Xác định đặc tính máy nén dọc trục của động cơ tua bin phản lực không khí

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 3 XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH MÁY NÉN DỌC TRỤC CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC KHÔNG KHÍ Nguyễn Khánh Chính1*, Bùi Văn Thưởng2, Phạm Vũ Uy2 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một số kết quả nghiên cứu sử dụng phần mềm ANSYS CFX để xác định đặc tính máy nén dọc trục dựa trên các số liệu kích thước hình học đo được trên một động cơ thực. Các kết quả thu được cho thấy, trong điều kiện phương tiện thực nghiệm còn rất hạn chế, việc ứng dụng tích cực công cụ này là một biện pháp hiệu quả, tin cậy để nghiên cứu các đối tượng phức tạp như động cơ tua bin phản lực. Từ khóa: Máy nén dọc trục, Đường dòng qua máy nén, Mô phỏng CFD. 1. MỞ ĐẦU Nhiệm vụ khai thác động cơ hành trình của tên lửa KH-35E đã kết thúc. Kết quả chính của nhiệm vụ là đã tìm hiểu được kết cấu, nguyên lý hoạt động của động cơ tua bin phản lực không khí R95 và các hệ thống của nó. Với máy nén của động cơ, hiện đã biết được phối trí kết cấu và đo được các thông số về hình dạng, kích thước, số lượng các lá cánh trong từng tầng nén; đã biết được ngoài chức năng chính là cung cấp không khí vào buồng đốt, máy nén của động cơ còn đảm bảo các chức năng của nguồn khí nén cấp cho hoạt động của các bộ phận khác trên tên lửa (tương ứng với đó là các yêu cầu đối với không khí nén, tốc độ quay máy nén...) và một số nét đặc thù của nó như mức phân luồng không khí (m) sau máy nén thấp áp, cách xả không khí giữa các luồng để đảm bảo sự hoạt động ổn định [4]. Nhằm phát huy và tiếp tục khai thác các kết quả có được, để hiểu biết sâu hơn về đặc điểm hoạt động, các thông số hoạt động của động cơ này, cần phải tiến hành thử nghiệm hay tìm ra các phương pháp nghiên cứu thích hợp để tiếp tục khai thác chúng. Với thực tế hiện nay là hầu như không có thiết bị thử nghiệm và hơn nữa với đặc điểm của loại động cơ có thời gian hoạt động ngắn, sử dụng một lần thì khả năng tháo lắp, thử nghiệm nó lại càng hạn chế. Trong điều kiện như vậy, cần tận dụng khả năng của các công cụ số (các phần mềm chuyên dụng đã có) để tìm cách ứng dụng "thử nghiệm số" đối với nó. Trong bài báo này sẽ trình bày một vài kết quả bước đầu trong việc sử dụng ANSYS TURBO vào việc nghiên cứu máy nén của động cơ R95. Cũng cần lưu ý rằng, máy nén của động cơ tuabin hành trình R95 là một thiết bị phức tạp, những thông số đo đạc được có thể chưa đạt độ chính xác cao và việc nghiên cứu ứng dụng mô đun phần mềm ANSYS TURBO ở nước ta còn mới mẻ, kinh nghiệm sử dụng còn hết sức khiêm tốn. 