Nghiên cứu phương pháp làm mát cánh tuabin động cơ hàng không sử dụng công cụ mô phỏng số CFD

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN HỮU TÚ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT CÁNH TUABIN ĐỘNG CƠ
HÀNG KHÔNG SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN HỮU TÚ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT CÁNH TUABIN ĐỘNG CƠ
HÀNG KHÔNG SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỐ CFD
Chuyên ngành : Kỹ thuật máy thủy khí
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LƯU HỒNG QUÂN

HÀ NỘI - 2018


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN
Tôi – Nguyễn Hữu Tú, học viên cao học mã số CBC17014 Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là cơng trình nghiên cứu của bản thân tơi dưới sự
hướng dẫn của TS. Lưu Hồng Quân – Bộ mơn Kỹ thuật Hàng khơng và Vũ trụ, Viện
Cơ khí động lực – Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn
là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Tác giả LVTN

Nguyễn Hữu Tú
Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hồn thành của luận văn tớt
nghiệp và cho phép bảo vệ:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Giảng viên hướng dẫn

TS. Lưu Hồng Quân

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... 4
KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT .............................................................. 7
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................. 8
1. Lý do chọn đề tài: .......................................................................................... 8
2. Lịch sử nghiên cứu ........................................................................................ 8
3. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 10
4. Các luận điểm cơ bản .................................................................................. 12
5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................ 12
6. Lời cảm ơn ................................................................................................... 13
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................. 14
1.1 Tổng quan về làm mát động cơ tuabin khí ............................................... 14
1.2. Điều kiện làm việc chung và hiệu suất làm mát ...................................... 22
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ ... 23
2.1. Thông số cơ bản của cơ học chất lỏng. ..................................................... 23
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn cho cơ học chất lỏng. ............................ 26
2.3. Phương pháp biến đổi tọa độ C3X-NASA. .............................................. 29
2.3. Phần tử hữu hạn cơ học chất lỏng trong ANSYS APDL....................... 31

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

2.4 Làm mát bằng phương pháp đối lưu ........................................................ 42
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA CÁNH TUABIN C3X - NASA .................... 48
3.1. Mơ hình hóa C3X-NASA sử dụng tọa độ các điểm (Bảng 1) ................. 49
3.2. Mơ hình hóa bài tốn khí động- nhiệt-cơ cho mơ hình C3X-NASA ..... 53
3.3 Điều kiện biên và thơng số nhiệt của lỗ làm mát...................................... 55
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT .............................. 58
4.1. Khí động học cánh tuabin C3X-NASA. ................................................... 58
4.2. Phân bố nhiệt độ tác dụng lên mơ hình cánh C3X chưa có lỗ làm mát 60
4.3 Phân bố nhiệt độ tác dụng lên cánh tuabin có lỗ làm mát. .................... 63
4.4. Tác động cơ học của dịng nhiệt tác động lên cánh tuabin C3X có lỗ làm
mát. ................................................................................................................................ 68
CHƯƠNG 5. TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................... 70
5.1. Tổng Kết...................................................................................................... 70
5.2. Hướng Phát Triển. ..................................................................................... 70
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 84

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Lịch sử về cơng nghệ làm mát cánh tuabin........................................................ 9
Hình 2. Mơ hình cánh C3X-NASA ............................................................................... 11
Hình 3. Mơ hình hóa bài tốn phân bớ nhiệt C3X–NASA với 10 lỗ làm mát .............. 11
Hình 4: Cấu tạo chung của động cơ tuabin khí .............................................................. 14
Hình 5: Ngun lý hoạt động của động cơ tuabin khí .................................................. 15
Hình 6: Cánh bị phá hủy do sản phẩm cháy gây ra....................................................... 17
Hình 7. Làm mát bằng đới lưu ...................................................................................... 18

