Nghiên cứu đặc tính của quá trình tạo hỗn hợp cháy trong buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ Quốc phòng
Học viện kỹ thuật quân sự


Trần Trung Sơn

Nghiên cứu đặc tính của quá
trình tạo hỗn hợp cháy trong
buồng đốt tăng lực động cơ
turbine phản lực

Chuyên ngành: Kỹ thuật động cơ nhiệt
Mã số: 62 52 34 01

Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật





Hà Nội 2009

o

Công trình đợc hoàn thành tại Học viện Kỹ thuật Quân sự,
Bộ Quốc phòng.


Ngời hớng dẫn khoa học:
1. Lê Công Cát, Phó Giáo s, Tiến sỹ.
2. Lê Văn Một, Phó Giáo s, Tiến sỹ.


Phản biện 1: GS TSKH Trần Văn Phú
Trờng Đại học Bách khoa Hà nội
Phản biện 2: PGS TS Phạm Vũ Uy
Trung tâm Khoa học kỹ thuật và Công nghệ Quân sự
Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Văn Quế
Học viện Phòng không không quân


Luận án đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp nhà nớc
họp tại: Học viện Kỹ thuật Quân sự
Vào hồi: 08 giờ 30 ngày 12 tháng 07 năm 2009

Có thể tìm hiểu luận án tại th viện: Quốc gia

Danh mục các công trình đ công bố
của tác giả
1. Lê Công Cát, Nguyễn Trung Định, Nguyễn Bá Thảo, Trần
Trung Sơn (2006), Tính không ổn định thuỷ động tăng cờng
trao đổi nhiệt khối trong dòng môi chất, Tạp chí khoa học và
công nghệ nhiệt, (68), tr 4-7.
2. Lê Công Cát, Nguyễn Bá Thảo, Trần Trung Sơn (2006), Buồng
đốt tăng lực của động cơ turbine phản lực với quá trình cháy
dao động và êm dịu, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Nhiệt,
(69), tr10-12.
3. Lê Công Cát, Trần Trung Sơn (2007) Về đặc tính dao động
của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp cháy của buồng đốt tăng
lực động cơ turbine phản lực. Tạp chí khoa học và công nghệ
Nhiệt, (76), tr.12-17.
4. Lê Công Cát, Trần Trung Sơn (2007) Mô hình dòng chảy
trong buồng tạo hỗn hợp cháy của buồng đốt tăng lực động cơ
turbine phản lực. Tuyển tập công trình hội nghị khoa học các
nhà nghiên cứu trẻ HVKTQS, năm 2007, tr.173-184.
5. Lê Công Cát, Trần Trung Sơn (2007) ảnh hởng của dòng khí
không ổn định đến sự hình thành giọt nhiên liệu từ vòi phun
trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine
phản lực. Tạp chí khoa học và
công nghệ Nhiệt, (78), tr.3-
8.
6. Lê Công Cát, Trần Trung Sơn (2008) Sự không ổn định của
dòng khí tăng cờng quá trình hỗn hợp hơi nớc- không khí

trên mô hình thực nghiệm buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng
lực động cơ turbine phản lực. Tạp chí khoa học và công nghệ
Nhiệt, (82), tr.10-14.
7. Lê Công Cát, Trần Trung Sơn (2008) Nghiên cứu thực nghiệm
quá trình tạo hỗn hợp hơi nớc-không khí trên mô hình buồng
tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực.
Tuyển tập công trình hội nghị khoa học các nhà nghiên cứu trẻ
HVKTQS, năm 2008, tr.123-131.

1
Mở đầu
Buồng đốt tăng lực (BĐTL) lắp sau turbine trang bị trên các máy
bay ngành hàng không để tăng thêm lực đẩy phản lực cho động cơ,
dùng khi cất cấnh, tăng tốc, lấy độ cao hoặc cơ động gấp.
Tuy nhiên trong thực tế vận hành vẫn tồn tại một số vấn đề nh
cháy không ổn định, dễ tắt lửa khi bay ở độ cao lớn làm ảnh hởng
đến độ bền, độ tin cậy và độ an toàn bay, tính kinh tế cha cao v.v
Để khắc phục những tồn tại này đã có nhiều phơng pháp đợc áp
dụng thông qua những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về quá
trình cháy trong BĐTL, nhng đến nay vẫn cha khắc phục triệt để.
Một trong những giải pháp đảm bảo cho quá trình ổn định cháy là
tăng cờng chất lợng tạo hỗn hợp nhiên liệu-khí trong buồng tạo
hỗn hợp BĐTL, giải pháp này đang đợc thế giới quan tâm nghiên
cứu trên nhiều hớng khác nhau cả về lý thuyết và thực nghiệm.
Xuất phát từ quan niệm tính ổn định quyết định đến cấu trúc hệ
thống và tính không ổn định thuỷ động tăng cờng trao đổi nhiệt khối
trong dòng môi chất đi đến hình thành đề tài: Nghiên cứu đặc tính
của quá trình tạo hỗn hợp cháy trong buồng đốt tăng lực động cơ
turbine phản lực (BĐTL ĐCTBPL) nhằm duy trì sự cháy ổn định ở
các chế độ tăng lực trong mọi điều kiện bay, góp phần nâng cao độ

tin cậy và an toàn bay.
Mục tiêu của luận án là đa ra giải pháp tăng cờng quá trình tạo
hỗn hợp, đảm bảo sự bay hơi tốt hơn của nhiên liệu trong buồng tạo
hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL, góp phần xây dựng và làm sáng rõ nguyên
lý cấu trúc buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL. Kết quả nghiên cứu
sẽ góp phần làm sáng rõ nguyên lý cấu trúc buồng tạo hỗn hợp BĐTL
ĐCTBPL, đồng thời là cơ sở để đề xuất giải pháp thiết kế cấu trúc
hợp lý BĐTL, nâng cao chất lợng vận hành, đảm bảo sự ổn định

