Nghiên cứu xác định các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích thước hình học

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong
bất kỳ công trình của tác giả nào khác.
Tác giả luận án

Bùi Văn Thƣởng


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời cảm ơn chân thành đầu tiên tôi xin được gửi tới PGS.TS Phạm Vũ
Uy, PGS.TS Phạm Thế Phiệt đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Vũ Quốc Trụ,
PGS.TS Đặng Ngọc Thanh đã giúp đỡ, động viên tôi rất nhiều trong quá trình
nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Quân đội đã
cho những ý kiến đóng góp quý báu. Cảm ơn Đảng ủy, Ban giám đốc, Phòng
Sau đại học Học viện Kỹ thuật Quân sự; Đảng ủy và Thủ trưởng khoa Hàng
không Vũ trụ, Bộ môn Động cơ phản lực khoa Hàng không Vũ trụ; Viện Tên
lửa viện KH&CNQS đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận án này.
Lời cuối cùng, tôi xin được cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã
quan tâm, chia xẻ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, Ngày 20 tháng 3 năm 2016

Bùi Văn Thƣởng

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................. vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU.......................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................... xi
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
Chƣơng 1
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ
ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC
1.1. Động cơ hành trình TBPL trên các tên lửa đối hải ........................................ 4
1.2. Tình hình nghiên cứu về ĐCTBPL trên thế giới và trong nước liên quan
đến nghiên cứu xác định các tham số nhiệt động lực học ............................ 5
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................... 5
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước...................................................... 17
1.3. Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu của
đề tài ............................................................................................................ 19
1.3.1. Phân tích về khả năng thiết kế chế tạo ĐCTBPLN........................... 19
1.3.2. Phân tích việc lựa chọn phương pháp xác định tham số nhiệt động
lực học ......................................................................................................... 23
1.3.3. Bố cục của luận án ............................................................................ 27
1.4. Kết luận chương 1 ........................................................................................ 28


iv

Chƣơng 2
CÁC KÍCH THƢỚC HÌNH HỌC CƠ BẢN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
ĐỂ TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA ĐỘNG CƠ
2.1. Xây dựng mô hình hình học động cơ ........................................................... 29
2.1.1. Mô tả và khảo sát nguyên lý hoạt động của động cơ ........................ 29
2.1.2. Xây dựng mô hình máy nén .............................................................. 31
2.1.3. Xây dựng mô hình buồng đốt ........................................................... 34
2.1.4. Xây dựng mô hình tua bin................................................................. 35
2.1.5. Xây dựng mô hình thiết bị ra (miệng phun) ..................................... 36
2.1.6. Các kích thước hình học cơ bản của động cơ mẫu nghiên cứu ........ 36
2.2. Các dữ liệu cơ bản xác định các tham số nhiệt động lực học ...................... 39
2.2.1. Các tam giác tốc độ của cấp máy nén và tua bin ở chế độ tính toán 39
2.2.2. Các dữ liệu cơ bản để tính toán các tham số nhiệt động lực học ...... 41
2.3. Xây dựng mô hình toán cho sơ đồ động cơ TBPLHD hai máy nén một
rotor có buồng trộn ...................................................................................... 47
2.3.1. Mô hình toán ở chế độ tính toán động cơ ......................................... 47
2.3.2. Kết quả tính toán sơ bộ các tham số nhiệt động lực học .................. 52
2.4. Kết luận chương 2 ........................................................................................ 55
Chƣơng 3
MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA
CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA ĐỘNG CƠ
3.1. Các phần mềm ứng dụng trong tính toán mô phỏng .................................... 56
3.1.1. Phần mềm ANSYS............................................................................ 56
3.1.2. Phần mềm ASTRA............................................................................ 58
3.2. Ứng dụng tính toán mô phỏng trong ANSYS-CFX .................................... 59
3.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng ........................................................... 60