Hình 8: Làm mát bằng tương tác của khí nén ............................................................... 19
Hình 9: Làm mát bằng màng ......................................................................................... 20
Hình 10. Làm mát bằng phương pháp tràn khí ............................................................. 20
Hình 11. Cánh tuabin C3X ............................................................................................ 21
Hình 12. Cánh tuabin C3X ............................................................................................ 22
Hình 13. Vi phân thể tích V được biểu diễn theo các phương x,y,z ............................. 23
Hình 14. Mơ hình các lỗ và thơng sớ của từng lỗ trong hệ tọa độ Ouv ........................ 29
Hình 15. Mơ hình biến đổi ma trận quay giữa hai hệ tọa độ ........................................ 30
Hình 16. Tọa độ các lỗ tâm làm mát trong C3X-NASA ............................................... 31
Hình 17. Phần tử FLUID 141-2D ................................................................................. 36
Hình 18. Phần tử FLUID 142-3D ................................................................................. 36
Hình 19Hình 19. Phần tử Plan55 và biến thể của Plane 55 (K=L) ............................... 37
Hình 20. Phần tử Solid 70 và dạng biến thể của Solid 70............................................. 37
Hình 21. Ansy-Fluent .................................................................................................... 38
Hình 22. Ứng dụng CHT trong mơ phỏng turbine blade .............................................. 41
Hình 23. Mơ phỏng dịng đới lưu của lớp phủ trái đất .................................................. 43
Hình 24. Hiện tượng đới lưu tự nhiên ........................................................................... 44
Hình 25. Dịng khí và chất lỏng làm mát được phun trong cánh tuabin ....................... 45

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hình 26. Làm mát bằng tương tác khí nén.................................................................... 46
Hình 27. Sơ đồ bớ trí thực nghiệm C3X-NASA 1983 .................................................. 48
Hình 28. Kích thước độ rộng của Inlet theo Wang Qiang 2008 ................................... 49
Hình 29. Thơng sớ mơ hình cánh C3X-NASA 1983 .................................................... 49
Hình 30. Hệ các diểm cho mơ hình khí động C3X-NASA ........................................... 50
Hình 31. Đường Spline mơ hình C3X-NASA .............................................................. 50

Hình 32. Mơ hình C3X-NASA trên APDL................................................................... 51
Hình 33. Mơ hình C3X trên Solidwork......................................................................... 52
Hình 34. Mơ hình 3D C3X-NASA ............................................................................... 52
Hình 35. Mơ hình bài tốn khí động học C3X-NASA-2D ........................................... 53
Hình 36. Mơ hình bài tốn khí động học C3X-NASA-3D ........................................... 54
Hình 37. Mơ hình bài tốn khí động C3X-NASA có FSI ............................................. 54
Hình 38. Mơ hình bài tốn nhiệt độ C3X-NASA 3D................................................... 54
Hình 39. Mơ hình bài tốn Cơ- nhiệt ............................................................................ 55
Hình 40. Contour vận tớc cánh C3X-NASA................................................................. 58
Hình 41. Biểu đồ vector vận tớc dịng khí bao quanh C3X-NASA .............................. 59
Hình 42. Contour vận tớc cánh C3X-NASA của Wang 2015 ...................................... 59
Hình 43. Conntour áp lực dịng khí động tác dụng lên C3X-NASA ............................ 60
Hình 44. Cơng tua vận tớc dịng khí động học.............................................................. 61
Hình 45. Cơng tua áp suất tĩnh dịng khí động học ....................................................... 61
Hình 46. Nhiệt phân bố tại vùng chuyển tiếp giữa các miền vật liệu .......................... 62
Hình 47. Kết quả nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất ........................................................... 62
Hình 48. Mơ hình bài tốn làm mát C3X NASA .......................................................... 63
Hình 49. Lưới chia mơ hình nhiệt C3X-NASA có lỗ làm mát ..................................... 64
Hình 50. Phân bớ nhiệt độ trên C3X-NASA ................................................................. 65
Hình 51. Phân bớ nhiệt độ lên dịng khí interior fluid .................................................. 65
Hình 52. Phân bớ dịng nhiệt của mơ hình C3X-NASA(interior fluid and solid) ........ 66