2
cháy, nâng cao tính an toàn bay, nâng cao hiệu suất, tính kính tế và
giảm thiểu khí thải độc hại ra môi trờng.
Nội dung luận án chia thành 4 chơng v phần kết luận:
- Chơng 1. Tổng quan về quá trình tạo hỗn hợp trong BĐTL
ĐCTBPL. Chơng này trình bày tổng quan những nghiên cứu về ổn
định cháy trong BĐTL ĐCTBPL, những giải pháp về quá trình tạo
hỗn hợp nhằm đảm bảo sự ổn định cháy mà thế giới và trong nớc đã
và đang nghiên cứu, từ đó đa ra hớng nghiên cứu mới về quá trình
tạo hỗn hợp cháy. Nội dung chơng này đợc công bố trong công
trình số 1 và 2.
- Chơng 2. Nghiên cứu tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo
hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL. Chơng này mô hình hoá cấu trúc buồng
tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL, nghiên cứu đặc tính ổn định của dòng
khí trong buồng tạo hỗn hợp và tiến hành tính toán kiểm định cấu
trúc buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL P25.300 của Nga và J85 của
Mỹ. Nội dung chơng này đợc công bố trong công trình số 3 và 4.
- Chơng 3. ảnh hởng của dòng khí không ổn định đến sự hình
thành giọt của dòng nhiên liệu phun trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL
ĐCTBPL. Chơng này nghiên cứu sự phân rã của dải nhiên liệu phun
và hình thành giọt nhiên liệu dới sự tơng tác của dòng khí không

ổn định, xác định công thức tính toán đờng kính giọt nhiên liệu.Tiến
hành tính toán đờng kính giọt nhiên liệu phun ra trong vòi phun lỗ
đơn, so sánh với đờng kính giọt nhận đợc khi phun vào dòng khí
ổn định. Nội dung chơng này đợc công bố trong công trình số 5.
- Chơng 4. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình tạo hỗn hợp trong
buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL. Chơng này tiến hành nghiên
cứu thực nghiệm trên mô hình cấu trúc của dòng khí theo sự thay đổi
góc mở trong phần mở rộng dần của buồng tạo hỗn hợp BĐTL

3
ĐCTBPL P25.300. Xây dựng mô hình thực nghiệm đồng dạng với vật
thực dựa theo các tiêu chuẩn đồng dạng, xác định đợc Profile tốc độ,
đo sự bay hơi nớc khi phun nớc trong mô hình góc mở lớn và góc
mở nhỏ. Nội dung chơng 4 đợc công bố trong công trình số 6 và 7.
- Phần kết luận. Đa ra những kết luận khoa học trong quá trình
nghiên cứu đề tài, góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học về cấu trúc và
nguyên lý làm việc của buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL, đề ra
những giải pháp khoa học công nghệ về mặt cấu trúc và vận hành
BĐTL ĐCTBPL nhằm đáp ứng đợc những yêu cầu đặt ra, đồng thời
đề xuất hớng nghiên cứu tiếp theo, tiến tới hoàn thiện các kết luận
của luận án.
Chơng 1. Tổng quan về quá trình tạo hỗn
hợp trong buồng đốt tăng lực động cơ turbine
phản lực (BĐtlđctbpl)
1.1. Đặt vấn đề
ổn định cháy trong buồng đốt tăng lực (BĐTL) là một yêu cầu cơ
bản khi thiết kế chế tạo động cơ turbine phản lực (ĐCTBPL) có
BĐTL. Mặc dù đã có nhiều giải pháp công nghệ để giải quyết vấn đề
này, nhng trong quá trình sử dụng vẫn còn phát sinh hiện tợng làm
việc không tin cậy trong BĐTL, ảnh hởng đến tính an toàn bay. Vấn

đề ổn định cháy trong BĐTL ĐCTBPL phụ thuộc rất nhiều vào quá
trình tạo hỗn hợp cháy, liên quan đến nhiều lĩnh vực nh động lực
học của dòng khí, động lực học hoá học cháy, nhiệt động học, truyền
nhiệt, truyền chất Những lĩnh vực này ảnh hởng trực tiếp đến quá
trình tạo hỗn hợp nhiên liệu không khí trong BĐTL. Giải quyết bài
toán ổn định cháy bằng cách giải quyết bài toán tạo hỗn hợp cháy đã
và đang đợc nghiên cứu, hiện nay vấn đề này càng trở nên cấp thiết.

4
1.2. Đặc điểm làm việc của BĐTL đctbpl
- Nhiệt độ dòng khí cháy ở cửa vào của BĐTL có giá trị cao
thờng đạt khoảng 900ữ1200K sẽ thúc đẩy nhanh việc hoá hơi nhiên
liệu, tạo thuận lợi hơn cho việc hình thành hỗn hợp cháy và tăng tính
bắt lửa của hỗn hợp.
- Dòng khí đi vào BĐTL đã cháy lần đầu trong buồng đốt chính,
nên hệ số khí d

