Nghiên ứu ảnh hưởng ủa khe hở giữa đỉnh ánh quay với thân máy và khe hở dọ trụ giữa ánh quay với ánh tĩnh tới hiệu suất ủa máy nén hướng trụ đa ấp

Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở ữ ỉ gi a đ nh cánh quay với thân máy và khe hở giữa cánh quay và cánh tĩnh tới hiệu suất máy nén d c trọ ục đa cấp.Nội dung cơ bản củ

1

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu ả nh hư ở ng củ a khe h gi a đỉ ở ữ nh cánh quay v i thân máy và khe ớ

h d ở ọ c trục giữa cánh quay vớ i cánh tĩnh t ớ i hi u suấ ủ ệ t c a máy nén hướng

trục đa cấp

NGUYỄ N Đ Ạ I QÚY Ngành Cơ Kh í Độ ng ự L c

Giả ng viên hư ớ ng dẫn: PGS TS Phan Anh Tuấn

2

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độ ậ c l p – T – H ự do ạ nh phúc

H ọ và tên tác giả luận văn: NGUYỄN ĐẠI QUÝ

Đề tài luận văn: Nghiên cứ ảu nh hư ng c a khe h gi a đ nh cánh quay ở ủ ở ữ ỉvới thân máy và khe hở ọ d c trục giữa cánh quay với cánh tĩnh tới hiệu suất của máy nén hướng tr c đa c p ụ ấ

Chuyên ngành:Cơ khí động lự c

M ã số SV: CA190065

Tác giả, Ngư i hườ ớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nh n tác giậ ả đã sửa ch a, bữ ổ sung lu n văn theo biên b n họp Hộ ồậ ả i đ ng ngày 12 tháng 08 năm 2020 với các n i dung sau: ộ

PGS.TS Phan Anh Tu n Nguy ấ ễ n Đ ạ i Quý

T CHỦ ỊCH HỘ Ồ I Đ NG GS.TSKH V ũ Duy Quang

3

L ờ i cảm ơn

Với lòng biết ơn sâu sắc và tình c m chân thành cho phép tác giả ả ử g i l i cờ ảm ơn chân thành nhấ ớt t i:

nghiên cứu này.

tác giả ấ r t mong nhậ n đư ợc sự đóng góp ý ki n của các nhà khoa họ ế c, của quý thầy cô

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 26 tháng 6 năm 2020

Tóm tắ ộ t n i dung luận văn

Lý chọ ề n đ tài

Máy nén khí đa cấp được dùng ph biến trong công nghiệp khi muốn tạo ổ

ra dòng khí với áp suất cao Đặc biệt trong ngành hàng không và tàu thủy, máy nén đa c p đưấ ợc dùng trong tua bin khí để ạ t o lự ẩc đ y cho máy bay và tàu thủy Việc nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở đỉnh cánh với thân máy và khe hở giữa cánh quay và cánh cố đị nh sẽ giúp cho người thi t k t i ưu, nâng cao đư c hi u ế ế ố ợ ệsuất cho máy nén khí

M ụ c đích nghiên c ứ u

Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở ữ ỉ gi a đ nh cánh quay với thân máy và khe hở giữa cánh quay và cánh tĩnh tới hiệu suất máy nén d c trọ ục đa cấp

N ộ i dung cơ b ả n củ ề a đ tài:

- Nghiên cứu tổng quan về máy nén khí, máy nén hướng tr c đa c p ụ ấ

- Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở giữ ỉa đnh cánh quay với thân máy tới hiệu suất máy nén hướng trục đa cấp

- Nghiên cứu ảnh hưởng của khe h gi a cánh quay và cánh c nh t i hi u su t ở ữ ố đị ớ ệ ấmáy nén hướng tr c đa c p, ụ ấ

- Mô phỏng số các trạng thái ảnh hưởng của khe hở giữ ỉa đnh cánh quay với thân máy t i hiớ ệu suất máy nén hướng trục đa cấp

- Mô phỏng số các trạng thái ảnh hưởng khe hở giữa cánh quay và cánh cố định

tới hiệu suất máy nén hướng trục đa cấp

Phương pháp nghiên cứ u

4

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết truy n thề ống và mô ph ng sỏ ố ằ b ng phần mềm ANSYS Fluent đểkhảo sát, đánh giá m c đ nh hưởứ ộ ả ng tới hiệu suất và t ỷ

s néố n của m y n n hướng trụá é c đa c p khi thay đấ ổi khe hở giữa đỉnh c nh động á

tầng 1 ới ỏ máy khe hở ọc giữa c nh động vv v và d á à cánh tĩnh

HỌC VIÊN

Nguyễn Đại Quý

5

M Ụ C LỤ C

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN V MÁỀ Y N N KH 12É Í

1.1 Tổng quan về má éy n n khí 12

1.2 Phạm vi sử ụ d ng của má éy n n kh 13í 1.3 Ưu, nhược điểm của máy nén khí 13

1.4 Động lực h c chọ ất khí 13

Các thông số cơ b n củả a chất khí 13

Các định luật cơ bản c a ch t khí 14ủ ấ Độ ẩ m c a không khí 15ủ Nhiệt và công cơ học 15

Phương trình cơ bản c a nhiệ ộng 15ủ t đ Phương trình liên tục 16

Phương trình Bernoulli 17

S ốReynolds và số Mach 17

Phương trình Euler 18

1.5 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2 MÁY N N KH HƯỚNG TRỤÉ Í C ĐA CẤP 19

2.1 Kết cấu m y n n hướng trục đa cấp 19á é 2.2 Nguyên lý làm việc 20

2.3 Tam giác vậ ốc của dòng khí chuyển động trong máy 20n t Công của máy nén 23

Độ ph n l c c a máy nén hư ng tr c 24ả ự ủ ớ ụ 2.4 Đặc tính của má éy n n hướng tr c 27ụ Đặc tính riêng 28

Đặc tính t ng h p 30ổ ợ 2.5 Tính toán m y n n hướá é ng trục 31

Các thông số cho trư c 31ớ Tính toán sơ bộ 31

Tính toán tầng 34

Xây dựng biên dạng cánh 37 2.6 Các nghiên cứu về khe h cánh máy nén khí hướng trục đa cấp 41ở

