Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbin phản lực

Xác định tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực P25.300 và J8 5.... Ảnh hưởng của quá trình tạo hỗn hợp đến sự ổn định cháy trong b

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s u PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA Vậ t l y

NGUYỄN THỊ QUYÈN

NGHIÊN CỨU TÍNH ỎN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ TRONG BUÒNG TẠO HỎN HỢP BUÒNG ĐỐT TĂNG L ự c ĐỘNG c ơ TURBINE PHẢN L ự c• • •

KH ÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

KHÓA LUẬN TỐT N G H IỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học:

ThS Nguyễn Ngọc Tuấn

Hà N ộ i - 2 0 1 5

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng và sâu sắc tới:

Thầy hướng dẫn khoa học: ThS Nguyễn N gọc Tuấn - người trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp tôi hoàn thành khóa luận này

Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm, Tổ V ật lí kỹ thuật khoa V ật Lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cún đề tài

Gia đình, bạn bè đã quan tâm, chia sẻ, giúp đỡ, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khóa luận

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2015 Người thực hiện

N guyễn Thị Quyền

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong khóa luận là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khóa luận khác

N eu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, tháng 5 năm 2015 Người thực hiện

Nguyễn Thị Quyền

PHẦN MỞ ĐẦU

MỤC LỤC

1

1 Lý do chọn đề tà i 1

2 M ục đích nghiên c ứ u 1

3 N hiệm vụ nghiên c ứ u 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

PHẦN NỘI D U N G 3

Chương 1 - TỐNG QUAN VÈ TÍNH ỐN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ TRONG BUỒNG TẠO HỖN HỢP BUỒNG ĐỐT TĂNG L ự c ĐỘNG c ơ TURBINE PHẢN L ự c 3

1.1 Mô hình buồng tạo hỗn họp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực 3

1.2 Đặc điếm làm việc của buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản l ự c 4

1.3 Xác định tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực P25.300 và J8 5 10

1.4 Ảnh hưởng của quá trình tạo hỗn hợp đến sự ổn định cháy trong buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản l ự c 13

1.5 Ket luận chương 1 17

Chương 2 - GIẢI PHÁP NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ TRONG BUỒNG TẠO HỒN HỢP BUỒNG ĐỐT TẢNG L ự c ĐỘNG c ơ TURBINE PHẢN Lực 18

2.1 Thiết lập phương trình ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp 18

2.2 Điều kiện ốn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn họp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lự c 23

2.3 Giải pháp nâng cao tính ốn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lự c 26

2.3.1 Các lực tác động lên dải nhiên liệu p h u n 26

2.3.2 Sự phân rã của dòng nhiên liệu phun và kích thước giọt nhiên liệu 32

2.3.3 Tính kích thước giọt nhiên liệu trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ P 25.300 38

2.4 Kết luận chương 2 38

PHẦN KẾT L U Ậ N 40

TÀI LIỆU THAM K H Ả O 41

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Diện tích tiêt diện cửa vào buông tạo hôn họp [m2]

D iện tích tiêt diện nhỏ nhât buông tạo hôn hợp

M

Px Ap suât dòng khí ở cửa vào buông tạo hôn hợp I^A/7 m2 J

Pk Ap suât dòng khí ở tiêt diện nhỏ nhât I^A/7 m2~ị

Pl Ap suât dòng khí ở tiêt diện kêt thúc nhiêu ^A/7 m2 J

Pl Ap suât dòng khí ở tiêt diện cuôi buông tạo hôn

hợp

I^A/7 m2~ị

Pì Ap suât dòng khí ở cửa ra buông tạo hôn hợp [w /m 2]

4 Hệ sô tôn thât toàn phân ở đoạn ông thu hẹp

a Sự tăng biên độ nhiêu trên một đơn vị khoảng cách [m -]

s Hệ sô biên dạng kích thước vùng nhiêu [jV/m3]

