Cơ sở lý thuyết tạo dáng lá cánh và ứng dụng công cụ mô phỏng trong tính toán thiết kế máy nén dọc trục

Cơ học & Điều khiển thiết bị bay N.K. Chính, P.T. Hân, P.V. Uy, “Cơ sở lý thuyết tạo dáng lá máy nén dọc trục.” 290 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO DÁNG LÁ CÁNH VÀ ỨNG DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY NÉN DỌC TRỤC Nguyễn Khánh Chính1*, Phạm Thiện Hân1, Phạm Vũ Uy2 Tóm tắt: Giới thiệu cơ sở lý thuyết cho việc xây dựng thuật toán tạo dáng lá cánh và những kết quả bước đầu ứng dụng công cụ mô phỏng thay thế thực nghiệm trong nghiên cứu tạo hình dạng lá máy nén dọc trục. Kết quả mô phỏng được so sánh và cho thấy có sự trùng hợp tốt với kết quả tính toán sơ bộ độc lập đồng thời chỉ ra sự cần thiết của vành lá dẫn dòng đặt trước bánh công tác của mô hình nghiên cứu, chứng tỏ tính tin cậy và hiệu quả của phương pháp sử dụng. Từ khóa: Động cơ tua bin phản lực, Máy nén, Tạo dạng lá, Mô phỏng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Động cơ tuabin khí là thiết bị phức tạp. Để đi đến cấu hình cuối cùng, từng bộ phận của động cơ đã trải qua các bước thiết kế, chế tạo, thử nghiệm, hiệu chỉnh phức tạp và tốn kém. Trong động cơ tua bin, các bộ phận quay (máy nén, tua bin...) là những bộ phận quan trọng, và hình dạng lá cánh của chúng có ảnh hưởng quyết định đến khả năng làm việc, hiệu suất của mỗi bộ phận cũng như toàn bộ động cơ. Trong thiết kế, chế tạo máy nén dọc trục của động cơ, thiết kế tạo hình lá cánh là một bài toán thiết kế cơ bản. Ngoài cơ sở lý thuyết, thiết kế tạo hình lá cánh cần phải sử dụng một loạt các hệ số, bảng số liệu, đồ thị, công thức có từ thực nghiệm. Sau thiết kế, chế tạo cần phải thử nghiệm, hiệu chỉnh nhiều lần để đạt được yêu cầu thiết kế. Mặt khác qua sử dụng, do phải chịu ảnh hưởng tương tác của môi trường mà hình dạng ban đầu của lá cánh máy nén không còn được như ban đầu (do mài mòn, biến dạng, va đập...) làm cho khả năng hoạt động của chúng suy giảm dần. Việc thiết kế mới hay kiểm tra, đánh giá khả năng hoạt động của các bộ phận động cơ theo thời gian khai thác đòi hỏi phải tiếp tục đầu tư nghiên cứu. Trong điều kiện thử nghiệm thực tế thiếu thốn như ở nước ta vấn đề này hầu như còn bỏ ngỏ. Với sự phát triển mạnh của phương pháp thủy động lực học tính toán (CFD), hiện nay trên thế giới đã có các công cụ mô phỏng số (Ansys CFX, Hyperwork, Nastran...) trợ giúp nghiên cứu, rút ngắn cả về thời gian và giảm thiểu các chi phí, thậm chí có thể từng phần thay thế thử nghiệm thực. Việc ứng dụng các công cụ số này vào nghiên cứu các vấn đề trong lĩnh vực thiết kế máy nén dọc trục của động cơ TBK nói trên sẽ có tính khả thi, mở ra khả năng nghiên cứu những lĩnh vực mà tới nay chúng ta chưa có điều kiện thực hiện. Bài báo trình bày một số kết quả ứng dụng các công cụ mô phỏng số vào việc nghiên cứu một vấn đề cơ bản: là tạo hình dạng lá trong thiết kế máy nén dọc trục. 2. NỘI DUNG Trong động cơ tua bin khí, máy nén có chức năng hút và nén không khí tới áp suất đã định đề cung cấp vào buồng đốt. Trong máy nén, công cơ học được cung Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 291 cấp vào không khí được thực hiện trên các vành lá bánh công tác, động năng và áp năng của dòng không khí tăng lên