CHƯƠNG 6 BÀI THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC
6.2. CẤU TẠO BỘ THÍ NGHIỆM
6.2.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ
6.2.1.1 Lấy khơng khí (intake) và nén.
Nén gồm có nén dọc trục và li tâm. Nén li tâm dựa vào ảnh hưởng khơng khí nén (ram air effect), số Re.
Sau khi trải qua quá trình nén li tâm, khơng khí sẽ di chuyển nhanh hơn nhờ các van khuếch tán dẫn dịng khơng khí li tâm ở vận tốc cao và chuyển thành dòng nén dọc trục áp suất cao vào buồng đốt.
Thiết kế van khuếch tán bị giới hạn bởi lượng khơng khí thất thốt trong q trình chuyển đổi, càng ít khơng khí bị thất thốt thì năng lượng cần cho q trình nén càng ít đối với cùng một lượng khơng khí cũng như lực đẩy.
6.2.1.2 Pha đốt.
Buồng đốt vè cơ bản là buồn chứa cho quá trình giãn nở xảy ra liên lục. Các vật liệu chịu nhiệt độ cao như là Inconel và titannium thường được sử dụng cho mơ hình tuabin lớn.
Buồng đốt hình vành khun được sử dụng trong các mơ hình có các lỗ đặt ở các lớp trong và ngồi để cung cấp lửa cho q trình đốt cháy và làm mát khơng khí xả ở exit. Nhiên liệu được thêm vào từ phía sau của buồng đốt, được bơm vào nhờ các ống hóa hơi cấp nhiệt cho nhiên liệu sẵn sàng để hịa trộn.
Q trình đốt xảy ra ở phần trước của buồng đốt và tiếp tục trong mọt khoảng ngắn. Sau đó, các lỗ tối ưu sẽ trộn với khơng khí lạnh với khí xả để giảm nhiệt độ xuống để tuabin có thẻ chịu được.
6.2.1.3 Lưu ý:
Giai đoạn tuabin có thể là dọc trục hoặc li tâm và bao gồm nhiều tầng. Để đơn giản ta chỉ xét một tầng. khi khí xả thốt ra từ buồng đốt, nó đi vào van nozzle (NGV).
Xoáy cảm ứng sinh 5 ra trong ống nozzle được tối ưu để tương tác với các lá cánh trong tuabin. Bánh lái tuabin khi đó sẽ sử dụng năng lượng từ khí xả.
Năng lượng được truyền qua trục để sử dụng cho q trình nén. Tuabin mơ hình được trang bị gốm cơng nghệ cao để hỗ trợ cho trục với rotor quay ở tốc độ >153000rpm. 6.2.2. Cấu tạo động cơ turbine:
- 1 động cơ PST J800R Tuabojet khởi động điện - 1 PST TEMS
- 1 GDT (Ground Display Terminal) 10 - 1 bơm nhiêu liệu
- 1 van khí điện từ
- 1 van nhiên liệu điện từ - 1 van bi Festo
- 1 máy dò EGT
- 1 bugi - 1 cơng tắc ECU với cầu chì bảo vệ 15A - 1 pin (Ni-Cad 7.2V 1700SCR)
- 1 cáp sạc với đầu nối đực (male-connector) - 1 giá đỡ động cơ
- 1 bộ khớp ngắt kết nối nhanh - 1 bộ ống nhiên liệu gas 4mm - 1 bình gas với 3 ống nối và 1 van - 1 CD-Rom hướng dẫn PST
6.2.2.1 Hệ thống nhiên liệu Bình chứa nhiên liệu
Hình 6-2: Mơ tả bình chừa nhiên liệu
Bơm nhiên liệu
Hình 6-3: Bơm nhiên liệu Nhiên liệu và dầu
6.2.2.2 Hệ thống khí: Bình khí trong: Hình 6-5: Bình khí trong Bình khí mở rộng ngồi Hình 6-6: Bình khí mở rộng ngồi. Van một chiều Hình 6-7: Van một chiều
Đầu nối ngắt nhanh
Hình 6-8: Đầu nối ngắt nhanh
Đầu nối ngắt nhanh:
- Có thể được dùng cho ống dầu hỏa và khí.
- Cho phép kết nối và ngắt kết nối một cách dễ dàng.
6.2.2.3 Phụ kiện Pin
- Sử dụng Pin 6-cells 7.2V Ni-Cad hoặc pin 7.4V Lithium Polymer cho ECU 2.
- Sử dụng pin có dung lượng ít nhất 1700mAh 3. - Bộ pin sử dụng cung cấp là sanyo 1700SCR mAh
Bộ lọc nhiêu liệu và khí
Hình 6-10: Gas và dầu hỏa được lọc cuối cùng là bất đầu
Hình 6-11: Khuyến cáo bảo vệ thêm với bộ lọc bổ sung bên ngoài Glow Plug
Glow Plug: hệ Thống hổ trợ nhiệt độ cần thiết ban đầu cho động cơ, hâm nóng động cơ.
