Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió" được nghiên cứu với mục tiêu: Xây dựng cơ sở khoa học để phục vụ cho việc tính toán xác định giá trị tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió nhằm nâng cao vận tốc và áp lực của dòng không khí phun vào đám cháy, giảm trọng lượng máy từ đó nâng cao hiệu quả chữa cháy rừng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP GIANG QUỐC NAM NGHIÊN CỨU TỐI ƯU MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG SỨC GIÓ TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội, năm 2023
Luận án được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Phạm Văn Tỉnh; 2. TS. Trần Văn Tưởng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại: ………………………………………………………… ...................................................................................................... Vào hồi: giờ phút, ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia và Thư viện trường Đại học Lâm nghiệp Hà Nội, năm 2023
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Các số liệu Thống kê của Cục Kiểm lâm (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn) và Niên giám thống kê (Tổng cục Thống kê) cho thấy, trong khoảng hơn 10 năm của giai đoạn 2012 - 2022, nạn cháy rừng đã thiêu hủy hơn 21 nghìn ha rừng của Việt Nam, gây thiệt hại lớn về kinh tế cho đất nước. Đứng trước những hiểm hoạ do cháy rừng gây ra, các nhà khoa học trên thế giới không ngừng nghiên cứu, cải tiến các phương pháp phòng và chữa cháy rừng, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra. Mỗi loại thiết bị chỉ phù hợp với điều kiện nhất định, nên khi áp dụng các thiết bị chữa cháy rừng của nước ngoài vào điều kiện rừng của Việt Nam chưa phù hợp. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao cho Trường Đại học Lâm nghiệp chủ trì thực hiện đề tài trọng điểm cấp nhà nước: “Nghiên cứu công nghệ và thiết kế chế tạo các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng”, mã số KC07.13/06-10. Một trong những kết quả của đề tài đã thiết kế chế tạo và khảo nghiệm máy chữa cháy rừng bằng sức gió, bước đầu đã cải thiện hiệu quả dập lửa, phù hợp với điều kiện địa hình ở Việt Nam, hiện nay máy đã được áp dụng ở một số địa phương. Tuy nhiên đề tài cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10 chỉ tập trung vào thiết kế chế tạo và khảo nghiệm các tính năng kỹ thuật của máy, chưa đi sâu nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán thiết kế máy, cũng như chưa có điều kiện nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của máy. Mặt khác khi sử dụng máy chữa cháy còn một số hạn chế như vận tốc và áp lực dòng khí phun vào đám cháy chưa cao, trọng lượng máy vẫn còn khá nặng, chưa phù hợp địa hình dốc cao. Để có cở sở khoa học phục vụ việc tính toán thiết kế và hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng sức gió tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió”. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Xây dựng cơ sở khoa học để phục vụ cho việc tính toán xác định giá trị tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió nhằm nâng cao vận tốc và áp lực của dòng không khí phun vào đám cháy, giảm trọng lượng máy từ đó nâng cao hiệu quả chữa cháy rừng.
2 3. Những đóng góp mới của luận án 1. Luận án đã xây dựng được mô hình tính toán thông số quạt gió cao áp sử dụng để lắp vào máy chữa cháy rừng bằng sức gió, đã thiết lập được phương trình tính toán mặt cong của cánh quạt, phương trình vỏ quạt nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng máy. Kết quả tính toán là cơ sở để khảo sát ảnh hưởng của các thông số cánh quạt đến vận tốc và áp lực dòng khí phun ra của quạt gió cao áp, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo cánh quạt bằng công nghệ CNC. 2. Luận án đã tiến hành khảo sát được ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào β1, góc lắp ráp đầu ra β2, bán kính cong cánh quạt r, số lượng cánh quạt gió Z đến vận tốc và áp lực dòng khí phun ra ở cửa máy; đã xây dựng được đồ thị