Nghiên cứu đặc tính của quá trình tạo hỗn hợp cháy trong buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

Nghiên cứu đặc tính của quá trình tạo hỗn hợp cháy trong buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ Quốc phòng

Học viện kỹ thuật quân sự

-

Trần Trung Sơn

Nghiên cứu đặc tính của quá trình tạo hỗn hợp cháy trong buồng đốt tăng lực động cơ

Vµo håi: 08 giê 30 ngµy 12 th¸ng 07 n¨m 2009

Cã thÓ t×m hiÓu luËn ¸n t¹i th− viÖn: Quèc gia

2 Lê Công Cát, Nguyễn Bá Thảo, Trần Trung Sơn (2006), “Buồng

đốt tăng lực của động cơ turbine phản lực với quá trình cháy

dao động và êm dịu”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Nhiệt,

(69), tr10-12

3 Lê Công Cát, Trần Trung Sơn (2007) “Về đặc tính dao động của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp cháy của buồng đốt tăng

lực động cơ turbine phản lực” Tạp chí khoa học và công nghệ

Nhiệt, (76), tr.12-17

4 Lê Công Cát, Trần Trung Sơn (2007) “Mô hình dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp cháy của buồng đốt tăng lực động cơ

turbine phản lực” Tuyển tập công trình hội nghị khoa học các

nhà nghiên cứu trẻ HVKTQS, năm 2007, tr.173-184

5 Lê Công Cát, Trần Trung Sơn (2007) “ảnh hưởng của dòng khí không ổn định đến sự hình thành giọt nhiên liệu từ vòi phun trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine

tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực”

Tuyển tập công trình hội nghị khoa học các nhà nghiên cứu trẻ HVKTQS, năm 2008, tr.123-131

Mở đầu

Buồng đốt tăng lực (BĐTL) lắp sau turbine trang bị trên các máy bay ngành hàng không để tăng thêm lực đẩy phản lực cho động cơ, dùng khi cất cấnh, tăng tốc, lấy độ cao hoặc cơ động gấp

Tuy nhiên trong thực tế vận hành vẫn tồn tại một số vấn đề như cháy không ổn định, dễ tắt lửa khi bay ở độ cao lớn làm ảnh hưởng

đến độ bền, độ tin cậy và độ an toàn bay, tính kinh tế chưa cao v.v

Để khắc phục những tồn tại này đã có nhiều phương pháp được áp dụng thông qua những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về quá trình cháy trong BĐTL, nhưng đến nay vẫn chưa khắc phục triệt để Một trong những giải pháp đảm bảo cho quá trình ổn định cháy là tăng cường chất lượng tạo hỗn hợp nhiên liệu-khí trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL, giải pháp này đang được thế giới quan tâm nghiên cứu trên nhiều hướng khác nhau cả về lý thuyết và thực nghiệm Xuất phát từ quan niệm tính ổn định quyết định đến cấu trúc hệ thống và tính không ổn định thuỷ động tăng cường trao đổi nhiệt khối trong dòng môi chất đi đến hình thành đề tài: “Nghiên cứu đặc tính của quá trình tạo hỗn hợp cháy trong buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực (BĐTL ĐCTBPL)” nhằm duy trì sự cháy ổn định ở các chế độ tăng lực trong mọi điều kiện bay, góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn bay

Mục tiêu của luận án là đưa ra giải pháp tăng cường quá trình tạo hỗn hợp, đảm bảo sự bay hơi tốt hơn của nhiên liệu trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL, góp phần xây dựng và làm sáng rõ nguyên

lý cấu trúc buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL Kết quả nghiên cứu

sẽ góp phần làm sáng rõ nguyên lý cấu trúc buồng tạo hỗn hợp BĐTL

ĐCTBPL, đồng thời là cơ sở để đề xuất giải pháp thiết kế cấu trúc hợp lý BĐTL, nâng cao chất lượng vận hành, đảm bảo sự ổn định

cháy, nâng cao tính an toàn bay, nâng cao hiệu suất, tính kính tế và giảm thiểu khí thải độc hại ra môi trường

Nội dung luận án chia thành 4 chương và phần kết luận:

- Chương 1 Tổng quan về quá trình tạo hỗn hợp trong BĐTL

ĐCTBPL Chương này trình bày tổng quan những nghiên cứu về ổn

định cháy trong BĐTL ĐCTBPL, những giải pháp về quá trình tạo hỗn hợp nhằm đảm bảo sự ổn định cháy mà thế giới và trong nước đã

và đang nghiên cứu, từ đó đưa ra hướng nghiên cứu mới về quá trình tạo hỗn hợp cháy Nội dung chương này được công bố trong công trình số 1 và 2

