông số của quạt hướng trục:

• Lý thuyết dòng trượt (Slipstream Theory)
• Lý thuyết phần tử cánh (Blade Element Theory)

Lý thuyết dòng trượt

Sự biến thiên của áp suất và vận tốc dòng chảy qua đĩa chân vịt.

Trong hình, độ dày của đĩa chân vịt được giả thiết là không đáng kể. Ranh giới giữa chất lỏng đang chuyển động và chất lỏng đứng yên được thể hiện. Do đó, dòng chảy được giả thiết diễn ra trong một ống hội tụ tưởng tượng trong đó:

• D = Đường kính đĩa chân vịt.
• D_s = Đường kính tại đầu ra.

Các thông số tại −∞ và +∞ và mối quan hệ của chúng

Thông số	Áp suất	Khối lượng riêng	Vận tốc	Đình trệ enthalpy	Enthalpy tĩnh
−∞	Pa	ρa	Cu (vận tốc phía trước)	hou	hu
+∞	Pa	ρa	Cs (vận tốc dòng trượt)	hod	hd
Quan hệ	Bằng nhau	Bằng nhau	Không bằng nhau	Không bằng nhau	Bằng nhau
Ghi chú	Áp suất là áp suất khí quyển ở cả −∞ và +∞	Khối lượng riêng bằng nhau	Vận tốc thay đổi do dòng chảy qua ống hội tụ giả định	Enthalpy đình trệ khác nhau	Enthalpy tĩnh giống nhau do phụ thuộc điều kiện khí quyển

Trong hình, qua đĩa chân vịt, vận tốc (C₁ và C₂) không thể thay đổi đột ngột vì sẽ tạo ra sóng xung kích, nhưng quạt tạo ra chênh lệch áp suất qua đĩa.

$C_{\rm {1}}=C_{\rm {2}}=C$ và $P_{\rm {1}}\neq P_{\rm {2}}$

• Diện tích đĩa chân vịt:

$A={\frac {\pi D^{2}}{4}}$

• Lưu lượng khối qua chân vịt:

${\dot {m}}={\rho AC}$

• Lực đẩy theo trục:

$F_{\rm {x}}={\dot {m}}{(C_{\rm {s}}-C_{\rm {u}})}={\rho AC}{(C_{\rm {s}}-C_{\rm {u}})}$

• Áp dụng nguyên lý Bernoulli:

${\begin{aligned}P_{a}+{\frac {1}{2}}{\rho C_{u}^{2}}&=P_{1}+{\frac {1}{2}}{\rho C^{2}}\\P_{a}+{\frac {1}{2}}{\rho C_{s}^{2}}&=P_{2}+{\frac {1}{2}}{\rho C^{2}}\end{aligned}}$

Suy ra:

$P_{2}-P_{1}={\frac {1}{2}}\rho (C_{s}^{2}-C_{u}^{2})$

• Lực đẩy:

$F_{x}=A(P_{2}-P_{1})={\frac {1}{2}}\rho A(C_{s}^{2}-C_{u}^{2})$

So sánh:

$C={\frac {C_{s}+C_{u}}{2}}$

Đặt tham số a:

$C=(1+a)C_{u}$

$C_{s}=(1+2a)C_{u}$

• Biến thiên enthalpy:

$\Delta h_{o}={\frac {1}{2}}(C_{s}^{2}-C_{u}^{2})$

• Công suất lý tưởng:

$P_{i}={\dot {m}}\Delta h_{o}$

• Công suất hữu ích:

$P=F_{x}C_{u}$

• Hiệu suất:

$\eta _{p}={\frac {C_{u}}{C}}={\frac {1}{1+a}}$

• Phương trình liên tục:

$D_{s}^{2}=\left({\frac {1+a}{1+2a}}\right)D^{2}$

Lý thuyết phần tử cánh

Cánh dài với tiết diện thay đổi.

Trong lý thuyết này, một phần tử nhỏ được xét và lực được phân tích.

Các lực và vận tốc tác dụng lên phần tử.

Phân tích lực:

$\Delta F_{x}=\Delta L\sin(\beta )-\Delta D\cos(\beta )$

$\Delta F_{y}=\Delta L\cos(\beta )+\Delta D\sin(\beta )$

$\Delta L={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}(ldr)$

$\Delta D={\frac {1}{2}}C_{D}\rho w^{2}(ldr)$

$\tan(\phi )={\frac {C_{D}}{C_{L}}}$

$\Delta p={\frac {1}{2}}C_{L}\rho w^{2}({\frac {l}{s}}){\frac {\sin(\beta -\phi )}{\cos \phi }}$

$\Delta Q=r\Delta F_{y}$

Đặc tính làm việc

Hình này thể hiện đường đặc tính của quạt hướng trục.