đường đặc tính của quạt gió cao áp để lắp vào động cơ máy chữa cháy rừng. 3. Bằng nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng và phương pháp quy hoạch thực nghiệm, luận án đã xác định được giá trị tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió đó là: Góc lắp ráp đầu vào của quạt gió β1 = 68,90; Góc lắp ráp đầu ra của quạt gió β2 = 1100; Bán kính cong của cánh quạt gió r = 24,2 mm; Số cánh của quạt gió cao áp Z = 22 cánh, các thông số trên là căn cứ khoa học để hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng sức gió. 4. Ý nghĩa khoa học của luận án Kết quả nghiên cứu của luận án đã xây dựng được cơ sở khoa học để tính toán các thông số động lực học của máy chữa cháy rừng bằng sức gió, đồng thời luận án đã xây dựng được phương pháp thực nghiệm xác định một số thông số tối ưu về kết cấu của quạt gió cao áp lắp trên máy chữa cháy rừng bằng sức gió. Từ kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm có thể làm tài liệu khoa học cho tính toán thiết kế, hoàn thiện các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng. 5. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Kết quả nghiên cứu của luận án được sử dụng cho việc thiết kế chế tạo và hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng sức gió do đề tài trọng điểm cấp nhà nước thiết kế chế tạo, ngoài ra còn sử dụng để làm tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo quạt gió cao áp sử dụng trong nông lâm nghiệp và công nghiệp. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Đặc điểm và nguyên lý của quá trình cháy rừng 1.1.1. Tình hình cháy rừng trên thế giới và ở Việt Nam Theo số liệu của Tổ chức Nông lâm Liên hợp quốc (FAO) và
3 Hệ thống Thông tin về cháy rừng của châu Âu (EFFIS) trong khoảng hơn 10 năm từ 2012 - 2022 diện tích rừng bị cháy trên toàn thế giới khoảng gần 98 triệu ha, trung bình khoảng 9,5 triệu ha rừng /năm. Ở Việt Nam trung bình hàng năm mất gần 2.000 ha rừng do cháy, vì vậy cháy rừng là vấn đề thời sự được Đảng, Chính phủ và các bộ ngành quan tâm, việc đầu tư nghiên cứu công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng nhằm hạn chế đến mức thấp nhất diện tích rừng bị cháy là nhiệm vụ cấp bách ở Việt Nam. 1.1.2. Đặc điểm và điều kiện hoạt động của các thiết bị chữa cháy rừng Cháy rừng thường xảy ra vào mùa khô, nguồn nước phục vụ cho công tác chữa cháy rừng là rất hạn chế, từ đó các thiết bị chữa cháy rừng sử dụng tác nhân chữa cháy là nước không phù hợp, không phát huy được hiệu quả chữa cháy. Cháy rừng diễn ra trên diện tích rộng, có độ dốc lớn, địa hình phức tạp, tốc độ lan truyền đám cháy nhanh. Do đó cần thiết phải có thiết bị chữa cháy rừng có tính cơ động cao, gọn nhẹ, có thể mang vác di chuyển trên địa hình độ dốc lớn, phức tạp và phải đáp ứng được yêu cầu hiệu quả dập lửa cao, giảm thiểu ảnh hưởng đến sức khỏe của người vận hành thiết bị. 1.1.3. Nguyên lý của quá trình chữa cháy - Cơ chế dập lửa vật lý: Cơ chế cách ly, cơ chế làm lạnh, cơ chế cách nhiệt, cơ chế che phủ, cơ chế làm loãng thể khí. - Cơ chế dập lửa hóa học: Cơ chế ngăn cắt oxy, cơ chế phản ứng dây chuyền, thay đổi con đường của phản ứng cháy. - Cơ chế dập lửa bằng sức gió: Cơ chế dập lửa bằng sức gió là dùng dòng không khí có vận tốc và áp lực lớn để hạ nhiệt độ của điểm cháy xuống dưới điểm bắt lửa đồng thời làm giảm nồng độ của chất khí sinh ra trong quá trình cháy xuống dưới nồng độ cần cho sự cháy, ngoài ra còn dùng dòng khí có tốc độ cao thổi bay các vật cháy nhẹ cách xa tuyến lửa để ngăn cản sự cháy lan. 1.2. Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng 1.2.1. Khái quát về công nghệ chữa cháy rừng Công nghệ chữa cháy rừng trực tiếp: Ngăn không cho Oxy tiếp xúc với vật cháy, kỹ thuật sử dụng phương pháp này là dùng nước, hoá chất hoặc dùng sức gió thổi vào vật cháy. Công nghệ chữa cháy rừng gián tiếp: Cách ly vật liệu cháy, mục đích của phương pháp này là cách ly triệt để giữa vật liệu đã cháy với vật liệu chưa cháy để cho đám cháy không cháy lan ra xung quanh.