Nạp điện
Hình 6-13: Mẫu bộ sạc được sử dụng. Máy kiểm tra pin
Hình 6-14: Máy kiểm tra pin
- Sử dụng một máy kiểm tra chất lượng để kiểm tra tình trạng pin Rx.
- Tuổi thọ pin Rx quan trọng khi TEMS cần một tín hiệu sóng vơ tuyến chính xác và tốt.
6.3. CÁC LOẠI CẢM BIẾN
6.3.1. Cảm biến nhiệt độ loại K – EGT 6.3.1.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ EGT 6.3.1.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ EGT
Cảm biến nhiệt độ EGT là một biến số quan trọng trong hoạt động của động cơ tuabin. Hệ thống chỉ thị EGT cung cấp chỉ báo nhiệt độ trực quan trong buồng lái của khí thải tuabin khi chúng rời khỏi động cơ tuabin. Thang đo của thiết bị EGT dao động từ 0°C đến 1.200°C.
Hình 6-15: Hình ảnh trực cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong động cơ tuabin
Sơ đồ cho hệ thống nhiệt độ đầu vào tuabin cho một động cơ của máy bay tuabin bốn động cơ được thể hiện trong hình. Các mạch của ba động cơ khác giống hệt hệ thống này. Bộ chỉ thị chứa một mạch cầu, một mạch chopper, một động cơ hai pha để dẫn động con trỏ và một chiết áp phản hồi. Ngồi ra cịn có mạch tham chiếu điện áp, bộ khuếch đại, cờ tắt nguồn, bộ nguồn và đèn cảnh báo quá nhiệt.
Đầu ra của bộ khuếch đại cung cấp năng lượng cho trường biến đổi của động cơ hai pha đặt con trỏ chính chỉ báo và một chỉ báo kỹ thuật số. Động cơ cũng điều khiển chiết áp phản hồi để cung cấp tín hiệu ồn ào để dừng động cơ truyền động khi đã đạt đến vị trí con trỏ chính xác, liên quan đến tín hiệu nhiệt độ, đã đạt được.
Hình 6-16: Hiện ứng chỉ thị nhiệt độ đầu vào của tuabin
6.3.1.2 Lắp đặt và cài đặt cảm biến nhiệt độ EGT
Bước 1: Cẩn thận lắp đặt bản nối gắn dưới bộ cảm biến EGT như trong hình.
Bước 2: Kiểm tra chắc chắn bộ cảm biến EGT khơng uốn cong ra khỏi hình dạng và
phần đi của nó vẫn an tồn khi đưa vào ống xả.
Bước 3: Quan trọng: Đuôi bộ cảm biến EGT phải được chèn vào không q 2mm vào
đi hình nón.
Bước 4: Bản nối phải được kẹp chặt với các khớp nối đảm bảo và bu lông.
Bước 5: Lắp đặt tuabin với một bàn thí nghiệm hoặc bộ khung máy bay như hình . Cái
Bước 6: Một ống đuôi là cần thiết cho bộ khung máy bay lắp đặt bên trong. Nếu bạn
khơng chắc chắn về kích thước ơng đi được sử dụng trên máy bay của bạn, xin vui lịng e-mail cho chúng tơi để có các kích cỡ thích hợp cho các máy bay của bạn.
Hình 6-17: . Mơ tả các bước thực hiện lắp đặc cảm biến nhiệt độ
Các tiêu chuẩn cần chú ý khi sử dụng cảm biến nhiệt đọ EGT:
- Trước và trong quá trình khởi động: EGT thấp hơn EGT khởi động cho phép - Khi đạt đến tốc độ 7000 rpm và RGT trên 110oC thì bơm sẽ khỏi động
- Sau khi shutdown, TEMS sẽ làm mát turbine bằng cách giảm tốc độ quay trong khoảng từ 2000 đến 7000 rpm cho đến khi EGT dưới 120oC.
6.3.2. Cảm biến hiệu ứng tốc độ Hall Effect
Cảm biến hiệu ứng tốc độ Hall được đặt ở nắp động cơ phía trước để lấy thơng tin để đo tốc độ chứ không dùng cảm biến quang học. Do . Cảm biến này không gặp vấn đề như cảm biến quang học thơng thường có thể khơng đo được nếu bị chóa ánh sáng. Khơng được gắn các servo, van điện từ, bơm và các vật từ trực tiếp lên phần che phía trước động cơ để giảm thiểu khả năng bị nhiễu của cảm biến Hall Effect.