v

3.2.2. Chia lưới mô hình mô phỏng ............................................................ 63
3.2.3. Định nghĩa các phần tử, các mặt, xác định các điều kiện ban đầu,
điều kiện biên ―Setup‖ ................................................................................ 65
3.2.4. Thực hiện tính toán mô phỏng ―Solution‖ ........................................ 69
3.2.5. Đưa ra kết quả tính toán mô phỏng ―Results‖ .................................. 71
3.3. Ứng dụng phần mềm ASTRA tính toán nhiệt động trong buồng đốt .......... 80
3.3.1. Thiết lập tính toán nhiệt động trong buồng đốt ................................ 80
3.3.2. Phân tích và xử lý kết quả ................................................................. 80
3.4. Xây dựng các đặc tính của các bộ phận động cơ ......................................... 83
3.4.1. Xây dựng đặc tính máy nén .............................................................. 83
3.4.2. Xây dựng đặc tính tua bin ................................................................. 87
3.4.3. Xây dựng đặc tính miệng phun ......................................................... 92
3.5. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 93
Chƣơng 4
ĐỒNG BỘ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CÁC BỘ PHẬN ĐỘNG CƠ
ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
4.1. Các chế độ hoạt động cân bằng và chế độ tính toán .................................... 94
4.1.1. Các chế độ hoạt động cân bằng trên đồ thị đặc tính ......................... 94
4.1.2. Các điều kiện ở chế độ hoạt động cân bằng ...................................... 96
4.2. Xác định đường hoạt động cân bằng trên đặc tính máy nén của động cơ
mẫu nghiên cứu ........................................................................................... 99
4.2.1. Các điều kiện đồng bộ hoạt động các bộ phận của động cơ mẫu ... 100
4.2.2. Các bước xác định đường làm việc cân bằng bằng cách đồng bộ
các đặc tính theo từng vòng quay.............................................................. 100
4.3. Xác định các tham số nhiệt động lực học .................................................. 112
4.3.1. Xác định các tham số nhiệt động lực học tại ĐTT (Hb =0, Mb =0) 112
4.3.2. Xác định các tham số nhiệt động lực học theo Mb (Hb =0) ............ 114

vi

4.4. Kết luận chương 4 ...................................................................................... 117
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 118
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................. 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 122
PHỤ LỤC ......................................................................................................... 132


vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Ý nghĩa

ĐCTBPL

Động cơ tua bin phản lực

ĐCTBPLHD

Động cơ tua bin phản lực hai dòng

ĐCTBPLN

Động cơ tua bin phản lực nhỏ

ĐCDT

Động cơ dòng thẳng

ĐTT

Điểm tính toán

KCB

Khí cụ bay

KHKT

Khoa học kỹ thuật

KH&CN

Khoa học và công nghệ

MBKNL (UAV)

Máy bay không người lái

MNCA

Máy nén cao áp

MNTA

Máy nén thấp áp

TBB

Thiết bị bay

KCB

Khí cụ bay

TBĐL

Thiết bị động lực

TBPL

Tua bin phản lực

TBPLHD

Tua bin phản lực hai dòng

Chỉ số dƣới

Ý nghĩa

knd, kta

Máy nén thấp áp

kvd, kca

Máy nén cao áp

vent

Quạt nén

vca, rca

Vào cao áp, ra cao áp

tb

Tua bin

lp…

Loa phụt…


viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Ý nghĩa

p

Áp suất

T

Nhiệt độ

P

Lực đẩy



Mật độ

n

Số vòng quay

q

Mật độ dòng

G

Lưu lượng

g oxl

Hệ số xả khí đi điều khiển và làm mát ổ bi

gt

Hệ số cấp nhiên liệu

m

Mức phân dòng

i

Entanpi

S

Entropi



Tỷ số nén, tỷ số giãn nở



Hệ số bảo toàn áp suất toàn phần

cp

Nhiệt dung riêng đẳng áp

N

Công suất



Hiệu suất

F

Diện tích

u

Tốc độ vòng

c, ca

Tốc độ và tốc độ dọc trục

mv

Hệ số lưu lượng chất khí



Hệ số tốc độ dòng

q    ,     ,     Các hàm khí động
Q

Nhiệt lượng

ix

Hu

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Hb

Độ cao bay

Mb

Số M bay (tốc độ bay)

L

Công

X

Tham số tua bin



Góc giữa tốc độ vòng và tốc độ tuyệt đối



Góc giữa tốc độ vòng và tốc độ tương đối



Khối lượng riêng



Trọng lượng riêng


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh số lượng chi tiết rotor hai động cơ.................................... 12
Bảng 1.2. Các tham số đặc tính ĐCTBPLN của các hãng ............................. 16
Bảng 1.3. Kết quả hoàn thiện đặc tính động cơ .............................................. 17
Bảng 2.1. Các đường kính máng chảy tại các mặt cắt cơ bản ........................ 37
Bảng 2.2. Các góc của profil các lá ở đường kính ngoài máy nén thấp áp .... 38
Bảng 2.3. Các góc β và α của các vòng lá làm việc và vòng lá chỉnh dòng... 38
Bảng 2.4. Số lá làm việc của các tầng máy nén (rotor) .................................. 38
Bảng 2.5. Số lá chỉnh dòng và dẫn dòng của các tầng máy nén (stator) ........ 39
Bảng 2.6. Các góc của profil các lá hướng chiều và các lá làm việc tua bin . 39
Bảng 2.7. Số lượng lá của các vòng làm việc và hướng chiều tua bin ........... 39
Bảng 2.8. Các tham số nhiệt động lực học (tính toán sơ bộ).......................... 53
Bảng 2.9. Các tham số của động cơ theo số Mb (Hb = 0) ............................... 54
Bảng 3.1. Ký hiệu một số tham số trong ―Expressions‖ ................................ 72
Bảng 3.2. Kết quả tính các tham số máy nén bằng ANSYS-CFX ................. 75
Bảng 3.3. Kết quả tính các tham số tua bin bằng ANSYS-CFX .................... 77
Bảng 3.4. Kết quả tính các tham số của miệng phun (loa phụt) ..................... 79
Bảng 3.5. Kết quả tính toán bằng ASTRA ..................................................... 80