Q = õ f / õt Tốc độ gia tăng biên độ nhiễu m p* M ật độ khí trong vùng xoáy [ kgím3]

K Độ dài vùng nhiêu xoáy M

s Sức cản vi phân của dòng chảy [ k g l s

10 Tân sô dao động góc [Hz\

wX Tôc độ tương đôi của dòng khí theo phương X [m /il

wv Tôc độ tương đôi của dòng khí theo phương y m / 5

D Đường kính sợi phân dải nhiên liệu m

Ds Đường kính giọt nhiên liệu m

1.2 M ô hình dòng chảy trong buông tạo hôn hợp

buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

1.6 Đô thị tân sô dao động riêng của dòng khí trong

buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ

P25.300 (a) và động cơ J85 (b)

13

1.7 Anh hưởng của sức cản thủy lực đên tính ôn định

của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp động cơ

P25.300 (a) và động cơ J85 (b)

13

2.1 Sự tương tác của dải nhiên liệu phun với dòng khí

không ổn định trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt

tăng lực

27

2.2 Sự phân rã của dải nhiên liệu phun dưới tác động

của dòng khí không ổn định trong buồng tạo hỗn

PHÀN M Ồ ĐÀU

1 L ý do chọn đề tài

Đ ộng cơ turbine phản lực là một loại động cơ nhiệt, thường được dùnglàm động cơ đẩy cho các máy bay cận và vượt âm Trong quá trình thiết kế chế tạo động cơ turbine phản lực, một yêu cầu được đặt ra là động cơ phải có lực đẩy lớn, kết cấu gọn nhẹ, có độ tin cậy, an toàn và tính kinh tế, đáp ứng các tiêu chuẩn đặt ra của ngành hàng không

N hiều giải pháp đã được đưa ra Trong đó giải pháp được sử dụng nhiều nhất hiện nay là buồng đốt tăng lực lắp sau turbine để tăng lực đẩy phản lực cho động cơ

Vấn đề ổn định cháy trong buồng đốt tăng lực là một yêu cầu cơ bản khi thiết kế chế tạo động cơ turbine phản lực Nó phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tạo hỗn hợp cháy Quá trình cháy là quá trình lý hóa xảy ra với tốc độ cao, nhiệt độ phản ứng cháy lớn Nó đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo công suất làm việc của động cơ cũng như tính an toàn, tính bền và tính kinh tế của động cơ

Trong khuôn khổ có hạn của một khóa luận tốt nghiệp, tôi chỉ dừng lại

ở việc “N ghiên cứu tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp

buồng đốt tăng lực động CO’ turbine phản lực”.

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- N ghiên cứu tống quan về tính ốn định của dòng khí trong buồng tạohỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

- N ghiên cứu về giải pháp nâng cao tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

4 Đối tưọng và phạm vi nghiên cửu

4.1 Đối tư ọng nghiên cứu

Giải pháp nâng cao tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lỷ luận: Đọc các tài liệu, công trình có liên quan đến đề tài nghiên cứu

2

PHẦN NỘI DUNG Chương 1 - TỔNG QUAN VÈ TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA DÒNG KHÍ

TRONG BUỒNG TẠO HỎN HỌP BUỒNG ĐỐT TĂNG L ự c ĐỘNG

CO TURBINE PHẢN L ự c

1.1 Mô hình buồng tạo hỗn họp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

Buồng tạo hỗn hợp được bố trí sau turbine và trước buồng lửa Có nhiều loại buồng tạo hỗn hợp động cơ turbine phản lực như buồng tạo hỗn họp trong động cơ turbine phản lực một luồng, buồng tạo hỗn hợp trong động

cơ turbine phản lực hai luồng, buồng tạo hỗn hợp có dòng chảy n g ư ợ c

N guyên lý cấu trúc của buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực như trên hình 1.1 a và được mô hình hóa như hình 1 lb:

