Máy nén dọc trục là một loại máy nén được sử dụng phổ biến trong động cơ hàng không hiện nay. Một tầng của máy nén dọc trục gồm một tầng cánh quay (rotor) và một tầng cánh tĩnh (stator). Để nghiên cứu dòng khí 3 chiều phức tạp trong máy nén, người ta phân tích nó thành 3 trường, trong đó mỗi trường chỉ bao gồm các thành phần của dòng 2 chiều: Trường Through flow Trường Cascade Trường Secondary. Phân bố vận tốc trong trường Through flow được mô tả ở hình 2. Qua trường này, ta có thể khảo sát được dòng khí theo phương dọc trục và theo phương hướng kính.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BÁO CÁO
KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC II Phân tích dòng khí qua một tầng máy nén
dọc trục
Sinh viên thực hiện VƯƠNG TIẾN DŨNG 20150730
VŨ TÀI DUY 20150638
NGHIÊM QUỐC HUY 20151666 Giáo viên hướng dẫn PGS.TS HOÀNG THỊ KIM DUNG
Trang 2HÀ NỘI 06-2019 MỤC LỤC
1 Tổng quan về máy nén dọc trục 3
1.1 Chức năng 4
1.2 Đặc điểm cơ bản của dòng khí 4
2 Phương pháp nghiên cứu 5
3 Phương trình Euler cho máy nén và các hàm đặc tính 7
4 Các thông số khí động của dòng khí qua một tầng máy nén 10
4.1 Hệ số dòng (flow coefficient) 10
4.2 Hình dạng của cánh 10
4.3 Độ dày của cánh 10
4.4 Vận tốc và số Mach của dòng khí 11
4.5 Số Reynold 12
5 Các hiện tượng đặc trưng trong máy nén 12
5.1 Hiện tượng hóc khí 12
5.1.1 Các biện pháp giải quyết hiện tượng hóc khí 14
5.2 Hiện tượng trào ngược 15
TÀI LIỆU THAM KHẢO 16
DANH MỤC HÌNH ẢN Hình 1: Cấu tạo của một máy nén dọc trục 3
Hình 2: Các hình chiếu của một tầng máy nén dọc trục 3
Hình 3: Sự biến đổi của áp suất và vận tốc quay qua mỗi tầng máy nén 4
Hình 4: Trường Through flow 5
Hình 5: Trường Cascade 6
Hình 6: Trường secondary 6
Hình 7: Sơ đồ tam giác vận tốc mô tả dòng khí 7
Hình 8: Đường đồ thị đặc tính máy nén 9
Hình 9: Đồ thị hiệu năng của máy nén 9
Hình 10: Một sô hình dạng profile của máy nén 10
Hình 11: Biểu đồ phân bố áp suất đo được ở ba profil cánh NACA-65, C4 và DCA 11
Hình 12: Phân bố sô Mach dọc profil cánh 11
Hình 13: Tổn thất theo số Reynold với các góc vào khác nhau của dòng khí 12
Trang 3Hình 14: Quá trình diễn ra hiện tượng thất tốc 13
Hình 15: Các vùng hóc khí trong tầng máy nén 13
Hình 16: Sơ đồ mô tả phương pháp trích khí 14
Hình 17: Phương pháp thổi khí 14
Hình 18: Phương pháp hồi khí 14
Hình 19: Phương pháp tạo khe rãnh trên vỏ 15
Trang 41 Tổng quan về máy nén dọc trục
Máy nén dọc trục là một loại máy nén được sử dụng phổ biến trong động cơ hàng không hiện nay Một tầng của máy nén dọc trục gồm một tầng cánh quay (rotor) và một tầng cánh tĩnh (stator)
Hình 1: Cấu tạo của một máy nén dọc trục.
Hình 1a Tầng cánh quay Hình 1b Tầng cánh tĩnh Hình 1c Máy nén hoàn chỉnh.
Hình 2: Các hình chiếu của một tầng máy nén dọc trục.