Mối quan hệ giữa sự biến thiên áp suất và lưu lượng là các đặc tính quan trọng của quạt. Các đặc tính điển hình của quạt hướng trục có thể được nghiên cứu thông qua các đường đặc tính làm việc. Đường đặc tính của quạt hướng trục được thể hiện trong hình. (Đường thẳng đứng nối điểm hiệu suất cực đại được vẽ và cắt đường áp suất tại điểm "S")

Từ đường đặc tính có thể rút ra:

1. Khi lưu lượng tăng từ 0, hiệu suất tăng đến một giá trị cực đại rồi giảm.
2. Công suất của quạt tăng gần như tuyến tính với độ dốc dương.
3. Dao động áp suất xuất hiện ở lưu lượng thấp và tại vùng lưu lượng tương ứng điểm "S", áp suất giảm.
4. Sự biến thiên áp suất ở bên trái điểm "S" gây ra dòng chảy không ổn định do hai hiện tượng: stall và surge.

Nguyên nhân dòng chảy không ổn định

Hiện tượng stall và surge ảnh hưởng đến hiệu suất, cánh quạt và đầu ra của quạt, do đó là không mong muốn. Chúng xảy ra do thiết kế không phù hợp, đặc tính vật lý của quạt và thường đi kèm với việc phát sinh tiếng ồn.

Hiện tượng stall (tách dòng)

Nguyên nhân là do dòng chảy tách khỏi bề mặt cánh. Hiện tượng này có thể giải thích tương tự như dòng chảy qua cánh khí động. Khi góc tới tăng (trong điều kiện vận tốc thấp) tại đầu vào của cánh, dạng dòng chảy thay đổi và xảy ra tách dòng. Đây là giai đoạn đầu của stall, tại đó dòng chảy bị tách tạo thành xoáy và dòng chảy ngược trong vùng tách.

Để hiểu thêm về stall và stall quay, xem surge máy nén. Vùng stall của quạt đơn và quạt vận hành song song được thể hiện trong hình.

Hình thể hiện vùng dễ xảy ra stall đối với một quạt và hai quạt chạy song song.

Từ đồ thị có thể rút ra:

• Khi quạt vận hành song song, hiệu suất thấp hơn so với từng quạt riêng lẻ.
• Quạt nên vận hành trong vùng an toàn để tránh hiện tượng stall.

Biến tần (VFD) không phù hợp với một số quạt hướng trục

Nhiều sự cố hỏng quạt hướng trục đã xảy ra khi các cánh điều chỉnh góc bị khóa cố định và sử dụng biến tần (VFD). VFD không phù hợp với một số quạt hướng trục. Các quạt có vùng mất ổn định lớn không nên vận hành ở góc cánh, tốc độ quay, lưu lượng khối và áp suất khiến quạt rơi vào điều kiện stall.

Hiện tượng surge

Surge không nên nhầm với stall. Stall xảy ra khi không đủ không khí vào cánh gây tách dòng. Surge là hiện tượng mất ổn định toàn hệ dẫn đến phá vỡ hoàn toàn dòng chảy trong quạt, chủ yếu do ba nguyên nhân:

• Surge hệ thống
• Surge của quạt
• Vận hành song song

Surge hệ thống

Xảy ra khi đường đặc tính trở lực hệ thống và đường áp suất tĩnh của quạt có độ dốc tương tự hoặc gần song song. Khi đó, thay vì cắt nhau tại một điểm, chúng giao nhau trên một vùng → gây surge hệ thống. Hiện tượng này ít gặp ở quạt hướng trục.

Surge của quạt

Hiện tượng không ổn định này xảy ra do sự hình thành các gradient áp suất ngược chiều dòng chảy. Áp suất lớn nhất tại phía xả của cánh quạt (impeller), và nhỏ nhất ở phía đối diện. Khi cánh không quay, gradient áp suất ngược sẽ đẩy dòng chảy theo hướng ngược lại. Kết quả là dao động cánh, gây rung động và tiếng ồn.

Vận hành song song

Hiện tượng này chỉ xảy ra khi có nhiều quạt. Lưu lượng của các quạt được nối chung đầu vào hoặc đầu ra. Điều này gây tiếng ồn, cụ thể là hiện tượng beat khi các quạt chạy song song. Để tránh hiện tượng này có thể thay đổi điều kiện đầu vào, tốc độ quay của quạt, v.v.

Phương pháp tránh dòng chảy không ổn định

Bằng cách thiết kế cánh quạt với tỷ lệ hub-tip hợp lý và tối ưu số lượng cánh để tránh tách dòng trên bề mặt cánh, các hiện tượng này có thể được giảm thiểu. Một số biện pháp:

• Tái tuần hoàn phần không khí dư qua quạt
• Vận hành quạt ở tốc độ thấp (vì quạt hướng trục là thiết bị tốc độ riêng cao)
• Sử dụng cánh hướng dòng (guide vane) để điều khiển dòng
• Giảm dòng rối ở đầu vào/ra để tránh stall
• Tạo dòng chảy dòng chảy tầng bằng cách bổ sung stato

Xem thêm

• Quạt cơ khí
• Chân vịt (tàu thủy)
• Chân vịt (máy bay)
• Quạt công nghiệp
• Quạt trần
• Turbofan
• Chân vịt có ống dẫn
• Quạt cửa sổ
• Surge máy nén
• Stall máy nén
• Cavitation

Liên kết ngoài

• Plastic blades for gas turbine engines