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1. Sơ lược về máy nén của động cơ Máy nén của động cơ R95 là dạng hướng trục, một rôto và có tám tầng nén. Máy nén được chia thành hai phần rõ rệt: hai tầng nén đầu tạo ra cấp máy nén thấp áp (MNTA - còn gọi là quạt gió), qua phần vỏ trung gian, không khí được phân chia thành hai luồng, luồng bao ngoài (luồng II) thổi thẳng tới phần thiết bị ra phía sau, luồng trong (luồng I) được đẩy vào máy nén cáo áp (MNCA) gồm sáu tầng dọc trục, cùng một vòng các lá dẫn dòng trên cửa vào. Việc phân luồng sau MNTA chỉ đơn giản nhờ vành phân chia cố định, đúc sẵn trong vỏ trung gian. Để đảm bảo hoạt động ổn định của máy nén trong các chế độ hoạt động thấp (khi động cơ chưa đạt tới tốc độ quay hoạt động chính), trên vành ngoài vòng lá Tên lửa & Thiết bị bay N.K.Chính, B.V.Thưởng, P.V.Uy, “Xác dịnh đặc tính phản lực không khí.” 4 tĩnh của tầng nén đầu MNCA có một hàng lỗ thông dòng chảy giữa hai luồng không khí (I và II). Hình 1. Mặt cắt dọc của máy nén động cơ R95. 1- Các lá quay của MNTA; 2- Các lá tĩnh dẫn dòng MNTA;3- Vỏ trung gian của máy nén; 4- Các lá tĩnh dẫn dòng vào MNCA; 5- Lỗ xả không khí từ luồng trong ra luồng ngoài; 6- Các lá quay của MNCA, 7- Các lá tĩnh chỉnh dòng MNCA; I – Luồng trong; II – Luồng ngoài. 2.2. Xây dựng mô hình tính trong ANSYS Việc mô phỏng máy nén đã được thực hiện theo các bước như sau: 1. Tập hợp, sắp xếp các thông số hình học chính (đo được) đã có của máy nén động cơ (kết quả thực hiện nhiệm vụ khai thác) với các chú ý quan trọng sau: - Độ vặn của các lá máy nén đo trên 3 đường kính chính (trong, ngoài và trung bình) của mỗi lá. - Giữ đúng số lượng các lá quay và lá chỉnh dòng của mỗi tầng nén, cũng như của vòng dẫn dòng vào máy nén cao áp. Mô hình máy nén được nhập vào môi trường ANSYS như trên hình 2: trong đó thấy rõ việc sắp xếp các lá máy nén của hai tầng nén đầu (MNTA) và các lá của 6 tầng nén sau (MNCA). Hình 2. Mô hình máy nén nhập vào môi trường ANSYS. Với kinh nghiệm và khả năng có hạn, việc xây dựng mô hình thông qua môđun BladeGen của ANSYS thực sự rất khó để áp dụng cho một đối tượng nghiên cứu phức tạp Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 5 này (việc dựng mô phỏng bằng ANSYS cho máy nén 15 tầng đã đươc đánh giá là thành tựu lớn ngay cả với hãng nghiên cứu hàng đầu[1]); Để khắc phục khó khăn này, giải pháp là sử dụng phần mềm vẽ cơ khí Inventor, phỏng theo cách cắt hình của BladeGen để nối ghép các khối hình của các phần tử (elements) kết cấu máy nén; rồi nhập vào ANSYS, sử dụng chia lưới tự động. Hình 3. Mô hình một phần chia của máy nén để mô phỏng trong ANSYS. Để theo dõi trạng thái hoạt động phối hợp giữa hai phần máy nén, trong mô hình mô phỏng có bao gồm cả các lỗ thông khí giữa các luồng (hình 3). 2. Với những giả thiết đơn giản, luận chứng rõ ràng, xây dựng và giải bài toán xác định sơ bộ các tham số nhiệt động lực học của toàn bộ động cơ [2]; để đặt sơ bộ điều kiện biên cho việc mô phỏng, khoảng các giá trị cần khảo sát là: - Tốc độ quay của rôto: 26000÷ 36000 v/phút; - Lưu lượng không khí đi qua máy nén (thấp áp) 5÷8,5 kg/s - Áp suất trên cửa ra từ MNTA: <2,5 kG/cm2 - Áp suất trên cửa ra từ MNCA: <10 kG/cm2 Điều kiện bên ngoài khảo sát là điều kiện khí quyển chuẩn và động cơ đứng yên trên mặt đất. 3. Xây dựng mô hình mô phỏng trong Ansys Turbo, thực hiện các bước cần thiết đặt điều kiện biên và kiểm định mô hình tính: - Với mỗi luồng