Động cơ tua bin khí

Slide 1 1 Nguyễn Thiện Tống – Mobile 0933877 – Email nguyenthiemail com Turbine Engines Week 1 Giới thiệu môn học Động cơ tua bin khí 1 Tài liệu học tập 1 Nicholas Cumpsty, Jet Propulsio.Slide 1 1 Nguyễn Thiện Tống – Mobile 0933877 – Email nguyenthiemail com Turbine Engines Week 1 Giới thiệu môn học Động cơ tua bin khí 1 Tài liệu học tập 1 Nicholas Cumpsty, Jet Propulsio.

Turbine Engines - Week 1: Giới thiệu môn học Động tua-bin khí Động tua-bin khí Mục tiêu môn học trang bị cho sinh viên kiến thức khoa học nguyên lý hoạt động động tua-bin khí sử dụng máy bay Động tua-bin phản lực bao gồm động tua-bin phản lực túy (turbojet engines) động tua-bin quạt (turbofan engines) động tua-bin chong chóng (turboprop engines) tất nhằm tạo lực đẩy công suất đẩy Qua môn học này, sinh viên hiểu rõ cấu tạo động tua-bin phản lực chu trình nhiệt qua máy nén, buồng đốt, tua-bin, ống khí phản lực… để tính tốn lực đẩy loại động nắm vững cách vận hành loại động tua-bin phản lực Tài liệu học tập [1] Nicholas Cumpsty, Jet Propulsion, Cambridge University Press, 7th Printing 2009 [2] Jack D Mattingly, Element of Gas Turbine Propulsion, McGraw-Hill, Inc., 1996 [3] Tài liệu khác [4] Bài giảng điện tử Nguyễn Thiện Tống – Mobile: 0933 321 877 – Email: nguyenthientong@gmail.com Turbine Engines - Week 1: Giới thiệu mơn học Động tua-bin khí Giới thiệu Kỹ thuật Hàng không Aeronautical engineering programs must prepare graduates to have a knowledge of - Aerodynamics - Aerospace materials and structures - Propulsion - Flight mechanics, and stability and control Programs must also prepare graduates to have design competence Aeronautical Engineering at The University of Sydney Aeronautical engineering is the design, production, testing and maintenance of aircraft, aerospace vehicles and their systems This includes conventional fixed-wing aircrafts as well as helicopters, space crafts and drones Nguyễn Thiện Tống Turbine Engines - Week 1: Giới thiệu môn học Động tua-bin khí What is Aeronautical Engineering Aeronautical engineers design, construct and operate aircraft, aerospace vehicles and propulsion systems An aeronautical engineer needs a sound understanding of the mathematics, physics, computer science, materials science and design philosophy to apply these skills in a variety of important areas in the global aerospace industry They also lead the way in many other fields of science and technology, so graduates are in demand in other areas, including lowspeed aerodynamics such as automobile design, navigation systems, and computer operation and software engineering With the growth in commercial air and space travel and the demand for high-speed travel on the rise, the opportunity to revolutionize the next generation of aircraft and become a leader in the aerospace industry is all yours Nguyễn Thiện Tống Các nội dung mơn học Giới thiệu phân loại động máy bay Nguyên lý động lực đẩy máy bay – Định luật Newton Các thành phần cấu tạo động tua bin phản lực nguyên lý hoạt động chúng Chu trình tua bin khí - Giản đồ T-s (Nhiệt độ - Entropy) Trao đổi lượng dịng khí thành phần động tua bin Chọn Bypass Ratio - tỷ lệ dịng khí khơng qua lõi động Các số vô thứ nguyên nguyên tắc đồng dạng động lực học động tua bin phản lực Máy nén tua bin động tua bin phản lực Động tua bin phản lực CFM56 – Xây dựng giản đồ T-s tính tốn lực đẩy Các nội dung mơn học (15 tuần theo textbook) Introduction - Turbine Engines (Ch 1) – The Atmosphere The Aerodynamics of the Aircraft (Ch 2) – Specific Fuel Consumption The Creation of Thrust in a Jet Engine (Ch 3) – Newton’s Second Law Gas Turbine Principles (Ch 4) – Diagrams of Temperature – Entropy The Gas Turbine Efficiency (Ch 4) – Thermal