4 1.2.2. Các công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng và quạt gió ly tâm cao áp trên thế giới Ở các quốc gia phát triển như Mỹ, Úc, Nhật Bản, Canada thì sử dụng các thiết bị chữa cháy rừng hiện đại như máy bay chữa cháy, xe ôtô chữa cháy,… Các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ có sự kết hợp các thiết bị chữa cháy hiện đại với các thiết bị chữa cháy nhỏ cầm tay như máy thổi gió, máy bơm nước. Hình 1.7. Máy chữa cháy rừng bằng sức gió MBH - 29 của Trung Quốc Bên cạnh đó, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu để cải tiến quạt gió ly tâm cao áp có thể áp dụng vào việc nâng cao hiệu suất máy chữa cháy rừng bằng sức gió. Kết quả các nghiên cứu trên cho thấy các tham số kết cấu quyết định tính năng, hiệu suất của quạt gió li tâm cao áp gồm: đường kính trong trong bánh công tác D1, đường kính ngoài bánh công tác D2, góc lắp ráp đầu vào cánh quạt  1, góc lắp ráp đầu ra cánh quạt 2, biên dạng cánh, số cánh quạt Z, chiều rộng cánh quạt b; bán kính cong của cánh quạt r, hình dạng vỏ quạt,... 1.2.3. Các công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng ở Việt Nam Ở Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng. Tác giả Phan Thanh Ngọ, đã nghiên cứu tạo ra được bình bơm nước đeo vai để chữa cháy rừng, bình chữa cháy này đã được Cục sở hữu công nghiệp cấp giấy chứng nhận kiểu dáng công nghiệp. Năm 2010, tác giả Dương Văn Tài đã công bố kết quả nghiên cứu đề tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10: “Nghiên cứu công nghệ và thiết kế chế tạo các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng”, kết quả của đề tài đã thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm máy chữa cháy rừng bằng sức gió.
5 Hình 1.9: Các thiết bị chữa cháy rừng do đề tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10 thiết kế chế tạo 1.3. Mục tiêu, nội dung, đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Xây dựng cơ sở khoa học để từ đó tính toán xác định giá trị tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió, bảo đảm vận tốc và áp lực gió phun vào đám cháy lớn, nhằm nâng cao hiệu quả dập lửa chữa cháy rừng. 1.3.2. Nội dung nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu lý thuyết: + Xây dựng mô hình tính toán vận tốc và áp lực dòng khí cần thiết để dập tắt đám cháy; + Xây dựng mô hình động học tính toán quạt gió cao áp; + Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến vận tốc và áp lực không khí của quạt gió cao áp. - Nghiên cứu thực nghiệm: - Xác định vận tốc và áp lực không khí miệng ống thổi để kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết; - Xác định ảnh hưởng của một số thông số đến vận tốc và áp lực không khí phun vào đám cháy; - Thiết lập phương trình hồi qui thực nghiệm; - Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu để xác định một số thông số tối ưu của máy. 1.3.3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án được lựa chọn là máy chữa cháy rừng bằng sức gió do đề tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10 thiết kế chế tạo được cấp bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 936. Qua quá trình sử dụng chữa cháy ở một số địa phương, máy chữa cháy rừng bằng sức gió còn một số những tồn tại sau:
6 - Lưu lượng, vận tốc và áp lực dòng không khí phun vào đám cháy còn ít, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả dập lửa của máy; - Trọng lượng của máy cao, từ đó ảnh hưởng đến quá trình di chuyển của thiết bị khi chữa cháy khu rừng có độ dốc lớn, địa hình phức tạp. 1.3.4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Áp dụng phương pháp nghiên cứu của cơ học lý thuyết, thủy khí động học, lý thuyết tính toán quạt gió cao áp, phương pháp mô phỏng, quy hoạch thực nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm: Luận án được thực hiện theo phương pháp đo lường các đại lượng không điện bằng điện. Kết luận chương 1 Sau khi nghiên cứu tổng quan Luận án rút ra một số kết luận: 1. Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu về các thiết bị chữa cháy rừng đã được công bố, các kết quả nghiên cứu đã được áp dụng vào sản xuất, đã tạo ra nhiều thiết bị chữa cháy rừng được sử dụng trong thực tế và cho hiệu quả chữa cháy cao. 2. Các công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng ở Việt Nam còn hạn chế, tuy nhiên các công trình này chủ yếu tập trung vào khâu thiết kế chế tạo, chưa có nhiều công trình nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học để phục vụ cho việc tính toán xác định giá trị tối ưu các thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió nhằm nâng cao vận tốc và áp lực của dòng không khí phun vào đám cháy. 3. Chưa có công trình nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió - sản phẩm của đề tài cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10. Như vậy việc luận án thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió” là cần thiết và mang tính thời sự nhằm tạo ra cơ sở khoa học để hoàn thiện thiết bị chữa cháy rừng hiện đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều địa phương, để nâng cao hiệu quả chữa cháy rừng. Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG SỨC GIÓ 2.1. Đặc điểm và yêu cầu của quạt gió cao áp lắp trên máy chữa cháy rừng bằng sức gió Yêu cần kỹ thuật của máy chữa cháy rừng bằng sức gió: - Vận tốc không khí phun ra ở miệng ống thổi ≥ 40m/s;
7 - Lưu lượng không khí phun ra ≥ 40 m3/phút; - Áp lực dòng không khí tại cửa ra của máy ≥ 20 N; - Trọng lượng máy ≤ 10KG. 2.2. Cấu tạo và các thông số của quạt gió cao áp 2.2.1. Cấu tạo của quạt gió cao áp sử dụng để lắp máy chữa cháy rừng bằng sức gió Cấu tạo của quạt gió cao áp được thể hiện trên hình 2.1. 3 4 2 1 Hình 2.1: Cấu tạo của quạt gió cao áp 1. Vỏ quạt gió; 2. Nắp đậy; 3. Bánh guồng; 4. Cánh quạt 2.2.2. Các thông số kết cấu cơ bản của quạt gió Các thông số kết cấu của quạt quyết định tính năng của máy gồm: Đường kính ngoài bánh guồng D2, đường kính trong bánh guồng D1, góc lối vào cánh quạt 1, góc lối ra cánh quạt 2, số cánh quạt Z, độ rộng cánh quạt b1, b2, bán kính cong của cánh quạt r, diện tích vào gió của lồng bảo vệ A, hình dạng vỏ quạt, … B 2 b2 Roration b1 D2 1 D1 r Hình 2.2: Kết cấu cơ bản của quạt gió cao áp 2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán quạt gió cao áp 2.3.1. Phương trình liên tục của dòng khí Để thiết lập phương trình liên tục của dòng khí, xét một tia dòng nguyên tố trong dòng khí chảy dừng có: 𝜌1 𝐹1 𝜔1 = 𝜌2 𝐹2 𝜔2 (2.1)
