TIỂU LUẬN môn học ĐỘNG cơ TUA BIN KHÍ 2 so sánh cấu tạo và ưu, nhược điểm của động cơ short duct turbofan và động cơ long duct turbofan

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG - TIỂU LUẬN MƠN HỌC ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ So sánh cấu tạo ưu, nhược điểm động short duct turbofan động long duct turbofan SVTH : HỒ ZY ĐAN LÊ THANH TIẾN TRẦN THỊ THU UYÊN DƯƠNG MINH HIẾU NGUYỄN BÁ THÁI BÌNH GVMH: LÊ TẤN LỘC Tp Hồ Chí Minh, 28 tháng năm 2021 MỤC LỤC I LỊCH SỬ .5 II LONG DUCT VÀ SHORT DUCT TURBOFAN ENGINE .7 Nhận biết Ống xả chung (Common Exhaust Nozzle) III BỘ TRỘN 14 Giới thiệu .14 Các loại trộn 15 Ưu điểm 18 Tăng lực đẩy động 18 Giảm tiếng ồn động cơ: .19 IV V TỔNG KẾT 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 MỤC LỤC HÌNH Hình I-1 Ba loại giảm tiếng ồn Hình I-2 Ví dụ giảm tiếng ồn động short fan duct long fan duct .7 Hình II-1 Động Long duct Short duct Hình II-2 Ống xả chung động có hệ số bypass cao .9 Hình II-3 Các loại đảo chiều lực đẩy .12 Hình II-4 Clamshell door động thực tế .13 Hình II-6 Bucket target door động thực tế 13 Hình II-8 Cascade reverser động thực tế 14 Hình III-1 Bộ trộn động turbofan 15 Hình III-2 Hai loại trộn .16 Hình III-3 Bộ trộn hình khuyên dạng “Chevron” 16 Hình III-4 Bộ trộn gấp nếp 17 Hình III-5 Lobed annular mixer 17 Hình III-6 Biểu đồ gia tăng Gross Thrust lý thuyết hệ số bypass tỉ lệ nhiệt độ 19 Hình III-7 Ống xả xoáy gây tiếng ồn .20 Hình III-8 So sánh tiếng ồn động có hệ số bypass thấp cao 21 Hình III-9 Biểu đồ so sánh mức độ ồn loại động .21 Hình III-10 Biểu đồ độ ồn dòng lõi trang bị trộn khác 22 Hình III-11 Biểu đồ độ ồn dịng bypass trang bị trộn khác 23 Hình III-12 Vị trí cấu tạo lớp lót hấp thụ tiếng ồn .24 LỜI NÓI ĐẦU Động phản lực cánh quạt (Turbofan engine) kết hợp cánh quạt động phản lực, cho hiệu suất cao số điều kiện bay cao cận âm thấp siêu âm Sự thay đổi từ Turbojet đời quạt với nhiều cánh có ống dẫn bao bọc, bao gồm tầng phía trước máy nén áp suất thấp tầng low pressure turbine Một cánh quạt định đặc rỗng, thường làm thép, hợp kim kim loại titan nhẹ composite với cạnh kim loại Bài tiểu luận tập trung phân tích, mơ tả đơn giản cấu tạo, ưu điểm nhược điểm động long duct turbofan short duct turbofan Việc sử dụng công thức phức tạp lược bỏ để trình bày rõ ràng, ngắn gọn xác nội dung Do đó, không mô tả công thức nhiều để hiểu chức lý thuyết động phản lực cánh quạt Đồng thời trình bày thí nghiệm thực tế để thấy tính hiệu hai loại động I LỊCH SỬ Mặc dù tuabin máy nén sử dụng cho nhiều mục đích khác nhiều năm ý tưởng kết hợp hai thành phần với đầu đốt sử dụng dòng chảy tuabin để đẩy máy bay xuất hai người Frank Whittle Anh Hans Joachim Pabst von Ohain Đức, họ làm việc độc lập đến ý tưởng người lại Động máy bay phải có trọng lượng nhẹ Việc đáp ứng yêu cầu với vật liệu có đủ độ bền để chịu khoảng thời gian dài, môi trường nhiệt độ cao, ứng