Tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp

Bài báo đưa ra cơ sở toán học và ứng dụng phần mềm Ansys - Fluent để tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp dạng hướng trục. Mô hình nghiên cứu được tham khảo của cụm tua bin - máy nén tăng áp khí xả VTR160 được trang bị trên các động cơ diesel SULZER 3AL25/30.

THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Tính tốn mơ động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp Usage of CFD to study the dynamics of exhaust flow through turbocharger Lê Văn Điểm1, Vũ Văn Duy1, Nguyễn Chí Cơng1, Nguyễn Văn Thịnh2 Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, diemlv.mtb@vimaru.edu.vn Đoàn 871, Tổng cục Chính trị, Bộ Quốc phòng Tóm tắt Bài báo đưa sở toán học ứng dụng phần mềm Ansys - Fluent để tính tốn mơ động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp dạng hướng trục Mơ hình nghiên cứu tham khảo cụm tua bin - máy nén tăng áp khí xả VTR160 trang bị động diesel SULZER 3AL25/30 Từ khóa: Tua bin tăng áp khí xả, phần mềm Ansys-Fluent, động lực học dòng khí xả Abstract This paper establishes the mathematical model with application of CFD to solve the dynamics of exhaust flow through an axial turbine The model was built based on VTR160 turbocharger equipped on auxiliary diesel engine SULZER 3AL25/30 Keywords: Turbo charger, Ansys-Fluent soltware, dynamics of exhaust flow Giới thiệu Công nghệ thay đổi biên dạng hình học cánh tuabin khí xả tăng áp (Variable Geometry Turbocharger - VGT) nghiên cứu áp dụng năm gần Việc thay đổi biên dạng hình học cho phép thay đổi chế độ chảy dòng khí xả qua tuabin, qua thay đổi thơng số làm việc tổ hợp tăng áp phù hợp với chế độ tải khác động Đối với động diesel tàu thủy, công nghệ chưa áp dụng Trên động tàu thủy cũ, chất lượng công tác động hệ thống tăng áp suy giảm dẫn đến tình trạng “khói đen” Một giải pháp khắc phục tình trạng cải thiện chế độ công tác tuabin tăng áp Nhưng thay đổi thông số cụm tua bin cho phù hợp? Để trả lời câu hỏi này, nhóm tác giả đưa giải pháp ứng dụng phương pháp số để tính tốn mơ động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp Từ đánh giá hiệu chuyển đổi lượng dòng khí xả thành cơng suất trục tua bin, đưa sở khoa học tính tốn mơ yếu tố làm giảm hiệu chuyển đổi Trong phạm vi báo, nhóm tác giả đưa qui trình nghiên cứu nói chung triển khai bước đầu cho toán nghiên cứu ảnh hưởng góc đặt cánh hướng dòng vào tua bin tới hiệu chuyển đổi lượng khí xả Mơ hình nghiên cứu sở tốn học 2.1 Mơ hình nghiên cứu Mơ hình nghiên cứu tổ hợp tuabin khí xả tăng áp cho động diesel Hình ảnh chụp cụm rô to vành ống phun (cánh hướng) tuabin tăng áp VTR160 phòng thí nghiệm Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Hình Hình dạng thật roto vành cánh hướng tua bin khí xả HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 169 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Phần tua bin có dạng hướng trục, bao gồm phần dẫn dòng từ miệng khí xả, qua cánh hướng vào cánh tua bin Để thuận tiện cho việc tính tốn mơ ta mơ hình hóa sau: Cánh hướng Cánh tua bin Đầu - Khí xả - cơng suất trục Đầu vào - lượng khí xả Hình Mơ hình nghiên cứu Ở đây, đầu vào lượng khí xả, thể qua thông số nhiệt