Nghiên cứu quy luật thay đổi nhiệt, độ trên cánh tuabin của động cơ TB2 117a bằng phương pháp mô phỏng số
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.46 MB, 85 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
NGUYỄN THANH CƢỜNG
NGHIÊN CỨU QUY LUẬT THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ
TRÊN CÁNH TUA BIN CỦA ĐỘNG CƠ TB2-117A
BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHÁNH HÒA - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
NGUYỄN THANH CƢỜNG
NGHIÊN CỨU QUY LUẬT THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ
TRÊN CÁNH TUA BIN CỦA ĐỘNG CƠ TB2-117A
BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành:
Kĩ thuật cơ khí động lực
Mã số:
8520116
Quyết định giao đề tài:
398/QĐ-ĐHNT ngày 12/4/2018
Quyết định thành lập HĐ:
1462/QĐ-ĐHNT ngày 07/12/2018
Ngày bảo vệ:
26/12/2018
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. HUỲNH VĂN VŨ
TS. NGUYỄN TRƢỜNG THÀNH
Chủ tịch Hội đồng:
TS. PHÙNG MINH LỘC
Phòng ĐT Sau Đại học:
KHÁNH HÒA - 2018
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Nghiên cứu quy luật thay đổi nhiệt
độ trên cánh tua bin của động cơ TB2-117A bằng phương pháp mơ phỏng số ” là
cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ cơng
trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.
Khánh Hòa, ngày
tháng 01 năm 2019
Tác giả luận văn
Nguyễn Thanh Cường
iii
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tơi đã nhận được sự giúp đỡ của q phịng
ban trường Ðại học Nha Trang, Khoa Kỹ thuật giao thông, Khoa Sau đại học, Khoa
Máy bay - động cơ đã tạo điều kiện tốt nhất cho tơi được hồn thành đề tài. Qua đây, tôi
xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Huỳnh Văn Vũ và TS Nguyễn Trƣờng Thành,
người thầy đã hướng dẫn, định hướng, truyền đạt những kinh nghiệm q báu và tận
tình giúp tơi hồn thành đề tài này.
Xin chân thành cảm các quý thầy cô trực tiếp giảng dạy chương trình cao học
và quý thầy cơ trong hội đồng bảo vệ luận văn đóng góp cho bản thân những ý kiến,
những luận cứ khoa học để bản thân tơi hồn thiện hơn về chun mơn và có khả
năng nghiên cứu tiếp theo, cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên Khoa Máy bay động cơ
– Trường Sĩ quan Không Quân đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tơi hồn thành đề
tài này.
Cuối cùng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và tất cả bạn bè đã
giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hịa, ngày
tháng 01 năm 2019
Tác giả luận văn
Nguyễn Thanh Cường
iv
MỤC LỤC
Lời cam đoan
iii
Lời cảm ơn
iv
Mục lục
v
Danh mục ký hiệu
vii
Danh mục chữ viết tắt
viii
Danh mục các bảng
ix
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
x
Trích yếu luận văn
xii
Mở đầu
1
Chương 1. TỔNG QUAN
2
1.1. Tổng quan về đề tài
2
1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu đề tài
3
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước
3
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
5
1.3. Mục tiêu, phƣơng pháp, nội dung, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
7
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
7
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu
8
1.3.3. Phạm vi nghiên cứu
8
1.3.4. Phương pháp nghiên cứu
8
1.3.5. Giới hạn của đề tài
8
1.4. Kết cấu luận văn
9
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ NHIỆT
10
KHÍ ĐỘNG TRÊN TUA BIN CỦA ĐỘNG CƠ TB2-117A
2.1. Khái quát chung về động cơ TB2-117A
10
2.1.1. Cấu tạo cơ bản của động cơ
11
2.1.2. Nguyên lý làm việc
12
2.1.3. Số liệu kĩ thuật của động cơ
12
2.1.4. Các chế độ làm việc cơ bản của động cơ
14
2.2. Sự thay đổi các tham số nhiệt khí động của dịng khí khi đi qua tua bin
15
2.2.1. Sơ đồ cấu tạo của một tầng (cấp) tua bin
15
2.2.2. Sự chuyển động của dòng khí trong một tầng tua bin
16
v
2.2.3. Một số hỏng hóc đặc trưng trên tua bin của động cơ
18
2.3. Cơ sở về phƣơng pháp số trong xây dựng mơ hình tốn
22
2.3.1. Khái qt về lý thuyết CFD
22
2.3.2. Những phương trình chủ đạo trong CFD
23
2.3.3. Mơ hình rối SST
25
2.3.4. Mơ hình phần tử
27
Chương 3. NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG QUY LUẬT THAY ĐỔI NHIỆT
30
ĐỘ TRÊN CÁC LÁ CÁNH TUA BIN TẦNG I ĐỘNG CƠ TB2-117A
3.1. Giới thiệu phần mềm mơ phỏng CFX Ansys Fluent
30
3.2. Trình tự mơ phỏng
33
3.2.1. Các giả thiết tính tốn
35
3.2.2. Xây dựng mơ hình hình học
35
3.2.3. Thiết lập mơ hình phần tử
41
3.2.4. Đặt các điều kiện đầu vào và điều kiện biên
42
3.2.5. Thiết lập các thơng số lời giải cho bài tốn
46