nhỏ hơn nhiều so với buồng đốt chính, và có giá
trị giới hạn trong khoảng 1,1ữ2,5. Quá trình hoà trộn nhiên liệu với
dòng khí tốc độ cao là quá trình tự hoà trộn, mật độ ôxy trong hỗn
hợp cháy nhỏ hơn so với trong buồng đốt chính, nên phải tính đến
việc phun nhiên liệu đều khắp lên dòng khí cháy sau turbine, sao cho
tạo đợc sự đồng nhất của hỗn hợp ở mọi tiết diệncủa buồng đốt, điều
này tuỳ thuộc hoàn toàn vào những nghiên cứu thực nghiệm.
1.3. Những vấn đề tồn tại khi sử dụng BĐTL
Khảo sát quá trình làm việc của những ĐCTBPL lắp trên các máy
bay phản lực, nhận thấy còn tồn tại những vấn đề sau:
- Các chế độ tăng lực chỉ làm việc ổn định khi bay ở những độ cao
thấp và tốc độ bay lớn, ở những độ cao bay lớn, điều kiện đốt cháy
trong BĐTL kém do chất lợng tạo hỗn hợp không đảm bảo có thể

gây ra tắt lửa hoặc mồi lửa tăng lực không tin cậy trong BĐTL.
- Khi BĐTL làm việc, nảy sinh một vấn đề phức tạp là cháy rung,
đây là một dạng đặc biệt của sự làm việc không ổn định trong BĐTL.
- Cháy không đồng đều trên toàn bộ tiết diện ngang của BĐTL,
phát sinh ứng lực nhiệt làm nứt nẻ cong vênh kết cấu, phát sinh quá
nhiệt gây cháy sém vỏ BĐTL. Khi BĐTL làm việc, tính kinh tế đặc
biệt giảm mạnh khi động cơ làm việc ở những tốc độ bay nhỏ.
- Ngọn lửa kéo dài ra phía sau miệng phun và không đều, điều đó
cho thấy nhiên liệu cha đợc hoá hơi hoàn toàn trong buồng tạo hỗn

5
hợp nên không tập trung nhiệt trong buồng cháy, đã tồn tại sự cháy
giọt và cháy không hết.
Những tồn tại thực tế nêu trên, chỉ ra rằng cấu trúc BĐTL hiện tại
cha hoàn toàn đáp ứng đợc yêu cầu về ổn định cháy trong phạm vi
thay đổi rộng các chế độ tăng lực, cũng nh thay đổi rộng điều kiện
bay, vì vậy cần đợc tiếp tục hoàn thiện hơn nữa trong quá trình
nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
1.4. ảnh hởng của quá trình tạo hỗn hợp đến sự
ổn định cháy trong BĐTL đctbpl
ổn định cháy trong các buồng đốt đợc quan tâm nghiên cứu
nhiều ở trong nớc và trên thế giới và đã đạt đợc nhiều thành tựu
quan trọng áp dụng trong nhiều lĩnh vực năng lợng nhiệt.
Tuy nhiên quá trình cháy là quá trình lý hoá xảy ra với tốc độ cao,
nhiệt độ phản ứng cháy lớn và rất phức tạp, nên hầu hết các phơng
tiện đo đạc kiểm soát các thông số nhiệt động và hoá lý cha đáp ứng
đợc các yêu cầu đặt ra. Vì vậy hiện nay việc nghiên cứu quá trình
cháy thờng phân chia thành nhiều giai đoạn, bao gồm giai đoạn tạo
hỗn hợp, giai đoạn cháy và thải sản phẩm cháy, trong mỗi giai đoạn
thờng lý tởng hoá bằng các mô hình gần đúng hoặc thông qua mô

phỏng, nhằm xác định các số liệu thực nghiệm cho quá trình cháy.
Theo lý thuyết nhiễu tính ổn định cháy có thể bị phá huỷ bởi những
nhiễu loạn từ bên ngoài hoặc bên trong, nhng cũng có thể tạo ra
nhiễu loạn để duy trì quá trình cháy ổn định, hiệu quả sẽ tốt hơn nếu
nhiễu tác động trực tiếp vào quá trình hỗn hợp, làm cho quá trình hỗn
hợp hoàn chỉnh hơn và cháy ổn định hơn. Thời gian gần đây, những
nghiên cứu về quá trình cháy thờng chú trọng đến việc nghiên cứu
quá trình tạo hỗn hợp. Việc tạo hỗn hợp thờng chú ý đến thay đổi
cấu trúc vòi phun, tìm ra các giải pháp công nghệ để các tia phun

6
đợc phân rã và hoá hơi nhanh chóng. Theo hớng nghiên cứu này,
trên thế giới đã đa ra nhiều mô hình khác nhau nhằm nghiên cứu sự
phát triển của tia phun, nhng chủ yếu tập trung theo 2 hớng là mô
hình tia phun đợc mô tả trên cơ sở lý thuyết dòng nhiễu và mô hình
tia phun Hiroyasu. Những kết quả mới đạt đợc của những hớng
nghiên cứu này góp phần tạo nên những nền tảng mới trong quá trình
tạo hỗn hợp, cần đợc áp dụng cho các buồng tạo hỗn hợp BĐTL.
1.5. Hớng nghiên cứu của luận án
Để góp phần giải quyết những vấn đề về nâng cao chất lợng tạo
hỗn hợp cháy, đảm bảo sự cháy tin cậy và ổn định trong các BĐTL,
nội dung nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp cháy quy về nghiên cứu
sự tơng tác của dòng khí với dòng nhiên liệu phun ra từ vòi phun lỗ
đơn, bố trí trong phần mở rộng dần của buồng tạo hỗn hợp BĐTL.
1.6. kết luận
Đề tài nghiên cứu đặc tính của quá trình tạo hỗn hợp cháy trong
BĐTL động cơ turbine xuất phát từ thực tế sử dụng và những tồn tại
phát sinh trong quá trình vận hành ĐCTBPL lắp trên các máy bay
chiến đấu ở Việt nam, vấn đề này cũng đang nhận đợc quan tâm lớn
trên thế giới. Hớng nghiên cứu của đề tài dựa trên lý thuyết nhiễu và

lý thuyết ổn định, cùng với khả năng trang thiết bị thực nghiệm hiện
có, vấn đề nêu trên có thể giải quyết đợc.
Chơng 2. nghiên cứu tính ổn định của
dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL đctbpl
2.1. Đặt vấn đề
Để hoàn thiện cấu trúc BĐTL, một trong những hớng đặt ra
là tăng cờng quá trình tạo hỗn hợp. Để giải quyết vấn đề này, cần
xây dựng mô hình cấu trúc buồng tạo hỗn hợp dựa trên một số giả
thiết khoa học, nhằm đơn giản hoá bài toán mà không làm ảnh hởng