8 Hình 2.3: Mô hình tính toán dòng khí liên tục 2.3.2. Phương trình năng lượng 𝜔2 −𝜔2 - Độ biến thiên động năng: 𝑑𝐸 𝐾 = 2 1 𝑑𝐺 (2.2) 2 - Độ biến thiên thế năng: 𝑑𝐸 𝑇 = 𝑔(𝑧2 − 𝑧1 )𝑑𝐺 (2.3) - Độ biến thiên nội năng (nhiệt năng) bằng: 𝑑𝐸 𝑇 = (𝑈2 − 𝑈1 )𝑑𝐺 (2.4) Sau quá trình tính toán nhận được phương trình năng lượng cho một đơn vị khối lượng chất khí (1 đơn vị khối lượng): 2 2 𝑝 𝑝2 𝜔2 −𝜔1 𝑄 + ( 𝜌1 − 𝜌2 ) = 𝐿+ 𝐿 𝑚𝑠 + 𝑔(𝑧2 − 𝑧1 ) + (𝑈2 − 𝑈1 ) + ( 2 ) 1 (2.5) Luận án nghiên cứu với giả thiết bỏ qua sự ảnh hưởng của lực ma sát, nhiệt và biến thiên nội năng. 2.3.3. Chuyển động của phần tử chất khí trong máy chữa cháy rừng bằng sức gió Chia không gian có chứa luồng khí ra thành một khối thể tích cố định (khối thể tích không phụ thuộc vào thời gian) - khối thể tích này được giới hạn bởi mặt phẳng: Hình 2.4: Mô hình đường dòng của chất lưu 𝜕𝜌 thì phương trình liên tục dạng vector: 𝜕𝑡 + ∇(𝜌𝑣 ) = 0 ⃗ (2.6) 𝜕𝜌 hay là: ⃗ + ∇𝐹 = 0 𝜕𝑡 2.4. Xây dựng mô hình tính toán động lực học bánh guồng của quạt gió cao áp để lắp trên máy chữa cháy rừng bằng sức gió
9 2.4.1. Xây dựng mô hình tính toán vận tốc và áp lực của quạt gió cao áp  w 2 2 c2 w1 c1    u1 u2 n D1 D2 Hình 2.5: Sơ đồ tính toán vận tốc và áp lực dòng khí của quạt gió cao áp Khảo sát chuyển động của chất khí theo một trong những tia nguyên tố giữa hai bản lá kề nhau của bánh guồng (hình 2.5). Ký hiệu U1, W1 và C1 lần lượt là các vận tốc: tiếp tuyến, tương đối và tuyệt đối của chất khí ở lối vào của bánh guồng, còn U2, W2, C2 là các vận tốc tương ứng khi ra khỏi bản lá, ta có: 2 2 2 𝑊1 = 𝐶1 + 𝑈1 − 2𝐶1 𝑈1 cos 𝛼1 2 2 2 𝑊2 = 𝐶2 + 𝑈2 − 2𝐶2 𝑈2 cos 𝛼2 (2.7) Phương trình Becnuli (bỏ qua sức cản và chênh lệch cao độ) cho hai tiết diện tại điểm vào và điểm ra cánh quạt với áp suất tại các điểm tương ứng đó là p1 và p2: 𝑝1 2 𝑝2 2 𝐶2 𝛾 + 𝐶1 + 𝐻 𝑇∞ = 𝛾 + 2𝑔 (2.8) Sau tính toán và biến đổi được phương trình cột áp máy: 2 2 1 𝑈2 .sin 𝛽2 .cos 𝛼2 𝑈1 .sin 𝛽1 .cos 𝛼1 𝐻= ( − ) (2.9) 𝑔 sin(𝛼2 +𝛽2 ) sin(𝛼1 +𝛽1 ) Trên thực tế do có sức kháng của chất khí chuyển động và do số cánh trong bánh guồng có hạn, nên các phần tử chất khí không chuyển động theo đúng những quỹ đạo tính toán. Vì vậy năng lượng thực do máy tạo nên được tính theo công thức: 2 2 1 𝑈2 .sin 𝛽2 .cos 𝛼2 𝑈1 .sin 𝛽1 .cos 𝛼1 𝐻 = 𝑔( sin(𝛼2 +𝛽2 ) − sin(𝛼1 +𝛽1 ) ) .  𝑡𝑙 . K (2.10) Nhận xét: Từ công thức 2.10 tính toán áp lực của dòng không khí đầu ra miệng ống thổi của quạt gió cho thấy nhiều yếu tố ảnh hưởng đến áp lực của quạt gió, trong đó thông số góc lắp ráp đầu ra, đầu vào β2, β1 (đồng thời cũng quyết định giá trị của 1, 2), đường kính trong D1, đường kính ngoài D2, bán kính cong của cánh quạt r (liên quan đến β2, β1) là các thông số ảnh hưởng chính. Để biết quy luật ảnh hưởng của các tham số kết cấu của cánh quạt cần phải tiến hành khảo sát, kết quả khảo sát được trình bày trong chương 3.
10 2.5. Thiết lập phương trình mặt cong cánh quạt và vỏ quạt 2.5.1. Xây dựng mô hình thiết lập phương trình mặt cong cánh quạt Từ các phương trình trên để tính toán tối ưu giá trị các thông số của máy chữa cháy rừng, cần thiết lập phương trình biểu diễn sự liên hệ giữa các thông số của bánh guồng và vỏ quạt. Vỏ quạt được thiết kế có dạng xoắn ốc loga (Hình 2.6a). Các cánh quạt được gắn trên bánh guồng có dạng như ở hình 2.6b. a b Hình 2.9; 2.10: Cấu tạo vỏ quạt gió cao áp và bánh guồng Hình 2.11: Mô hình xây dựng mặt cong cánh quạt Hình 2.12: Sơ đồ tính toán thông số cánh quạt gió cao áp 2.5.2. Xây dựng phương trình mặt cánh quạt trong R3 - Xây dựng phương trình mặt cánh quạt trong hệ toạ độ O x’y’z’: Hệ trục tọa độ O x’y’z’ với O x’y’ nằm trên mặt phẳng đáy 1 1 1