Bảng 3.6. Các tham số và đơn vị đo trong ASTRA ....................................... 82
Bảng 4.1. Kết quả tính đường hoạt động cân bằng ...................................... 110
Bảng 4.2. Các tham số NĐLH của động cơ tại các mặt cắt ......................... 113
Bảng 4.3. Sự thay đổi các tham số theo Mb (phụ lục 4). .............................. 114
Bảng 4.4. So sánh một số tham số của động cơ (tài liệu và tính toán) ......... 116
Bảng 4.5. Các tham số riêng của động cơ (tính toán sơ bộ và thử nghiệm số) ...... 116


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ phân bố ĐCTBPL và ĐCTBPLHD nhỏ ................................ 8
Hình 1.2. Sơ đồ động cơ J402-CA-400 .......................................................... 11
Hình 1.3. Sơ đồ hai rotor động cơ J69 và J402 .............................................. 12
Hình 1.4. Các thành phần stator J69 và J402 ................................................. 13
Hình 1.6. Công nghệ chế tạo J402-CA-400 ................................................... 14
Hình 1.7. Sơ đồ logic tính toán NĐLH động cơ TBPLHD, hai trục .............. 15
Hình 2.1. Động cơ R95TM-300 ..................................................................... 29
Hình 2.2. Máy nén khí của động cơ ............................................................... 31
Hình 2.3. Profil tạo bởi hai cung tròn ............................................................. 32
Hình 2.4. Buồng đốt ....................................................................................... 34
Hình 2.5. Tua bin và thiết bị ra....................................................................... 35
Hình 2.6. Sơ đồ loa phụt có vật trung tâm ..................................................... 36
Hình 2.7. Sơ đồ biểu diễn kích thước máng chảy của động cơ ...................... 37
Hình 2.8. Tam giác tốc độ cấp nén ................................................................. 40
Hình 2.9. Sơ đồ mạng profil cấp nén.............................................................. 40
Hình 2.10. Các tam giác tốc độ của cấp tua bin ............................................. 40
Hình 2.11. Chảy bao êm ở vòng lá làm việc tua bin (a), sự thay đổi chế độ
làm việc của tua bin khi tỷ số u/c1 không đổi (b)............................................ 41
Hình 2.12. Sơ đồ thuật toán tính tỷ số nén của máy nén. ............................... 46

Hình 2.13. Sự biến đổi các tham số nhiệt động lực học (tính toán sơ bộ) ..... 53
Hình 2.14. Sự biến đổi các tham số của động cơ theo Mb ............................. 54
Hình 3.1. Mô hình ―DesignModeler‖ máy nén trong ANSYS-CFX ............. 60
Hình 3.2. Mô hình ―DesignModeler‖ tua bin trong ANSYS-CFX ................ 61
Hình 3.3. Mô hình biểu diễn các bề mặt và các lá máy nén ........................... 61
Hình 3.4. Mô hình biểu diễn các bề mặt và các lá tua bin ............................. 62
Hình 3.5. Kích thước hình học khung bao của các phần máy nén ................. 62


xii

Hình 3.6. Kích thước hình học khung bao của các phần tua bin ................... 63
Hình 3.7. Hình phối trí máy nén thấp áp và cao áp ........................................ 63
Hình 3.8. Chia lưới mô hình máy nén ............................................................ 64
Hình 3.9. Chia lưới mô hình tua bin ............................................................... 64
Hình 3.10. Xác định phần tử vòng làm việc máy nén tầng 1: R1 .................. 65
Hình 3.11. Xác định phần tử vòng hướng chiều tua bin tầng 1: S1 ............... 66
Hình 3.12. Xác định các bề mặt bao của lá làm việc (blade) tầng 1 máy nén 67
Hình 3.13. Xác định mặt ngoài (shroud) của S1 ............................................ 67
Hình 3.14. Xác định mặt giao tiếp (interface) ................................................ 68
Hình 3.15. Các lá và các mặt giao tiếp của tua bin ........................................ 68
Hình 3.16. Các bề mặt bao của S_than........................................................... 69
Hình 3.17. Quá trình tính toán của ANSYS-CFX .......................................... 71
Hình 3.18. Tính các tham số trong expressions của ANSYS-CFX ............... 73
Hình 3.19. Kết quả đưa ra trong ―Expressions‖ và ―3D Viewer‖ .................. 74
Hình 3.20. Xả không khí từ MNCA ra dòng II .............................................. 74
Hình 3.21. Thay đổi áp suất toàn phần trong máy nén................................... 75
Hình 3.22. Biểu diễn tốc độ dòng qua cấp tua bin ......................................... 77
Hình 3.23. Biến đổi tốc độ dòng trên thiết bị ra ............................................. 79
*