3.2.6. Q trình giải và xử lý kết quả tính tốn
46
3.3. Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng
47
3.1.1. Về mặt định lượng
47
3.1.2. Về mặt định tính
48
3.4. Ứng dụng mơ hình bài tốn mơ phỏng nhiệt khí động trên tua bin
54
3.4.1. Khảo sát quy luật thay đổi nhiệt độ trên các lá tua bin máy nén tầng
54
1 của động cơ theo điều kiện lý thuyết
3.3. Khảo sát quy luật thay đổi nhiệt độ trên các lá tua bin theo điều kiện
57
khai thác và sử dụng tại e915
Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
62
4.1. Kết luận
62
4.2. Một số đề xuất để áp dụng trong thực tế khai thác và sử dụng
63
4.3. Khuyến nghị
64
TÀI LIỆU THAM KHẢO
65
vi
DANH MỤC KÝ HIỆU
C
: Tốc độ tuyệt đối
C0
: Tốc độ tuyệt đối cửa vào
C1
: Tốc độ tuyệt đối cửa ra lá hướng chiều
C2
: Tốc độ tuyệt đối cửa ra lá cơng tác
DT
: Đường kính trong
Dn
: Đường kính ngồi
NTK
: Vịng quay quy chuẩn
T
: Nhiệt độ
T0
: Nhiệt độ cửa vào
T1
: Nhiệt độ cửa ra lá hướng chiều
T2
: Nhiệt độ cửa ra lá công tác
P
: Áp suất
P0
: Áp suất cửa vào
P1
: Áp suất cửa ra lá hướng chiều
P2
: Áp suất cửa ra lá công tác
u
: Tốc độ quay
pu
: Thành phần quay
pa
: Thành phần dọc trục
p1
: Lực áp suất tổng hợp
w
: Tốc độ tương đối
w1
: Tốc độ tương đối cửa ra lá hướng chiều
w2
: Tốc độ tương đối cửa ra lá công tác
vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Tiếng Việt
BĐ
: Buồng đốt
ĐCTBK
: Động cơ tua bin khí
ĐCTBKHK
: Động cơ tua bin khí hàng không
ĐCTBCQ
: Động cơ tua bin cánh quạt
ĐCTBPLTL : Động cơ tua bin phản lực trực lưu
e910
: Trung đồn Khơng Quân 910
HC
: Hướng chiều
MN
: Máy nén
PTHH
: Phần tử hữu hạn
TB
: Tua bin
TBTD
: Tua bin tự do
TBMN
: Tua bin máy nén
VHC
: Vòng hướng chiều
Ký hiệu Tiếng Anh
CAD
: Computer-Aided Design (Thiết kế được sự hỗ trợ của máy tính)
CFD
: Computational Fluid Dynamics (Động lực học lưu chất)
SST
: Shear Stress Transport (Ứng suất trượt)
viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Số lượng và kích thước các tầng lá của tua bin
37
Bảng 3.2. Các kích thước hình học của profin lá
37
Bảng 3.3. Các tham số đầu vào theo lý thuyết của động cơ TB2-117A
43
Bảng 3.4. Giá trị sai số khi thay đổi các mơ hình phần tử
47
Bảng 3.5. Bảng tham số đầu vào theo điều kiện lý thuyết của động cơ
54
Bảng 3.6. Các chế độ làm việc thực tế tại đơn vị khai thác
58
Bảng 3.7. Tham số của động cơ theo các chế độ thực tế quy đổi
59
Bảng 3.8. Kết quả mô phỏng nhiệt độ lớn nhất trên lá tua bin của động cơ
60
ix
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí hai động cơ TB2-117A với giảm tốc chính BP-8A
10
trên trực thăng Mi- 8
Hình 2.2. Sơ đồ các thành phần cấu tạo động cơ TB2-117A
12
Hình 2.3. Sơ đồ cấp tua bin và biến đổi các thông số qua cấp tua bin
15
Hình 2.4. Mạng profile cấp tua bin và tam giác tốc độ tương ứng
16
Hình 2.5. Lá thiết bị phun tầng 1 bị quá nhiệt tạo thành bề mặt sần sùi
19
Hình 2.6. Lá tua bin bị cháy xém do quá nhiệt động cơ
19
Hình 2.7. Lá tua bin bị phá hủy do mỏi nhiệt
20
Hình 2.8. Lá tua bin chịu tác động của điều kiện mơi trường
21
Hình 3.1. Trình tự giải bài tốn mơ phỏng
34
Hình 3.2. Các phương án xây dựng mơ hình hình học trong Ansys
35
Hình 3.3. Động cơ TB2-117A cắt bổ tại Trường Sĩ Quan Khơng Qn
36
Hình 3.4. Sơ đồ cấu tạo của tua bin máy nén và quy ước các tiết diện
36
Hình 3.5. Hình dạng hình học đặc trưng của prơfin lá hướng chiều
38
Hình 3.6. Hình dạng hình học đặc trưng của prơfin lá tua bin
38
Hình 3.7. Mơ hình hình học của tầng lá hướng chiều tầng 1
39
Hình 3.8. Mơ hình hình học của tầng lá tua bin tầng 1
39
Hình 3.9. Mơ hình hình học của tầng lá hướng chiều tầng 2
40
Hình 3.10. Mơ hình hình học của tầng lá tua bin tầng 2
40
Hình 3.11. Mơ hình sơ đồ bố trí các modun của tua bin máy nén
41
Hình 3.12. Hiệu chỉnh lưới bán tự động theo biên dạng profin lá
41
Hình 3.13. Miền Mơ hình lưới chia của lá hướng chiều tầng 1
42
Hình 3.14. Lựa chọn mơ hình tua bin với Z là trục quay
43
Hình 3.15. Đặt các điều kiện đầu vào cho từng thành phần
44
Hình 3.16. Đặt các điều kiện đầu vào cho tổng thể tồn mơ hình
44
Hình 3.17. Tạo phần kết nối giữa các modun trong hệ thống
45
Hình 3.18. Miền tính tốn và điều kiện biên sau khi đã thiết lập
45
Hình 3.19. Lựa chọn số bước giải và sai số hội tụ của bài tốn mơ phỏng
46
Hình 3.20. Giải bài tốn mơ phỏng bằng CFX-Solver Manager
46
Hình 3.21. Sự suy giảm nhiệt độ tồn phần theo chiều dọc trục
48
Hình 3.22. Sự suy giảm áp suất toàn phần theo chiều dọc trục
49
x
Hình 3.23. Sự thay đổi các thơng số dịng chảy theo chiều dọc trục
50