độ, vận tốc, áp suất; đầu mơ men số vòng quay trục 2.2 Cơ sở toán học - Về thủy khí động lực học: tốn máy cánh dẫn hướng trục với lưu chất dạng nén (hình 3) Vì vậy, tương tác trao đổi lượng dòng khí xả thành cơng suất trục tua bin tuân thủ theo phương trình chủ đạo sau [2,3]: I=1 I=0 Vi I=2 U vi αi ui βi viR stato o ViR roto Hình Tam giác tốc độ tạo mặt cắt Phương trình Euler cho dòng khí qua tua bin: c p T2  T1    U u1  u2 tan   tan 1   g U  u1  (1) Trong đó: U = ω.r vận tốc theo; V vận tốc tổng hợp; VR: vận tốc tương đối; v1=V1.sinα1; v2=V2sinα2; u1=V1.cosα1; u2=V2.cosα2; v1R=V1R.sinβ1; v2R=V2R.sinβ2; T nhiệt độ; cp hệ số áp suất,… Tính tốn lưu lượng khí xả động SULZER 3AL25/30 - Số xy lanh :3 - Đường kính xy lanh : 250 mm - Hành trình piston : 300 mm - Thể tích xy lanh : 14726 cm3 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 170 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 - Vòng quay : 750 vg/ph - Cơng suất định mức : 408 kW - Suất tiêu hao nhiên liệu : 192,5 g/kW.h - Nhiệt độ khí xả : 815 K - Áp suất tăng áp Pk : 216,4 kpa Theo tài liệu [3], suất tiêu hao khí xả qua tuabin tính theo cơng thức sau: Glt  Gk  bh  g e N e  s  L0  a  1 3600 (2) Trong đó: ge - Suất tiêu hao nhiên liệu: ge = 192,5 g/kW.h = 0,1925 kg/kW.h; Ne - Công suất động cơ: Ne = 408 kW; µs - Khối lượng kmol khơng khí: µs = 28,95 kg/kmol; α - Hệ số dư lượng khơng khí, chọn theo [3], với động thấp tốc α = 2; L0 - Lượng khơng khí lý thuyết đốt cháy kg nhiên liệu: L0 = 0,495 kg/kmol; φa - Hệ số khí quyét: φa = 1,05 Thay giá trị vào phương trình, xác định được: Glt  0,1925.408 ( 28,95.2.0,495.1,05  1) = 0,678 kg/s 3600 Suất tiêu hao khí qua tuabin lưu lượng khơng khí khỏi động Glt = 0,678 kg/s Trường vận tốc lượng xác định qua phương trình động lượng phương trình lượng sau:  (3)   v      v v   p      v  v t     g  F   t    E     v   E  p      keff T   sh t (4) Trong E: lượng; T: nhiệt độ; p: áp suất; : khối lượng riêng; : hệ số nhớt động lực học; g: gia tốc trọng trường; F, sk: kể đến yếu tố ảnh hưởng khác - Về phương pháp số: toán chia làm hai vùng, vùng tính từ mặt vào qua cánh hướng đến trước vào cánh tua bin (vùng tĩnh); vùng hai từ đầu vùng tương tác với cánh tua bin tới đầu (vùng quay) Như cần ý đặt điều kiện biên cho đối tượng “tường tĩnh” “tường quay”, kỹ thuật giải khác lựa chọn k-ε, moving frame Các cửa sổ thể qua hình 4, [1] - Sử dụng phương trình lượng: Hình Đưa vào phương trình lượng HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 171 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 - Đối với khối quay sử dụng mơ hình “moving frame”: Hình Cửa sổ lựa chọn mơ hình “moving frame” Một số kết phân tích Mơ hình nghiên cứu xây dựng lại với kích thước thật phần mềm Solid Work chia lưới phần mềm Workbench (khoảng 1,8 triệu ô lưới) mơ tả hình Hình Mơ hình tốn 3D HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 172 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình ảnh lưới chia cánh tua bin: Hình Mơ hình chia lưới Với mục tiêu xây dựng qui trình nghiên cứu tốn động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp nhằm đánh giá hiệu chuyển đổi lượng dòng khí xả thành cơng suất trục tua bin, phạm vi báo này, số liệu đầu