TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ 2 So sánh cấu tạo và ưu, nhược điểm của động cơ short duct turbofan và động cơ long duct turbofan

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG --- TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ 2 So sánh cấu tạo và ưu, nhược điểm của động cơ short duct turbofan và động cơ long duct turbofan BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG --- TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ 2 So sánh cấu tạo và ưu, nhược điểm của động cơ short duct turbofan và động cơ long duct turbofan BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG --- TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ 2 So sánh cấu tạo và ưu, nhược điểm của động cơ short duct turbofan và động cơ long duct turbofan

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG

-TIỂU LUẬN MÔN HỌC ĐỘNG CƠ TUA BIN KHÍ 2

So sánh cấu tạo và ưu, nhược điểm của động cơ short duct turbofan

và động cơ long duct turbofan

SVTH : HỒ ZY ĐAN

LÊ THANH TIẾN TRẦN THỊ THU UYÊN DƯƠNG MINH HIẾU NGUYỄN BÁ THÁI BÌNH GVMH: LÊ TẤN LỘC

Tp Hồ Chí Minh, 28 tháng 5 năm 2021

MỤC LỤC

I LỊCH SỬ 5

II LONG DUCT VÀ SHORT DUCT TURBOFAN ENGINE 7

1 Nhận biết 7

2 Ống xả chung (Common Exhaust Nozzle) 9

III BỘ TRỘN 14

1 Giới thiệu 14

2 Các loại bộ trộn 15

3 Ưu điểm 18

Tăng lực đẩy của động cơ 18

Giảm tiếng ồn của động cơ: 19

IV TỔNG KẾT 25

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

MỤC LỤC HÌNH

Hình I-1 Ba loại giảm tiếng ồn 6

Hình I-2 Ví dụ về giảm tiếng ồn trên động cơ short fan duct và long fan duct 7

Hình II-1 Động cơ Long duct và Short duct 8

Hình II-2 Ống xả chung trên động cơ có hệ số bypass cao 9

Hình II-3 Các loại đảo chiều lực đẩy 12

Hình II-4 Clamshell door trên động cơ thực tế 13

Hình II-6 Bucket target door trên động cơ thực tế 13

Hình II-8 Cascade reverser trên động cơ thực tế 14

Hình III-1 Bộ trộn trên động cơ turbofan 15

Hình III-2 Hai loại bộ trộn 16

Hình III-3 Bộ trộn hình khuyên dạng “Chevron” 16

Hình III-4 Bộ trộn trong gấp nếp 17

Hình III-5 Lobed annular mixer 17

Hình III-6 Biểu đồ gia tăng Gross Thrust trên lý thuyết giữa hệ số bypass và tỉ lệ nhiệt độ 19

Hình III-7 Ống xả và các xoáy gây ra tiếng ồn 20

Hình III-8 So sánh tiếng ồn trên động cơ có hệ số bypass thấp và cao 21

Hình III-9 Biểu đồ so sánh mức độ ồn giữa các loại động cơ 21

Hình III-10 Biểu đồ độ ồn của dòng lõi khi trang bị các bộ trộn khác nhau 22

Hình III-11 Biểu đồ độ ồn của dòng bypass khi trang bị các bộ trộn khác nhau 23

Hình III-12 Vị trí và cấu tạo của lớp lót hấp thụ tiếng ồn 24

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ phản lực cánh quạt (Turbofan engine) là sự kết hợp giữa cánh quạt vàđộng cơ phản lực, cho hiệu suất cao nhất trong một số điều kiện bay cao hơn cận

âm và thấp hơn siêu âm Sự thay đổi cơ bản từ Turbojet là sự ra đời của một quạtvới nhiều lá cánh có ống dẫn và bao bọc, bao gồm một tầng phía trước máy nén ápsuất thấp hoặc một tầng trong low pressure turbine Một lá cánh quạt nhất định cóthể đặc hoặc rỗng, thường được làm bằng thép, hợp kim kim loại titan hoặc nhẹhơn là composite với các cạnh bằng kim loại

Bài tiểu luận này được tập trung phân tích, mô tả đơn giản cơ bản về cấu tạo, ưuđiểm và nhược điểm của động cơ long duct turbofan và short duct turbofan Việc

sử dụng các công thức phức tạp cũng đã được lược bỏ để có thể trình bày rõ ràng,ngắn gọn và chính xác nội dung Do đó, không mô tả và công thức nhiều để hiểu

về chức năng và lý thuyết của động cơ phản lực cánh quạt Đồng thời trình bày cácthí nghiệm thực tế để thấy được tính hiệu quả của hai loại động cơ