Hình 3.24. Sự thay đổi nhiệt độ qua các tầng tua bin nhìn theo 2 phía
51
Hình 3.25. Sự thay đổi áp suất qua các tầng tua bin nhìn theo 2 phía
52
Hình 3.26. Biến thiên vận tốc và nhiệt độ qua một tầng tua bin
53
Hình 3.27. Trường phân bố nhiệt độ theo các chế độ hoạt động của động cơ
55
Hình 3.28. Trường phân bố áp suất theo các chế độ hoạt động của động cơ
56
Hình 3.29. Đồ thị phân bố nhiệt độ và áp suất theo chiều cao lá tua bin
56
Hình 3.30. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ trên lá tua tin theo các chế
60
độ làm việc của động cơ TB2 – 117A
xi
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Tua bin là một thành phần quan trọng, dùng để biến đổi năng lượng của dịng
khí cháy từ sau buồng đốt thành công cơ học để kéo quay máy nén và các thiết bị khác
lắp trên động cơ. Quá trình làm việc, các lá tua bin chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các điều
kiện như nhiệt độ cao và áp suất lớn, cùng với đó là các tải trọng động tác dụng gây
ảnh hưởng rất lớn đến độ bền về mặt kết cấu của các lá tua bin động cơ. Qua thời gian
làm việc, những hỏng hóc phát sinh xuất hiện với tỉ lệ ngày càng nhiều, do nhiều
ngun nhân khác nhau. Chính vì vậy, việc khảo sát nhiệt khí động trên các lá tua bin
trở nên rất quan trọng; qua đó giúp người sử dụng có thể phân tích, đánh giá và dự
đốn được các hỏng hóc có thể xảy ra để có những biện pháp khắc phục kịp thời.
Quá trình làm việc của động cơ trải qua nhiều chế độ khác nhau như chế độ ga
nhỏ, chế độ đường dài, chế độ định mức, chế độ cất cánh. Việc xác định sự thay đổi
của các tham số nhiệt khí động trên tua bin là một bài tốn phức tạp, do đó cần đặt vấn
đề nghiên cứu quy luật thay đổi nhiệt độ trên các lá tua bin của động cơ. Thực tế cho
thấy, việc tiến hành thực nghiệm để khảo sát nhiệt khí động trên tua bin là rất khó
thậm chí khơng thể thực hiện được trong điều kiện kĩ thuật như ở nước ta hiện nay.
Trong trường hợp này, việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp mơ phỏng số thơng
qua các phần mềm tính toán động lực học lưu chất (Computional Fluid Dynamics CFD) để mô phỏng sự thay đổi của các yếu tố nhiệt độ, áp suất trên các lá tua bin và
sử dụng mơ hình mơ phỏng số để ứng dụng khảo sát các bài toán liên quan khác đang
đặt ra là giải pháp hữu hiệu nhất.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ
thông tin, vấn đề mơ phỏng số trên máy tính đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành
kỹ thuật. Mô phỏng số nói chung và mơ phỏng số về sự thay đổi của các tham số nhiệt
khí động trên tua bin của động cơ nói riêng được hiểu là kỹ thuật xây dựng mơ hình
của q trình lưu động dịng khí cháy qua tua bin bằng phương pháp số, kết hợp cơng
nghệ mơ phỏng trên máy tính để giải bài tốn dòng lưu chất trên tua bin động cơ và
dựa trên cơ sở đó để mơ tả, giải thích và dự đốn ảnh hưởng của các tham số nhiệt khí
động đến độ bền kết cấu, tuổi thọ cũng như các hỏng hóc xảy ra trên tua bin.
xii
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với quá trình khảo sát thực
tế cụ thể: khảo sát đo đạc các thông số về kết cấu tua bin của động cơ TB2-117A tại
Trường Sĩ quan Khơng Qn để xây dựng mơ hình tính; thực tế khảo sát lấy số liệu tại
e915 để phục vụ cho q trình nghiên cứu, khảo sát; phân tích, lựa chọn mơ hình tính
phù hợp với q trình lưu động của dịng khí cháy khi qua tua bin của động cơ; sử
dụng phần mềm Ansys CFX để mô phỏng số sự thay đổi của các tham số nhiệt khí
động trên các lá tua bin của động cơ.
Kết quả nghiên cứu:
Bài tốn mơ phỏng số nhiệt khí động trên tua bin của động cơ TB2-117A được
giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn dựa trên phần mềm Ansys CFX, được tiến
hành theo trình tự sau:
-
Xây dựng mơ hình hình học: Khảo sát và đo thực tế kích thước của các lá
tua bin, lá hướng chiều hình thành nên tua bin máy nén của động cơ TB2117A và dựa trên cơ sở đó xây dựng mơ hình 3D của các thành phần bằng
công cụ Design Modeler trong Ansys Workbench.
-
Chia lưới: Tiến hành chia lưới bán tự động trong TurboGrid dưới dạng
Hexahedral (để bảo đảm cho hai mặt biên tuần hoàn) lấy theo tham số Y+
thơng qua số Reynolds có giá trị 1,2e+7; kết hợp với việc hiệu chỉnh vị trí các
mắt lưới theo biên dạng profin lá đảm bảo hướng dòng chảy của dịng khí đi
vào biên dạng mép trước của lá và thoát ra theo độ cong của kênh dẫn khí.
-
Thiết lập điều kiện biên: Các biên được lựa chọn ở đây là biên Inlet và biên
Outlet, kết hợp với sử dụng tường Shroud và tường Hud cho vỏ ngoài và vỏ
trong của tua bin động cơ.