Hình 1.1 Nguyên lý cẩu trúc (a) và mô phỏng (b) của buồng tạo hôn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

Buồng tạo hỗn hợp cấu trúc gồm hai phần: phần đầu có hình dạng nhỏ dần, phần sau có hình dạng lớn dần D òng khí chảy vào trong buồng tạo hỗn hợp có nhiệt độ cao (800K - 900K) và có tốc độ lớn (160 m/s - 180 m/s)

G iả thiết rằng dòng khí chảy trong buồng tạo hỗn họp được hình thành

từ dòng cơ bản và dòng nhiễu Dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp gọi là dòng bị nhiễu N hiễu 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 N eu nhiễu phát triển gia tăng biên độ thì dòng chảy là dòng không ổn định Neu nhiễu tồn tại trong dòng với biên độ không thay đổi thì dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp nằm ở giới hạn ốn định Dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp có số M < 0,3

nên coi là dòng không bị nén ( p = const) Tính cản dòng trên turbine và

buồng lửa được xem như là các tiết lưu, vì vậy coi đầu vào và ra của buồng tạo hỗn hợp có lắp tiết lưu trước và sau

Từ đó nhận thấy cấu trúc và dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực có nguyên lý cấu trúc giống như ống V enturi có tiết lưu đầu vào

và ra như hình 1.2:

Hình 1.2 Mô hình dòng chảy trong buồng tạo hôn hợp

buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

1.2 Đặc điểm làm việc của buồng đốt tăng lực động cơ turbỉne phản lực

Đ ộng cơ turbine phản lực là kiếu đơn giản nhất và cố nhất của động

cơ phản lực nói chung, thường được dùng làm động cơ đẩy cho các m áy bay Không khí được đưa vào bên trong những máy nén quay thông qua cửa hút khí, và được nén tới áp suất cao trước khi đi vào buồng đốt Tại buồng đốt,

4

không khí được trộn với nhiên liệu và được đốt cháy Quá trình cháy làm nhiệt độ khí tăng rất cao Các sản phấm cháy sẽ thoát ra khỏi buồng đốt và chạy qua turbine làm quay máy nén D òng khí bên trong turbine thoát ra ngoài qua ống thoát khí tạo ra một lực đấy phản lực ngược chiều.

Quá trình đốt bên trong buồng đốt khác nhiều so với quá trình đốt trong động cơ piston Hỗn hợp không khí và nhiên liệu cháy làm nhiệt độ tăng lên đột ngột Chính vì thế buồng đốt trong một động cơ phản lực luôn đạt nhiệt độ đỉnh và có thể làm cháy lớp vỏ bên ngoài

Buồng đốt tăng lực gồm ống khuếch tán và buồng lửa Ống khuếch tán có tiết diện lớn chứa đựng những vòi phun cùng với thiết bị mồi lửa và bộ

ổn định ngọn lửa Buồng lửa có dạng hình trụ, bên trong có ống lửa hình trụ lượn sóng với các lỗ nhỏ Buồng đốt tăng lực của động cơ turbine phản lực đặt sau turbine trước ống tăng tốc của động cơ có dạng cụ thể như hình 1.3 và

có sơ đồ như hình 1.4:

Hình 1.3 Động cơ turbine phản lực có buồng đốt tăng lực

Hình 1.4 Sơ đồ động cơ turbine phản lực có buồng đốt tăng lực

Không khí từ bên ngoài được đưa vào động cơ qua thiết bị vào (1), qua máy nén dọc trục (2), tại máy nén (2) không khí được nén tới áp suất cao, rồi vào buồng đốt động cơ (3), nhiên liệu được phun và hòa trộn với không khí trong buồng đốt tạo thành hỗn họp cháy được đốt cháy nhờ nến điện Sản phấm cháy có năng lượng lớn đi vào turbine (4) qua buồng đốt tăng lực (5) đến ống tăng tốc (6) để tăng tốc dòng khí đến tốc độ cao kéo quay m áy nén Sau khi ra khỏi turbine năng lượng còn lại của dòng khí cháy chuyến hóa thành động năng rồi thoát ra ngoài miệng phun tạo lực đẩy phản lực cho động

cơ Khi cần tăng lực, nhiên liệu được phun bố sung vào buồng đốt tăng lực tạo thành quá trình cháy đẳng áp làm tăng nhiệt độ dòng khí vào ống tăng tốc, làm tăng tốc độ dòng và lực đẩy phản lực cho động cơ từ 25 đến 50%

