[Tóm tắt] Luận án Xác định các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích thước hình học

BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BÙI VĂN THƯỞNG XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC TRÊN CƠ SỞ CÁC KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62 52 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2016 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Phạm Vũ Uy 2. PGS. TS. Phạm Thế Phiệt Phản biện 1: PGS. TS. Trịnh Hồng Anh Phản biện 2: PGS. TS. Lê Quang Phản biện 3: TS. Nguyễn Hữu Đoàn Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số 3271/QĐ-HV, ngày 19 tháng 9 năm 2016 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi giờngàythángnăm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự - Thư viện Quốc gia DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 1. Bùi Văn Thưởng, Phạm Thành Đồng, Hoàng Thanh Tùng, Vũ Quốc Trụ; Tính toán, thiết kế tối ưu biên dạng phần vượt âm của loa phụt Lavan, Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí Toàn quốc năm 2012. 2. Bùi Văn Thưởng, Phạm Vũ Uy; Tính toán sơ bộ các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích thước hình học, Tạp chí KHKT Học viện KTQS số 162, 06/2014. 3. Bùi Văn Thưởng, Trịnh Văn Khang; Nghiên cứu vai trò của thiết bị sinh khí trên động cơ R95TM-300 tới khả năng tạo lực đẩy phản lực sau khi khởi động, Tạp chí KHKT Học viện KTQS số 173, 12/2015. 4. Nguyễn Khánh Chính, Bùi Văn Thưởng, Phạm Vũ Uy; Xác định đặc tính máy nén dọc trục của động cơ tua bin phản lực không khí, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và Công nghệ quân sự, số 43, 06/2016. 5. Bùi Văn Thưởng, Phạm Vũ Uy, Dương Minh Đức; Tính toán đặc tính máy nén dọc trục theo phương pháp tuyến tính hóa và mô hình hóa, Tuyển tập Công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm 2015. 6. Dương Minh Đức, Bùi Văn Thưởng, Chu Hoàng Quân; Xác định thông số nhiệt động sản phẩm cháy giữa kerosene và oxy trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, Tuyển tập Công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm 2015. 1 MỞ ĐẦU Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của nhiệm vụ bảo vệ tổ quốc và thực trạng vũ khí trang thiết bị của lực lượng vũ trang hiện nay, Đảng và Nhà nước ta chủ trương xây dựng một nền công nghiệp quốc phòng có đủ năng lực, từng bước thiết kế chế tạo được các loại vũ khí hiện đại; Vì vậy, các chương trình của Nhà nước và Quân đội định hướng rõ thiết kế, chế tạo theo mẫu lớp tên lửa đối hải nhằm tăng cường sức mạnh Quân đội. Thời gian gần đây các chương trình cải hoán, cải tiến nâng cao tính năng chiến – kỹ thuật và hiệu quả chiến đấu các tên lửa hiện có nhằm sử dụng hiệu quả nhất và tiến tới tự thiết kế, chế tạo được các loại vũ khí công nghệ cao để trang bị cho quân đội và giảm bớt khó khăn cho nền kinh tế Đất nước. Như vậy, việc tự thiết kế, chế tạo các tên lửa đối hải là yêu cầu thực tiễn khách quan và cấp bách đối với Nước ta trong tình hình hiện nay. Trong luận án này đề cập đến việc xác định lại các tham số nhiệt động lực học – số liệu thiết kế “gốc” của động cơ tua bin phản lực (ĐCTBPL) khi chỉ biết các kích thước hình học, lớp động cơ này thường là động cơ hành trình trên các tên lửa hiện đại. Đối tƣợng nghiên cứu của luận án Động cơ tua bin phản lực hai dòng, hai máy nén, một rotor và có buồng trộn, tuổi thọ ngắn, sử dụng một lần trang bị trên các tên lửa. Đối tượng làm mẫu nghiên cứu được trang bị trong phòng thí nghiệm của Bộ môn Động cơ phản lực là động cơ R95TM-300 trên tên lửa đối hải Kh -35. 