Ảnh hưởng c a khe h gi a đ nh cánh quay với thân máy 41ủ ở ữ ỉ

6

Ảnh hưởng c a khe h d c tr c gi a cánh quay v i cánh tĩnh 42ủ ở ọ ụ ữ ớ

2.7 Kết luận chương 2 43

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SỐ 44

3.1 Phương pháp mô phỏng số 44

Giới thi u chung v ệ ềCFD (Computational Fluid Dynamics) 44

Ứng d ng c a CFD trong vi c gi i các bài toán k thu t 44ụ ủ ệ ả ỹ ậ Những phương trình cần ph i gi i ả ả trong CFD 45

3.2 Phần mềm mô phỏng ANSYS Fluent 45

Cấu trúc phần mềm và khả năng mô phỏng trên Fluent 45

Các bước gi i m t bài toán trên Fluent 47ả ộ 3.3 Mô ph ng sỏ ố ớ v i má éy n n hướng tr c đa c p 47ụ ấ 3.3.1 Lựa ch n phương pháp mô phỏng số 47ọ 3.3.2 Mô hình rối 49

3.3.3 Xây dựng mô hình lưới 52

3.3.4 Điều kiện biên 53

3.4 Kết luận chương 3 54

CHƯƠNG 4 KẾT QU MÔ PH NG S 55Ả Ỏ Ố 4.1 Các trường hợp mô phỏng s trong nghiên cố ứu này 55

4.2 Miền không gian tính toán 55

4.3 Điều kiện biên 58

4.4 Kết quả mô ph ng sỏ ố ề ả v nh hưởng c a khe hủ ở ữ gi a đỉnh cánh quay và vỏ máy 58 4.5 Kết quả mô ph ng sỏ ố ề ả v nh hưởng của khe hở ọ d c tr c giụ ữa cánh động và cánh tĩnh 65

Trường hợp khe h d c tr c giở ọ ụ ữa R1 và S1 tăng so với thi t k g c 65ế ế ố Trường hợp khe h d c tr c gi a R1 và S1 giảm so với thiế ế ốở ọ ụ ữ t k g c 70

4.6 Kết luận chương 4 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2 1 Cấu t o cạ ủa má én khí hướy n ng tr cụ 19

Hình 2 2 Lưới cánh c a má éủ y n n hư ng trục 21ớ Hình 2 3 Tam giác vậ ố ủn t c c a lư i cáớ nh công tác 22

Hình 2 4 Sơ đồ ậ ố v n t c của lưới cánh công tác 22

Hình 2 5 Tam giác vậ ốc góc ρ = 0,5 25n t Hình 2 6 Tam giác vậ ốc góc ρ = 1 26n t Hình 2 7 Tam giác vậ ốc góc ρ = 0,75 27n t Hình 2 8 Đường đặc tính th c nghiệm của máy nự én hướng trục 28

Hình 2 9 Đường đặc tính th c nghiệm của máy nự én hướng trục 29

Hình 2 10 Sự phụ thu c l c nâng Cộ ự y và lực cản Cx và óo g c va i 29

Hình 2 11 Sự phụ thu c l c nâng Cộ ự y và lực cản Cx và óo g c va i 30

Hình 2 12 Đường đặc tính t ng h p của má éổ ợ y n n hướng tr c 31ụ Hình 2 13 Xây dựng đường nhân của biên d ng cánh bằạ ng phương pháp đồ thị38 Hình 2 14 Xây dựng đường nhân của biên d ng cánh 39ạ Hình 2 15 Xây dựng cánh bằng phương pháp giải t ch 40í Hình 2 16 Máy nén khí hướng trục đa cấp 41

Hình 3 1 Sơ đồ thực hi n bài toán mô ph ng trên Fluent 46ệ ỏ Hình 3 2 Minh họ ềa v quy đ nh “Interface” cho mô hình MRF 48ị Hình 3 3 Mô hình lưới 52

Hình 3 4 Điều ki n biên c a c c vệ ủ á ị trí 53

Hình 4.1 Khe hở đỉnh c nh động và thân máy và khe hở dá ọc R1 với S1 56

Hình 4.2 ấu tạo ba t C ầng cánh má én khí 57y n Hình 4.3 Chia lưới trong mô phỏng số 58

Hình 4.4 Trường vận tốc dòng khí tạ ầi t ng thứ nh t 59ấ Hình 4.5 Trường vận tốc dòng khí tạ ầi t ng thứ hai 59

Hình 4.6 Trường vận tốc dòng khí tạ ầi t ng thứ ba 60

Hình 4.7 Đồ thị ải của cánh tầng thứ nhấ 60 t t Hình 4.8 Đồ thị ải của cánh tầng thứ hai 61 t

Hình 4.9 Đồ thị ải của cánh tầng thứ ba 61 t

Hình 4.10 Đồ thị ải của cánh động R1 61 t

Hình 4.11 Đồ thị ải của cánh ĩnh S1 62 t t

Hình 4.12 Đồ thị ải của cánh động R2 62 t

9

DANH MỤC B Ả NG

Bảng 3.1 Các chỉ ố ủ s c a lưới chất lỏng 52Bảng 3.2 Thang tiêu chuẩn Orthogonal quality 53Bảng 3.3 Thang tiêu chuẩn skewness 53Bảng 3.4 Điện kiện biên cho các m t tương ng 54ặ ứ

Bảng 4.1 c trường hợp mô phỏng cho gi trị khe hở đỉ Cá á nh cánh động R1 và vỏmáy 55

Bảng 4.2 c trường hợp mô phỏng cho gi trị khe hở ọc trục giữa cánh R1 với Cá á dS1 55

Bảng 4.3 Thông số máy nén hướng tr c ba c p 56ụ ấ

Bảng 4.4 ố lượng c nh từ S á ng c p c a máy nén 57ấ ủ

k S ố mũ đẳng entropi, đoạn nhiệt -

GB Lưu lượng trọng lượng Kg/s

GK Lưu lượng khố ợi lư ng m3/s

ρa Khố ợi lư ng riêng ch t khí ấ Kg/m3

Ta Nhiệ ộ ất đ ch t khí Độ (º)

