Làm mát cánh lá tuabin động cơ máy bay bằng phương pháp phun trực tiếp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Bá Việt. Tôi xin cam đoan toàn bộ số liệu, nội dung và kết quả
dưới đây là đúng sự thật. Sự nghiên cứu này là hoàn toàn duy nhất và chưa từng
được báo cáo hoặc giới thiệu ở bất cứ đâu. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
nội dung của luận văn dưới đây, nếu có điều gì sai trái tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.

Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2010
Tác giả luận văn:

Nguyễn Bá Việt

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Tiến sỹ Nguyễn Phú Hùng. Người đã hướng
dẫn, khuyến khích và giúp đỡ tôi trong học tập và nghiên cứu. Tiến sỹ đã cho tôi
lời khuyên của Tiến sỹ và chia sẻ thời gian của Tiến sỹ để giúp tôi hoàn thành luận
văn này.
Tôi biết ơn cha mẹ, em gái và em trai của tôi, những người đã cho tôi những
lời động viên, tình cảm của họ và sự hỗ trợ về vật chất cũng như tinh thần. Những
người thân đã luôn luôn ủng hộ và động viên tôi rất nhiều để hoàn thành luận văn.
Tôi cũng cảm ơn tới người bạn gái của tôi, người luôn bên tôi, động viên, cổ
vũ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để trở thành thạc sỹ. Tôi biết ơn và
cám ơn họ rất nhiều
Đặc biệt cảm ơn các thầy cô trong Viện cơ khí động lực, đồng nghiệp và bạn
bè của tôi đã tư vấn giúp đỡ, và tình bạn của họ được tôi đánh giá và biết ơn rất
nhiều. Tôi cũng muốn cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy tự động thủy khí và
Hàng Không Vũ Trụ đã giúp tôi và cung cấp tài liệu trong nghiên cứu của tôi.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... xi
LỜI NÓI ĐẦU ..........................................................................................................xv
Chương 1 – TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1. Giới thiệu tổng quan ........................................................................................1
1.2. Tại sao phải làm mát tuabin khí.......................................................................3
1.3. Lý do của sự nghiên cứu đề tài ........................................................................5
1.4. Những công trình đã nghiên cứu làm mát trên lá cánh trên tuabin..................5
1.4.1. Những nghiên cứu làm mát trên đầu mút cánh tuabin..............................5
1.4.2. Những nghiên cứu làm mát trên mép trước của lá cánh tuabin................7
1.4.3. Làm mát phun trực tiếp và sự trao đổi nhiệt trên chân lá cánh rotor........8
1.5. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu .........................................10
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................10
Chương II – LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT VÀ PHƯƠNG PHÁP
SỐ..............................................................................................................................12
2.1. Lý thuyết về phương pháp làm mát phun trực tiếp........................................12
2.2. Lý thuyết về phương pháp số.........................................................................14

iii

2.2.1. Lý thuyết mô tả về phương trình bảo toàn khối lượng. ..........................14
2.2.2. Mô hình dòng rối ứng suất Reynolds......................................................17
2.2.3. Phương trình gần tường ..........................................................................19
2.2.4. Các thủ tục chính của việc mô phỏng số ................................................21
2.2.4.1. Yêu cầu chọn mô hình lưới .............................................................21
a) Thời gian ..............................................................................................21
b) Chi phí tính toán...................................................................................21
c) Sự hội tụ số...........................................................................................22
2.2.4.2. Cách tạo lưới....................................................................................23
2.2.5. Giới thiệu cơ bản về phần mềm Fluent...................................................23
2.2.5.1. Cấu trúc của phần mềm Flunet ........................................................24
2.2.5.2. Khả năng của Flunet ........................................................................24
2.2.6. Giới thiệu cơ bản về phần mềm Gambit.................................................25
Chương III – NGHIÊN CỨU LÀM MÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN TRỰC
TIẾP ..........................................................................................................................27
3.1. Giới thiệu mô hình làm mát bằng phương pháp phun trực tiếp.....................27
3.1.1. Giới thiệu mô hình ..................................................................................27
3.1.2. Giới thiệu về điều kiện biên....................................................................30
3.1.3. Tính toán và so sánh kết quả trên mô hình 2D .......................................31
3.1.4. Tính toán và so sánh kết quả trên mô hình 3D .......................................37
3.2. Kết luận ..........................................................................................................44

iv


Chương 4 – NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ TỚI CHẾ ĐỘ
LÀM MÁT TRÊN LÁ CÁNH TUABIN..................................................................46
4.1. Nghiên cứu sự ảnh hưởng “tĩnh” và “động” của lá cánh...............................47
4.2. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dạng lỗ tới phương pháp làm mát trực
tiếp.........................................................................................................................51

4.3. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của cách sắp xếp lỗ tới phương pháp làm mát phun
trực tiếp .................................................................................................................53
4.3.1. Xét sự ảnh hưởng về vận tốc ..................................................................54
4.3.2. Xét sự ảnh hưởng về trường áp suất .......................................................55
4.3.3. Xét sự ảnh hưởng về trường nhiệt độ .....................................................56
4.4. Nghiên cứu sự ảnh hưởng góc phun tới chế độ làm mát ...............................59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................66
PHỤ LỤC A ..............................................................................................................71
PHỤ LỤC B ..............................................................................................................78

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A

Diện tích trao đổi nhiệt (m2)

c

Tốc độ âm thanh (m/s)

C

Khe hở đầu cánh và vỏ máy bay (% với chiều dài dây cung)