suất cao phận quay nóng động vấn đề lớn động phản lực thời kỳ đầu - với ngày nhiệt độ động tiếp tục tăng Vô số vấn đề thiết kế chi tiết vòng bi, bôi trơn, khe hở, phương pháp chế tạo nối … Tuy nhiên, tất vấn đề khắc phục cách thô sơ vào cuối năm 1930 đầu năm 1940 Giám đốc điều hành hàng không Sir Frank Whittle coi cha đẻ hệ thống đẩy phản lực đại Khi sĩ quan trẻ Lực lượng Khơng qn Hồng gia Anh, ơng bắt đầu quan tâm đến dạng động đẩy máy bay tiên tiến Ơng cố gắng khơng thành cơng việc nhận hỗ trợ cho việc nghiên cứu phát triển ý tưởng Ơng kiên trì theo sáng kiến riêng nhận sáng chế động phản lực vào tháng năm 1930 Với hỗ trợ tài tư nhân, ông bắt đầu chế tạo động vào năm 1935 Động có máy nén ly tâm tầng kết hợp với tuabin tầng, thử nghiệm thành công vào tháng năm 1937 Tuy thử nghiệm phịng thí nghiệm, khơng sử dụng cho máy bay chứng minh tính khả thi khái niệm động phản lực Sau động nghiên cứu phát triển để ứng dụng hàng không dân dụng quân ngày Ban đầu, máy bay vận tải dân dụng trang bị động turbojet Động có dịng khí xả tốc độ cao, gây tiếng ồn lớn Vì thế, nhiều giảm tiếng ồn bắt đầu sử dụng động phản lực cách chia nhỏ dòng phản lực lớn thành dịng nhỏ (hình I.1 a b) [1] Một kiểu giảm tiếng ồn khác đề xuất việc hút trộn khơng khí bên ngồi vịi xả với dịng khí xả tốc độ cao (hình I.1 c) Do đó, vận tốc khí thải hỗn hợp tạo thành thấp vận tốc khí thải tự riêng động cơ, tiếng ồn nguồn giảm theo Hình I- Ba loại giảm tiếng ồn Động turbofan có hệ số bypass làm cho hiệu suất đẩy gia tăng Tuy nhiên động turbofan làm gia tăng tiếng ồn gây fan Các nghiên cứu động có hệ số bypass thấp, turbofan hệ thứ cho thấy tiếng ồn lan truyền từ ống xả fan lớn tiếng ồn đến từ khí xả lõi Tiếng ồn quạt xử lí việc trang bị ống làm vật liệu hấp thụ tiếng ồn, Động long fan duct trang bị ống giảm tiếng ồn hình bên Hình I- Ví dụ giảm tiếng ồn động short fan duct long fan duct II LONG DUCT VÀ SHORT DUCT TURBOFAN ENGINE NHẬN BIẾT Động turbofan chia làm hai loại: long duct (mixed flow) engine short duct (separate flow) engine - Long duct engine có ống xả nhất, trộn dịng khí xả từ bypass lõi lại với nhau, sau xả vào ống xả chung (common exhaust nozzle) Thường thấy động turbofan có hệ số bypass thấp, gặp động có hệ số bypass cao - Short duct engine có hai loại ống xả tách rời, dùng cho dịng khí qua Fan dùng cho dịng khí qua lõi động – dịng khí độc lập xả mơi trường thơng qua hai vịi xả khác Thường thấp động turbofan có hệ số bypass cao Hình II- Động Long duct Short duct Hệ thống xả hai loại động có khác có khơng có ống xả chung Dẫn đến phận hệ thống xả đảo chiều lực đẩy, trộn, giảm tiếng ồn, … có khác Hình II- Ống xả chung động có hệ số bypass cao ỐNG XẢ CHUNG (COMMON EXHAUST NOZZLE) Ống xả chung thành phần để xác định động long duct hay short duct Động trang bị ống xả chung vài lí sau: [2] - Nếu động trang bị Afterburner việc trộn hai dịng khí bypass lõi làm lực