1 LỊCH SỬ.

Mặc dù tuabin và máy nén đã được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhautrong nhiều năm nhưng ý tưởng kết hợp cả hai thành phần với các đầu đốt ở giữa

và sử dụng dòng chảy tuabin để đẩy một chiếc máy bay chỉ xuất hiện bởi hai người

là Frank Whittle ở Anh và Hans Joachim Pabst von Ohain ở Đức, họ làm việc độclập và không hề biết đến ý tưởng của người còn lại

Động cơ máy bay phải có trọng lượng nhẹ Việc đáp ứng yêu cầu này với cácvật liệu có đủ độ bền để có thể chịu được trong một khoảng thời gian dài, môitrường nhiệt độ cao, ứng suất cao của các bộ phận quay nóng của động cơ là mộtvấn đề lớn trong các động cơ phản lực thời kỳ đầu - và vẫn còn với chúng ta ngàynay khi nhiệt độ động cơ tiếp tục tăng Vô số vấn đề về thiết kế chi tiết như vòng

bi, bôi trơn, khe hở, phương pháp chế tạo và nối … Tuy nhiên, tất cả những vấn đềnày đã được khắc phục một cách thô sơ vào cuối những năm 1930 và đầu nhữngnăm 1940

Giám đốc điều hành hàng không Sir Frank Whittle được coi là cha đẻ của các

hệ thống đẩy phản lực hiện đại Khi còn là một sĩ quan trẻ trong Lực lượng Khôngquân Hoàng gia Anh, ông đã bắt đầu quan tâm đến các dạng động cơ đẩy máy baytiên tiến Ông đã cố gắng nhưng không thành công trong việc nhận hỗ trợ cho việcnghiên cứu và phát triển ý tưởng của mình Ông vẫn kiên trì theo sáng kiến củariêng mình và nhận được bằng sáng chế đầu tiên về động cơ phản lực vào tháng 1năm 1930 Với sự hỗ trợ tài chính tư nhân, ông bắt đầu chế tạo động cơ đầu tiênvào năm 1935 Động cơ này có một máy nén ly tâm một tầng được kết hợp với mộttuabin một tầng, được thử nghiệm thành công vào tháng 4 năm 1937 Tuy đây chỉ

là một thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, không bao giờ được sử dụng cho máybay nhưng nó đã chứng minh tính khả thi của khái niệm động cơ phản lực

Sau đó động cơ được nghiên cứu và phát triển để ứng dụng trong hàng khôngdân dụng và quân sự cho tới ngày nay

Ban đầu, các máy bay vận tải dân dụng được trang bị động cơ turbojet Động cơnày có dòng khí xả ở tốc độ cao, vì thế gây ra tiếng ồn lớn Vì thế, nhiều bộ giảmtiếng ồn được bắt đầu sử dụng trên động cơ phản lực bằng cách chia nhỏ dòngphản lực lớn thành các dòng nhỏ hơn (hình I.1 a và b) [1.]

Một kiểu giảm tiếng ồn khác được đề xuất bằng việc hút và trộn không khí bên

hỗn hợp tạo thành thấp hơn vận tốc của khí thải tự do của riêng động cơ, và tiếng

ồn tại nguồn cũng giảm theo đó

Hình I-1 Ba loại giảm tiếng ồn.

Động cơ turbofan có hệ số bypass làm cho hiệu suất đẩy được gia tăng Tuynhiên động cơ turbofan đã làm gia tăng tiếng ồn gây ra bởi fan Các nghiên cứu vềđộng cơ có hệ số bypass thấp, turbofan thế hệ thứ nhất cho thấy tiếng ồn lan truyền

từ ống xả của fan lớn hơn tiếng ồn đến từ khí xả của lõi

Tiếng ồn của quạt được xử lí bằng việc trang bị các ống được làm bằng vật liệuhấp thụ tiếng ồn, Động cơ long fan duct được trang bị ống giảm tiếng ồn như hìnhbên dưới

Hình I-2 Ví dụ về giảm tiếng ồn trên động cơ short fan duct và long fan duct.

2 LONG DUCT VÀ SHORT DUCT TURBOFAN ENGINE.

cơ có hệ số bypass cao

- Short duct engine có hai loại ống xả tách rời, một dùng cho dòng khí quaFan và một dùng cho dòng khí đi qua lõi động cơ – một dòng khí này đềuđộc lập xả ra môi trường thông qua hai vòi xả khác nhau Thường thấp ởđộng cơ turbofan có hệ số bypass cao.

