KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
57
BÀI BÁO KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ QUẠT LY TÂM HIỆU SUẤT CAO
Nguyễn Thị Nhớ
1
, Nguyễn Văn Tuấn
2
Tóm tắt: Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số kết hợp với nghiên
cứu thực nghiệm để thiết kế quạt ly tâm được ứng dụng để cung cấp không khí, hút khói lò hơi hoặc
dùng trong hệ thống sấy của nhà máy sản xuất công - nông nghiệp. Bài toán ổn định 3 chiều (3D) được
sử dụng cho quạt có các thông số lưu lượng Q là 17.500 m
3
/h tại nhiệt độ không khí 170
o
C với tốc độ
quay guồng cánh n là 1950 vòng/phút. Các kết quả cho thấy, tại điểm thiết kế, chênh áp tổng đạt 3131,5
Pa và hiệu suất đạt 79,1%. Kết quả thực nghiệm đạt 81,64% khi đo test thực tế tại Nhơn Trạch - Đồng
Nai ở điều kiện môi trường không có nhiệt độ 35÷36
o
C. Độ lớn của vận tốc duy trì ổn định, không có
giá trị cục bộ ngoại lệ, vận tốc lớn nhất trong guồng cánh đạt 98,87 m/s. Nghiên cứu đã chứng minh
hiệu quả của một quy trình tích hợp từ thiết kế lý thuyết, mô phỏng, gia công chế tạo đến thực nghiệm.
Đây là tài liệu tham khảo quan trọng hỗ trợ cho kỹ sư trong nước trong việc nắm bắt công nghệ thiết kế
và chế tạo quạt ly tâm.
Từ khóa: Quạt ly tâm, mô phỏng, thực nghiệm, guồng cánh.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
*
Quạt ly tâm là một loại quạt công nghiệp được
thiết kế để tạo lực hút và lực đẩy không khí thông
qua guồng cánh và vỏ xoắn ốc. Quạt được sử dụng
rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và
thương mại, từ thông gió cửa hàng đến xử lý vật
liệu, ứng dụng nồi hơi, vận chuyển khí hoặc vật
liệu và phổ biến nhất trong ngành công nghiệp
HVAC ngày nay (HVAC - Heating, Ventilating,
and Air Conditioning - gọi chung là hệ thống điều
hòa không khí). Vấn đề tối ưu hiệu suất, vận hành
ổn định và bền được quan tâm nhiều nhất. Nhiều
nghiên cứu đã tập trung vào tối ưu hóa biên dạng
lá cánh, điều chỉnh các thông số kỹ thuật, áp dụng
vật liệu mới và nhẹ, cùng với kỹ thuật sản xuất
tiên tiến để tạo ra cánh quạt nhẹ và cứng. Các quạt
ly tâm với lá cánh có hình dạng Aerofoil được
xem xét là những loại cánh quạt có hiệu suất cao
nhất trong tất cả các loại (Gingery, 2012). (Idris
và nnk, 2015) đã sử dụng các mối tương quan
thực nghiệm và các phương trình động học của
tuabin để thiết kế các bộ phận của quạt ly tâm cho
buồng đốt tầng sôi và họ đã chế tạo một quạt
1
Trường Đại học Thủy lợi
2
Công ty Cổ phần giải pháp tự động hoá kỹ thuật
Việt Nam - AES
hướng tâm có cánh cong về phía trước từ một tấm
thép nhẹ có độ dày 3 mm. Nghiên cứu thực
nghiệm của họ cho thấy quạt ly tâm được chế tạo
có dung tích không khí là 0,121 m
3
/giây, tạo ra áp
suất tổng cộng 5307 N/m
2
. (Rao và nnk, 2020) đã
thực hiện mô phỏng cho quạt có cánh cong và
nghiêng về phía trước, số lượng cánh quạt là 10 và
8 trong mỗi trường hợp. Họ đã chỉ ra rằng cánh
quạt có cánh nghiêng về phía trước với 10 cánh
mang lại áp suất tĩnh tốt hơn với tốc độ thay đổi
tương ứng khi so sánh với các cánh quạt
khác. Trong tài liệu của (Varun và nnk, 2023),
nghiên cứu ảnh hưởng của số cánh đến hiệu suất
của quạt ly tâm với các phương án 8, 10, 12, 14
trong khi vẫn giữ tất cả các thông số giống hệt với
điểm thiết kế (lưu lượng không khí 7 m
3
/s tạo ra
tổng áp suất ở đầu ra của quạt là 2.000 Pa trong
khi cánh quạt chạy ở tốc độ 1.500 vòng/phút).