đẩy sau đốt cháy tăng nhiều - Ở điều kiện bay bằng, phần nhỏ lực đẩy SFC cải thiện - Bộ đảo chiều lực đẩy hoạt động hiệu - Tiếng ồn dịng khí xả thơng qua ống xả chung giảm đáng kể so với dịng khí xả từ lõi động có ống xả riêng biệt Thí nghiệm “Lợi ích khí động lực học động có ống xả chung” [3] đưa nhận xét sau: - So sánh hiệu suất tổng thể điều kiện số Mach Net thrust cho thấy: động hệ số bypass nhỏ động có ống xả chung (MXD EXH) tăng khoảng 2-3% so với động có ống xả tách riêng (SEP EXH) Đối với động có hệ số BPR từ trở lên hiệu xuất tổng thể động có ống xả chung lại thấp Mức độ tiêu hao nhiên liệu cải thiện động có hệ số bypass nhỏ 8, lớn tệ SEP EXH TOC_MAX Des BPR=4 MXD EXH TOC_MAX Des BPR=4 SEP EXH TOC_MAX Des BPR=6 MXD EXH TOC_MAX Des BPR=6 SEP EXH TOC_MAX Des BPR=8 MXD EXH TOC_MAX Des BPR=8 35000 35000 35000 35000 35000 35000 Sốố Mach 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 Net thrust 9000 9000 9000 9000 9000 9000 SFC 0.6741 0.6582 0.6221 0.6113 0.5924 0.5978 Hi u ệ suấốt t 0.2887517 0.295727 0.3128878 0.3184157 0.3285744 0.3256064 Hi u ệ suấốt đẩy 0.6174 0.6112 0.6748 0.6707 0.7171 0.7187 Hi u ệ suấốt lõi 0.5552 0.554 0.5536 0.5528 0.5527 0.5522 Hi u ệ suấốt truyềền 0.8423807 0.8733691 0.837563 0.858812 0.8290192 0.8204439 Độ cao Bảng So sánh hiệu suất động turbofan có ống xả chung điều kiện Top of Climb 10 Từ thí nghiệm thấy việc trang bị khơng trang bị ống xả chung có ảnh hưởng đến hiệu suất động Về bản, ống xả chung làm vận tốc dòng core giảm vận tốc trung bình dịng khí tăng, cách trộn hai dịng khí thơng qua trộn (phần III), lực đẩy động tăng Tuy nhiên, việc trang bị ống xả động có BPR lớn làm gia tăng đáng kể khối lượng lực cản ma sát vỏ động khơng sử dụng Việc trang bị thêm ống xả chung khiến cho đảo chiều lực đẩy động long duct short duct có khác biệt Động long duct trang bị Clamshell door Bucket target door, động short duct trang bị Cascade reverser 12 Hình II- Các loại đảo chiều lực đẩy Hình II- Clamshell door động thực tế Hình II-7 Bucket target door động thực tế 13 Hình II-8 Cascade reverser động thực tế So sánh Thrust reverser Long duct Short duct: - Long duct: kết cấu chuyển hướng dịng khí nóng, phải có cấu tạo từ vật liệu chịu nhiệt độ cao kết cấu đặc biệt chắn, nguyên liệu chi phí sản xuất cao - Short duct: khơng chịu tác động nhiệt độ cao, sử dụng vật liệu hợp kim nhôm, composite, … Nhẹ bền bỉ III BỘ TRỘN GIỚI THIỆU Bộ trộn khí phận có nhiều động tuabin phản lực Nhiệm vụ trộn giúp dịng khí bypass (lạnh/chậm) trộn với khí xả lõi động (nóng/nhanh) trước xả bầu khí 14 Hình III- Bộ trộn động turbofan CÁC LOẠI BỘ TRỘN - Bộ trộn cưỡng (hình III.2 a): buộc hai dịng khí nóng lạnh phải hồ trộn vào Loại trộn dùng nhiều động long duct hiệu xuất trộn cao cho khả gia tăng lực đẩy đáng kể - Bộ trộn hình khun (hình III.2 b): dịng khí bypass dịng khí từ lõi động kết hợp với thơng qua hình khuyên đồng trục