2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án - Tìm khả năng thực hiện lớp bài toán tính toán xác định các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích thước hình học khi muốn thực hiện làm chủ vũ khí trang bị và thiết kế, chế tạo động cơ theo mẫu. - Khai thác sử dụng các công cụ tính toán mô phỏng hiện đại đã có sẵn ở Học viện Kỹ thuật Quân sự vào việc nghiên cứu trên cơ sở kích thước hình học của một dạng ĐCTBPL hành trình mẫu. - Đồng bộ các đặc tính của các bộ phận để xác định các tham số nhiệt động lực học và các đặc tính của động cơ. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Kết hợp phương pháp tính toán lý thuyết kinh điển và phương pháp mô phỏng số xác định các đặc tính các bộ phận động cơ và đồng bộ để xác định các tham số nhiệt động lực học. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Đã áp dụng những thành tựu kỹ thuật tính toán mô phỏng để tìm hiểu đối tượng nghiên cứu cụ thể khi chưa biết về nó, mang lại nhận thức mới về đối tượng nghiên cứu đó. - Kết quả phục vụ cho khai thác hiệu quả và làm cơ sở cho thiết kế, chế tạo theo mẫu động cơ. - Góp phần bổ sung, hoàn thiện về lý thuyết và kết cấu ĐCTBPL và có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo phục vụ cho giảng dạy, nghiên cứu và thiết kế động cơ. Đóng góp mới của luận án - Đưa ra phương pháp xác định và xác định được bộ số liệu các tham số nhiệt động lực của động cơ mẫu nghiên cứu trên cơ sở các kích thước hình học. 3 - Xây dựng được mô hình toán và đưa ra thuật toán xác định hoạt động cân bằng cho một dạng động cơ đặc thù. - Khai thác được phương tiện tính toán mô phỏng phục vụ nghiên cứu, giảng dạy tháo gỡ bớt khó khăn do thiếu các hệ thống thí nghiệm. - Có bộ số liệu tương đối đầy đủ về kích thước hình học của động cơ mẫu nghiên cứu. Chƣơng 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC 1.1. Động cơ hành trình TBPL trên các tên lửa đối hải Tên lửa đối hải là khí cụ bay (KCB) không người lái có tầm bay xa hàng trăm, thậm trí hàng ngàn cây số, thời gian hoạt động dài nên cần có động cơ đẩy trong suốt hành trình bay là động cơ tua bin phản lực. Bởi vì động cơ này có nhiều ưu điểm là: kích cỡ nhỏ gọn, tạo ra công suất lớn và tính kinh tế cao do sử dụng chất sinh công chủ yếu là không khí trong khí quyển [28], [30], [42], [60]. ĐCTBPL còn có giá thành rẻ, tiết kiệm nhiên liệu và khai thác đơn giản. 1.2. Tình hình nghiên cứu về ĐCTBPL trên thế giới và trong nƣớc liên quan đến nghiên cứu xác định các tham số nhiệt động lực học 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Các công trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo ĐCTBPL cho các loại vũ khí và tên lửa hầu như không được công bố trên các hội thảo Quốc tế, các tạp chí KHKT của các nước. 4 Liên quan tới các công trình nghiên cứu chuyên sâu về thiết kế, chế tạo các động cơ tua bin phản lực nói chung và các ĐCTBPL cho các tên lửanói riêng, thì các hãng và các nước đã và đang chế tạo không công bố vì giữ bí mật quân sự và cạnh tranh thương mại. Vì vậy chúng ta rất khó tìm được những loại tài liệu này. Qua nghiên cứu quá trình phát triển loại động cơ này cho thấy các hãng đều từ sơ đồ đơn giản ban đầu sau đó hoàn thiện dần các đặc tính và đưa ra nhiều phiên bản khác nhau áp dụng cho các KCB với nhiều mục đích khác nhau như: máy bay không người lái (UAV), mục tiêu bay, tên lửa Ban đầu các hãng thiết kế ra các sơ đồ động cơ có kết cấu đơn giản, công nghệ chế tạo dễ dàng, nhanh, rẻ; trên cơ sở sự phát triển của khoa học và công nghệ các hãng luôn cải tiến, hoàn thiện nâng cao các đặc tính của động cơ trong tất cả các giai đoạn như: tính toán thiết kế, công nghệ chế tạo và ứng dụng các vật liệu mới nhằm hướng đến các mục tiêu là: Giảm tối đa giá thành, đơn giản