Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbin phản lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s u PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA V ậ t l y

NGUYỄN THỊ QUYÈN

NGHIÊN CỨU TÍNH ỎN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ

TRONG BUÒNG TẠO HỎN HỢP BUÒNG ĐỐT
TĂNG L ự
c ơ TURBINE PHẢN L ự• c
• c ĐỘNG
•

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hà N ộ i - 2 0 1 5


TRƯỜNG ĐẠĨ HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHỎA VẶT LÝ

NGUYỄN THỊ QUYÈN

NGHIÊN CỨU TÍNH ỎN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ
TRONG BUÒNG TẠO HỎN HỢP BUÒNG ĐÓT
TĂNG L ự
c ơ TURBINE PHẢN L ự• c
• c ĐỘNG
•

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học:
ThS. Nguyễn Ngọc Tuấn

Hà N ộ i - 2 0 1 5


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng và sâu sắc tới:
Thầy hướng dẫn khoa học: ThS Nguyễn Ngọc Tuấn - người trực tiếp
hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp tôi hoàn thành khóa
luận này.
Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm, Tổ V ật lí kỹ thuật khoa Vật Lý trường
Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học
tập và nghiên cún đề tài.
Gia đình, bạn bè đã quan tâm, chia sẻ, giúp đỡ, động viên, khích lệ tôi
trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Người thực hiện

Nguyễn Thị Quyền


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong khóa luận là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khóa luận
khác.
N eu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, tháng 5 năm 2015
Người thực hiện

Nguyễn Thị Quyền


MỤC LỤC
1

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tà i.........................................................................................................1
2. M ục đích nghiên c ứ u ..................................................................................................1
3. Nhiệm vụ nghiên c ứ u ................................................................................................2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.......................................................................... 2
PHẦN NỘI D U N G ........................................................................................................ 3
Chương 1 - TỐNG QUAN VÈ TÍNH ỐN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ TRONG

BUỒNG TẠO HỖN HỢP BUỒNG ĐỐT TĂNG L ự c ĐỘNG c ơ TURBINE
PHẢN

L ự c.......................................................................................3

1.1. Mô hình buồng tạo hỗn họp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực....... 3
1.2. Đặc điếm làm việc của buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lự c ......4
1.3. Xác định tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt
tăng lực động cơ turbine phản lực P25.300 và J85.............................................. 10
1.4.

Ảnh hưởng của quá trình tạo hỗn hợp đến sự ổn định cháy trong buồng

đốt tăng lực động cơ turbine phản l ự c ................................................................... 13
1.5.

Ket luận chương 1..............................................................................................17

Chương 2 - GIẢI PHÁP NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ

TRONG BUỒNG TẠO HỒN HỢP BUỒNG ĐỐT TẢNG L ự c ĐỘNG c ơ
TURBINE PHẢN

Lực.................................................................. 18

2.1. Thiết lập phương trình ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp.. 18
2.2. Điều kiện ốn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn họp buồng đốt tăng
lực động cơ turbine phản lự c ....................................................................................23
2.3. Giải pháp nâng cao tính ốn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp
buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lự c....................................................... 26
2.3.1. Các lực tác động lên dải nhiên liệu p h u n ...................................................26
2.3.2. Sự phân rã của dòng nhiên liệu phun và kích thước giọt nhiên liệu .... 32
2.3.3. Tính kích thước giọt nhiên liệu trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng
lực động cơ P25.300................................................................................................... 38
2.4. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 38
PHẦN KẾT L U Ậ N ..................................................................................................... 40
TÀI LIỆU THAM K H Ả O .......................................................................................... 41


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Diện tích tiêt diện cửa vào buông tạo hôn họp

Diện tích tiêt diện nhỏ nhât buông tạo hôn hợp
K
F2

Diện tích tiêt diện buông tạo hôn hợp ở đó kêt thúc
nhiễu
Diện tích tiêt diện cuôi buông tạo hôn hợp
Diện tích tiêt diện cửa ra buông tạo hôn hợp

[m2]
M
M
M

Px

Ap suât dòng khí ở cửa vào buông tạo hôn hợp

M
I^A/7 m2J

Pk

Ap suât dòng khí ở tiêt diện nhỏ nhât

I^A/7 m2~ị

Pl

Ap suât dòng khí ở tiêt diện kêt thúc nhiêu

^A/7 m2J

Pl

I^A/7 m2~ị

Pì

Ap suât dòng khí ở tiêt diện cuôi buông tạo hôn
hợp
Ap suât dòng khí ở cửa ra buông tạo hôn hợp

4
a

Hệ sô tôn thât toàn phân ở đoạn ông thu hẹp
Sự tăng biên độ nhiêu trên một đơn vị khoảng cách

Ằ

Bước sóng

ơ

Sức căng bê mặt

M
[N / m]