Hình 3.24. Đặc tính máy nén  k*  f (GvI , nca ) ,  vent
 f (Gv , nvent ) . ........... 85
*
Hình 3.25. Đặc tính máy nén  k*  f (GvIqc , nca ) ,  vent
 f (Gvqc , nvent ) . ....... 85

*
Hình 3.26. Đặc tính máy nén k*  f (GvI , nca ) , vent
 f (Gv , nvent ) . ............ 86
*
Hình 3.27. Đặc tính máy nén k*  f (GvIqc , nca ) , vent
 f (Gvqc , nvent ) . ........ 86

*
Hình 3.28. Đặc tính máy nén Tk*qc  f (GvI qc , nca ), Tvent
qc  f (Gv qc , nvent ) . .. 87

Hình 3.29. Đặc tính tua bin  tb*  f  Gtb , ntb  . ................................................ 89
Hình 3.30. Đặc tính tua bin  tb*  f  Gtbqc , ntb  .............................................. 90


xiii

Hình 3.31. Đặc tính tua bin tb*  f  tb* , ntb  . ................................................ 90
Hình 3.32. Đặc tính tua bin Ttb* qc  f  tb* , ntb  . ........................................... 91
Hình 3.33. Đặc tính tua bin Ttb* qc  f  Gtbqc , ntb  . ........................................ 91
Hình 3.34. Đặc tính miệng phun  c*  f  Gmpqc  . ........................................... 92
Hình 4.1. Đồ thị đặc tính máy nén ................................................................. 95
Hình 4.2. Sơ đồ thuật toán xác định đường hoạt động cân bằng ................. 109

 k*  f  Gvqc , n  ,
Hình 4.3. Đường hoạt động cân bằng trên đặc tính 
. ..... 111
*


f
G
,
n
 vqc 
 vent
k*  f  Gvqc , n  ,
Hình 4.4. Đường hoạt động cân bằng trên đặc tính 
. ...... 111
*


f
G
,
n
 vqc 
 vent
*
Tkqc
 f  Gvqc , n  ,
Hình 4.5. Đường hoạt động cân bằng trên đặc tính 
. . 112
*

Tvent qc  f  Gvqc , n 

Hình 4.6. Sự biến đổi các TSNĐLH qua các mặt cắt chính của động cơ. ... 113
Hình 4.7. Biến đổi các tham số theo số Mb (Hb = 0) .................................... 115
Hình 4.8. Biến đổi các hiệu suất theo số Mb (Hb = 0) .................................. 115


1

MỞ ĐẦU
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của nhiệm vụ bảo vệ tổ quốc và thực trạng
vũ khí trang thiết bị của lực lượng vũ trang hiện nay, Đảng và Nhà nước ta
chủ trương xây dựng một nền công nghiệp quốc phòng có đủ năng lực, từng
bước thiết kế chế tạo được các loại vũ khí hiện đại, trong đó có tên lửa nhằm
mục đích hiện đại hóa Quân đội.
Hiện nay tình hình Biển Đông hết sức phức tạp nên việc xây dựng lực
lượng Hải quân chính quy, tinh nhuệ, hiện đại là đòi hỏi cấp bách. Mặc dù
nước ta còn nghèo song Đảng, Nhà nước và Quân đội vẫn quyết định mua
một số vũ khí, trang bị hiện đại như: tàu ngầm, tàu chiến, máy bay, tên lửa...
nhưng cũng chưa đáp ứng được yêu cầu của nhiệm vụ bảo vệ Tổ quốc. Vì
vậy, các chương trình của Nhà nước và Quân đội định hướng rõ thiết kế, chế
tạo theo mẫu lớp tên lửa đối hải nhằm tăng cường sức mạnh chiến đấu bảo vệ
biển đảo.
Thời gian gần đây các chương trình cải hoán, cải tiến nâng cao tính năng
chiến – kỹ thuật và hiệu quả chiến đấu các tên lửa hiện có nhằm sử dụng hiệu
quả nhất và tiến tới tự thiết kế, chế tạo được các loại vũ khí công nghệ cao để
trang bị cho quân đội và giảm bớt khó khăn cho nền kinh tế Đất nước.
Như vậy, việc tự thiết kế, chế tạo các tên lửa đối hải là yêu cầu thực tiễn
khách quan và cấp bách đối với Nước ta trong tình hình hiện nay.
Trong luận án này đề cập đến việc xác định lại các tham số nhiệt động

lực học – số liệu thiết kế ―gốc‖ của động cơ TBPL khi chỉ biết các kích thước
hình học của động cơ mẫu, lớp động cơ này thường là động cơ hành trình trên
các tên lửa hiện đại.