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hình 53. Đồ thị phân bớ nhiệt C3X-NASA .................................................................. 67
Hình 54. Đồ thị phân bớ nhiệt dịng khí động học bao quanh C3X-NASA ................. 67
Hình 55. Đồ thị phân bớ nhiệt cả mơ hình bài tốn nhiệt ............................................. 68

Hình 56. Giá trị nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất được thể hiện qua Static Structural. .... 68
Hình 57. Ứng suất C3X do yếu tớt nhiệt gây ra ............................................................ 69
Hình 58. Chuyển vị mơ hình C3X do yếu tố nhiệt gây ra............................................. 69

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
CFD…….….....Computational fluid dynamics – Tính tốn động lực học chất lỏng.
RANS……………..Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulation– Tính tốn rới bằng
việc trung bình hóa phương trình Navier-Stokes theo thời gian.
CRVP………….. Counter – rotating vortex pairs – xoáy kép quay ngược chiều nhau.
CHT……………. Conjugate Heat Transfer – Truyền nhiệt liên hợp

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Hiện nay, động cơ hàng không được sản xuất theo xu hướng tăng công suất hoạt
động, tạo ra lực đẩy lớn cho máy bay, giúp thời gian bay được khai thác hiệu quả hơn.
Nhưng việc tạo ra lực đẩy lớn trong động cơ sẽ dẫn đến nhiệt lượng từ buồng đốt tác
động lên tuabin sẽ rất lớn, điều này dẫn đến việc giảm tuổi thọ của cánh tuabin. Các
phương pháp làm giảm nhiệt lượng tác động lên cánh tuabin đã được nghiên cứu và
phương pháp hiệu quả nhất là làm mát cánh tuabin. Phương pháp này cho phép nhiệt
độ trong buồng đớt có thể tăng cao hơn so với cánh không được làm mát, giúp nhiên

liệu được cháy triệt để hơn, tạo ra nhiều năng lượng hơn và cánh tuabin vẫn hoạt động
an toàn.
Ngoài ra, việc sử dụng các phương thức làm mát không chỉ giúp cho việc ngăn
dịng khí nóng ( có thể lên đến hơn 1600oC) tác động trực tiếp làm cánh tuabin bị hỏng
nhanh chóng, mà từ đó cịn làm tăng tuổi thọ cánh, dẫn đến tăng hiệu suất làm việc của
động cơ. Ngoài ra điều này cịn giúp giảm chi phí của động cơ.
Chính vì vậy, đề tài chọn nghiên cứu về vấn đề làm mát cánh tuabin là một vấn
đề nổi bật trong thời điểm hiện nay.
2. Lịch sử nghiên cứu
Hơn nửa thế kỷ trước, động cơ phản lực tuabin khí ra đời trong chiến tranh thế
giới II nhưng sau đó, sức mạnh và hiệu năng của động cơ tuabin khí đầu tiên bị hạn chế
do nguyên liệu tạo nên cánh tuabin không thể chịu được nhiệt độ hoạt động cao của
động cơ. Vì vậy, các động cơ này được thiết kế sao cho nhiệt độ dịng ra ở buồng đớt
khơng vượt q giới hạn vật liệu cánh tuabin, từ đó dẫn đến việc động cơ bị giảm hiệu
suất một cách đáng kể.
Sau đó, việc làm mát đã cánh tuabin để cho phép tăng công suất tua bin và hiệu
quả đã được đưa vào sử dụng. Bước tiến mới này cho phép các tuabin khí có thể cạnh
8


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

tranh với các động cơ nhiệt khác để kinh doanh, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không và
máy phát điện. Mặc dù cách làm mát đầu tiên là bằng phương pháp đới lưu có thể gọi
là bản thơ so với chuẩn hiện tại, nhưng đó nền tảng cơ bản của làm mát cho các thành
phần cánh tua-bin hiện nay.

Hình 1: Lịch sử về cơng nghệ làm mát cánh tuabin
Chú thích:


Turbine entry temperature: Nhiệt độ dịng khí vào tuabin.