Dòng khí qua turbine có hệ số khí dư lớn, có thể lên tới a =60 tương

đương với dòng không khí bị pha loãng bằng sản phẩm cháy có áp suất từ 1,5 đến 4 bar, nhiệt độ từ 900 đến 1200k và tốc độ từ 350 đến 400 m/s Khi qua ống khuếch tán, tốc độ dòng khí giảm còn 120 đến 160 m/s để đi vào buồng lửa Trong ống khuếch tán, nhiên liệu được phun vào dòng khí qua nhiều vòi phun, tạo thành hỗn hợp cháy với hệ số không khí dư nằm trong khoảng từ1,1 đến 1,5 Gần cuối ống khuếch tán, hỗn hợp cháy gặp bộ ổn định ngọn lửa hình chữ V và tự bén lửa tạo thành ngọn lửa dao động có màng lửa nhăn và vùng tuần hoàn (vùng chảy ngược) đế duy trì sự on định của ngọn lửa N gọn

lửa sau bộ ổn định chịu tác động của những dòng khí nhỏ đi qua các lỗ nhỏ của ống lửa vừa làm mát thành buồng đốt vừa duy trì biên độ và tần số dao động ổn định.

Quá trình hoạt động của buồng đốt tăng lực được chia thành nhiều chế độ: tăng lực nhỏ, tăng lực tùng phần, tăng lực toàn phần M uốn thay đổi chế

độ tăng lực ta phải thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho buồng đốt tăng lực

Quá trình cháy trong buồng đốt tăng lực có ngọn lửa dao động là quá trình cháy dao động ở vùng cao tần, có tần số lớn từ 102 đến 103 Hz Quá trình này thường có biên độ áp suất rất lớn Tùy thuộc vào đặc tính âm thanh trong buồng đốt, sự dao động với tần số lớn của áp suất có thể gây ra dao động mạnh, có thể gây phá hủy buồng đốt tăng lực

Trong buồng đốt tăng lực cũng tồn tại dao động với tần số thấp có biên

độ dao động áp suất lớn gây mất ổn định cháy Đ ây cũng là nguyên nhân gây

ra sự phá hủy buồng đốt

Đặc điếm của quá trình cháy trong buồng đốt tăng lực là hỗn họp cháy

đi vào buồng đốt ở nhiệt độ cao Hỗn hợp có thể tự bén lửa và cháy N hiệt độ của hỗn hợp cháy đi vào buồng đốt đạt tới 1200K Ngọn lửa trong buồng đốt tăng lực là 2500K Quá trình cháy trong buồng đốt tăng lực là cháy dịu êm

Quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong buồng đốt tăng lực khác so với quá trình cháy trong buồng đốt chính như sau:

- N hiệt độ dòng khí cháy ở cửa vào buồng đốt tăng lực đạt giá trị cao (900K - 1200K), góp phần thúc đẩy nhanh việc hóa hơi nhiên liệu N hờ đó việc hình thành hỗn hợp cháy được thuận lợi và tăng tính bắt lửa của hỗn hợp cháy