/u

Độ nhớt chât lỏng

[ n .s / m2J

p

M ật độ chât khí

['kg ỉm3]

Pn,

M ật độ nhiên liệu

['kg ỉm3]

p

Góc mở của phân mở rộng buông tạo hôn hợp

s

Hệ sô biên dạng kích thước vùng nhiêu

[ ”]
[jV/m3]

(p

Góc pha ban đâu

[rứí/]

s

Độ lệch dòng khí

[m]

ệ

Nguyên hàm của hàm thê

[m2]

¥

Thê tôc độ

ịm2 / 5^1

M
X

Sô mach
Độ dày theo trục X

m

Y

Độ dài theo trục y

m

N
F

= 27ĩ! Ả sô sóng
M ức gia tăng biên độ nhiêu

[w /m 2]
[m -]

[ « - ']


m

Q

= õf / õt . Tốc độ gia tăng biên độ nhiễu

p*

M ật độ khí trong vùng xoáy

[kgím3]

K

Thê tích vùng xoáy

M

K

Độ dài vùng nhiêu xoáy

M

s

Sức cản vi phân của dòng chảy

[k g ls

10

Tân sô dao động góc

[Hz\

M

Lưu lượng khí

[k g ls

F„

Lực quán tính

Fp

Lực áp suât

[W]

Lực nhớt

[W]

K

Lực căng bê mặt

[W]

w
wv

Tôc độ tương đôi của dòng khí theo phương

X

[m /il

Tôc độ tương đôi của dòng khí theo phương y

m/ 5

D

Đường kính sợi phân dải nhiên liệu

m

Ds

Đường kính giọt nhiên liệu

m

X


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, s ơ ĐÒ, ĐỒ THỊ
Hình
1.1

1.2
1.3
1.4
1.5
1.6

1.7

2.1

2.2

2.3

Tên các hình vẽ, sơ đô, đô thị
N guyên lý câu trúc (a) và mô phỏng (b) của buông
tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine
phản lực
Mô hình dòng chảy trong buông tạo hôn hợp
buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực
Động cơ turbine phản lực có buông đôt tăng lực
Sơ đô động cơ turbine phản lực có buông đôt tăng
lực
Đô thị vùng ôn định của dòng khí trong buông tạo
hỗn hợp động cơ P25.300 (a) và J85 (b)

Trang
3

Đô thị tân sô dao động riêng của dòng khí trong
buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ
P25.300 (a) và động cơ J85 (b)
Anh hưởng của sức cản thủy lực đên tính ôn định
của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp động cơ
P25.300 (a) và động cơ J85 (b)
Sự tương tác của dải nhiên liệu phun với dòng khí
không ổn định trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt

tăng lực
Sự phân rã của dải nhiên liệu phun dưới tác động
của dòng khí không ổn định trong buồng tạo hỗn
họp buồng đốt tăng lực
Môi quan hệ giữa tôc độ gia tăng biên độ và sô
sóng của chất lỏng nhớt và không nhớt

13

4
6
6
12

13

27

34

36


PHÀN MỒ ĐÀU
1. L ý do chọn đề tài
Động cơ turbine phản lực là một loại động cơ nhiệt, thường được dùng
làm động cơ đẩy cho các máy bay cận và vượt âm. Trong quá trình thiết kế
chế tạo động cơ turbine phản lực, một yêu cầu được đặt ra là động cơ phải có
lực đẩy lớn, kết cấu gọn nhẹ, có độ tin cậy, an toàn và tính kinh tế, đáp ứng
các tiêu chuẩn đặt ra của ngành hàng không.

Nhiều giải pháp đã được đưa ra. Trong đó giải pháp được sử dụng
nhiều nhất hiện nay là buồng đốt tăng lực lắp sau turbine để tăng lực đẩy phản
lực cho động cơ.
Vấn đề ổn định cháy trong buồng đốt tăng lực là một yêu cầu cơ bản
khi thiết kế chế tạo động cơ turbine phản lực. Nó phụ thuộc rất nhiều vào quá
trình tạo hỗn hợp cháy. Quá trình cháy là quá trình lý hóa xảy ra với tốc độ
cao, nhiệt độ phản ứng cháy lớn. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc đảm
bảo công suất làm việc của động cơ cũng như tính an toàn, tính bền và tính
kinh tế ... của động cơ.
Trong khuôn khổ có hạn của một khóa luận tốt nghiệp, tôi chỉ dừng lại
ở việc “Nghiên cứu tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp

buồng đốt tăng lực động CO’ turbine phản lực”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu tính ốn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng
đốt tăng lực động cơ turbine phản lực nhằm nâng cao tính ốn định và đảm bảo
sự cháy trong buồng đốt ổn định.