7
đến bản chất tính ổn định thuỷ động của dòng, từ đó ứng dụng lý
thuyết nhiễu nghiên cứu đặc tính ổn định của dòng khí trong buồng
tạo hỗn hợp.
2.2. Mô hình buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL
Nguyên lý cấu trúc buồng tạo hỗn hợp BĐTL nh trên hình 2.1.a,
và đợc mô hình hoá trên hình 2.1.b.




Hình 2.1. Nguyên lý cấu trúc (a) và mô hình phẳng (b) của
buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL.
Để giảm tính phức tạp trong quá trình nghiên cứu mà không làm
thay đổi bản chất thuỷ khí động của dòng chảy, đa ra 4 giả thiết sau:
- Dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp đợc hình thành từ hai dòng,
dòng cơ bản và dòng nhiễu (hình 2.2), dòng chảy trong buồng tạo
hỗn hợp gọi là dòng bị nhiễu.
- Nhiễu trong dòng có biên độ giảm dần, không lấy năng lợng của
dòng cơ bản để phát triển thì dòng chảy là dòng ổn định. Nếu nhiễu

phát triển gia tăng biên độ thì dòng chảy là dòng không ổn định. Nếu
nhiễu tồn tại trong dòng với biên độ không thay đổi thì dòng chảy
trong buồng tạo hỗn hợp nằm ở giới hạn ổn định.
- Dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp có số M<0,3 nên coi dòng là
không bị nén (=const).
- Tính cản dòng trên turbine và buồng lửa đợc xem nh là các tiết
lu, vì vậy coi đầu vào và ra buồng tạo hỗn hợp có lắp tiết lu trớc
và sau.
D
n.1

3
D
n.
l
2
l
1
D
1
D
kp
(b)

1
D
2

1

2
Vùn
g
nhiễu
(a)
l
1
l
2
l
3
D
t
D
k


Vùng nhiễu

8
Từ đó, nhận thấy cấu trúc và dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp
BĐTL có nguyên lý cấu trúc giống nh ống Venturi có tiết lu đầu
vào và ra nh trình bày trên hình 2.2.





Hình 2.2. Mô hình dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp
BĐTLĐCTBPL

Viết các phơng trình năng lợng ứng với từng tiết diện nêu trên
hình 2.2, thiết lập đợc hệ phơng trình nghiên cứu tính ổn định của
dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp.
2.3. Thiết lập phơng trình ổn định của dòng khí
trong buồng tạo hỗn hợp
Giải hệ phơng trình năng lợng, nhận đợc phơng trình vi phân cấp
2 tuyến tính thuần nhất:

2*
K2 K
K
2'
2
22 C
dl (R S)dl
l0
Jdt
dt .J (F F )

+=


2.4. điều kiện ổn định của dòng khí trong buồng
tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL
Nghiệm phơng trình vi phân trên có dạng:

*
2
2
R-S

t
2J
.
k
0
= .e sin( t+ )
k
ll





Với:
0
(rad) là góc pha ban đầu, xác định từ điều kiện biên; (Hz) là
tần số dao động góc;
k
l

là biên độ dao động kích thớc nhiễu. S là
hệ số sức cản vi phân ở vị trí kết thúc nhiễu.

T
iết lu
trớc
Vùng nhiễu
T
iết lu sau
D

ckp
D
c
l
1
l
k
l
2

9
R
2
*
là hệ số sức cản tuyến tính trên cửa ra buồng tạo hỗn hợp.
Để dao động là tắt dần, tức dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp là
ổn định dới tác động của nhiễu thì:
*
2
2
0
2.

>
RS
J
. Từ đây nhận đợc
các điều kiện:
- Điều kiện dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp là ổn định:
*

2
1<
S
R

- Điều kiện dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp không ổn định:
*
2
1>
S
R

- Điều kiện dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp ở giới hạn ổn định:

()
2
0
0
2
2
*
2
4
1
*
2
(1 ) 1
1
2. .

()/
==

+



xd
kp
kp
S
R
aF
tg
l
r

ở đây: a
2
*
là hệ số sức cản thuỷ trên cửa ra buồng tạo hỗn hợp;
xd
là
góc mở ứng với dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp ở giới hạn ổn
định;

là thông số nhiễu;
Nhận thấy rằng, khi các kích thớc hình học không thay đổi, tỷ số
S/R
2

*
phụ thuộc vào hai thông số và a
2
*
. Khi >
xd
dòng là không
ổn định, khi
<
xd
dòng là ổn định. Khi giảm a
2
*
đến giá trị nào đó,
dòng có thể đang từ giới hạn ổn định chuyển sang không ổn định
hoặc nếu dòng là không ổn định nếu tăng a
2
*
đến giá trị nào đó dòng
sẽ trở nên ổn định.
Tần số dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp
đợc xác định:

2
3
3/2
0
2
20
.