chảy qua không gian bao quanh một lá máy nén (passage) điều kiện biên tường (wall) được xác định cho mặt lá, mặt vành ngoài (shroud), vành trong (hub); và điều kiện cửa vào (inlet), cửa ra (outlet) cho các bề mặt lưu thông; Trong mô phỏng chưa xét đến ảnh hưởng của khe hở đầu mút lá. Mặt tiếp giáp giữa các kênh chảy bao quanh mỗi lá được đặt điều kiện biên đối xứng lặp (periodic symetrie). Vỏ trung gian có vành phân luồng không khí sau quạt gió vào luồng trong và luồng ngoài, điều kiện ra (outlet) được áp dụng với cửa thoát sau luồng ngoài và từ MNCA. - Chiều quay của rôto là quay trái (nhìn theo hướng bay) phù hợp với góc đặt và độ vặn lá; với tốc độ quay ứng với các trường hợp khảo sát; - Điều kiện biên chung với mỗi cấp nén đều thống nhất chọn là: lưu lượng không khí (kg/s) đi vào và đối áp cần đạt trên cửa ra của cấp nén (với điều kiện lấy áp suất đặc trưng (reference pressure) là áp suất chuẩn thì điều kiện biên này tương đương với việc đặt tỷ số nén tính cho mỗi cấp nén) 4. Sử dụng mô hình để khảo sát, xác định đặc tính hoạt động của máy nén. Tên lửa & Thiết bị bay N.K.Chính, B.V.Thưởng, P.V.Uy, “Xác dịnh đặc tính phản lực không khí.” 6 - Với các điều kiện biên đã được cài đặt như đã nói trên, môi chất tính toán áp dụng là khí thực, điều kiện mô hình dòng chảy bảo toàn năng lượng (total energy), mô hình rối áp dụng k-epsilon; - Điều kiện giải được đặt với bước thời gian (Physical Timescale) là 1.e-5; điều kiện hội tụ RMS là nhỏ hơn 1e-4. - Mục tiêu tính toán chính sẽ là xác định tỷ số nén toàn phần và hiệu suất nén của các phần MNTA và MNCA phụ thuộc vào sự biến đổi lưu lượng không khí (Gv) qua máy nén cho mỗi tốc độ quay của rôto. - Khoảng tốc độ quay đã được thực hiện trong khoảng 27000 ÷ 36000 vòng/phút. Với đối áp trên cửa ra của máy nén được tăng dần. Thực tế tính toán cho thấy, khi tăng đối áp (ứng với tăng tỷ số nén) cũng chính là đang tiến gần tới biên giới hoạt động ổn định của máy nén [3]. Để đảm bảo điều kiện hội tụ, bộ giải của ANSYS tự động đóng bớt tiết diện cửa thoát (outlet) của máy nén, và số lượng bước tính tăng vọt, thậm chí không đạt được điều kiện hội tụ (với số lượng bước tính định trước). Hiện tượng này đã được sử dụng như điều kiện chạm tới biên giới hoạt động ổn định của máy nén (hình 5). 2.3. Các kết quả nghiên cứu thu được Kết quả tính toán thu được là các đường đặc tính MNTA và MNCA như thể hiện trên bảng 2, các hình 4 và hình 5. - Các kết quả tính toán thu được có độ tản mát nhất định; các đường đặc tính máy nén (thể hiện không truyền thống [3]). Trên hình 4 là các đặc tính MNTA, MNCA của quan hệ tỷ số nén (Piventotal_ta, Pitotal_ca) và lưu lượng (Gv); hình 5 là đặc tính MNTA, MNCA của quan hệ hiệu suất nén (Effptt(ta), Effptt(ca)) và lưu lượng (Gv). Trên các đồ thị, tốc độ quay 100% ứng với 36000 v/phút. Bảng 2. Kết quả tính cho máy nén động cơ R95 (cho tốc độ quay 36000 v/phút). T/ độ quay n [v/ph] Gv [kg/s] GvI [kg/s] m (-) Pivent. total_ta Pito. tal_ca Effptt (ta) Effptt (ca) 36000 7,57 3,98 0,901 2,53 8,34 0,81 0,77 