-
Thiết lập trình tự giải trong CFX: Phân tích và sử dụng mơ hình chảy rối
SST với các tham số đầu vào như tốc độ vòng quay, nhiệt độ, áp suất và lưu
lượng dòng khí... Đồng thời thiết lập số bước giải và độ hội tụ của kết quả
tính tốn.
Kết quả mơ phỏng đã phản ánh đúng yêu cầu bài toán đặt ra, việc xây dựng mơ
hình hình học, các điều kiện biên và phương pháp giải là đúng đắn.
xiii
Kết luận và khuyến nghị:
-
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và các phần mềm chuyên
dùng, vấn đề tính tốn bằng mơ phỏng số đang được áp dụng rộng rãi trong
thiết kế, kiểm nghiệm, đánh giá, dự báo. Để bài tốn mơ phỏng đạt được độ
chính xác cao và kết quả sát với thực tế luôn cần phải lựa chọn được mơ
hình tính chính xác và phù hợp.
-
Sử dụng phần mềm mô phỏng Ansys CFX cùng với kĩ thuật CFD thực hiện
mô phỏng số sự thay đổi của các tham số nhiệt khí động trên tua bin của
động cơ một cách ổn định và tin cậy.
-
Kết quả mơ phỏng hồn tồn phù hợp với lý thuyết về q trình lưu động của
dịng khí khi qua tua bin của động cơ, đặc biệt kết quả cho dưới dạng 3D rất
sinh động và trực quan, do đó có thể dùng kết quả này phục vụ cho công tác
nghiên cứu và đào tạo, cũng như phục vụ công tác giảng dạy của bản thân đối
với môn học lý thuyết động cơ tại Trường Sĩ quan Không Quân.
-
Tổng hợp được các kết quả nghiên cứu, tiến hành xây dựng được quy luật
thay đổi nhiệt độ trên lá tua bin theo các chế độ hoạt động theo lý thuyết của
động cơ. Đồng thời xây dựng được đồ thị đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt
độ lớn nhất trên lá tua bin theo các chế độ làm việc thực tế của động cơ, và
có sự so sánh với lý thuyết.
-
Kết quả nghiên cứu của luận văn là cơ sở để mở ra các hướng nghiên cứu mới
chuyên sâu hơn khi sử dụng lý thuyết CFD để giải các bài toán liên quan đến
nhiệt khí động trên tua bin động cơ nói riêng và các bài tốn liên quan tới q
trình truyền nhiệt, biến dạng cũng như hiện tượng tự dao động có thể của lá tua
bin trong q trình làm việc.
-
Việc khai thác sử dụng, theo dõi nhiệt độ khí cháy trên tua bin của động cơ
chủ yếu dựa vào việc quan sát các tham số của đồng hồ đo trên buồng lái và
theo tài liệu hướng dẫn sử dụng. Vì vậy, sau khi đề tài hoàn thiện và đưa
quy luật thay đổi nhiệt độ khí cháy trước tua bin có thể sử dụng làm tài liệu
tham khảo trong thực tế tại các đơn vị giúp nâng cao hiệu quả khai thác sử
dụng đối với các trực thăng được trang bị động cơ TB2 – 117A.
xiv
-
Lý thuyết CFD vẫn đang là lĩnh vực rất mới và tài liệu về vấn đề này cịn rất
ít, các cơng trình nghiên cứu, tài liệu chính thức in thành sách hầu như hạn
chế. Các tài liệu về hướng dẫn sử dụng phần mềm Ansys CFX chủ yếu bằng
tiếng Anh địi hỏi người sử dụng cần phải có được trình độ tiếng Anh tốt
mới có thể hiểu và khai thác sử dụng được phần mềm.
Từ khóa
Động lực học lưu chất, nhiệt độ trên tua bin, temperature of turbine, Ansys CFX
xv
MỞ ĐẦU
Tua bin khí được sử dụng rất rộng rãi trên các động cơ tua bin phản lực ứng dụng
trong ngành hàng khơng. Dịng khí đi qua động cơ được hòa trộn với dầu đốt và đốt
cháy liên tục trong buồng đốt, sau đó giãn nở qua các tầng của tua bin. Luồng khí giãn
nở này mang một nhiệt lượng rất lớn với áp suất cao sẽ truyền năng lượng vào các lá
cánh trên các tầng tua bin để làm quay roto của tua bin. Các lá trên các tầng tua bin luôn
phải chịu một môi trường nhiệt độ quá nhiệt rất cao và áp suất lớn, đặc biệt là các tầng
đầu tiên của tua bin mức độ ảnh hưởng càng lớn. Cùng với đó là trong q trình sử dụng
động cơ, các hỏng hóc xuất hiện trên các lá cánh tua bin xuất hiện ngày càng nhiều theo
thời gian sử dụng, dẫn tới hay hỏng hóc và giảm độ tin cậy. Q trình thay đổi ấy có thể
kéo dài theo thời gian (hay hành trình sử dụng) và phụ thuộc vào nhiều nguyên nhân
khác nhau như: Chất lượng vật liệu; công nghệ chế tạo, lắp ghép; điều kiện khai thác sử
dụng; điều kiện chịu tải... Tuy nhiên, xét về điều kiện kĩ thuật của nước ta hiện nay,
chúng ta không thể tác động làm thay đổi kết cấu cơ bản của động cơ, chính vì thế việc
khảo sát nhiệt khí động trên các lá cánh tua bin đóng một vai trị quan trọng trong việc
phân tích, đánh giá và dự báo các hỏng hóc xảy ra trên tua bin động cơ.