Hai loại trộn hình khuyên thường gặp Lobed annular mixer Plain annular mixer Loại trộn sử dụng nhiều động high bypass ngày 15 Hình III- 10 Hai loại trộn Hình III- 11 Bộ trộn hình khuyên dạng “Chevron” 16 Hình III- 12 Bộ trộn gấp nếp Hình III- 13 Lobed annular mixer 17 ƯU ĐIỂM Làm giảm vận tốc dịng khí thoát từ lõi động cơ, làm giảm đáng kể tiếng ồn tạo Nhiệt độ khí thải giảm làm cho nhiệt độ máy bay thấp hơn, ưu điểm quan trọng quân có nhiều vũ khí máy dị tìm cảm biến nhiệt Ưu điểm quan trọng trộn khả làm tăng lực đẩy động Bên cạnh trộn cịn đóng vai trị quan trọng việc làm giảm tiếng ồn động Tăng lực đẩy động Lực đẩy khí thải động tích khối lượng khí thải nhân với vận tốc khí xả: T =m v Năng lượng để tạo lực đẩy: E= m v 2 Làm giảm vận tốc khí từ lõi động làm tăng vận tốc trung bình dịng khí xả, từ tạo nhiều lực đẩy với lượng Biểu đồ bên cho thấy gia tăng gross thrust theo lý thuyết động có khơng có ơng xả chung Đối với tỉ lệ nhiệt độ dịng nóng dòng lạnh (T.HOT/T.COLD) khác nhau, tỉ lệ gia tăng gross thrust động trộn khơng trộn dịng khí xả [2] 18 Hình III- 14 Biểu đồ gia tăng Gross Thrust lý thuyết hệ số bypass tỉ lệ nhiệt độ Giảm tiếng ồn động cơ: Nguyên nhân gây tiếng ồn động cơ: Tiếng ồn gây từ giai đoạn dịng khí qua fan, compressor, buồng đốt, turbine, exhaust Những nguồn tiếng ồn khác nhau, có xu hướng tăng lên vận tốc dịng khí qua động lớn - Tiếng ồn cánh rotor stator máy nén turbine đập vào dịng khí, tạo nên hỗn loạn vận tốc dịng khí áp suất Cường độ tiếng ồn phụ thuộc vào khoảng cách cánh với khoảng cách hàng rotor – stator - Tiếng ồn tạo buồng đốt không đáng kể so với tầng khác 19 - Tiếng ồn ống xả tạo trộn lẫn cắt vận tốc lớn dịng khí ống xả mơi trường xung quanh Các dịng xốy gần ống xả gây tiếng ồn tần số cao, dịng xốy lớn xa gây tiếng ồn với tần số thấp Hình III- 15 Ống xả xốy gây tiếng ồn Với động phản lực tuý, tiếng ồn dịng khí xả lớn nhiều so với tiếng ồn máy nén turbine hầu hết điều kiện hoạt động Cịn với động có bypass, vận tốc dịng khí thải thấp nên tiếng ồn giảm, tiếng ồn máy nén turbine lại tăng lên Những động có fan thường giảm đáng kể tiếng ồn máy nén, với động có bypass lớn 5:1, tiếng ồn dịng khí xả thấp tiếng ồn cấu cánh máy nén turbine 20 Hình III- 16 So sánh tiếng ồn động có hệ số bypass thấp cao Thông thường động high bypass có tiếng ồn thấp low bypass Nguồn tiếng ồn động hỗn loạn dịng khí từ ống xả động cắt vào mơi trường xung quanh Các dịng khí cắt có chứa bất ổn định dẫn đến xoáy hỗn loạn tạo dao động áp suất gây âm Hình III- 17 Biểu đồ so sánh mức độ ồn loại động 21 Để giảm thiểu tiếng ồn động high bypass low bypass, nguyên tắc giảm thiểu vận tốc dòng xả Phương pháp thành công sử dụng động bypass trộn luồng khí thải nóng lạnh thơng qua trộn, sau dịng khí thải vận tốc thấp thơng qua vịi phun Thí nghiệm “Khả giảm thiểu tiếng ồn động turbofan trộn có khía hình V” [4] cho thấy việc sử dụng trộn để làm