Hình II-3 Động cơ Long duct và Short duct.

Hệ thống xả của hai loại động cơ này có sự khác nhau giữa có và không có ống

xả chung Dẫn đến các bộ phận của hệ thống xả như bộ đảo chiều lực đẩy, bộ trộn,

bộ giảm tiếng ồn, … có sự khác nhau

Hình II-4 Ống xả chung trên động cơ có hệ số bypass cao.

4 ỐNG XẢ CHUNG (COMMON EXHAUST NOZZLE)

Ống xả chung là thành phần chính để xác định động cơ đó là long duct hayshort duct Động cơ được trang bị ống xả chung vì một vài lí do sau: [2.]

- Nếu động cơ được trang bị Afterburner thì việc trộn hai dòng khí bypass vàlõi sẽ làm lực đẩy sau khi đốt cháy tăng nhiều hơn

- Ở điều kiện bay bằng, một phần nhỏ lực đẩy và SFC được cải thiện

- Bộ đảo chiều lực đẩy hoạt động hiệu quả hơn

- Tiếng ồn của dòng khí được xả thông qua ống xả chung được giảm đáng kể

so với dòng khí xả từ lõi của động cơ có ống xả riêng biệt

Thí nghiệm “Lợi ích khí động lực học của động cơ có ống xả chung” [3.] đưa ranhận xét như sau:

- So sánh hiệu suất tổng thể trong cùng điều kiện số Mach và Net thrust chothấy: đối với động cơ hệ số bypass nhỏ hơn 8 thì động cơ có ống xả chung(MXD EXH) tăng hơn khoảng 2-3% so với động cơ có ống xả tách riêng(SEP EXH) Đối với động cơ có hệ số BPR từ 8 trở lên thì hiệu xuất tổng thểcủa động cơ có ống xả chung lại thấp hơn Mức độ tiêu hao nhiên liệu cảithiện đối với động cơ có hệ số bypass nhỏ hơn 8, nhưng lớn hơn 8 thì tệ hơn

SEP EXH TOC_MAX Des BPR=4

MXD EXH TOC_MAX Des BPR=4

SEP EXH TOC_MAX Des BPR=6

MXD EXH TOC_MAX Des BPR=6

SEP EXH TOC_MAX Des BPR=8

MXD EXH TOC_MAX Des BPR=8

Độ cao 35000 35000 35000 35000 35000 35000

Số Mach 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 Net thrust 9000 9000 9000 9000 9000 9000 SFC 0.6741 0.6582 0.6221 0.6113 0.5924 0.5978 Hiệu suất tổng 0.2887517 0.295727 0.3128878 0.3184157 0.3285744 0.3256064 Hiệu suất đẩy 0.6174 0.6112 0.6748 0.6707 0.7171 0.7187 Hiệu suất lõi 0.5552 0.554 0.5536 0.5528 0.5527 0.5522 Hiệu suất

truyền 0.8423807 0.8733691 0.837563 0.858812 0.8290192 0.8204439

Bảng 1 So sánh hiệu suất của động cơ turbofan có ống xả chung ở điều kiện Top

of Climb.

SEP EXH CRUISE Des BPR=4

MXD EXH CRUISE Des BPR=4

SEP EXH CRUISE Des BPR=6

MXD EXH CRUISE Des BPR=6

SEP EXH CRUISE Des BPR=8

MXD EXH CRUISE Des BPR=8

Độ cao 35000 35000 35000 35000 35000 35000

Số Mach 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 Net thrust 6000 6000 6000 6000 6000 6000 SFC 0.6633 0.6427 0.619559 0.6073 0.5957 0.6071 Hiệu suất tổng 0.2934532 0.302859 0.314171 0.3205129 0.3267542 0.3206185 Hiệu suất đẩy 0.6693 0.6671 0.72747 0.7276 0.7685 0.7743 Hiệu suất lõi 0.5262 0.5247 0.525561 0.5248 0.5254 0.5259 Hiệu suất

SEP EXH SLTO Des BPR=4

MXD EXH SLTO Des BPR=4

SEP EXH SLTO Des BPR=6

MXD EXH SLTO Des BPR=6

SEP EXH SLTO Des BPR=8

MXD EXH SLTO Des BPR=8

Net thrust 26334 26850 27972 28324 29685 29204 SFC 0.43485 0.4299 0.3734 0.3688 0.33143 0.3369 Hiệu suất lõi 0.4633 0.464 0.4605 0.4612 0.4588 0.4575

Bảng 3 So sánh Gross thrust ở Sea Level Take Off

Từ thí nghiệm trên có thể thấy được việc trang bị và không trang bị ống xảchung đã có ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ Về cơ bản, ống xả chung làm vậntốc của dòng core giảm nhưng vận tốc trung bình của dòng khí tăng, bằng cáchtrộn hai dòng khí thông qua bộ trộn (phần 5.), vì thế lực đẩy của động cơ tăng Tuynhiên, việc trang bị ống xả trên các động cơ có BPR lớn làm gia tăng đáng kể khốilượng và lực cản ma sát của vỏ động cơ vì thế không được sử dụng.