Cp

Hệ số dẫn nhiệt với áp suất không đổi (J/kg-K)

Cx

Chiều dài dây cung của lá cánh rotor

D

Độ dày của đường kính thủy lực (m)

DR

Tỷ số khối lượng riêng =ρc/ ρ

E

Năng lượng tổng (J)

F

Lực tác dụng (N)

g

Gia tốc trong trường

h

Chiều cao của lá cánh hoặc là hệ số nhiệt đối lưu =qw/(Tw-Taw)

hoverall

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu toàn bộ =qw/(Tw-Tin,o) (W/m2K)

H

Enthalpy tổng (W/m2 -K)

K

Năng lượng động học dòng rối, hoặc độ dẫn nhiệt (W/m2 -K)

m

Khối lượng (kg)

Ma

Số Mach, M = a/c

MFR

Tỷ số khối lượng dòng chảy và khối lượng dòng làm mát

vi


Nu

Số Nusselt =h D / K

P

Áp suất tĩnh (pa)

Pr

Số Prandtl = µ/ρ Cp

PR

Tỷ số áp suất

q

Thông lượng nhiệt (w/m2)

Q

Thông lượng nhiệt tổng (w)

Re

Số Reynold, được xác định bằng = uD/ν

S

Entropy tổng (J/kgmol-K)

St

Số Stanton

T

Nhiệt độ (K)

Tu

Mức độ rối của đầu vào

U

Tốc độ quay của rotor (m/s)

V

Vận tốc tuyệt đối đầu vào của rotor (m/s)

W

Vận tốc tương đối đầu vào của rotor (m/s)

u,v,w

Thành phần vận tốc (m/s)

x,y,z

Hệ trục tọa độ

Ký hiệu Hy Lạp
α

Góc vào tuyệt đối của dòng chảy

β

Góc vào tương đối hoặc hệ số nhiệt mở rộng (K-1)

vii


η

Hiệu suất làm mát = (Tt ∞ − Taw,f ) / (Tt ∞ − Ttc )

ηaw

Hiệu suất làm mát đẳng nhiệt = (Taw,0 − Taw,f ) / (Taw,0 − Ttc )

ι

Góc tác động của dòng chảy

φ

Nhiệt độ không thứ nguyên = (Tt∞ − Tt ) / (Tt ∞ − Ttc )

ρ

Khối lượng riêng (kg/m3)

υ

Vận tốc nhiệt động học (m2/s)

ω

Vận tốc góc (rpm)

µ

Vận tốc động học (Pa-s)

τ

Ứng suất trượt (pa), hoặc khoảng chia thời gian (s)

Ω

Vận tốc góc (rpm)

Ký hiệu
0

Với tấm làm mát

2

Tiết diện mặt cắt 2

3

Tiết diện mặt cắt 3

ave

Trung bình tầng của đầu vào và đầu ra

a

Đoạn nhiệt (adiabatic)

c

Chất lỏng làm nguội (coolant)

f

Tấm làm mát (film cooling)

out

Đầu ra của ống (outlet)

viii


inlet

Đầu vào của ống (inlet)

p

Mắt lưới đầu tiên sát tường

i,j,k

Các thành phần của tensor

in

Đầu vào của ống (inlet)

w

Tường (wall)

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3. 1 Bảng kết quả nhiệt độ tại điểm M (Điểm mép trước trên bề mặt phía
trước, M(-80; 10)) như sau:.......................................................................................32
Bảng 3. 2 Bảng kết quả nhiệt độ tại điểm N (trên lỗ thoát khí của ống, N(80; -100))
như sau: .....................................................................................................................33
Bảng 3. 3 Giá trị nhiệt độ trên đường thẳng .............................................................42
Bảng 3. 4 Bảng kết quả nhiệt độ tại điểm M (Điểm mép trước trên bề mặt phía
trước, M(-50, 10, 0)) như sau:...................................................................................44

x


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Các động cơ phản lực Trent 1000 ...............................................................2
Hình 1. 2 a) Một sơ đồ khối của tuabin đơn giản và b) chu trình Joule- Brayton. ...4
Hình 2. 1 Hình ảnh này thể hiện kết quả của nghiên cứu Kreith và Bohn [36]
……………………………………………………………………………………...13
Hình 2. 2 Sơ đồ khối của dòng khí va chạm vơi bề mặt phẳng [37].........................13
Hình 2. 3 Lớp biên trên tường...................................................................................14
Hình 2. 4 Sơ đồ khối cấu trục của tính toán CFD .....................................................24
Hình 3. 1 Mô hình mô phỏng của Jun Hua [39] ………………………………….27
Hình 3. 2 Tiết diện của đầu mút cánh .......................................................................28
Hình 3. 3 Hình ảnh chia lưới trên cánh và ống Piccolo ở mép trước........................28
Hình 3. 4 Hình ảnh chia lưới trên đầu mút cánh .......................................................29
Hình 3. 5 Hình ảnh dạng 3D của mô hình Jun Hua ..................................................29
Hình 3. 6 Lưới trên thành ngoài và thành trong ở mép trước mô hình.....................30
Hình 3. 7 Mô hình 2D ...............................................................................................31
Hình 3. 8 Trường nhiệt độ tại thời điểm t =200 s .....................................................32
Hình 3. 9 Đồ thi biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian tính toán tại điểm
M ...............................................................................................................................33
Hình 3. 10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian tính toán tại
điểm N .......................................................................................................................33
Hình 3. 11 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian tính toán tại M,
N theo hai quy luật ....................................................................................................34

xi


Hình 3. 12 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian tính toán tại