1


3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tống quan về tính ốn định của dòng khí trong buồng tạo
hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực.
- Nghiên cứu về giải pháp nâng cao tính ổn định của dòng khí trong
buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực.
4. Đối tưọng và phạm vi nghiên cửu
4.1. Đối tưọng nghiên cứu
Giải pháp nâng cao tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp
buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực.

4.2. Phạm vi nghiên cứu
Tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực
động cơ turbine phản lực.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lỷ luận: Đọc các tài liệu, công trình có liên
quan đến đề tài nghiên cứu.

2


PHẦN NỘI DUNG
Chương 1 - TỔNG QUAN VÈ TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ

TRONG BUỒNG TẠO HỎN HỌP BUỒNG ĐỐT TĂNG L ự c ĐỘNG
CO TURBINE PHẢN L ự c
1.1. Mô hình buồng tạo hỗn họp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực
Buồng tạo hỗn hợp được bố trí sau turbine và trước buồng lửa. Có
nhiều loại buồng tạo hỗn hợp động cơ turbine phản lực như buồng tạo hỗn
họp trong động cơ turbine phản lực một luồng, buồng tạo hỗn hợp trong động
cơ turbine phản lực hai luồng, buồng tạo hỗn hợp có dòng chảy n g ư ợ c...
Nguyên lý cấu trúc của buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ
turbine phản lực như trên hình 1.1 a và được mô hình hóa như hình 1. lb:

Hình 1.1. Nguyên lý cẩu trúc (a) và mô phỏng (b) của buồng
tạo hôn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

Buồng tạo hỗn hợp cấu trúc gồm hai phần: phần đầu có hình dạng nhỏ
dần, phần sau có hình dạng lớn dần. Dòng khí chảy vào trong buồng tạo hỗn
hợp có nhiệt độ cao (800K - 900K) và có tốc độ lớn (160 m/s - 180 m/s).
Giả thiết rằng dòng khí chảy trong buồng tạo hỗn họp được hình thành

từ dòng cơ bản và dòng nhiễu. Dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp gọi là
dòng bị nhiễu. N hiễu trong dòng có biên độ giảm dần, không lấy năng lượng

3


của dòng cơ bản để phát triển thì dòng chảy là dòng ổn định. Neu nhiễu phát
triển gia tăng biên độ thì dòng chảy là dòng không ổn định. Neu nhiễu tồn tại
trong dòng với biên độ không thay đổi thì dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp
nằm ở giới hạn ốn định. Dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp có số M < 0,3
nên coi là dòng không bị nén ( p = const) . Tính cản dòng trên turbine và
buồng lửa được xem như là các tiết lưu, vì vậy coi đầu vào và ra của buồng
tạo hỗn hợp có lắp tiết lưu trước và sau.
Từ đó nhận thấy cấu trúc và dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp buồng
đốt tăng lực có nguyên lý cấu trúc giống như ống Venturi có tiết lưu đầu vào
và ra như hình 1.2:

Hình 1.2. Mô hình dòng chảy trong buồng tạo hôn hợp
buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

1.2. Đặc điểm làm việc của buồng đốt tăng lực động cơ turbỉne phản lực
Động cơ turbine phản lực là kiếu đơn giản nhất và cố nhất của động
cơ phản lực nói chung, thường được dùng làm động cơ đẩy cho các máy bay.
Không khí được đưa vào bên trong những máy nén quay thông qua cửa hút
khí, và được nén tới áp suất cao trước khi đi vào buồng đốt. Tại buồng đốt,

4


không khí được trộn với nhiên liệu và được đốt cháy. Quá trình cháy làm

nhiệt độ khí tăng rất cao. Các sản phấm cháy sẽ thoát ra khỏi buồng đốt và
chạy qua turbine làm quay máy nén. Dòng khí bên trong turbine thoát ra
ngoài qua ống thoát khí tạo ra một lực đấy phản lực ngược chiều.
Quá trình đốt bên trong buồng đốt khác nhiều so với quá trình đốt
trong động cơ piston. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu cháy làm nhiệt độ tăng
lên đột ngột. Chính vì thế buồng đốt trong một động cơ phản lực luôn đạt
nhiệt độ đỉnh và có thể làm cháy lớp vỏ bên ngoài.
Buồng đốt tăng lực gồm ống khuếch tán và buồng lửa. Ống khuếch
tán có tiết diện lớn chứa đựng những vòi phun cùng với thiết bị mồi lửa và bộ
ổn định ngọn lửa. Buồng lửa có dạng hình trụ, bên trong có ống lửa hình trụ
lượn sóng với các lỗ nhỏ. Buồng đốt tăng lực của động cơ turbine phản lực
đặt sau turbine trước ống tăng tốc của động cơ có dạng cụ thể như hình 1.3 và
có sơ đồ như hình 1.4:

Hình 1.3. Động cơ turbine phản lực có buồng đốt tăng lực

5


Hình 1.4. Sơ đồ động cơ turbine phản lực có buồng đốt tăng lực
Không khí từ bên ngoài được đưa vào động cơ qua thiết bị vào (1), qua
máy nén dọc trục (2), tại máy nén (2) không khí được nén tới áp suất cao, rồi
vào buồng đốt động cơ (3), nhiên liệu được phun và hòa trộn với không khí
trong buồng đốt tạo thành hỗn họp cháy được đốt cháy nhờ nến điện. Sản
phấm cháy có năng lượng lớn đi vào turbine (4) qua buồng đốt tăng lực (5)
đến ống tăng tốc (6) để tăng tốc dòng khí đến tốc độ cao kéo quay máy nén.
Sau khi ra khỏi turbine năng lượng còn lại của dòng khí cháy chuyến hóa
thành động năng rồi thoát ra ngoài miệng phun tạo lực đẩy phản lực cho động
cơ. Khi cần tăng lực, nhiên liệu được phun bố sung vào buồng đốt tăng lực
tạo thành quá trình cháy đẳng áp làm tăng nhiệt độ dòng khí vào ống tăng tốc,

làm tăng tốc độ dòng và lực đẩy phản lực cho động cơ từ 25 đến 50%.
Dòng khí qua turbine có hệ số khí dư lớn, có thể lên tới a

=60 tương

đương với dòng không khí bị pha loãng bằng sản phẩm cháy có áp suất từ 1,5
đến 4 bar, nhiệt độ từ 900 đến 1200k và tốc độ từ 350 đến 400 m/s. Khi qua
ống khuếch tán, tốc độ dòng khí giảm còn 120 đến 160 m/s để đi vào buồng
lửa. Trong ống khuếch tán, nhiên liệu được phun vào dòng khí qua nhiều vòi
phun, tạo thành hỗn hợp cháy với hệ số không khí dư nằm trong khoảng từ
1,1 đến 1,5. Gần cuối ống khuếch tán, hỗn hợp cháy gặp bộ ổn định ngọn lửa
hình chữ V và tự bén lửa tạo thành ngọn lửa dao động có màng lửa nhăn và
vùng tuần hoàn (vùng chảy ngược) đế duy trì sự on định của ngọn lửa. Ngọn


lửa sau bộ ổn định chịu tác động của những dòng khí nhỏ đi qua các lỗ nhỏ
của ống lửa vừa làm mát thành buồng đốt vừa duy trì biên độ và tần số dao
động ổn định.
Quá trình hoạt động của buồng đốt tăng lực được chia thành nhiều chế
độ: tăng lực nhỏ, tăng lực tùng phần, tăng lực toàn phần. M uốn thay đổi chế
độ tăng lực ta phải thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho buồng đốt tăng lực.
Quá trình cháy trong buồng đốt tăng lực có ngọn lửa dao động là quá
trình cháy dao động ở vùng cao tần, có tần số lớn từ 102 đến 103 Hz. Quá trình
này thường có biên độ áp suất rất lớn. Tùy thuộc vào đặc tính âm thanh trong
buồng đốt, sự dao động với tần số lớn của áp suất có thể gây ra dao động
mạnh, có thể gây phá hủy buồng đốt tăng lực.
Trong buồng đốt tăng lực cũng tồn tại dao động với tần số thấp có biên
độ dao động áp suất lớn gây mất ổn định cháy. Đây cũng là nguyên nhân gây
ra sự phá hủy buồng đốt.
Đặc điếm của quá trình cháy trong buồng đốt tăng lực là hỗn họp cháy

đi vào buồng đốt ở nhiệt độ cao. Hỗn hợp có thể tự bén lửa và cháy. N hiệt độ
của hỗn hợp cháy đi vào buồng đốt đạt tới 1200K. Ngọn lửa trong buồng đốt
tăng lực là 2500K. Quá trình cháy trong buồng đốt tăng lực là cháy dịu êm.
Quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong buồng đốt tăng lực khác so với quá
trình cháy trong buồng đốt chính như sau:
-

N hiệt độ dòng khí cháy ở cửa vào buồng đốt tăng lực đạt giá trị cao

(900K - 1200K), góp phần thúc đẩy nhanh việc hóa hơi nhiên liệu. N hờ đó
việc hình thành hỗn hợp cháy được thuận lợi và tăng tính bắt lửa của hỗn hợp
cháy.