Việc trang bị thêm ống xả chung khiến cho bộ đảo chiều lực đẩy trên động cơlong duct và short duct có sự khác biệt Động cơ long duct được trang bị Clamshelldoor hoặc Bucket target door, còn động cơ short duct được trang bị Cascade

Hình II-5 Các loại đảo chiều lực đẩy.

Hình II-6 Clamshell door trên động cơ thực tế.

Hình II-8 Cascade reverser trên động cơ thực tế.

So sánh giữa Thrust reverser của Long duct và Short duct:

- Long duct: các kết cấu chuyển hướng dòng khí nóng, vì thế phải có cấu tạo từvật liệu chịu nhiệt độ cao và kết cấu đặc biệt chắc chắn, vì thế nguyên liệu vàchi phí sản xuất cao

- Short duct: không chịu tác động của nhiệt độ cao, vì thế có thể sử dụng vật liệunhư hợp kim nhôm, composite, … Nhẹ hơn cũng như bền bỉ hơn

5 BỘ TRỘN.

1 GIỚI THIỆU

Bộ trộn khí là một bộ phận có trong nhiều động cơ tuabin phản lực

Nhiệm vụ của bộ trộn là giúp dòng khí bypass (lạnh/chậm) được trộn với khí xảcủa lõi động cơ (nóng/nhanh) trước khi được xả ra bầu khí quyển

Hình III-9 Bộ trộn trên động cơ turbofan.

2 CÁC LOẠI BỘ TRỘN

- Bộ trộn cưỡng bức (hình III.2 a): buộc hai dòng khí nóng lạnh phải hoà trộnvào nhau Loại bộ trộn này được dùng nhiều trên các động cơ long duct vìhiệu xuất trộn cao cho khả năng gia tăng lực đẩy đáng kể

- Bộ trộn hình khuyên (hình III.2 b): dòng khí bypass và dòng khí từ lõi động

cơ kết hợp với nhau thông qua một hình khuyên đồng trục Hai loại bộ trộnhình khuyên thường gặp là Lobed annular mixer và Plain annular mixer.Loại bộ trộn này được sử dụng nhiều trên các động cơ high bypass ngày nay

Hình III-10 Hai loại bộ trộn.

Hình III-12 Bộ trộn trong gấp nếp.

Hình III-13 Lobed annular mixer.

3 ƯU ĐIỂM.

Làm giảm vận tốc dòng khí mới thoát ra từ lõi động cơ, làm giảm đáng kể tiếng

ồn tạo ra Nhiệt độ khí thải cũng giảm làm cho nhiệt độ của máy bay thấp hơn, ưuđiểm này rất quan trọng trong quân sự vì có nhiều vũ khí hoặc máy dò tìm cảmbiến nhiệt

Ưu điểm quan trọng của bộ trộn là khả năng làm tăng lực đẩy động cơ Bêncạnh đó bộ trộn còn đóng vai trò quan trọng trong việc làm giảm tiếng ồn của độngcơ

Tăng lực đẩy của động cơ

Lực đẩy khí thải động cơ bằng tích của khối lượng khí thải nhân với vận tốc khíxả:

Biểu đồ bên dưới cho thấy sự gia tăng của gross thrust theo lý thuyết giữa động

cơ có và không có ông xả chung Đối với từng tỉ lệ nhiệt độ giữa dòng nóng vàdòng lạnh (T.HOT/T.COLD) khác nhau, tỉ lệ gia tăng gross thrust giữa động trộn

và không trộn dòng khí xả [2.]

Hình III-14 Biểu đồ gia tăng Gross Thrust trên lý thuyết giữa hệ số bypass và tỉ lệ

nhiệt độ.