điểm M, N theo hai quy luật mà Jua Hua [40]..........................................................34
Hình 3. 13 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ tại điểm M, N theo quy luật
hình sin ......................................................................................................................35
Hình 3. 14 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ tại điểm M, N đã được công
bố bới Jun Hua. .........................................................................................................36
Hình 3. 15 Mô hình 3D của Jua Hua [40].................................................................37
Hình 3. 16 Đường dòng vận tốc tại thời điểm t = 36s...............................................38
Hình 3. 17 Đường dòng của nhiệt độ tổng................................................................39
Hình 3. 18 Nhiệt độ tổng trên thành cong mô hình...................................................39
Hình 3. 19 Trường nhiệt độ tĩnh trên thành cong tại thời điểm t = 10 s ...................40
Hình 3. 20 Sơ đồ dòng chảy phun trực tiếp lên bề mặt cong công bố bời Jua Han [2]
...................................................................................................................................41
Hình 3. 21 Vị trí tọa độ đường thẳng MN.................................................................41
Hình 3. 22 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và vị trí trên đường thẳng
MN ............................................................................................................................42
Hình 3. 23 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa số Nu và tỷ số r/d [37].....................42
Hình 3. 24 Trường nhiệt độ trên thành cong với thời điểm thời gian khác nhau .....43
Hình 3. 25 Sự thay đổi mô hình tính toán của Jun Hua sang mô hình của tác giả. ..45
Hình 4. 1 Hình ảnh mặt cắt trung bình của tầng Stator và Rotor ………………….46
Hình 4. 2 Lưới trên mặt đầu vào và cạnh..................................................................47
Hình 4. 3 Tầng turbin cao áp của động cơ GE90......................................................48

xii


Hình 4. 4 Chia lưới có cấu trúc đối với một cặp lá cánh ..........................................48
Hình 4. 5 Trường số Mach trên mặt phẳng trung bình đối với trường hợp quay .....49
Hình 4. 6 Trường áp suất tĩnh trên mặt phẳng trung bình đối với trường hợp quay 49
Hình 4. 7 Tỷ số áp suất và vị trí tại mặt phẳng trung bình trên lá cánh Stator .........50
Hình 4. 8 Tỷ số áp suất và vị trí tại mặt phẳng trung bình trên lá cánh Rotor..........50

Hình 4. 9 Mô hình nghiên cứu làm mát tại mép trước lá cánh Rotor tại mặt cắt trung
bình............................................................................................................................51
Hình 4. 10 Hình dạng của lỗ phun từ thành trong ra thành ngoài của lá cánh..........52
Hình 4. 11 Trường số Nu trên bề mặt mép trước lá cánh Rotor ...............................52
Hình 4. 12 Mặt cắt ngang của lá cánh Stator và vị trí lỗ thổi ...................................53
Hình 4. 13 Sơ đồ bố trí lỗ trên thành cong lá cánh Stator và Rotor ở trường hợp A 53
Hình 4. 14 Cách chia lưới trên lỗ thổi.......................................................................54
Hình 4. 15 Số Mach thay đổi trên khi chảy qua tầng................................................55
Hình 4. 16 Trường áp suất tĩnh tại thời điểm t = 1380 s...........................................55
Hình 4. 17 Trường nhiệt độ tĩnh tại thời điểm t = 1380 s .........................................56
Hình 4. 18 Sơ đồ bố trí lỗ trên thành cong lá cánh Stator và Rotor ở trường hợp B 57
Hình 4. 19 Vị trí đường thằng AB trên mép cánh Rotor...........................................57
Hình 4. 20 Đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa vị trí y và nhiệt độ trong ba trường
hợp.............................................................................................................................58
Hình 4. 21 Chi tiết góc hệ thống lỗ trên trên thành trong trong trường hợp 4..........59
Hình 4. 22 Trường vận tốc tại mặt phẳng cát ngang lỗ trong trường hợp I..............60
Hình 4. 23 Trường nhiệt độ tại mặt phẳng thẳng đứng trong trường hợp I ..............60

xiii


Hình 4. 24 Mối quan hệ giữa vận tốc và vị trí trong trường hợp I............................61
Hình 4. 25 Trường số Nu trong bốn trường hợp.......................................................61
Hình 4. 26 Mối quan hệ giữa số Nu và vị trí trên thành cong của mép trước lá cánh
Rotor..........................................................................................................................61

xiv


LỜI NÓI ĐẦU

Tuabin khí được sử dụng rất rộng rãi cho động cơ đẩy máy bay và phát điện
trên mặt đất để ứng dụng trong ngành công nghiệp. Dòng khí được trộn với nhiên
liệu được cháy liên tục trong buồng cháy và được giãn nở qua các tầng cao áp và
thấp áp của tuabin khí. Luồng khí giản nở này mạng một lượng nhiệt rất lớn, áp suất
cao sẽ truyền năng lượng vào lá cánh trên các tầng tuabin để làm quay các tầng
rotor của tuabin. Các lá cánh trên các tầng cao áp và thấp áp của tuabin luôn luôn
phải chịu một môi trường nhiệt độ quá nhiệt rất cao và áp suất lớn. Những lá cánh
này không chỉ làm bằng vật liệu chịu nhiệt rất tốt và còn phải được làm mát bằng
các phương pháp tốt, hiệu quả thì các lá cánh mới chịu được sự quá nhiệt của dòng
khí giãn nở.
Do đó, để làm mát các lá cánh tuabin để quá trình hoạt động an toàn là một
nhu cầu hết sức cần thiết. Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu làm mát lá cánh
tuabin, trong luận văn này tác giả nghiên cứu đề tài: “ Làm mát cánh lá tuabin
động cơ máy bay bằng phương pháp phun trực tiếp”. Luận văn được kết cấu
làm bốn chương, cuối cùng là kết luận và kiến nghị.
• Chương I: Giới thiệu tổng quan về làm mát lá cánh tuabin, lý do của
đề tài, những công trình – kết quả đã nghiên cứu về làm mát lá cánh tuabin,
đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, và ý nghĩa khoa học – tính
thực tiễn của đề tài.
• Chương II: Nghiên cứu các phương pháp làm mát, lý thuyết phương
pháp làm mát bằng phương pháp trực tiếp, cùng với lý thuyết của mô phỏng
số.