- Chương 2 Nghiên cứu tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo

hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL Chương này mô hình hoá cấu trúc buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL, nghiên cứu đặc tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp và tiến hành tính toán kiểm định cấu trúc buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL P25.300 của Nga và J85 của

Mỹ Nội dung chương này được công bố trong công trình số 3 và 4

- Chương 3 ảnh hưởng của dòng khí không ổn định đến sự hình

thành giọt của dòng nhiên liệu phun trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL

ĐCTBPL Chương này nghiên cứu sự phân rã của dải nhiên liệu phun

và hình thành giọt nhiên liệu dưới sự tương tác của dòng khí không

ổn định, xác định công thức tính toán đường kính giọt nhiên liệu.Tiến hành tính toán đường kính giọt nhiên liệu phun ra trong vòi phun lỗ

đơn, so sánh với đường kính giọt nhận được khi phun vào dòng khí

ổn định Nội dung chương này được công bố trong công trình số 5

- Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm quá trình tạo hỗn hợp trong

buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL Chương này tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình cấu trúc của dòng khí theo sự thay đổi góc mở trong phần mở rộng dần của buồng tạo hỗn hợp BĐTL

ĐCTBPL P25.300 Xây dựng mô hình thực nghiệm đồng dạng với vật thực dựa theo các tiêu chuẩn đồng dạng, xác định được Profile tốc độ,

đo sự bay hơi nước khi phun nước trong mô hình góc mở lớn và góc

mở nhỏ Nội dung chương 4 được công bố trong công trình số 6 và 7

- Phần kết luận Đưa ra những kết luận khoa học trong quá trình nghiên cứu đề tài, góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học về cấu trúc và nguyên lý làm việc của buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL, đề ra những giải pháp khoa học công nghệ về mặt cấu trúc và vận hành BĐTL ĐCTBPL nhằm đáp ứng được những yêu cầu đặt ra, đồng thời

đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo, tiến tới hoàn thiện các kết luận của luận án

Chương 1 Tổng quan về quá trình tạo hỗn hợp trong buồng đốt tăng lực động cơ turbine

phản lực (BĐtlđctbpl)

1.1 Đặt vấn đề

ổn định cháy trong buồng đốt tăng lực (BĐTL) là một yêu cầu cơ bản khi thiết kế chế tạo động cơ turbine phản lực (ĐCTBPL) có BĐTL Mặc dù đã có nhiều giải pháp công nghệ để giải quyết vấn đề này, nhưng trong quá trình sử dụng vẫn còn phát sinh hiện tượng làm việc không tin cậy trong BĐTL, ảnh hưởng đến tính an toàn bay Vấn

đề ổn định cháy trong BĐTL ĐCTBPL phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tạo hỗn hợp cháy, liên quan đến nhiều lĩnh vực như động lực học của dòng khí, động lực học hoá học cháy, nhiệt động học, truyền nhiệt, truyền chất Những lĩnh vực này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo hỗn hợp nhiên liệu không khí trong BĐTL Giải quyết bài toán ổn định cháy bằng cách giải quyết bài toán tạo hỗn hợp cháy đã

và đang được nghiên cứu, hiện nay vấn đề này càng trở nên cấp thiết

1.2 Đặc điểm làm việc của BĐTL đctbpl

- Nhiệt độ dòng khí cháy ở cửa vào của BĐTL có giá trị cao thường đạt khoảng 900ữ1200K sẽ thúc đẩy nhanh việc hoá hơi nhiên liệu, tạo thuận lợi hơn cho việc hình thành hỗn hợp cháy và tăng tính bắt lửa của hỗn hợp

- Dòng khí đi vào BĐTL đã cháy lần đầu trong buồng đốt chính, nên hệ số khí dư αф nhỏ hơn nhiều so với buồng đốt chính, và có giá trị giới hạn trong khoảng 1,1ữ2,5 Quá trình hoà trộn nhiên liệu với dòng khí tốc độ cao là quá trình tự hoà trộn, mật độ ôxy trong hỗn hợp cháy nhỏ hơn so với trong buồng đốt chính, nên phải tính đến việc phun nhiên liệu đều khắp lên dòng khí cháy sau turbine, sao cho tạo được sự đồng nhất của hỗn hợp ở mọi tiết diệncủa buồng đốt, điều này tuỳ thuộc hoàn toàn vào những nghiên cứu thực nghiệm

1.3 Những vấn đề tồn tại khi sử dụng BĐTL

Khảo sát quá trình làm việc của những ĐCTBPL lắp trên các máy bay phản lực, nhận thấy còn tồn tại những vấn đề sau:

- Các chế độ tăng lực chỉ làm việc ổn định khi bay ở những độ cao thấp và tốc độ bay lớn, ở những độ cao bay lớn, điều kiện đốt cháy trong BĐTL kém do chất lượng tạo hỗn hợp không đảm bảo có thể gây ra tắt lửa hoặc mồi lửa tăng lực không tin cậy trong BĐTL