Bằng cách tính toán lý thuyết để thiết kế sơ bộ
cánh quạt cong ngược có 11 cánh (MD1). Kết quả
cho thấy khi số cánh Z = 14 thì áp suất tổng tăng
21,77% và hiệu suất tăng 5,74% so với điều kiện
điểm thiết kế. Quạt ly tâm được mô phỏng thành
công khi độ hội tụ tốt <10
−5
. (Patel, 2013) đã đề
xuất một phương pháp thiết kế dựa trên tính toán
hiệu suất một chiều cho quạt ly tâm và máy bơm
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
58
và họ so sánh kết quả của chúng với các phương
pháp bán thực nghiệm cổ điển. Sau đó nghiên cứu
đã sử dụng ANSYS CFX để tối ưu hóa bằng
phương pháp Tauguchi. Thông qua nhiều lần hiệu
chỉnh cánh, cánh cuối cùng có góc đặt tại mép vào
là 18,5
o
, góc ra 24,5
o
, số cánh 12, áp suất cửa ra là
2.145Pa, vận tốc cửa ra là 32,57m/s và hiệu suất
máy đạt 32,81% và lệch 0,8% khi so sánh với các
kết quả thực nghiệm. Việc sử dụng phương pháp
Tauguchi không phải là một phương pháp tối ưu hóa
truyền thống, mà thực tế là một phương pháp phân
tích và đánh giá hiệu suất của một thiết bị cụ thể,
trong trường hợp này là quạt ly tâm. Phương pháp
Tauguchi được sử dụng để đánh giá hiệu suất của
quạt ly tâm dựa trên các thông số kỹ thuật và điều
kiện hoạt động cụ thể. (Singh, 2005) đã thảo luận về
ảnh hưởng của các tham số hình học của một quạt ly
tâm có lưỡi cong về phía sau và cong về phía trước.
Kết quả cho thấy việc tăng số lưỡi cản trở gia tăng
hệ số dòng đi kèm theo tăng hệ số công suất.
(Chaudhari và Patel, 2025) đã thiết kế một máy thổi
ly tâm có cánh quạt cong về phía trước, thiết kế vỏ
xoắn ốc sử dụng phương trình năng lượng dòng
chảy ổn định và tiến hành phân tích mô phỏng số
3D. Họ đã chỉ ra rằng các kết quả lý thuyết và số học
gần với điều kiện điểm thiết kế hơn. (Chunxi và nnk,
2011) đã thảo luận về ảnh hưởng của việc làm to
bánh quạt trong một vỏ xoắn không đổi đối với hiệu
suất của quạt ly tâm loại G4-73. Kết quả cho thấy áp
suất tổng tăng sau khi làm to bánh quạt. Trong
nghiên cứu của (Cardillo và nnk, 2014) đã trình bày
một phương pháp mô hình hóa giải mã nguồn mở
OpenFOAM cho quạt ly tâm yêu cầu lưu lượng
221m
3
/s. Quạt thiết kế có hiệu suất lên đến 82%, lớn
lớn hơn 3% so với thực nghiệm. Ở Việt Nam,
nghiên cứu tương tự của (Quân & Hiếu, 2017) đã sử
dụng công cụ ANSYS CFX để kiểm tra lại các kết
quả thực nghiệm cho quạt ly tâm công nghiệp công
suất 5,5KW. Kết quả sai số về hiệu suất là dưới 5%.
Kết quả hiệu suất theo mô phỏng là 35,75% trong
khi thực nghiệm là 38,5%.
Như vậy có thể thấy, các mẫu quạt ly tâm hiện
đại thường được thiết kế dựa trên sự kết hợp của
lý thuyết, các kỹ thuật mô phỏng số và nghiên cứu
thực nghiệm. Các kết quả tiên tiến nhất trên thế
giới cho thấy quạt ly tâm có thể hoạt động với
hiệu suất lên đến 82%. Tuy nhiên, trong môi
trường nghiên cứu ở Việt Nam, vẫn còn những
thách thức do hạn chế về phòng thí nghiệm và
thiết bị đo lường. Trong nghiên cứu này, nhóm
nghiên cứu sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng số
ANSYS CFX phiên bản 2022 R2 và 3D Simerics
MP+ kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để để
tính toán, thiết kế và gia công chế tạo cho một
quạt ly tâm với các yêu cầu cụ thể.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Cơ sở lý thuyết và thông số thiết kế
Trong nghiên cứu này, mô hình của quạt ly tâm
có yêu cầu lưu lượng 17500 m
3
/h, chênh áp tổng
3750 Pa, tốc độ quay guồng cánh 1950 vòng/phút,
nhiệt độ lưu chất 170
o
C. Quạt được ứng dụng
cung hút đẩy không khí nóng từ bộ sấy Calorifer
tới sấy thùng quay. Việc tính toán và xây dựng
biên dạng lá cánh và guồng cánh quạt ly tâm được
thực hiện bằng phương pháp lý thuyết cơ bản
trong tài liệu (Gingery, 2012; Benlloch, 2004).