7


-

Dòng khí đi vào buồng đốt tăng lực đã cháy lần đầu trong buồng đốt

chính, nên hệ số khí dư a nhỏ hơn nhiều so với buồng đốt chính. Nhiên liệu
tự hòa trộn với dòng khí tốc độ cao nên gọi là quá trình tự hòa trộn. M ật độ
ôxy trong hỗn hợp cháy nhỏ hơn so với buồng đốt chính nên không cần phải
phân chia vùng trộn và vùng cháy như buồng đốt chính, v ấ n đề đặt ra là phải
tính đến việc phun nhiên liệu đều khắp lên dòng khí cháy sau turbine, tạo
được sự đồng nhất của hỗn hợp trên mọi thiết diện của buồng đốt. Vị trí lắp
đặt các vòi phun được chọn sao cho quá trình hóa hơi nhiên liệu kết thúc tại
mép sau của bộ ổn định ngọn lửa. Việc phun nhiên liệu có thể cùng chiều,
ngược chiều hoặc vuông góc với dòng khí, tùy thuộc vào từng loại động cơ
sao cho việc hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu không khí là tốt nhất.

Thực tế hoạt động của các buồng đốt tăng lực trên các động cơ turbine
phản lực đã có quá trình cháy ổn định. Tuy đã đáp ứng được các yêu cầu vận
hành nhưng vẫn còn tồn tại một số hiện tượng như tắt lửa, cháy không ổn
định, vỏ buồng đốt bị nứt nẻ, cong vênh, cháy sém, hay hiện tượng tách rời
các bu lông giữa các phần của buồng đốt tăng lực.
Trong thiết kế và chế tạo buồng đốt tăng lực động ơ turbine phản lực
cần đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Ôn định quá trình cháy nhiên liệu trong toàn bộ khoảng thay đối độ
cao và tốc độ bay.
+ Tăng lực tin cậy trong mọi điều kiện bay.
+ Tổn thất áp suất toàn phần trong buồng đốt tăng lực nhỏ ở các chế độ
làm việc có tăng lực và không tăng lực của động cơ.
+ Bảo đảm sự làm việc bình thường của turbine, không gây quá nhiệt
độ cho các lá turbine khi bật và tắt tăng lực. Khối lượng của buồng đốt tăng
lực là nhỏ nhất.

8


Đe gia tăng lực đẩy hoặc lực kéo của động cơ turbine phản lực, hiện
nay thường sử dụng các giải pháp sau:
- Tăng nhiệt độ khí cháy trước turbine đồng thời giữ cho vòng quay
không đối. Đe thực hiện được điều đó cần phải đóng bớt miệng phun. Phương
pháp này gây ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của các lá turbine, làm máy nén
hoạt động mất ốn định nên chỉ sử dụng được khoảng một vài phút với mức
tăng lực đẩy từ 6- 8%.
- Tăng vượt giá trị vòng quay cực đại bằng cách tăng lượng nhiên liệu
cung cấp vào buồng đốt chính, làm tăng nhiệt độ khí cháy trước turbine. Công
suất turbine tăng lên, vòng quay rôto động cơ tăng từ đó tăng lưu lượng không
khí vào động cơ và tăng áp suất không khí sau máy nén, dẫn đến tăng lực đẩy

động cơ. Phương pháp này làm tăng tải trọng cơ nhiệt lên các lá turbine, ảnh
hưởng đến độ bền và tuổi thọ của động cơ, lực đẩy được tăng thêm khoảng từ
10- 15%.
- Phun chất lỏng dễ bay hơi (cồn hoặc nước) vào trước hoặc trong máy
nén, làm giảm nhiệt độ không khí trong máy nén, máy nén dễ nén hơn, đồng
thời làm tăng mức giãn nở của khí cháy trên miệng phun, dẫn đến làm tăng
lực đấy cho động cơ. Phương pháp này có hiệu quả khi động cơ làm việc
trong điều kiện nhiệt độ môi trường quá cao. Tuy nhiên phương pháp này làm
giảm mạnh tính kinh tế của động cơ do sự cồng kềnh về thiết bị phun.
- Phun chất lỏng dễ bay hơi vào buồng đốt đế tăng động lượng của
dòng khí trên cửa thoát của động cơ. Lực đẩy tăng từ 15 - 20%. Tuy nhiên
phương pháp này ít được sử dụng vì tính an toàn không cao, dễ gây hóc khí
trong máy nén.
- Đốt bổ sung nhiên liệu trong buồng đốt tăng lực lắp sau turbine. Khi
buồng đốt tăng lực làm việc, để tránh làm thay đổi giá trị vòng quay của động

9


cơ phải sử dụng hệ thống điều khiển miệng phun nhằm thay đổi diện tích thiết
diện cửa thoát phù hợp với các chế độ tăng lực. Lực đẩy tăng đến 45%. Vì
vậy phương pháp này được sử dụng phổ biến hiện nay trên các động cơ
turbine phản lực một luồng và hai luồng, dùng cho các máy bay cận âm và
trên âm trong lĩnh vực quân sự và dân sự.
1.3. Xác định tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn họp buồng
đốt tăng lực động cơ turbine phán lực P25.300 và J85
Động cơ của máy bay P25.300 và J85 thuộc loại động cơ turbine phản
lực, hoạt động dựa trên nguyên tắc hút không khí vào phía trước và phụt ra
phía sau luồng khí có vận tốc cao hơn, sinh ra phản lực hướng về phía trước.
Vận tốc phụt ra phía sau của luồng khí càng cao thì phản lực sinh ra càng lớn,

