Quạt ly tâm

Quạt ly tâm (tiếng Anh: "centrifugal fan") là một thiết bị cơ học để di chuyển không khí hoặc các chất khí khác theo một góc nghiêng so với hướng của chất lưu đi vào. Quạt ly tâm thường có ống gió để hướng không khí đi ra ngoài theo một hướng cụ thể hoặc xuyên qua bộ tản nhiệt, khi đó quạt ly tâm còn được gọi là "quạt gió" ("blower") hoặc "quạt lồng sóc" ("squirrel-cage fan") (vì giống như bánh xe cho chuột hamster chạy). Quạt ly tâm loại này giúp tăng tốc độ và lưu lượng của luồng không khí nhờ các cánh quạt quay.
Quạt ly tâm gồm bánh công tác đặt trong vỏ quạt có biên dạng hình xoắn ốc. Luồng lưu chất, như không khí, đi vào quạt theo hướng dọc trục, vào khoảng hở giữa bánh guồng và trục. Bánh guồng khi quay sẽ chuyển động năng (vận tốc khí) thành thế năng (áp lực khí) của khí khi đi ra khỏi vỏ quạt. Không khí được đẩy ra khỏi quạt theo hướng tâm (hay còn gọi là hướng kính, thường là góc 90°). Quạt ly tâm thường tạo ra áp lực khí lớn hơn so với quạt hướng trục. Quạt ly tâm có ưu điểm là cứng cáp, ít gây tiếng ồn, hoạt động ổn định và có khả năng vận hành trong nhiều điều kiện.
Quạt ly tâm không phải là loại thiết bị thổi thể tích ("positive-displacement"). Quạt ly tâm có những ưu và nhược điểm nhất định khi so sánh với quạt gió thể tích: quạt ly tâm có hiệu suất cao hơn, còn quạt thể tích lại có giá thành thấp hơn.
Lịch sử.
Tài liệu đầu tiên đề cập đến quạt ly tâm là cuốn sách "De Re Metallica" được viết bởi Georg Pawer (tên tiếng Latinh: Georgius Agricola) vào năm 1556, nơi ông mô tả dùng quạt ly tâm nhằm thông gió cho các hầm mỏ. Sau đó, quạt ly tâm dần không còn được sử dụng. Mãi cho đến những thập kỷ đầu thế kỷ 19, người ta mới bắt đầu quay lại tìm hiểu về loại quạt này. Năm 1815, Marquis de Chabannes đã đề xuất việc sử dụng quạt ly tâm và đăng ký bằng sáng chế ở Anh trong cùng năm. Năm 1827, Edwin Augustus Stevens, một kỹ sư người Mỹ, đã lắp đặt quạt ly tâm để thổi không khí vào các lò hơi của tàu hơi nước mang tên "Bắc Mỹ" ("North America"). Tương tự, vào năm 1832, kỹ sư người Mỹ gốc Thụy Điển, John Ericsson, đã sử dụng quạt ly tâm làm quạt gió trên tàu hơi nước "Corsair". Quạt ly tâm cũng được phát minh bởi kỹ sư quân sự người Nga Alexander Sablukov vào năm 1832, và được sử dụng trong ngành công nghiệp nhẹ của Nga (chẳng hạn như sản xuất đường) và ở nước ngoài.
Một trong những phát triển quan trọng nhất đối với ngành công nghiệp khai thác là quạt Guibal, được cấp bằng sáng chế tại Bỉ vào năm 1862 bởi kỹ sư người Pháp Théophile Guibal. Quạt Guibal có một vỏ xoắn ốc bao quanh các cánh quạt, cũng như có thêm một cửa chớp linh hoạt để kiểm soát tốc độ khí đầu ra, điều này giúp thiết kế của ông vượt trội hơn nhiều so với các thiết kế quạt vỏ hở trước đây và nhờ vậy giúp có thể khai khoáng mỏ ở độ sâu sâu hơn. Những chiếc quạt ly tâm như vậy đã được sử dụng rộng rãi để thông gió cho mỏ trên khắp nước Anh.
Cấu tạo.
Quạt ly tâm có cấu tạo tương tự bơm ly tâm. Những bộ phận chính cấu thành nên quạt ly tâm bao gồm guồng động (cánh quạt), vỏ quạt, trục, cơ cấu truyền động, và ống dẫn ra/vào.
Guồng động.
Guồng động, hay còn gọi là "bánh guồng", "bánh công tác" (tiếng Anh: "impeller"), là nhóm những cánh dẫn làm việc của quạt có nhiệm vụ tạo áp lực và chuyển khí vào trong mạng cánh. Bánh công tác được gắn vào hai đĩa gồm đĩa sau (đĩa chính) và đĩa trước (đĩa phụ). Hai đĩa chính–phụ giúp đảm bảo độ cứng cho mạng cánh. Số lượng cánh quạt trong bánh công tác có thể từ 6 đến hơn 60 cánh, tùy vào thiết kế của guồng. Kiểu dáng của bánh công tác quyết định đến đặc tính hoạt động của quạt ly tâm. Có ba cách thiết kế bánh công tác đối với quạt ly tâm.
Vỏ quạt.
Vỏ quạt (tiếng Anh: "housing, casing") là phần bao quanh bánh guồng, có nhiệm vụ dẫn khí và chuyển động năng (vận tốc khí) thành thế năng (áp lực khí) nên biên dạng ("contour") của vỏ thường có hình dạng xoắn ốc. Vỏ quạt thường bao gồm ống dẫn vào ("inlet duct") và ống dẫn ra ("outlet duct"). Vỏ quạt được thiết kế sao cho giảm thiểu tổn thất áp suất thủy tĩnh của lưu thể khi đi vào và ra khỏi quạt. Tổn thất áp suất trong vỏ phụ thuộc vào kích thước, hình dạng vỏ, và khoảng cách giữa ống dẫn vào và bánh guồng. Thông thường, khoảng hở giữa ống vào và bánh guồng nhỏ hơn hoặc bằng 1% đường kính bánh guồng. Khi khoảng hở lớn sẽ gây tổn hao áp suất lớn cho lưu chất khi đi vào quạt. Đối với quạt nhỏ, vỏ có thể được gắn trực tiếp vào giá quạt; tuy nhiên, đối với những loại quạt kích thước lớn, vỏ quạt phải được đặt trên một bệ đỡ riêng biệt.
Trục và cơ cấu dẫn động.
Trục ("drive shaft") và cơ cấu dẫn động ("drive mechanism") là những bộ phận giúp truyền động từ động cơ quạt đến bánh guồng để thực hiện quá trình sinh công của quạt ly tâm. Trục quạt thường được làm bằng thép carbon trung bình (EN8), thép không gỉ, hoặc hợp kim nền nickel chịu nhiệt. Trục quạt và cơ cấu dẫn động quyết định đến vận tốc của quạt và khả năng điều chỉnh vận tốc. Có ba loại cơ cấu dẫn động chính của quạt ly tâm là cơ cấu trực tiếp, gián tiếp, và biến thiên.
formula_1
Cơ cấu dẫn động gián tiếp bằng dây đai có ưu điểm là có thể thay đổi vận tốc quay của quạt. Có một số loại dây đai chính là đai kiểu truyền thống (không có rãnh hoặc răng cưa), đai thang (đai chữ V), đai chữ V có răng, và đai đồng bộ (đai răng). Đai đồng bộ là loại có hiệu suất truyền động tốt nhất nhưng đai chữ V lại là loại được dùng phổ biến nhất.