giảm thiểu tiếng ồn dịng khí xả bypass lõi có hiệu tương đối Hình III- 18 Biểu đồ độ ồn dòng lõi trang bị trộn khác 22 Hình III- 19 Biểu đồ độ ồn dòng bypass trang bị trộn khác Ngồi ra, giảm thiểu tiếng ồn động cịn thực lớp lót hấp thụ âm Động long duct trang bị lớp lót hấp thụ âm có chiều dài lớn so với động short duct, cho khả giảm tiếng ồn tốt Tuy nhiên, điều gia tăng trọng lượng động làm tăng nhẹ mức tiêu thụ nhiên liệu 23 Hình III- 20 Vị trí cấu tạo lớp lót hấp thụ tiếng ồn 24 IV TỔNG KẾT Giữa động Long duct turbofan Short duct turbofan có ưu nhược điểm riêng Đối với động Long duct, việc trang bị ống xả chung hiệu xuất trộn tốt hơn, tiếng ồn giảm hiệu lực đẩy động cải thiện động có hệ số bypass nhỏ Tuy nhiên, việc trang bị ống xả chung động có hệ số bypass lớn lại không đạt hiệu lực đẩy mong muốn, ngược lại làm gia tăng khối lượng động đáng kể, gia tăng lực cản ma sát vỏ động cơ, động có hệ số bypass lớn thường sử dụng short duct Các cấu đảo chiều lực đẩy động long duct đòi hỏi vật liệu chịu nhiệt kết cấu chắn chắn Động short duct khơng địi hỏi vật liệu chịu nhiệt cao, độ bền bảo dưỡng dễ dàng Các máy bay dân dụng ngày trang bị động có hệ số bypass lớn ví dụ như: Airbus A320neo trang bị động LEAP-1A có hệ số bypass 11:1, Airbus A350 XWB trang bị động Rolls-Royce Trent XWB có hệ số bypass 9.6:1, Boeing 787 Dreamliner trang bị động Rolls-Royce Trent 1000 có hệ số bypass lớn 10:1,…các động động short duct turbofan hiệu hoạt động kinh tế 25 V TÀI LIỆU THAM KHẢO L.K.Loftin “Technology of the Jet Airplane” in Quest for Performance: The Evolution of Modern Aircraft 1st Edition Washington, D.C : N.A.S.A 1985 [Online] Available: ch10-3 (nasa.gov) P.P.Walsh and P.Fletcher, “Gas Turbine Engine Components” in Gas Turbine Performance, 2nd edition, Bristol, UK: Blackwell Sciene Ltd, 1998, pp 232-235 [Online] Availale: Gas Turbine Performance, Philip P Walsh, 2E.pdf (cementechnology.ir) Aerothermodynamic benefits of mixed exhaust turbofans , November 01, 2017 [Online] Available: https://medcraveonline.com/FMRIJ/FMRIJ-01-00009.pdf Jet Noise Reduction of Turbofan Engine by Notched Nozzle, 2019 [Online] Available: 1906.pdf (sea-acustica.es) The Jet Engine, 5th edition, 1986 [Online] Available: The Jet Engine.qxd (valentiniweb.com) 26 ... tiếng ồn, Động long fan duct trang bị ống giảm tiếng ồn hình bên Hình I- Ví dụ giảm tiếng ồn động short fan duct long fan duct II LONG DUCT VÀ SHORT DUCT TURBOFAN ENGINE NHẬN BIẾT Động turbofan. .. Hi u ệ suấốt lõi 0. 526 2 0. 524 7 0. 525 561 0. 524 8 0. 525 4 0. 525 9 Hi u ệ suấốt truyềền 0.83 323 43 0.86 524 39 0. 821 727 7 0.8393808 0.80 925 85 0.7873651 Bảng So sánh hiệu suất động turbofan có ống xả chung... nhiên liệu 23 Hình III- 20 Vị trí cấu tạo lớp lót hấp thụ tiếng ồn 24 IV TỔNG KẾT Giữa động Long duct turbofan Short duct turbofan có ưu nhược điểm riêng Đối với động Long duct, việc trang bị ống