Uncooled turbine: Tuabin khơng được làm mát.



Allowable metal temperature: Nhiệt độ vật liệu làm cánh có thể chịu

được.


Introduction of blade cooling: Giới thiệu làm mát cánh tuabin.



Simple cooling: Làm mát đơn giản.



Convection: Đối lưu.



Sophisticated cooling systems: Hệ thống làm mát tiên tiến.

9

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



Film, Impingement, convection: Làm mát bằng màng, khí nén, đới lưu.



Projected trend new material: Dự án vật liệu mới.



Transpiration and others: Sự thoát hơi nước và các dạng khác.



New cooling concept: Khái niệm làm mát mới.

Kể từ khi phát triển, nhiều cải tiến và bổ sung cho cơ sở của phương pháp làm
mát đã được phát triển. Dựa trên việc làm mát bằng đối lưu khí sẵn có, việc thêm cơng
nghệ làm mát bằng màng (film cooling) là một bước tiến vượt bậc trong công nghệ. Từ
đó, cơng nghệ làm mát trong cánh tuabin ngày nay không thể thiếu được công nghệ
làm mát bằng đối lưu và làm mát bằng màng. Luận văn dựa trên một cơng trình nghiên
cứu của NASA về làm mát bằng đới lưu khí năm 1983.
3. Đới tượng nghiên cứu
Đới tượng nghiên cứu là cánh tuabin của NASA – C3X với 10 lỗ làm mát, quá
trình làm mát diễn ra bằng hiện tượng đới lưu khí. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ
lên mơ hình C3X-NASA (Hình 2) bằng phương pháp thể tích hữu hạn – mơ phỏng sớ
bằng ANSYS Fluent. Kết quả đưa ra được so sánh với bài báo q́c tế những thực

nghiệm bằng việc mơ hình hóa sử dụng mã lập trình trên phần mềm ANSYS. Những
kết quả này giúp cải tiến công nghệ làm mát thông qua việc tạo ra các cấu hình lỗ làm
mát. Nhờ đó giúp cánh tuabin có thể được làm mát hiệu quả hơn nhờ việc mơ hình hóa
có thơng sớ đầu vào (Hình 3) để có được phân bớ nhiệt độ cho cánh C3X-NASA.

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hình 2. Mơ hình cánh C3X-NASA

Hình 3. Mơ hình hóa bài tốn phân bố nhiệt C3X–NASA với 10 lỗ làm mát
11


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

4. Các luận điểm cơ bản
Luận văn đã hồn thiện thiết kế mơ hình C3X-NASA sử dụng phương pháp tọa
độ ma trận điểm và mô hình hóa lại 3D trên Solidwork và Catia. Luận văn cũng mơ
phỏng khí động học mơ hình cánh tuabin C3X-NASA bằng phương pháp phần tử hữu
hạn trong APDL và thể tích hữu hạn trong ANSYS Fluent. Nghiên cứu đã cho thấy
ảnh hưởng của dòng nhiệt lên cánh C3X-NASA sử dụng phương pháp phần tử hữu
hạn. Đặc biệt luận văn này đề cập đến liên kết vùng biến đổi giữa chất lỏng và vật rắn
2D-FSI trong APDL cũng như Mesh interface trong ANSYS-Fluent. Kết quả thu được
sẽ so sánh với những cơng bớ gần đây. Ngồi ra luận văn cịn đề cập đến ảnh hưởng
của nhiệt độ đến cánh tuabin C3X-NASA thông qua ứng suất và biến dạng ảnh hưởng
trực tiếp đến độ bền mỏi của động cơ và gián tiếp đến tuổi thọ của cánh tuabin. Luận
văn cũng là cơ sở cho những bước tiếp theo được phát triển lên phần tử liên tục hoặc