. ( )
.
2.()
2
==






kp
kp
tgmm
B
F
JF
f

Với: B(

)=
()

4
11 .11

10
2.5. xác định tính ổn định của dòng khí trong
buồng tạo hỗn hợp động cơ P25.300 và động cơ J85

(a) (b)
Hình 2.3. Đồ thị vùng ổn định của dòng khí trong buồng tạo
hỗn hợp BĐTL Động cơ P25-300 (a) và Động cơ J85 (b).
Từ kết quả nghiên cứu đặc tính ổn định của dòng khí trong buồng
tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL, tiến hành tính toán kiểm định dòng khí
trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL hai động cơ P25.300 của Nga và
động cơ J85 của Mỹ khi thay đổi góc mở
, kết quả trình bày trên
hình 2.3. Nhận thấy, đồ thị ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn
hợp thay đổi đơn điệu theo sự thay đổi của góc mở rộng
. ở góc mở
thiết kế

tk
=14
0
, dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL động cơ
P25.300 là không ổn định. Góc

xd
trong động cơ này là 11,5
0

. ở góc
mở thiết kế

tk
=7,5
0
của động cơ J85 (hình 2.3.b) dòng khí trong
buồng tạo hỗn hợp nằm ở giới hạn ổn định, tức là

tk
=
xd
. Nếu tăng
góc
=9
0
>
xd
, thì dòng trở nên không ổn định.
Trên hình 2.4 trình bày tần số dao động riêng của dòng khí trong
buồng tạo hỗn hợp của hai động cơ. Nhận thấy rằng khi tăng góc mở
rộng
, tần số dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp
tăng lên. Kết quả cho thấy với động cơ có kích thớc nhỏ (J85) và với


=10
0

=11,5

0

tk
=14
0

=15,5
0

=6
0

=6,7
0

tk
=7,5
0

=9
0

11
động cơ có kích thớc tơng đối lớn (P25.300), dao động riêng của
dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp đều là những dao động thấp tần.

(a) (b)
Hình 2.4. Đồ thị tần số dao động riêng của dòng khí trong buồng
tạo hỗn hợp BĐTL Động cơ P25.300 (a) và Động cơ J85(b).









(a) (b)
Hình 2.5. ảnh hởng của hệ số cản
*
2
a đến tính ổn định của dòng
khí trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL Động cơ P25.300 (a) và Động cơ
J85 (b).
Trên hình 2.5. trình bày ảnh hởng của sức cản thuỷ lực
*
2
a trên
cửa ra đến tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp khi
góc mở rộng không thay đổi
=
tk
. Kết quả cho thấy có thể điều

chỉnh dòng chảy từ không ổn định sang ổn định bằng cách bố trí trên

=10
0

=11,5
0

tk
=14
0

=15,5
0


=6
0

=6,7
0

tk
=7,5
0

=9
0

tk

=14
0

tk
=9,5
0
*
2
a =50
*
2
a =20
*
2
a =5
*
2
a =10
*
2
a =20
*
2
a =40
*
2
a =60
*
2
a =10

12
cửa ra các thiết bị chắn dòng để tăng sức cản thuỷ lực tại cửa ra
buồng tạo hỗn hợp BĐTL (hình 2.5.a). Hoặc nếu tìm cách giảm nhỏ
sức cản thuỷ lực trên cửa ra đến giá trị thích hợp (hình 2.5.b), thì
dòng chảy đang ở giới hạn ổn định có thể trở nên không ổn định.
2.6. GiảI pháp
Từ kết quả nhận đợc, đề nghị giải pháp thiết kế buồng tạo hỗn
hợp BĐTL với mục đích tạo dòng chảy không ổn định tăng cờng
quá trình tạo hỗn hợp là:
- Thiết kế góc mở
>
xd
. Trên cơ sở nghiên cứu cấu trúc cụ thể
hai động cơ và đặc tính dòng chảy trong ống mở rộng dần, đề nghị
chọn góc mở
=
xd
+(1ữ2)
0
.
- Bố trí vòng vòi phun nhiên liệu về phần đầu buồng tạo hỗn hợp,
bố trí các bộ ổn định ngọn lửa lùi sâu về phía buồng lửa nhằm giảm
nhỏ sức cản thuỷ lực
*
2
a trên cửa ra buồng tạo hỗn hợp.
2.7. Kết luận
- Mô hình hoá cấu trúc buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL dới
dạng cấu trúc ống Venturi cho phép tìm đợc lời giải đơn giản khi

nghiên cứu tìm điều kiện ổn định và không ổn định của dòng khí
trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL.
- Có thể thay đổi cấu trúc dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp
BĐTL bằng cách thay đổi góc mở rộng
của kết cấu buồng tạo hỗn
hợp. Khi góc mở

xd
dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp là ổn định.
Khi
>
xd
dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp là không ổn định.
- Giải pháp kỹ thuật nhằm hoàn thiện hơn về cấu trúc buồng tạo
hỗn hợp là cần đảm bảo góc mở
=
xd
+(1ữ2)
0
và bố trí các vòi phun
nhiên liệu sát về phía cửa vào buồng tạo hỗn hợp, đặt các bộ ổn định
ngọn lửa lùi vào sâu về phía buồng lửa của buồng đốt tăng lực.