Pk Áp suất ra của m y ná én Pa

THUẬT NGỮ Ế VI T TẮT

CFD Computational Fluid Dynamic

SRF Single Reference Frame

MRF Multiple Reference Frame

MPM Mixing Plane Model

SMM Sliding Mesh Model

CAD Computer-aided design

CATIA Computer Aided Three Dimensional Interactive ApplicationANSYS Swanson Analysis Systems,inc

RANS Raynolds Averaged Navier Stokes

Trong đó, P1 – là áp suất của kh ở ối v o của m y.í l à á

P2 – là áp suất của kh ở ối ra của m y.í l á

Theo nguyên lý làm việc, ngư i ta chia máy nén thành hai nhóm cơ b n sau đâyờ ả[1]:

- Máy nén khí cánh dẫn hay còn gọi là máy nén động lực học): Quá trình (nén y xả ra do tác động tương hỗ ữa hệ ốgi th ng cánh dẫn với dòng khí vận chuyển qua máy (tạo áp suấ ột đ ng là chủ ế y u) Máy cánh d n có hai loẫ ại chính: máy nén lý tâm và máy nén hướng trục

- Máy nén khí thể tích: Làm viêc theo nguyên lý chèn ép dòng khí trong một

thể tích kín, sự tăng áp suất xảy ra do giảm thể tích không gian làm việc (tạo áp suất tĩnh là chủ ế y u) Máy tạo ra độ tăng c a áp suất tĩnh bằng cách ủcho phép các th tích khí liên tiể ếp được hút vào trong và x ra ngoài mả ột không gian kín bằng dịch chuyể ủa m t bn c ộ ộ phận di động Máy nén thểtích có hai loại chính: máy nén pít tông và máy nén rotor

Theo áp suấ m việt là c ta người ta chia ra

- Máy nén áp suất thấp P < 10 at

- Máy nén áp su t trung bình P = 10 ÷ 30 at.ấ

- Máy nén áp su t cao P = 30 ÷ 1000 at.ấ

- Máy nén áp suất siêu cao P > 1000 at

Theo số vòng quay làm việc ta người ta chia ra

- Máy nén số vòng quay thấp n < 200 (vòng/phút)

- Máy nén số vòng quay trung bình n = 200 ÷ 1000 (vòng/phút)

- Máy nén số vòng quay cao n > 1000 (vòng/phút)

Theo chức năng làm việc làm việc ta người ta chia ra

Máy nén khí được s d ng cho cung cấp khí nén trong máy công cụ (máy ử ụ

dập, ép, máy búa, máy cắt kim loại, máy phun, sơn,…), cho các máy t động, ựdây chuy n tề ự đông (truy n đ ng khí nén, các máy gia công c t gề ộ ắ ọt tự độ ng,…), trong khai thác m , các ngành hóa chỏ ất, ưu điểm chủ ế y u của nó là an toàn Dùng trong thi t b tua bin khí, cế ị ung cấp khí nén cho đ ng cơ đốộ t trong, b ng cách tăng ằ

áp suất náp vào xi lanh, sử ụ d ng trong công nghiệ ớp ư p lạnh, dùng cung cấp khí nén cho các thiết b làm s ch chi ti t máy, các thi t bị ạ ế ế ị máy không thể làm s ch ạ

bằng tay và nư c đướ ợc

1.3 Ưu, nhượ c đi ể m của máy nén khí

Ưu điểm

- Cấu tạo của máy nén và các thiết bị cung cấp khí nén đơn giản

- Điều khiển và đi u chính đơn giề ản, d dàng, thu n ti n ễ ậ ệ

- Độan toàn trong sử ụ d ng cao Đ i v i máy ép, búa, dố ớ ập sử ụ d ng năng lư ng ợkhí nén an toàn hơn năng lư ng điợ ện

- Thiết bị khí nén có độ chính xác, tin cậy cao

Các thông số cơ bản của chất khí

Các đ i lư ng xác đạ ợ ịnh tr ng thái của chất khí gọạ i là các thông s c a ch t khí ố ủ ấCác thông số cơ b n củả a ch t khí là:ấ

Áp suấ ủ t c a ch t khí ấ

Trong đó: po – áp suất tuyệ ốt đ i trên mặt nước biển,

h – chiều cao tính bằng m so với mặt nước biển

- Nhiệ ột đ chất khí T [ºC, º K];

- Thể tích chất khí V [m3];

- Trọng lượng chất khí (chiếm chỗ trong thể tích V) G [kg];

- Thể tích riêng (thể tích của 1 kg chất khí) = V/G [m v 3/kg];

- Trọng lượng riêng (trọng lượng của 1 m3 khí) γ = G/V [kg/m3]

Các định luật cơ bản của chất khí

Khi chất khí bị nén hay giãn nở, các thông số ủ c a nó như áp suất, th tích và ểnhiệ ộ ẽt đ s thay đ i ổ

Nếu ta ký hiệu p1, T1 (T1 = 273 + t1) ºK, V1 vvà 1 là áp suất ban đầu, nhiệt

độ tuy t đ i ban đ u, th tích ban đ u và th tích riêng ban đ u c a ch t khí và ệ ố ầ ể ầ ể ầ ủ ấ

p2, T2 (T2 = 273 + t2) ºK, V2 và v2là áp suất cuối, nhiệ ột đ tuyệ ốt đ i cuối, thể tích

cuối và th tích riêng cu i c a ch t khí thì cể ố ủ ấ ác thông số đó phụ ộc lẫn nhau thutheo các định luật sau đây

Định luật Gay Lussac

Khi áp suất không thay đổi (p = const) thì th tích riêng t l thu n v i nhiệt ể ỷ ệ ậ ớ

độ

T s ỷ ố Ψ =

  g à ọi l độ ẩm tương đố ủi c a không khí

Khi Ψ < 1, không khí ở ạng thái trong suốt, khi Ψ > 1, không khí bão hòa trhơi nước và m t tính trong su t, vì khi đó có m t phầấ ố ộ n hơi nư c tách ra dướ ới

dạng những hạt nước nhỏ ẫn trong không khí l

Nhiệt và công cơ học

Để nén không khí c n ph i t n m t công cơ học bên ngoài Nhiệt và công ầ ả ố ộ

cơ học là hai dạng khác nhau của năng lư ng nhưng tương đương vợ ới nhau, nó

có thể chuy n hóa cho nhau, trong máy nén luôn có sự ế ổể bi n đ i từ cơ năng thành nhiệt năng Đơn vịcông là J, kgm hay Nm