2

Đối tƣợng nghiên cứu của luận án
Động cơ tua bin phản lực hai dòng, hai máy nén, một rotor và có buồng
trộn, tuổi thọ ngắn, sử dụng một lần trang bị trên các tên lửa.
Đối tượng làm mẫu nghiên cứu được trang bị trong phòng thí nghiệm
của Bộ môn Động cơ phản lực là động cơ R95TM-300 trên tên lửa
đối hải Kh-35.
Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
- Tìm khả năng thực hiện lớp bài toán tính toán xác định các tham số
nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích thước
hình học khi muốn thực hiện thiết kế, chế tạo động cơ theo mẫu.
- Khai thác sử dụng các công cụ tính toán mô phỏng hiện đại đã có sẵn
ở Học viện Kỹ thuật Quân sự (HVKTQS) vào việc nghiên cứu trên cơ sở kích
thước hình học của một dạng ĐCTBPL hành trình cụ thể (có thể kế tục dữ
liệu về kích thước hình học của nghiên cứu khác).
- Đồng bộ các đặc tính của các bộ phận để xác định các tham số nhiệt
động lực học và các đặc tính của động cơ.
Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án
Kết hợp phương pháp tính toán lý thuyết kinh điển để định hướng
nghiên cứu và phương pháp mô phỏng số xác định các đặc tính các bộ phận
động cơ để xác định các tham số nhiệt động lực học.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Đã áp dụng những thành tựu kỹ thuật tính toán mô phỏng để tìm hiểu
đối tượng nghiên cứu cụ thể khi chưa biết về nó, mang lại nhận thức mới về

đối tượng nghiên cứu đó.
- Xác định được bộ số liệu các tham số nhiệt động lực học của động cơ
nghiên cứu làm cơ sở cho khai thác làm chủ vũ khí công nghệ cao và số liệu
bước đầu cho tính toán, thiết kế theo mẫu.


3

- Góp phần bổ sung, hoàn thiện về lý thuyết và kết cấu ĐCTBPL và có
thể sử dụng làm tài liệu tham khảo phục vụ cho giảng dạy, nghiên cứu, tính
toán và thiết kế động cơ.
Đóng góp mới của luận án
- Đưa ra phương pháp xác định và xác định được bộ số liệu các tham số
nhiệt động lực của động cơ mẫu nghiên cứu trên cơ sở các kích thước hình
học, phục vụ trước hết cho khai thác hiệu quả và sau đó cho các nghiên cứu
tiếp sâu hơn về động cơ.
- Xây dựng được mô hình toán và đưa ra thuật toán xác định
hoạt động cân bằng cho một dạng động cơ đặc thù.
- Khai thác được phương tiện tính toán mô phỏng phục vụ nghiên cứu,
giảng dạy tháo gỡ bớt khó khăn do thiếu các hệ thống thí nghiệm.
- Có bộ số liệu tương đối đầy đủ về kích thước hình học của động cơ
mẫu nghiên cứu.


4

Chƣơng 1
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ
ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC
1.1. Động cơ hành trình TBPL trên các tên lửa đối hải

Tên lửa đối hải là khí cụ bay (KCB) không người lái có tầm bay xa hàng
trăm, thậm trí hàng ngàn cây số, thời gian hoạt động dài nên cần có động cơ
đẩy trong suốt hành trình bay là động cơ tua bin phản lực (ĐCTBPL). Bởi vì
động cơ này có nhiều ưu điểm là: kích cỡ nhỏ gọn, tạo ra công suất lớn và
tính kinh tế cao do sử dụng chất sinh công chủ yếu là không khí trong khí
quyển [7], [21], [28], [30], [42], [60]. ĐCTBPL còn có giá thành rẻ, tiết kiệm
nhiên liệu và đặc biệt chất lượng khai thác tuyệt vời (so với động cơ tên lửa
nhiên liệu lỏng), là thiết bị động lực được ứng dụng nhiều trên các tên lửa,
mục tiêu bay và TBB không người lái [42], [60], [68, tr. 16-18].
Thông thường các ĐCTBPL dùng cho các TBB không người lái là các
động cơ tua bin phản lực nhỏ (ĐCTBPLN). Các động cơ này có lực đẩy theo
quy ước dưới 10000 N và thường được chế tạo theo hai sơ đồ: một dòng và
hai dòng. Nhưng hiện nay nó còn được trang bị trên các máy bay siêu nhẹ với
nhiều mục đích khác nhau thì lực đẩy có thể đạt tới 14000 – 15000 N. Yêu
cầu về hiệu suất của động cơ và các phần không cần lớn, hiệu suất máy nén
chỉ khoảng 0,75 – 0,85 và yêu cầu về tuổi thọ động cơ thường ngắn từ một
đến vài chục giờ bay. Do kích cỡ nhỏ nên tốc độ vòng quay rotor lớn từ vài
chục nghìn đến hơn trăm nghìn vòng / phút [42], [60], [66], [81].
Quá trình phát triển ĐCTBPLN ở các nước tiên tiến có nền KH&CN
hiện đại đã đi theo hướng bài bản: từ nghiên cứu cơ bản, đặt ra bài toán theo
yêu cầu chiến - kỹ thuật, tính toán nhiệt động lực học đi đến lựa chọn phương
án thiết kế rồi từ đó thiết kế sơ bộ, thiết kế kỹ thuật...,chế thử, thử nghiệm,
chỉnh sửa thiết kế, thử nghiệm lại...hoàn thiện, vận hành thử nghiệm bay đến


5

khi đạt được tất cả các yêu cầu chiến - kỹ thuật đề ra rồi mới đưa vào sản xuất
loạt. Quá trình này đòi hỏi nguồn kinh phí rất lớn và thời gian thực hiện kéo
dài có thể đến hàng chục năm.

