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.
27 trang |
Chia sẻ: builinh123 | Lượt xem: 1383 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu [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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- nghien_cuu_xac_dinh_cac_tham_so_nhiet_dong_luc_hoc_cua_dong_co_tua_bin_phan_luc_tren_co_so_cac_kich.pdf