13
Chơng 3. ảnh hởng của dòng khí không ổn
định đến sự hình thnh giọt của dòng nhiên
liệu phun trong buồng tạo hỗn hợp BĐTLĐCTBPL
3.1. Đặt vấn đề
Vòi phun nhiên liệu bố trí trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL thờng
sử dụng là vòi phun lỗ đơn, kích thớc lỗ khoảng 0,5

ữ2,0 mm, áp
suất phun khoảng 30
ữ40 kG/cm
2
. Từ đặc điểm và điều kiện làm việc
của vòi phun trong buồng tạo hỗn hợp, nhận thấy quá trình tạo hỗn
hợp cháy trong BĐTL gồm quá trình phun nhiên liệu thành tia nhỏ,
phân huỷ tia nhiên liệu thành những giọt nhỏ theo nhiều giai đoạn,
đợc phân tán đều trong dòng khí và quá trình bay hơi của những
giọt nhỏ. Nhờ quan niệm nh vậy, kết hợp với mô hình tia phun
phẳng dạng sóng hình sin, tiến hành giải bài toán ảnh hởng của
dòng khí không ổn định đến sự hình thành giọt nhiên liệu.
3.2. Các lực tác động lên dải nhiên liệu phun







Hình 3.1. Sự tơng tác của dải nhiên liệu phun với dòng khí không
ổn định trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL.
Xét dòng nhiên liệu là dải phẳng, giới hạn bởi bề mặt trên và dới
với bề dày h. Khi dòng khí không ổn định tơng tác với dải nhiên
liệu, làm cho dải nhiên liệu không ổn định chuyển động dới dạng
sóng hình sin, có biên độ bề mặt trên là y
1
và biên độ bề mặt dới là

h/2

d
x
z
y



D
òng kh
í
D
òn
g
kh
í
V
x
V
x
D
ải Nhiên liệu
B
ề mặt không bị nhiễu
B
ề mặt không bị nhiễu
y
2

y
1

y

x

h
x

y

y



14
y
2
(hình 3.1). Bề mặt giới hạn của dòng khí cách bề mặt không bị
nhiễu của dải nhiên liệu một đoạn là y

. Các vòi phun lỗ đơn đặt cách
nhau một khoảng cách đủ lớn y

so với kích thớc lỗ vòi phun, nên
giả thiết rằng các dòng nhiên liệu phun ra từ các vòi phun hoạt động
độc lập với nhau trong môi trờng dòng khí. Nhờ mô hình nh vậy,
có thể xác định đợc các lực tác dụng vào dải nhiên liệu để phân huỷ
thành giọt theo lý thuyết N.Dombrowski và W.R.Johns.
Để tính các lực tác động lên bề mặt dải nhiên liệu phun, xét một
phân tố chiều dài dx (hình 3.1).
+) lực áp suất: lực do áp suất tác động lên phân tố diện tích ds=z.dx

bề mặt trên và bề mặt dới của dải nhiên liệu: F
p
= 2. nV
x
2
y.zdx.
ở đây:
(kg/m
3
) là mật độ dòng khí; n (m
-1
) là số sóng; V
x
(m/s)
là tốc độ tơng đối của dòng khí so với dải nhiên liệu;
+) Lực căng bề mặt:


= =

2
2
(
2.
)
.2 .
yy
Fzdxzdx
xx x

ở đây:
(N/m) là hệ số sức căng bề mặt của dải nhiên liệu trên
một đơn vị chiều dài.
+) Lực quán tính: Lực quán tính gây ra bởi sự thay đổi mô men
động lợng của phân tố nhiên liệu đợc xác định


=

2
2
.
qt nl
y
Fhzdx
t

ở đây: h (m) là độ dày của dải nhiên liệu phun.


nl
(kg/m
3
) khối lợng riêng của nhiên liệu.
+) Lực nhớt: lực nhớt dọc theo chiều dài dx là



=

3
2
.
y
Fh zdx
tx

ở đây:
(N.s/m
2
) độ nhớt động lực học của nhiên liệu.
+) Phơng trình cân bằng lực

15
F
p
+ F

+ F
qt
+ F


=

=
22 2 2
x
2V2 n. . . 0 -
nl

nhqhnq

ở đây: q (1/s) là tốc độ gia tăng biên độ của dòng khí.
3.3. Sự phân r của dòng nhiên liệu phun và kích
thớc giọt nhiên liệu
Dòng nhiên liệu đợc phun ra khỏi vòi phun lỗ đơn, các phân tử
nhiên liệu một số chuyển động theo dòng, một số khác chuyển động
theo phơng ngang. Sự phân rã của dòng nhiên liệu từ vòi phun đợc
trình bày trên hình 3.2. Dải nhiên liệu phun chuyển động với quỹ đạo
hình sin, chừng nào biên độ dao động đạt đợc giá trị tới hạn thì dải
nhiên liệu bị xé rách tại những điểm lồi lõm, bị vỡ ra thành các phân
dải có chiều dài bằng nửa độ dài bớc sóng
/2. Sau đó bị co lại bởi
ứng lực bề mặt và chuyển thành sợi, các sợi nhiên liệu này lại bị tác
động bởi các sóng lan truyền theo phơng ngang rồi bị bẻ vụn, vỡ ra
và hình thành các giọt nhiên liệu.





Hình 3.2 Sự phân rã của dải nhiên liệu phun dới tác động của
dòng khí không ổn định trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL.
Trên hình 3.3 trình bày mối quan hệ giữa mức gia tăng biên độ (f)
với số sóng (n) của chất lỏng nhớt và không nhớt. Nhận thấy ở miền
số sóng nhỏ (0<n<n
1
) mối quan hệ của mức gia tăng biên độ ở nhiên
liệu nhớt và không nhớt là nh nhau. Miền có số sóng nhỏ với dao
động thấp tần của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL, điều đó

cho phép bỏ qua tính nhớt khi tính toán kích thớc giọt nhiên liệu.
Tác động sóng của dòng
khí vào dải nhiên liệu
P
hân rã thành
phân dải
P
hân rã thành
sợi và đứt gãy
Hình thành giọt
nhiên liệu

y

x

z

l
z
h

/2

16

Hình 3.3. Mối quan hệ giữa mức gia tăng biên độ (f) với số sóng
(n) của chất lỏng nhớt và không nhớt.
Giải phơng trình cân bằng lực, nhận đợc đờng kính giọt lớn
nhất:

=







52
1/ 9
1/ 3
4
16 1

33
g
xnlx
K
D
VV

ở đây: K (m
2
) thông số kích thớc vòi phun.
3.4. Tính kích thớc giọt nhiên liệu trong buồng

tạo hỗn hợp BĐTL động cơ P25.300
Theo các số liệu kỹ thuật động cơ P25.300 vòi phun đờng kính
d
vf
= 1,5 (mm), áp suất phun p = 40 kG/cm
2
, Đờng kính giọt lớn nhất
tính theo công thức trên là: D
g
=1,3133.10
-4
m=131,3m.
Trong môi trờng dòng khí ổn định, công thức tính đờng kính
giọt nhiên liệu có dạng:
3
3
2
.
3
.
4
.
=

vf
go
D
r
p
ở đây: D

g.o
(m) đờng kính giọt trung bình khi phun vào dòng khí ổn
định; r
vf
(m) bán kính vòi phun; p (N/m
2
) áp suất phun.
Đờng kính giọt trung bình tính theo công thức trên là:
D
g.o
=1,8527.10
-4
(m)=185,27m.
Để so sánh, lập các tỷ số:
.
131, 3
. 100%
185, 27
g
go
D
D
=
= 70,8%
3.5. Kết luận
- Dòng khí không ổn định tác động lực mạnh hơn so với dòng khí

f

n

Chất lỏn
g
khôn
g
nhớ
t
Chất lỏn
g
nhớ
t
n
1
0

17
ổn định để làm phân rã dải nhiên liệu phun.
- Dòng khí không ổn định trong buồng tạo hỗn hợp tạo giọt nhiên
liệu có kích thớc nhỏ hơn, chỉ bằng 70,8% so với trờng hợp dòng
khí ổn định, làm tăng nhanh khả năng bay hơi, nâng cao chất lợng
tạo hỗn hợp trong BĐTL ĐCTBPL.
Chơng 4. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình
tạo hỗn hợp trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL
đCTBPL.
4.1. Đặt vấn đề
Nghiên cứu thực nghiệm quá trình hoá hơi của nhiên liệu trong mô
hình buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL gặp nhiều khó khăn và
không an toàn do khả năng xuất hiện cháy nổ. Để đơn giản hoá mô
hình và đạt đợc kết quả cơ bản, dùng nớc thay thế cho nhiên liệu.

(a) (b)
Hình 4.1. ảnh và sơ đồ kích thớc hai mô hình thực nghiệm
góc mở
=14
0
(a) và góc mở =10
0
(b).

80
96
110
124

144

150
25
30

30
30
140

=
14
0

100
30
30
30
25
150

117

124

134

144

=10
0
140

18
Mô hình đợc thiết lập dựa theo tính toán kiểm chứng động cơ
P25.300 đa ra trong chơng 2 gồm hai mô hình: Mô hình góc mở

=14
0
và mô hình góc mở =10
0
.
4.2. Mô hình buồng tạo hỗn hợp bđtl
Mô hình buồng tạo hỗn hợp BĐTL thực nghiệm đợc thiết kế thoả
mãn đầy đủ các điều kiện đồng dạng về hình học và khí động học
dựa theo bốn tiêu chuẩn đồng dạng: Số Mach (M), số Raynolds (Re),
số Euler (Eu), và số Lewis (Le). Dựa vào các tiêu chuẩn đồng dạng
nhận đợc kích thớc hai mô hình góc mở
=14
0
và =10
0
đợc trình
bày trên hình 4.1.
4.3. Xác định lu lợng nớc phun trong mô hình
Dựa theo tỷ số đồng dạng hình học, lựa chọn đợc: Số vòi phun
dùng cho mô hình: 8; Khối lợng nớc phun: 0,0354 (kg/s); Đờng
kính vòi phun d
vf
=0,35 (mm).






Hình 4.2. Sơ đồ lắp đặt vòng vòi phun trên mô hình.

Trên hình 4.2 trình bày vị trí lắp các vòi phun tại tiết diện III-III,
vòi phun đợc bố trí xuôi theo chiều dòng khí, song song với nhau và
đặt cách xa vỏ ngoài một đoạn h=10 mm .
4.4. Các thiết bị và phơng tiện đo
- Đầu đo tốc độ dòng khí kiểu ống pitô 3 lỗ trên hình 4.3, thông
qua mức chênh cột nớc chứa trong ống pitô, đợc hiệu chuẩn theo
đồng hồ đo tốc độ YC450 (hình 4.4).

Đầu dẫn nớc áp suất
10 KG/cm
2


19
- Đồng hồ đo nhiệt độ dòng khí bằng nhiệt kế giãn nở loại
Daewon của Hàn Quốc, phạm vi đo từ 0
0
C tới 100
0
C, trên hình 4.5.
- Nhiệt kế khô và nhiệt kế ớt đợc chế tạo tại Trung Quốc với
thang đo 0,1
0
, dải đo từ 0ữ60
0
c, trình bày trên hình 4.6.

(a) (b)
Hình 4.7. Các bình chứa nớc (a) và máy nén khí (b)


Nhiệt kế khô
Nhiệt kế ớ
t
ống thổi dới âm
Hình 4.5. Đồng hồ đo
nhiệt độ Daewon

Hình 4.6. Nhiệt kế khô và nhiệt kế ớt lắp
trên hệ thống ống thổi.

Hình 4.3. Đầu đo tốc độ kiểu
ống Pitô.
Hình 4.4. Đồng hồ đo tốc độ
YC450.