Các nước nhỏ, nghèo có nền KH&CN trung bình như nước ta trước yêu
cầu cấp bách của nhiệm vụ bảo vệ Tổ quốc cần phải làm chủ được thiết kế,
chế tạo các dạng vũ khí công nghệ cao mà hiện nay phải nhập khẩu. Điều đó
luôn gặp phải sự cản trở của các ―nước lớn‖ về mọi phương diện. Từ vị thế
nước nhỏ, nghèo không thể lặp lại con đường đi của các ―nước lớn‖ mà cần
phải tìm cho mình con đường ngắn nhất để theo kịp và tận dụng các thành tựu
của các nước lớn mà cách đơn giản nhất là thiết kế, chế tạo theo mẫu.
1.2. Tình hình nghiên cứu về ĐCTBPL trên thế giới và trong nƣớc liên
quan đến nghiên cứu xác định các tham số nhiệt động lực học
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Các công trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo ĐCTBPL cho các loại vũ khí
và tên lửa hầu như không được công bố trên các hội thảo Quốc tế, các tạp chí
KHKT của các nước.
Hội thảo Quốc tế lần thứ mười hai ―Hàng không và Vũ trụ -2013‖ tổ
chức tại Đại học Hàng không Matxcova (MAI) năm 2013 có tổng số 329 công
trình nghiên cứu được công bố nhưng chỉ có chín công trình liên quan đến
ĐCTBPL của các máy bay hàng không quân sự và dân sự [90], [91]. Hơn nữa
các bài báo này chỉ đi sâu vào một số vấn đề về kết cấu các phần của động cơ
như : máy nén, buồng đốt, tua bin …, hiệu suất các phần và bảo vệ nhiệt cho
các loại động cơ, còn các vấn đề về thiết kế, chế tạo không được đưa ra.
Trong bài báo giới thiệu công trình nghiên cứu của Kotregarov A. V
―Tính toán chế độ ban đầu của động cơ tua bin phản lực hai dòng trên cơ sở
mô hình toán khép kín‖ [54], Tác giả đã đưa ra mô hình động cơ TBPLHD
không có buồng trộn, làm việc ở chế độ cân bằng và các điều kiện cân bằng


6

về công suất, lưu lượng không khí, tỷ số nén không khí của máy nén và tỷ số
giãn nở sản phẩm cháy của tua bin, cân bằng vòng quay của rô to máy nén và

tua bin để thiết lập hệ phương trình khép kín, đưa vào chương trình máy tính
để xác định các tham số ở chế độ tính toán ban đầu phục vụ cho việc tính
nhiệt - khí động lực học động cơ.
Như vậy, Tác giả đã đưa ra phương pháp tính toán trên để xác định các
tham số của động cơ chỉ ở một chế độ tính toán (một điểm làm việc trên đồ thị
đặc tính máy nén), là các số liệu đầu vào cho tính toán nhiệt - khí động lực
học động cơ nhằm tăng độ chính xác giá trị các tham số và giảm thời gian tính
toán thiết kế.
Trong bài báo ―Thiết lập mô hình ảo quá trình làm việc của động cơ tua
bin khí trong CAE – hệ thống ASTRA‖ [57], của các tác giả Kuzmitrev V. C.,
Kulagin V. V., Krupenhitr I. N., Tkatrenko A. IU., Rưbakov V. N., giới thiệu
việc xây dựng phần mềm tính toán tự động và phân tích động cơ tua bin khí
và các thiết bị năng lượng của Đại học tổng hợp hàng không quốc gia thành
phố Xamara mang tên Viện sĩ C. P. Korolov, Liên bang Nga. Phần mềm được
thiết lập trên môi trường tích phân giải đồng bộ các bài toán thiết kế ban đầu
động cơ tua bin khí, lựa chọn các tham số tối ưu cho việc thiết kế ĐCTBPL
mới như: nhiệt độ khí cháy trước tua bin, tổng mức tăng áp trong máy nén, hệ
số phân dòng của động cơ, mức tăng áp không khí ở quạt nén (trường hợp
ĐCTBPLHD), hiệu suất động cơ, tiêu hao nhiên liệu riêng, khối lượng
riêng….Tóm lại là phần mềm giải đồng bộ các bài toán giai đoạn thiết kế ban
đầu động cơ tua bin khí cho mọi dạng và mọi sơ đồ mà nếu tính toán thông
thường thì vô cùng phức tạp. Nhờ nó mà tăng hiệu suất công việc, giảm thời
gian thiết kế - chế tạo động cơ, giảm chi phí.
Phần mềm như nêu ở trên cũng chỉ để phục vụ cho tính toán thiết kế
động cơ mới trên cơ sở các yêu cầu chiến – kỹ thuật đặt ra.