Chức năng chính của rotor và stator trong máy nén:
- STATOR: loại bỏ dòng xoáy, chuyển đổi động năng thành áp suất tĩnh,
thêm xoáy theo hướng chuyển động của cánh quay (cải thiện đặc tính khí động của dòng)
- ROTOR: tạo xoáy cho dòng, tăng thêm động năng, tăng năng lượng
tổng bằng cách tăng vận tốc góc
Trang 51.1 Chức năng
Mục tiêu chính của máy nén nói chung cũng như của mỗi tầng của máy
nén nói riêng là làm tăng áp suất của dòng khí Dòng khí khi đi qua các
tầng cánh sẽ có trao đổi về năng lượng với các cánh Cụ thể, dòng khí sẽ nhận công từ lá cánh quay Hình vẽ dưới đây biểu diễn sự biến đổi của áp suất và vận tốc quay qua mỗi tầng máy nén
Hình 3: Sự biến đổi của áp suất và vận tốc quay qua mỗi tầng máy nén.
Bảng 1 dưới đây tóm tắt sự thay đổi các tính chất của dòng khí khi đi
qua tầng cánh quay và cánh tĩnh, gồm vận tốc tương đối và tuyệt đối; áp suất tĩnh, áp suất tổng tuyệt đối và tương đối; nhiệt độ tĩnh, nhiệt độ tổng và tương đối
CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI TRONG MÁY NÉN
Thông số Inlet guide vanes Rotor Stator
+ : tăng
− : giảm
0 : không đổi
n/a : not applicable
Bảng 1: Ảnh hưởng của các tầng cánh lên dòng khi
1.2 Đặc điểm cơ bản của dòng khí
Một trong những đặc điểm quan trọng của dòng khí khi đi qua các tầng máy nén dọc trục đó là ngoài thành phần chuyển động tịnh tiến dọc theo trục máy nén, dòng khí còn có thành phần chuyển động quay quanh trục Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự tồn tại của khe hở giữa cánh quay
Trang 6và vỏ máy nén Chính vì vậy, dòng khí trong máy nén sẽ là dòng chảy 3 chiều phức tạp
Trong quá trình chuyển động qua các tầng máy nén, ứng xử của dòng khí
sẽ tuân theo các định luật nhiệt động học cũng như các định luật về khí động lực học
2 Phương pháp nghiên cứu
Để nghiên cứu dòng khí 3 chiều phức tạp trong máy nén, người ta phân tích
nó thành 3 trường, trong đó mỗi trường chỉ bao gồm các thành phần của dòng 2 chiều:
- Trường Through flow
- Trường Cascade
- Trường Secondary
Phân bố vận tốc trong trường Through flow được mô tả ở hình 2 Qua
trường này, ta có thể khảo sát được dòng khí theo phương dọc trục và theo
phương hướng kính.
Hình 4: Trường Through flow
Trường Cascade là một trường được sử dụng phổ biến nhất để khảo sát các
hiện tượng khí động xảy ra giữa các tầng của máy nén cũng như giữa các cánh của cùng một tầng Mặt cắt Cascade sẽ cắt qua các cánh và từ dạng hình xuyến
3 chiều nó sẽ được trải phẳng để chuyển sang dạng 2 chiều Tuy sự biến đổi từ
3 chiều sang 2 chiều sẽ làm mất đi một số hiện tượng của dòng 3 chiều nhưng phương pháp phân tích này vẫn cho mô tả tương đối chính xác về các hiện tượng khác Vì vậy, phương pháp này thường được áp dụng để nghiên cứu thực ngiệm cho các dạng cánh mới trong máy nén Hình 3 mô tả trường vận tốc biến đổi trong trường Cascade và cách xây dựng trường Cascade
Trang 7Hình 5: Trường Cascade.
Hình 3a Xây dựng trường Cascade Hình 3b Trường vận tốc khi khảo sát.
