Phân tích dòng khí qua một tầng máy nén dọc trục Khí động lực học

Máy nén dọc trục là một loại máy nén được sử dụng phổ biến trong động cơ hàng không hiện nay. Một tầng của máy nén dọc trục gồm một tầng cánh quay (rotor) và một tầng cánh tĩnh (stator). Để nghiên cứu dòng khí 3 chiều phức tạp trong máy nén, người ta phân tích nó thành 3 trường, trong đó mỗi trường chỉ bao gồm các thành phần của dòng 2 chiều: Trường Through flow Trường Cascade Trường Secondary. Phân bố vận tốc trong trường Through flow được mô tả ở hình 2. Qua trường này, ta có thể khảo sát được dòng khí theo phương dọc trục và theo phương hướng kính.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC II Phân tích dịng khí qua tầng máy nén dọc trục Sinh viên thực Giáo viên hướng dẫn VƯƠNG TIẾN DŨNG 20150730 VŨ TÀI DUY 20150638 NGHIÊM QUỐC HUY 20151666 PGS.TS HOÀNG THỊ KIM DUNG HÀ NỘI 06-2019 MỤC LỤC Tổng quan máy nén dọc trục 1.1 Chức 1.2 Đặc điểm dịng khí .4 Phương pháp nghiên cứu .5 Phương trình Euler cho máy nén hàm đặc tính Các thơng số khí động dịng khí qua tầng máy nén 10 4.1 Hệ số dòng (flow coefficient) .10 4.2 Hình dạng cánh 10 4.3 Độ dày cánh 10 4.4 Vận tốc số Mach dịng khí 11 4.5 Số Reynold 12 Các tượng đặc trưng máy nén 12 5.1 Hiện tượng hóc khí .12 5.1.1 Các biện pháp giải tượng hóc khí 14 5.2 Hiện tượng trào ngược 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 DANH MỤC HÌNH ẢN Hình 1: Cấu tạo máy nén dọc trục Hình 2: Các hình chiếu tầng máy nén dọc trục .3 Hình 3: Sự biến đổi áp suất vận tốc quay qua tầng máy nén Hình 4: Trường Through flow Hình 5: Trường Cascade Hình 6: Trường secondary Hình 7: Sơ đồ tam giác vận tốc mơ tả dịng khí Hình 8: Đường đồ thị đặc tính máy nén .9 Hình 9: Đồ thị hiệu máy nén Hình 10: Một sơ hình dạng profile máy nén .10 Hình 11: Biểu đồ phân bố áp suất đo ba profil cánh NACA-65, C4 DCA 11 Hình 12: Phân bố sô Mach dọc profil cánh 11 Hình 13: Tổn thất theo số Reynold với góc vào khác dịng khí 12 Hình 14: Q trình diễn tượng thất tốc 13 Hình 15: Các vùng hóc khí tầng máy nén 13 Hình 16: Sơ đồ mơ tả phương pháp trích khí .14 Hình 17: Phương pháp thổi khí 14 Hình 18: Phương pháp hồi khí 14 Hình 19: Phương pháp tạo khe rãnh vỏ .15 Tổng quan máy nén dọc trục Máy nén dọc trục loại máy nén sử dụng phổ biến động hàng không Một tầng máy nén dọc trục gồm tầng cánh quay (rotor) tầng cánh tĩnh (stator) Hình 1: Cấu tạo máy nén dọc trục Hình 1a Tầng cánh quay Hình 1b Tầng cánh tĩnh Hình 1c Máy nén hồn chỉnh Hình 2: Các hình chiếu tầng máy nén dọc trục Chức rotor stator máy nén: - - STATOR: loại bỏ dịng xốy, chuyển đổi động thành áp suất tĩnh, thêm xoáy theo hướng chuyển động cánh quay (cải thiện đặc tính khí động dịng) ROTOR: tạo xốy cho dịng, tăng thêm động năng, tăng lượng tổng cách tăng vận tốc góc 1.1 Chức Mục tiêu máy nén nói chung tầng máy nén nói riêng làm tăng áp suất dịng khí Dịng khí qua tầng cánh có trao đổi lượng với cánh Cụ thể, dịng khí nhận cơng từ cánh quay Hình vẽ biểu diễn biến đổi áp suất vận tốc quay qua tầng máy nén Hình 3: Sự biến đổi áp suất vận tốc quay qua tầng máy nén Bảng tóm tắt thay đổi tính chất dịng khí qua tầng cánh quay cánh tĩnh, gồm vận tốc tương đối tuyệt đối; áp suất tĩnh, áp suất tổng tuyệt đối tương đối; nhiệt