7

Như vậy, Liên quan tới các công trình nghiên cứu chuyên sâu về thiết kế,

chế tạo các động cơ tua bin phản lực nói chung và các ĐCTBPLN cho các khí
cụ bay như: máy bay không người lái, tên lửa có cánh, tên lửa hành trình…nói
riêng, thì các hãng và các nước đã và đang chế tạo không công bố vì giữ bí
mật quân sự và cạnh tranh thương mại. Vì vậy chúng ta rất khó tìm được
những loại tài liệu này.
1.2.1.1. Sơ lược về quá trình phát triển ĐCTBPLN của các hãng lớn trên
thế giới
Từ giữa những năm 1950 các hãng trên thế giới như Williams
International, Teledyne (Mỹ), Microturbo (Pháp), Noel Penny Turbines Ltd
(Anh) bắt đầu tiến hành nghiên cứu, thiết kế chế tạo các ĐCTBPLN có tuổi
thọ ngắn. Ban đầu họ lấy mẫu trên cơ sở các ĐCTBPL của máy bay, nhưng
điều đó làm tăng khối lượng và tăng giá thành của động cơ và khi thu nhỏ
kích thước thì công nghệ chế tạo lại khó khăn hơn nhiều. Các hãng thấy rằng
con đường hiệu quả và rẻ tiền nhất là thiết kế, chế tạo các sơ đồ mới, sau đó
phát triển và hoàn thiện dần các kết cấu đã có [39], [42], [56], [60], [66].
Trong công nghệ chế tạo sử dụng các phương pháp gia công các chi tiết
nhanh và rẻ như: đúc, phay, hàn hơi và hàn điện…[60, tr. 6-9], [66] và sử
dụng các vật liệu rẻ, phổ biến trong chế tạo máy lúc bấy giờ.
Các hãng như: Williams International và Teledyne của Mỹ, hãng
Microturbo của Pháp…đã đạt được nhiều thành tựu trong thiết kế chế tạo
ĐCTBPLN. Ở Nga có nhiều nhà máy chế tạo thành công động cơ dạng này
như: МКБ ―Гранит‖ (Москва), НПО ―Сатурн‖, ―Союз‖ nhưng chưa cạnh
tranh được trên thị trường thế giới và hiện nay họ tích cực tiến hành nghiên
cứu và thử nghiệm trong các cơ sở nghiên cứu khoa học và các trường đào tạo
chuyên biệt [39], [42], [60], [66].


8

Hình 1.1. Sơ đồ phân bố ĐCTBPL và ĐCTBPLHD nhỏ

(Dựa theo tham số lực đẩy R và tiêu hao nhiên liệu riêng Cr với điều
kiện bên ngoài là khí quyển chuẩn, độ cao bay Н=0, số М=0, phụ lục 1).
Rõ ràng, các động cơ có lực đẩy càng nhỏ, tiêu hao nhiên liệu riêng càng
lớn thì hiệu suất động cơ nhỏ và là các động cơ theo sơ đồ đơn giản ban đầu


9

của các hãng. Xu hướng hoàn thiện là tăng lực đẩy và giảm tiêu hao nhiên
liệu riêng.
Như vậy, các hãng đều từ sơ đồ đơn giản ban đầu sau đó hoàn thiện dần
các đặc tính và đưa ra nhiều phiên bản khác nhau áp dụng cho các KCB với
nhiều mục đích khác nhau như: máy bay không người lái (UAV), mục tiêu
bay, tên lửa nói chung…
1.2.1.2. Mục tiêu, yêu cầu thiết kế chế tạo ĐCTBPLN của các
hãng trên thế giới
Ban đầu các hãng thiết kế ra các sơ đồ động cơ có kết cấu đơn giản, công
nghệ chế tạo dễ dàng, nhanh, rẻ; trên cơ sở sự phát triển của khoa học và công
nghệ các hãng luôn cải tiến, hoàn thiện nâng cao các đặc tính của động cơ
trong tất cả các giai đoạn như: tính toán thiết kế, công nghệ chế tạo và ứng
dụng các vật liệu mới nhằm hướng đến các mục tiêu là:
- Giảm tối đa giá thành,
- Đơn giản quá trình chế tạo và khai thác,
- Bảo đảm tuyệt đối tin cậy.
Những mục tiêu trên mở ra cho cả các nước không giàu, trình độ khoa
học công nghệ không cao vẫn có khả năng thiết kế, chế tạo được.
Tuổi thọ các động cơ sử dụng một lần không lớn (từ 1 đến 30 giờ và lớn
nhất khoảng 50 giờ) [60, tr 5, tr 33, tr 45], nhưng cho các máy bay không
người lái (MBKNL) hoặc KCB để huấn luyện bay thì tuổi thọ động cơ có thể
lên đến 2000-3000 giờ [60, tr. 5], [66]. Điều này liên quan đến vật liệu chế tạo