Kết quả tính toán lý thuyết, hiệu chỉnh và đánh giá
qua mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm cho
dưới hình 1 và bảng 1.
Bảng 1. Các thông số hình học quạt ly tâm AES.FAN175003750
Tên thông số Đơn vị Giá trị
Số lá cánh Z 9
Bề dày cánh e [mm] 5
Biên dạng lá cánh Circular 2D (axial)
Đường kính guồng cánh inlet D
S
[mm] 401
Đường kính guồng cánh outlet D
2
[mm] 937
Bề rộng cánh inlet b
LE
[mm] 173
Bề rộng cánh outlet b
2
[mm] 106
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
59
Đường kính guồng cánh D
2
= 947 mm thuộc dòng
I175003750, làm từ vật liệu thép SS400 hoặc không
rỉ SUS304. Guồng cánh có kết cấu hàn từ các tấm
kim loại kết nối với cụm mây ơ trục thông qua bu-
lông và lông đền chống tụt. Thiết kế của guồng cánh
được tính toán từ phần mềm Cfturbo thuộc dòng ly
tâm thấp áp (low pressure) để đạt hiệu suất cao. Lá
cánh và tấm vòng trên được gia công từ khuôn dập
nguội kim loại. Guồng cánh được mô phỏng dòng
chảy CFD để kiểm tra hiệu suất và chênh áp tổng, áp
tĩnh, và tối ưu trước khi đưa vào sản xuất để đáp ứng
yêu cầu từ khách hàng cuối cùng.
Hình 1. Thông số hình học guồng cánh
Hình 2. Đánh giá sai số gia công chế tạo guồng cánh
Ngoài ra, nghiên cứu sử dụng phân tích mô phỏng
FEA để kiểm tra sức bền kết cấu kim loại và phân
tích tần số dao động cộng hưởng tương ứng với tốc
độ tới hạn đầu tiên. Gia công guồng cánh thực tế để
giảm chi phí khi không sử dụng khuôn dập nguội,
bằng cách làm đơn giản tấm Shroud - tấm vòng trên
thông qua hàn 1 trụ vào tấm trụ côn và sử dụng
scan3D để đánh giá sai số gia công (hình 2).
2.2. Phương pháp nghiên cứu mô phỏng
Một trong những khó khăn nhất khi dự đoán
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
60
hiệu suất của quạt ly tâm là do cấu trúc (biên
dạng) của lưỡi cánh quạt. Sau đó là tính chất
không ổn định của dòng chất lưu trong khu vực
tương tác giữa guồng cánh và côn khuếch tán
(họng). Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử
dụng phần mềm ANSYS CFX phiên bản 2022 R2
và 3D Simerics MP - là một công cụ hiệu quả để
dự đoán hiệu suất, đánh giá phân bố vận tốc, áp
suất và dễ dàng hiệu chỉnh thiết kế (Jasmina,
Dragica, & Dragan, 2014; Derakhshan &
Nourbakhsh , 2008).
Lưới có cấu trúc được sử dụng cho toàn miền
tính toán bao gồm phần miền hút (inlet), phần
miền thoát (outlet), phần guồng cánh (impeller)
và phần vỏ bao quạt (volute) (hình 3). Để thông
tin tính toán giữa các phần được truyền tải chính
xác, lưới tại các mặt phân cách được làm mịn.
Toàn bộ quá trình xây dựng lưới được thực hiện
bởi phần mềm Simerics MP+ có bản quyền.
Bảng 2 cho thấy các thông số về lưới tại các
vùng tương ứng.
Nghiên cứu áp dụng phần mềm Simerics MP+
để hỗ trợ quá trình chia lưới đã cho thấy những kết
quả đáng kể về tốc độ so với các phần mềm mô
phỏng khác. Điều này cho phép mô phỏng các
trường hợp phức tạp một cách hiệu quả hơn. Cụ
thể, đối với quạt ly tâm AES.FAN175003750 với
3.429.106 triệu ô lưới, thời gian mô phỏng để đạt
được hội tụ chỉ mất 30 phút. Mức độ hội tụ tốt.
