- Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở giữa cánh quay và cánh cố định tới hiệu suất máy nén hướng trục đa cấp, - Mô phỏng số các trạng thái ảnh hưởng của khe hở giữa đỉnh cánh quay với thân m
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên c ứu ảnh hưởng của khe hở giữa đỉnh cánh quay với thân máy và khe
h ở dọc trục giữa cánh quay với cánh tĩnh tới hiệu suất của máy nén hướng
Trang 2CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
H ọ và tên tác giả luận văn: NGUYỄN ĐẠI QUÝ
Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở giữa đỉnh cánh quay
với thân máy và khe hở dọc trục giữa cánh quay với cánh tĩnh tới hiệu suất của máy nén hướng trục đa cấp
Chuyên ngành: Cơ khí động lực
Mã s ố SV: CA190065
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 12 tháng 08 năm 2020 với các nội dung sau:
1 Chỉnh sửa lại toàn bộ các lỗi chế bản, in ấn
2 Bổ sung bảng ký hiệu và từ viết tắt
3 Trích dẫn tham khảo đầy đủ theo trình tự xuất hiện trong luận văn
4 Thay đổi các hình ảnh, đồ thị mờ mất chữ, mất nét
……… ………
Ngày tháng năm
PGS.TS Phan Anh Tuấn Nguyễn Đại Quý
CH Ủ TỊCH HỘI ĐỒNG
GS.TSKH Vũ Duy Quang
Trang 3L ời cảm ơn
Với lòng biết ơn sâu sắc và tình cảm chân thành cho phép tác giả gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực, Bộ môn
Kỹ Thuật thủy khí và Tàu thủy cùng các giảng viên và PGS TS Phan Anh Tuấn người hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài nghiên cứu này
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, của quý
th ầy cô
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày 26 tháng 6 năm 2020
Tóm tắt nội dung luận văn
Lý ch ọn đề tài
Máy nén khí đa cấp được dùng phổ biến trong công nghiệp khi muốn tạo
ra dòng khí với áp suất cao Đặc biệt trong ngành hàng không và tàu thủy, máy nén đa cấp được dùng trong tua bin khí để tạo lực đẩy cho máy bay và tàu thủy Việc nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở đỉnh cánh với thân máy và khe hở giữa cánh quay và cánh cố định sẽ giúp cho người thiết kế tối ưu, nâng cao được hiệu suất cho máy nén khí
M ục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở giữa đỉnh cánh quay với thân máy và khe hở giữa cánh quay và cánh tĩnh tới hiệu suất máy nén dọc trục đa cấp
N ội dung cơ bản của đề tài:
- Nghiên cứu tổng quan về máy nén khí, máy nén hướng trục đa cấp
- Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở giữa đỉnh cánh quay với thân máy tới hiệu suất máy nén hướng trục đa cấp
- Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở giữa cánh quay và cánh cố định tới hiệu suất máy nén hướng trục đa cấp,
- Mô phỏng số các trạng thái ảnh hưởng của khe hở giữa đỉnh cánh quay với thân máy tới hiệu suất máy nén hướng trục đa cấp
- Mô phỏng số các trạng thái ảnh hưởng khe hở giữa cánh quay và cánh cố định tới hiệu suất máy nén hướng trục đa cấp
Phương pháp nghiên cứu
Trang 4Kết hợp nghiên cứu lý thuyết truyền thống và mô phỏng số bằng phần mềm ANSYS Fluent để khảo sát, đánh giá mức độ ảnh hưởng tới hiệu suất và tỷ