Đầu đo tốc độ

20
- Hệ thống ống thổi dới âm dùng để lắp mô hình cùng toàn bộ
các thiết bị ở trạng thái lắp ráp đợc trình bày trên hình 4.6.
- Nớc cấp cho các vòi phun, chứa trong 3 bình tổng thể tích 60(l)
(hình 4.7.a), bình đợc tăng áp với áp suất
p=10 kG/cm
2
nhờ máy
nén khí nêu trên hình 4.7.b.
4.5. Nội dung thực nghiệm
4.5.1. Xác định profile tốc độ của hai mô hình
Xác định profile tốc độ ở 5 tiết diện từ (0-0)
ữ(IV-IV) mô hình góc
mở
=14
0
(hình 4.8) và ở 4 tiết diện từ (I-I)ữ (IV-IV) mô hình góc
mở
=10
0
(hình 4.9).

4.5.2. Xác định chênh lệch nhiệt độ khô ớt của hai mô hình
Đo khả năng bay hơi của hơi nớc trong mô hình, bằng cách đo
chênh lệch nhiệt độ khô ớt của dòng khí trên mô hình. Đo nhiệt độ
khô ớt trên cửa ra của hai mô hình khi lắp vòi phun trên cùng một vị
trí (I-I), (III-III) và (IV-IV) của mô hình góc mở
=14
0
(hình 4.8) và
mô hình góc mở
=10
0
(hình 4.9), nếu mô hình nào có mức chênh
Hình 4.8. Vị trí đo Prôfin tốc độ
dòng khí trên mô hình
=14
0
Hình 4.9. Vị trí đo Prôfin tốc độ
dòng khí trên mô hình
=10

0
80

150
25
30
30
30
0
0
I
I
II
II
III
III
IV
IV

100
30
30
30
25
150

117

124

134

144
I II
III
IV
I
II
III IV
96
110
=14
0
124

144

=10
0
140
140

21
lệch nhiệt độ khô- ớt nhỏ hơn, chứng tỏ khả năng hoá hơi của nớc
là tốt hơn, tức là quá trình tạo hỗn hợp tốt hơn.
Nếu ký hiệu nhiệt độ khô là T
kh
(
0
C) và nhiệt độ ớt là T

(
0
C), đo
tại tiết diện cửa ra của mô hình, thì độ chênh lệch nhiệt độ khô ớt
đợc xác định theo công thức:
T=T
kh
T

(
0
C)
4.6. Kết quả thực nghiệm và thảo luận
Kết quả đo profile tốc độ hai mô hình buồng tạo hỗn hợp
=14
0

nêu trên hình 4.10 và
=10
0
nêu trên hình 4.11. Nhận thấy profile tốc
độ của dòng ở mô hình
=14
0
tồn tại điểm uốn, còn profile tốc độ của
dòng khí ở mô hình có góc mở nhỏ không tồn tại điểm uốn. Theo lý
thuyết ổn định khí động, dòng trong mô hình góc mở
=14
0

là không
ổn định, dòng trong trong mô hình có góc mở
=10
0
là ổn định.








Kết quả đo độ chênh nhiệt độ khô ớt của quá trình tạo hỗn hợp
hơi nớc không khí của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp mô hình
với góc mở lớn
=14
0
và góc mở nhỏ =10
0
, trình bày trên hình 4.12.
Nhận thấy độ chênh nhiệt độ khô ớt mô hình
=14
0
(dòng khí không
ổn định) nhỏ hơn mô hình
=10
0
(dòng khí ổn định). Kết quả này
chứng tỏ sự tơng tác và làm phân rã tia phun thành những giọt nhỏ

bay hơi nhanh trong dòng khí không ổn định là mạnh hơn so với
dòng khí ổn định. Kết quả cũng cho thấy đặt vòi phun càng gần cửa
Hình 4.10. Profile tốc độ dòng
khí mô hình
=14
0
Hình 4.11. Profile tốc độ dòng
khí mô hình
=10
0

22
vào buồng tạo hỗn hợp thì độ chênh nhiệt độ khô ớt càng nhỏ, hiệu
quả bay hơi càng cao, chất lợng tạo hỗn hợp càng tốt.




Hình 4.12. Độ chênh nhiệt độ khô ớt mô hình góc mở
=14
0
và
=10
0
; I, III, IV: Vị trí đặt vòi phun.
4.7. Kết luận
- Mô hình buồng tạo hỗn hợp đồng dạng với vật thực có góc mở
lớn (
=14
0

) tạo nên dòng khí không ổn định, mô hình có góc mở nhỏ
(
=10
0
) tạo nên dòng khí ổn định.
- Mô hình có góc mở lớn tạo quá trình bay hơi nớc tốt hơn so với
mô hình có góc mở nhỏ.
- Đặt vòi phun ở ngay sát cửa vào buồng tạo hỗn hợp, khả năng
bay hơi của dòng nớc phun càng tốt hơn.
Kết luận
Kết luận
1. Xuất phát từ cấu trúc thực tế buồng tạo hỗn hợp BĐTL bố trí
trên các ĐCTBPL, luận án đa ra mô hình cấu trúc buồng tạo hỗn
hợp BĐTL ĐCTBPL có dạng cấu trúc ống Venturi có tiết lu đầu vào
và tiết lu đầu ra, dẫn tới việc giải bài toán về tính ổn định của dòng
khí trong buồng tạo hỗn hợp đơn giản hơn so với các phơng pháp
khác, góp phần bổ xung cách tiếp cận mới về mặt khoa học khi
nghiên cứu về đặc tính dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp, góp phần
T

=14
0

=10
0
I
III
IV