Động cơ TB2-117A được lắp trên trực thăng Mi-8 đã và đang được biên chế và
sử dụng trong Quân đội nhân dân Việt Nam. Nhưng hầu như các động cơ đang sử dụng
đều đã có tuổi thọ cao và đã trải qua quá trình sửa chữa lớn, đại tu. Hiện nay, chúng ta
đang thực hiện khai thác kỹ thuật hàng khơng theo trạng thái. Chính vì thế, việc xuất
hiện các hỏng hóc phát sinh trong q trình sử dụng động cơ là không thể tránh khỏi.
Đặc biệt là các hỏng hóc liên quan đến các lá cánh tua bin của động cơ. Nếu khơng có
sự chuẩn đốn và phát hiện kịp thời rất dễ dẫn đến mất an toàn bay trong quá trình huấn
luyện và chiến đấu. Ngày nay, để xác định tình trạng kỹ thuật của một thiết bị chúng ta
có rất nhiều cách khác nhau như: phương pháp tổng hợp thống kê; phương pháp mô
phỏng số; sử dụng các phương tiện thiết bị thực nghiệm hiện đại...
Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng, tuy nhiên để có thể tiếp
cận các vấn đề một cách trực quan và khoa học tác giả đề xuất đề tài luận văn cao học
“Nghiên cứu quy luật thay đổi nhiệt độ trên cánh tua bin của động cơ TB2-117A
bằng phương pháp mô phỏng số”.
1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về đề tài
Như đã trình bày, tua bin là thành phần chịu tác động lớn nhất bởi các yếu tố
như nhiệt độ cao, áp suất lớn cũng như các tải trọng động tác dụng. Q trình phát sinh
các hỏng hóc trên tua bin sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng làm việc ổn định và
tin cậy của động cơ, nghiêm trọng hơn với các hỏng hóc lớn có thể làm phá hủy tồn
bộ kết cấu của tua bin động cơ gây đe dọa và uy hiếp an toàn bay nghiêm trọng. Mặt
khác, quá trình làm việc của động cơ trải qua nhiều chế độ khác nhau như chế độ ga
nhỏ, chế độ đường dài, chế độ định mức, chế độ cất cánh. Việc xác định sự thay đổi
của các tham số nhiệt khí động trên tua bin là một bài toán phức tạp, do đó cần đặt vấn
đề nghiên cứu quy luật thay đổi nhiệt độ trên các lá cánh tua bin của động cơ. Thực tế
cho thấy, việc tiến hành thực nghiệm để khảo sát nhiệt khí động trên tua bin là rất khó
thậm chí khơng thể thực hiện được trong điều kiện kĩ thuật như ở nước ta hiện nay.
Trong trường hợp này, việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô phỏng số thơng
qua các phần mềm tính tốn động lực học lưu chất (Computional Fluid Dynamics CFD) để mô phỏng sự thay đổi của các yếu tố nhiệt độ, áp suất trên các lá cánh tua bin
và sử dụng mô hình mơ phỏng số để ứng dụng khảo sát các bài toán liên quan khác
đang đặt ra là giải pháp hữu hiệu nhất.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ
thông tin, vấn đề mơ phỏng trên máy tính đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ
thuật. Các phần mềm CFD xây dựng dựa trên kỹ thuật tính tốn động lực học lưu chất
đã cho phép mơ phỏng chuyển động dịng lưu chất xung quanh vật thể có hình dạng
bất kỳ. Mơ phỏng được đánh giá là phương pháp khoa học hiện đại tái hiện lại hoạt
động của hệ thống thực nên rất hiệu quả trong nghiên cứu các hệ thống phức tạp, cơ sở
nghiên cứu lý thuyết và định hướng nghiên cứu thực nghiệm, cung cấp cái nhìn sâu sắc
về hệ thống phức tạp, và kiểm nghiệm kết quả những vấn đề tranh luận hay lý thuyết
giả định đã được đặt ra.
Mơ phỏng số nói chung và mơ phỏng số về sự thay đổi của các tham số nhiệt
khí động trên tua bin của động cơ nói riêng được hiểu là kỹ thuật xây dựng mơ hình
của q trình lưu động dịng khí cháy qua tua bin bằng phương pháp số, kết hợp công
2
nghệ mơ phỏng trên máy tính để giải bài tốn dòng lưu chất trên tua bin động cơ và
dựa trên cơ sở đó để mơ tả, giải thích và dự đốn ảnh hưởng của các tham số nhiệt khí
động đến độ bền kết cấu, tuổi thọ cũng như các hỏng hóc xảy ra trên tua bin. Từ đó có
thể rút ra được vai trò và ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn của đề tài như sau:
- Định hướng việc ứng dụng lý thuyết tính tốn động lực học lưu chất (CFD) để
nghiên cứu sự thay đổi của các tham số nhiệt khí động trên tua bin thơng qua việc sử dụng
phần mềm mơ hình hóa và mơ phỏng hiện đại phù hợp với điều kiện nước ta hiện nay.
- Việc mơ tả chính xác q trình lưu động của dịng khí diễn ra trong tua bin và
mức độ phân bố nhiệt độ, áp suất trên lá cánh tua bin của động cơ cho phép mơ tả, giải
thích đúng bản chất các hiện tượng hỏng hóc xảy ra trên tua bin của động cơ.
- Hồn thiện phương pháp tính các bài tốn về đặc tính khí động trên lá cánh
tua bin như trường phân bố nhiệt độ, trường phân bố áp suất và trường phân bố vận tốc
trên tua bin của động cơ.
- Tạo tiền đề ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải quyết các bài toán
liên quan đến truyền nhiệt, biến dạng cũng như hiện tượng tự dao động của các chi tiết
trong quá trình làm việc.
- Từ kết quả của bài tốn mơ phỏng, kết hợp với các nghiên cứu lý thuyết tiến
hành ứng dụng mô hình bài tốn mơ phỏng để khảo sát quy luật thay đổi nhiệt độ trên lá
cánh tua bin theo các chế độ hoạt động của động cơ và theo điều kiện khai thác sử dụng.