số nén của máy nén hướng trục đa cấp khi thay đổi khe hở giữa đỉnh cánh động tầng 1 với vỏ máy và khe hở dọc giữa cánh động và cánh tĩnh
HỌC VIÊN
Nguyễn Đại Quý
Trang 5M ỤC LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY NÉN KHÍ 12
1.1 Tổng quan về máy nén khí 12
1.2 Phạm vi sử dụng của máy nén khí 13
1.3 Ưu, nhược điểm của máy nén khí 13
1.4 Động lực học chất khí 13
Các thông số cơ bản của chất khí 13
Các định luật cơ bản của chất khí 14
Độ ẩm của không khí 15
Nhiệt và công cơ học 15
Phương trình cơ bản của nhiệt động 15
Phương trình liên tục 16
Phương trình Bernoulli 17
Số Reynolds và số Mach 17
Phương trình Euler 18
1.5 Kết luận chương 1 18
CHƯƠNG 2 MÁY NÉN KHÍ HƯỚNG TRỤC ĐA CẤP 19
2.1 Kết cấu máy nén hướng trục đa cấp 19
2.2 Nguyên lý làm việc 20
2.3 Tam giác vận tốc của dòng khí chuyển động trong máy 20
Công của máy nén 23
Độ phản lực của máy nén hướng trục 24
2.4 Đặc tính của máy nén hướng trục 27
Đặc tính riêng 28
Đặc tính tổng hợp 30
2.5 Tính toán máy nén hướng trục 31
Các thông số cho trước 31
Tính toán sơ bộ 31
Tính toán tầng 34
Xây dựng biên dạng cánh 37
2.6 Các nghiên cứu về khe hở cánh máy nén khí hướng trục đa cấp 41
Ảnh hưởng của khe hở giữa đỉnh cánh quay với thân máy 41
Trang 6Ảnh hưởng của khe hở dọc trục giữa cánh quay với cánh tĩnh 42
2.7 Kết luận chương 2 43
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SỐ 44
3.1 Phương pháp mô phỏng số 44
Giới thiệu chung về CFD (Computational Fluid Dynamics) 44
Ứng dụng của CFD trong việc giải các bài toán kỹ thuật 44
Những phương trình cần phải giải trong CFD 45
3.2 Phần mềm mô phỏng ANSYS Fluent 45
C ấu trúc phần mềm và khả năng mô phỏng trên Fluent 45
Các bước giải một bài toán trên Fluent 47
3.3 Mô phỏng số với máy nén hướng trục đa cấp 47
3.3.1 Lựa chọn phương pháp mô phỏng số 47
3.3.2 Mô hình rối 49
3.3.3 Xây dựng mô hình lưới 52
3.3.4 Điều kiện biên 53
3.4 Kết luận chương 3 54
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ 55
4.1 Các trường hợp mô phỏng số trong nghiên cứu này 55
4.2 Miền không gian tính toán 55
4.3 Điều kiện biên 58
4.4 Kết quả mô phỏng số về ảnh hưởng của khe hở giữa đỉnh cánh quay và vỏ máy 58 4.5 Kết quả mô phỏng số về ảnh hưởng của khe hở dọc trục giữa cánh động và cánh tĩnh 65
Trường hợp khe hở dọc trục giữa R1 và S1 tăng so với thiết kế gốc 65
Trường hợp khe hở dọc trục giữa R1 và S1 giảm so với thiết kế gốc 70
4.6 Kết luận chương 4 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78
Trang 7DANH M ỤC HÌNH VẼ
Hình 2 1 Cấu tạo của máy nén khí hướng trục 19
Hình 2 2 Lưới cánh của máy nén hướng trục 21
Hình 2 3 Tam giác vận tốc của lưới cánh công tác 22
Hình 2 4 Sơ đồ vận tốc của lưới cánh công tác 22
Hình 2 5 Tam giác vận tốc góc ρ = 0,5 25
Hình 2 6 Tam giác vận tốc góc ρ = 1 26
Hình 2 7 Tam giác vận tốc góc ρ = 0,75 27
Hình 2 8 Đường đặc tính thực nghiệm của máy nén hướng trục 28
Hình 2 9 Đường đặc tính thực nghiệm của máy nén hướng trục 29
Hình 2 10 Sự phụ thuộc lực nâng Cy và lực cản Cx vào góc va i 29