xv


• Chương III: Nghiên cứu làm mát bằng phương pháp phun trực tiếp.
Qua đó nhận xét và so sánh kết quả nghiên cứu với kết quả đã được công
nhận
• Chương IV: Nghiên cứu sự ảnh hưởng các thông số tới chế độ làm

mát trên lá cánh tuabin. Các thông số hình dạng lỗ phun, cách sắp xếp lỗ, góc
phun và mô hình “tĩnh” – “động” sẽ được nghiên cứu cụ thể trong chương 4.
• Chương cuối là những kết luận chủ quan cũng như khách quan, hướng
phát triển của đề tài, những kết quả có thể áp dụng vào thực tế.
Những nghiên cứu này hoàn toán mới, được tiến hành trong thời gian ngắn,
nhưng đã mang lại ứng dụng và đưa ra những định hướng nghiên cứu sau này của
tác giả. Bên cạnh đó cũng không thể tránh khỏi điều thiếu xót, nên tác giả rất mong
được sự đóng góp ý kiến và chỉ bảo.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Tiến sỹ Nguyễn Phú Hùng, người đã tận
tình định hướng, và giúp tác giả hoàn thành luận văn này.
Đặc biệt xin cảm ơn các thầy cô trong Viện cơ khí động lực, các thầy cô trong
bộ môn Máy tự động thủy khí và Hàng Không Vũ Trụ, và các đồng nghiệp – bạn bè
đã tư vấn, cung cấp tài liệu và giúp đỡ tác giả rất nhiều trong luận văn này.

xvi


Chương 1 – TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu tổng quan
Tuabin là một động cơ quay tròn mà năng lượng nhận được từ chất lỏng
truyền chuyển động. Theo thuật ngữ của Claude Burdin thì tuabin là thuật ngữ
Latin, có nghĩa là quay cuồng. Nguồn gốc của tuabin đầu tiên chính là bánh xe quay
nước mà nó phát minh ở Ba Tư hay Trung Quốc. Nó được sử dụng cho việc xay
ngô, xay giã thóc lúa lương thực vào những thế kỷ trước công nguyên. Tuabin đầu
tiên được xác định nằm trong thế kỷ sau công nguyên (A.D – Ano Domin) được
thiết kế bởi Heron của Alexandria và nó được đặt tên là Aeolipile (Latin Pila- Ball)
và gió đến từ Aeolus - theo tiếng Hy Lạp là thần gió. Aeolipile là một cối xoay gió
được dẫn động bởi gió thổi qua cánh quạt. Nó có thể xoay 1500 rpm và phát triển
thành công suất mưỡi mã lực (một mã lực là sức mạnh của một đàn ông) và mặc dù
nó chỉ có hiệu xuất 1%. Aeolipile chỉ là một món đồ chơi và nó đã không có bất kỳ

ứng dụng công nghiệp. Xung quanh thế kỷ bảy thì sự phát triển các cối xoay gió
phát triển. Trong thời kỳ tiền công nghiệp châu Âu, cối xay gió đã được sử dụng để
nghiền hạt, bơm tưới tiêu bằng cách sử dụng bánh xe muỗng, trong chế biến gỗ, xẻ
gỗ thành những tấm, trong sản xuất giấy và trong chế biến các mặt hàng khác như
gia vị, ca cao, sơn và thuốc lá. Sự thật vấn đề đó làm thay đổi thế giới và trong
ngành công nghiệp, giao thông vận tải được xảy ra trong thế kỷ mười chín. Nó đã
được đưa ra bởi các sáng động cơ hơi nước (Thomas Savery trong năm 1698) và
ứng dụng mạnh mẽ trong ngành công nghiệp. Tuabin khí đầu tiên sáng chế bởi
J.F.Stolze và được cấp bằng sáng chế vào năm 1899. Mặc dù nó chỉ đạt hiệu suất
4%, điều này tuabin khí là một nền tảng cho nhiều tuabin khí khác ra đời.
Ngày nay, tuabin nằm trong số các máy có công suất mạnh nhật mà được chế
tạo. Người ta đã sử dụng tuabin tạo lực đẩy của máy bay và tàu thủy, tao nguồn cho
tàu điện, tàu và xe tăng mà còn tạo ra điện để ứng dụng cho ngành công nghiệp. Các
tuốc bin khí đơn giản bao gồm một dòng có công suất từ máy nén cùng với dòng
công suất nhỏ và buồng đốt cháy xen giữa máy nén và tuabin (xem Hình 1.2a).
Năng lượng được bổ sung vào dòng khí trong buồng đốt, nơi không khí được trộn

