Động cơ máy bay part 5 pptx

Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
tưởng với nhiệt dung riêng không đổi
pc
c ở phía trước buồng đốt và nhiệt dung
riêng không đổi
pt
c ở phía sau buồng đốt, tương ứng với giá trò
c
γ
và
t
γ
.
Đối với nhiên liệu loại hydrocarbon thì sản phẩm cháy của nó có hằng số khí
R thay đổi không đáng kể. Tỷ số nhiệt dung riêng
γ
giảm theo nhiệt độ và tỷ lệ
nhiên liệu-không khí. Hằng số khí R = 287.3 J/kgK, không khí phía trước buồng
đốt có
40.1=
c
γ
thì 1005=
pc
c J/kgK, hỗn hợp khí phía sau buồng đốt có 32.1
=
c
γ

thì
1185=

pc
c J/kgK. Các giá trò này được sử dụng cho tính toán cho động cơ
turbofan.
Đặc tính các bộ phận của động cơ turbofan
Các thông số này ước đoán các quá trình thực tế xảy ra khi dòng khí đi qua
từng bộ phân của động cơ. Thực tế các quá trình nhiệt-khí động luôn bất thuận
nghòch, có nghóa là luôn làm gia tăng entropy.
Miệng hút: ma sát với thành miệng hút là nguyên nhân gây ra sự giảm áp
suất dừng qua miệng hút (không thuận nghòch), quá trình qua miệng hút có thể
xem là đoạn nhiệt:
1=
d
τ
, 1
<
d
π
.
Fan: quá trình nén khí qua fan, máy nén được xem là đoạn nhiệt nhưng làm
gia tăng entropy. Hiệu suất để đo hoạt động của fan, máy nén được gọi là hiệu
suất đẳng entropy (isentropic efficiency). Hiệu suất đẳng entropy của fan:
1
1
213
213
213
213
−
−
=

−
−
=
−
−
==
f
fi
tt
tit
tt
tit
f
fi
f
TT
TT
hh
hh
w
w
τ
τ
η

cccc
ffifi
γγγγ
ππτ
/)1(/)1( −−

==
1
1
/)1(
−
−
=
−
f
f
f
cc
τ
π
η
γγ

Trong thực tế ta có thể tính hiệu suất đẳng entropy bằng hiệu suất đa biến
f
e (polytropic efficiency) như sau:
)/()1(
fcc
e
ff
γγ
πτ
−
=
Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
1

1
1
1
)/()1(
/)1(/)1(
−
−
=
−
−
=
−
−−
fcc
cccc
e
f
f
f
f
f
γγ
γγγγ
π
π
τ
π
η

Máy nén thấp áp – Máy nén cao áp

)/()1(
L
ccc
e
cLcL
γγ
πτ
−
=
1
1
1
1
)/()1(
/)1(/)1(
−
−
=
−
−
=
−
−−
cLcc
cccc
e
cL
cL
c
cL

cL
γγ
γγγγ
π
π
τ
π
η

)/()1(
H
ccc
e
cHcH
γγ
πτ
−
=
1
1
1
1
)/()1(
/)1(/)1(
−
−
=
−
−
=

−
−−
cHcc
cccc
e
cH
cH
c
cH
cH
γγ
γγγγ
π
π
τ
π
η

Buồng đốt: ở buồng đốt ta quan tâm đến sự cháy không hoàn toàn của nhiên
liệu và sự mất mát áp suất dừng do ma sát và cấp nhiệt. Hiệu suất cháy
b
η

(combustion efficiency) được đánh giá bằng:
PRf
tpcCtptfC
b
hm
TcmTcmm
&

&&&
34
)( −+
=
η

Sự mất mát áp suất dừng xảy ra do hai ảnh hưởng: mất mát do tính nhớt ở
bên trong buồng đốt và mất mát do cấp nhiệt ở một số Mach xác đònh (M<1):
1<
b
π
.
Turbine cao áp – Turbine thấp áp: quá trình giãn nở khí qua turbine được
xem là đoạn nhiệt (bỏ qua việc làm mát) nhưng làm gia tăng entropy. Hiệu suất
đẳng entropy của turbine cao áp được đònh nghóa như sau:
tHi
tH
itt
tt
it
tt
tH
TT
TT
hh
hh
τ
τ
η
−

