Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khí thuốc đến phần tử nhạy cảm trong bài toán thiết kế cảm biến đo áp suất động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hỗn hợp

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 33 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ KHÍ THUỐC ĐẾN PHẦN TỬ NHẠY CẢM TRONG BÀI TOÁN THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN HỖN HỢP Phạm Quang Minh*, Trương Minh Tuấn, Nguyễn Hoài Nam Tóm tắt: Nhiên liệu tên lửa hỗn hợp được sử dụng trong nhiều loại tên lửa từ tầm ngắn đến các loại tên lửa cấp chiến dịch, chiến lược và đặc biệt là các loại tên lửa phòng không tầm thấp như IGLA, A72... Thành phần của nhiên liệu tên lửa hỗn hợp gồm chất cháy-kết dính, chất ô-xi hóa và các phụ gia năng lượng cao như bột nhôm, các chất nổ mạnh, phụ gia tốc độ cháy, phụ gia công nghệ..., vì vậy nhiệt độ cháy trong lòng động cơ rất cao khoảng 3000 0C. Để thiết kế cảm biến đo áp suất động cơ tên lửa (ĐCTL) nhiên liệu rắn hỗn hợp cần tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khí thuốc đến phần tử nhạy cảm trong cảm biến đo. Báo cáo trình bày mô hình bài toán truyền nhiệt trong tổ hợp phần tử đàn hồi – tem biến dạng (PTĐH-TBD) khi cảm biến đo làm việc trong khoảng thời gian tới 15 giây và ứng dụng phần mềm ANSYS để giải. Các kết quả nhận được sẽ định hướng cho việc lựa chọn kết cấu và vật liệu chế tạo phần tử nhạy cảm trong cảm biến đo. Từ khóa: Cảm biến áp suất, Nhiên liệu rắn hỗn hợp, Nhiệt độ khí thuốc. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Áp suất buồng đốt của các loại ĐCTL sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp có nhiệt độ cao với cường độ, tốc độ xói rất lớn của các sản phẩm cháy và khí thoát. Để tránh tác động trực tiếp của luồng nhiệt lên phần tử nhạy cảm và giảm trễ cho cảm biến theo [1], [2], [3] cần sử dụng PTĐH có dạng liên hợp bao gồm cốc biến dạng làm phần tử biến đổi trung gian và phần tử đàn hồi dạng trụ rỗng, hình 1. Hình 1. Cấu trúc PTĐH cảm biến đo áp suất ĐCTL sử dụng thuốc phóng keo (a) và cảm biến đo áp suất ĐCTL sử dụng thuốc phóng hỗn hợp (b). Tuy nhiên, với cấu trúc PTĐH như trên hình 1a cảm biến mới chỉ đáp ứng được trong phép đo áp suất các loại ĐCTL sử dụng thuốc phóng keo có nhiệt độ làm việc khoảng 2000 oC với thời gian làm việc của động cơ nhỏ hơn 20 giây. Để đo P R1 R3 R2 R4 Màng biến dạng Ống lót chống trễ Tem điện trở KFG R1 R3 R2 R4 Trụ biến dạng Ống lót chống trễ Màng biến dạng Bi gốm cách nhiệt và định tâm Tem điện trở KHCV P Trụ biến dạng a) b) Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. Q. Minh, T. M. Tuấn, N. H. Nam, “Nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu rắn hỗn hợp.” 34 được áp suất của các loại ĐCTL sử dụng thuốc phóng hỗn hợp, nhóm tác giả đề xuất thay đổi cấu trúc PTĐH và linh kiện chế tạo cảm biến như hình 1b. Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khí thuốc đến phần tử nhạy cảm (PTNC) là tổ hợp PTĐH - TBD của cảm biến, từ đó đề xuất phương án chế tạo PTNC cần thiết phải xây dựng và giải bài toán truyền nhiệt trong cảm biến. Đó cũng là nội dung chính mà nhóm tác giả sẽ đề cập trong báo cáo này. 2. NỘI DUNG 2.1. Xây dựng mô hình bài toán truyền nhiệt trong cảm biến đo áp suất Tác động của nhiệt độ tới PTNC của cảm biến áp suất trong khi làm việc là sự tổng hợp của hai quá trình: Quá trình dẫn nhiệt do sự tiếp xúc của cảm biến với nguồn nhiệt do sản phẩm cháy trong động cơ sinh ra, quá trình đối lưu và bức xạ nhiệt do chuyển động của dòng nhiệt trong lỗ nhận áp. Nên tác động nhiệt của dòng khí thuốc đến PTNC của cảm biến là một quá trình phức tạp và chỉ có thể giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mềm ANSYS. Mô hình truyền nhiệt trong cảm biến áp suất khi làm việc được mô tả như sau (hình 2): 1- ống nhận áp, 2- trụ lót chỗng trễ, 3- cốc biến dạng, 4- đai ốc hãm, 5 - bi gốm cách nhiệt, 6- phần tử đàn hồi, 7- PTNC, 8 - vỏ cảm biến, 9 - giắc tín hiệu. Hình 2. Cấu trúc cảm biến đo áp suất ĐCTL sử dụng thuốc phóng hỗn hợp. Trong