Đơn vị nhi t lư ng là kcal, đó là nhi t lư ng c n thi t đ nung nóng 1kg nư c ệ ợ ệ ợ ầ ế ể ớdưới áp su t khí quy n lên 1 ºC ấ ể

C ứ1 kcal có thể cho ta 427 kgm công cơ học

- Đạ ợi lư ng E gọi là đương lư ng công cơ hợ ọc, ta có E = 427 [kgm/kcal]

- Đạ ợi lư ng A = 1/E ọ g i là đương lượng nhiệ ủt c a công

Phương trình cơ bản của nhiệt động

Gọi nhiệ ợt lư ng cần thiế ểt đ làm nóng 1 kg không khí trong mộ ểt th tích kín (V = const) tăng lên dT độ là dQV (kcal) Khi nhiệ ột đ của không khí thay đổi không l n lớ ắm thì có th coi nhi t lư ng dQể ệ ợ V t l ỷ ệthuật với nhiệ ột đ dT

Trong đó, CV t là ỷ nhiệt không khí ứng với V = const hay còn gọi là nhiệt dung riêng đẳng tích Đó là nhi t lưệ ợng c n thiầ ết cung cấp cho 1 kg không khí chứa trong m t thộ ể tích kín đ tăng nhi t để ệ ộ ủ c a nó lên 1 độ

16

Để làm nóng 1 kg không khí dư i áp su t không thay đ i lên dT đ ph i m t m t ớ ấ ổ ộ ả ấ ộnhiệt lượng là dQp (kcal) Tương tự như biểu thức (1.4) ta có thể viết:

dT C

pdV pfdS

dv

s p

2

= +

Sau khi tích phân cho khoảng giữa hai ti t di n 1 và 2 ta có ế ệ

0 dL vd 2

∫

0 L 2

v v vdp

2

2 1

Hiệu suất của máy nén ly tâm và hướng tr c phụ ụ thuộc vào số Reynold và

s ố Ma Khi số Reynold nhỏ (vận tốc nhỏ) tổn thất sẽ giảm và ngược lại Sự phụthuộc này chỉ đúng đ n một giá trị Re xác định, lế ớn hơn giá trị này, Re không

18

ảnh hưởng t i hi u su t Giá tr Re t i h n này ph thu c vào các thông s k t ớ ệ ấ ị ớ ạ ụ ộ ố ế

cấu của máy

Với vận ốc nhỏ, ốt s Ma không ảnh hưởng tới hiệu suất của máy, nếu Ma gần

tới 1 (gần vận tốc âm) thì tổn thất sẽ tăng rất nhanh và hiệu su t c a máy s gi m ấ ủ ẽ ảKhi chuyển từ ế độ ch trên âm sang dương âm, dòng ch y xuất hiện sóng xung ảkích Đối với các tầng có d ng hình hạ ọc giống nhau, dòng chảy đư c đ c trưng ợ ặ

bằng thông số chịu nén MU Đ i lưạ ợng này b ng t s gi a vậ ốằ ỷ ố ữ n t c vòng c a ủbánh công tác u2và vận tốc ở trạng thái hút vào bánh công tác aH

hiểu được các tham số nhiệt đ ng cơ bản của ch t khộ ấ í như thể tích, nhi t đ , ệ ộ

trọng lượng, áp suất, vận tố c, độnhớ ủa chất kh thông qua c c phương tr nh t c í á ì

tính to Từ đó phục vụ cho tính toán mô phỏng kiểm chán ứng các đặc tính của

má éy n n hướng trụ trong chương sau c

19

CHƯƠNG 2 MÁY NÉN KHÍ HƯ Ớ NG TR C ĐA C P Ụ Ấ

2.1 Kết cấu máy nén hướng trục đa c p ấ

Máy nén hướng tr c đư c s d ng r ng rãi trong các ngành công nghi p, ụ ợ ử ụ ộ ệnhất là trong các thiết bị tuabin khí và ngành Hàng không So với các loại máy nén khác, máy nén hướng trục có nh ng ưu đi m như: hi u su t cao, lưu lư ng ữ ể ệ ấ ợ

lớn, trọng lượng và thể tích trên một đơn vị công suất nhỏ, tố ộc đ quay cho phép

lớn và dễ ối trực tiếp với tuabin khí Khi cần có một thể tích lớn, không khí nén ndưới áp su t không cao l m, ngư i ta dùng máy nén hư ng tr c Máy nén hư ng ấ ắ ờ ớ ụ ớtrục làm việc theo nguyên lý lực nâng [1] C u t o và nguyên lý ho t đ ng c a nó ấ ạ ạ ộ ủđược th hiện trên hình 2.1 ể

Hình 2 1 C u t o cấ ạ ủa m y ná én khí hướng tr c ụ

1 Stator; 2 Rotor; 3 Cánh dẫ n hư ng ở ử ớ c a v o tà ầng cá nh công t c đầu tiên ; á

4 Cánh công tác đầu tiên ; 5 Tầng c nh tĩnh ; 6 Tâng cánh dẫá n hư ng cuối ớ

cù ng ; 7 Khe h nh ren ; 8 Khoang thông p để cân bằng.ì á

Trên hình 2.1 là sơ đồ máy nén hư ng trục nhiều tầớ ng, nó được cấu tạo bởi hai ph n chính: ầ phầ ộn đ ng (rotor), phần tĩnh (stato) Ro r bao gồto m các dãy cánh

lắp trên đĩa, các đĩa gắn chặt trên trục tạo thành một khối chung hình tr hay hình ụcôn tùy theo kết cấu yêu cầu Khi làm vi c, rotorệ quay nhờ động cơ hoặc tuabin Stato bao gồm các cánh l p c nh lên thân ngoài của máy Các cánh công tác ắ ố địđượ ắc l p theo vành tròn thành tầng cánh trên rotor Tùy thuộc áp su t cấ ần nén mà

s tố ầng cánh công tác nhiều ít khác nhau Xen gi a các t ng cánh công tác là các ữ ầtầng cánh dẫn hướng, có tác dụng dẫn hướng cho khí nén, khử thành ph n ầ