1


với nhiên liệu và đốt cháy. Đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí được nén sẽ
làm tăng nhiệt độ, tốc độ và khối lượng của khí, sau đó hỗn hợp đó chảy trên các
cánh tuabin, truyền năng lượng dòng khí cho lá cánh tuabin và tuabin truyền năng
lượng cho máy nén thông qua trục đồng ống. Tuabin khí tạo ra năng lượng điện thì
hiệu suất đặc biệt. Hiệu suất lớn hơn 40% và nó có thể đạt tới 60% nếu tránh lãng
phí nhiệt từ tuabin khí được thu hồi bằng một tua bin hơi nước theo một chu trình.
Một tuabin khí được sử dụng để bay là điều quan tâm thú vị nhất và yêu cầu có hiệu
suất cao. Một động cơ phản lực là một vài động cơ mà tăng tốc và thải một máy bay
phản lực chuyển động nhanh chất lỏng tạo ra lực đẩy được ứng dụng theo định luật
thứ ba của Newton. Thành phần chính của tuabin khí, mà nó được sử dụng chính

của phản lực là tốc độ khí xả để tạo lực đẩy. Ở Anh vào ngày 16 tháng 1 năm 1930,
Frank Whittle được công nhận bằng sáng chế cho động cơ máy bay hoàn toàn.
Cũng thời điểm đó, nghiên cứu độc lập Hans von Ohain bắt đầu làm việc trên một
thiết kế tương tự như ở Đức vào năm 1935. Ohain và Ernst Heinkel tạo ra máy bay
phản lực đầu tiên. Các thử nghiệm Heinkel He bay trên bầu trời vào ngày 27 tháng
8 năm 1939. Động cơ máy bay điều khiển máy bay lực đẩy là 3,7 kN. Ngày nay,
tuabin khí quay được hơn 10000 vòng / phút và máy bay phản lực động cơ tạo ra
một lực đẩy 410 kN của (xem Hình 1.1).

Hình 1. 1 Các động cơ phản lực Trent 1000

Động cơ phản lực Trent là một phản lực hai luồng được sản xuất cho máy bay
của Boeing787. Nó tạo ra một lực đẩy của 333kN và nó bao gồm một tầng cánh

2


quạt, 8 tầng máy nén thấp áp và 6 tầng máy nén cao áp. Sau một buồng đốt dòng khí
được trộn với nhiên liệu cháy nổ và hỗn hợp khí xả được giãn nỡ qua tuabin, nơi có
1 tầng tuabin cao áp, 1 tầng trung gian và 6 tầng tuabin thấp áp. [Hình ảnh động cơ
Rolls-Royce, copyright năm 2005].
1.2. Tại sao phải làm mát tuabin khí
Tuabin khí lý tưởng là nhiệt động được được mô tả với các chu trình JouleBrayton (xem Hình 1.2b). Trong chu kỳ lý tưởng, nén và giãn nở của khí là đoạn
nhiệt và đẳng entropy. Sự thay đổi của động năng là không đáng kể. Không có tổn
thất áp lực trong buồng đốt và ống dẫn hết. Sự hoạt động chất lỏng là một khí hoàn
hảo có thành phần cố định.
Đối với chu kỳ lý tưởng thì hiệu suất và làm việc ròng có thể được tính như
một chức năng của tỷ lệ áp suất và tỷ lệ nhiệt độ. Từ định luật thứ nhất nhiệt động
lực học chúng được đưa ra là:

q AB = ( hA − hB ) +

1 2
ν B −ν A2 ) + ω
(
2

(1.1)

trong đó q và w là trao đổi nhiệt và làm việc mỗi khối đơn vị trong số các
điểm A và B. Entanpy được biểu thị bằng h và vận tốc v tại điểm A và B. Các chu
kỳ hiệu suất e và sản lượng công việc cụ thể, cho chu kỳ Joule, có thể được tính như
(cho xem thêm Cohen et al. [1]):

⎛ 1 ⎞
q23 + q41
T −T
= 1− 4 1 = 1− ⎜ ⎟
q23
T3 − T2
⎝ pr ⎠
⎛
⎞
γ −1
⎞
w
1 ⎟ ⎛ γ
⎜
= tr ⎜1 − γ −1 ⎟ − ⎜ pr − 1⎟
⎜

⎟
c pT1
γ ⎟ ⎝
⎠
⎜
p
r
⎝
⎠

e=

Trong đó pr =

p2

p1

=

p3

p4

là tỷ số áp suất, tr =

γ −1
γ

(1.2)

(1.3)

T3

T1

là tỷ số nhiệt độ, γ là

tỷ số nhiệt dung riêng và cp là nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi. Các hiệu suất
của chu trình Joule chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ nén và kiểu của loại khí. Qua các công

3


việc cụ thể, mà là một thông số quan trọng đối với một động cơ phản lực, hàm tỷ số
giữa nhiệt độ và áp suất (để biết them xin mời xem Cohen et al [1]). Từ phương
trình 1.3, thì giá trị T1 không đổi, nó sau đó một tuabin lớn hơn đầu vào nhiệt độ
đầu ra tuabin T3 có nghĩa là công việc lớn hơn và hiệu suất cao, nơi mà trong thí
nghiệm và tính toán. Trong tua bin khí nhiệt độ đầu vào tuabin vượt quá 2000K.
Điều này nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của các vật liệu dùng để sản xuất khítuabin. Do đó, lá cánh tuabin, các thiết bị gần buồng đốt cần phải làm mát. Chất làm
mát không khí là chiết xuất từ các máy nén của động cơ phản lực. Khi đó giảm hiệu
suất của nhiệt, điều cần thiiết và tối ưu các kỹ thuật làm mát, các điều kiện hoạt
động và mô hình lá cánh tuabin.