Hai trường ở trên chỉ giúp khảo sát ứng xử của dòng khí với thành phần dọc
trục mà không xét đến thành phần quay Trường Secondary sẽ giải quyết điều
này Trường được gọi là Secondary – thứ cấp vì đây cũng là cách gọi thành phần dòng khí chuyển động quay trong máy nén Qua trường Secondary, ta sẽ thấy rõ được ảnh hưởng của dòng quay đến hiện tượng đặc trưng của máy nén như xoáy đầu cánh, vùng vận tốc thấp…
Hình 6: Trường secondary.
Một trong những cách cơ bản để khảo sát sơ bộ đặc điểm của dòng khí này
là xây dựng tam giác vận tốc Tam giác vận tốc sẽ mô tả ứng xử của dòng khí
qua sự thay đổi về độ lớn và chiều của các thành phần vector vận tốc Dựa trên tam giác vận tốc, ta cũng có thể xây dựng thiết kế sơ bộ cho từng tầng máy nén Một tam giác vận tốc đặc trưng được miêu tả trong hình 5
Trong đó:
- C1,C2,C3 là thành phần vận tốc tuyệt đối của dòng khí khi vào và ra khỏi cánh quay và cánh tĩnh;
3b 3a
Trang 8- Cx1,Cx2,Cx3 là thành phần vận tốc dọc trục, thông thường khí tính toán sơ
bộ, giá trị của chúng là không đổi trong cả máy nén;
- W1,W2 là thành phần vận tốc tương đối của dòng khí so với cánh;
- U là vận tốc tiếp tuyến của điểm đang xét trên cánh quay, U=ω.R;
- α1, α2, α3 là góc vào của dòng khí so với phương trục quay;
- β1, β2 là góc ra của dòng khí so với phương trục quay;
Thông thường, để đảm bảo điều kiện ghép tầng, C1=C3 và α1= α3
Hình 7: Sơ đồ tam giác vận tốc mô tả dòng khí.
3 Phương trình Euler cho máy nén và các hàm đặc tính
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:
Vế trái của phương trình Euler là độ tăng về enthalpy, tức là thay đổi về nội năng của dòng khí Lượng tăng enthalpy này sẽ bằng với công mà cánh quay tác dụng lên dòng khí, thể hiện ở vế phải của phương trình Tuy nhiên, người ta thường sử dụng dạng biến đổi đặc biệt của phương trình Euler trong tính toán nghiên cứu máy nén Đó là:
Trang 9Có thể thấy, tỉ số nhiệt độ tổng giữa dòng khí ra và vào lá cánh phụ thuộc vào vận tốc dọc trục, hay nói cách khác, vào lưu lượng dòng khí Từ đây, ta có thể sử dụng các kiến thức về nhiệt động lực học để xây dựng các hàm đặc tính của máy nén
Khi đánh giá hiệu quả làm việc cũng như độ ổn định của một tầng máy nén cũng như cả máy nén thì người ta sử dụng 3 hàm đặc tính là tỉ số nén tổng (PR), hiệu suất đoạn nhiệt (η) và hệ số hóc khí (SM)
Trong đó, và là áp suất tổng đầu ra và đầu vào của một tầng máy nén, và
là nhiệt độ tổng ra và vào một tầng máy nén, và là tỉ số nén tại điều kiện gần hóc khí và tại hiệu suất cao nhất, và là lưu lượng dòng khí tại điều kiện tại hiệu suất cao nhất và gần hóc khí (
Từ các thông số trên, ta xây dựng được đồ thị đường đặc tính máy nén như sau:
Hình 8: Đường đồ thị đặc tính máy nén.
Ngoài ra người ta còn xây dựng đồ thị hiệu năng của máy nén Mục tiêu của quá trình tính toán thiết kế máy nén đều đi đến việc xậy dựng đồ thị này Một
đồ thị hiệu năng điển hình của máy nén được minh họa bởi hình vẽ dưới đây:
Trang 10Hình 9: Đồ thị hiệu năng của máy nén.