7,71 4,14 0,863 2,52 7,94 0,80 0,78 7,83 4,16 0,885 2,53 7,10 0,80 0,76 7,99 4,16 0,923 2,53 6,49 0,80 0,75 8,10 4,16 0,948 2,52 5,85 0,79 0,71 8,10 4,16 0,949 2,52 5,40 0,79 0,68 8,21 4,16 0,976 2,39 4,58 0,75 0,68 Như trên đã trình bày, trong quá trình tăng dần đối áp trên cửa ra từ các cấp nén, khả năng hội tụ khi tính toán giảm dần; Với các trường hợp đặt đối áp thấp, số lần tính lặp để đạt tiêu chuẩn hội tụ thường là 200 ÷ 250 bước; tuy nhiên khi tăng đối áp, tới giá trị gần chạm giới hạn (theo tính toán sơ bộ) số bước tính cần lặp đã tăng nhanh và khi có dấu hiệu không đạt tiêu chuẩn hội tụ (với số lượng bước lặp trên 600) thì đã dừng tính tiếp và lấy đó là dấu hiệu chạm biên giới hóc khí [3]; Trong những trường hợp đó đã thấy rõ các dấu hiệu là các giá trị sai số tính toán giữa các bước lặp dao động theo chu kỳ quanh giá trị nhất định. Khi giảm đối áp đến một giá trị nhất định (tùy thuộc vào tốc độ vòng quay) thì lưu lượng đạt giá trị tới hạn và không thể tăng lên khi tiếp tục giảm đối áp. Hệ số phân dòng m tăng lên khi giảm vòng quay điều đó chứng tỏ ở những vòng quay nhỏ hơn tính toán khả năng lưu thông dòng khí qua MNCA giảm. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 7 Hình 4. Đặc tính các cấp nén thấp áp và cao áp: Piventtotal_ta: ( )ta vf G  và Pitotal_ca: ( )ca vIf G  . Hình 5. Đặc tính các cấp nén thấp áp và cao áp: ( ) , ( )ta v ca vIf G f G   . Tên lửa & Thiết bị bay N.K.Chính, B.V.Thưởng, P.V.Uy, “Xác dịnh đặc tính phản lực không khí.” 8 Hình dạng các đường đặc tính máy nén và giá trị áp suất đạt được trên cửa ra đều trùng lặp với những số liệu đã sử dụng để kiểm chứng khi tính toán sơ bộ [3]: - Máy nén cao áp hoạt động ổn định trong khoảng tốc độ trên 27000 v/phút và tốc độ quay lớn nhất không quá 36000 v/phút (phù hợp với khoảng tốc độ cho máy phát điện của động cơ làm việc ổn định); - Lưu lượng không khí qua máy nén không quá 8,5 kg/s; - Áp suất lớn nhất sau MNCA trong khoảng tốc độ quay nói trên biến thiên trong khoảng từ 7 - 10 atm (đảm bảo điều kiện trích không khí cho hệ thống máy lái trên tên lửa hoạt động); - Khi mô phỏng toàn bộ máy nén (khả năng hội tụ kém hơn nên đã giảm điều kiện hội tụ RSM 34000 v/phút) xấp xỉ bằng 1. Trên hình 6 là hình ảnh dòng không khí lưu thông qua máy nén ở tốc độ quay rôto lớn (34000 v/ph). Có thể thấy rõ ở những tầng nén đầu, tốc độ trong các lá rôto đạt vượt âm; điều này là phù hợp với hình dạng profil lá cánh ở những tầng nén này. Trên hình 7 là hình ảnh dòng chảy lấy theo mặt cắt trên đường kính trung bình của các lá cánh máy nén (ở tốc độ quay 34000 v/ph). Đặc biệt trong quá trình mô phỏng cũng tập trung chú ý xem xét hiệu quả của biện pháp trích không khí giữa các luồng, nhằm đảm bảo hoạt động ổn định của máy nén trong điều kiện tốc độ quay giảm (28800 v/ph) trên hình 8. Trên hình 9 thể hiện biến thiên áp suất trong toàn máy nén ở tốc độ quay 34000 vòng/ phút. Hình 6. Dòng chảy trong máy nén. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 9 Hình 7. Dòng chảy trên đường kính trung bình của máy nén. Hình 8. Không khí từ luồng trong tràn ra luồng ngoài qua lỗ thông luồng trên vành stator tầng nén cao áp thứ nhất, khi giảm tốc độ quay. Hình 9. Biến thiên áp suất trong toàn máy nén. Tên lửa & Thiết bị bay N.K.Chính, B.V.Thưởng, P.V.Uy, “Xác dịnh đặc tính phản lực không khí.” 10 3. KẾT LUẬN Bài viết giới thiệu những kết quả đạt được khi sử dụng ANSYS CFX cho việc nghiên cứu động cơ tua bin khí. Các nghiên cứu đã được tiến hành đối với nhiều bộ phận chính (máy nén, tua bin, thiết bị ra...) của một động cơ tua bin khí cụ thể, sau khi đã có được tương đối đầy đủ các kích thước hình học của nó. Trong nội dung bài báo trình bày trên mới chỉ tập trung vào các kết quả thu được đối với phần máy nén của động cơ. Những số liệu tính toán thu được tương đối phù hợp với kết quả tính toán bằng các phương pháp kinh điển [3], và các số liệu so sánh khác có thể được sử dụng như các biện pháp kiểm chứng [2]. Với phương tiện tính toán hiện đại này, đã có thể thu được những kết quả (các đặc tính hoạt động) mà cho tới nay chỉ có thể đạt được thông qua thử nghiệm quay trên vật thực, và hệ thống thiết bị đo phức tạp. Hơn nữa khả năng hiển thị của phương pháp sử dụng còn cho phép đánh giá định tính hoạt động của thiết bị qua hệ thống hình ảnh trực quan. Các kết quả thu được cho thấy có thể mở rộng ứng dụng công cụ số (ANSYS CFX) như một biện pháp hiệu quả, tin cậy để nghiên cứu sâu hơn các đối tượng phức tạp, điều này rất có ý nghĩa trong điều kiện phương tiện (cả về thiết bị thử nghiệm, đo đạc lẫn kinh phí thử nghiệm...) thực tế còn rất hạn chế, khi chúng ta chỉ có điều kiện khai thác, đo đạc các dữ liệu hình học về đối tượng cần nghiên cứu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. idac.co.uk/enews/articles/Performance.pdf [2]. Bùi Văn Thưởng, Phạm Vũ Uy, “Tính toán sơ bộ các tham số nhiệt động lực học động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích thước hình học”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật – Học viện Kỹ thuật quân sự, số 162, tháng 6 – 2014, tr 141-150. [3]. Нечаев Ю. Н., Федоров Р. М., “Теория авиационных газотурбинных двигателей”, Москва «Машиностроение» , 1978. [4]. Phạm Vũ Uy, Nguyễn Khánh Chính, “Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ tuabin phản lực”, NXB Quân đội nhân dân, 2015. ABSTRACT DETERMINING THE CHARACTERISTICS OF THE AXIAL COMPRESSOR IN THE AIR TURBINE ENGINE An introduction of some researched results by using ANSYS CFX to predict axial compressor characteristics based on the measured geometry data in the real template engine. The obtained results show that active application of this tool is efficiency and reliability measure in conditions limited experiments means in order to study complex objects, such as a jet engine. Keywords: Axial compressor, Blade passage, CFD simulations. Nhận bài ngày 04 tháng 01 năm 2016 Hoàn thiện ngày 14 tháng 3 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 09 tháng 6 năm 2016 Địa chỉ: 1Viện KHCN-QS; *E-mail:chinhnk301279@gmail.com 2.Học viện KTQS.