- Các kết quả tính tốn mơ phỏng mang tính trực quan, sinh động và cung cấp
được các tư liệu cần thiết cho việc giảng dạy, học tập và nghiên cứu chuyên sâu các
môn học về động cơ tua bin khí trong các cơ sở đào tạo, giảng dạy.
1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu đề tài
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc
Phần mềm Ansys CFX nói chung và ứng dụng CFX vào mơ phỏng số quá trình
hoạt động của tua bin trên động cơ nói riêng đã được nghiên cứu từ lâu ở những nước
tiên tiến, nhất là ở Mỹ, Nga và các nước Châu Âu. CFX đã được nghiên cứu ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực, trong đó phải kể đến những lĩnh vực chính như hàng khơng
vũ trụ, cơng nghiệp đóng tàu, sinh học, y tế, khí tượng... Trong ngành chế tạo máy, các
hãng sản xuất lớn thế giới đã đưa CFX vào chương trình nghiên cứu của mình để thực
3
hiện q trình mơ phỏng và tính tốn các trường nhiệt độ, ứng suất và biến dạng để
phục vụ cho bài tốn thiết kế tối ưu các máy móc, thiết bị... Đó cũng là chiến lược phát
triển để nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh sản phẩm. Riêng trong lĩnh vực động
cơ hàng không, CFX cũng đã được nghiên cứu ứng dụng giải quyết nhiều bài toán như
xây dựng các mơ hình dịng chảy, biến dạng về nhiệt độ, ứng suất, độ bền mỏi của các
chi tiết, sự lan truyền của ngọn lửa trong buồng đốt, kết cấu tối ưu cho buồng đốt động
cơ, truyền nhiệt làm mát cho các lá cánh tua bin trong động cơ và nhiều bài tốn có
liên quan khác.
Với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết tính tốn động lực học lưu chất cho
phép nghiên cứu động học các dòng chảy bao quanh vật thể. Ngay từ đầu những năm
80, Ferit Boysan và Bart Patel ở Mỹ đã đặt nền móng cho sự phát triển của các phần
mềm mơ phỏng tính tốn. Sau nhiều năm nghiên cứu và phát triển với một loạt các
ứng dụng trong các lĩnh vực truyền nhiệt, mô tả dịng chảy của chất khí và chất lỏng,
các vật thể chuyển động, các vấn đề vật lý liên quan đến nhiều pha (rắn, lỏng,
khí)....Phần mềm Fluent đã chứng minh được nó là phần mềm đáng tin cậy, hội tụ
nhanh chóng và chiếm vị trí hàng đầu trên thế giới.
1. Bài báo khoa học “The SST Turbulence Model with ImprovedWall Treatment
for Heat Transfer Predictions in Gas Turbines” [12] của tác giả Florian
MENTER, Thomas ESCH đã phân tích sâu hơn về mơ hình rối SST trong
việc cải thiện xử lý các mơi trường gần tường, cũng như khảo sát tính tối ưu
của việc lựa chọn tham số Y+ trong việc xây dựng mơ hình phần tử. Kết quả
này một lần nữa khẳng định việc lựa chọn các mơ hình phần tử theo tham số
Y+ và mơ hình rối SST đảm bảo được độ chính xác cao khi mơ phỏng dịng
khí chuyển động qua tua bin động cơ trong phạm vi nghiên cứu của luận văn.
2. Bài báo khoa học “Turbine blade temperature calculation and life
estimation a sensitivity analysis” [13] của tác giả MajidRezazadeh Reyhani
đã trình bày ảnh hưởng của các điều kiện như nhiệt độ, áp suất cao đối với
tuổi thọ cũng như độ bền của các lá cánh tua bin được làm mát đối lưu bên
trong. Đồng thời thiết lập bài tốn mơ phỏng bằng phần mềm Ansys CFX
cho một tua bin mẫu, với việc sử dụng phương pháp chia lưới với tham số
Y+ theo số Reynol và sử dụng mô hình rối SST cho kết quả tính tốn mơ
4
phỏng phù hợp với quy luật biến đổi của các tham số, có độ chính xác cao.
Các kết quả này hồn tồn có thể sử dụng trong việc khảo sát tính tốn mơ
phỏng nhiệt khí động trên tua bin động cơ TB2-117A.
3. Nghiên cứu “Numerical analyses of heat transfer in high-temperature
loaded turbine blades” [14] của tác giả Robert Kwiatkowski, Roman
Domanski đã sử dụng phương pháp mơ phỏng số để tính toán cho các lá
cánh tua bin, bao gồm cả thuộc tính vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ. Qua
q trình phân tích các kết quả mơ phỏng cho thấy phần bề mặt mép trước
của lá cánh tua bin có nhiệt độ cao hơn mép sau và sự phân bố này diễn ra
không đồng đều giữa các vùng trên lá cánh tua bin. Đây là cơ sở để so sánh
và đánh giá các kết quả đối với bài tốn mơ phỏng được xây dựng trong của
luận văn sau khi hoàn thành.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, vấn đề mô phỏng trên máy
tính đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành kĩ thuật, đặc biệt là trong các trường đại
học và các viện nghiên cứu. Việc ứng dụng mô phỏng số đối với các nghiên cứu về tua
bin khí nói chung và tua bin trong các động cơ phản lực nói riêng chưa được nhiều, cụ
thể có một số nghiên cứu có liên quan như:
1. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu lý thuyết bài toán tương tác FSI ứng
dụng vào mơ phỏng bài tốn tua bin gió và tua bin động cơ phản lực hai
luồng” [4] của tác giả Lưu Hồng Quân đã đi sâu vào nghiên cứu, ứng dụng
tính tốn FSI với mơ hình tua bin gió và tua bin phản lực; giới thiệu chung
về code tính tốn dùng trong Ansys, mơ phỏng tương tác FSI cánh tua bin
gió, mơ phỏng tương tác FSI tua bin cao áp động cơ phản lực hai luồng.