quá trình chế tạo và khai thác, bảo đảm hoạt động tin cậy. Những mục tiêu trên mở ra cho cả các nước không giàu, trình độ khoa học công nghệ không cao vẫn có khả năng thiết kế, chế tạo được các loại động cơ này. Để đạt được các mục tiêu và thỏa mãn các yêu cầu các hãng trên Thế giới đưa ra hàng loạt giải pháp và đã được thực hiện có kết quả trong nhiều thập kỷ qua. Gồm các giải pháp là: - Giải pháp đơn giản hóa kết cấu, đơn giản phần quay gồm tua bin và máy nén, đơn giản các hệ thống bôi trơn, khởi động, làm mát 5 - Giải pháp nâng cao tính công nghệ chế tạo, giảm công sức chế tạo, sử dụng các phương pháp gia công thông dụng như: đúc, hàn, phay và gia công cơ khí loạt. - Giải pháp về vật liệu: Tăng cường ứng dụng các vật liệu mới, rẻ có khối lượng nhẹ, độ bền nhiệt cao, độ chống mài lòn tốtvà vật liệu compozit [60], [66], [84]. - Giải pháp về tính toán, thiết kế: Ứng dụng các phần mềm chuyên dụng tính toán, thiết kế và mô phỏng, giảm thực nghiệm nhằm đẩy nhanh thời gian thiết kế mẫu mới, giảm giá thành [46], [56], [60], [66], [77]. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Đây là lĩnh vực mới nên rất ít các công trình nghiên cứu. Các công trình cũng chỉ mới tiếp cận thông qua phần mềm ANSYS, MATLAB nhưng không cho một đối tượng cụ thể nào, chưa có những công trình nghiên cứu chuyên sâu và toàn diện về động cơ tua bin phản lực, đặc biệt là về thiết kế chế tạo, các công trình mới chỉ nghiên cứu các phần đơn lẻ và không cụ thể. 1.3. Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu của đề tài Trên cơ sở nhật xét, đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích những công trình nghiên cứu có liên quan, những kết quả mới nhất trong lĩnh vực nghiên cứu của đề tài, đánh giá những khác biệt về trình độ KH&CN trong nước và thế giới ta thấy muốn thiết kế chế tạo được ĐCTBPL cho các tên lửa phải giải quyết ba vấn đề: - Tính toán, thiết kế, - Vật liệu và công nghệ gia công vật liệu, - Công nghệ chế tạo. 6 Theo mục tiêu thiết kế chế tạo và yêu cầu đối với dạng động cơ này mà các hãng trên thế giới rút ra thì các nước có nền kinh tế và KH&CN trung bình như nước ta hoàn toàn có thể thiết kế, chế tạo được như đã phân tích, mặc dù vấn đề luận án nghiên cứu mới chỉ là bước đi đầu tiên. Để tính toán, thiết kế tiến tới chế tạo các động cơ tua bin phản lực theo mẫu phải bắt đầu từ việc nghiên cứu xác định ngược trở lại các tham số nhiệt động lực học “gốc” của động cơ ở chế độ làm việc tính toán, đó là cơ sở dữ liệu cho các tính toán, thiết kế tiếp theo và khảo sát ảnh hưởng của các tham số kết cấu động cơ tới đặc tính làm việc của nó[18], [19], [40]. Bộ tham số nhiệt động lực học của ĐCTBPL là tập hợp các số liệu về sự biến thiên các tham số chính (nhiệt độ, áp suất, mật độ, tốc độ... tại các vị trí mặt cắt chính) trong tuyến chảy của dòng khí lưu thông qua động cơ và các tham số riêng của động cơ (các hiệu suất, hệ số phân dòng, lực đẩy riêng, tiêu hao nhiên liệu riêng, công nén, công giãn, khối lượng riêng...) [18], [19], [27], [30], [33], [60]. Hiện nay chúng ta đang khai thác hàng loạt ĐCTBPL trên các tên lửa đối hải như: P-28, Kh-35, 3M-54Э, 3M-14Э... nhưng rất ít thông tin về các động cơ này [7], [8], [9], [10], [11], [12]. Trong các thuyết minh kỹ thuật và hướng dẫn khai thác chỉ có một số tham số sử dụng chủ yếu mà không có các tham số nhiệt động lực học và các đặc tính của động cơ. Vì vậy đề tài: “Nghiên cứu xác định các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích thước hình học” là một trong những vấn đề cấp bách hiện nay 7 mà chúng ta đang quan tâm và có đầy đủ cơ sở khoa học thực hiện được. Bố cục của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương và phần kết luận. Chương 1: Tổng quan t ình hình nghiên cứu về động cơ tua bin phản lực Chương 2: Các kích thước hình học cơ bản và cơ sở lý thuyết để tính toán các tham số nhiệt động lực học của động cơ Chương 3: Mô phỏng xác định các đặc tính hoạt động của các bộ phận chính của động cơ Chương 4: Đồng bộ các đặc tính của các bộ phận động cơ để xác định các tham số nhiệt động lực học Kết luận, kiến nghị 1.4. Kết luận chƣơng 1 - Đã đưa ra bức tranh tổng thể về tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới và trong nước, phân tích những mục tiêu, yêu cầu và những đặc điểm thiết kế chế tạo các ĐCTBPL cho các tên lửa và KCB không người lái. - Qua phân tích các giải pháp chứng tỏ rằng những nước có nền kinh tế và khoa học công nghệ trung bình vẫn có thể thiết kế chế tạo được loại động cơ này, song các đặc tính tối ưu của động cơ cần phải được hoàn thiện dần. - Đề tài “Nghiên cứu xác định các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích thước hình học” đặt ra trước đòi hỏi của nhiệm vụ bảo vệ Tổ quốc trong tình hình mới và trên cơ sở các luận cứ khoa học khẳng định có thể thực hiện được. 8 Chƣơng 2 CÁC KÍCH THƢỚC HÌNH HỌC CƠ BẢN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ 2.1. Xây dựng mô hình hình học động cơ Mô tả và khảo sát nguyên lý hoạt động của động cơ Công dụng: Động cơ tua bin phản lực R95TM-300, [8] dùng để tạo ra lực đẩy cần thiết cho tên lửa Kh-35 trong khi bay hành trình. Thành phần cấu tạo: Là ĐCTBPL hai dòng, một rôto, máy nén tám tầng gồm hai tầng thấp áp và sáu tầng cao áp, tua bin hai tầng, buồng đốt dạng vành khuyên, thiết bị vào dưới âm và thiết bị ra dạng có lõi trung tâm, hình 2.1. Trên hình vẽ có đánh dấu các vị trí (mặt cắt) chính trong tuyến chảy của dòng khí lưu thông qua động cơ. Các phân đoạn chính gồm: đoạn cửa vào (H - V), máy nén (V - K), buồng đốt (K - G), tua bin (G - T), thiết bị ra (T - C) của dòng I và cả dòng II chảy bao bên ngoài. Nguyên lý làm việc: Khi động cơ làm việc các tham số nhiệt động lực học của môi chất công tác qua động cơ liên tục biến đổi. Dòng khí từ môi trường đi vào động cơ qua thiết bị vào (dưới bụng tên lửa) từ tiết diện H đến tiết diện V, sau đó đi vào máy nén thấp áp là tiết diện hình vành khăn (từ tiết diện V đến tiết diện Vent) áp suất không khí được tăng lên; không khí tiếp tục chảy qua phần chuyển tiếp (từ tiết diện Vent đến tiết diện VCA), sau đó đi vào máy nén cao áp (dòng trong I) và dòng ngoài (dòng II). 9 Hình 2.1. Động cơ R95TM-300 1 - Thùng dầu; 2 - Thân quạt nén; 3 - Cánh quạt nén;4 - Tầng cánh tĩnh hướng dòng thứ hai của quạt nén; 5 - Máy phát điện;6 - dòng ngoài (thấp áp); 7 - Máy nén cao áp; 8 – dòng trong (cao áp); 9 - Nến đánh lửa; 10 - Buồng cháy; 11 - Tuabin; 12 - Loa phụt; 13 - Thiết bị sinh khí. Từ đây không khí đi theo hai dòng: dòng ngoài (II) đi thẳng ra phía sau đến buồng trộn (tiết diện CM); dòng trong (I) qua máy nén cao áp (từ tiết diện VCA đến tiết diện K) tăng áp suất, qua buồng đốt (từ tiết diện G đến tiết diện T) cấp nhiệt lượng nhờ đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu – không khí, qua tua bin (từ tiết diện G đến tiết diện T) giãn nở sinh công kéo quay máy nén và các máy móc khác, sau đó qua vòng nắn thẳng dòng sau tua bin vào buồng trộn (từ tiết diện CM) hòa cùng không khí đến từ dòng ngoài giãn nở tăng tốc độ chảy qua loa phụt (tiết diện C) tạo ra lực đẩy phản lực cho động cơ, sau đó thoát ra môi trường qua tiết diện H’. Xây dựng mô hình hình học các thành phần động cơ Trên cơ sở động cơ thực đã tháo rỡ trong phòng thí nghiệm Bộ môn Động cơ phản lực (Học viện KTQS) tiến hành đo, vẽ 10 bằng các phương pháp thông thường, phương pháp quét 3D và bằng các phương pháp chuyên biệtđể xây dựng mô hình hình học máy nén, buồng đốt, tua bin và thiết bị ra của động cơ, phụ lục 2.1. Trên cơ sở mô hình hình học lấy ra một số những kích thước quan trọng cơ bản nhất để tính toán sơ bộ tham số nhiệt động lực học. Các kích thước hình học cơ bản nhất là các kích thước ở các mặt cắt đặc trưng bao gồm các kích thước dọc trục, các kích thước hướng kính và các số đo góc (đối với máy nén và tua bin). 