- Dòng khí đi vào buồng đốt tăng lực đã cháy lần đầu trong buồng đốt

chính, nên hệ số khí dư a nhỏ hơn nhiều so với buồng đốt chính Nhiên liệu

tự hòa trộn với dòng khí tốc độ cao nên gọi là quá trình tự hòa trộn M ật độ ôxy trong hỗn hợp cháy nhỏ hơn so với buồng đốt chính nên không cần phải phân chia vùng trộn và vùng cháy như buồng đốt chính, v ấ n đề đặt ra là phải tính đến việc phun nhiên liệu đều khắp lên dòng khí cháy sau turbine, tạo được sự đồng nhất của hỗn hợp trên mọi thiết diện của buồng đốt Vị trí lắp đặt các vòi phun được chọn sao cho quá trình hóa hơi nhiên liệu kết thúc tại mép sau của bộ ổn định ngọn lửa Việc phun nhiên liệu có thể cùng chiều, ngược chiều hoặc vuông góc với dòng khí, tùy thuộc vào từng loại động cơ sao cho việc hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu không khí là tốt nhất

Thực tế hoạt động của các buồng đốt tăng lực trên các động cơ turbine phản lực đã có quá trình cháy ổn định Tuy đã đáp ứng được các yêu cầu vận hành nhưng vẫn còn tồn tại một số hiện tượng như tắt lửa, cháy không ổn định, vỏ buồng đốt bị nứt nẻ, cong vênh, cháy sém, hay hiện tượng tách rời các bu lông giữa các phần của buồng đốt tăng lực

Trong thiết kế và chế tạo buồng đốt tăng lực động ơ turbine phản lực cần đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Ôn định quá trình cháy nhiên liệu trong toàn bộ khoảng thay đối độ cao và tốc độ bay

+ Tăng lực tin cậy trong mọi điều kiện bay

+ Tổn thất áp suất toàn phần trong buồng đốt tăng lực nhỏ ở các chế độ làm việc có tăng lực và không tăng lực của động cơ

+ Bảo đảm sự làm việc bình thường của turbine, không gây quá nhiệt

độ cho các lá turbine khi bật và tắt tăng lực Khối lượng của buồng đốt tăng lực là nhỏ nhất

8

Đe gia tăng lực đẩy hoặc lực kéo của động cơ turbine phản lực, hiện nay thường sử dụng các giải pháp sau:

- Tăng nhiệt độ khí cháy trước turbine đồng thời giữ cho vòng quay không đối Đe thực hiện được điều đó cần phải đóng bớt m iệng phun Phương pháp này gây ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của các lá turbine, làm m áy nén hoạt động mất ốn định nên chỉ sử dụng được khoảng một vài phút với mức tăng lực đẩy từ 6- 8%

- Tăng vượt giá trị vòng quay cực đại bằng cách tăng lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng đốt chính, làm tăng nhiệt độ khí cháy trước turbine Công suất turbine tăng lên, vòng quay rôto động cơ tăng từ đó tăng lưu lượng không khí vào động cơ và tăng áp suất không khí sau m áy nén, dẫn đến tăng lực đẩy động cơ Phương pháp này làm tăng tải trọng cơ nhiệt lên các lá turbine, ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của động cơ, lực đẩy được tăng thêm khoảng từ 10- 15%

- Phun chất lỏng dễ bay hơi (cồn hoặc nước) vào trước hoặc trong máy nén, làm giảm nhiệt độ không khí trong máy nén, máy nén dễ nén hơn, đồng thời làm tăng mức giãn nở của khí cháy trên miệng phun, dẫn đến làm tăng lực đấy cho động cơ Phương pháp này có hiệu quả khi động cơ làm việc trong điều kiện nhiệt độ môi trường quá cao Tuy nhiên phương pháp này làm giảm mạnh tính kinh tế của động cơ do sự cồng kềnh về thiết bị phun

- Phun chất lỏng dễ bay hơi vào buồng đốt đế tăng động lượng của dòng khí trên cửa thoát của động cơ Lực đẩy tăng từ 15 - 20% Tuy nhiên phương pháp này ít được sử dụng vì tính an toàn không cao, dễ gây hóc khí trong máy nén

- Đốt bổ sung nhiên liệu trong buồng đốt tăng lực lắp sau turbine Khi buồng đốt tăng lực làm việc, để tránh làm thay đổi giá trị vòng quay của động

cơ phải sử dụng hệ thống điều khiển miệng phun nhằm thay đổi diện tích thiết diện cửa thoát phù hợp với các chế độ tăng lực Lực đẩy tăng đến 45% Vì vậy phương pháp này được sử dụng phổ biến hiện nay trên các động cơ turbine phản lực một luồng và hai luồng, dùng cho các máy bay cận âm và trên âm trong lĩnh vực quân sự và dân sự.