được ứng dụng tính đúng đắn của phương pháp và mơ hình cho những mơ hình cánh
tuabin cụ thể.
Điều đặc biệt ở luận văn này một chương trình hồn thiện mơ hình C3X-NASA
được lập trình dựa trên tọa độ các điểm mà nhà sản xuất đã công bố. Những câu lệnh
này được phát triển trên phần mềm chun biệt lập trình cho hướng đới tượng cụ thể là
C3X-NASA. Chương trình này được sử dụng cho nghiên cứu đầu tiên về dịng khí
động của của mơ hình C3X từ đó kết quả thu được được so sánh đánh giá tại những
vùng nguy hiểm kết hợp với những tham khảo từ các nhóm nghiên cứu cũ của Bingxu
Wang et al [38].
Điểm đặc biệt bài toán đã cho thấy được ảnh hưởng của dòng nhệt từ lỗ làm mát
biến đổi trong quá trình làm mát làm thay đổi nhiệt độ dẫn đến những thay đổi tế vi gây
nguy hiểm về lâu dài cho mơ hình. Vì vậy việc quản lý làm mát cần được điều khiển để
tăng tuổi thọ cho cánh tuabin, từ đó đem lại lợi ích kinh tế.
5. Phương pháp nghiên cứu

12


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Phương pháp nghiên cứu sẽ thông qua các lý thuyết về làm mát trong động cơ
đã có sẵn, từ đó xác định vấn đề cần mơ phỏng. Sau đó, dựa trên mơ hình C3X-NASA
đã được nghiên cứu từ các bài báo khoa học và có các thơng sớ cụ thể, từ đó sử dụng
cơng cụ ANSYS Fluent để mơ phỏng bài tốn. Bước ći thơng qua một số bài báo
khoa học đưa ra đánh giá, nhận xét về kết quả.
6. Lời cảm ơn
Cuối cùng, mặc dù đã có những định hướng cũng như kết quả cụ thể, tuy nhiên,
trong quá trình làm luận văn cũng khơng thể tránh được những sai sót. Vì vậy, em rất
mong nhận được sự thơng cảm, đóng góp ý kiến của thầy cơ để giúp em có thể làm tớt
hơn nữa.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS. Lưu Hồng Quân, các thầy cô
trong bộ môn và các bạn trong lớp đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn
thạc sĩ này. Em xin chân thành cảm ơn!

13


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Tổng quan về làm mát động cơ tuabin khí
Trước năm 1940, động cơ piston được sử dụng để tạo ra lực đẩy chủ yếu cho
máy bay. Sau năm 1940, do sự phát triển của ngành hàng không, nhiều thế hệ máy bay
mới đã ra đời. Đòi hỏi những động cơ có lực đẩy lớn hơn với kích thước, khới lượng
nhỏ gọn hơn. Ngồi ra, chúng cịn phải có khả năng cung cấp năng lượng điện, thủy
lực, khí nén khi máy bay hoạt động ở độ cao lớn, tốc độ cao. Trước u cầu đó, động
cơ tubin khí được ra đời.
Động có tubin khí có cấu tạo chung gồm: Ống hút, máy nén, buồng đớt, tuabin
khí và ớng xả/đẩy.

Hình 4: Cấu tạo chung của động cơ tuabin khí
Nguyên lý hoạt động của động cơ tuabin khí:
Dịng khơng khí từ mơi trường xung quanh được hút vào động cơ qua ống hút,
sau đó khơng khí sẽ được dẫn vào máy nén. Tại đây khơng khí được nén tới áp suất
phù hợp để tạo điều kiện cháy tốt nhất trong buồng đốt. Sau khi qua máy nén khơng
khí được cấp vào buồng đớt. Tại đây một phần khơng khí (dịng sơ cấp) được trộn lẫn
14


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

với nhiên liệu phun vào buồng đốt từ hệ thống thống nhiên liệu động cơ dưới dạng
sương. Hỗn hợp khơng khí nhiên liệu được đớt cháy giải phóng nhiệt năng. Phần khí
cịn lại (dịng thứ cấp) được trộn lẫn với sản phẩm cháy để giảm nhiệt độ trước khi vào
tuabin và bảo vệ buồng đốt. Tại tuabin nhiệt năng mà nhiên liệu cung cấp cho dịng khí
sẽ được truyền cho tuabin (sinh cơng) làm quay tuabin, tức năng lượng của dịng khí
biến đổi thành cơ năng để tuabin làm quay máy nén và quạt. Sau khi giãn nở qua tuabin
dịng khí tiếp tục đi qua ống đẩy/xả với vận tốc lớn để tạo lực đẩy cho động cơ.