Hình 1. 2 a) Một sơ đồ khối của tuabin đơn giản và b) chu trình Joule- Brayton.

Lá cánh tuabin cánh quạt khí được làm mát bên trong và bên ngoài. Chất làm
mát hòa trộn với chất làm mát, một mặt chúng đi qua khe rãnh bên trong lá cánh,
một phần dòng khí làm mát phun ra ngoài bền mặt của lá cánh. Cả hai phương pháp

làm mát phun trực tiếp hoặc làm mát màng mỏng đều sử dụng sự va cham dòng khí
vào bề mặt cần làm mát.
Bên ngoài lá cánh thì phương pháp làm mát cũng được gọi là làm mát màng.
Chất làm mát không khí được đẩy ra qua các lỗ riêng biệt (xem Hình 1.3a) hoặc
khe để cung cấp một bộ phim làm mát, bảo vệ các bề mặt bên ngoài lá cánh từ nóng
khí đốt. Ưu điểm của kỹ thuật này là tránh tiếp xúc trực tiếp giữa cánh tuabin và các
khí nóng. Phương pháp này phun dòng khí trực tiếp vào vùng lá cánh mà có nhiệt

4


độ cao và khi đó nguồn khí làm mát lấy nhiệt ở lá cánh từ đó nhiệt trên lá cánh sẽ
giảm xuống.
1.3. Lý do của sự nghiên cứu đề tài
Tuabin khí được sử dụng rất rộng rãi cho động cơ đẩy máy bay và phát điện
trên mặt đất để ứng dụng trong ngành công nghiệp. Dòng khí được trộn với nhiên
liệu được cháy liên tục trong buồng cháy và được giãn nở qua các tầng cao áp và
thấp áp của tuabin khí. Luồng khí giản nở này mạng một lượng nhiệt rất lớn, áp suất
cao sẽ truyền năng lượng vào lá cánh trên các tầng tuabin để làm quay các tầng
rotor của tuabin. Các lá cánh trên các tầng cao áp và thấp áp của tuabin luôn luôn
phải chịu một môi trường nhiệt độ quá nhiệt rất cao và áp suất lớn. Những lá cánh
này không chỉ làm bằng vật liệu chịu nhiệt rất tốt và còn phải được làm mát bằng
các phương pháp tốt, hiệu quả thì các lá cánh mới chịu được sự quá nhiệt của dòng
khí giãn nở. Do đó, để làm mát các lá cánh tuabin để quá trình hoạt động an toàn là
một nhu cầu hết sức cần thiết. Những lá cánh được làm mát bởi dòng khí được trích
từ tầng máy nén của động cơ. Khi máy bay hoạt động thì các lá cánh trong các tầng
tuabin phải chịu một sự quá nhiệt, điều đó đỏi hỏi cần thiết phải nghiên cứu để đưa
ra những công nghệ làm mát tối ưu nhất. Han và các cộng sự [2] đã thực hiện một
tổng kết về truyền nhiệt và công nghệ làm mát của tua bin khí. Vùng mép cánh
tuabin bao gồm đầu cánh, mép trước cánh, phần gốc cánh, mép sau của cánh. Hầu

hết các khu vực này rất quan trọng do sự quá nhiệt cao của dòng khí xả. Trong
nghiên cứu này, tác giả sẽ nghiên cứu tập trung vào mép trước của lá cánh Stator và
Rotor ở tầng tuabin cao áp với chế độ làm mát bằng phương pháp phun trực tiếp.
1.4. Những công trình đã nghiên cứu làm mát trên lá cánh trên tuabin
1.4.1. Những nghiên cứu làm mát trên đầu mút cánh tuabin
Đầu mút cánh tuabin thì được tiếp xúc trực tiếp với những dòng khí xả rò rỉ
bởi sự chênh áp suất khác nhau giữa các tiết diện các tầng. Với kinh nghiệm và kiến
thức đã được nghiên cứu thì việc làm mát hiệu quả đầu mút cánh là công việc rất
khó khăn. Để làm giảm sự rò rỉ đầu mút và truyền nhiệt người ta đã phải nghiên cứu

5


với các dạng hình đầu mút khác nhau để đánh giá sự cản trỏ dòng khí, độ giảm rò rỉ
và tốt độ làm mát với các lá cánh.
Nhiều nghiên cứu số đã được tiến hành gần đây để điều tra việc trao đổi nhiệt
giữa dòng khí và đầu mút cánh. Như Ameri và các cộng sự [3] đã sử dụng
TRAF3D.MB mã để nghiên cứu hiệu quả tác động của sự trao đổi đầu mút cánh vỏ bọc động cơ, cũng như khe hở giữa các tầng rotor. Ngoài Ameri và các cộng sự
[4] nghiên cứu những hiệu quả khoảng cách giữa đầu mút cánh và khe hở của động
cơ khi dòng nhiệt đi qua và hiệu quả hình học cả đầu mút cánh. Ameri và Bunker
[5] thực hiện một tính toán nghiên cứu chi tiết về sự phân phối trao đổi nhiệt trên bề
bặt đầu cánh của tuabin tổng quan và so sánh những nghiên cứu đó với dữ liệu thực
nghiệm của nghiên cứu Bunker và các cộng sự [5]. Ameri [6] tính toán dòng chảy
và trao đổi nhiệt của đầu cánh với đường trung bình dây cung của đầu cánh. Yang
và các cộng sự [7-8] đã nghiên cứu phương pháp số dòng chảy và trao đổi nhiệt
xung quanh cánh GE với đầu cánh và diện tích của đầu mút cánh với mô hình dòng
rối.
Nghiên cứu thực nghiệm cũng đã được tiến hành để nghiên cứu sự trao đổi
nhiệt và dòng chảy khí vào đầu mút lá tuabin. Có rất nhiều các nghiên cứu về dòng
khí chuyển động qua các tầng lá tuabin, có nghiên cứu thì nghiên cứu dòng chảy

