Động cơ máy bay part 4 pptx

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

• Vận tốc
V

Muốn cho dòng khí chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác thì phải
tác động vào nó bằng một quá trình xác đònh. Tùy vào quá trình biến đổi của dòng
khí mà ta nhận được trạng thái mới có các đặc tính xác đònh.
Đối với lưu chất là chất khí trong hoạt động của động cơ phản lực, sự thay
đổi của thành phần thế năng là nhỏ so với sự thay đổi của các thành phần năng
lượng khác, nên khi xem xét về mặt năng lượng của dòng khí ta có thể bỏ qua.
Cùng với đònh nghóa enthalpy, khí được xem là calorically perfect, phương trình
năng lượng được viết lại:
inout
x
V
h
V
hwq
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+−
⎟

⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=−
22
22

in
p
p
out
p
px
c
V
Tc
c
V
Tcwq
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

⎛
+−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=−
22
22

tinptoutptintoutx
TcTchhwq
−
=−=−

2
2
V
hh
t
+≡ : enthalpy dừng hay enthalpy toàn phần

p
t
c
V

TT
2
2
+≡
: nhiệt độ dừng hay nhiệt độ toàn phần
Xét chuyển động đoạn nhiệt, không trao đổi công của dòng khí callorically
perfect từ vận tốc
V (trạng thái 1) về vận tốc 0 (trạng thái 2). Khi vận tốc dòng
khí bằng 0 thì dòng khí đạt đến nhiệt độ
2
T là nhiệt độ dừng của trạng thái 1, bất
chấp quá trình đó là thuận nghòch hay không thuận nghòch (ví dụ do ảnh hưởng
của ma sát chẳng hạn). Phương trình entropy biểu diễn quá trình như sau:
0lnln
12
1
2
1
2
≥−=− ss
P
P
R
T
T
c
p

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

2
T là xác đònh nên áp suất
2
P tùy thuộc vào sự gia tăng entropy
)(
12
ss − , có nghóa là phụ thuộc vào mức độ thuận nghòch của quá trình. Nếu quá
trình trên là đẳng entropy (isentropic – đoạn nhiệt và thuận nghòch),
0
12
=
−
ss ,
thì áp suất
2
P được gọi là áp suất dừng hay áp suất toàn phần
t
P của trạng thái 1.
Từ đònh nghóa đó, áp suất dừng được xác đònh:
)1/( −
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
≡
γγ
T
T

PP
t
t

Trong việc xem xét các quá trình biến đổi của dòng khí, cần phân biệt khái
niệm “nhiệt độ dừng, áp suất dừng” của một trạng thái (mang tính đònh nghóa) với
quá trình biến đổi thực tế từ trạng thái này sang trạng thái kia.
RT
V
a
V
M
γ
=≡

)1/(
2
2
2
1
1
2
1
1
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝

⎛
−
+=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
+=
γγ
γ
γ
MPP
MTT
t
t

Với đònh nghóa về số Mach, áp suất dừng và nhiệt độ dừng tại một trạng thái
được biểu diễn theo số Mach như trên. Như vậy, đặc tính của một dòng khí thay vì
được xác đònh bằng ba đại lượng
VTP ,, thì ta có thể xác đònh bằng ba đại lượng
tương ứng
MTP
tt
,, .
Lưu lượng khối lượng của dòng khí tại vò trí i có tiết diện
i
A :

)(
i
ti
iti
iiii
MMFP
T
AP
AVm ==
ρ
&

Với
)1(2
)1(
2
2
1
1
)(
−
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
+

=
i
i
i
i
i
i
i
i
M
M
R
MMFP
γ
γ
γ
γ
: mass flow parameter
Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
i
i
ii
i
i
R
R
MMFP
i
i
Γ

=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
==
−
+
)1(2
)1(
1
2
)1(
γ
γ
γ
γ

với
)1(2
)1(
1
2
−
+

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
≡Γ
i
i
i
ii
γ
γ
γ
γ

Các quá trình làm thay đổi trạng thái của dòng khí
Xét dòng ổn đònh một chiều, sự thay đổi đặc tính của dòng khí gây ra bởi các
nguyên nhân:
• Sự thay đổi tiết diện
• Quá trình thu-cấp nhiệt
• Tác dụng của ma sát
Dòng chỉ chòu sự thay đổi của tiết diện (dòng đẳng entropy) thì nhiệt độ, áp suất,
số Mach thay đổi theo tiết diện dòng khí, trong khi đó nhiệt độ toàn phần, áp suất
toàn phần không thay đổi. Vấn đề đáp ứng của ống khí động đối với sự thay đổi
điều kiện môi trường cần được xem xét vì điều kiện khí thoát thiết kế trong các
chế độ hoạt động khác nhau không phải lúc nào cũng tương thích với điều kiện

môi trường. Ống xả của động cơ phản lực là một dạng ống khí động cần được xem
xét đặc biệt ở khía cạnh này bởi vì phạm vi hoạt động của máy bay thay đổi rất
rộng.
Một ống khí động được thiết kế với điều kiện dừng nhất đònh (P
t
, T
t
) giãn nở
đến một áp suất nhất đònh cân bằng với áp suất môi trường. Gọi áp suất tại mặt
thoát là P
e
, áp suất môi trường là P
a
, xét đáp ứng của ống khí động khi thay đổi áp
suất môi trường so với điều kiện thiết kế.
Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan

Hình 3.2: Đáp ứng của ống khí động hội tụ – phân kì với môi trường
 Ống hội tụ-phân kỳ: số Mach thiết kế tại mặt thoát M > 1, lưu lượng dòng
khí qua ống là tối đa
- Trường hợp P
a
< P
e
(underexpanded) thì dòng bên trong của ống hội tụ-
phân kì không có gì thay đổi. Dòng khí thoát ra ngoài với áp suất P
e
tại
mặt thoát và áp suất khí thoát sẽ cân bằng với áp suất môi trường ở
vùng hậu lưu.

- Trường hợp P
a
= P
e
(design expansion) thì dòng bên trong của ống hội tụ-
phân kì sẽ dãn nở đến áp suất P
e
= P
a
như thiết kế và không có bất kì
một xáo động nào xảy ra.
- Trường hợp P
a
> P
e
(overexpanded): xảy ra sự bất liên tục của dòng khí
ngay sau mặt thoát của ống. Sự chuyển đổi từ áp suất khí thoát P
e
thấp
tại mặt thoát lên áp suất môi trường cao hơn buộc phải trải qua một hệ
thống sóng shock. Nếu chênh lệch giữa P
e
và P
a
không lớn thì sóng shock
là oblique shock, nếu chênh lệch lớn hơn thì sóng shock là sóng oblique-
normal shock kết hợp.
Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
- Nếu chênh lệch áp suất lớn hơn đến một giá trò nào đó thì sóng oblique-
normal shock sẽ dòch chuyển lại tại mặt thoát thành nomal shock

(normal shock at exit).
- Nếu như chênh lệch này tiếp tục tăng lên nữa thì sẽ làm dòch chuyển
normal shock vào bên trong ống (normal shock inside). Bất thuận nghòch
này xảy ra trong ống, dòng khí sau normal shock là dưới âm, áp suất
dừng bò giảm đi.
- Nếu như tiếp tục tăng P
a
đến một giá trò nhất đònh thì normal shock sẽ
dòch chuyển dần vào trong đến vò trí cổ ống khí động và mất đi, dòng khí
đạt vận tốc âm thanh tại cổ và dưới âm ở các chỗ khác.
- Nếu tiếp tục tăng P
a
nữa thì dòng khí không còn đạt vận tốc âm thanh
tại cổ và lưu lượng dòng khí sẽ giảm xuống.
 Ống hội tụ: được thiết kế đạt số M = 1 tại cổ, áp suất tại cổ cân bằng với áp
suất môi trường, lưu lượng dòng khí qua ống là tối đa
- Trường hợp P
a
< P
e
thì dòng bên trong của ống không có gì thay đổi.
Dòng khí thoát ra ngoài với áp suất P
e
tại mặt thoát và áp suất khí thoát
sẽ cân bằng với áp suất môi trường ở vùng hậu lưu.
- Trường hợp P
a
= P
e
thì dòng bên trong của ống hội tụ-phân kì sẽ dãn nở

đến áp suất P
e
= P
a
như thiết kế và không có bất kì một xáo động nào
xảy ra.
- Trường hợp áp suất môi trường lớn hơn áp suất khí thoát của điều kiện
số Mach = 1 tại cổ thì điều kiện vận tốc đạt vận tốc âm thanh tại cổ
không còn nữa, khí đó lưu lượng dòng khí bò giảm xuống, ống chỉ đơn
thuần là một ống hội tụ, áp suất tại cổ cân bằng với áp suất môi trường.
Khi cấp hay thu nhiệt, tùy vào điều kiện số Mach đầu vào mà xác đònh chiều
hướng thay đổi. Dòng khí có số Mach đầu vào < 1, nếu cấp nhiệt quá trình tăng
entropy diễn ra, số Mach sẽ tăng lên, áp suất giảm, nhiệt độ tăng, áp suất toàn
phần giảm một ít. Còn ảnh hưởng của ma sát thì phụ thuộc vào chiều dài đoạn
Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
chuyển động, luôn làm gia tăng entropy của dòng khí, áp suất dừng của dòng khí
sẽ bò giảm.
Trong thực tế, sự thay đổi đặc tính của dòng khí không đơn thuần do một mà
do nhiều nguyên nhân gây ra. Tuy nhiên, tùy từng trường hợp mà chúng ta xác
đònh nguyên nhân nào đóng vai trò chủ yếu, nguyên nhân nào ảnh hưởng không
đáng kể mà có ước đoán và tính toán cho phù hợp. Điều này rất có ý nghóa trong
việc xem xét sự thay đổi đặc tính của dòng khí qua động cơ.