Hình 5: Nguyên lý hoạt động của động cơ tuabin khí
Sản phẩm cháy thốt ra từ buồng đớt thường có nhiệt độ cao, áp suất cao, vận tớc cao
và có thể chứa axit sunfuaric điều này làm cho cánh có thể bị biến dạng dẻo, ăn mịn
hóa học ở cánh. Sản phẩm cháy thốt ra từ buồng đớt thường có nhiệt độ cao, áp suất
cao, vận tớc cao và có thể chứa axit sunfuaric điều này làm cho cánh có thể bị biến
dạng dẻo, ăn mịn hóa học ở cánh. Ngày nay mặc dù công nghệ sản suất cánh tuabin đã
phát triển lớn mạnh với nhiều trường phái và tối ưu mới cho cánh như [1-4] tuy nhiên
việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng cơ tính của cảnh tuabin vẫn ít
được đề cập đến. Những giá trị ứng suất và biến dạng do nhiệt gây ra về lâu dài này sẽ

15


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

tác động trực tiếp đến độ bền mỏi của cánh tuabin sau nhiều năm hoạt động. Như vậy
để làm ổn định nhiệt độ của cánh tránh được những thay đổi nhiệt độ làm biến đổi cấu
trúc và ảnh hưởng mức độ tế vi đến cánh, luận văn này nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt
độ đến cánh bằng phương pháp phân bố nhiệt hỗn hợp bằng phương pháp phần tử hữu
hạn. Mơ hình được phát triển nhờ lập trình tính tốn sớ trên APDL để đưa ra được một
chương trình mơ phỏng tồn diện từ khâu đưa vào vật liệu thiết lập lưới chia và lập

trình cho những lựa chọn mơ hình khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu người sử dụng
(Phụ Lục ). Gần đây cũng có nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới cũng đã nghiên cứu
ảnh hưởng của dịng nhiệt nóng lạnh đến biểu đồ phân bố nhiệt nhiệt cánh tuabin đưa
ra những giải pháp làm mát khác nhau [5-8]. Các kết quả đưa ra được so sánh bằng
thực nghiệm cho các nhóm này tuy nhiên để phát triển lên mơ hình phần tử hữu hạn
hoặc xa hơn nữa là phần tử liên tục cho các nhóm này vẫn chưa được đề cập đến với
bài toán tương tác cơ nhiệt trên cánh tuabin sử dụng phương pháp CHT [9-22]. Cũng
cùng với ưu điểm phát triển của những thiết bị cảm biến và vòng điều khiển tới ưu hóa
đã có nhiều mơ hình hóa được phát triển dựa trên C3X của NASA [23-25] nhờ tối ưu
thiết kế. Điểm mạnh của những phương pháp này là có được những kết quả thực
nghiệm nhưng với tớc độ thay đổi chóng mặt của ngành hàng khơng như hiện nay thì
cơng việc cho kĩ sư nghiên cứu và phát triển mơ hình cánh tuabin được tích hợp nhiều
yếu tố như quản lý nhiệt cũng như làm mát hoặc những vật liệu mới cho cánh tuabin
[26-27] hoặc những loại khí làm mát mới [28] được đưa vào trong quá trình chế tạo sản
xuất. Tuy nhiên với những thay đổi nhanh chóng của nhiệt độ thì dịng chảy nhiệt theo
ngun lý năng lượng ln đi từ chỗ có nhiệt độ cao đến chỗ có nhiệt độ thấp sẽ tạo ra
một lực do dãn nở nhiệt của vật liệu gây ra. Ngoại lực này gây ra phá hủy về lâu dài
ảnh hưởng đến tuổi thọ cũng như vòng đời của cánh tuabin ( Hình [6]).

