tưởng với nhiệt dung riêng không đổi c pc ở phía trước buồng đốt và nhiệt dung riêng không đổi c pt ở phía sau buồng đốt, tương ứng với giá trị γcvà γt.. Đối với nhiên liệu loại hydrocar
Trang 1tưởng với nhiệt dung riêng không đổi c pc ở phía trước buồng đốt và nhiệt dung riêng không đổi c pt ở phía sau buồng đốt, tương ứng với giá trị γcvà γt
Đối với nhiên liệu loại hydrocarbon thì sản phẩm cháy của nó có hằng số khí
R thay đổi không đáng kể Tỷ số nhiệt dung riêng γ giảm theo nhiệt độ và tỷ lệ nhiên liệu-không khí Hằng số khí R = 287.3 J/kgK, không khí phía trước buồng đốt có γc =1.40 thì c pc =1005 J/kgK, hỗn hợp khí phía sau buồng đốt có γc =1.32
thì c pc =1185 J/kgK Các giá trị này được sử dụng cho tính toán cho động cơ turbofan
Đặc tính các bộ phận của động cơ turbofan
Các thông số này ước đoán các quá trình thực tế xảy ra khi dòng khí đi qua từng bộ phân của động cơ Thực tế các quá trình nhiệt-khí động luôn bất thuận nghịch, có nghĩa là luôn làm gia tăng entropy
Miệng hút: ma sát với thành miệng hút là nguyên nhân gây ra sự giảm áp suất dừng qua miệng hút (không thuận nghịch), quá trình qua miệng hút có thể xem là đoạn nhiệt: τd =1, πd <1
Fan: quá trình nén khí qua fan, máy nén được xem là đoạn nhiệt nhưng làm gia tăng entropy Hiệu suất để đo hoạt động của fan, máy nén được gọi là hiệu
suất đẳng entropy (isentropic efficiency) Hiệu suất đẳng entropy của fan:
1
1 2
13
2 13 2 13
2 13
−
−
=
−
−
=
−
−
=
=
f fi t t
t i t t t
t i t f
fi f
T T
T T h h
h h w
w
τ
τ η
c c c c
f fi
fi
γ γ γ
π
τ = ( − 1 / = ( − 1 /
1
1 / 1 (
−
−
=
−
f
f
f
c c
τ
π
η
γ γ
Trong thực tế ta có thể tính hiệu suất đẳng entropy bằng hiệu suất đa biến
f
e (polytropic efficiency) như sau:
) /(
) 1 ( c c e f
f
f
γ γ
π
Trang 21 1
1
) /(
) 1 (
/ 1 ( /
1 (
−
−
=
−
−
−
−
f c c
c c c
c
e f
f f
f
γ γ γ
γ
π
π τ
π
η
Máy nén thấp áp – Máy nén cao áp
) /(
) 1 ( c e c L
cL
cL
γ γ
π
1
1 1
1
) /(
) 1 (
/ 1 ( /
1 (
−
−
=
−
−
cL c c
c c c
c
e cL cL c
cL
γ γ γ
γ
π
π τ
π
η
) /(
) 1 ( c e c H cH cH
γ γ
π
1
1 1
1
) /(
) 1 (
/ 1 ( /
1 (
−
−
=
−
−
cH c c
c c c
c
e cH cH c
cH
γ γ γ
γ
π
π τ
π
η
Buồng đốt: ở buồng đốt ta quan tâm đến sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu và sự mất mát áp suất dừng do ma sát và cấp nhiệt Hiệu suất cháy ηb
(combustion efficiency) được đánh giá bằng:
PR f
t pc C t pt f C b
h m
T c m T c m m
&
&
&
=
η
Sự mất mát áp suất dừng xảy ra do hai ảnh hưởng: mất mát do tính nhớt ở bên trong buồng đốt và mất mát do cấp nhiệt ở một số Mach xác định (M<1):
1
<
b
Turbine cao áp – Turbine thấp áp: quá trình giãn nở khí qua turbine được xem là đoạn nhiệt (bỏ qua việc làm mát) nhưng làm gia tăng entropy Hiệu suất đẳng entropy của turbine cao áp được định nghĩa như sau:
tHi tH i
t t
t t i t
t t
tH
T T
T T h
h
h h
τ
τ η
−
−
=
−
−
=
−
−
=
1
1
5 4 4
5 4 4 5 4 4
5 4 4
t t t t
tH tHi
tHi
γ γ γ
π
t t tH
tH
τ
1
1
−
−
−
=
Trong thực tế ta có thể tính hiệu suất đẳng entropy của turbine bằng hiệu suất đa biến e tH như sau:
[e tH t ] t
tH
tH
γ γ
π
Trang 3[ ]
t t
t t tH tH
t t
tH
e tH e
tH tH tH
tH
γ γ γ
π τ
τ π
τ
1
1 1
1 1
1
−
−
−
=
−
−
=
−
−
=
[e tL t ] t
tL
tL
γ γ
π
t t
t t tL tL
t t
tL
e tL e
tL tL tL
tH
γ γ γ
π τ
τ π
τ
1
1 1
1 1
1
−
−
−
=
−
−
=
−
−
=
Ống xả phần core – Ống xả phần fan: mất mát chủ yếu ở ống xả là do tính chất giãn nở của dòng khí để đạt được áp suất khí thoát so với áp suất môi trường, ngoài ra còn kể đến mất mát do ma sát Quá trình giãn nở trong ống xả được xem là đoạn nhiệt và không thuận nghịch
0
9 P
P ≠ , P19 ≠P0, τn =1, πn <1, τfn =1, πfn <1
Giá trị các thông số đánh giá các quá trình thực tế qua từng bộ phận của động cơ tham khảo ở bảng sau:
Mức độ công nghệ
Bộ phận Thông
số
Loại
1 2 3 4
A 0.900 0.950 0.980 0.995
B 0.880 0.930 0.960 0.980
C 0.850 0.900 0.940 0.960
b
Burner
b
Cooled 0.83 0.87 0.89
D 0.950 0.970 0.980 0.995
E 0.930 0.960 0.970 0.980
F 0.900 0.930 0.950 0.970
4
Trang 4A : Máy bay dưới âm động cơ có vỏ bọc
B : Máy bay dưới âm động cơ trong khung máy bay
C : Máy bay vượt âm động cơ trong khung máy bay
D : Ống xả hội tụ diện tích cố định
E : Ống xả hội tụ diện tích thay đổi
F : Ống xả hội tụ – phân kì diện tích thay đổi
b Các bước phân tích
Fan stream
Bước1:
(V19 V0) A19(P19 P0)
m
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
+
−
=
c F
a V
T T M a
V a
m
F
γ0 19 0
19
0 19 0 0
19 0
/ 1 /
/
&
Bước 2:
2 19 0
19 0
2 19 19 2
0
2 19
2 19 2
0
T
T T
R
M T R a
M a a
V
c c
c
=
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
γ γ
Bước 3:
/ 2 19 19
19
2
1 1
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
+
γ γ
γ
⇒
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
=
−
1 1
19
19 2
19
c c
P
P
c
γ γ
γ
fn f d r t
t t t t
t t
P
P P
P P
P P
P P
3
19 2
13 0
2 0
0 0
fn f d r t
P
P
P
19
0 19
19 =
Bước 4:
f r fn f d r t
t t t t
t t
T
T T
T T
T T
T T
13
19 2
13 0
2 0
0 0
Trang 5(P P ) c c
T T
T T
T
T
t
f r t
t
γ γ
τ τ
/ 1 ( 19 19 19
19
0 19 0
19
/ /
/
−
=
=
Core stream
Bước1:
m
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
+
−
− +
− +
−
−
=
c c
t C
a V
T T R
R f M
a
V f a
m
F
γ ε
ε ε
0 9
0 9 2
1 0
0
9 2
1 0
/ 1 /
/ )
1 ( )
1 (
&
Bước 2:
2 9 0
9 0
2 9 9 2
0
2 9
2 9 2
0
T
T R
R T
R
M T R a
M a a
V
c t c t c
c
t t
γ
γ γ
γ
=
=
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
Bước 3:
) 1 /(
2 9 9
1 1
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