Tại đó, điểm stall là điểm có tỷ số nén cao nhất, điểm peak có hiệu suất cao
nhất
4 Các thông số khí động của dòng khí qua một tầng máy nén 4.1 Hệ số dòng (flow coefficient)
Hệ số dòng, hoặc , là thông số thể hiện lưu lượng dòng khí qua các tầng cánh
Hệ số dòng là đại lượng không thứ nguyên nên sẽ giảm các sai số hoặc nhầm lẫn xảy ra do sai khác đơn vị đo
Các hàm đặc tính như là hàm tỉ số nén hay hiệu suất sẽ là hàm của hệ số dòng Sự thay đổi của hệ số dòng chính là sự thay đổi về lưu lượng qua các tầng cánh Nói chung, khi lưu lượng giảm thì áp suất tăng nhưng sự giảm này có giới hạn Khi lưu lượng dòng khí quá thấp, hiện tượng hóc khí sẽ xảy
ra gây giảm hiệu suất và độ an toàn của các tầng máy nén
4.2 Hình dạng của cánh
Hình dạng của các lá cánh là một thông số khí động quan trọng ảnh hưởng đến các tính chất của dòng khí qua máy nén
Các dòng profil cánh thường được sử dụng gồm có NACA-65, C, Double Circular Arc (DCA), Multiple Circular Arc (MCA), Prescribed Velocity Distribution (PVD)
Trang 11Hình 10: Một sô hình dạng profile của máy nén.
4.3 Độ dày của cánh
Độ dày của cánh có ảnh hưởng đến phân bố áp suất trên các mặt cánh Hình 7 minh họa biểu đồ phân bố áp suất đo được ở ba profil cánh là NACA-65, C4 và DCA Rõ ràng, dạng NACA-65 cho độ tăng áp suất cao nhất trong 3 loại Tuy nhiên, NACA-65 và C4 lại tạo nên một vùng áp suất thấp ở mép vào của cánh Điều này không chỉ làm giảm lực khí động tác dụng lên cánh mà còn làm giảm tốc độ dòng khí dẫn đến hiện tượng tách dòng Ngược lại thì dạng DCA cho một phân bố áp suất tốt hơn
Ở số Mach thấp, ảnh hưởng của dạng cánh là không đáng kể nhưng khi ở
số Mach cao, ảnh hưởng là đáng kể với dạng DCA cho hiệu quả tốt hơn nhiều NACA-65 và C4 (ít tổn thất, ít gây ra tách dòng)
Dạng cánh mới PVD được thiết kế đặc biệt sao cho độ vồng và độ dày được tinh chỉnh theo vùng vận tốc mong muốn, cho phép hoạt động với số Mach đầu vào cao mà ít tổn thất, ít tách dòng
Hình 11: Biểu đồ phân bố áp suất đo được ở ba profil cánh NACA-65, C4 và DCA
Trang 12Hình 12: Phân bố sô Mach dọc profil cánh.
4.4 Vận tốc và số Mach của dòng khí
Mỗi thành phần vận tốc đều có ảnh hưởng đến các đặc tính khí động của dòng khí qua lá cánh Khi giá trị thành phần vận tốc dọc trục tăng trong khi tốc độ quay của trục là không đổi, góc tới của dòng khí với lá cánh quay sẽ giảm, làm giảm tỉ số nhiệt độ tổng
Số Mach sẽ ảnh hưởng đến sự xuất hiện của sóng va ở các cánh Sự xuất hiện của sóng va sẽ làm tăng tải tác dụng lên cánh Để khảo sát ảnh hưởng này, người ta thường chú ý đến số Mach Mt ở đỉnh cánh quay vì vị trí này sẽ chịu tải lớn nhất trên cánh Việc tăng Mt sẽ làm tăng tỉ số nhiệt độ động và tỉ
số nén nhưng lại làm tăng dao động và lực li tâm lên đỉnh cánh
4.5 Số Reynold
Vì vận tốc của dòng khí dọc theo dây cung cánh thay đổi nên số Reynold của dòng khí cũng sẽ thay đổi tương ứng Giá trị của số Reynold quyết định nhiều tính chất của dòng khí (dòng rối, dòng tầng hay dòng quá độ) Thường thì ở mép vào sẽ có dòng biên dạng dòng tầng sau đó nó sẽ bị tách dòng ở các vùng phía sau hình thành các bong bóng khí Thông thường các bong bóng này sẽ tự liên kết lại với lớp biên và không tạo ra tổn thất Tuy nhiên ở các vùng mà số Mach rất thấp (gọi là vùng vận tốc thấp), hiện tượng tách dòng xảy ra Trong máy nén, số Mach được tính theo vận tốc đầu vào tương đối, dây cung cánh và độ nhớt động lực học của dòng khí Đồ thị ở hình 9 cho thấy mất mát càng lớn khi số Reynold càng nhỏ
Trang 13Hình 13: Tổn thất theo số Reynold với các góc vào khác nhau của dòng khí.