qua mỗi tầng máy nén. Việc truyền năng lượng cho dòng không khí thông qua sự tương tác khí động giữa lá cánh và dòng không khí lưu thông qua nó. Chính vì vậy mà hình dạng lá cánh máy nén có vai trò quyết định hiệu quả hoạt động của nó. Hình dạng lá cánh được xác định bởi các yếu tố hình dạng gồm chiều dài lá cánh (xác định từ các kích thước đường kính trong và ngoài của phần chảy, khe hở đầu lá), profil lá cánh, độ vặn lá cánh (góc đặt profil lá cánh tạo thành các góc vào, ra của dòng khí β1, β2 khác nhau tại các bán kính khác nhau), độ vuốt nhọn lá cánh (dây cung profil thay đổi tại các bán kính khác nhau, nhỏ dần từ gốc đến đỉnh lá cánh). Có nhiều công trình nghiên cứu về việc thiết kế hình dạng lá; hiện đã có những quy trình hướng dẫn cách thiết lập hình dạng các lá. Chúng được thực hiện dựa trên các tính toán lý thuyết và kết quả thực nghiệm (dưới dạng rất nhiều số liệu khuyến cáo bảng biểu, đồ thị...). Có thể được khái quát các quy trình này theo các bước sau [2, 3, 4]: Bước 1. Xây dựng tam giác tốc độ của dòng khí chảy qua các khe lá tại độ cao trung bình của lá với các thông số ban đầu: - Lưu lượng dòng không khí đi qua cấp nén Qkk; - Công nén mà các lá rôto phải truyền vào dòng không khí Lk; - Các tham số của dòng khí khi đi vào cấp nén; - Mức phân tải (mức phản lực) của cấp nén. c - Tốc độ tuyệt đối của không khí ; u- Tốc độ dài trên bán kính r của lá bánh công tác; w- tốc độ tương đối của dòng không khí chảy trong khe lá bánh công tác so với lá cánh; chỉ số "1" - trên tiết diện vào bánh công tác; "2" - trên tiết diện ra khỏi bánh công tác (đi vào vành các lá dẫn dòng); "3"- ra khỏi vành lá dẫn dòng (vào tầng nén tiếp sau); A – Bánh công tác; B – Vành lá dẫn dòng. Hình 1. Dòng chảy qua các profil lá của một tầng nén và tam giác tốc độ tại các tiết diện. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay N.K. Chính, P.T. Hân, P.V. Uy, “Cơ sở lý thuyết tạo dáng lá máy nén dọc trục.” 292 Dựa trên các số liệu khuyến cáo bảng biểu, đồ thị bổ trợ [2, 3, 4] sẽ xác định được các véc tơ tốc độ của dòng không khí tại cửa vào và cửa ra khỏi vành các lá bánh công tác trên bán kính trung bình của nó để xây dựng tam giác tốc độ của dòng khí (hình 2). Hình dạng tam giác tốc độ trên một bán kính của lá máy nén sẽ hoàn toàn xác định khi biết 5 đại lượng bất kỳ không phụ thuộc vào nhau, ví dụ u, c1a, c2a, c1u và c2u. "u" - thành phần tốc độ tiếp tuyến;"a"- thành phần tốc độ dọc trục Hình 2. Chồng tam giác tốc độ tại các tiết diện vào và ra bánh công tác. Độ cong và góc đặt dây cung lá trên độ cao trung bình được xác định khi đã biết các thành phần của tam giác tốc độ (hình 3). Profil lá thường được chọn theo các profil tiêu chuẩn hoặc là các dạng hình học đơn giản (hai cung tròn) đối với các tầng nén có kích thước lá nhỏ. β- góc thổi của dòng khí vào các profil lá; i - góc tấn của dòng khí thổi tới (so với dây cung trung bình của profil); δ- góc lùi khi không khí đi ra khỏi profil. Hình 3. Xác định độ cong và góc đặt dây cung của profil trên bán kính trung bình lá bánh công tác. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 293 Bước 2. Xác định độ vặn của lá máy nén theo độ cao của nó (hình dạng toàn bộ lá): Thực chất là xác định sự biến đổi hình dạng tam giác tốc độ theo độ cao của lá roto. Với các giả thiết đơn giản hóa chính về dòng không khí chảy trong khe giữa các lá máy nén gồm [2, 3]: a) dòng không khí chảy theo các mặt trụ có trục trùng với trục quay của máy nén; b) dòng chảy trong các mặt trụ có tính đối xứng trục; Hình 4. Các thành phần tốc độ trên hệ tọa độ trụ và các tam giác tốc độ tại tiết diện vào trên bán kính trong "i" và bán kính ngoài "e" của lá rôto. Tam giác tốc độ trên mỗi bán kính, từ trên đã biết, sẽ được xác định khi biết 5 đại lượng độc lập. Để xác định chúng thường sử dụng 4 phương trình cơ bản viết trong hệ tọa độ trụ (hình 4): - Vận tốc dài trên mỗi bán kính: u=ω.r với ω là vận tốc góc của bánh công tác; - Do không có dòng chảy theo hướng bán kính cr=0; nên sẽ chỉ cần xác định hai quan hệ c1a=f1(r) trên tiết diện vào và c2a=f2(r) trên tiết diện ra của bánh công tác; - Hàm biến đổi của công cung cấp cho dòng khí theo bán kính; thông thường mong muốn đạt được là công phân bố đồng đều trên toàn bộ chiều dài lá cánh (Li=const); Bốn phương trình trên là phổ biến chung [3]; để xác định được đủ 5 đại lượng cần thiết phải bổ sung thêm lựa chọn (điều kiện) thứ 5. Trong thực tế ứng dụng có các dạng tầng nén: 1) có lưu số vận tốc không đổi c1u.r=const; 2) có mức phản lực không đổi c1u/r=const; 3) là dạng trung gian giữa hai dạng trên [2, 3] ; Khi đã có xác định đủ 5 yếu tố cần thiết kể trên, người ta tiến hành tính toán và dựng được hình dạng lá của cấp nén theo quy trình có sẵn [2, 4]; máy nén được chế thử rồi thử nghiệm, căn chỉnh để đạt được hình dạng cuối cùng; Ngày nay nhờ kỹ thuật mô phỏng phát triển, xu thế phổ biến trên thế giới là tiến hành khảo sát đặc điểm dòng chảy trong máy nén dựa trên kỹ thuật mô phỏng và tiến hành tính toán, chỉnh sửa hình dạng lá để tiếp cận đến phương án tốt nhất trước khi tiến hành chế thử loạt đầu. Để thực hiện tính toán thiết kế tạo hình lá máy nén dọc trục, nhóm tác giả đã dựa trên số liệu thiết kế tính toán sơ bộ có sẵn [1] (trong tài liệu này tác giả đã tính Cơ học & Điều khiển thiết bị bay N.K. Chính, P.T. Hân, P.V. Uy, “Cơ sở lý thuyết tạo dáng lá máy nén dọc trục.” 294 toán sơ bộ các thông số khí nhiệt động lực học một máy nén dọc trục có 8 tầng nén và tiến hành tính toán thiết kế hình dạng lá cánh bánh công tác tầng đầu của nó), xây dựng lại các thuật toán cho các bước quy trình nêu trong [2, 3] (bổ sung thêm phần tính toán hình dạng lá vành dẫn dòng - để đảm bảo cho véc tơ tốc độ ra khỏi nó tương ứng với vận tốc tại tiết diện vào của tầng nén tiếp theo [3]) và viết chương trình tính toán dựng hình dạng lá (cho cả bánh công tác và vành dẫn dòng) trong ngôn ngữ C với mục đích xác định được toạ độ không gian của các profil trên các bán kính khác nhau của lá máy nén. Sử dụng các dữ liệu tọa độ này để xây dựng mô hình, tiến hành mô phỏng thử nghiệm số trong môi trường ANSYS. So với [1], trong xây dựng mô hình, đã có sửa đổi và bổ sung chính sau: - Tăng số lượng số lá máy nén (từ 25[1] lên 29); - Thiết lập và bổ sung thêm dãy lá vành dẫn dòng (33 lá) phía sau để hình thành toàn bộ tầng nén (trong [1] chỉ tính toán thiết kế sơ bộ các lá rôto); - Áp dụng luật vặn lá trung gian (50% lưu số vận tốc không đổi 50% mức phản lực không đổi). Với mục tiêu hướng tới việc ứng