+
t
γ γ
γ
⇒
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
=
−
1 1
9
9 2
9
t t
P
P
t
γ γ
γ
n tL tH b cH cL d r t
t t t t t t t t t t t t
t t
P
P P
P P
P P
P P
P P
P P
P P
P P
5
9 5 4
5 4
5 4 3
4 5 2
3 2
5 2 0
2 0
0 0
n tL tH b cH cL d r t
P
P
P
9
0
9
9 =
Bước 4:
tL tH b cH cL r n tL tH b cH cL d r t
t t t t t t t t t t t t
t t
T
T T
T T
T T
T T
T T
T T
T T
T T
5
9 5 4
5 4
5 4 3
4 5 2
3 2
5 2 0
2 0
0 0
P P T
T
T T
T
T
t
tL tH b cH cL r t
t
γ γ
τ τ τ τ τ τ
/ 1 ( 9 9 9
9
0 9
0
9
/ /
/
−
=
=
Bước 5: Áp dụng phương trình năng lượng cho khí vào và ra ở buồng đốt
4 2
1 3
2
1
( −ε −ε m&C c pc T t +ηb m&f h PR = −ε −ε + f m&C c pt T t
λ
τ ε
ε
η τ
τ τ ε
1
0 2
T c
h f
pc
PR b cH
cL
−
−
λ
λ
τ η
τ τ τ τ ε ε
−
−
−
−
=
) /(
) 1
(
0
2 1
T c h
f
pc PR b
cH cL r
Trang 6Bước 6:
High-pressure spool
Công suất do HPT phát ra:
) (
) 1
Công suất cần quay HPC:
pc C
Suy ra:
pc
5
.
t
) 1
(
1
0
5 2 4
0 2
1
ε τ
ε ε ε
ε η
+
−
−
=
t pt pc mH
tH
T
T T c
T c f
) 1
(
1
2 1
ε τ
ε ε τ
τ τ ε
ε η
τ
λ
−
−
−
− +
−
−
−
mH tH
f
Low-pressure spool
Công suất do LPT phát ra:
( 4.5 5)
2
1
Công suất cần quay LPC và fan:
pc C F
Suy ra:
pc
t
c 2 (1−ε1)τ −1 +ατ −1 =η (1−ε1 −ε2 + ) 4.5 1−τ
) 1
(
1
0
2 5 4
4 4
0 2
1
− +
−
− +
−
−
=
tL
T
T T
T T c
T c
ε ε η
τ
Trang 7[ ] ( )
) 1
(
1
2 1
− +
−
− +
−
−
−
tH r mL
tL
τ τ
τ ε
ε η
τ
λ
Bước 7:
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
+
−
− +
− +
−
− +
=
c c
a V
T T R
R f M
a
V f a
m
F
γ ε
ε ε
ε
0
9 2
1 0
0
/ 1 /
/ )
1 ( )
1 ( 1
1
&
⎭
⎬
⎫
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
+
− +
c
P P a V
T T M a
V
γ
0 19
0 19 0 0
/ /
Bước 8:
) / )(
1 (
f m
F
f F
m
SFC
C
f
&
&
&
α
+
=
=
=
Bước 9:
Hiệu suất nhiệt:
in T
Q
E K
&
&
∆
=
η
0
2 19
2 0
2 9 2
1
2
1 )
1 ( 2
1
V V m V
V f m
E
⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ +
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ +
−
−
0 2
0
19 2
0 2
0
9 2
1
2
2
1
M a
V M
a
V f a
PR f
in m h
Q& = &
PR T
fh
M a
V M
a
V f a
2
) 1
0 2
0
19 2
0 2
0
9 2
1
2
0
⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ +
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ +
−
−
=
α ε
ε η
Hiệu suất lực đẩy
E K
FV
P = ∆ &
0 η
⎭
⎬
⎫
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
+
− +
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
=
c
c c
t C
P P a V
T T M a
V
P P a V
T T R
R f M
a
V f M
a m
FV
γ α
γ ε
ε ε
ε
19 0 0 19
0 19 0 0
19
9 0 0 9
0 9 2
1 0
0
9 2
1 0
2 0 0
/ 1 / /
/ 1 /
/ )
1 ( )
1 (
&
Trang 8Hiệu suất toàn thể ηO =ηTηP
Các kết quả khác
Tỷ số áp suất của động cơ:
tL tH b cH cL t
t
P
P
2 5
Tỷ lệ lực đẩy do core trên một đơn vị lưu lượng khối lượng dòng khí qua core và lực đẩy do fan trên một đơn vị lưu lượng khối lượng dòng khí qua fan:
F F
C C
m F
m F
FR
&
& &
&
/
/
≡
Tỷ lệ lực đẩy do fan tạo ra:
( F F) ( C C)
F F F
m F m F
m F F
F
&
&
&
/ /
/ +
=
α
α
Tỷ lệ lực đẩy do core tạo ra:
( F F) ( C C)
C C F
m F m F
m F F
F
&
&
&
/ /
/ +
=
α
Điều kiện áp suất khí xả:
Ống xả phần lõi động cơ
Khí sau low-pressure turbine sẽ dãn nở tăng tốc theo tiết diện nhỏ dần của ống xả, đáp ứng của ống xả như đáp ứng của một ống khí động với điều kiện môi trường
Trường hợp 1: nếu khí dãn nở đến vị trí cổ của ống xả mà áp suất tại cổ lớn hơn hoặc bằng áp suất môi trường (P9 ≥ P0) thì hiện tượng choked (M9 =1) xảy ra
1
9 =
9
9
2
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
t
P
1
/ /
) 1 /(
0 9
9 9 9
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
=
=
−
n tL tH b cH cL d r t t
t
t t
P P
P P P
P
π π π π π π π π
Trang 9Trường hợp 2: nếu khí dãn nở đến vị trí cổ của ống xả mà áp suất tại cổ nhỏ hơn áp suất môi trường, khi đó áp suất thực tế đáp ứng tại miệng thoát phải cân bằng với áp suất môi trường (P9 = P0) và vận tốc khí thoát là dưới âm (M9 <1)
Ống xả phần fan động cơ có dạng hội tụ-phân kì được thiết kế cho điều kiện bay bằng (≈ 11000 m), khi đó áp suất khí xả cân bằng với áp suất môi trường
Vận tốc dòng khí đi qua động cơ
Dòng khí vào động cơ có vận tốc tương đối là vận tốc chuyển động của máy bay Qua miệng hút, vận tốc dòng khí giảm để tăng áp suất Dòng khí tiếp tục qua máy nén, áp suất của dòng khí tăng, trong khi đó vận tốc dòng khí gần như không thay đổi Ra khỏi máy nén, vận tốc của dòng khí còn khá cao (khoảng 400 – 500 ft/s), tốc độ này khá cao không thích hợp cho việc đốt cháy nhiên liệu, nên vận tốc của dòng khí được làm giảm bớt, áp suất dòng khí tiếp tục tăng đến giá trị áp suất lớn nhất trong động cơ bằng cách dẫn dòng khí qua bộ phận diffuser có tiết diện phân kỳ trước khi vào buồng đốt Phần sau buồng đốt có tiết diện hội tụ làm gia tăng tốc độ của dòng khí đến số Mach = 1 trước khi vào turbine Dòng khí ra khỏi turbine có vận tốc 750 – 1200 ft/s, dòng khí tiếp tục tăng tốc qua ống xả trước khi thoát ra ngoài
Giả thiết dòng khí qua động cơ là dòng một chiều, việc ước đoán vận tốc dòng khí qua các bộ phận của động cơ cho phép ta xác định được các đặc tính tĩnh của dòng khí qua động cơ
3.2.2 Phân tích hoạt động của động cơ
Phân tích hoạt động của động cơ (engine performance analysis) là xem xét đặc
tính của một động cơ xác định đã được thiết kế hoặc đã được chế tạo hoạt động
trong các điều kiện khác với điều kiện thiết kế (off-design) Việc phân tích là xác
định những đại lượng độc lập, những đại lượng phụ thuộc và quan hệ giữa chúng