−
=
−
−
=
−
−
=
1
1
5.44
5.44
5.44
5.44

tttt
tHtHitHi
γγγγ
ππτ
/)1(/)1( −−
==
tt
tH
tH
tH
γγ
π
τ
η
/)1(

1
1
−
−
−
=

Trong thực tế ta có thể tính hiệu suất đẳng entropy của turbine bằng hiệu
suất đa biến
tH
e như sau:
[]
tttH
e
tHtH
γγ
πτ
/)1( −
=
Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
[
]
tt
tttH
tHtt
tH
e
tH
e
tH

tH
tH
tH
tH
γγ
γγ
γγ
π
π
τ
τ
π
τ
η
/)1(
/)1(
/1/)(
1
1
1
1
1
1
−
−
−
−
−
=
−

−
=
−
−
=

[]
tttL
e
tLtL
γγ
πτ
/)1( −
=
[
]
tt
tttL
tLtt
tL
e
tL
e
tL
tL
tL
tH
tL
γγ
γγ

γγ
π
π
τ
τ
π
τ
η
/)1(
/)1(
/1/)(
1
1
1
1
1
1
−
−
−
−
−
=
−
−
=
−
−
=

Ống xả phần core – Ống xả phần fan: mất mát chủ yếu ở ống xả là do tính
chất giãn nở của dòng khí để đạt được áp suất khí thoát so với áp suất môi trường,
ngoài ra còn kể đến mất mát do ma sát. Quá trình giãn nở trong ống xả được xem
là đoạn nhiệt và không thuận nghòch.
09
PP ≠ ,
019
PP ≠ , 1=
n
τ
, 1
<
n
π
, 1
=
fn
τ
, 1
<
fn
π

Giá trò các thông số đánh giá các quá trình thực tế qua từng bộ phận của
động cơ tham khảo ở bảng sau:

Mức độ công nghệ
Bộ phận Thông
số
Loại

1 2 3 4
A 0.900 0.950 0.980 0.995
B 0.880 0.930 0.960 0.980
Inlet
d
π

C 0.850 0.900 0.940 0.960

Compressor
c
e
0.80 0.84 0.88 0.90

b
π

0.90 0.92 0.94 0.95
Burner
b
π

0.85 0.91 0.98 0.99

Uncooled 0.80 0.85 0.89 0.90 Turbine
t
e
Cooled 0.83 0.87 0.89

D 0.950 0.970 0.980 0.995

E 0.930 0.960 0.970 0.980
Nozzle
n
π

F 0.900 0.930 0.950 0.970

4t
MaxT (K) 1110 1390 1780 2000
Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
A : Máy bay dưới âm động cơ có vỏ bọc
B : Máy bay dưới âm động cơ trong khung máy bay
C : Máy bay vượt âm động cơ trong khung máy bay
D : Ống xả hội tụ diện tích cố đònh
E : Ống xả hội tụ diện tích thay đổi
F : Ống xả hội tụ – phân kì diện tích thay đổi
b. Các bước phân tích
Fan stream
Bước1:
()()
01919019
PPAVVmF
FF
−
+−=
&

⎟
⎟
⎠

⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
+−=
cF
F
PP
aV
TT
M
a
V
a
m
F
γ
190
019
019
0
0
19
0
/1
/
/
&

Bước 2:
2
19
0
19
0
2
1919
2
0
2
19
2
19
2
0
19
M
T
T
TR
MTR
a
Ma
a
V
cc
cc
===

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
γ
γ

Bước 3:
(
)
1/
2
191919
2
1
1
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
+=
cc

MPP
c
t
γγ
γ
⇒
(
)
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
−
1
1

2
/1
19
19
2
19
cc
P
P
M
t
c
γγ
γ

fnfdr
t
t
t
t
t
tt
t
P
P
P
P
P
P
P

P
P
PP
ππππ
0
3
19
2
13
0
2
0
0
019
==
fnfdr
t
P
P
P
P
ππππ
19
0
19
19
=

Bước 4:
frfnfdr

t
t
t
t
t
tt
t
TT
T
T
T
T
T
T
T
T
TT
ττττττ
00
13
19
2
13
0
2
0
0
019
===
Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan

()
cc
PP
TT
TT
T
T
t
fr
t
t
γγ
τ
τ
/)1(
1919
1919
019
0
19
/
/
/
−
==
Core stream
Bước1:
[]
(
)

0990921
)1( PPAVVfmF
CC
−
+
−
+−−=
ε
ε
&

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
+−−+−+−−=
cc
t
C
C
PP
aV
TT
R
R
fM
a

V
fa
m
F
γ
εεεε
90
09
09
210
0
9
210
/1
/
/
)1()1(
&

Bước 2:
2
9
0
9
0
2
99
2
0
2

9
2
9
2
0
9
M
T
T
R
R
TR
MTR
a
Ma
a
V
c
t
c
t
cc
tt
γ
γ
γ
γ
===
⎟
⎟

⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

Bước 3:
)1/(
2
999
2
1
1
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
+=
tt
MPP
t
t
γγ
γ
⇒

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
−
1
1
2
/)1(
9
9
2
9
tt
P

P
M
t
t
γγ
γ

ntLtHbcHcLdr
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
tt
t
P
P
P
P
P
P
P