2.2. Các dữ liệu cơ bản xác định các tham số nhiệt động lực học Để xác định được các tham số nhiệt động lực học trên cơ sở các kích thước hình học (tính toán sơ bộ) trước hết cần phải xác định được các tham số chính, gồm: lưu lượng không khí qua động cơ Gv, GvI, GvII tỷ số nén của máy nén thấp áp πkta, tỷ số nén của máy nén cao áp πkca, nhiệt độ khí cháy sau buồng đốt Tg và mức phân dòng m'. 2.3. Xây dựng mô hình toán cho sơ đồ động cơ TBPLHD hai máy nén một rotor có buồng trộn Mô hình toán ở chế độ tính toán động cơ Mô hình toán động cơ tua bin phản lực ở chế độ tính toán về cơ bản là bảo đảm các điều kiện làm việc phối hợp của các thành phần trong hệ thống động cơ. Căn cứ theo dạng sơ đồ động cơ mẫu là ĐCTBPLHD, hai máy nén, một tua bin có buồng trộn nhưng chỉ có một rotor (một trục quay), ta thiết lập các mối quan hệ giữa các tham số nhiệt động lực học của các luồng khí chảy qua động cơ và các kích thước hình học cũng như các điều kiện bay (Hb, Mb), phụ lục 2.2. 11 Trong mô hình toán cần lưu ý các biểu thức xây dựng cho riêng sơ đồ động cơ dạng này mà các tài liệu kinh điển không có (dựa theo các nguyên tắc chung được đưa ra trong [18], [19 tr 54-62, tr 196-217], [30], [33], [66], [89]) là: Công nén khí trong cả máy nén (thấp áp và cao áp): -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 k k k k k zv zventII zventII z k ca zventII zkca k k L RT RT k k                  (2.11) Từ điều kiện cân bằng công suất giữa máy nén và tua bin:    -1 -1 -1 * * -1 * 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1- 1- -1 g g k k k k zv zventII zventII z k ca zventII zkca k k zv zventII zventII g t oxl g g zt zmk g k t k k RT RT k k k m RT k k g g R T k                                                (2.15) Viết rút gọn:      1 1- 1 1- k ventII k t zm t oxl zm t oxl L L m L L g g g g        (2.19) Kiểm tra lại hệ số phân dòng bằng biểu thức:     1 . . 1 . 1- . -t t oxl zm k ventII m L g g L L       (2.22) Từ mô hình toán với các số liệu đầu vào thiết lập chương trình tính toán các tham số nhiệt động lực học động cơ. 12 Kết quả tính toán sơ bộ các tham số nhiệt động lực học Hình 2.13. Sự biến đổi các tham số nhiệt động lực học Các tham số riêng và lực đẩy của động cơ: .(1 ) . 1 . 451.12 1 t oxl ud c b g g N s P C V m kg            ; .(1 ) 0.683 0.0683 .(1 ) . . t oxl ud ud g g kg kg C P m DaN hr N hr      ; . 3418.78ud vP P G N  ; 2 .(1 ) 0.277 2. . .(1 ) ud e t oxl P m g Hu g      ; 12.539 / dc dc v M kg G kg s    ; 0.0278dcdc M kg P N    . 2.4. Kết luận chƣơng 2 1. Xây dựng được mô hình hình học và chọn ra đủ số lượng các kích thước để tính toán theo phương pháp kinh điển. 2. Đã thiết lập mô hình toán để tính toán xác định các tham số nhiệt động lực học cho dạng sơ đồ động cơ TBPL hai dòng, hai máy nén, một rotor. 