độ tĩnh, nhiệt độ tổng tương đối CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI TRONG MÁY NÉN Thông số Inlet guide vanes Rotor Stator Vận tốc tuyệt đối + + − Vận tốc tương đối n/a − n/a Áp suất tĩnh − + + Áp suất tổng tuyệt đối + Áp suất tổng tương đối n/a n/a Nhiệt độ tĩnh − + + Nhiệt độ tổng tuyệt đối + Nhiêt độ tổng tương đối n/a n/a + : tăng − : giảm : không đổi n/a : not applicable Bảng 1: Ảnh hưởng tầng cánh lên dòng 1.2 Đặc điểm dịng khí Một đặc điểm quan trọng dịng khí qua tầng máy nén dọc trục ngồi thành phần chuyển động tịnh tiến dọc theo trục máy nén, dịng khí cịn có thành phần chuyển động quay quanh trục Nguyên nhân tượng tồn khe hở cánh quay vỏ máy nén Chính vậy, dịng khí máy nén dịng chảy chiều phức tạp Trong trình chuyển động qua tầng máy nén, ứng xử dịng khí tuân theo định luật nhiệt động học định luật khí động lực học Phương pháp nghiên cứu Để nghiên cứu dịng khí chiều phức tạp máy nén, người ta phân tích thành trường, trường bao gồm thành phần dòng chiều: - Trường Through flow - Trường Cascade - Trường Secondary Phân bố vận tốc trường Through flow mơ tả hình Qua trường này, ta khảo sát dịng khí theo phương dọc trục theo phương hướng kính Hình 4: Trường Through flow Trường Cascade trường sử dụng phổ biến để khảo sát tượng khí động xảy tầng máy nén cánh tầng Mặt cắt Cascade cắt qua cánh từ dạng hình xuyến chiều trải phẳng để chuyển sang dạng chiều Tuy biến đổi từ chiều sang chiều làm số tượng dòng chiều phương pháp phân tích cho mơ tả tương đối xác tượng khác Vì vậy, phương pháp thường áp dụng để nghiên cứu thực ngiệm cho dạng cánh máy nén Hình mơ tả trường vận tốc biến đổi trường Cascade cách xây dựng trường Cascade 3b 3a Hình 5: Trường Cascade Hình 3a Xây dựng trường Cascade Hình 3b Trường vận tốc khảo sát Hai trường giúp khảo sát ứng xử dịng khí với thành phần dọc trục mà khơng xét đến thành phần quay Trường Secondary giải điều Trường gọi Secondary – thứ cấp cách gọi thành phần dịng khí chuyển động quay máy nén Qua trường Secondary, ta thấy rõ ảnh hưởng dòng quay đến tượng đặc trưng máy nén xoáy đầu cánh, vùng vận tốc thấp… Hình 6: Trường secondary Một cách để khảo sát sơ đặc điểm dịng khí xây dựng tam giác vận tốc Tam giác vận tốc mô tả ứng xử dịng khí qua thay đổi độ lớn chiều thành phần vector vận tốc Dựa tam giác vận tốc, ta xây dựng thiết kế sơ cho tầng máy nén Một tam giác vận tốc đặc trưng miêu tả hình Trong đó: - C1,C2,C3 thành phần vận tốc tuyệt đối dịng khí vào khỏi cánh quay cánh tĩnh; - Cx1,Cx2,Cx3 thành phần vận tốc dọc trục, thông thường khí tính tốn sơ bộ, giá trị chúng không đổi máy nén; W1,W2 thành phần vận tốc tương đối dịng khí so với cánh; U vận tốc tiếp tuyến điểm xét cánh quay, U=ω.R; α1, α2, α3 góc vào dịng khí so với phương trục quay; β1, β2 góc dịng khí so với phương trục quay; Thông thường, để đảm bảo điều kiện ghép tầng, C1=C3 α1= α3 Hình 7: Sơ đồ tam giác vận tốc mơ tả dịng khí Phương trình Euler cho máy nén hàm đặc tính Cơ chế hoạt động máy nén cánh quay sinh cơng, dịng khí nhận cơng làm thay đổi động Cơ chế mơ tả phương tình Euler cho máy nén: Vế trái phương trình Euler độ tăng enthalpy, tức thay đổi nội dịng khí Lượng tăng enthalpy với công mà cánh quay tác dụng lên dịng khí, thể