and Cycle Efficiency The Principle and Layout of Jet Engine (Ch 5) – Turbine Inlet Temperature Fluid Mechanics of Compressible Gases (Ch 6) – Energy Equation Fluid Mechanics of Compressible Gases (Ch 6) – Mass Flow per Unit Area Selection of Bypass Ratio (Ch 7) – Jet Velocity and the Fan Pressure Ratio 10 Selection of Bypass Ratio (Ch 7) – Bypass Ratio for Minimum Specific Fuel Consumption 11 Dynamic Scaling and Dimensional Analysis (Ch 8) – Non-dimensional Treatment of Thrust 12 Turbomachinery: Compressors and Turbines (Ch 9) – Flow Coefficient and Work Coefficient 13 Turbomachinery: Compressors and Turbines (Ch 9) – Axial Turbine and Axial Compressor 14 Overview of the Civil Engine Design (Ch 10) 15 CFM56 Engines Tuần – Giới thiệu mơn học Động tua-bin khí Giới thiệu phân loại động máy bay Rocket vs Air-Breathing Engine What is an Air-Breathing Engine Fuel Consumption Trend Trends to Bigger Engines Turbine Engine Types Turbojet (+ Afterburner), Turbofan, Turboprop Major Gas Turbine Engine Components The Standard Atmosphere Tài liệu học tập [1] Nicholas Cumpsty, Jet Propulsion, Cambridge University Press, 1997 Chapters [2] Bài giảng điện tử [3] Tài liệu khác ROCKET VS AIR-BREATHING ENGINE • Take mass stored in a vehicle and throw it backwards → Use reaction force to propel vehicle • Capture mass from environment and set that mass in motion backwards → Use reaction force to propel vehicle – Only fuel is carried onboard – All fuel and oxidizer are – Oxidizer (air) is ‘harvested’ continuously during flight carried onboard the AIR-BREATHING PROPULSION • Gas turbine engines power every modern aircraft and will for foreseeable future • Gas turbines used for land-based power application, rocket engine turbopumps, marine applications, ground vehicles (tanks), etc • Many technical challenges to be addressed (Fuel Economy, Emissions, Noise) – Fluid mechanics, thermodynamics, combustion, controls, materials, etc – One of most complicated parts, extreme environment device on earth • Enormous market: vast research and development $$ • Development time of engine > development time of aircraft (5:3) • Market is so competitive that engines are sold for a loss FUEL CONSUMPTION TREND • U.S airlines, hammered by soaring oil prices, will spend $5 billion more on fuel this year or even a greater sum, draining already thin cash reserves • Airlines are among the industries hardest hit by high oil prices, which have jumped 38 percent in just 12 months • Airline stocks fell at the open of trading as a spike in crude-oil futures weighed on the sector Fuel Burn JT8D PW4084 JT9D Future Turbofan PW4052 NOTE: No Numbers 1950 1960 1970 1980 1990 Year 2000 2010 2020 FUEL COST DRIVEN EXAMPLE • With fuel now largest component of operating costs, air carriers are turning to fuel-saving measures that once seemed hardly worthwhile – Upswept wingtips to increase range and improve aerodynamics – Taxi to and from runway on one engine to save fuel – Does it make sense to actually fly slower? – Do you polish an airplane or paint it? – Airlines have new program to wash their aircraft/engines – Other cost saving measures • 1st and 2nd bag check fee (and many others new fees…) • Remove all pillows from MD-80’s 10 MAJOR GAS TURBINE ENGINE COMPONENTS Inlet – Continuously draw air into engine through inlet – Slows, or diffuses, to compressor Compressor / Fan – Compresses air – Generally two, or three, compressors in series – Raises stagnation temperature and pressure of flow – Work is done on the air Combustor – Combustion or burning processes – Adds fuel to compressed air and burns it – Converts chemical to thermal energy – Process takes place at relatively constant pressure 