Phân tích dòng khí qua một tầng máy nén dọc trục

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC IIPHÂN TÍCH DÒNG QUA MỘT TẦNG MÁY NÉN DỌC TRỤC Sinh viên thực hiện VƯƠNG TIẾN DŨNG 20150730 Giáo viên hướng dẫn PGS.TS.. Phương trình Euler cho máy nén• Cơ chế hoạt động

KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC II

PHÂN TÍCH DÒNG QUA MỘT TẦNG MÁY NÉN DỌC TRỤC

Sinh viên thực hiện VƯƠNG TIẾN DŨNG 20150730

Giáo viên hướng dẫn PGS.TS HOÀNG THỊ KIM DUNG

NỘI DUNG

1. Tổng quan về một tầng máy nén

2. Ảnh hưởng của các yếu tố khí động

3. Các hiện tượng trong quá trình hoạt động

TỔNG QUAN VỀ MỘT TẦNG MÁY NÉN

Cấu tạo và chức năng

Các thông số thay đổi trong máy nén

+ : tăng

− : giảm

0 : không đổi n/a : not applicable

5 3/31/22

Dòng khí qua các lá cánh

Dòng khí qua các lá cánh sẽ gồm hai thành phần là dòng chính (chảy thẳng, dọc trục) và dòng

6 3/31/22

Đồ thị hàm đặc tính

9 3/31/22

Đồ thị hiệu năng máy nén

Phương trình Euler cho máy nén

• Cơ chế hoạt động của máy nén là cánh quay sinh công, dòng khí nhận công làm thay đổi động năng của chính nó Cơ chế này có thể được mô tả bằng phương tình Euler cho máy nén:

Phương trình Euler cho máy nén

• Dạng đặc biệt của phương trình Euler:

• Dạng phụ thuộc vào số Mach:

Tỉ số nhiệt độ toàn phần của một tầng phụ thuộc vào số Mach tiếp tuyến của lá cánh Mt và Mz/Mt (flow coefficient – hệ số dòng)

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ KHÍ ĐỘNG

Phương thức nghiên cứu

• Dòng trong máy nén dọc trục là dòng 3D  khó tưởng tượng và khảo sát

 Để dễ dàng trong khảo sát, ta nghiên cứu 3 trường dòng 2D:

1 Throughflow field,

2 Cascade field,

3. Secondary field.

Thoughflow Field

• Trong miền này, ta chỉ quan tâm đến thay đổi về tính chất của dòng theo phương hướng kính r và phương dọc trục z.

Thu được vận tốc tiếp tuyến, dọc trục và hướng tâm theo hàm của r và z

Phân bố vận tốc dọc trục theo phương hướng kính

Cascade field

• Trong miền này, ta chỉ quan tâm ứng xử của dòng theo

phương dọc trục và trên mặt phẳng (stream surface), tức

phương z và θ

• Để đánh giá hoạt động của một profile cánh, thường sử

dụng cascade tests.

16 3/31/22

Secondary Field

• Là trường dòng mà ở đó, dòng không di chuyển dọc trục

giống dòng chính (free stream) mà di chuyển từ vùng áp

cao về áp thấp

• Hình thành do dòng ở lớp biên, sát bề mặt rắn (cánh,

tường, etc.) có vận tốc nhỏ hơn dòng chính

• Quan tâm đến thay đổi theo phương r và θ

Thông số khí động

Các thông số khí động có ảnh hưởng đến ứng xử của dòng khí gồm:

• Hình dạng cánh.

• Hướng của dòng khí.

• Số Mach của dòng vào.

• Số Reynold dọc theo dây cung.

• Vận tốc dòng vào.

• Tỉ số vận tốc dòng khí vào và ra khỏi lá cánh.

• Tỉ số giữa vận tốc dọc trục và khối lượng riêng (AVDR).

Hệ số dòng (Flow Coefficient)

• Flow coefficient đặc trưng cho tốc độ dọc trục của dòng khí hoặc là lưu lượng qua tầng cánh

• Với góc α1 và β2 cố định, hệ số dòng tăng sẽ làm giảm tỉ số nhiệt độ tổng

• Tăng Cz trong khi giữ nguyên U sẽ làm giảm góc tấn của lá cánh (incidence angle) làm giảm tỉ số nhiệt độ tổng.