Hình 2 11 Sự phụ thuộc lực nâng Cy và lực cản Cx vào góc va i 30
Hình 2 12 Đường đặc tính tổng hợp của máy nén hướng trục 31
Hình 2 13 Xây dựng đường nhân của biên dạng cánh bằng phương pháp đồ thị38 Hình 2 14 Xây dựng đường nhân của biên dạng cánh 39
Hình 2 15 Xây dựng cánh bằng phương pháp giải tích 40
Hình 2 16 Máy nén khí hướng trục đa cấp 41
Hình 3 1 Sơ đồ thực hiện bài toán mô phỏng trên Fluent 46
Hình 3 2 Minh họa về quy định “Interface” cho mô hình MRF 48
Hình 3 3 Mô hình lưới 52
Hình 3 4 Điều kiện biên của các vị trí 53
Hình 4.1 Khe hở đỉnh cánh động và thân máy và khe hở dọc R1 với S1 56
Hình 4.2 Cấu tạo ba tầng cánh máy nén khí 57
Hình 4.3 Chia lưới trong mô phỏng số 58
Hình 4.4 Trường vận tốc dòng khí tại tầng thứ nhất 59
Hình 4.5 Trường vận tốc dòng khí tại tầng thứ hai 59
Hình 4.6 Trường vận tốc dòng khí tại tầng thứ ba 60
Hình 4.7 Đồ thị tải của cánh tầng thứ nhất 60
Hình 4.8 Đồ thị tải của cánh tầng thứ hai 61
Hình 4.9 Đồ thị tải của cánh tầng thứ ba 61
Hình 4.10 Đồ thị tải của cánh động R1 61
Hình 4.11 Đồ thị tải của cánh tĩnh S1 62
Hình 4.12 Đồ thị tải của cánh động R2 62
Trang 8Hình 4.13 Đồ thị tải của cánh tĩnh S2 62
Hình 4.14 Đồ thị tải của cánh động R3 63
Hình 4.15 Đồ thị tải của cánh tĩnh S3 63
Hình 4.16 Đồ thị ảnh hưởng của khe hở đỉnh cánh động đến tỷ số nén 64
Hình 4.17 Đồ thị ảnh hưởng của khe hở đỉnh cánh động đến hiệu suất 64
Hình 4.18 Trường vận tốc dòng khí tại tầng thứ nhất khi tăng khe hở R1 và S1 65 Hình 4.19 Trường vận tốc dòng khí tại tầng thứ hai khi tăng khe hở R1 và S1 66
Hình 4.20 Trường vận tốc dòng khí tại tầng thứ ba khi tăng khe hở R1 và S1 66
Hình 4.21 Đồ thị tải của cánh động R1 67
Hình 4.22 Đồ thị tải của cánh tĩnh S1 67
Hình 4.23 Đồ thị tải của cánh động R2 67
Hình 4.24 Đồ thị tải của cánh tĩnh S2 68
Hình 4.25 Đồ thị tải của cánh động R3 68
Hình 4.26 Đồ thị tải của cánh tĩnh S3 68
Hình 4.27 Đồ thị ảnh hưởng khi tăng khe hở dọc giữa cánh R1 với S1 đến tỷ số nén khi 69
Hình 4.28 Đồ thị ảnh hưởng khi tăng khe hở dọc giữa cánh R1 với S1 đến hiệu suất khi 69
Hình 4.29 Trường vận tốc dòng khí tại cấp nén thứ nhất khi giảm khe hở 70
Hình 4.30 Trường vận tốc dòng khí tại cấp nén thứ hai khi giảm khe hở 70
Hình 4.31 Trường vận tốc dòng khí tại cấp nén thứ ba khi giảm khe hở 71
Hình 4.32 Đồ thị tải của cánh động R1 71
Hình 4.33 Đồ thị tải của cánh tĩnh S1 72
Hình 4.34 Đồ thị tải của cánh động R2 72
Hình 4.35 Đồ thị tải của cánh tĩnh S2 72
Hình 4.36 Đồ thị tải của cánh động R3 73
Hình 4.37 Đồ thị tải của cánh tĩnh S3 73
Hình 4.38 Đồ thị ảnh hưởng khi giảm khe hở dọc giữa cánh R1 và S1 đến tỷ số nén 74
Hình 4.39 Đồ thị ảnh hưởng khi giảm khe hở dọc giữa cánh R1 và S1 đến hiệu suất 74
Trang 9DANH M ỤC BẢNG
Bảng 3.1 Các chỉ số của lưới chất lỏng 52
Bảng 3.2 Thang tiêu chuẩn Orthogonal quality 53
Bảng 3.3 Thang tiêu chuẩn skewness 53
Bảng 3.4 Điện kiện biên cho các mặt tương ứng 54
Bảng 4.1 Các trường hợp mô phỏng cho giá trị khe hở đỉnh cánh động R1 và vỏ máy 55