Đây là cơ sở để bản thân tham khảo phương pháp tính và cũng như định
hướng ứng dụng mô phỏng số để thực hiện các nội dung trong luận văn.
2. Bài báo khoa học „„Xác định trường nhiệt độ trên tầng cánh tua bin bằng
phương pháp phần tử hữu hạn” [5] của tác giả Nguyễn Trung Kiên, Vũ Đức
Mạnh và bài báo „„Khảo sát làm mát cánh tua bin động cơ tua bin khí hàng
không bằng phần mềm Fluent” [7] của tác giả Lê Văn Một, Hồ Tuấn Anh đã
tiến hành mô tả trực quan trường phân bố nhiệt độ trên lá cánh tua bin động
5
cơ bằng ứng dụng phần mềm Ansys Fluent. Kết quả của đề tài đã mô tả được
bản chất vật lý của quá trình truyền nhiệt và thể hiện được những điểm cần
chú ý khi thiết kế chế tạo lá cánh tua bin. Việc sử dụng cách thức làm mát
cho tua bin giúp tối ưu hóa các lá cánh tua bin về độ bền nhiệt. Tuy nhiên các
nghiên cứu này chỉ phân tích bản chất của phương pháp mơ phỏng trên tua
bin nói chung mà khơng đề cập đến một đối tượng cụ thể nào. Đây là cơ sở
quan trọng giúp luận văn khái quát và định hướng được cách thức tính tốn
mơ phỏng đó là sử dụng cơng cụ là phần mềm Ansys Fluent để khảo sát nhiệt
khí động trên tua bin. Đồng thời đi sâu phân tích vào một đối tượng cụ thể sẽ
giúp cho việc ứng dụng đề tài vào thực tiễn trở nên trực quan hơn.
3. Bài báo khoa học “Ứng dụng phần mềm Ansys Fluent để mơ phỏng dịng
chảy đằng sau một tua bin phát điện” [10] của tác giả Nguyễn Văn Thịnh,
Nguyễn Văn Giáp đã chỉ ra rằng việc lựa chọn mơ hình rối thích hợp sẽ tác
động đến kết quả và độ tin cậy của q trình tính tốn trên tua bin máy phát
điện. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi chúng ta cần khảo sát và
mô phỏng nhiều tầng tua bin đặt liên tiếp nhau theo hướng của dòng chảy.
Đồng thời việc xác định các mơ hình rối thích hợp có ý nghĩa quyết định
quan trọng tới kết quả cũng như độ chính xác của bài tốn.
Kết luận
Từ việc phân tích các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước có liên quan
đến đề tài có thể rút ra được các nhận xét sau đây:
-
Mặc dù bài tốn mơ phỏng số dòng chảy trên tua bin của động cơ đã được
thực hiện nhưng hầu hết các nghiên cứu chỉ dừng lại khảo sát ở các mơ hình
mẫu được thiết kế dưới dạng chung gồm một cấp (tầng) tua bin, không đề
cập tới các kích thước và chi tiết cụ thể, cũng như việc thiếu đi các số liệu
thực tế để so sánh, đánh giá.
-
Các nghiên cứu về đề tài này hầu như thiếu đi tính ứng dụng thực tiễn. Đa
số xoay quanh việc thiết kế, thay đổi kết cấu bên trong của chi tiết... Đối với
những người trực tiếp thực hiện công tác khai thác và sử dụng như chúng ta
thì khó có thể tác động về mặt kết cấu. Thay vào đó là việc hình thành
những cơ sở khoa học giúp cho việc đánh giá, phân tích hỏng hóc giúp nâng
6
cao độ bền cũng như độ tin cậy trong quá trình khai thác và sử dụng là cần
thiết hơn nhất.
Vì vậy, trong nội dung của luận văn ngoài việc nghiên cứu, ứng dụng phần
mềm mô phỏng Ansys CFX vào khảo sát trên một loại động cơ cụ thể, tác giả tiến
hành tìm hiểu kĩ hơn về cách thức tạo mơ hình hình học, việc sử dụng các mơ hình
phần tử cũng như lựa chọn phương pháp tính thích hợp để cho kết quả có độ chính xác
cao. Đối tượng khảo sát đó là động cơ TB2-117A, động cơ này hiện đang được giảng
dạy và sử dụng trong huấn luyện tại Trường Sĩ quan Không Quân. Thông qua các điều
kiện làm việc cụ thể tiến hành xây dựng quy luật thay đổi nhiệt độ trên các lá cánh tua
bin của động cơ. Đây là cơ sở khoa học và trực quan giúp ích cho cơng tác giảng dạy,
nghiên cứu cũng như trong việc phân tích và đánh giá các hỏng hóc xảy ra trên tua bin
của động cơ.
1.3. Mục tiêu, phƣơng pháp, nội dung, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Từ những trình bày trên đây, có thể rút ra mục tiêu nghiên cứu của đề tài như sau:
- Lựa chọn mơ hình tốn phù hợp với q trình mơ phỏng số sự thay đổi của các
tham số nhiệt khí động trên tua bin của động cơ.
- Mô phỏng số sự thay đổi của các tham số nhiệt khí động trên tua bin trên một
động cơ cụ thể, đó là động cơ TB2-117A - động cơ tua bin khí của Nga.
Từ mục tiêu nghiên cứu trên, đề tài nhằm mục đích nghiên cứu cụ thể như sau:
- Xây dựng quy luật thay đổi nhiệt độ trên các lá cánh tua bin máy nén tầng 1
theo các chế độ hoạt động của động cơ và điều kiện khai thác tại e915.