kéo theo máy bay có tốc độ càng lớn. Các thành phần chính của động cơ
turbine phản lực bao gồm: cửa hút gió, máy nén, buồng đốt, turbine và vòi
phun.
Khi động cơ hoạt động, không khí được nén và đưa vào buồng đốt.
Luồng không khí áp suất cao thoát ra khỏi buồng đốt ra phía sau với vận tốc
lớn, nên phản lực sinh ra hướng về phía trước. Luồng khí này cũng đồng thời
làm quay turbine, truyền động vận hành máy nén.
Bộ phận đốt tăng lực được đặt sau turbine. Khi bật đốt tăng lực, nhiên
liệu sẽ được phun thắng vào luồng khí nóng phía sau turbine trước khi thoát ra
khỏi vòi phun. Nhiên liệu cháy sẽ tăng nhiệt độ luồng không khí, làm áp suất
luồng không khí tăng cao, kéo theo đó là vận tốc của luồng khí phụt về phía
sau cao hơn, phản lực sinh ra lớn hơn, gia tốc lớn hơn, vận tốc máy bay sẽ
tăng nhanh hơn.
Buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực có bố
trí nhiều vòi phun lỗ đơn đặt cách nhau một khoảng cách đủ lớn so với kích

10


thước lỗ vòi phun trên một thiết diện ngang cho phép giả thiết rằng các dòng
nhiên liệu phun ra từ các vòi phun hoạt động độc lập với nhau trong môi
trường dòng khí. Dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp bao gồm dòng cơ bản và
dòng nhiễu. Neu dòng nhiễu phát triển gia tăng về độ lớn biên độ thì dòng khí
mất ốn định. Ngược lại, nếu dòng nhiễu bị tiêu tán trong dòng cơ bản thì dòng
khí được coi là dòng ốn định.
Đồ thị vùng ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt
tăng lực động cơ P25.300 và động cơ J85 như trên hình 1.5a và hình 1.5b:

(a)

(b)

Hình 1.5. Đồ thị vùng ốn định của dòng khí trong buồng tạo hôn hợp
động cơ P25.300 (a) và động cơ J 85 (b)
Đồ thị ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng
lực thay đổi đơn điệu theo sự thay đổi của góc mở rộng p . Ở góc mở thiết kế
p =14% dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ
P25.300 là không ổn định. Góc P d trong động cơ này là 11,5°. Ở góc mở
thiết kế Ptk - 7,5° của động cơ J85 (hình 1.5b) dòng khí trong buồng tạo hỗn

11


họp nằm ở giới hạn ổn định, tức là Ptk = p.d . Nếu tăng góc /? = 9° > psd thì
dòng trở nên không ốn định.
Trên hình 1.6 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 Ị3 thì tần
số dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo hỗn họp tăng lên. Ket quả
cho thấy với động cơ có kích thước nhỏ như J85 và với động cơ có kích thước
tương đối lớn như P25.300, dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo hỗn
hợp đều là những dao động thấp tần.

Hình 1.6. Đồ thị tần sổ dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo
hôn hợp buồng đốt tăng lực động cơ P25.300(a) và động cơJ85(b)
Ảnh hưởng của sức cản thủy lực đến tính ổn định của dòng khí trong
buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ P25.300 và động cơ J85 được
trình bày như hình 1.7a và 1.7b:

12

(a)

(b)

Hình 1.7. Anh hưởng của sức cản thủy lực đến tỉnh ốn định của dòng khí
trong buồng tạo hỗn hợp động cơ P25.300 (a) và động cơ J8 5 (b)
Sức cản thủy lực được đặc trưng bởi hệ số cản a\. Khi góc mở rộng
không thay đối p = Ptk, ta có thể điều chỉnh dòng chảy từ không ổn định sang
ốn định bằng cách bố trí trên cửa ra các thiết bị chắn dòng đế tăng sức cản
thủy lực tại cửa ra buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực (hình 1.7a) hoặc nếu
tìm cách giảm nhỏ sức cản thủy lực trên cửa ra đến giá trị thích hợp (hình
1.7b) thì dòng chảy đang ở giới hạn ốn định có thế trở nên không ốn định.
1.4.

