Quạt hướng trục

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 
]]
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.
 Ds = Đường kính tại đầu ra.

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.
 và 

Diện tích đĩa chân vịt:

  
Lưu lượng khối qua chân vịt:

Lực đẩy theo trục:

Áp dụng nguyên lý Bernoulli:

Suy ra:

Lực đẩy:

So sánh:

Đặt tham số a:

Biến thiên enthalpy:

Công suất lý tưởng:

Công suất hữu ích:

Hiệu suất:

Phương trình liên tục:

Lý thuyết phần tử cánh 

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

Phân tích lực:

Đặc tính làm việc 

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:
 Khi lưu lượng tăng từ 0, hiệu suất tăng đến một giá trị cực đại rồi giảm.
 Công suất của quạt tăng gần như tuyến tính với độ dốc dương.
 Dao động áp suất xuất hiện ở lưu lượng thấp và tại vùng lưu lượng tương ứng điểm "S", áp suất giảm.
 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.

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

Ứng dụng của quạt hướng trục

Trong lĩnh vực Công nghiệp
Đây là mảng ứng dụng quan trọng nhất của quạt hướng trục nhờ khả năng hoạt động bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt.
 Thông gió nhà xưởng: Loại bỏ khí nóng, bụi bẩn và cung cấp khí tươi cho các khu chế xuất, nhà máy may mặc, linh kiện điện tử. 
 Làm mát máy móc: Lắp đặt trong các hệ thống giải nhiệt cho động cơ, máy nén khí hoặc các thiết bị phát sinh nhiệt lớn khi vận hành.
 Hệ thống sấy nông sản: Sử dụng để lưu thông không khí nóng trong các buồng sấy lúa, sấy thực phẩm hoặc sấy gỗ, giúp sản phẩm khô đều và nhanh.
 Hút mùi hóa chất: Các dòng quạt hướng trục gián tiếp (động cơ nằm ngoài) được dùng để hút hơi hóa chất, axit hoặc khí thải ăn mòn trong các phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất hóa chất.

Trong Xây dựng và Tòa nhà cao tầng
Quạt hướng trục đóng vai trò sống còn trong việc đảm bảo an toàn và tiện nghi cho các công trình dân dụng lớn.
 Hệ thống tăng áp cầu thang: Khi có hỏa hoạn, quạt tạo áp suất dương tại cầu thang bộ để ngăn khói tràn vào, giúp cư dân thoát nạn an toàn.
 Hút khói hành lang: Loại bỏ khói độc tại các sảnh và hành lang tòa nhà khi xảy ra sự cố cháy nổ.
 Thông gió tầng hầm: Hút khí thải độc hại từ phương tiện giao thông (CO, CO2) và cấp khí tươi để đảm bảo nồng độ oxy trong các bãi đỗ xe ngầm.

Trong Nông nghiệp công nghệ cao
 Làm mát trang trại: Sử dụng trong các trang trại chăn nuôi gia súc, gia cầm tập trung để điều hòa nhiệt độ, giúp vật nuôi phát triển tốt và giảm dịch bệnh.
 Nhà kính (Greenhouse): Điều tiết độ ẩm và nhiệt độ, tạo môi trường lưu thông không khí tối ưu cho cây trồng trong nhà màng.

Trong đời sống dân dụng và thương mại
 Hệ thống điều hòa trung tâm (HVAC): Hỗ trợ lưu thông không khí trong các ống gió của trung tâm thương mại, khách sạn, rạp chiếu phim.
 Quạt thông gió gia đình: Các loại quạt gắn tường nhỏ giúp hút mùi cho nhà bếp, thông thoáng nhà vệ sinh hoặc phòng ngủ.

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

Ghi chú

Liên kết ngoài 
Plastic blades for gas turbine engines

Quạt thông gió
Cơ khí
Máy tuabin
Công nghệ khí