11 đĩa quạt với trục O x’ trùng với O A (hình 2.7). Khi đó các điểm A, 1 1 B có tọa độ: A( r0 ,0 ,0 ) ; B( r0 cos  , r0 sin  ,0 ) (2.11) Hình 2.13: Hệ trục tọa độ để thiết lập phương trình Sau khi tính toán ta được biểu thức (2.12) biểu diễn tọa độ các điểm nằm trên mặt cong cánh quạt được viết trong hệ tọa độ Oxyz.: 𝛾 𝛾 𝛾 𝑥 𝑐𝑜𝑠𝜓 𝑠𝑖𝑛𝜓 0 𝑟0 [1 + 𝑐𝑜𝑠𝜉𝑐𝑜𝑠 𝑏 𝑡 + 𝑠𝑖𝑛𝜉𝑠𝑖𝑛 𝑏 + 𝑐𝑜𝑠 𝑏 𝑡] [ 𝑦] = [−𝑠𝑖𝑛𝜓 𝑐𝑜𝑠𝜓 0] [ 𝑟 [−𝑐𝑜𝑠𝜉𝑠𝑖𝑛 𝛾 𝑡 + 𝑠𝑖𝑛𝜉𝑐𝑜𝑠 𝛾 𝑡 + 𝑠𝑖𝑛 𝛾 𝑡] ] − 0 𝑧 0 0 1 𝑏 𝑏 𝑏 𝑡 ′ 𝑥0 ′ [ 𝑦0 ] (2.12) ′ 𝑧0 Giải các hệ phương trình trên bằng phần mềm Matlab sẽ được tọa độ các điểm trên mặt cong cánh quạt. Từ đây đưa các tọa độ này vào trong Solidworks ta thiết kế được các cánh quạt có mặt cong được xác định qua các tham số: D1, D2, r0, a, b, β, γ. 2.5.3. Xây dựng phương trình đường cong quanh vỏ quạt Phương trình đường cong bao quanh vỏ quạt có dạng xoắn ốc loga được biểu diễn trong hệ tọa độ cực Ox theo phương trình: 𝑟 = 𝑅0 𝑒 𝑘𝜑 (2.13) Ở đây (r, φ) - tọa độ cực, còn R0, k là các tham số cần xác định. Do đường cong (2.64) đi qua các điểm D và A nên ta có: 𝑟(𝜑0 ) = 𝑅0 𝑒 𝑘𝜑0 = 𝑅 (𝑎) { −3𝜋 𝑘 −3𝜋 (2.14) 𝑟 ( ) = 𝑅0 𝑒 = ℎ + 𝑅𝑠𝑖𝑛𝜑0 2 (𝑏) 2 Từ (a) và (b) có được: 3𝜋 𝑅 𝑒 𝑘(𝜑0 + 2 ) = ℎ+𝑅𝑠𝑖𝑛𝜑 (2.15) 0
12 2 𝑅 Do vậy, có được: 𝑘 = 2𝜑 +3𝜋 𝑙𝑛 ℎ+𝑅𝑠𝑖𝑛𝜑 (2.16) 0 0 −𝑘𝜑0 và 𝑅0 = 𝑅𝑒 (2.17) Biểu diễn (2.64) trong hệ tọa độ Đề - các Oxy ta được: 𝑥 = 𝑅0 𝑒 𝑘𝜑 . 𝑐𝑜𝑠𝜑 { (2.18) 𝑦 = 𝑅0 𝑒 𝑘𝜑 . 𝑠𝑖𝑛𝜑 3𝜋 với 𝜑 ∈ [− 2 , 𝜑0 ] còn các tham số k, R0 được xác định theo các phương trình (2.16) và (2.17). 2.6. Tính toán số lượng cánh quạt của quạt gió cao áp Giá trị tối ưu của số cánh quạt có thể thông qua mật độ cánh quạt (a 0) để biểu diễn: 𝑙 𝑎0 = 𝑡̅ (2.19) Trong đó: l - Độ dài cung của cánh; t - Bước cánh trung bình. 𝜋(𝐷1 +𝐷2) 𝑡̅ = 2𝑍 (2.20) Thay công thức (2.19) vào (2.20) ta được: 𝐿.2𝑍 𝜋𝑎 (𝐷1 +𝐷 ) 𝑎0 = 𝜋(𝐷 +𝐷 ) ℎ𝑎𝑦 𝑍 = 0 2.𝐿 2 (2.21) 1 2 Mật độ cánh quạt (a0) có thể lấy giá trị từ 1,2 - 1,8. 2.7. Tính toán công suất động cơ của máy chữa cháy Công suất động cơ được tính theo công thức sau: 𝑘.𝑄.∆𝑃 𝑁đ𝑐 = 102.𝜂ℎ𝑡 (𝐾𝑤) (2.22) Kết luận chương 2 1. Luận án đã xây dựng được mô hình tính toán động lực học của bánh guồng, đã thiết lập được công thức tính toán vận tốc và áp lực của dòng khí phun ra từ bánh guồng 2. Đã xây dựng được mô hình tính toán mặt cong của cánh quạt gió cao áp và phương trình vỏ quạt. Kết quả tính toán là cơ sở để khảo sát thông số của cánh quạt ảnh hưởng đến vận tốc và áp lực dòng khí phun ra của quạt gió cao áp, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo cánh quạt bằng công nghệ CNC. 3. Một số thông số chính ảnh hưởng đến áp lực của quạt gió bao gồm góc lắp ráp đầu vào β1, đầu ra β2, đường kính trong D1, đường kính ngoài D2, bán kính cong của cánh quạt r, số cánh quạt. 4. Luận án đã thiết lập được công thức tính toán một số thông số của quạt gió cao áp như số lượng cánh quạt, công suất động cơ của máy chữa cháy rừng bằng sức gió, kết quả nghiên cứu này là cơ sở để tính toán thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng sức gió.