Giảm tiếng ồn của động cơ:

Nguyên nhân gây ra tiếng ồn trên động cơ: Tiếng ồn được gây ra từ mọi giaiđoạn dòng khí đi qua fan, compressor, buồng đốt, turbine, exhaust Những nguồntiếng ồn này khác nhau, nhưng đều có xu hướng tăng lên khi vận tốc dòng khí điqua động cơ lớn hơn

- Tiếng ồn của các lá cánh rotor và stator máy nén và turbine khi đập vào cácdòng khí, tạo nên sự hỗn loạn về vận tốc dòng khí và áp suất Cường độtiếng ồn phụ thuộc vào khoảng cách giữa các lá cánh với nhau và khoảngcách giữa các hàng rotor – stator

- Tiếng ồn được tạo ra ở buồng đốt là không đáng kể so với các tầng khác

- Tiếng ồn của ống xả được tạo ra bởi sự trộn lẫn và sự cắt bởi vận tốc lớngiữa dòng khí đi ra ống xả và môi trường xung quanh Các dòng xoáy ở gầnống xả gây ra tiếng ồn tần số cao, các dòng xoáy lớn hơn ở xa gây ra tiếng

ồn với tần số thấp

Hình III-15 Ống xả và các xoáy gây ra tiếng ồn.

Với động cơ phản lực thuần tuý, tiếng ồn của dòng khí xả ra lớn hơn nhiều sovới tiếng ồn của máy nén và turbine trong hầu hết điều kiện hoạt động Còn vớiđộng cơ có bypass, vận tốc dòng khí thải thấp nên tiếng ồn giảm, nhưng tiếng ồncủa máy nén và turbine lại tăng lên Những động cơ có fan thường giảm đáng kểtiếng ồn của máy nén, với những động cơ có bypass lớn hơn 5:1, tiếng ồn của dòngkhí xả thấp hơn tiếng ồn của các cơ cấu lá cánh trong máy nén và turbine

Hình III-16 So sánh tiếng ồn trên động cơ có hệ số bypass thấp và cao.

Thông thường động cơ high bypass có tiếng ồn thấp hơn low bypass Nguồnchính của tiếng ồn động cơ là do sự hỗn loạn của các dòng khí đi ra từ ống xả động

cơ cắt vào môi trường xung quanh Các dòng khí cắt này có chứa sự bất ổn địnhdẫn đến các xoáy rất hỗn loạn tạo ra các dao động áp suất gây ra âm thanh

Để có thể giảm thiểu tiếng ồn trên động cơ high bypass cũng như low bypass,nguyên tắc là giảm thiểu vận tốc của dòng xả Phương pháp thành công nhất được

sử dụng trên động cơ bypass là trộn các luồng khí thải nóng và lạnh thông qua bộtrộn, sau đó dòng khí thải vận tốc thấp hơn thông qua một vòi phun duy nhất Thí nghiệm “Khả năng giảm thiểu tiếng ồn của động cơ turbofan bằng bộ trộn

có khía hình V” [4.] cho thấy việc sử dụng bộ trộn để làm giảm thiểu tiếng ồn củadòng khí xả bypass và lõi đều có hiệu quả tương đối

Hình III-18 Biểu đồ độ ồn của dòng lõi khi trang bị các bộ trộn khác nhau.

Hình III-19 Biểu đồ độ ồn của dòng bypass khi trang bị các bộ trộn khác nhau.

Ngoài ra, giảm thiểu tiếng ồn động cơ còn được thực hiện bằng các lớp lót hấpthụ âm thanh Động cơ long duct được trang bị lớp lót hấp thụ âm thanh có chiềudài lớn hơn so với động cơ short duct, vì thế cho khả năng giảm tiếng ồn tốt hơn.Tuy nhiên, điều này cũng gia tăng trọng lượng của động cơ và làm tăng nhẹ mứctiêu thụ nhiên liệu

Hình III-20 Vị trí và cấu tạo của lớp lót hấp thụ tiếng ồn.

Các cơ cấu đảo chiều lực đẩy của động cơ long duct đòi hỏi vật liệu chịu nhiệt

và kết cấu chắn chắn Động cơ short duct không đòi hỏi vật liệu chịu nhiệt cao, độbền cũng như bảo dưỡng dễ dàng hơn

Các máy bay dân dụng ngày nay đều được trang bị các động cơ có hệ số bypasslớn hơn 8 ví dụ như: Airbus A320neo được trang bị động cơ LEAP-1A có hệ sốbypass 11:1, Airbus A350 XWB được trang bị động cơ Rolls-Royce Trent XWB

có hệ số bypass 9.6:1, Boeing 787 Dreamliner được trang bị động cơ Rolls-RoyceTrent 1000 có hệ số bypass lớn hơn 10:1,…các động cơ trên đều là động cơ shortduct turbofan để cho hiệu quả hoạt động và kinh tế hơn