• Giảm lưu lượng dòng vào sẽ làm tăng tỉ số nhiệt độ cũng làm tăng tỉ số nén  quá mức sẽ dẫn đến hóc khí

Ảnh hưởng của vận tốc dọc trục lên góc đặt cánh

3/31/22

Vận tốc tiếp tuyến của lá cánh Mt

• Tăng Mt làm tăng tỉ số nhiệt độ tổng.

• Số Mach tương đối ở đầu cánh:

• Tăng Mt sẽ sinh ra sóng va mạnh ở đầu cánh, tăng tải lên lá cánh ( lực li tâm và rung động)  tổn thất nhỏ ở

số Mach thấp.

• Thay đổi α1 làm giảm  sử dụng cánh hướng dòng IGV.

21 3/31/22

Ảnh hưởng của IGV lên vận tốc đầu lá cánh

3/31/22

Ảnh hưởng do góc tới của dòng khí

Ảnh hưởng của số Reynold lên hiệu suất của lá cánh

Hiện tượng tách dòng

• Số Reynold

• Dòng tầng ở mép vào hoặc ở vùng vận tốc cao sẽ tách ra thành các bong bóng (separation bubbles).

• Do vận tốc xung quanh bong bóng rất cao so với khí trong bong bóng, chúng sẽ liên kết trở lại với lá cánh, tạo thành lớp biên có rối.

• Tổn thất tăng mạnh khi Re<0.3 10e5 nhưng đến khi Re>5 10e5 thì tổn thất hoàn toàn không phụ thuộc vào số Reynold mà vào độ ráp của bề mặt lá cánh.

Hệ số tách dòng (Diffusion factor-DF)

• DF cho đánh giá về ứng xử của lớp biên của lá cánh

 Khi hệ số DF vượt quá giá trị tới hạn thì hiện tượng tách dòng sẽ xảy ra ở các lá cánh

27 3/31/22

Độ phản ứng

• Độ phản ứng thể hiện độ thay đổi của enthalpy tĩnh qua tầng máy nén

 Độ tăng enthalpy ở rotor so với cả tầng (chủ yếu là ở stator).

29 3/31/22

CÁC HIỆN TƯỢNG

TRONG QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG

Hiện tượng Stall và Surge

• Thông thường, khi mà lưu lượng dòng khí giảm thì áp suất tăng

 Tồn tại một điểm là surge point , mà tại đó PR là lớn nhất, qua giới hạn này thì máy nén sẽ gặp hiện tượng hóc khí (stall) hoặc trào ngược (surge).

Hiện tượng hóc khí (Stall)

• Khi hiện tượng hóc khí xảy ra, dòng khí không còn là dòng đối xứng trục mà trở nên không đồng nhất, xoay quanh theo chu vi ( vì vậy còn gọi là ‘Rotating Stall’)

• Trong các stall cell, dòng sẽ hình thành các xoáy gần như không di chuyển theo phương dọc trục, không làm tăng áp suất

• Hiện tượng hóc khí sẽ luôn bắt đầu từ phần tip của lá cánh

Nguyên nhân của hiện tượng hóc khí

tương tác với dòng chính tạo nên các xoáy.

Xoáy trên thân

Xoáy trên tip

3/31/22

Hiện tượng trào ngược (Surge)

• Là hiện tượng mà trạng thái hoạt động của máy nén thay đổi liên tục từ hóc khí (stalled) sang không hóc khí (unstalled)

Có thể dẫn đến dòng khí bị trào ngược lại phía trước

• Dòng khí trong hiện tượng trào ngược có thể coi là đối xứng trục nhưng khi mới bắt đầu, dòng không đối xứng và có thể gây nhiều hỏng hóc trên lá cánh rotor

ỨNG DỤNG VÀO THỰC TẾ

Giải quyết hiện tượng hóc khí

• Cần phải hạn chế tối đa hoặc làm tiêu biến các vùng hóc khí trong quá trình hoạt động.

• Có nhiều biện pháp khác nhau đã được nghiên cứu: VIGV, variable stator, flow injection, bleeding, flow recirculation, casing groove, shock bumps, etc

Flow Injection

38 3/31/22

Flow Recirculation

39 3/31/22

Casing Grooves

Shock Bump

41 3/31/22

Cảm ơn mọi người đã lắng nghe.