13 Chương 3 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘNG LỰC HỌC QUẠT GIÓ CAO ÁP CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG SỨC GIÓ 3.1. Khảo sát đơn yếu tố một số thông số của cánh quạt ảnh hưởng đến vận tốc và áp lực dòng khí 3.1.1. Phần mềm khảo sát Luận án sử dụng phần mền Matlab để khảo sát ảnh hưởng của thông số kết cấu cánh quạt gió đến các đặc tính động lực học của cánh quạt. Việc giải phương trình (2.10) được thực hiện trên Matlab. 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến vận tốc và áp lực dòng khí của quạt gió Bài toán khảo sát: Góc lắp ráp đầu ra 2 = 900 - 1300, góc lắp ráp đầu vào 1 = 700, D2 = 180mm, D1 = 165mm, Z = 22 cánh, r = 25mm, n = 7.000 vòng/phút, kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.2 và hình 3.3. 70 Vận tốc dòng khí (m/s) 60 50 40 90 100 110 120 130 Gốc lắp ráp đầu ra 2 (độ) Hình 3.2: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến vận tốc dòng khí Áp lực dòng không khí (N) 26 21 16 11 6 1 90 100 110 120 130 Góc lắp ráp đầu ra 2 (độ) Hình 3.3: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến áp lực dòng khí Nhận xét: Quan hệ giữa vận tốc và áp lực dòng khí tại cửa ra của máy với góc lắp ráp đầu ra là quan hệ phi tuyến, trong trường hợp
14 các tham số khác cố định, khi góc lắp ráp đầu ra tăng từ 900 lên 1100 thì vận tốc và áp lực dòng không khí tăng lên, khi góc lắp ráp đầu ra tăng từ 1100 lên 1300 thì vận tốc và áp lực dòng không khí giảm đi, từ kết quả khảo sát cho thấy, góc lắp ráp đầu ra hợp lý từ 100 - 1200. 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào đến vận tốc và áp lực của dòng khí ra khỏi quạt gió Bài toán khảo sát: Thay đổi góc lắp ráp đầu vào β1 = 500 - 900, β2 =110 , D2 = 180 mm, D1 = 165mm, Z = 22 cánh, r = 25mm, n = 0 7.000 vòng/phút, kết quả khảo sát được thể hiện trên hình 3.4 và hình 3.5: Hình 3.4: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào đến vận tốc dòng khí đầu ra quạt gió 30 Áp lực dòng khí (N) 20 10 0 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Góc lắp ráp đầu vào beta1 (độ) Hình 3.5: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào đến áp lực dòng khí đầu ra quạt gió Quan hệ giữa vận tốc và áp lực dòng không khí đầu ra của cánh quạt gió với góc lắp ráp đầu vào là quan hệ phi tuyến, trong trường các tham số khác cố định, khi β1 tăng từ 500 lên 700 thì vận tốc và áp lực dòng không khí tăng lên, β1 tăng từ 700 lên 900 thì vận tốc và áp lực dòng không khí giảm đi, từ kết quả khảo sát cho thấy, góc lắp ráp đầu vào hợp lý nhất từ β1 = 60 - 800. 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của bán kính cong cánh quạt đến vận tốc và áp lực dòng khí quạt gió Khảo sát bài toán trong trường hợp bán kính cong cánh
15 quạt thay đổi từ 2cm đến 2,8cm, các tham số khác của cánh quạt lấy ở một giá trị cố định như sau: β1 = 700, β2 = 1100, D2 = 180 mm, D1 = 165 mm, Z = 22, n = 7.000 vòng/phút. Sự ảnh hưởng của bán kính cong cánh quạt đến vận tốc và áp lực của quạt gió được thể hiện trên hình 3.6 và hình 3.7. 80 Vận tốc dòng khí (m/s) 70 60 50 40 30 2 2.2 2.4 2.6 2.8 Bán kính cong của cánh quạt (cm) Hình 3.6: Ảnh hưởng của bán kính cong cánh quạt đến vận tốc dòng khí 30 Áp lực dòng khí (N) 25 20 15 10 5 0 2 2.2 2.4 2.6 2.8 Bán kính cong của cánh quạt (cm) Hình 3.7: Ảnh hưởng của bán kính cong cánh quạt đến áp lực dòng không khí Nhận xét: Quan hệ giữa bán kính cong cánh quạt với vận tốc và áp lực của quạt gió là hàm phi tuyến, khi bán kính cong cánh quạt tăng từ 2cm lên 2,4cm thì vận tốc và áp lực tăng lên, khi bán kính cong cánh quạt tiếp tục tăng từ 2,4cm lên 2,8cm thì vận tốc và áp lực dòng không khí giảm đi. Từ kết quả khảo sát cho thấy bán kính cong cánh quạt hợp lý nhất trong khoảng từ 2,2 - 2,6cm, khi đó vận tốc và áp lực không khí ở đầu ra quạt gió là lớn nhất.