Ảnh hưởng cùa quá trình tạo hỗn hợp đến sự ổn định cháy trong

buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực
Ôn định cháy là một yêu cầu cơ bản đối với tất cả các buồng đốt, đặc
biệt là buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực. Những công trình nghiên
cứu đầu tiên về ổn định cháy xuất phát từ nghiên cứu thực nghiệm. Altseimer
J đã chế tạo mô hình buồng đốt để nghiên cứu sự cháy không ổn định, kết quả
nghiên cứu thực nghiệm về ổn định cháy đã đưa ra tiêu chuẩn M ichenson về
ổn định cháy trong buồng đốt. Các nhà khoa học M ỹ đã tiến hành nhiều

13


nghiên cứu thực nghiệm để xác định ưu nhược điểm của các vách giảm xung
dùng để chống không ổn định cháy, đã đưa ra những biện pháp ổn định cháy

nếu sử dụng vách giảm xung hoặc sử dụng vật chảy bọc hình dạng khác nhau
như vật chảy bọc dạng chóp nón, dạng chữ V và sử dụng vòi phun x o áy ...
Các tác giả Crocco L, Harrje D.T, Grey J đã đưa ra phương pháp xác định các
giới hạn ốn định cháy của động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng dưới tác dụng của
các dao động dọc bằng cách thay đối chiều dài buồng đốt. Các nghiên cứu
thực nghiệm về sử dụng thiết bị tiêu tán năng lượng âm thanh cũng đã được
tiến hành, tuy nhiên việc đảm bảo khả năng làm việc của chúng trong những
điều kiện của buồng đốt thực tế trong thời gian qua còn rất hạn chế. v ấ n đề sử
dụng các vách giảm xung và các thiết bị tiêu tán năng lượng âm thanh trong
những năm gần đây được đặc biệt chú ý do hiệu quả của chúng trong việc
chống các dao động ngang.
Ở Nga, nhiều tác giả đã nghiên cún cơ chế liên hệ ngược của sự cháy
không ổn định trong buồng đốt của động cơ tên lửa được xác định bởi sự phụ
thuộc của quá trình cháy vào các dao động áp suất và tốc độ của dòng như
N.F. Chuchalin, I.B. Xverlichnui, A.D. M acgolin.
Ở Anh, đã có các công trình nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy qua bộ
ổn định ngọn lửa dạng vật chảy bọc khi không đốt cháy của tác giả A.
Lefever. Các công trình nghiên cứu này đã xác định được trường áp suất và
tốc độ, tần số của xoáy, hệ số cản cũng như ảnh hưởng của hình dạng vật chảy
bọc tới kích thước của vùng xoáy.
Vấn đề ổn định cháy trong lò hơi và trong các thiết bị truyền nhiệt được
nhiều nhà khoa học quan tâm về cả lĩnh vực lý thuyết lẫn thực nghiệm nhằm
giải quyết vấn đề tiết kiệm năng lượng và hạn chế ô nhiễm môi trường khi sử
dụng nhiên liệu lỏng và rắn.

14


Tuy nhiên quá trình cháy là quá trình lý hóa xảy ra với tốc độ cao,
nhiệt độ phản ứng cháy lớn và rất phức tạp nên hầu hết các phương tiện đo

đạc kiểm soát các thông số nhiệt động và hóa lỷ chưa đáp ứng được yêu cầu
đặt ra. Vì vậy hiện nay việc nghiên cứu quá trình cháy thường phân chia thành
nhiều giai đoạn: giai đoạn tạo hỗn họp, giai đoạn cháy và giai đoạn thải sản
phấm cháy. Trong mỗi giai đoạn thường lý tưởng hóa bằng các mô hình gần
đúng hoặc qua mô phỏng nhằm xác định các số liệu thực nghiệm cho quá
trình cháy.
Việc đánh giá tính ổn định cháy trong các buồng đốt bằng phương pháp
nhiễu nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Cho tới nay phương
pháp nhiễu vẫn được xem là phương pháp tiêu chuẩn khi đánh giá tính ổn
định trong các buồng đốt của các thiết bị năng lượng.
Theo quan niệm ổn định cháy, quá trình cháy trong động cơ bao gồm
quá trình tạo hỗn hợp, quá trình cháy trong buồng đốt và quá trình thải sản
phẩm cháy. N hững quá trình đó tác dụng tương hỗ với nhau để duy trì sự ổn
định cháy.
Theo lý thuyết nhiễu, tính ổn định cháy có thể bị phá hủy bởi những
nhiễu loạn tò bên ngoài hoặc bên trong, nhưng cũng có thế tạo ra nhiễu loạn
đế duy trì quá trình cháy ốn định, hiệu quả sẽ tốt hơn nếu nó tác động trục tiếp
vào quá trình tạo hỗn hợp.
Hỗn hợp khí cháy lý tưởng là hỗn hợp mà nhiên liệu bay hơi hoàn toàn
cân bằng với lượng ôxy có trong dòng khí theo định lượng phản ứng hóa học.
Khi hỗn hợp cháy đạt đến trạng thái lý tưởng, quá trình cháy sẽ trở nên ổn
định.
M uốn vậy cần nâng cao chất lượng hỗn hợp cháy. Cụ thể là nâng cao
chất lượng phun nhiên liệu vào buồng tạo hỗn hợp đẫn đến việc nâng cao áp