Bảng 2. Thông số lưới
Thông số Giá trị
Loại lưới Hexahedral
Số phần tử 3.429.106
Số mặt 11.667.695
Số nút 4.318.437
Vỏ xoắn
Guồng cánh
Miền hút
Hình 3. Mô hình lưới
Hầu hết các lưới được tạo ra là các ô lục diện
Descrteas (Hexahedral) rất thích hợp cho nhiều bài
toán cần độ chính xác cao. Để có cùng mức độ
chính xác thì lưới lục diện cần ít phần tử hơn lưới
tứ diện (Tetrahedral). Điều kiện biên “Total
pressure” được sử dụng tại cửa vào miền hút. Điều
kiện biên “Volume flux” được sử dụng tại cửa vào
cửa ra vỏ xoắn với lưu lượng được áp đặt bằng.
Liên kết vận tốc - áp suất được giải thông qua thuật
toán CGS, AMG. Hạng tử đối lưu được xấp xỉ bởi
sai phân tiến (2
nd
order upwind), và hạng tử khuếch
tán được xấp xỉ bởi sai phân trung tâm bậc 2.
3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
3.1. Kết quả tính mô phỏng dòng khí
Hình 4a cho chúng ta thấy hình ảnh tổng thể
phân bố trường dòng vận tốc đi qua các vùng khối
của quạt ly tâm. Nhìn chung, vận tốc phân bố đều,
dòng chảy ổn định và không có xoáy. Đường dòng
chuyển động mượt mà từ vùng làm việc của cánh
quạt đến vùng vỏ xoắn ốc. Độ lớn của vận tốc duy
trì ổn định, không có giá trị cục bộ ngoại lệ (như
quá cao hoặc quá thấp). Hình 4b thể hiện phân bố
áp suất dọc theo máng cánh và trong cả guồng
cánh. Kết quả cho thấy sự phân bố trường áp suất
trên mặt lưng và bụng cánh tốt. Phân bố trường áp
suất lưng và bụng cánh có thể thấy không có
vùng áp cao trên lưng cánh do tác dụng của dòng
chất khí bị đẩy bởi cánh tiếp sau. Nghĩa là dòng
khí không bị cản trở bởi hiện tượng chờm cánh
nên cho chất lượng động lực học tốt. Tại đầu vào
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
61
của guồng cánh, giá trị áp suất trung bình P
1
=100000 Pa và áp suất trung bình tại mặt cắt cửa
ra P
2
= 103194,8 Pa. Hình 4c cho thấy vận tốc
tăng dần theo chiều dòng khí, sự biến đổi dần
năng lượng từ thế năng sang động năng trên bề
mặt lá cánh, vận tốc tương đối lớn nhất đạt 98.87
m/s. So sánh với các nghiên cứu của (Idris và
nnk, 2015); (Lucio và nnk, 2014) cho thấy phân
bố vận tốc trong máng cánh của nghiên cứu là
hợp lý.
a) Trường vận tốc và trường dòng
b) Phân bố áp suất tổng
c)Trường vận tốc tương đối
Hình 4. Kết quả mô phỏng
Hình 5. Đường đặc tính của quạt
từ các kết quả mô phỏng
Quạt thường có tỷ số nén thấp, cho phép xem
xét không khí như không bị nén. Tuy nhiên, mô
phỏng CFD cho thấy sau khi qua guồng cánh,
nhiệt độ của không khí tăng lên. Lý thuyết giải
thích rằng không khí ban đầu được hút vào khe lá
cánh, và năng lượng chúng nhận được chủ yếu là
năng lượng cơ học thông qua tương tác với bề mặt
lá cánh. Điều này làm tăng áp suất tĩnh và áp suất
động dẫn đến một phần không khí bị nén và nội
năng của khí tăng, kèm theo đó là tăng nhiệt độ.
Kết quả mô phỏng CFD cho thấy rằng
AES.FAN175003750 có nhiệt độ lưu chất ban đầu
là 170
o
C và tăng lên 178
o
C sau khi ra khỏi quạt.
Điều này có lợi ích đặc biệt cho các ứng dụng quạt
trong ngành công nghiệp sấy, giúp giảm tiêu hao
năng lượng nhiệt.
Hình 5 cho thấy sự thay đổi số vòng quay n,
công suất yêu cầu P và hiệu suất của quạt theo
lưu lượng khi dòng khí tại 170
o
C. Tại điểm thiết
kế, lưu lượng 17500 m
3
/h, chênh áp tổng 3131,5
Pa, tốc độ quay guồng cánh 1950 vòng/phút,
hiệu suất đạt 79,1%, công suất yêu cầu là P =
20,68kW. Với kết quả này cho thấy quạt đươc