6.3.2.1 Nguyên lý của hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi ta áp dụng một từ trường vng góc lên một 1 bảng làm bằng kim loại hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dịng điện chảy qua lúc đó ta nhận được một hiệu điện thế U (hiệu điện thế Hall) sinh ra tại 2 mặt đối diện của thanh Hall.
Hình 6-18: Mơ hình thí nghiệm mơ tả hiệu ứng Hall Effect
Theo nguyên lý Hall thì từ trường thay đổi khi: cường độ dịng điện thay đổi hoặc là vị trí nam châm vĩnh cửu thay đổi. Nhờ vào những đặc điểm này nguyên lý Hall thường được ứng dụng trong việc đo tốc độ vịng quay suy vận tốc thiết bị giao thơng, đo cường độ dòng điện, điện áp,....
6.3.2.2 Cảm biến Hall Effect
Cảm biến Hall hoạt động dựa theo nguyên lí của hiệu ứng Hall. Hiệu điện thế cảm biến hall rất nhỏ (vài uV) và vì vậy các thiết bị thường được sản xuất tích hợp với bộ khuếch.
Hình 6-19: a) Sơ đồ mạch điện của cảm biến Hall, b) Hình ảnh module cảm biến Hall thực tế
Nguyên lý hoạt động: Với sự thay đổi của từ trường do sự dịch chuyển của đầu bánh
răng kim loại, đầu ra của cảm biến là một tín hiệu sóng vng có thể dễ dàng được sử dụng để tính tốn RPM của trục quay.
Hình 6-20: Sơ đồ hoạt động
Các bộ phận của cảm biến tốc độ: 1. Vỏ cảm biến
2. Dây tín hiệu đầu ra 3. Bảo vệ đồng trục 4. Nam châm vĩnh cửu 5. Cuộn dây cảm ứng 6. Chốt cực
7. Bánh xe kích hoạt 8. Lỗ hổng khơng khí
Ứng dụng trong động cơ turbojet J800R
Trong động cơ turbojet J800R thu nhỏ, cảm biến này được đặt tại ở nắp động cơ phía trước để lấy tốc độ vịng quay của trục.
Khi sử dụng cảm biến này, cần lưu ý không được gắn các servo, van điện từ, bơm và các vật từ trực tiếp lên phần che phía trước động cơ để giảm thiểu khả năng bị nhiễu của cảm biến.
6.3.3. Cảm biến xác định lưu lượng khơng khí
Ta có lưu lượng khơng khí được xác định dựa trên thế tích khơng khí đi vào tuabin và diện tích mặt cắt ướt của tuabin theo cơng thức:
m=VA
Trong đó, V là vận tốc dịng tự do được xác định từ áp suất động trong phương trình Bernoulli cho dịng khơng nén được:
2
1 2
p+ V +gh=constant
Khảo sát cho động cơ phản lực tubin:
Hình 6-21: Khối khơng khí vào động cơ
2
1 2
p+ V =constant
- Áp dụng phương trình Bernoulli cho mặt trước và mặt sau ta có:
2 2 1 1 2 2 2 2 1 1 2 2 2 p V p V p p V + = + − =
Vậy ta có lưu lượng khơng khí qua tubin là: m=A 2(p−p2)
6.3.4. Cảm biến đo lực đẩy động cơ – cảm biến load cell 6.3.4.1 Nguyên lí hoạt động của cảm biến load cell: 6.3.4.1 Nguyên lí hoạt động của cảm biến load cell:
Hoạt động bằng cách chuyển đổi lực cơ học thành các giá trị kỹ thuật số mà có thể đọc và ghi lại. Khi có lực tác động lên thân load cell làm cho load cell bị biến dạng, dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra. Nói cách khác, load cell đã chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu điện. Từ đó quy ra giá trị lực cần xác định.
Cảm biến đo lực đẩy động cơ load cell được dùng trong thí nghiệm động cơ phản lực này là loại 6 dây kết hợp với cầu điện trở cân bằng Wheatstone.
Hình 6-22: Hệ thống cảm biến load cell 6 dây
6.3.4.2 Đặt tính kỹ thuật của động cơ Turbojet J800R thu nhỏ
Trong bài thí nghiệm này chúng ta sẽ được làm việc với động cơ Turbojet J800R thu nhỏ với các thông số kỹ thuật và sơ đồ làm việc như sau:
Thơng số kỹ thuật động cơ
Kích thước: Đường kính ngồi: 92 mm, chiều dài: 260 mm với bộ khởi động. Khối lượng: J800R – 1.2 Kg.
Đầu ra: J800R – Lực đẩy lớn nhất: 8.0 kg tại 153,000 vịng/phút Lực đẩy khơng: 0.3 kg tại 55,000 vịng/phút.
Ống xả: Nhơm 7075
Buồng đốt: Inconel + Ống bay hơi bằng thép không gỉ 316 và Inconel Ổ trục: Vòng bi đỡ chặn tiếp xúc ceramic GRW.