P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
PP
ππππππππ
0
5
9
5.4
5
4
5.4
3
4
5.2
3
2
5.2
0
2
0
0
09

==

ntLtHbcHcLdr
t
P
P
P
P
ππππππππ
9
0
9
9
=
Bước 4:
tLtHbcHcLrntLtHbcHcLdr
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
tt

t
TT
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
TT
ττττττττττττττ
00
5
9
5.4
5
4
5.4
3
4
5.2

3
2
5.2
0
2
0
0
09
===

()
tt
PP
TT
TT
T
T
t
tLtHbcHcLr
t
t
γγ
ττττττ
/)1(
99
99
09
0
9
/

/
/
−
==
Bước 5: Áp dụng phương trình năng lượng cho khí vào và ra ở buồng đốt
421321
)1()1(
tptCPRfbtpcC
TcmfhmTcm
&&&
+
−
−
=
+−−
ε
ε
η
ε
ε

λ
τεε
η
τττεε
)1()1(
21
0
21
f

Tc
h
f
pc
PRb
cHcLr
+−−=+−−
()
λ
λ
τη
ττττεε
−
−−−
=
)/(
)1(
0
21
Tch
f
pcPRb
cHcLr

Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
Bước 6:
High-pressure spool
Công suất do HPT phát ra:
)()1(
5.4421 ttptCtH

TTcmfW −+−−=
&
&
εε

Công suất cần quay HPC:
[]
5.21321
)1()1(
ttpcCcH
TTcmW
εεε
−−−−=
&
&


Suy ra:
[]
)()1()1()1(
5.44215.21321 ttptCmHttpcC
TTcmfTTcm −
+
−
−
=
−−−−
&&
ε
ε

η
ε
ε
ε

[]
)1()1()1()1(
4211215.2 tHtptmHcHtpc
TcfTc
τ
ε
ε
η
ε
τ
ε
ε
−
+
−
−
=
−−−−
[]
)1()1(
)1(
1
1
121
0

5.2
4
0
21
ετεε
εεη
τ
−−−−
+−−
=−
cH
t
tpt
pc
mH
tH
T
T
Tc
Tc
f

[]
)1()1(
)1(
1
1
121
21
ετεε

τ
τ
τ
εεη
τ
λ
−−−−
+−−
−=
cH
cLr
mH
tH
f

Low-pressure spool
Công suất do LPT phát ra:
(
)
55.421
)1(
ttptCtL
TTcmfW −+−−=
&
&
εε

Công suất cần quay LPC và fan:
[]
(

)
21325.21
)1(
ttpcFttpcCFcL
TTcmTTcmWW −+−−=+
&&
&&
ε

Suy ra:
[]
(
)()
55.42121325.21
)1()1(
ttptCmLttpcFttpcC
TTcmfTTcmTTcm −
+
−
−
=
−
+−−
&&&
ε
ε
η
ε

[]

(
)
{
}
(
)
tLtptmLfcLtpc
TcfTc
τ
ε
ε
η
τ
α
τ
ε
−
+
−
−
=
−
+−− 1)1(11)1(
5.42112

[]
(){}
11)1(
)1(
1

1
1
0
2
5.4
4
4
0
21
−+−−
+−−
=−
fcL
tt
tpt
pc
mL
tL
T
T
T
T
Tc
Tc
f
τατε
εεη
τ

Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan

[]
(){}
11)1(
)1(
1
1
1
21
−+−−
+−−
−=
fcL
tH
r
mL
tL
f
τατε
ττ
τ
εεη
τ
λ

Bước 7:
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦

⎤
⎢
⎣
⎡
−
+−−+−+−−
+
=
cc
t
PP
aV
TT
R
R
fM
a
V
fa
m
F
γ
εεεε
α
90
09
09
210
0
9

210
0
/1
/
/
)1()1(
1
1
&


⎭
⎬
⎫
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
+−+
c
PP
aV
TT
M
a

V
γ
α
190
019
019
0
0
19
/1
/
/

Bước 8:
)/)(1(/
0
mF
f
mF
f
F
m
SFC
C
f
&&
&
α
+
===

Bước 9:
Hiệu suất nhiệt:
in
T
Q
EK
&
&
∆
=
η

[]
(
)
2
0
2
19
2
0
2
921
2
1
)1(
2
1
VVmVVfmEK

FC
−+−+−−=∆
&&
&
εε


⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞

⎜
⎜
⎝
⎛
+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+−−=
2
0
2
0
19
2
0

2
0
9
21
2
0
)1(
2
1
M
a
V
M
a
V
fam
C
αεε
&

PRfin
hmQ
&
&
=
PR
T
fh
M
a

V
M
a
V
fa
2
)1(
2
0
2
0
19
2
0
2
0
9
21
2
0
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠

⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+−−
=
αεε
η

Hiệu suất lực đẩy
E
K
FV
P
&
∆
=
0
η

⎭
⎬
⎫
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜

⎝
⎛
−
+−+
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
+−−+−+−−=
c
cc
t
C
PP
aV
TT
M
a
V
PP
aV
TT
R
R

fM
a
V
fMamFV
γ
α
γ
εεεε
190
019
019
0
0
19
90
09
09
210
0
9
210
2
00
/1
/
/
/1
/
/
)1()1(

&

Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
Hiệu suất toàn thể
PTO
η
η
η
=
Các kết quả khác
Tỷ số áp suất của động cơ:
tLtHbcHcL
t
t
P
P
EPR
πππππ
==
2
5

Tỷ lệ lực đẩy do core trên một đơn vò lưu lượng khối lượng dòng khí qua core
và lực đẩy do fan trên một đơn vò lưu lượng khối lượng dòng khí qua fan:
FF
CC
mF
mF
FR
&

&
&
&
/
/
≡

Tỷ lệ lực đẩy do fan tạo ra:
()
()()
CCFF
FFF
mFmF
mF
F
F
&&
&
//
/
+
=
α
α

Tỷ lệ lực đẩy do core tạo ra:
()
()()
CCFF
CC

F
mFmF
mF
F
F
&&
&
//
/
+
=
α

Điều kiện áp suất khí xả:
 Ống xả phần lõi động cơ
Khí sau low-pressure turbine sẽ dãn nở tăng tốc theo tiết diện nhỏ dần của
ống xả, đáp ứng của ống xả như đáp ứng của một ống khí động với điều kiện môi
trường.
Trường hợp 1: nếu khí dãn nở đến vò trí cổ của ống xả mà áp suất tại cổ lớn
hơn hoặc bằng áp suất môi trường (
09
PP ≥ ) thì hiện tượng choked ( 1
9
=M ) xảy ra.
1
9
=M :
)1/(
9
9

2
1
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
=
tt
tt
P
P
γγ
γ
⇒
1
2
1
/
/
)1/(
09
99
9
0
≤
⎟

⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
==
−
ntLtHbcHcLdr
t
t
t
tt
PP
PP
P
P
ππππππππ
γ
γγ

Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
Trường hợp 2: nếu khí dãn nở đến vò trí cổ của ống xả mà áp suất tại cổ nhỏ
hơn áp suất môi trường, khi đó áp suất thực tế đáp ứng tại miệng thoát phải cân
bằng với áp suất môi trường (
09
PP
=
) và vận tốc khí thoát là dưới âm ( 1
9

<
M ).
 Ống xả phần fan động cơ có dạng hội tụ-phân kì được thiết kế cho điều kiện
bay bằng (≈ 11000 m), khi đó áp suất khí xả cân bằng với áp suất môi
trường.
Vận tốc dòng khí đi qua động cơ
Dòng khí vào động cơ có vận tốc tương đối là vận tốc chuyển động của máy
bay. Qua miệng hút, vận tốc dòng khí giảm để tăng áp suất. Dòng khí tiếp tục qua
máy nén, áp suất của dòng khí tăng, trong khi đó vận tốc dòng khí gần như không
thay đổi. Ra khỏi máy nén, vận tốc của dòng khí còn khá cao (khoảng 400 – 500
ft/s), tốc độ này khá cao không thích hợp cho việc đốt cháy nhiên liệu, nên vận tốc
của dòng khí được làm giảm bớt, áp suất dòng khí tiếp tục tăng đến giá trò áp suất
lớn nhất trong động cơ bằng cách dẫn dòng khí qua bộ phận diffuser có tiết diện
phân kỳ trước khi vào buồng đốt. Phần sau buồng đốt có tiết diện hội tụ làm gia
tăng tốc độ của dòng khí đến số Mach = 1 trước khi vào turbine. Dòng khí ra khỏi
turbine có vận tốc 750 – 1200 ft/s, dòng khí tiếp tục tăng tốc qua ống xả trước khi
thoát ra ngoài.
Giả thiết dòng khí qua động cơ là dòng một chiều, việc ước đoán vận tốc
dòng khí qua các bộ phận của động cơ cho phép ta xác đònh được các đặc tính tónh
của dòng khí qua động cơ.

3.2.2. Phân tích hoạt động của động cơ
Phân tích hoạt động của động cơ (engine performance analysis) là xem xét đặc
tính của một động cơ xác đònh đã được thiết kế hoặc đã được chế tạo hoạt động
trong các điều kiện khác với điều kiện thiết kế (off-design). Việc phân tích là xác
đònh những đại lượng độc lập, những đại lượng phụ thuộc và quan hệ giữa chúng.