5 Các hiện tượng đặc trưng trong máy nén
5.1 Hiện tượng hóc khí
Hóc khí là một hiện tượng quan trọng trong quá trình hoạt động của máy nén Hiện tượng này xảy ra ở từng tầng của máy nén và thường bắt đầu ở vùng đỉnh cánh quay Hiện tượng này xảy ra là do sự xuất hiện của các vùng rối, vùng vận tốc thấp,… dẫn đến dòng khí không di chuyển dọc trục mà chuyển động quay là chủ yếu Các vùng rối này sinh ra khi góc tấn của cánh
so với dòng khí đạt đến giá trị tới hạn Khi đó hiện tượng tách dòng sẽ xảy ra
Hình 14: Quá trình diễn ra hiện tượng thất tốc.
Các vùng này không làm tăng áp suất của máy nén Khi chúng phát triển
và mở rộng ra sẽ khiến tầng máy nén bị bất ổn định mạnh, gây ra các rung động và tăng tải làm hỏng lá cánh
Trang 14Hình 15: Các vùng hóc khí trong tầng máy nén.
Hiện tượng hóc khí trong máy nén là một hiện tượng nguy hiểm Nó trực tiếp làm giảm hiệu quả hoạt động của máy nén dẫn đến giảm công suất động
cơ Do đó, trong thiết kế, người ta sẽ đưa ra các phương án khác nhau để tránh hiện tượng này xảy ra
5.1.1 Các biện pháp giải quyết hiện tượng hóc khí
a Trích khí (bleeding)
Vùng khí vận tốc thấp được hút ra ngoài để không làm ảnh hưởng đến dòng chính
Hình 16: Sơ đồ mô tả phương pháp trích khí.
b Thổi khí
Khí tốc độ cao được thổi vào vùng vận tốc thấp để tăng động năng cho chúng và đẩy chúng chuyển động dọc trục
Trang 15Hình 17: Phương pháp thổi khí.
c Hồi khí (recirculation)
Là phương pháp kết hợp cả trích khí và thổi khí
Hình 18: Phương pháp hồi khí.
d Tạo khe rãnh trên vỏ
Hình 19: Phương pháp tạo khe rãnh trên vỏ.
5.2 Hiện tượng trào ngược
Hiện tượng trào ngược là kết quả của sự tương tác giữa sự bất ổn định của dòng trong máy nén (hiện tượng hóc khí) và hoạt động của buồng đốt Khi hiện tượng trào ngược xảy ra, dòng khí sẽ dao dộng dọc theo hướng của
Trang 16trục máy nén, tức dòng khí lúc này sẽ đồng thời bị trào ngược về phía trước máy nén và ngược lại
Sự dao động hai chiều này gây ra tải ngược chiều tác động lên các cánh máy nén, có thể làm chúng cọ xát với bề mặt gây ra hỏng hóc, phá huỷ kết cấu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Jack D Mattingly (2006), Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets, AmericanInstituteof Aeronauticsand Astronautics, Inc
2 Saeed Farokhi (2014), Aircraft Propulsion Second Edition, USA, John Wiley &
Sons Ltd
3 N A Cumpsty (2004), Compressor Aerodynamics, Krieger Pub