- Đưa ra cơ sở lý thuyết để phân tích, dự báo và chuẩn đốn các hỏng hóc xảy
ra trên lá cánh tua bin máy nén của động cơ. Đồng thời đề xuất một số giải pháp giúp
nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ tại đơn vị khai thác và sử dụng.
1.3.2. Đối tƣợng nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
+ Các lá cánh tua bin máy nén tầng 1 của động cơ TB2-117A;
+ Công cụ mô phỏng số bằng phần mềm Ansys CFX;
+ Mơ hình bài tốn mô phỏng sự thay đổi của các tham số nhiệt khí động trên
các lá cánh tua bin của động cơ;
- Khách thể nghiên cứu: Động cơ TB2-117A được lắp trên trực thăng Mi-8.
7
- Đối tượng khảo sát: Sự ảnh hưởng của điều kiện làm việc của động cơ và điều
kiện khai thác sử dụng tới quy luật thay đổi nhiệt độ trên lá cánh tua bin.
1.3.3. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tính tốn nhiệt khí động trên các lá cánh tua
bin máy nén của động cơ TB2-117A; theo các chế độ làm việc của động cơ và điều
kiện khai thác sử dụng tại e915 bằng việc sử dụng công cụ mô phỏng số.
1.3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với quá trình khảo sát thực
tế cụ thể: khảo sát đo đạc các thông số về kết cấu tua bin của động cơ TB2-117A tại
Trường Sĩ quan Không Quân để xây dựng mơ hình tính; thực tế khảo sát lấy số liệu tại
e915 để phục vụ cho quá trình nghiên cứu, khảo sát; phân tích, lựa chọn mơ hình tính
phù hợp với q trình lưu động của dịng khí cháy qua tua bin của động cơ; sử dụng
phần mềm Ansys CFX để mô phỏng số sự thay đổi của các tham số nhiệt khí động trên
các lá cánh tua bin của động cơ.
1.3.5. Giới hạn của đề tài
- Đề tài mới chỉ dừng lại ở tính tốn đặc tính khí động của lá cánh tua bin, chưa
xem xét tới quá trình truyền nhiệt, biến dạng cũng như hiện tượng tự dao động có thể
của lá trong q trình làm việc.
- Q trình tính tốn và khảo sát chỉ tiến hành trên các lá cánh tua bin máy nén
(gồm 2 cấp đầu), cịn các lá cánh tua bin tự do khơng tham gia vào q trình tính tốn.
- Số mơ hình phần tử, số lượng các bước giải và độ hội tụ của bài toán chỉ dừng
lại ở các con số khiêm tốn (do điều kiện trang thiết bị máy tính khơng cho phép).
1.4. Kết cấu luận văn
Luận văn gồm có 4 chương với bố cục như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu, bao gồm các nội dung như:
tổng quan về đề tài; tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước đối với vấn đề đặt
ra trong đề tài; mục tiêu, phương pháp, nội dung và phạm vi nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn các tham số nhiệt khí động trên tua bin của động
cơ TB2-117A
8
Chương này trình bày một số vấn đề lý thuyết có liên quan đến nội dung của đề
tài, gồm các thông số, các chế độ hoạt động cơ bản của động cơ TB2-117A, cơ
sở lý thuyết về sự thay đổi các tham số nhiệt khí động trên tua bin, cơ sở về
phương pháp mô phỏng số được sử dụng để tính tốn và mơ phỏng.
Chương 3: Nghiên cứu mơ phỏng quy luật thay đổi nhiệt độ trên các lá cánh tua bin
tầng 1 động cơ TB2-117A
Đây là nội dung chính của luận văn, bao gồm trình tự các bước tiến hành mơ
phỏng, các kết quả tính tốn mơ phỏng nhiệt khí động trên tua bin. Qua đó ứng
dụng mơ hình bài toán để khảo sát quy luật thay đổi nhiệt độ theo các chế độ
hoạt động của động cơ và điều kiện khai thác, sử dụng.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
Trình bày các kết luận và khuyến nghị sau khi thực hiện xong đề tài.
Ngồi ra, cịn có thêm phần phụ lục và tài liệu tham khảo.
Kết luận chƣơng 1
Nội dung chương 1 khái quát tổng quan các nội dung nghiên cứu của đề tài.
Trong đó tập trung vào các vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó có cái nhìn
tổng quan, đánh giá tạo ra cơ sở phương pháp luận để tìm hiểu, nghiên cứu và phát
triển thêm các nội dung của đề tài.
9
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ NHIỆT
KHÍ ĐỘNG TRÊN TUA BIN CỦA ĐỘNG CƠ TB2-117A
2.1. Khái quát chung về động cơ TB2-117A
Động cơ TB2-117A là động cơ tua bin khí có tua bin tự do, được lắp trên trực
thăng Mi-8 dùng để kéo quay cánh quay chính, cánh quạt đi và các thiết bị khác trên
trực thăng.
Động cơ TB2-117A là một thành phần của thiết bị tạo lực trên trực thăng Mi-8.
Trực thăng Mi-8 lắp 2 động cơ, động cơ bên phải và động cơ bên trái. Chúng có thể
lắp lẫn cho nhau với điều kiện xoay ống xả khí thốt của động cơ (Hình 2.1).
Với khả năng cơ động, có tính kinh tế và độ tin cậy cao, trực thăng Mi-8 được
sử dụng để vận chuyển người (tối đa khoảng 24 người), hàng hóa, phương tiện quân sự
và tham gia các nhiệm vụ huấn luyện quan trọng khác như nhảy dù, huấn luyện phi
công, bay tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn...
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí hai động cơ TB2-117A với giảm tốc chính BP-8A
trên trực thăng Mi-8
10