chuyển động và sự trao đổi nhiệt giữa dòng khí với các tầng lá tuabin tại đầu mút
cánh, tại đường trung bình của cánh, tái mép trước, mép sau hoặc có thể là chân của
cánh. Nói chung các nhà nghiên cứu đều muốn tìm biện pháp để nâng cao chất
lượng cải thiện tính vật liệu của các lá cánh tuabin để nâng cao hiệu suất của chúng,
cải thiện tính làm việc.
Một cách phổ biến là để giảm nhiệt độ trên cánh lá tuabin nói chung mọi
người đều trích dòng không khí lạnh từ tầng máy nén để làm mát, thông qua các lỗ
phim để làm mát bề mặt, đầu cánh, mép trước hoặc mép sau, hoặc chân cánh. Điều
quan trọng là nghiên cứu hệ thống sắp xếp hệ thống lỗ, vận tốc thổi, hình dạng đầu
thổi và phương pháp làm mát. Tất cả điều trên sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả làm mát

6


và hệ số truyện nhiệt giữa dòng khí và cánh lá tuabin. Hiện nay, các thí nghiệm làm
mát trên các cánh tuabin chỉ có thể được thực hiện cho các trường hợp không quay
hoặc quay với vận tốc tương đối thấp để đánh giá đầu vào/ đầu ra của dòng khí. Để
sử dụng các dữ liệu thực nghiệm làm minh họa cho ứng dụng trong điều kiện làm
mát động cơ thực sự, đó là mong muốn để sử dụng phương pháp tiên tiến trong việc
mô phỏng số. Trong mô phỏng số thì khả năng mô phỏng các tác động của vòng
quay của tầng rôtor tuabin ảnh hưởng tới dòng chảy, tốc độ làm mát và minh họa
thực tế sự hoạt động dòng khí làm mát các lá cánh trong thực tế.
1.4.2. Những nghiên cứu làm mát trên mép trước của lá cánh tuabin
Bên cạnh việc nghiên cứu của sự trao đổi nhiệt và phương pháp làm mát phun
trực tiếp trên đầu mút cánh, thì có một vài nghiên cứu sự trao đổi nhiệt và phương
pháp làm mát trên mép cánh của tầng rôtor tuabin. Dunn và các cộng sự [9-10] sử
dụng một đầy đủ tầng Rotor của tuabin đông cơ Garrent TFE 731-2 trong một ống
được cung cấp dòng nhiệt lớn để nghiên cứu sự trao đổi nhiệt trên lá cánh, mép và
rôtor. Abhari và Epstein [11] nghiên cứu thời gian cho việc truyền nhiệt cho lá cánh
để làm mát và làm mát bằng lớp màng mỏng. Họ đã nhận thấy rằng sự trao đổi nhiệt

là không ổn định cao cho tốc độ quay tuabin gần với tốc độ âm thanh. Takeishi và
đồng sự [12] sử dụng khối lượng CO2 kỹ thuật tương tự để đo lường hiệu quả của
màng làm mát trên bề mặt một cánh rotor, và tìm thấy cao hiệu quả làm mát ở phía
hút so với mặt áp lực của lá cánh. Họ tin rằng hiện tượng này là do ảnh hưởng của
dòng chảy xuyên tâm và trộn mạnh mẽ trên áp lực bề mặt. Camci và Arts [13-14]
nghiên cứu các lá cánh tuabin ở tầng rotor cao áp trao đổi nhiệt với ống gió trong
khoảng thời gian ngắn. Họ nhận thấy rằng hiệu quả làm mát tăng với sự giảm Tc /
Tin (tức là tỷ lệ giữa nhiệt độ làm mát với nhiệt độ khí gas đầu vào). Mehendale và
các cộng sự. [15-16] nghiên cứu hiệu quả dòng rối tốc độ cao và dòng ngược trên sự
trao đổi nhiệt và tấm làm mát trên lá cánh Rotor trong ống khí với vận tốc dòng là
thấp. Họ kết luận rằng với dòng rối và dòng thổi ngược lại làm sự trao đổi nhiệt
tăng nhẹ nhưng làm giảm đáng kể các bộ phim làm mát hiệu quả cho các điều kiện
tỷ lệ thấp hơn thổi. Ngoài ra, Du và các cộng sự. [17] được sử dụng cùng một cơ sở

7


nghiên cứu tác động hiệu quả của dòng không dừng mô phỏng chi tiết trên số
Nusselt và miêu tả chi tiết hiệu quả làm mát của phun trực tiếp của lá cánh rotor.
Phương pháp số dự báo sự trao đổi nhiệt và phương pháp làm mát phun trực
tiếp trên lá cánh thì được chuẩn bị và nghiên cứu nhiều. Abhari và các cộng sự [18]
xem xét thời gian giải quyết khí động học và trao đổi nhiệt của dòng khí gần âm
Rotor tuabin. Ho kết luận rằng khác nhau rất ít giữa trạng thái dòng ổn định và thời
gian trung bình tính toán của dòng không ổn định. Nói chung, đo số Nusselt cao
hơn hoặc bằng số Nusselt dự báo. Dunn và các cộng sự. [19] báo cáo rằng thời gian
trung bình số Stanton và phân phối áp suất trên bề mặt cho hàng cánh đầu tiên của
giai đoạn và giai đoạn đầu tiên hàng tầng cánh.
Họ thấy rằng việc truyền nhiệt cho thấy sự khác biệt nhỏ giữa các dự báo mô
hình dòng rối. Mép cánh trước của lỗ fin làm mát, góc hợp của các lỗ cũng đã được
nghiên cứu đưa ra bởi Lin và các cộng sự [20] khi sử dụng chương trình mã