Bảng 4.2 Các trường hợp mô phỏng cho giá trị khe hở dọc trục giữa cánh R1 với S1 55
Bảng 4.3 Thông số máy nén hướng trục ba cấp 56
Bảng 4.4 Số lượng cánh từng cấp của máy nén 57
Trang 10k Số mũ đẳng entropi, đoạn nhiệt -
Trang 11ρa Khối lượng riêng chất khí Kg/m3
THU ẬT NGỮ VIẾT TẮT
CFD Computational Fluid Dynamic
SRF Single Reference Frame
MRF Multiple Reference Frame
MPM Mixing Plane Model
SMM Sliding Mesh Model
CAD Computer-aided design
CATIA Computer Aided Three Dimensional Interactive Application ANSYS Swanson Analysis Systems,inc
RANS Raynolds Averaged Navier Stokes
Trang 12CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY NÉN KHÍ
1.1 Tổng quan về máy nén khí
Máy nén là máy thủy khí tạo ra khí nén với áp suất P ≥ 3 at (≈ 29,43 N/cm2)
Trong đó, P1 – là áp suất của khí ở lối vào của máy
P2 – là áp suất của khí ở lối ra của máy
Theo nguyên lý làm việc, người ta chia máy nén thành hai nhóm cơ bản sau đây [1]:
- Máy nén khí cánh dẫn (hay còn gọi là máy nén động lực học): Quá trình nén xảy ra do tác động tương hỗ giữa hệ thống cánh dẫn với dòng khí vận chuyển qua máy (tạo áp suất động là chủ yếu) Máy cánh dẫn có hai loại chính: máy nén lý tâm và máy nén hướng trục
- Máy nén khí thể tích: Làm viêc theo nguyên lý chèn ép dòng khí trong một thể tích kín, sự tăng áp suất xảy ra do giảm thể tích không gian làm việc (tạo áp suất tĩnh là chủ yếu) Máy tạo ra độ tăng của áp suất tĩnh bằng cách cho phép các thể tích khí liên tiếp được hút vào trong và xả ra ngoài một không gian kín bằng dịch chuyển của một bộ phận di động Máy nén thể tích có hai loại chính: máy nén pít tông và máy nén rotor
Theo áp suất làm việc ta người ta chia ra
- Máy nén áp suất thấp P < 10 at
- Máy nén áp suất trung bình P = 10 ÷ 30 at
- Máy nén áp suất cao P = 30 ÷ 1000 at
- Máy nén áp suất siêu cao P > 1000 at
Theo số vòng quay làm việc ta người ta chia ra
- Máy nén số vòng quay thấp n < 200 (vòng/phút)
- Máy nén số vòng quay trung bình n = 200 ÷ 1000 (vòng/phút)
- Máy nén số vòng quay cao n > 1000 (vòng/phút)
Theo chức năng làm việc làm việc ta người ta chia ra
Trang 13Dựa theo số tầng mà phân thành máy nén một tầng, nhiều tầng…
áp suất náp vào xi lanh, sử dụng trong công nghiệp ướp lạnh, dùng cung cấp khí nén cho các thiết bị làm sạch chi tiết máy, các thiết bị máy không thể làm sạch bằng tay và nước được
1.3 Ưu, nhược điểm của máy nén khí
Ưu điểm
- Cấu tạo của máy nén và các thiết bị cung cấp khí nén đơn giản
- Điều khiển và điều chính đơn giản, dễ dàng, thuận tiện
- Độ an toàn trong sử dụng cao Đối với máy ép, búa, dập sử dụng năng lượng khí nén an toàn hơn năng lượng điện
- Thiết bị khí nén có độ chính xác, tin cậy cao
Các thông số cơ bản của chất khí
Các đại lượng xác định trạng thái của chất khí gọi là các thông số của chất khí Các thông số cơ bản của chất khí là:
Áp suất của chất khí
Trang 14Áp suất chất khí ký hiệu là p, đơn vị đo có thể là N/m2, Pas, kg/cm2, bar, atm, psi… N/m2]
Các loại áp suất khí bao gồm: pt – áp suất tuyệt đối; pa – áp suất của khí quyển; pd – áp suất dư (xác định bằng áp kế); pck – áp suất chân không