15


suất phun nhiên liệu lên tới hàng nghìn atmotphe. M ột hướng nữa được đặt ra
là tăng cường khuếch tán nhiên liệu vào dòng khí bằng nhiễu loạn khí động để

hóa khí nhiên liệu lỏng. Hướng thứ ba là kết hợp phun nhiên liệu với tác động
của dòng khí xoáy trong vòi phun gọi là vòi phun biến bụi hoặc các vòi phun
tạo chuyến động xoáy của dòng nhiên liệu phun thành các mặt hình nón.
Tuy nhiên quá trình phun và hóa hơi nhiên liệu vẫn còn thiếu những cơ
sở nền tảng nhằm đảm bảo nâng cao chất lượng quá trình tạo hỗn hợp.
Cần chú trọng đến quá trình tạo hỗn hợp. Vì nó không chỉ đảm bảo điều
kiện ổn định cháy trong các thiết bị mà còn giảm phát thải chất độc hại ra môi
trường. Và hiện nay, người ta thường chú trọng đến việc thay đổi cấu tạo vòi
phun nhằm tạo ra các tia phun được phân rã và hóa hơi nhanh.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra nhiều mô hình khác nhau, trong đó
có hai mô hình là mô hình tia phun theo lý thuyết dòng nhiễu và mô hình tia
phun Hiroyasu.
Mô hình tia phun theo thuyết dòng nhiễu là một dải phang. Khi chịu tác
động của môi trường bên ngoài, tia phun sẽ chuyển động dưới dạng sóng
phản đối xứng hình sin và sóng giãn đối xứng. Tùy vào mức độ biên độ của
nhiễu mà dải nhiên liệu bị bẻ gẫy tại những điếm lồi lõm đế tạo thành giọt.
Mô hình tia phun Hiroyasu là một dải phang phân chia thành những lát
mỏng. Các lát mỏng này chỉ tiếp xúc nhau và không trao đối nhiệt với nhau.
Quá trình cháy ổn định còn được gọi là quá trình cháy êm dịu, diễn ra
khi mức chênh lệch nhiệt độ của các thành phần hỗn hợp tham gia phản ứng
trước và sau khi cháy không vượt quá 1000K, các tham số nhiệt không dao
động mạnh và lượng khí thải độc hại là ít nhất. Do quá trình cháy trong các
buồng đốt tăng lực là quá trình cháy lần thứ hai nên mức chênh lệch nhiệt độ
của dòng khí trước và sau khi cháy là không cao. Theo đó quá trình cháy

16


trong các buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực là quá trình cháy êm
dịu nếu thỏa mãn đầy đủ một số yêu cầu về nhiệt và lỷ hóa học cũng như quá

trình tạo hỗn hợp.
1.5.

Ket luận chương 1
Thực tế hoạt động của các buồng đốt tăng lực trên các động cơ turbine

phản lực của các máy bay hiện đại của Việt N am đã có quá trình cháy ổn định
khi bay ở độ cao thấp với tốc độ lớn và xuất hiện hiện tượng tắt lửa khi bay ở
độ cao lớn. Ở độ cao lớn, áp suất trong buồng đốt tăng lực nhỏ gây tắt lửa
cháy không ổn định, ngoài ra còn gặp hiện tượng nứt nẻ, cong vênh và cháy
sém vỏ buồng đốt. N hững hiện tượng này thể hiện dao động biên độ lớn của
ngọn lửa đã truyền cho vỏ và có thể phá hủy buồng đốt tăng lực.
Ồn định cháy trong buồng đốt tăng lực là một yêu cầu cơ bản khi thiết
kế chế tạo động cơ turbine phản lực có buồng đốt tăng lực. v ấ n đề ổn định
cháy phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tạo hỗn hợp cháy liên quan đến nhiều
lĩnh vực như động lực học của dòng khí, động lực học hóa học cháy, nhiệt
động học, truyền nhiệt, truyền chất. N hũng lĩnh vục này ảnh hưởng trục tiếp
đến quá trình tạo hỗn hợp nhiên liệu không khí trong buồng tạo hỗn hợp.
Đe tài tìm hiếu tính ốn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp
buồng đốt tăng lực và các giải pháp đảm bảo sự ốn định cháy thông qua việc
nâng cao chất lượng quá trình tạo hỗn họp cháy. Lý thuyết dòng nhiễu, thuyết
ốn định khí động, ốn định nhiệt động với tính khoa học cao đã được ứng dụng
trong nhiều ngành và thu được những kết quả to lớn. Ket quả của đề tài sẽ góp
phần làm sáng rõ nguyên lý cấu trúc buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực
động cơ turbine phản lực, từ đó đưa ra các giải pháp nâng cao tính ổn định
cháy của buồng đốt.

17