16 3.2. Khảo sát đa yếu tố ảnh hưởng của các thông số cánh quạt đến vận tốc và áp lực dòng không khí đầu ra của quạt gió 3.2.1. Thông số đầu vào để khảo sát Bảng 3.1. Một số thông số đầu vào cố định để khảo sát vận tốc và áp lực của dòng không khí quạt gió cao áp TT Các thông số Đơn vị tính Giá trị 1 Đường kính D1 cm 14.9 2 Đường kính D2 cm 19.2 3 Số lượng cánh Z cánh 22 4 Số vòng quay n v/ph 7000 Bảng 3.2: Các thông số đầu vào thay đổi để khảo sát vận tốc và áp lực của dòng không khí quạt gió cao áp Bán kính Góc lắp ráp đầu Góc lắp ráp đầu TT cong r (cm) vào  1 (độ) ra  2 (độ) 1 2.0 75 139 2 2.1 77 137 3 2.2 79 136 4 2.3 80 134 5 2.4 82 133 6 2.5 83 132 7 2.6 84 131 8 2.7 85 130 9 2.8 86 129 3.2.2. Lựa chọn phần mềm để khảo sát Để khảo sát bán kính cong và góc xoắn của cánh quạt ảnh hưởng đến lưu áp lực và vận tốc dòng khí của quạt gió cao áp đã được xây dựng mô hình và thiết lập phương trình trong chương 2, luận án sử dụng modun CFD trong phần mềm Solidworks để chạy mô phỏng. 3.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của bán kính cong cánh quạt đến vận tốc, lưu lượng và áp lực quạt gió Sau khi chạy chương trình khảo sát, kết quả khảo sát được ghi lại trên hình 3.8; 3.9 và bảng 3.3.
17 a b Hình 3.8; 3.9: Kết quả mô phỏng vận tốc (a) và áp suất (b) dòng khí Bảng 3.3: Tổng hợp kết quả khảo sát đối với một số dạng mặt cánh quạt Bán Góc lắp Góc lắp Volume Averaged Averaged kính ráp đầu ráp đầu Flow TT Velocity Pressure cong r vào  1 ra  2 Rate [m/s] [Pa] (cm) (độ) (độ) [m3/s] 1 2.0 75 139 70.85 103684.6 0.4107 2 2.1 77 137 73.04 103924.2 0.4198 3 2.2 79 136 75.06 104073.8 0.4261 4 2.3 80 134 75.61 104557.9 0.4265 5 2.4 82 133 75.77 104976.5 0.4275 6 2.5 83 132 74.29 104727.9 0.4237 7 2.6 84 131 73.12 104309.3 0.4216 8 2.7 85 130 72.99 104071.5 0.4206 9 2.8 86 129 69.16 103869.4 0.4052 3.3. Xây dựng đường đặc tính của quạt gió cao áp để lắp vào máy chữa cháy rừng bằng sức gió Việc xây dựng đường đặc tính của quạt được thực hiện bằng phương pháp lý thuyết, kết hợp với thực nghiệm, kết quả được thể hiện trên hình 3.10: Hình 3.10: Đồ thị đường đặc tính của quạt gió cao áp để lắp vào máy chữa cháy rừng bằng sức gió
18 Nhận xét: - Đối với quạt gió cao áp quan hệ giữa áp lực, công suất, vận tốc với lưu lượng của máy quạt gió là tương quan phi tuyến. - Từ đường cong đặc tính trên chúng ta có thể sơ bộ xác định được các tham số hợp lý của quạt gió khi cho trước một số tham số động lực học của quạt gió. - Để xác định chính xác giá trị tối ưu của các tham số kết cấu của quạt gió cần kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. 3.4. Xác định một số thông số hợp lý của máy chữa cháy rừng Qua kết quả khảo sát chương 3, luận án xác định một số thông số hợp lý của máy để tính toán tối ưu như sau: - Góc lắp ráp đầu ra β2 hợp lý: từ 100 - 1200. - Góc lắp ráp đầu vào β1 hợp lý: từ 60 - 800. - Bán kính cong cánh quạt hợp lý: 2,2 - 2,6cm Kết luận chương 3 1. Đã khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào, góc lắp ráp đầu ra của cánh quạt gió đến vận tốc, áp lực dòng không khí đầu ra quạt gió. 2. Đã khảo sát ảnh hưởng của bán kính cong cánh quạt gió của cánh quạt đến vận tốc, áp lực và lưu lượng dòng khí ở đầu ra miệng ống thổi. 3. Đã tiến xây dựng đường đặc tính của quạt gió cao áp, từ đồ thị đường đặc tính xây dựng được có thể xác định sơ bộ một số tham số kết cấu của quạt gió cao áp. 4. Luận án đã xác định được một số thông số hợp lý của máy chữa cháy rừng bằng sức gió đó là: Góc lắp ráp đầu vào hợp lý trong khoảng β1 = 60 - 800; Góc lắp ráp đầu ra β2 = 100 - 1200; bán kính cong cách quạt gió từ 2,2 - 2,6 cm; Công suất động cơ từ 3,9 - 4,2 KW, kết quả này là sơ cở khoa học cho tính toán tối ưu và hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng sức gió. Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG SỨC GIÓ 4.1. Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm 4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm Xác định được ảnh hưởng của một số thông số kết cấu của quạt gió đến vận tốc áp lực, lưu lượng của dòng không khí đầu ra ở