13 3. Xác định sơ bộ được các tham số nhiệt động lực học của đối tượng nghiên cứu chủ yếu dựa trên các kích thước hình học (lực đẩy sai lệch hơn 7 %), hoàn toàn phù hợp với các tham số của các động cơ hiện đại (bảng 1.2, phụ lục 1). Chƣơng 3 MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA ĐỘNG CƠ 3.1. Các phần mềm ứng dụng trong tính toán mô phỏng Phần mềm ANSYS ANSYS là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới [13], [16], sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thủy khí, các bài toán về điện-từ trường, các bài toán về nhiệt và đặc biệt là các bài toán về các máy cánh (máy nén, cánh quạt, tua bin) bằng các mô đun ANSYS-CFX, ANSYS-TurboGrid. Phần mềm ASTRA ASTRA là phần mềm tính toán nhiệt động lực học dựa trên mô hình cân bằng pha và hóa học ở nhiệt độ cao, dựa trên nguyên lý entropi cực đại của hệ nhiệt động trong buồng đốt, được ứng dụng trong các trường đại học khoa học kỹ thuật của Liên bang Nga [23]. 3.2. Ứng dụng tính toán mô phỏng trong ANSYS-CFX Để tính toán mô phỏng trong ANSYS-CFX phải thực hiện qua 5 bước: xây dựng mô hình hình học “Geometry”, tiến hành chia lưới trên cơ sở mô hình hình học “Mesh”, Định nghĩa các khối, các mặt trên mô hình, các điều kiện ban đầu và các điều 14 kiện biên “Setup”, thực hiện tính toán mô phỏng “Solution”, đưa ra các kết quả tính toán mô phỏng “Results”, phụ lục 3.1. Một số hình ảnh từ kết quả tính bằng ANSYS-CFX: Biến đổi tốc độ ở máy nén Biến đổi áp suất toàn phần và tốc độ ở tua bin và loa phụt 3.3. Ứng dụng phần mềm ASTRA tính toán nhiệt động trong buồng đốt Điều kiện đầu vào sử dụng nhiên liệu là dầu TC-1 với tỷ lệ thành phần hóa học có công thức C1H1.996 và entanpi của nhiên liệu I = -1958 kJ/kg [39, tr 229]. Chất oxi hóa là oxi trong không khí theo bảng khí quyển chuẩn. Kết quả mà ASTRA đưa ra là các tham số nhiệt động trong buồng đốt động cơ. 3.4. Xây dựng các đặc tính của các bộ phận động cơ Từ các kết quả tính toán bằng ANSYS xây dựng các đặc tính cho máy nén, tua bin và thiết bị ra. 15 Đặc tính máy nén có các dạng sau: * * * * * * * * ( , ) , ( , ); ( , ) , ( , ); ( , ) , ( , ); ( , ) , ( , ); k vI ca vent v vent k vIqc ca vent vqc vent k vI ca vent v vent k vIqc ca vent vqc vent f G n f G n f G n f G n f G n f G n f G n f G n                       (3.7) Hình 3.24. Đặc tính máy nén Hình 3.25. Đặc tính máy nén * *( , ), ( , )k vI ca vent v ventf G n f G n   * *( , ), ( , )k vIqc ca vent vqc ventf G n f G n   Hình 3.26. Đặc tính máy nén Hình 3.27. Đặc tính máy nén * *( , ), ( , )k vI ca vent v ventf G n f G n   * *( , ), ( , )k vIqc ca vent vqc ventf G n f G n   16 Đặc tính tua bin có các dạng sau:     * * * * * * * * * , ; , ; , ; , . tb g tb tb tb tb tb g tb g tb tb tb tb qc tb g G T f G n f n p G T f n T f n p                              (3.11) Hình 3.29. Đặc tính tua bin Hình 3.30. Đặc tính tua bin  * ,tb tb tbf G n   * ,tb tbqc tbf G n  . Hình 3.31. Đặc tính tua bin Hình 3.33. Đặc tính tua bin  * * ,tb tb tbf n   * ,tb qc tbqc tbT f G n  . 17 Đặc tính miệng phun có dạng: Hình 3.34. Đặc tính miệng phun  *c mpqcf G  . 3.5. Kết luận chƣơng 3 - Đã khai thác thành công các phần mềm chuyên dụng cho mục đích nghiên cứu đối tượng cụ thể khi chỉ biết các kích thước hình học cơ bản của nó. - Sử dụng phương pháp mô phỏng số bằng các phần mềm ANSYS và ASTRA đã thu được các đặc tính hoạt động của các bộ phận chính của động cơ nghiên cứu (mà trước đây chỉ có thể nhận được bằng thử nghiệm); đây là kết quả quan trọng, cho phép khẳng định: + Với những đặc tính thu được chứng tỏ rằng vùng làm việc ổn định của động cơ nghiên cứu tương đối hẹp (khoảng vòng quay từ 80% đến 100%) và độ dự trữ ổn định không lớn nên yêu cầu tự động điều chỉnh vòng quay (nmax = const) khắt khe hơn. + Có thể thấy các thông số nhiệt động lực học đã xác định được trong tính toán sơ bộ (trong một chế độ tính toán) nằm lân cận trong vùng hoạt động ổn định và là vùng chế độ hoạt động cao nhất của động cơ. - Nếu hiểu và sử dụng triệt để khả năng của các phần mềm hiện đại thì chúng ta có thể tiếp