CFL3D. So sánh với các dữ liệu thử nghiệm, các dự báo cho thấy một số tốt thỏa
thuận trong các xu hướng hiệu quả làm mát phun trực tiếp, nhưng dự đoán. Garg và
Ameri [21] được sử dụng mô hình dòng rối q-ω, k-ε, và mô hình k-ω để dự đoán sự
trao đổi nhiệt trên cánh. Nhìn chung, các mô hình q-ω và mô hình k-ε dự đoán kết
quả giống nhau, trong khi các mô hình k-ω dự báo hệ số truyền nhiệt cao hơn.
1.4.3. Làm mát phun trực tiếp và sự trao đổi nhiệt trên chân lá cánh rotor
Ngoài các bộ phim làm mát nghiên cứu trên đầu mút cánh và khu vực mép
trước của cánh, thì vị trí gốc cánh hàng đầu đã đề cập trước, nền tảng của một lưỡi
cánh quạt đã được nghiên cứu để điều tra ảnh hưởng dòng chảy trung vào các phim
làm mát và chuyển nó nhiệt. Ngày càng có nhiều tỉ lệ thấp và độ bền vững thấp
rotor đã được sử dụng để cải thiện tuabin hiệu suất, vì vậy hiệu quả endwall-trở nên
quan trọng đáng kể. Harasgama và Burton [22-23] báo cáo đo chuyển nhiệt trên
endwalls làm mát bằng bộ phim của một tầng hình vòng của tua bin van vòi hướng
dẫn, và họ đã tìm thấy số lượng tăng dần Nu từ mép dẫn đến theo sau cạnh trên
endwall này. Friedrichs và các cộng sự [24] trình bày hiệu quả làm mát đoạn nhiệt

8


phim phân phối trên endwall của một quy mô lớn, tốc độ thấp tuyến tính tuabin thác
sử dụng ammonia-diazo kỹ thuật. Họ báo cáo rằng các xoáy móng ngựa từ phía áp
lực di chuyển qua đoạn văn đẩy hầu hết các chất làm mát từ giữa đoạn đối với bề
mặt hút. Gần đây, Roy và cộng sự [25] sử dụng phương pháp thử nghiệm và số để
nghiên cứu dòng chảy và truyền nhiệt vào các trung tâm cánh.
Bên cạch đó các nghiên cứu bằng sử dụng phần mềm mô phỏng CFD Fluent
kết hợp với dữ liệu được thử nhiệm thì Burd và Simon [26-27] đã nghiên cứu hiệu
quả của tác dụng việc trích khí thành vòi ở gốc cánh tuabin và thấy rằng dòng khí
làm mát tích tụ gần bề mặt hút với tốc độ rất thấp (có sự tạo xoáy ở gốc lá cánh).
Radomsky và Thole [28] sử dụng sử dụng (Tia laze dò vị trí: Laser Doppler
Velocimeter (LDV)) và camera hồng ngoại (IR) để nghiên cứu tác động của cường

độ nhiễu loạn của sự trao đổi nhiệt trên mép tường. Họ đã đưa ra kết luận rằng các
xoáy móng ngựa là thấp và cao đối với điều kiện là dòng rối, và với dòng rối cao thì
số St sẽ cao. Lin và Shih [29] sử dụng phần mềm CFL3D phiên bản 5 với mô hình
dòng rối k-ω và sự trượt dòng khí ở biên (shear-stress-transport: SST) để nghiên
cứu khe hở sự rò rỉ dòng chảy trên vòng mép cánh. Họ thấy rằng toàn bộ những
vòng tròng giữa vỏ động cơ và đầu mút rotor có sự rò rỉ những để làm giảm bớt lưu
lượng dòng khí thì tại đó cần làm đường viền lưỡi sẽ làm tăng tính làm mát tại đầu
cánh và giảm sự rò rỉ dòng khí.
Gần đây nhất, Suryanarayanan và các cộng sự [30] sử dụng các kỹ thuật PSP
để đo làm mát phun trực tiếp trên lá cánh tuabin trong toàn bọ một tầng tuabin, với
các điều kiện làm việc thực của tuabin. Một lần nữa, thí nghiệm của họ đã được
thực hiện trong điều kiện áp suất cao, nghiên cứu cơ sở tuabin được tiến hành lại
phòng thí nghiệm ở Texas trường đại học A&M. Thêm vào đó, ngoài các thông tin
được kiểm tra theo nghiên cứu của Schobeiri [31-32]. PSP là kỹ thuật trao đổi khối
lượng với yêu cầu độ truyền nhiệt gần ở lỗ và hiệu quả việc làm mát lá cánh tuabin
bằng phương pháp phun trực tiếp. Họ nhận ra rằng hiệu quả làm mát sẽ tăng với tốc
độ của rotor quay là 1500, 2000 và 2500 vòng trên phút. Cho đến nay, rất ít nghiên

9