vế phải phương trình Tuy nhiên, người ta thường sử dụng dạng biến đổi đặc biệt phương trình Euler tính tốn nghiên cứu máy nén Đó là: Hoặc: Có thể thấy, tỉ số nhiệt độ tổng dịng khí vào cánh phụ thuộc vào vận tốc dọc trục, hay nói cách khác, vào lưu lượng dịng khí Từ đây, ta sử dụng kiến thức nhiệt động lực học để xây dựng hàm đặc tính máy nén Khi đánh giá hiệu làm việc độ ổn định tầng máy nén máy nén người ta sử dụng hàm đặc tính tỉ số nén tổng (PR), hiệu suất đoạn nhiệt (η) hệ số hóc khí (SM) Trong đó, áp suất tổng đầu đầu vào tầng máy nén, nhiệt độ tổng vào tầng máy nén, tỉ số nén điều kiện gần hóc khí hiệu suất cao nhất, lưu lượng dịng khí điều kiện hiệu suất cao gần hóc khí ( Từ thông số trên, ta xây dựng đồ thị đường đặc tính máy nén sau: Hình 8: Đường đồ thị đặc tính máy nén Ngồi người ta xây dựng đồ thị hiệu máy nén Mục tiêu q trình tính tốn thiết kế máy nén đến việc xậy dựng đồ thị Một đồ thị hiệu điển hình máy nén minh họa hình vẽ đây: Hình 9: Đồ thị hiệu máy nén Tại đó, điểm stall điểm có tỷ số nén cao nhất, điểm peak có hiệu suất cao Các thơng số khí động dịng khí qua tầng máy nén 4.1 Hệ số dòng (flow coefficient) Hệ số dịng, , thơng số thể lưu lượng dịng khí qua tầng cánh Hệ số dịng đại lượng không thứ nguyên nên giảm sai số nhầm lẫn xảy sai khác đơn vị đo Các hàm đặc tính hàm tỉ số nén hay hiệu suất hàm hệ số dịng Sự thay đổi hệ số dịng thay đổi lưu lượng qua tầng cánh Nói chung, lưu lượng giảm áp suất tăng giảm có giới hạn Khi lưu lượng dịng khí q thấp, tượng hóc khí xảy gây giảm hiệu suất độ an toàn tầng máy nén 4.2 Hình dạng cánh Hình dạng cánh thơng số khí động quan trọng ảnh hưởng đến tính chất dịng khí qua máy nén Các dịng profil cánh thường sử dụng gồm có NACA-65, C, Double Circular Arc (DCA), Multiple Circular Arc (MCA), Prescribed Velocity Distribution (PVD) Hình 10: Một sơ hình dạng profile máy nén 4.3 Độ dày cánh Độ dày cánh có ảnh hưởng đến phân bố áp suất mặt cánh Hình minh họa biểu đồ phân bố áp suất đo ba profil cánh NACA-65, C4 DCA Rõ ràng, dạng NACA-65 cho độ tăng áp suất cao loại Tuy nhiên, NACA-65 C4 lại tạo nên vùng áp suất thấp mép vào cánh Điều không làm giảm lực khí động tác dụng lên cánh mà cịn làm giảm tốc độ dịng khí dẫn đến tượng tách dịng Ngược lại dạng DCA cho phân bố áp suất tốt Ở số Mach thấp, ảnh hưởng dạng cánh không đáng kể số Mach cao, ảnh hưởng đáng kể với dạng DCA cho hiệu tốt nhiều NACA-65 C4 (ít tổn thất, gây tách dịng) Dạng cánh PVD thiết kế đặc biệt cho độ vồng độ dày tinh chỉnh theo vùng vận tốc mong muốn, cho phép hoạt động với số Mach đầu vào cao mà tổn thất, tách dịng Hình 11: Biểu đồ phân bố áp suất đo ba profil cánh NACA-65, C4 DCA 10 Hình 12: Phân bố sơ Mach dọc profil cánh 4.4 Vận tốc số Mach dịng khí Mỗi thành phần vận tốc có ảnh hưởng đến đặc tính khí động dịng khí qua cánh Khi giá trị thành phần vận tốc dọc trục tăng tốc độ quay trục khơng đổi, góc tới dịng khí với cánh quay giảm, làm giảm tỉ số nhiệt độ tổng Số Mach ảnh hưởng đến xuất sóng va cánh Sự xuất sóng va làm tăng tải tác dụng lên cánh Để khảo sát ảnh hưởng này, người ta thường ý đến số Mach Mt đỉnh cánh quay vị trí chịu tải lớn cánh Việc tăng M t làm tăng tỉ số nhiệt độ động tỉ số nén lại làm tăng dao động lực li tâm lên