16


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hình 6: Cánh bị phá hủy do sản phẩm cháy gây ra
Một cách khái quát, có nhiều cách nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên cánh tuabin
như FEM hoặc CEM [29-35] hoặc thực nghiệm như với mơ hình C3X của NASA [3637]. Vì vậy để có được những đỏi mới trong việc duy trì độ ổn định của mơ hình cánh,
những thay đổi vượt bậc trong cơng nghệ vũ trụ, làm mát thì nghiên cứu ảnh hưởng của
nhiệt độ đên cánh tuabin là điều cần thiết để có được những giải pháp làm mát cho
cánh tuabin.

Để bảo vệ cánh, người ta đã sử dụng một số giải pháp như:


Sử dụng vật liệu làm cánh tuabin tớt hơn. Ví dụ: Hợp kim Niken.



Sử dụng lớp bảo vệ nhiệt bên ngồi vật liệu làm cánh.Ví dụ: Gốm Ceramic.



Sử dụng các kỹ thuật làm mát..

Các kỹ thuật làm mát thường sử dụng trong động cơ tuabin khí gồm:
 Làm mát bên trong cánh (internal cooling).
 Làm mát bên ngoài cánh (external cooling).
1.1.1 Làm mát bên trong cánh:

17


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

 Làm mát bằng đối lưu: Là kỹ thuật làm mát thông dụng nhất cho cánh tuabin
khí. Q trình làm mát xảy ra ở bên trong cánh, sau khi diễn ra quá trình dẫn
nhiệt từ cánh. Ở đây, khí làm mát chảy từ gớc cánh, di chuyển qua nhiều đường
dẫn khí bên trong cánh, mang theo mơt lượng nhiệt thơng qua q trình đới lưu
trong cánh trước khi rời khỏi cánh tại mép ra và hịa trộn với dịng khí nóng.

Hình 7. Làm mát bằng đới lưu

 Làm mát bằng tương tác do khí nén (Impingement cooling): Là kỹ thuật làm
mát gần giống như làm mát bằng đới lưu cho cánh tuabin khí nhưng có sự cải

18


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

tiến. Đầu tiên khí làm mát chảy vào bên trong vật cài thêm vào cánh. Vật này có
nhiều lỗ nhỏ. Khí làm mát được ép qua các lỗ nhỏ này phun trực tiếp vào mặt
trong cánh. Kỹ thuật này giúp dịng khí mát tăng khả năng tiếp xúc với vật liệu
bên trong cánh tuabin do đó làm tăng khả năng trao đổi nhiệt bằng đới lưu. Hỗn
hơp khí sau đó được thốt ra tại mép ra của cánh tuabin khí và hịa trộn với dịng
khí nóng.

Hình 8: Làm mát bằng tương tác của khí nén
1.1.2 Làm mát bên ngoài cánh
 Làm mát bằng màng: Là kỹ thuật làm mát hiệu quả nhất sử dụng cho cánh
tuabin khí. Ở đây, khí làm mát chảy qua các lỗ nhỏ ở mép vào cánh tuabin.
Dưới áp lực của dịng khí nóng, nó tạo thành một màng khí mát mỏng bên ngồi
cánh. Màng khí này ngăn khơng cho dịng khí nóng tiếp xúc trực tiếp với vật
liệu làm cánh tuabin giúp bảo vệ cánh tuabin.

19


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hình 9: Làm mát bằng màng
 Làm mát bằng phương pháp tràn khí (Cooling effusion): Đây là phương

pháp sử dụng vật liệu có tính xớp để làm cánh tuabin. Điều này dẫn đến việc
thuận lợi cho việc làm mát bằng màng do có nhiều lỗ trên bề mặt. Tuy nhiên, do
ảnh hưởng của dịng khí nóng và có áp suất cao ở bên ngồi làm cho dịng khí
này dễ thâm nhập vào bên trong cánh, cùng với đó là cánh làm từ vật liệu này có
cấu trúc khơng bền, điều này dẫn đến việc suy giảm hiệu suất làm mát cũng như
ứng dụng rộng rãi của phương pháp này.