25 MAJOR GAS TURBINE ENGINE COMPONENTS Turbine – Generally two or three turbines in series – Air is expanded through turbine (P & T ↓) – Work is done by the air on the blades – Use that work of one turbine to drive compressor – Use that work of another turbine to drive fan (turbofan) • Burning may occur in duct downstream of turbine (afterburner) Nozzle – Raises velocity of exiting mass flow – Flow is ejected back into the atmosphere, but with increased momentum 26 Fan & Compressor Fan Compressor Purpose of fan is to increase efficiency of turbojet engine Much of air bypasses core of engine 27 Combustors (Burners) Location Commercial PW4000 Combustor Military F119-100 Afterburner 28 Turbines Location Low Pressure Compressor (low) High Pressure Compressor (high) High and Low Pressure Turbines 29 AIRCRAFT AND ENGINE NOISE 30 AIRCRAFT NOISE 31 THE INTERNATIONAL STANDARD ATMOSPHERE Bầu khí tiêu chuẩn quốc tế Hoạt động máy bay tùy thuộc vào tính chất vật lý – khối lượng riêng, nhiệt độ – khơng khí bầu khí Do đó, việc so sánh máy bay cần phải dựa điều kiện giống bầu khí Bầu khí tiêu chuẩn quốc tế ISA chấp thuận gần sát với điều kiện xảy nhiều vùng vĩ độ phần lớn thời gian năm, ví dụ Châu Âu Bắc Mỹ Bầu khí tiêu chuẩn quốc tế xác định áp suất nhiệt độ mặt biển, thay đổi nhiệt độ theo độ cao 32 THE INTERNATIONAL STANDARD ATMOSPHERE 33 Tầng đối lưu tầng bình lưu Tầng đối lưu – Troposphere h  11000 m Nhiệt độ giảm theo cao độ L = Lapse rate L = - 6.5 oC per 1000 m T = T0 - Lh T/T0 = (1 – Lh/T0) T0 nhiệt độ cao độ mặt biển P2/P1 = (T2/T1)g/RL P2/P1 = (ρ2/ρ1)g/(g – RL) ρ2/ρ1 = (T2/T1)(g- RL)/RL Tầng bình lưu – Stratosphere - 11000 m  h  25000 m T = Ts = = 216,66 K P2/P1 = ρ2/ρ1 = exp[(g/RTs)(h1 – h2)] 34 Bầu khí tiêu chuẩn quốc tế - International Standard Atmosphere (ISA) The standard atmosphere: The basis for establishing a standard atmosphere is a defined variation of temperature with altitude A standard atmosphere is a valuable tool that provides engineers with a standard when conducting analyses and performance comparisons of different aircraft design 35 THE INTERNATIONAL STANDARD ATMOSPHERE 36 37 Thí dụ: Tìm áp suất khối lượng riêng cao độ 10.000 m 20.000 m bầu khí tiêu chuẩn Cho biết áp suất cao độ mặt biển 101325 N/m2, nhiệt độ T0 = 288 0K độ giảm nhiệt độ L = 0,0065 0K/m a) Ở cao độ 10.000 m: T = T0 – Lh = 288 0K – 0,0065 0K/m*10000 m = 223 0K P0/P10 = (T0/T10) 5,256 = (288/223) 5,256 = 3,838 Suy ra: P10 = 101325/3,838 = 26400 N/m2 ρ10 = P10/RT10 = 26400/(287,265*223) = 0,04122 Kg/m3 b) Ở cao độ 20.000 m: Nhiệt độ: Ts = 216,65 0K = tầng bình lưu Qua liên hệ tầng đối lưu cho: P0/P11 = (T0/T11) 5,256 = 4,5 → P11 = 101325/4,5 = 22617 N/m2 Qua liên hệ tầng bình lưu cho: P11/P20 = exp[g(h20 – h11)/RTs] = exp(1,4194) = 4,135 P20 = 22517/4,135 = 5446 N/m2 ρ20 = P/RT = 5446/287,26*216,5 = 0,0876 Kg/m3 38 Sinh viên * Xem giảng điện tử Lecture_Week * Đọc tài liệu [1] Nicholas Cumpsty, Jet Propulsion, Cambridge University Press, 1997 Chapters [2] Tài liệu khác E-Learning * Làm tập • Next week The Aerodynamics of the Aircraft (Ch 2) – Specific Fuel Consumption 39 ... dòng khí thành phần động tua bin Chọn Bypass Ratio - tỷ lệ dịng khí khơng qua lõi động Các số vô thứ nguyên nguyên tắc đồng dạng động lực học động tua bin phản lực Máy nén tua bin động tua bin. .. Giới thiệu phân loại động máy bay Nguyên lý động lực đẩy máy bay – Định luật Newton Các thành phần cấu tạo động tua bin phản lực nguyên lý hoạt động chúng Chu trình tua bin khí - Giản đồ T-s (Nhiệt... thiệu môn học Động tua- bin khí Giới thiệu phân loại động máy bay Rocket vs Air-Breathing Engine What is an Air-Breathing Engine Fuel Consumption Trend Trends to Bigger Engines Turbine Engine Types