đỉnh cánh 4.5 Số Reynold Vì vận tốc dịng khí dọc theo dây cung cánh thay đổi nên số Reynold dịng khí thay đổi tương ứng Giá trị số Reynold định nhiều tính chất dịng khí (dịng rối, dịng tầng hay dịng q độ) Thường mép vào có dịng biên dạng dịng tầng sau bị tách dịng vùng phía sau hình thành bong bóng khí Thơng thường bong bóng tự liên kết lại với lớp biên không tạo tổn thất Tuy nhiên vùng mà số Mach thấp (gọi vùng vận tốc thấp), tượng tách dòng xảy Trong máy nén, số Mach tính theo vận tốc đầu vào tương đối, dây cung cánh độ nhớt động lực học dịng khí Đồ thị hình cho thấy mát lớn số Reynold nhỏ 11 Hình 13: Tổn thất theo số Reynold với góc vào khác dịng khí Các tượng đặc trưng máy nén 5.1 Hiện tượng hóc khí Hóc khí tượng quan trọng q trình hoạt động máy nén Hiện tượng xảy tầng máy nén thường bắt đầu vùng đỉnh cánh quay Hiện tượng xảy xuất vùng rối, vùng vận tốc thấp,… dẫn đến dịng khí khơng di chuyển dọc trục mà chuyển động quay chủ yếu Các vùng rối sinh góc cánh so với dịng khí đạt đến giá trị tới hạn Khi tượng tách dịng xảy Hình 14: Quá trình diễn tượng thất tốc Các vùng không làm tăng áp suất máy nén Khi chúng phát triển mở rộng khiến tầng máy nén bị bất ổn định mạnh, gây rung động tăng tải làm hỏng cánh 12 Hình 15: Các vùng hóc khí tầng máy nén Hiện tượng hóc khí máy nén tượng nguy hiểm Nó trực tiếp làm giảm hiệu hoạt động máy nén dẫn đến giảm cơng suất động Do đó, thiết kế, người ta đưa phương án khác để tránh tượng xảy 5.1.1 Các biện pháp giải tượng hóc khí a Trích khí (bleeding) Vùng khí vận tốc thấp hút ngồi để khơng làm ảnh hưởng đến dịng Hình 16: Sơ đồ mơ tả phương pháp trích khí b Thổi khí Khí tốc độ cao thổi vào vùng vận tốc thấp để tăng động cho chúng đẩy chúng chuyển động dọc trục 13 Hình 17: Phương pháp thổi khí c Hồi khí (recirculation) Là phương pháp kết hợp trích khí thổi khí Hình 18: Phương pháp hồi khí d Tạo khe rãnh vỏ Hình 19: Phương pháp tạo khe rãnh vỏ 5.2 Hiện tượng trào ngược Hiện tượng trào ngược kết tương tác bất ổn định dòng máy nén (hiện tượng hóc khí) hoạt động buồng đốt Khi tượng trào ngược xảy ra, dịng khí dao dộng dọc theo hướng 14 trục máy nén, tức dịng khí lúc đồng thời bị trào ngược phía trước máy nén ngược lại Sự dao động hai chiều gây tải ngược chiều tác động lên cánh máy nén, làm chúng cọ xát với bề mặt gây hỏng hóc, phá huỷ kết cấu TÀI LIỆU THAM KHẢO Jack D Mattingly (2006), Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets, AmericanInstituteof Aeronauticsand Astronautics, Inc Saeed Farokhi (2014), Aircraft Propulsion Second Edition, USA, John Wiley & Sons Ltd N A Cumpsty (2004), Compressor Aerodynamics, Krieger Pub 15 ... quan máy nén dọc trục Máy nén dọc trục loại máy nén sử dụng phổ biến động hàng không Một tầng máy nén dọc trục gồm tầng cánh quay (rotor) tầng cánh tĩnh (stator) Hình 1: Cấu tạo máy nén dọc trục. .. 1: Ảnh hưởng tầng cánh lên dòng 1.2 Đặc điểm dịng khí Một đặc điểm quan trọng dịng khí qua tầng máy nén dọc trục ngồi thành phần chuyển động tịnh tiến dọc theo trục máy nén, dịng khí cịn có thành... chuyển động quay quanh trục Nguyên nhân tượng tồn khe hở cánh quay vỏ máy nén Chính vậy, dịng khí máy nén dòng chảy chiều phức tạp Trong trình chuyển động qua tầng máy nén, ứng xử dịng khí tn