dụng mô phỏng thử nghiệm số, các số liệu tính toán thu được (độc lập so với [1]) là toạ độ không gian của các profil (tại 5 bán kính cách đều) của các lá bánh công tác và vành dẫn dòng của tầng nén được ghi trong các tệp tin có định dạng thích hợp (*.curve). Các số liệu này là các số liệu đầu vào để dựng hình và chia lưới tính toán trong môi trường ANSYS TurboGrid. Hình 5 thể hiện việc dựng hình và chia lưới cho lá roto trong môi trường ANSYS TurboGrid. Hình 5. Dựng hình và chia lưới cho lá bánh công tác trong ANSYS TurboGrid. Những số liệu đầu vào để thiết kế tầng nén [1] được cho như sau: - hoạt động trong điều kiện tĩnh (V=0m/s) trên mặt đất (H=0m) - lưu lượng không khí qua máy nén 8kg/s; - mức phân tải lựa chọn ρ=0.5; Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 295 - công trung bình mà các bánh công tác phải cấp cho dòng không khí được cho trong khoảng 20÷35kJ/kg. Để tiện so sánh, đánh giá kết quả thu được, ngoài những số liệu trên có bổ sung thêm tốc độ quay máy nén (21000 vòng/phút) và kích thước bao ngoài cho cấp nén mà tài liệu cung cấp (đường kính trong D1i=0.174m; đường kính ngoài D1e=0.316m). Biên dạng profil lá cánh mà các tác giả sử dụng là NACA 23012. Như đã trình bày ở phần trên, quy trình tính toán và các số liệu thực nghiệm, đồ thị tra cứu bổ trợ đã được lấy theo [2, 3, 4]. Các dữ liệu xuất ra từ môi trường ANSYS TurboGrid được nhập vào ANSYS CFX-Turbo để đặt điều kiện biên (theo số liệu điều kiện đầu vào của [1]). a) Dòng chảy trong các khe lá bánh công tác và lá vành dẫn dòng. b) Phân bố mật độ của dòng không khí sau các lá bánh công tác Hình 6. Hình ảnh mô phỏng dòng chảy trong tầng nén. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay N.K. Chính, P.T. Hân, P.V. Uy, “Cơ sở lý thuyết tạo dáng lá máy nén dọc trục.” 296 a) Phân bố áp suất trên bề mặt các lá bánh công tác tại bán kính trung bình. b) Phân bố áp suất theo chiều cao lá bánh công tác. Hình 7. Phân bố áp suất trên lá máy nén . Trên các hình 6 và 7 là một số hình ảnh, số liệu kết quả mô phỏng tầng nén trong ANSYS CFX. Từ quan sát đặc điểm dòng chảy trong khe giữa các lá máy nén (hình 6.a), phân bố mật độ của dòng không khí qua máy nén (hình 6.b), và phân bố áp suất trên lá máy nén (hình 7) cho thấy dòng không khí phân bố đồng đều, dòng bám sát các mặt lá (hoàn toàn không có tách dòng). Bảng 1. Stt Đại lượng Đơn vị Mô phỏng Theo [1] 1 Lưu lượng không khí qua máy nén kg/s 7.9897 8 2 Mức nén của cấp nén - 1.188 1.156 3 Hiệu suất của cấp nén - 0.846 0.85 4 Công cấp vào dòng không khí J/kg 17960 14435 5 Nhiệt độ không khí sau cấp nén K 304.8 302 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 297 So sánh kết quả tính từ môi trường ANSYS CFX với các số liệu tính sơ bộ [1] (bảng 1), cho thấy có sự trùng hợp tốt. Điều này khẳng định (cả bằng trực quan) tính chính xác của quy luật tạo lá đã được tổng quát hóa [2, 3]; và kết quả tính toán theo chương trình đã được nhóm tác giả tạo lập là phù hợp. Do cấp nén đang được bàn đến là cấp nén đầu của một máy nén nhiều cấp [1] nên công cấp vào dòng khí theo tính toán thấp hơn mức trung bình 25÷30 KJ/kg (đã nêu trên) cho toàn máy nén. Về cơ bản các số liệu so sánh khá trùng khớp nhau, những sai lệch có nguyên nhân chủ yếu là do một số