vào tính cho điểm làm việc để minh chứng cho nội dung phương pháp Kết tính tốn dừng lại việc làm rõ thơng số động lực học mơ hình Bảng Thơng số đầu vào Số vòng quay tua bin Nhiệt độ khí xả (0C), đầu vào Nhiệt độ khí xả (0C), đầu 12.000 vòng /phút 450 380 Sau tính tốn, trường phân bố áp suất, vận tốc dòng khí nhiệt độ điểm khơng gian tính tốn xác định (hình 8) Từ đó, cho phép xác định mô men công suất trục tua bin Hình Phân bố áp suất tua bin HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 173 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Theo hình 8, dễ thấy dần phía cánh hướng dòng, tiết diện thu hẹp lại tốc độ dòng khí tăng nhanh áp suất giảm dần Trong trường hợp này, nhiệt độ đầu vào dòng khí xả chọn giá trị không đổi tương ứng với chế độ làm việc động Thực tế, nhiệt độ thay đổi theo tải Vì cần phải tính tốn sơ có số liệu thực nghiệm tương ứng với điểm làm việc tua bin tăng áp để xây dựng mơ hình nhiều chế độ cơng tác khác Hình phân bố nhiệt độ dòng khí xả tua bin: Hình Phân bố nhiệt độ tua bin Trường phân bố vận tốc dòng khí xả qua tua bin cho phép đánh giá tổn thất lượng: Hình 10 Phân bố vận tốc tua bin HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 174 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Khi vận tốc dòng khí xả qua cánh hướng tăng làm tăng hiệu chuyển đổi lượng đồng thời làm tăng tổn thất lượng (tổn thất tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ dòng) Vì cần tính tốn góc đặt cánh hướng cho phù hợp để tăng hiệu biến đổi lượng Mô men trục cánh tua bin (cánh quay) xác định Kết xuất từ phần mềm có dạng sau: Bảng Kết tính tốn mơ men cánh tua bin Ở đây, với số cánh tua bin 53, tổng mô men trục quay dãy cánh tua bin tạo ấn định số vòng quay 12000 vòng/phút là: Mt = 53 x 120,68192 = 6396,14 N.m Kết luận Bài báo xây dựng qui trình ứng dụng CFD cụ thể phần mềm FluentAnsys để tính tốn mơ cụm tua bin tăng áp động diesel Các kết tính tốn cho phép chuyên gia lĩnh vực khai thác máy tàu thủy có sở để đánh giá khả chuyển đổi lượng dòng khí xả thành công suất trục tua bin đưa giải pháp nâng cao hiệu hoạt động động Đối với động diesel cũ, biện pháp cải thiện chất lượng làm việc hệ thống tăng áp thay cụm ống phun có biên dạng cánh phù hợp với chế độ khai thác định Với kết ban đầu thu được, mơ hình phát triển tính đến hoạt động tổ hợp tuabin - máy nén động diesel Tài liệu tham khảo [1] www.ansys.com [2] Jack D Mattingly Elements of gas turbine propulsion McGraw-Hill Book Co 1996 [3] Lê Viết Lượng Lý thuyết động diesel Nhà xuất giáo dục 2000 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 175 ... trình nghiên cứu tốn động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp nhằm đánh giá hiệu chuyển đổi lượng dòng khí xả thành cơng suất trục tua bin, phạm vi báo này, số liệu đầu vào tính cho điểm làm... làm việc tua bin tăng áp để xây dựng mơ hình nhiều chế độ cơng tác khác Hình phân bố nhiệt độ dòng khí xả tua bin: Hình Phân bố nhiệt độ tua bin Trường phân bố vận tốc dòng khí xả qua tua bin cho... Phần tua bin có dạng hướng trục, bao gồm phần dẫn dòng từ miệng khí xả, qua cánh hướng vào cánh tua bin Để thuận tiện cho việc tính tốn mơ ta mơ hình hóa sau: Cánh hướng Cánh tua bin Đầu - Khí xả