1.3 Xác định tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn họp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phán lực P25.300 và J85

Đ ộng cơ của máy bay P25.300 và J85 thuộc loại động cơ turbine phản lực, hoạt động dựa trên nguyên tắc hút không khí vào phía trước và phụt ra phía sau luồng khí có vận tốc cao hơn, sinh ra phản lực hướng về phía trước Vận tốc phụt ra phía sau của luồng khí càng cao thì phản lực sinh ra càng lớn, kéo theo máy bay có tốc độ càng lớn Các thành phần chính của động cơ turbine phản lực bao gồm: cửa hút gió, máy nén, buồng đốt, turbine và vòi phun

Khi động cơ hoạt động, không khí được nén và đưa vào buồng đốt Luồng không khí áp suất cao thoát ra khỏi buồng đốt ra phía sau với vận tốc lớn, nên phản lực sinh ra hướng về phía trước Luồng khí này cũng đồng thời làm quay turbine, truyền động vận hành máy nén

Bộ phận đốt tăng lực được đặt sau turbine Khi bật đốt tăng lực, nhiên liệu sẽ được phun thắng vào luồng khí nóng phía sau turbine trước khi thoát ra khỏi vòi phun N hiên liệu cháy sẽ tăng nhiệt độ luồng không khí, làm áp suất luồng không khí tăng cao, kéo theo đó là vận tốc của luồng khí phụt về phía sau cao hơn, phản lực sinh ra lớn hơn, gia tốc lớn hơn, vận tốc m áy bay sẽ tăng nhanh hơn

Buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực có bố trí nhiều vòi phun lỗ đơn đặt cách nhau một khoảng cách đủ lớn so với kích

10

thước lỗ vòi phun trên một thiết diện ngang cho phép giả thiết rằng các dòng nhiên liệu phun ra từ các vòi phun hoạt động độc lập với nhau trong môi trường dòng khí D òng khí trong buồng tạo hỗn hợp bao gồm dòng cơ bản và dòng nhiễu N eu dòng nhiễu phát triển gia tăng về độ lớn biên độ thì dòng khí mất ốn định N gược lại, nếu dòng nhiễu bị tiêu tán trong dòng cơ bản thì dòng khí được coi là dòng ốn định.

Đồ thị vùng ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ P25.300 và động cơ J85 như trên hình 1.5a và hình 1.5b:

Hình 1.5 Đồ thị vùng ốn định của dòng khí trong buồng tạo hôn hợp

động cơ P25.300 (a) và động cơ J 8 5 (b)

Đồ thị ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng

lực thay đổi đơn điệu theo sự thay đổi của góc mở rộng p Ở góc mở thiết kế

p =14% dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ P25.300 là không ổn định Góc P d trong động cơ này là 11,5° Ở góc mở thiết kế Ptk - 7,5° của động cơ J85 (hình 1.5b) dòng khí trong buồng tạo hỗn

họp nằm ở giới hạn ổn định, tức là Ptk = p.d Nếu tăng góc /? = 9° > p sd thì

dòng trở nên không ốn định

Trên hình 1.6 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 Ị3 thì tần

số dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo hỗn họp tăng lên Ket quả cho thấy với động cơ có kích thước nhỏ như J85 và với động cơ có kích thước tương đối lớn như P25.300, dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp đều là những dao động thấp tần