- Khi BĐTL làm việc, nảy sinh một vấn đề phức tạp là cháy rung,

đây là một dạng đặc biệt của sự làm việc không ổn định trong BĐTL

- Cháy không đồng đều trên toàn bộ tiết diện ngang của BĐTL, phát sinh ứng lực nhiệt làm nứt nẻ cong vênh kết cấu, phát sinh quá nhiệt gây cháy sém vỏ BĐTL Khi BĐTL làm việc, tính kinh tế đặc biệt giảm mạnh khi động cơ làm việc ở những tốc độ bay nhỏ

- Ngọn lửa kéo dài ra phía sau miệng phun và không đều, điều đó cho thấy nhiên liệu chưa được hoá hơi hoàn toàn trong buồng tạo hỗn

hợp nên không tập trung nhiệt trong buồng cháy, đã tồn tại sự cháy giọt và cháy không hết

Những tồn tại thực tế nêu trên, chỉ ra rằng cấu trúc BĐTL hiện tại chưa hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu về ổn định cháy trong phạm vi thay đổi rộng các chế độ tăng lực, cũng như thay đổi rộng điều kiện bay, vì vậy cần được tiếp tục hoàn thiện hơn nữa trong quá trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

1.4 ảnh hưởng của quá trình tạo hỗn hợp đến sự

ổn định cháy trong BĐTL đctbpl

ổn định cháy trong các buồng đốt được quan tâm nghiên cứu nhiều ở trong nước và trên thế giới và đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng áp dụng trong nhiều lĩnh vực năng lượng nhiệt

Tuy nhiên quá trình cháy là quá trình lý hoá xảy ra với tốc độ cao, nhiệt độ phản ứng cháy lớn và rất phức tạp, nên hầu hết các phương tiện đo đạc kiểm soát các thông số nhiệt động và hoá lý chưa đáp ứng

được các yêu cầu đặt ra Vì vậy hiện nay việc nghiên cứu quá trình cháy thường phân chia thành nhiều giai đoạn, bao gồm giai đoạn tạo hỗn hợp, giai đoạn cháy và thải sản phẩm cháy, trong mỗi giai đoạn thường lý tưởng hoá bằng các mô hình gần đúng hoặc thông qua mô phỏng, nhằm xác định các số liệu thực nghiệm cho quá trình cháy Theo lý thuyết nhiễu tính ổn định cháy có thể bị phá huỷ bởi những nhiễu loạn từ bên ngoài hoặc bên trong, nhưng cũng có thể tạo ra nhiễu loạn để duy trì quá trình cháy ổn định, hiệu quả sẽ tốt hơn nếu nhiễu tác động trực tiếp vào quá trình hỗn hợp, làm cho quá trình hỗn hợp hoàn chỉnh hơn và cháy ổn định hơn Thời gian gần đây, những nghiên cứu về quá trình cháy thường chú trọng đến việc nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp Việc tạo hỗn hợp thường chú ý đến thay đổi cấu trúc vòi phun, tìm ra các giải pháp công nghệ để các tia phun

được phân rã và hoá hơi nhanh chóng Theo hướng nghiên cứu này, trên thế giới đã đưa ra nhiều mô hình khác nhau nhằm nghiên cứu sự phát triển của tia phun, nhưng chủ yếu tập trung theo 2 hướng là mô hình tia phun được mô tả trên cơ sở lý thuyết dòng nhiễu và mô hình tia phun Hiroyasu Những kết quả mới đạt được của những hướng nghiên cứu này góp phần tạo nên những nền tảng mới trong quá trình tạo hỗn hợp, cần được áp dụng cho các buồng tạo hỗn hợp BĐTL 1.5 Hướng nghiên cứu của luận án

Để góp phần giải quyết những vấn đề về nâng cao chất lượng tạo hỗn hợp cháy, đảm bảo sự cháy tin cậy và ổn định trong các BĐTL, nội dung nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp cháy quy về nghiên cứu

sự tương tác của dòng khí với dòng nhiên liệu phun ra từ vòi phun lỗ

đơn, bố trí trong phần mở rộng dần của buồng tạo hỗn hợp BĐTL 1.6 kết luận

Đề tài nghiên cứu đặc tính của quá trình tạo hỗn hợp cháy trong BĐTL động cơ turbine xuất phát từ thực tế sử dụng và những tồn tại phát sinh trong quá trình vận hành ĐCTBPL lắp trên các máy bay chiến đấu ở Việt nam, vấn đề này cũng đang nhận được quan tâm lớn trên thế giới Hướng nghiên cứu của đề tài dựa trên lý thuyết nhiễu và

lý thuyết ổn định, cùng với khả năng trang thiết bị thực nghiệm hiện

có, vấn đề nêu trên có thể giải quyết được

Chương 2 nghiên cứu tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL đctbpl