20

chuyể ộn đ ng quay và biến đ ng năng thành áp năng sau mộ ỗ ầi l n nén ở ầ t ng cánh công tác Tầng cánh hư ng đớ ầu tiên và cu i cùng ch có tác dố ỉ ụng dẫn hướng cho dòng khí vào và ra

Khi ra kh i bánh công tác, không khí chuyỏ ển động dọc theo tr c và chuyụ ển

động quay quanh tr c Đ t o đư c s tăng áp su t cho dòng khí thì không gian ụ ể ạ ợ ự ấ

gi rotorữa và stato phải có tiết diện ngang nhỏ ần v d ề phía c a ra Muố ậy thì ử n v

mặt ngoài của rotor là hình trụ, mặt trong của stato là hình nón cụt, trong trường

hợp này thì đư ng kính đờ ỉnh cánh của các t ng cánh công tác nhầ ỏ ầ d n Cách thứhai thì ngượ ạc l i, có th c hai mể ả ặt đều thay đổi hoặ ế ợc k t h p các phương án

Trong cánh hư ng, dòng khí không đướ ợc cung c p năng lượấ ng t bên ừngoài, tại đây chỉ ả x y ra quá trình biến đ ng năng thành thộ ế năng do v n tốc tuyệt ậ

đối gi m ả

Để cân b ng l c chi u tr c, ngư i ta dùng khoang và rãnh thằ ự ề ụ ờ ông đầu và

cu i ố rotor, nh m cân bằ ằng áp suất tác dụng lên rotor Lượng khí này rất nhỏ và được tính như là tổn th t th tích cho phép Khe hở hình ren giữa rotor và stato có ấ ểtác d ng làm kín.ụ

S ố vòng quay của rotor thường từ 5000 vòng/phút trở lên, vì v y quay ậ đểrotor nên dùng tuabin khí hoặc tuabin hơi, n u dùng đ ng cơ điế ộ ện phải có hộp tăng t c Máy nén hưố ớng trục được áp d ng khi cụ ần lưu lượng l n và áp suấớ t nh , ỏ

t s ỷ ốnén trong khoảng 1,15 ÷ 5

2.3 Tam giá c vận tốc của d ng kh chuyển động trong máy ò í

Nếu ta cắt các cánh bằng mắt cắt trụ có đường kính D rồi khai triển, ta sẽ có tiết diện ngang của cánh công tác và dẫn hướng (hình 2.2)

Lưới profin là m t dãy các profin khí gi ng nhau phân bốộ ố trên m t m t ộ ặphẳng với khoảng cách đều nhau N u nhế ững profin phân bố trên nh ng mặt ữsong song với nhau thì lưới cánh gọi là lưới cánh phẳng, nếu chú ng phân bố trên

mặt trụ thì lưới cánh đó g i là lưọ ới cánh tròn Một số thông số hình học của lưới được trình bày trên hình 2.2

21

Hình 2 2 Lưới cánh của m y n n hướá é ng tr c ụ

1.Cánh công tác; 2 C nh hướá ng; t- bước của cánh công t c; tá , - bước của

cánh; β1 – góc đặt của profile ở ửa v o; β c à 1’ – góc v o của d ng kh ; i = βà ò í 1’- β1 –

góc tới (g c va) của profileó

Trong máy nén hướng tr c, các thông s thay đ i theo chi u cao c a cánh, ụ ố ổ ề ủ

vì vậy một tầng của máy nén là tập hợp của vô số ầ t ng phân tố

Chất khí đi vào cơ c u hưấ ớng dòng vớ ậi v n tốc tuy t đ i Cệ ố a theo triều trục, khi ra khỏi cơ cấu hướng dòng, dòng khí không nh ng chuy n đ ng theo chi u ữ ể ộ ề

trục mà còn theo chiều vòng Nghĩa là vận tốc tuyệt đố Ci 1có thể phân tích thành vận tốc chiều trục C1a và vận tốc vòng C1U.Giá trị ận tố v c C1Uđánh giá độngoặt dòng của khí khi ra khỏi cánh hư ng dòng Độớ ngo t dòng có thểặ dương n u ếhướng c a Củ 1Utheo chiều quay hoặc âm nếu hướng của C1U ngược chiều quay Trong mộ ốt s máy nén đ ngoặt dòng bằộ ng không (C1U= 0)

Như vậy sau khi ra kh cơ cỏ ấu hướng dòng, khí đi vào bánh công tác với vận tốc C1và lệch một góc α đối với chiều của vận tốc vòng

Khi nhận năng lượng từ bên ngoài do tác d ng cụ ủa bánh công tác, moomen động

lượng của dòng khí tăng lên, ra khỏi bánh công tác khí có v n tậ ốc tuyệ ốt đ i C2 và thành phần vòng C2U hướng theo dòng quay

Sau bánh công tác khí đi vào cánh hướng có vận tốc tuy t đ i Cệ ố 3, nếu C3 <

C2 có nghĩa là áp suất khí tăng lên do độgiảm vận tốc, đ ng năng chuyộ ển thành thế năng; lúc này cánh hướng làm vi c giệ ống như bu ng tăng áp Nếồ u C3 = C2thì lúc này trong cánh hướng không có s ựthay đổi dạng năng lượng mà ch có s ỉ ựthay đ i hưổ ớng dòng khí

Trong nhiều trường hợp, người ta thi t kế ế máy nén hư ng trục sao cho Cớ 3

và C1 bằng nhau cả v ề hướng và đ ớộ l n, khi đó trong tầng không có sự thay đổi

động năng và công bên ngoài, chỉ tiêu t n cho nén khí và khắc phục tố ổn thấ ủy t th

l ực

22

Độ ớ l n và hư ng c a các thành ph n v n t c: v n t c tuy t đ i C, v n t c ớ ủ ầ ậ ố ậ ố ệ ố ậ ốtương đối W, v n tốậ c vòng U, thành ph n v n tốc vòng Cầ ậ U, vận tốc chi u trề ục Cađược xác định từ tam giác v n tốc hình 2.3 ậ