Hình 1.6 Đồ thị tần sổ dao động riêng của dòng khí trong buồng tạo hôn hợp buồng đốt tăng lực động cơ P25.300(a) và động cơJ85(b)

Ảnh hưởng của sức cản thủy lực đến tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ P25.300 và động cơ J85 được trình bày như hình 1.7a và 1.7b:

12

1.4 Ảnh hưởng cùa quá trình tạo hỗn hợp đến sự ổn định cháy trong buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực

Ôn định cháy là một yêu cầu cơ bản đối với tất cả các buồng đốt, đặc biệt là buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực Những công trình nghiên cứu đầu tiên về ổn định cháy xuất phát từ nghiên cứu thực nghiệm A ltseim er

J đã chế tạo mô hình buồng đốt để nghiên cứu sự cháy không ổn định, kết quả nghiên cứu thực nghiệm về ổn định cháy đã đưa ra tiêu chuẩn M ichenson về

ổn định cháy trong buồng đốt Các nhà khoa học M ỹ đã tiến hành nhiều

nghiên cứu thực nghiệm để xác định ưu nhược điểm của các vách giảm xung dùng để chống không ổn định cháy, đã đưa ra những biện pháp ổn định cháy nếu sử dụng vách giảm xung hoặc sử dụng vật chảy bọc hình dạng khác nhau như vật chảy bọc dạng chóp nón, dạng chữ V và sử dụng vòi phun x o á y Các tác giả Crocco L, H arrje D.T, Grey J đã đưa ra phương pháp xác định các giới hạn ốn định cháy của động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng dưới tác dụng của các dao động dọc bằng cách thay đối chiều dài buồng đốt Các nghiên cứu thực nghiệm về sử dụng thiết bị tiêu tán năng lượng âm thanh cũng đã được tiến hành, tuy nhiên việc đảm bảo khả năng làm việc của chúng trong những điều kiện của buồng đốt thực tế trong thời gian qua còn rất hạn chế v ấ n đề sử dụng các vách giảm xung và các thiết bị tiêu tán năng lượng âm thanh trong những năm gần đây được đặc biệt chú ý do hiệu quả của chúng trong việc chống các dao động ngang.

Ở Nga, nhiều tác giả đã nghiên cún cơ chế liên hệ ngược của sự cháy không ổn định trong buồng đốt của động cơ tên lửa được xác định bởi sự phụ thuộc của quá trình cháy vào các dao động áp suất và tốc độ của dòng như N.F Chuchalin, I.B X verlichnui, A.D M acgolin

Ở Anh, đã có các công trình nghiên cứu thực nghiệm dòng chảy qua bộ

ổn định ngọn lửa dạng vật chảy bọc khi không đốt cháy của tác giả A Lefever Các công trình nghiên cứu này đã xác định được trường áp suất và tốc độ, tần số của xoáy, hệ số cản cũng như ảnh hưởng của hình dạng vật chảy bọc tới kích thước của vùng xoáy

Vấn đề ổn định cháy trong lò hơi và trong các thiết bị truyền nhiệt được nhiều nhà khoa học quan tâm về cả lĩnh vực lý thuyết lẫn thực nghiệm nhằm giải quyết vấn đề tiết kiệm năng lượng và hạn chế ô nhiễm môi trường khi sử dụng nhiên liệu lỏng và rắn

14

Tuy nhiên quá trình cháy là quá trình lý hóa 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 hóa lỷ chưa đáp ứng được yêu cầu đặt ra Vì vậy hiện nay việc nghiên cứu quá trình cháy thường phân chia thành nhiều giai đoạn: giai đoạn tạo hỗn họp, giai đoạn cháy và giai đoạn thải sản phấm cháy Trong mỗi giai đoạn thường lý tưởng hóa bằng các mô hình gần đúng hoặc qua mô phỏng nhằm xác định các số liệu thực nghiệm cho quá trình cháy.