2.1 Đặt vấn đề

Để hoàn thiện cấu trúc BĐTL, một trong những hướng đặt ra

là tăng cường quá trình tạo hỗn hợp Để giải quyết vấn đề này, cần xây dựng mô hình cấu trúc buồng tạo hỗn hợp dựa trên một số giả thiết khoa học, nhằm đơn giản hoá bài toán mà không làm ảnh hưởng

đến bản chất tính ổn định thuỷ động của dòng, từ đó ứng dụng lý thuyết nhiễu nghiên cứu đặc tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp

- Nhiễu trong dòng có biên độ giảm dần, không lấy năng lượng của dòng cơ bản để phát triển thì dòng chảy là dòng ổn định Nếu nhiễu phát triển gia tăng biên độ thì dòng chảy là dòng không ổn định Nếu nhiễu tồn tại trong dòng với biên độ không thay đổi thì dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp nằm ở giới hạn ổn định

- Dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp có số M<0,3 nên coi dòng là không bị nén (ρ=const)

- Tính cản dòng trên turbine và buồng lửa được xem như là các tiết lưu, vì vậy coi đầu vào và ra buồng tạo hỗn hợp có lắp tiết lưu trước

Từ đó, nhận thấy cấu trúc và dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL có nguyên lý cấu trúc giống như ống Venturi có tiết lưu đầu vào và ra như trình bày trên hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp BĐTLĐCTBPL Viết các phương trình năng lượng ứng với từng tiết diện nêu trên hình 2.2, thiết lập được hệ phương trình nghiên cứu tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp 2.3 Thiết lập phương trình ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp Giải hệ phương trình năng lượng, nhận được phương trình vi phân cấp 2 tuyến tính thuần nhất:

2 * K 2 K K 2 ' 2 2 2 C d l (R S ) d l l 0 J dt dt J ( F F ) δ ư δ ε + ư δ = ρ ư 2.4 điều kiện ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL ĐCTBPL Nghiệm phương trình vi phân trên có dạng:

* 2 2

R -S

2 J

Với: ϕ0 (rad) là góc pha ban đầu, xác định từ điều kiện biên; ω(Hz) là tần số dao động góc;δ lk là biên độ dao động kích thước nhiễu S là

hệ số sức cản vi phân ở vị trí kết thúc nhiễu

Tiết lưu

trước

Vùng nhiễu

Tiết lưu sau

l 2

R2* là hệ số sức cản tuyến tính trên cửa ra buồng tạo hỗn hợp

Để dao động là tắt dần, tức dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp là

ổn định dưới tác động của nhiễu thì:

* 2 2

0 2.

ư

>

R S J

Từ đây nhận được các điều kiện:

- Điều kiện dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp là ổn định:

* 2

1

<

S R

- Điều kiện dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp không ổn định:

* 2

1

>

S R

- Điều kiện dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp ở giới hạn ổn định:

2 0

* 2

ở đây: a2* là hệ số sức cản thuỷ trên cửa ra buồng tạo hỗn hợp; βxd là góc mở ứng với dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp ở giới hạn ổn

2 0

.

( )

f

Với: B(τ)=( ư ư τ) 4 ư ư τ

2.5 xác định tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp động cơ P25.300 và động cơ J85

động cơ J85 của Mỹ khi thay đổi góc mở β, kết quả trình bày trên hình 2.3 Nhận thấy, đồ thị ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp thay đổi đơn điệu theo sự thay đổi của góc mở rộng β ở góc mở thiết kế βtk=140, dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp BĐTL động cơ P25.300 là không ổn định Góc βxd trong động cơ này là 11,50 ở góc

mở thiết kế βtk=7,50 của động cơ J85 (hình 2.3.b) dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp nằm ở giới hạn ổn định, tức là βtk=βxd Nếu tăng góc β=90>βxd, thì dòng trở nên không ổn định

Trên hình 2.4 trình bày tần số dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp của hai động cơ Nhận thấy rằng khi tăng góc mở rộng β, tần số dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp tăng lên Kết quả cho thấy với động cơ có kích thước nhỏ (J85) và với

động cơ có kích thước tương đối lớn (P25.300), dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp đều là những dao động thấp tần

J85 (b)

Trên hình 2.5 trình bày ảnh hưởng của sức cản thuỷ lực a2* trên cửa ra đến tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp khi góc mở rộng không thay đổi β=βtk Kết quả cho thấy có thể điều chỉnh dòng chảy từ không ổn định sang ổn định bằng cách bố trí trên

2

a =40

* 2

a =60

* 2

a =10