cận trực tiếp tới những đối 18 tượng nghiên cứu phức tạp như ĐCTBPL: đây chính là kết luận quan trọng khẳng định lợi thế của người đi sau (những nước kém phát triển, còn khó khăn về cơ sở vật chất trang bị và kinh phí đầu tư) vẫn có thể tiếp cận được các đối tượng công nghệ cao hiện đại. Chƣơng 4 ĐỒNG BỘ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CÁC BỘ PHẬN ĐỘNG CƠ ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 4.1. Các chế độ hoạt động cân bằng và chế độ tính toán Các chế độ hoạt động cân bằng (trong đó có chế độ tính toán) là các chế độ mà động cơ trong quá trình hoạt động luôn đảm bảo các điều kiện cân bằng về lưu lượng, công suất, vòng quay giữa máy nén và tua bin và còn phải bảo đảm hoạt động ổn định cho toàn bộ động cơ. 4.2. Xác định đƣờng hoạt động cân bằng trên đặc tính máy nén của động cơ mẫu nghiên cứu Đồng bộ các đặc tính là xác định các chế độ hoạt động cân bằng ở những vòng quay khác nhau, nói cách khác là xác định sự làm việc đồng bộ của các bộ phận trong một chỉnh thể thống nhất - động cơ. Cách xác định đường làm việc cân bằng theo sơ đồ thuật toán hình 4.2 và phụ lục 4, từ đó xây dựng được đường làm việc cân bằng trên các đồ thị đặc tính. 19 Hình 4.3, 4.4. Đường hoạt động cân bằng trên các đặc tính     * * , , , k vqc vent vqc f G n f G n       và     * * , , , k vqc vent vqc f G n f G n       4.3. Xác định các tham số nhiệt động lực học Xác định các tham số nhiệt động lực học tại ĐTT (Hb =0, Mb =0) Lấy các số liệu điểm tính toán (ĐTT) động cơ là điểm hoạt động cân bằng ở vòng quay n = 100% xác định các tham số nhiệt động lực học, phụ lục 4. Hình 4.6. Sự biến đổi các TSNĐLH qua các mặt cắt chính của động cơ. 20 Bảng 4.3. Sự thay đổi các tham số theo Mb, Hb = 0, (phụ lục 4). Số M P, [N] Cud, [kg/N.h] Pud, [N.s/kg] Gv, [kg/s] 0 3644,6 0,065 472,12 7,72 0,2 3224,9 0,075 408,93 7,89 0,4 2983,3 0,086 355,21 8,40 0,6 2883,3 0,099 310,18 9,30 0,8 2903,1 0,112 272,72 10,64 0,85 2925,2 0,116 264,41 11,06 1 3031,1 0,127 241,66 12,54 Hình 4.7. Biến đổi các tham số theo số Mb (Hb = 0) Xác định các hiệu suất động cơ theo số Mb, phụ lục 4. Hình 4.8. Biến đổi các hiệu suất theo số Mb (Hb = 0) 21 Bảng 4.4. So sánh một số tham số của động cơ (tài liệu và tính toán) Tham số trong thuyết minh kỹ thuật Tham số tính toán trong LA Lực đẩy: 295 kG, (H= 0, Mb= 0,8, Tkk= 310 K). Lực đẩy : 290,3 – 292,5 kG (H= 0, Mb= 0,8- 0,85, Tkk= 308- 312 K). Sai số < 2%. Tiêu hao nhiên liệu riêng: Cud ≥ 1,22 kg/kG.h, (H= 0, Mb =0,8, Tkk =310 K). Tiêu hao nhiên liệu riêng: Cud: 1,12 -1,16 kg/kG.h, (Tkk= 308- 312K). Nhỏ hơn. Áp suất sau máy nén đi đến điều khiển cánh lái: 7- 12 at. Áp suất sau máy nén: 7,9 - 8,3 at. Trong khoảng. Tốc độ vòng quay rotor máy phát điện xoay chiều: 28800- 36000 vòng/phút. Khoảng tính toán mô phỏng: n = 80- 100% (28800- 36000 vòng/phút). Bảng 4.5. Các tham số riêng của động cơ (tính toán sơ bộ và thử nghiệm số) Pud, N.s/kg Cud, kg/(kG.h) η ηe μdc, kg/(kg.s) γdc, kg/kG Tính toán sơ bộ 451.12 0.68 0.23 12.54 0.28 Thử nghiệm số 472.12 0.65 0.31 12.3 0.26 Các tham số “thử nghiệm số” đều được cải thiện theo chiều hướng tốt hơn. 4.4. Kết luận chƣơng 4 - Đã xây dựng được phương pháp xác định đường làm việc cân bằng của động cơ. - Xác định được khoảng biến thiên của các thông số nhiệt động lực học trong toàn bộ khoảng các chế độ hoạt động (tốc độ 22 vòng quay) và điều kiện hoạt động (tốc độ và độ cao bay). - Các thông số thu được đều nằm trong khoảng khuyến cáo (bảng 4.2, 4.3, 4.4) theo các tài liệu mới nhất về các dữ liệu thống kê [19], [38], [45], [66], [79]; khẳng định sử dụng phương pháp thực nghiệm số là khả thi cho đối tượng nghiên cứu phức tạp như ĐCTBPL. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Khẳng định toàn bộ các đặt vấn đề và ý định nghiên cứu đề ra từ đầu luận án đều đã được thực hiện đầy đủ. Về cơ bản, qua thực hiện luận án đã đạt được hai mục tiêu nghiên cứu chính đề ra ban đầu: - Đã khai thác sử dụng được công cụ tính toán hiện đại có sẵn tại HVKTQS vào việc nghiên cứu, trên bộ cơ sở dữ liệu có được của một dạng động cơ TBPL hành trình cụ thể; từ đó làm cơ sở bước đầu phát huy tác dụng hiệu quả đầu tư tại Học viện, mở ra khả năng ứng dụng cho giảng dạy và nghiên cứu, phần nào tháo gỡ khó khăn khi bắt đầu phải giảng dạy trong lĩnh vực ĐCTBPL. - Trong phạm vi rộng hơn, câu hỏi đặt ra là trong điều kiện khoa học chậm phát triển như chúng ta, liệu chúng ta có khả năng bắt đầu thực hiện lớp bài toán thiết kế, chế tạo ĐCTBPL theo mẫu hay chưa; kết quả của luận án góp phần đưa ra trả lời theo chiều hướng tích cực cho câu hỏi này. - Mặc dù khả năng còn hạn chế, thời gian thực hiện ngắn trước khối lượng công việc quá lớn và nhiều vấn đề phức tạp; nhưng xét về tổng thể, bố cục các nội dung chính của luận án bước đầu cũng vạch ra được quy trình các bước cần thực 23 hiện trong giai đoạn đầu của quá trình thực hiện thiế t kế theo mẫu. Như vậy có thể chỉ ra những đóng góp khoa học chính của luận án là: - Tìm hiểu, khai thác được công cụ tính toán hiện đại đã được trang bị trong dự án đầu tư phòng thí nghiệm số, ứng dụng nó để phát huy kết quả nghiên cứu của nhiệm vụ khai thác toàn diện đối tượng tên lửa đối hải – một nhiệm vụ trọng tâm đang được thực hiện trong quân đội ta, mở ra nhận thức mới về đối tượng nghiên cứu. - Khẳng định trong điều kiện khoa học hiện nay, khả năng tính toán xác định các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích thước hình học là khả thi. Xét trên bình diện rộng hơn, điều này chứng tỏ khả năng phát triển động cơ TBPL theo hướng chế tạo theo mẫu là khả quan trong điều kiện KH&CN phát tr iển chậm và vậ t chấ t ban đầu vô cùng hạn hẹp như nước ta. - Xây dựng mô hình toán và đưa ra thuật toán xác định hoạt động cân bằng cho mộ t dạng động cơ tua bin phản lực đặc thù. - Xác định được bộ số liệu các tham số nhiệt động lực học của động cơ nghiên cứu làm cơ sở cho khai thác làm chủ vũ khí công nghệ cao và số liệu bước đầu cho tính toán, thiết kế theo mẫu (bảng 4.2, 4.3, 4.4, 4.5; hình 4.6, 4.7, 4.8). - Luận án xây dựng được một cách hệ thống quy trình thực hiện bước đầu tiên của thiết kế sơ bộ khi thiết kế theo mẫu - đó là thực hiện bài toán ngược xác định các tham số nhiệ t động lực học của động cơ tua bin phản lực mẫu: 24 + Tháo rỡ, đo đạc hệ thống kích thước hình học của động cơ; + Tính toán các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trong chế độ hoạt động chính; + Sử dụng phương pháp mô phỏng số để xây dựng các đặc tính hoạt động của từng bộ phận chính trong động cơ; + Sử dụng biện pháp đồng bộ các đặc tính để xác định sự biến thiên của các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trong các chế độ hoạt động của chúng. Kiến nghị: - Từ kết quả các tham số nhiệt động lực học có thể xây dựng các đặc tính động cơ và tính toán các tham số khí động lực học cho mẫu động cơ nghiên cứu và tiến hành những nghiên cứu tiếp theo của quá trình thiết kế, chế tạo. - Khai thác phần mềm (ANSYS turbo) đây là điều còn quá mới mẻ ở điều kiện trong nước, vì số lượng người quan tâm về lĩnh vực này rất ít, một khu vực nghiên cứu quá hẹp mang đặc điểm quốc phòng; đề nghị cần tiếp tục đầu tư nghiên cứu khai thác, trước mắt hứa hẹn khả năng có công cụ giảng rất phong phú khi bắt đầu giảng dạy về ĐCTBPL trong hoàn cảnh điều kiện thí nghiệm hầu như không có gì.