Hình 10. Làm mát bằng phương pháp tràn khí

20


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ví dụ:
Động cơ CFM – 56 – 5B, người ta chỉ làm mát ở hai tầng cánh tuabin cao áp
đầu tiên.
Tầng cánh hướng dòng và cánh quay thứ nhất: Sử dụng phương pháp làm mát
bằng đới lưu, khí nén và màng.
Tầng cánh hướng dịng thứ hai: Sử dụng phương pháp làm mát bằng đối lưu và
khí nén.
Tầng cánh quay thứ hai: Sử dụng phương pháp làm mát bằng đới lưu.
Ngồi mục đích làm mát thì việc cải tiến mơ hình là vơ cùng quan trọng trong
ngày cơng nghiêp máy bay ngày nay. Nói một cách mơ hình hóa, một sớ nhóm nghiên
cứu đã tới ưu hóa được mơ hình profil của cánh dựa vào nghiên cứu do ảnh hưởng của
nhiệt độ đến mơ hình C3X.

Hình 11. Cánh tuabin C3X

21

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hình 12. Cánh tuabin C3X
Điều ći cùng khơng thể bỏ qua đó là những ứng dụng của việc nghiên cứu này
sẽ là nền cho việc ứng dụng những mơ hình cánh máy bay thật như ngày nay (Hình
[11-12]) với nhiều lỗ làm mát và thụ hưởng từ nền công nghiệp vật liệu phát triển với
công nghệ vật liệu tiên tiến cho cánh. Cũng không thể phụ nhận góc nhìn từ khoa học,
nghiên cứu này sẽ là những kết quả có giá trị cao cho nhưng mơ hình và phương pháp
dựa trên những kết quả này có được.
1.2. Điều kiện làm việc chung và hiệu suất làm mát
Tuabin là một trong những bộ phận quan trọng của động cơ máy bay và hiệu
suất làm việc của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ. Việc sử dụng các
phương thức làm mát không chỉ giúp cho việc ngăn dịng khí nóng ( có thể lên đến hơn
1600oC) tác động trực tiếp làm cánh tuabin bị hỏng nhanh chóng, mà từ đó cịn làm
tăng tuổi thọ cánh, dẫn đến tăng hiệu suất làm việc của động cơ. Ngồi ra điều này cịn
giúp giảm chi phí của động cơ.
Công nghệ làm mát trong các nghiên cứu và các động cơ được sử dụng hiện nay
bao gồm cả làm mát bằng đối lưu và làm mát bằng màng. Trong luận văn này sẽ
nghiên cứu làm mát bằng đối lưu trên cánh C3X – NASA.

22


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG SỐ
2.1. Thơng số cơ bản của cơ học chất lỏng.
Phương trình bảo tồn khới lượng ở dạng khác nhau có thể thu được bằng cách

áp dụng phương pháp bảo tồn khới lượng trên vi phân thể tích được thể hiện trong
hình Hình 13 theo hệ trục tọa đồ Đề- Các với các phương x,y,x một cách tương ứng.
Trong 1 số trường hợp sử dụng hệ tọa độ cầu hoặc hệ tọa độ trụ những công thức này
được thay đổi tùy theo nhu cầu bài toán. Ở đây hệ tọa độ Đề Các được sử dụng với 3
phương x,y,z một cách tương ứng.


Theo phương x:



Theo phương y:



Theo phương z:

𝝏
𝝏𝒙

(ρu) dxdydz

𝝏
𝝏𝒚
𝝏
𝝏𝒛

(ρu) dxdydz

(ρu) dxdydz

Với ρ là khối lượng riêng chất lỏng xét đến trong vi phân vô cùng nhỏ thể tích V.

Hình 13. Vi phân thể tích V được biểu diễn theo các phương x,y,z

23