tham số lựa chọn trong chương trình tính của nhóm tác giả và tính sơ bộ theo [1] không trùng nhau; số lượng các lá trong bánh công tác và vành dẫn dòng khác nhau. Cũng do tầng nén đang được bàn đến là tầng nén đầu của máy nén nhiều tầng và việc tạo hình các lá đều làm theo các quy trình cho máy cấp nén dưới âm. Từ tính toán mô phỏng cho thấy tốc độ trên cửa vào lá bánh công tác có những khu vực đạt tốc độ tương đối cao (cận âm) là một trong các nguyên nhân làm giảm hiệu suất; Để khắc phục điều này, có nhiều giải pháp khác nhau; một trong những giải pháp đó là đặt trước bánh công tác một vành lá dẫn dòng (mục đích là vặn xiên sơ bộ dòng khí vào bánh công tác theo hướng quay làm giảm thành phần tiếp tuyến của vận tốc tương đối của dòng khí so với lá cánh). Đồ thị trên hình 8 là kết quả khảo sát trong môi trường CFX vai trò và ảnh hưởng của việc lắp vành dẫn dòng này tới hoạt động của cấp nén. Hình 8. Ảnh hướng của vành dẫn dòng trên cửa vào cấp nén (tạo tốc độ tiếp tuyến c1u) tới hiệu suất (eta) của nó. Từ kết quả khảo sát có thể đưa ra khuyến cáo cho việc lắp vành dẫn dòng trước cấp nén với góc lắp lá cánh của nó trong khoảng 30º÷50º (với tốc độ dọc trục trên cửa vào là 132m/s); để tạo thành phần tốc độ c1u trong khoảng 50÷90m/s sẽ đạt hiệu suất nén tốt nhất; 3. KẾT LUẬN Trong bài báo này, nhóm tác giả đã trình bày một vài kết quả đã đạt được trong việc khai thác công cụ mô phỏng (đã được trang bị trong dự án phòng thí nghiệm của VTL) vào việc nghiên cứu vấn đề cơ bản là thiết kế tạo hình dạng lá của một Cơ học & Điều khiển thiết bị bay N.K. Chính, P.T. Hân, P.V. Uy, “Cơ sở lý thuyết tạo dáng lá máy nén dọc trục.” 298 cấp nén. Những kết quả thu được cho thấy tính tin cậy và hiệu quả của phần mềm; trong điều kiện thử nghiệm thực tế rất hạn chế, khai thác công cụ này là một biện pháp khắc phục khó khăn, tạo khả năng đưa công tác nghiên cứu tiếp cận với các vấn đề thực tiễn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Marián Hocko. “Vypoctove cvicenie z predmetu teoria leteckych motorov”; // www.leteckemotory.cz/teorie/ Priblizny vypocet osoveho komprsora .pdf. [2]. Ruzek, Josef a Petr Kmoch. “Teorie leteckých motorů. Brno” VA, 1983. [3]. В. А. Ерохин. Г.И.Предтеченский “Теория авиационных компрессоров м газовых турбин” Ленинград 1961. [4]. Ю.Н. Нечаев Р.М. Федоров “Теория авиационных газотурбинных двигателей” Москва Машиностроение 1978 ABSTRACT DEVELOPING STUDING THE BLADE FORMATION PROCEDURE WITH HELF OF CFD SIMULATION IN AXIAL FLOW COMPRESSOR DESIGN The theoretical knowledge for blade formation procedure and the first achieved results in using of CFD simulation instead of experiments in axial flow compressor design is introduced in this paper. Simulation results were compared and showed good coincidence with the results of an independent preliminary calculations. They indicate also the need of an inlet guide vane preset the first rotor blades of research model. Keywords: Turbine engine, Axial compressor, Blade formation, CFD simulations. Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 20 tháng 08 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 09 năm 2016 Địa chỉ: 1 Viện Khoa học công nghệ quân sự; 2 Học viện KTQS. * Email: Chinhnk301279@gmail.com