Việc đánh giá tính ổn định cháy trong các buồng đốt bằng phương pháp nhiễu nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Cho tới nay phương pháp nhiễu vẫn được xem là phương pháp tiêu chuẩn khi đánh giá tính ổn định trong các buồng đốt của các thiết bị năng lượng

Theo quan niệm ổn định cháy, quá trình cháy trong động cơ bao gồm quá trình tạo hỗn hợp, quá trình cháy trong buồng đốt và quá trình thải sản phẩm cháy N hững quá trình đó tác dụng tương hỗ với nhau để duy trì sự ổn định cháy

Theo lý thuyết nhiễu, tính ổn định cháy có thể bị phá hủy bởi những nhiễu loạn tò bên ngoài hoặc bên trong, nhưng cũng có thế tạo ra nhiễu loạn

đế duy trì quá trình cháy ốn định, hiệu quả sẽ tốt hơn nếu nó tác động trục tiếp vào quá trình tạo hỗn hợp

Hỗn hợp khí cháy lý tưởng là hỗn hợp mà nhiên liệu bay hơi hoàn toàn cân bằng với lượng ôxy có trong dòng khí theo định lượng phản ứng hóa học Khi hỗn hợp cháy đạt đến trạng thái lý tưởng, quá trình cháy sẽ trở nên ổn định

M uốn vậy cần nâng cao chất lượng hỗn hợp cháy Cụ thể là nâng cao chất lượng phun nhiên liệu vào buồng tạo hỗn hợp đẫn đến việc nâng cao áp

suất phun nhiên liệu lên tới hàng nghìn atmotphe M ột hướng nữa được đặt ra

là tăng cường khuếch tán nhiên liệu vào dòng khí bằng nhiễu loạn khí động để hóa khí nhiên liệu lỏng H ướng thứ ba là kết hợp phun nhiên liệu với tác động của dòng khí xoáy trong vòi phun gọi là vòi phun biến bụi hoặc các vòi phun tạo chuyến động xoáy của dòng nhiên liệu phun thành các mặt hình nón.Tuy nhiên quá trình phun và hóa hơi nhiên liệu vẫn còn thiếu những cơ

sở nền tảng nhằm đảm bảo nâng cao chất lượng quá trình tạo hỗn hợp

Cần chú trọng đến quá trình tạo hỗn hợp Vì nó không chỉ đảm bảo điều kiện ổn định cháy trong các thiết bị mà còn giảm phát thải chất độc hại ra môi trường V à hiện nay, người ta thường chú trọng đến việc thay đổi cấu tạo vòi phun nhằm tạo ra các tia phun được phân rã và hóa hơi nhanh Các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra nhiều mô hình khác nhau, trong đó

có hai mô hình là mô hình tia phun theo lý thuyết dòng nhiễu và mô hình tia phun Hiroyasu

Mô hình tia phun theo thuyết dòng nhiễu là một dải phang Khi chịu tác động của môi trường bên ngoài, tia phun sẽ chuyển động dưới dạng sóng phản đối xứng hình sin và sóng giãn đối xứng Tùy vào mức độ biên độ của nhiễu mà dải nhiên liệu bị bẻ gẫy tại những điếm lồi lõm đế tạo thành giọt

M ô hình tia phun Hiroyasu là một dải phang phân chia thành những lát mỏng Các lát mỏng này chỉ tiếp xúc nhau và không trao đối nhiệt với nhau.Quá trình cháy ổn định còn được gọi là quá trình cháy êm dịu, diễn ra khi mức chênh lệch nhiệt độ của các thành phần hỗn hợp tham gia phản ứng trước và sau khi cháy không vượt quá 1000K, các tham số nhiệt không dao động mạnh và lượng khí thải độc hại là ít nhất Do quá trình cháy trong các buồng đốt tăng lực là quá trình cháy lần thứ hai nên mức chênh lệch nhiệt độ của dòng khí trước và sau khi cháy là không cao Theo đó quá trình cháy

16