Vận tốc hướng trục của máy nén hướng trục hầu như không thay đổi hoặc chỉ ả gi m một ít ở ầ t ng cuối Để xét từng tầng riêng biệt ta có thể coi vận tốc hướng tr c không thay đ i Ngoài ra v n tốụ ổ ậ c vòng c a vào và c a ra cùng bán ở ử ửkính bằng nhau Để thu n ti n nghiên cậ ệ ứu, ta v tam giác vẽ ậ ốn t c vào và ra trên cùng một hình gọi là sơ đồ tam giác vận tốc của máy nén hướng trục, hình 2.4

Hình 2 3 Tam giác vậ ốc của lưới cn t ánh công tác

Hình 2 4 Sơ đồ ậ ốc của lưới c v n t ánh công tác

C1 và C2– vận tốc tuyệ ốt đ i của dòng khí trước và sau bánh công tác

Nếu biết vận tốc của dòng vào Ca, độ ngo t dòng Cặ 1U, vận tố òn U và độ c v

xoắn dòng ΔCU trong bánh công tác thì theo sơ đồ ậ ố v n t c, ta có thể xác định t t ấ

c ảcác thành phần vận tốc của tam giác, vận tốc của máy nén khí [1]

Công của máy nén

Năng lượng và chất khí thu được khi đi qua một cấp nén (g m m t tầng ồ ộbánh công tác và m t tộ ầng cánh dẫn hướng, từ ặ m t cắt I đến m t c t III) là công ặ ắthực tế LTTtính cho 1 kg khí:

Trong đó

LLT – công lý thuyết mà bánh công tác c p cho ch t khí: ấ ấ

LLT = U2.C2U – U1.C1U = U(C2U – C1U) 2 2

Ở đây U1 = U2 = U – vận tốc vòng của cánh tại tiết diện xét (m/s);

C1Uvà C2U – hình chiếu của các vận tốc tuyệ ốt đ i C1 và C2 lên phương vận

T1 – nhiệ ột đ của khí trước khi vào tầng cánh công tác;

P1 và P3 – áp suất của không khí trước khí vào bánh công tác và ra khỏi bánh hướng;

C1 và C3 – vận tốc tuyệ ốt đ i của không khí trước bánh công tác và sau bánh hướng;

T s ỷ ố 

 =  g à ọi l hiệu suất hiệu dụng của m y ná én 2 4

= 0,15 ÷ 0,30 và U = 240 300 (m/s)–

Độ phản lực của máy nén hướng trục

Năng lượng lý thuy t mà m t cấế ộ p nén truy n cho ch t khí bao gề ấ ồm động năng và thế năng T s thế ỷ ố năng trên năng lượng toàn ph n gọầ i là h s ho t tính ệ ố ạ

của cấp nén (độhoạt tính) hay là độphản lực của máy nén ρ [1]

25

Hình 2 5 Tam giác vậ ốc g c ρ = 0,5n t óTheo tam giác vận tốc hình 6.6 ta có:

đó suy ra W2 < W1 Vậy với bánh công tác có ρ= 0,5 thì sơ đồ ậ v n tốc có dạng

đối x ng, các v n t c góc tương ứứ ậ ố ng trong bánh công tác và d n hư ng b ng ẫ ớ ằnhau Vì vậy bánh công tác và dẫn hướng chịu tải như nhau và có dạng kích thước giống nhau, đồng th i tổn thấờ t năng lượng trong m ng cũng nh nh t Máy ạ ỏ ấnén khí hướng tr c có độ ả ự ằụ ph n l c b ng 0,5 kênh đ ng làm vi c như bu ng tăng ộ ệ ồ

áp, vận tốc tương đối giảm và độ gi m đ ng năng c a chuy n đ ng tương đ i ả ộ ủ ể ộ ốbiến thành thế năng Năng lư ng đư c truyềợ ợ n cho dòng khí qua bánh công tác

gồm một nửa dạng thế năng, ột nửa là dạm ng đ ng năng Máy nén khí hưộ ớng trục có độ ả ph n lực bằng 0,5 được sử ụ d ng nhiều nhất trong các loại máy nén hướng tr c ụ

- Khi ρ= 1 ta có:

C1U -= C2U có nghĩa là C1U có hướng ngược chi u quay ề

Tam giác vận tốc được thể ệ hi n trên 2.6, ta có:

26

Như vậy, n u b qua t n th t năng lư ng, năng lư ng nén (năng lư ng áp ế ỏ ổ ấ ợ ợ ợ

lực) đư c xác đợ ịnh bằng biểu thức sau:

  

Với C1U = - C2U nên C1 = C2

Như vậy, t các bi u th c, ta có th th y r ng trong tầừ ể ứ ể ấ ằ ng có độ phả ựn l c p=1 chỉ ậ nh n được th ếnăng thông qua quá trình nén trong kênh động Tầng máy nén có độ ph n lự ằả c b ng m t ộ năng lượng mà bánh công tác c p cho chất khí hoàn ấtoàn dưới dạng th năng, còn cánh hư ng dòng l p giế ớ ắ ữa các cánh động ch làm ỉnhiệm vụ thay đ i hư ng của dòng khí ổ ớ

27

Hình 2 7 Tam giác vậ ốc g c ρ = 0,75n t óNhư vậy, n u b qua t n th t năng lư ng, năng lư ng nén (năng lư ng áp ế ỏ ổ ấ ợ ợ ợ

lực) đư c xác đợ ịnh bằng biểu thức sau:

t ại

Khi ρ = 0 thì trong bánh công tác áp suất không tăng (không có quá trình

nén) mà chỉ có tăng đ ng năng dòng khí Tấ ảộ t c quá trình nén x y ra trong cánh ả

dẫn hướng (nhờ ự ả s gi m v n t c dòng khí) ậ ố

Khi đó:

ρ =1-    

 = 0Hay C1U = 2U – C2U > 0 nghĩa là C1U có hướng theo chi u quayề

2.4 Đc tí nh của m y né á n hướ ng trụ c

Đặc tính c a máy nén hư ng tr c có hai lo i: c tính riêng và c tính ủ ớ ụ ạ Đặ Đặ

tổng hợp

đến giá tr t i h n iị ớ ạ kpthì hệ ố ực nâng giảm xuống và hệ ố ực cả s l s l n tăng lên rất nhanh (Hình 2.11) Hiện tượng này là nguyên nhân giải thích tại sao đặc tính của máy nén hướng tr c thay đ i r t nhụ ổ ấ ạy khi thay đổi ch làm vi c ế độ ệ

Khi lưu lượng khí qua máy nén gi m mức gi i hả ớ ạn thì tính ổ ịn đ nh của máy bị phá vỡ, áp su t và vấ ận tốc dong khí dao động mạnh và xuất hiện xung trong dòng khí, lúc đó hiệu su t và áp su t ra s gi m xu ng r t nhanh Hi n ấ ấ ẽ ả ố ấ ệ

tượng này g i là s m t ổ ịnh, lúc này máy bịọ ự ấ n đ rung và r t ồn ấ

Đường n i các đi m bắ ầ ảố ể t đ u x y ra m t n đ nh trên đ th c tính máy ấ ổ ị ồ ị đặnén gọi là gi i hớ ạn mất ổn đ nh (đườị ng ch m ch m trên Hình 2.9) Bên phải ấ ấđường giớ ại h n là vùng làm vi c n đ nh ệ ổ ị

Hình 2 8 Đường đặc t nh thựí c nghiệm của máy n n hướé ng tr c ụ

29 Hình 2 9 Đường đặc t nh thựí c nghiệm của máy n n hướé ng tr c ụ

Hình 2 10 S ph thuự ụ ộc lực nâng C y và lực cản C x vào góc va i

Để đáp ng yêu c u đánh giá về ọứ ầ m i m t ch t lư ng s d ng máy nén, ặ ấ ợ ử ụngười ta xây d ng đư ng đ c tính t ng hợp ự ờ ặ ổ

Đường đặc tính t ng h p là m t lo t các đư ng cong chỉ ựổ ợ ộ ạ ờ s phụ thu c của ộhiệu suất và b c nén vào hai thông s ng dạng độ ậậ ố đồ c l p:

- Thông số lưu lượng:   

 

2 10

- Thông số ng quay: vò 

Trong đó: GB – lưu lượng trọng lượng

ρa – khố ợi lư ng riêng của chất khí

Ta – nhiệ ột đ của chất khí Khi thay đổi các thông s c lố độ ập, điều kiệ ồn đ ng d ng các ch làm ạ ế độviệc bị phá vỡ và b c nén, hiậ ệu suất…cũng thay đ i Như vổ ậy, các thông số độ c

lập xác định chế độ và điều kiện làm việc của máy nén

31

Hình 2 12 Đường đặc tính t ng hổ ợp của máy n n hướé ng tr c ụ

Hình 2.12 là đặc tính tổng hợp của máy nén hướng trục, đường gạch gạch là

đường giớ ại h n mấ ổt n đ nh, đưị ờng chấm ch m là đư ng đ ng hiệấ ờ ồ u su t Đư ng ấ ờ



  phân bố cao hơn khi số vòng quay lớn hơn

2.5 Tính toán máy né n hướ ng trụ c

Tính toán máy nén hướng tr c có b n bư c chính ụ ố ớ

- Chọn chế độ tính toán, các điều kiệ n cho trước;

- Tính toán sơ bộ;

- Tính toán các tầng;

- Xây dựng biên dạng cánh

Các thông số cho trước

- Lưu lượng khí GK (kg/s) hoặc QK (m3/s)

- Áp suất và nhiệ ột đ ở ử c a vào máy nén PH (kg/cm2) và TH (ºK)

- Áp suất ra của máy nén PK (kg/cm2)

- S ốvòng quay của máy nén (vòng /phút).n

A = 1/E – đương lượng nhiệt của công ong ống hút;

C – vận tốc cửa vào ống hút, lấy khoảng 25 ÷ 35 (m/s)

A = 1/E – đương lượng nhiệt của công ong ống hút;

g) Nhiệ ộ ở t đ c ửa vào tầng một:.

P1 = PH (

1  ) (kg/cm2) 2 18

n – s ố mũ đa biên đối với không khí l y khoấ ảng 1,2 – 1,3

h) Trọ ng lư ng riêng c ợ ủa khí cở ửa vào tầng một:

Làm tròn z rồ ềi đi u chỉnh lại công của m t tộ ầng: L1 = L/z

q) Xác định quy lu t bi n thiên c a Ca: ậ ế ủ

Quy luật 1: Chọn Ca = const, như vậy v n t c hư ng tr c c a các t ng ậ ố ớ ụ ủ ầnhư nhau Thường ch n Cọ al = (100 ÷ 170) (m/s)

Quy luật 2: Thay đổi Ca, Cagiảm d n các t ng cuối ầ ở ầ

r) Nhiệ ộ t đ Tz(khí ra khỏ i bánh công tác) trư c tầng cuối cùng: ớ

Được xác định b i phương trình nhi t đ ng h c: ở ệ ộ ọ

Tz = T1 + 

 (  1) 

 (  

 ) 2 25 Trong đó: A = 1/E; E = 417

Nếu chọn Ca = const thì về sau của phương trình Tz m ất

s) Tìm áp suấ t khí trư c t ớ ầng cuối cùng (Pz)

Pz = ( 

 )  (kgm/kg) 2 26 Hiệu suất đa biến củ ầa t ng η đb = 0,90 ÷ 0,95

t) Trọng lượng riêng c a khí trong t ủ ầng cuối:

Nếu chọn phần dẫn dòng có đường kính trong d = const thì d1 = d2

Nếu ta chọn đường kính ngoài D = const thì đường kính trong ằng:b

Một tầng bao gồm dẫn hướng vào, bánh công tác và dẫn hướng ra

a Quy luật phân bố công của toàn máy nén:

Có thể phân b đi u nhau trên các tố ề ầng, lúc đó công một tầng bằng:

Lz = L/Z Trong nhiều trường h p, ngư i ta phân bốợ ờ công l n d n từ ầớ ầ t ng m t, các ộtầng giữa có công lớn nhất, các tầng cuối lại giảm dần

b Các thông số cơ b n đ ả ểtính toán tầng:

Trong trường h p này, ta có thểợ cho mức độ ph n l c pk = 1 Công c a ả ự ủ

tầng không thay đổi theo chiều cao cánh, do vậy vận tốc vòng cũng coi là không

đổi theo chi u cao cánh ề

Để xác đ nh D2, D3 ta xác đ nh các thông sị ị ố theo đường kính trung bình:

36

D3 = + 

    (m) 2 42 Thường chọn d3 t ừ đó tính ra D3, có thể ọ ch n D3 rồi tính ra d3 Thiết kế thường chọn d3 = d1

- Vận tốc hướng trục sau cánh công tác cần phải chọn sao cho trường vận

tốc thay đổi êm Nếu mứ ộc đ phản lực pk = 0,5 thì có thẻ cho C2a = C1a Nếu pk = 1 thì cần phải cho trước D2 (D1 > D2 > D3) và xác định C2atương ứng:

- Thực hiện thứ ự như trường hợ t p 1 đểtính toán các thông số y1, d1, U1n, α1 ,M1…

- H s ệ ốngoặt dòng μ1n:

37

󰃳1tb= 1 (-  ,

φ1tb – h s ệ ố lưu lượng = Ca/Utb

- Quy luật phân bố ận tốc C v 1U:

Phải chú ý cho C1U thay đổi theo quy lu t tuy n tính: ậ ế

C1Un =    

     C1Utb 2 50 Trong đó: C1Utb = 󰃳1tb U1Utb; R1 = D/2; R1t = d1/2; R1tb = dtb /2

Nếu sau này tìm bán kính Rx nào đấy tai dựa vàTo công thức:

Cánh của máy nén hướng trục được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuy t cánh, ế

có nhiều phương pháp xây d ng cánh như phương pháp biự ến hình bảo giác, phương pháp tính đi m, phương pháp giể ải tích…các phương pháp nói chung đỏi

hỏi quá trình tính toán khá phức tạp và tốn nhiều thời gian Vì vậy, thực tế người

ta thường dùng các phương pháp đơn giản mà v n b o đ m đ chính xác c n ẫ ả ả ộ ầthi t.ế

38

Các phương pháp đượ ử ục s d ng r ng rãi là phương pháp đ th ộ ồ ịvà phương pháp giải tích Những phương pháp này được xây d ng d a trên các biên d ng đã ự ự ạđược thì nghi m và có đ c tính t t ệ ặ ố

Xây dựng cánh bằng phương pháp đồ ị th

Xây dựng cánh bằng phương pháp đồ ị th bao gồm hai bước:

- Xây dựng đư ng nhân (đường trung bình) của biên dạng cánh; ờ

- Xây dựng biên dạng cánh

Xây dự ng đư ng nhân củ ờ a biên d ng cánh ạ

Đường trung bình của biên d ng cánh là mạ ột đường cong, một cung tròn hoặc m t parabol sao cho các góc ộ ở mép vào và mép ra bằng giá trị ủ c a góc vào

và góc ra của dòng khí nhận đư c trong tính toán (góc α1 và α2 đ i cánh hượ ố ớng, góc β1 và β2 đối v i cánh công tác).Cách d ng đướ ự ờng trung bình theo phương pháp đồ ị th ợ ếđư c ti n hành như sau:

T ừ điểm A và C của đư ng dây cung AC = b, hai đườ ờng thẳng tạo với

AC bằng các góc đã tính toán cắt nhau t i B (hình 2.13) ạ

Hình 2 13 Xây dựng đường nhân c a biên d ng cánh bủ ạ ằng phương ph p đồ thịá Chia đo n AB và CB thành các đoạ ạn b ng nhau (càng nhiều càng t t), nằ ố ối các điểm tương ứng v i nhau Sau đó vẽ ờớ đư ng cong mà t t c các đư ng này là ấ ả ờtiếp tuyến, ta được trung bình c a biên dủ ạng cánh

Phương pháp đồ ị th chưa hoàn toàn b o đ m đ chính xác cao, vì v y nếu ả ả ộ ậđòi hỏ ội đ chính xác cao hơn, ngư i ta s dờ ử ụng phương pháp đổ ị ả th gi i tích

Đường trung bình của biên d ng cánh có phương trình: ạ

39

Hình 2 14 Xây dựng đường nhân c a biên d ng cánh ủ ạ

Xây dựng biên dạng bằng phương pháp đồ ị th

Khi có đư ng trung bình, đờ ể xây d ng biên dạự ng cánh c n ch n trư c đ ầ ọ ớ ộdày tương đố ủi c a profin theo chi u cao c a các cánh: ề ủ

 max = 

Trong đó: δmax- độdày nhấ ủt c a biên dạng;

b – dây cung của biên dạng Thường chọn δmax = (12 ÷ 18)% ở ế ti t di n g c và δmax = (5 ÷ 6)% ệ ố ởtiết diện của cánh

Nếu cánh ngắ  max = n 

 > 0,75 th δmax = (8 ÷ 10)% và độ dày ì không thay đổi theo chiều dài cánh, cuối cùng đắp biên ng theo profin mdạ ẫu đã chọn

Tập hợp tất cả các profin của các mặt cắt tính toán bằng cách chọn quy luật xâu cánh, ta được cánh của máy nén hướng tr c ụ

Phương pháp đồ ị th trình bày trên ch là phương pháp gở ỉ ần đúng, bởi vì

dựng đượng trực giao với một đường cong không thể chính xác đư c Vì vậy, ợngười ta thư ng dùng phương pháp gi i tích đờ ả ể xây d ng biên dạự ng cánh có độchính xác cao hơn

Xây dựng cánh bằng phương pháp giải tích

Trong khuôn khổ có h n của luận văn, ởạ đây ch nêu lên bản chất của ỉphương pháp mà không đi sâu tính toán cụ thể

Bản chất của phương pháp này là dựa trên kích thước c a m t profin ban ủ ộ

đầu để tính ra các kích thư c, t a đ c a profin xây d ng Đ i v i profin ban đ u ớ ọ ộ ủ ự ố ớ ầcần biết trước những thông số sau ình 2.15): (H