3.2. Phân tích chu trình nhiệt động lực học của động cơ turbofan
Phân tích chu trình nhiệt của động cơ là nghiên cứu những thay đổi nhiệt
động lực học của dòng khí qua từng bộ phận của động cơ, từ đó xác đònh được các
thông số đặc tính của động cơ.
Khi thiết kế động cơ, người ta thường thiết kế ở điều kiện nhất đònh (design
point or reference point condition), thông thường đó là chế độ hoạt động ổn đònh
nhất của động cơ. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, không phải lúc nào động

cơ cũng hoạt động ở chế độ thiết kế. Ở các chế độ hoạt động khác (off-design
condition), đáp ứng của động cơ phải được tính toán lại.
3.2.1. Phân tích chu trình dạng thông số
Phân tích chu trình dạng thông số (parametric cycle analysis) là công việc
mang tính thiết kế: động cơ làm việc ở một chế độ xác đònh (cao độ bay, tốc độ
bay, mức công suất – tay ga), với một máy nén có tỷ số nén xác đònh, đặc tính của
turbine phù hợp với đặc tính của máy nén để cho tỷ số nén đó, và kết quả là tạo
ra một lực đẩy xác đònh.
Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan

Hình 3.3: Mô hình động cơ turbofan
s
T19
P19
Pt19
Tt19
Pt13
Tt13
Pt2
Tt2
Tt0
Pt0
P0
T0

Hình 3.4: Biểu đồ nhiệt độ – entropy của dòng khí qua fan

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

P9
T9
Pt9
Tt9
Pt5
Tt5
Pt4.5
Tt4.5
Pt4
Tt4
Pt3
Tt3
Pt2.5
Tt2.5
Tt2
Pt2
Pt0
P0
T0
Tt0

Hình 3.5: Biểu đồ nhiệt độ – entropy của dòng khí qua core
Phương pháp chung để phân tích chu trình một động cơ phản lực là kiểm
soát sự hay đổi đặc tính của dòng khí qua từng bộ phận động cơ, hai thông số cơ
bản phản ánh đặc tính dòng khí là nhiệt độ toàn phần và áp suất toàn phần.
a. Ký hiệu và giả thiết
 Ký hiệu
F
m
&

: lưu lượng khối lượng của dòng khí đi vào phần fan
C
m
&
: lưu lượng khối lượng của dòng khí đi vào phần core
 Tỷ số bypass:
C
F
m
m
&
&
≡
α

 Lưu lượng khí trích ra từ máy nén thấp áp là
C
m
&
1
ε

 Lưu lượng khí trích ra từ máy nén cao áp là
C
m
&
2
ε

 Tỷ số giữa lưu lượng nhiên liệu và lưu lượng dòng khí qua core:

C
f
m
m
f
&
&
≡
 Dòng tự do:
Chương 3: Cở Sở Lý Thuyết Tính Toán Nhiệt Động Lực Học Động Cơ Turbofan
2
0
0
0
2
1
1 M
T
T
t
r
−
+==
γ
τ
,
)1/(
2
0
0

0
2
1
1
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
+==
γγ
γ
π
M
P
P
t
r

 Tỷ số enthalpy giữa cửa thoát buồng đốt và môi trường:

0
4
00
,
)(
)(

Tc
Tc
TC
TC
h
h
pc
tpt
p
exitburnertp
exitburnert
===
−
−
λ
τ


a
τ
là tỷ số nhiệt độ dừng giữa sau và trước bộ phận a

a
π
là tỷ số áp suất dừng giữa sau và trước bộ phận a
Diffuser/Inlet/Intake
0
2
t
t

d
T
T
=
τ

0
2
t
t
d
P
P
=
π

Fan
2
13
t
t
f
T
T
=
τ

2
13
t

t
f
P
P
=
π

Low-pressure compressor
2
5.2
t
t
cL
T
T
=
τ

2
5.2
t
t
cL
P
P
=
π

High-pressure compressor
5.2

3
t
t
cH
T
T
=
τ

5.2
3
t
t
f
P
P
=
π

Burner
3
4
t
t
b
T
T
=
τ

3
4
t
t
b
P
P
=
π

High-pressure turbine
4
5.4
t
t
tH
T
T
=
τ

4
5.4
t
t
tH
P
P
=
π

Low-pressure turbine
5.4
5
t
t
tL
T
T
=
τ

5.4
5
t
t
tL
P
P
=
π

Core exhaust nozzle
5
9
t
t
n
T
T

=
τ

5
9
t
t
n
P
P
=
π

Fan exhaust nozzle
13
19
t
t
fn
T
T
=
τ

13
19
t
t
fn
P

P
=
π

 Các giả thiết
Tính chất của dòng khí qua động cơ
Nhiệt dung riêng và tỷ số nhiệt dung riêng của khí thay đổi theo nhiệt độ và
tỷ lệ nhiên liệu trong hỗn hợp nhiên liệu-không khí. Sự thay đổi nhiệt độ của dòng
khí qua buồng đốt của động cơ là lớn nhất. Để đơn giản trong tính toán ta xem sự
thay đổi nhiệt dung riêng của dòng khí được xấp xỉ bằng giả thiết dòng khí là lý