và như vậy các động cơ mà tuổi thọ thấp không cần vật liệu đặc biệt vẫn chế
tạo được [60], [66], [81], [82].
Các yêu cầu trong đa số các trường hợp xác định đặc điểm khác biệt
của ĐCTBPLN so với các ĐCTBPL hàng không là:
- Số lượng các bộ phận và các chi tiết ít nhất có thể,


10

- Quá trình chế tạo có thể tự động hóa,
- Công nghệ chế tạo không khó, thường ứng dụng rộng rãi các
phương pháp như: đúc, phay, hàn và hàn điểm...,
- Áp dụng các hệ thống bôi trơn, làm mát, điều khiển, điều chỉnh,
khởi động… tối giản.
Từ các yêu cầu trên đối với các loại động cơ này (đặc biệt là động cơ sử
dụng một lần) công nghệ chế tạo không đòi hỏi quá cao, các hệ thống và các
bộ phận không quá phức tạp. Điều này mở ra cơ hội cho nhiều nước có thể
thiết kế chế tạo được.
Tùy theo các đặc tính sử dụng khác nhau mà đòi hỏi một số yêu cầu bắt
buộc đối với ĐCTBPLN sử dụng một lần (trang bị trên các tên lửa) như:
- Dải độ cao: 0 - 12 km,
- Dải nhiệt độ môi trường: - 60 - +60o C,
- Thời gian khởi động nhanh: 5 - 10 s (thậm trí 2 - 4 s).
Tất cả những yêu cầu trên được bảo đảm bằng việc sử dụng thêm các hệ
thống thiết bị đặc biệt.
1.2.1.3. Giải pháp thiết kế chế tạo ĐCTBPLN của các hãng trên
thế giới
Để đạt được các mục đích và thỏa mãn các yêu cầu các hãng trên Thế
giới đưa ra hàng loạt giải pháp và đã được thực hiện có kết quả trong nhiều
thập kỷ qua.

a) Giải pháp đơn giản hóa kết cấu, đơn giản phần quay gồm tua bin và
máy nén, đơn giản hệ thống bôi trơn (có thể khép kín hoặc hở), đơn giản hệ
thống khởi động, làm mát…
Đối với các ĐCTBPLN sử dụng một lần có tuổi thọ 45 - 60 phút, niên
hạn khoảng 5 – 10 năm các hãng đều đưa ra giải pháp giảm tối thiểu số lượng
chi tiết kết cấu và các hệ thống [60], [66].


11

Ta phân tích với động cơ J402-CA-400 (R=294 daN) lắp trên tên lửa
đối hải có điều khiển của lực lượng hải quân Mỹ ―Garpun‖ có thể phóng trên
máy bay, tàu nổi hoặc tàu ngầm là mẫu giảm thiểu khí động lực học của J69T-406 (R=853 daN) và là phiên bản từ J69, cũng có thể là thiết bị động lực
cho các mục tiêu bay tốc độ cao với số lượng chi tiết tối giản và các hệ thống
chế tạo đơn giản và nhanh nhất.
Động cơ J402-CA-400 (hình 1.2) chế tạo trên cơ sở J69-T-406 có rotor
một trục quay, máy nén gồm một cấp dọc trục và một cấp li tâm, buồng đốt
dạng vành khuyên, tua bin một cấp và loa phụt dạng thu hẹp.
Số chi tiết của rôto giảm gần 90% (còn khoảng 11%) hình 1.3, bảng 1.2.
Các thành phần stator kết cấu nhỏ hơn và giảm tối thiểu số lượng các chi tiết,
hình 1.4. Ngoài ra các hệ thống khởi động, hệ thống bôi trơn, hệ thống điều
khiển …cũng được đơn giản hóa.
Số phần stator tua bin cũng được giảm xuống, hình 1.5.

Hình 1.2. Sơ đồ động cơ J402-CA-400
1- máy nén dọc trục, 2- máy nén li tâm, 3- buồng đốt, 4- tua bin, 5- loa phụt


12

Hình 1.3. Sơ đồ hai rotor động cơ J69 và J402
Bảng 1.1. So sánh số lượng chi tiết rotor hai động cơ
Các bộ phận

Số chi tiết
J69-T-406

J402-CA-400

Rô to máy nén dọc trục

6

6

Rô to máy nén li tâm

20

4

Rô to tua bin

123

6

Toàn bộ phần quay (rotor động cơ)

149

16