quá trình làm việc cảm biến được lắp đặt vào lỗ trích áp trên thân động cơ, cảm biến tiếp nhận áp suất khí thuốc có nhiệt độ cao tại ống nhận áp (1), một phần nhiệt độ sẽ truyền qua đáy cốc biến dạng (3) qua bi gốm cách nhiệt (5) tới trụ biến dạng (6) và PTNC (7). Ngoài ra một phần nhiệt độ sẽ truyền qua trụ lót chống trễ (2), thành cốc biến dạng (3), đai ốc hãm (4) vỏ cảm biến (8) tới trụ biến dạng (6) và PTNC (7). Để xác định hiệt độ trên PTNC (7) của cảm biến trong quá trình làm việc cần xây dựng các hệ phương trình dẫn nhiệt trong cảm biến và sử dụng phần mềm ANSYS để giải. Theo [4] phương trình truyền nhiệt tổng quát trong cảm biến có dạng: T TTcρ {v} {L}T {L} {q}=q t         (1) trong đó: C - nhiệt dung riêng, J/kg.K;  - là khối lượng riêng, kg/m3; Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 35 x {L } y z                      - là vector toán tử; x y z V {V} V V              - vector vận tốc truyền nhiệt; {q} - vector dòng nhiệt; q - mật độ lưu lượng nhiệt trên một đơn vị thể tích; T(x,y,z,t) – nhiệt độ trong không gian ba chiều với biến thời gian t. Theo Fourie, quan hệ giữa véc-tơ dòng nhiệt và gradient nhiệt độ được thể hiện qua quan hệ sau: (2) trong đó: với , , là hệ số dẫn nhiệt theo hướng x, y, z. Từ (1) và (2) ta có: (3) Khai triển (3) ta được: x y z x y z T T T T T T T ρc v v v q K K K t x y z x x y y z z                                                   Để giải bài toán truyền nhiệt trong cảm biến sử dụng các điều kiện sau: - Nguồn nhiệt độ tác động tới PTNC của cảm biến thay đổi theo thời gian, trong mô hình này nhóm tác giả giới hạn nhiệt độ tác động tới cảm biến tại điều kiện khắc nghiệt nhất là 3000 oC vì vậy nhiệt độ trong lỗ nhận áp và bề mặt tiếp xúc của cảm biến với thân động cơ được chọn là 3000 oC, ký hiệu là ; - Phương trình truyền nhiệt trên các bề mặt S2 do quá trình dẫn nhiệt: (4) - Phương trình truyền nhiệt trên các bề mặt S3 do quá trình đối lưu và bức xạ: (5) Từ các phương trình (2), (4) và (5) ta có: (6) (7) Khi đó ta có: Theo [4] nhiệt độ của vật thể được xác định theo công thức sau: (9) trong đó: - ma trận hàm hình dáng về nhiệt độ của phần tử; - vector nhiệt độ nút của phần tử. (8) Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. Q. Minh, T. M. Tuấn, N. H. Nam, “Nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu rắn hỗn hợp.” 36 Khi đó ta có: (10) (11) Nếu thì: (12) Từ đó ta có: Biến đổi (13) ta có: Khi đó: (15) Với: - ma trận nhiệt dung riêng của phần tử; - ma trận hệ số dẫn nhiệt của phần tử; - ma trận hệ số khuếch tán nhiệt của phần tử; - ma trận hệ số truyền nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử; - vector lưu lượng nhiệt của phần tử; - vector dòng nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử; - vector tải trọng sinh nhiệt của phần tử. Để xác định nhiệt độ của PTNC của cảm biến cần giải hệ phương trình (15), nếu giải (15) bằng phương pháp giải tích sẽ rất phức tạp và đưa đến các kết quả không chính xác, bên cạnh đó bằng phần mềm ANSYS và phương pháp phần tử hữu hạn để giải phương trình (15) được thực hiện tương đối đơn giản và kết quả thu được nhanh chóng và chính xác. 2.2. Ứng dụng ANSYS để xác định nhiệt độ tại PTNC của cảm biến Để tính nhiệt độ tại vị trí gắn PTNC của cảm biến trong quá trình làm việc bằng ANSYS, tiến hành giải hệ phương trình (15) bằng phương pháp phần tử hữu hạn [4], rời rạc hóa bài toán và giải theo các bước như trên hình 3. Thực hiện giải hệ phương trình (15) bằng ANSYS ứng với các điều kiện biên: - Nhiệt độ khí thuốc trong lỗ nhận áp và bề mặt tiếp xúc của cảm biến với động cơ coi là bằng nhau và bằng 3000 oC (tại điều kiện khắc nghiệt nhất); (13) (14) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 37 - Nhiệt độ môi trường chọn là 22 oC; - Áp suất khí thuốc 10 Mpa; - Kích thước hình học của cảm biến theo bản vẽ thiết kế; - Vật liệu chế tạo cảm biến: Tổ hợp PTĐH (bao gồm cốc biến dạng, trụ lót chống trễ, trụ biến dạng) sử dụng thép 40X13M; Vỏ cảm biến: Thép C45; Bi gốm cách nhiệt: Loại Cordierite. Hình 3. Các bước tính nhiệt độ tại PTNC của cảm biến bằng ANSYS. Dùng phương pháp chia lưới defauld của chương trình ANSYS (hình 4a) và điều kiện biên của bài toán Transient Thermal là phân bố nhiệt độ theo thời gian trong ống nhận áp thu được từ kết quả của bài toán Fluent (ví dụ tại thời điểm 20 giây như hình 4b). Hình 4. Phương pháp chia lưới (a) và điều kiện của bài toán Transient Thermal (b). Ứng với mỗi thời điểm khác nhau khi cảm biến làm việc ta nhận được nhiệt độ tại vị trí gắn PTNC của cảm biến như trên hình 5 và hình 6. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. Q. Minh, T. M. Tuấn, N. H. Nam, “Nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu rắn hỗn hợp.” 38 Hình 5. Kết quả tính nhiệt độ tại PTNC tại thời điểm 8 giây (a) và 16 giây (b). a) b) Hình 6. Kết quả tính phân bố nhiệt độ trên toàn bộ cảm biến (a) và PTNC (b) tại thời điểm 20 giây. 3. KẾT LUẬN Từ các kết quả tính toán mô phỏng như trên, nhận thấy: - Trong điều kiện cảm biến làm việc ở chế độ khắc nghiệt nhất thì tại vị trí gắn PTNC trong cảm biến với kết cấu như trên nhiệt độ sẽ tăng so với nhiệt độ ban đầu khoảng 6,6 oC. Với khoảng tăng nhiệt độ này bằng cách sử dụng mạch cầu đo có kết cấu tự bù trừ nhiệt [6] và thời gian làm việc của động cơ nhỏ hơn 20 giây cảm biến hoàn toàn tự bù trừ được nhiệt độ do sự dẫn nhiệt, truyền nhiệt, bức xạ nhiệt sinh ra trong quá trình động cơ làm việc. - Khi thời gian làm việc của động cơ ngắn (≤ 8 giây) quá trình dẫn nhiệt trên vỏ cảm biến hầu như không ảnh hưởng đến PTNC. Các kết quả tính toán trên làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo cảm biến đo áp suất các loại động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp. Các nội dung nghiên a) b) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 39 cứu thực nghiệm để minh chứng cho sự đúng đắn của phương pháp tính sẽ được nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu trong các công trình tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phạm Quang Minh: “Nghiên cứu xây dựng phương tiện đo các tham số động lực động cơ tên lửa”, Luận án TSKT, Viện KH-CN quân sự, 2013, tr54-57. [2]. Đào Mộng Lâm: “Nghiên cứu chế tạo các cảm biến và xây dựng hệ thống đo động lực thiết bị bay”, Đề tài ĐLNN, Viện KH-CN quân sự, 2011, tr322-340. [3]. Phạm Quang Minh, Nguyễn Thanh Bình, Nguyễn Hoài Nam: “Giải pháp giảm trễ và hạn chế tác động nhiệt trong cảm biến đo áp suất động cơ tên lửa”, Tạp chí NCKH&CNQS, Đặc san CH&ĐKTBB’11, 09-2011, tr166-169. [4]. Manual: “ANSYS Mechanical APDL Theory Reference”, ANSYS, Inc, 2013, pp 227-245. [5]. James F. Doyle (2004), “Modern experimental stress analysis”, John Wiley & Sons Ltd, pp.3-5. [6]. Sabrie Soloman, “Sensors handbook”, McGraw-Hill, NewYork (1998). ABSTRACT STUDY THE EFFECTS OF EXHAUST GAS TEMPERATURE TO THE SENSOR IN DESIGNING THE PRESSURE TRANSDUCER FOR MIXED SOLID PROPELLANT ROCKET ENGINES Mixed rocket propellant is used in many types of rocket engines, from short-range to the campaign, strategy rockets and especially in the short- range air defense missile such as Igla, A72, etc. The mixed rocket propellant are the mixture of flammable -adhesive, oxidized substances and high energy additives such as aluminum powder, explosive substances, fire speed additive, technical additive, etc, so that, the temperature inside the engine combustion is very high, around 3000 OC. To design the pressure transducers for mixed solid-propellant rocket engine we have to study the effects of exhaust gas temperature to the sensor. This paper presents the problem of heat transfer model in combination elastic element when the transducers work up to 15 seconds and using ANSYS software to solve it. The results will guide the selection of textures and materials of sensor. Keywords: Pressure sensors, Mixed solid-fuel, Exhaust gas temperature. Nhận bài ngày 15 tháng 6 năm 2016 Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 9 năm 2016 Địa chỉ: Viện Tên lửa/Viện KH&CN quân sự, * Email: minhpq76@yahoo.com.