Trục: Trục bậc bằng thép EN24
NGV: Thép không gỉ đúc chân không PST Turbine: Inconel đúc chân không PST 713
❖ Được chứng nhận theo AMS-STD-2175 Grade B Aerospace Standard.
Máy nén: Hợp kim nhôm cao cấp và xử lý Garrett.
Khởi động motor: Hộp nhôm, bộ khớp ly hợp bằng đồng, ổ bi 280. Công nghệ: CAD/CAM & phay tiện CNC, cân bằng số và hồng ngoại. Những thành phần khác: Thép không gỉ cao cấp.
Phụ tùng: Bệ động cơ và vỏ trước thép không gỉ anot hóa. Đường ống và bộ lọc
khí/nhiên liệu cao cấp. Dây dẫn điện silicon và giác nối mạ vàng.
Hình 6-24: Sơ đồ bên trong hộp thiết lập nhiên liệu và khí
Hình 6-26: Sơ đồ tiết diện động cơ turbojet J800R
6.4. XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Do số liệu bao gồm 100 vận tốc quay khác nhau được xuất ra file Excel, nên trong file báo cáo nhóm chỉ đưa ra bảng số liệu của 10 mẫu đầu tiên để đại diện phần đo đạc và tính tốn của nhóm.
Row Speed (RPM) Temp. T1 (C) Temp. T2 (C) Temp. T3 (C) Temp. T4 (C) Temp T5 (C) 0 43800 49.3 137.5 673.5 923.3 765.2 1 49800 48.9 132.5 693.4 908.8 724.3 2 54660 48.7 129.5 706.2 873.1 688.9 3 56580 48.2 128.7 727.8 828.2 657.3 4 56340 48.1 128.0 745.2 804.9 638.2 5 58200 48.0 127.0 708.4 870.6 652.3 6 72780 48.1 124.1 724.1 846.9 656.1 7 82140 48.3 124.4 779.9 780.0 624.0 8 86460 48.7 127.0 808.9 744.3 599.9 9 86760 49.4 130.8 820.4 732.3 583.4 10 86880 50.1 132.9 822.6 731.6 572.3
Hình 6-27: Đồ thị nhiệt độ theo tốc độ quay
Nhận xét:
Nhìn chung, nhiệt độ của vị trí 1 và 2 hầu như khơng đổi khi tăng tốc độ vòng quay. Mặt khác, sự biến động nhiệt độ nhiều nhất nằm ở vị trí 3,4 và 5.
Khi tăng số vịng quay thì nhiệt độ T1 và T2 chỉ thay đổi ít, gần như khơng đổi trong suốt quá trình thay đổi vận tốc. Tuy nhiên, nhiệt độ T3, T4 và T5 lại có sự thay đổi đáng chú ý nhất. Trong đó, T4 và T5 có hình dạng biến động tương tự nhau, nhưng nhiệt độ vị trí 4 ln lớn hơn vị trí 5 trong suốt q trình. Bên cạnh đó, nhiệt độ vị trí 3 ban đầu có giá trị gần với vị trí 4 và 5, nhưng càng tăng tốc độ vịng quay lên thì nhiệt độ càng cao và khi quay ở tốc độ cao nhất thì vị trí 3 có nhiệt độ lớn nhất so với những điểm cịn lại.
6.4.2. Cơng suất theo tốc độ quay
0 200 400 600 800 1000 1200 74 20074 40074 60074 80074 100074 120074 140074 N h ệt độ (C) Tốc độ (RPM)
Row Speed (RPM) Wt (kW) Wc (kW) Wt by T Wc by T 0 43800 11.316 5.527 11.255 5.502 1 49800 14.294 5.666 14.212 5.643 2 54660 14.927 5.719 14.834 5.702 3 56580 14.239 5.861 14.161 5.844 4 56340 13.714 5.744 13.634 5.726 5 58200 18.222 5.755 18.115 5.744 6 72780 19.645 6.814 19.594 6.839 7 82140 16.929 7.18 16.946 7.243 8 86460 16.156 7.625 16.214 7.703 9 86760 16.532 7.862 16.562 7.933 10 86880 17.698 7.998 17.719 8.07
Hình 6-28: Đồ thị cơng suất theo tốc độ quay
Nhận xét:
Công suất của động cơ tăng khi tăng tốc độ vịng quay, cả về cơng suất máy nén (Wc) và công suất tua bin (Wt). Giá trị công suất của máy nén và tua bin là giống nhau theo cả hai cách tính (tính theo nhiệt độ đo và nhiệt độ tồn phần).
Có thể thấy từ đồ thị, cơng suất của máy nén tăng nhẹ trong khồng tốc độ từ khoảng 3000 – 90000 RPM, sau đó tăng nhanh ở những tốc độ vịng quay lớn, trong đó có một