Mối quan hệ các loại áp suất như sau:
Trong đó: p o – áp suất tuyệt đối trên mặt nước biển,
h – chiều cao tính bằng m so với mặt nước biển
- Nhiệt độ chất khí T [ºC, º K];
- Thể tích chất khí V [m3];
- Trọng lượng chất khí (chiếm chỗ trong thể tích V) G [kg];
- Thể tích riêng (thể tích của 1 kg chất khí) v = V/G [m3/kg];
- Trọng lượng riêng (trọng lượng của 1 m3 khí) γ = G/V [kg/m3]
Các định luật cơ bản của chất khí
Khi chất khí bị nén hay giãn nở, các thông số của nó như áp suất, thể tích và nhiệt độ sẽ thay đổi
Nếu ta ký hiệu p1, T1 (T1 = 273 + t1) ºK, V1 và v1 là áp suất ban đầu, nhiệt
độ tuyệt đối ban đầu, thể tích ban đầu và thể tích riêng ban đầu của chất khí và
p2, T2 (T2 = 273 + t2) ºK, V2 và v2 là áp suất cuối, nhiệt độ tuyệt đối cuối, thể tích cuối và thể tích riêng cuối của chất khí thì các thông số đó phụ thuộc lẫn nhau theo các định luật sau đây
Định luật Boyle – Mariotte
Khi nhiệt độ không đổi (T = const) thì tích của thể tích riêng 𝑣𝑣 và áp suất p là hằng số
Định luật Gay – Lussac
Khi áp suất không thay đổi (p = const) thì thể tích riêng tỷ lệ thuận với nhiệt
độ
Trang 15trong đó R là hằng số chất khí Viết cho thể tích riêng 1 m3 không khí thì pv =
RT và p/γ = RT Đối với G kg không khí ta có pV = GRT
𝛾𝛾𝑠𝑠 gọi là độ ẩm tương đối của không khí
Khi Ψ < 1, không khí ở trạng thái trong suốt, khi Ψ > 1, không khí bão hòa
hơi nước và mất tính trong suốt, vì khi đó có một phần hơi nước tách ra dưới dạng những hạt nước nhỏ lẫn trong không khí
Nhiệt và công cơ học
Để nén không khí cần phải tốn một công cơ học bên ngoài Nhiệt và công
cơ học là hai dạng khác nhau của năng lượng nhưng tương đương với nhau, nó
có thể chuyển hóa cho nhau, trong máy nén luôn có sự biến đổi từ cơ năng thành nhiệt năng Đơn vị công là J, kgm hay Nm
Đơn vị nhiệt lượng là kcal, đó là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng 1kg nước dưới áp suất khí quyển lên 1 ºC
Cứ 1 kcal có thể cho ta 427 kgm công cơ học
- Đại lượng E gọi là đương lượng công cơ học, ta có E = 427 [kgm/kcal]
- Đại lượng A = 1/E gọi là đương lượng nhiệt của công
Phương trình cơ bản của nhiệt động
Gọi nhiệt lượng cần thiết để làm nóng 1 kg không khí trong một thể tích kín
(V = const) tăng lên dT độ là dQV (kcal) Khi nhiệt độ của không khí thay đổi không lớn lắm thì có thể coi nhiệt lượng dQV tỷ lệ thuật với nhiệt độ dT
Trong đó, CV là tỷ nhiệt không khí ứng với V = const hay còn gọi là nhiệt dung riêng đẳng tích Đó là nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho 1 kg không khí chứa trong một thể tích kín để tăng nhiệt độ của nó lên 1 độ
Trang 16Để làm nóng 1 kg không khí dưới áp suất không thay đổi lên dT độ phải mất một nhiệt lượng là dQp (kcal) Tương tự như biểu thức (1.4) ta có thể viết:
dT C
pdV pfdS
trong đó, ρ là khối lượng riêng của không khí chảy qua các tiết diện;
F là diện tích của tiết diện;
v là vận tốc của dòng khí
Trang 17Phương trình Bernoulli
Phương trình Bernoulli là một dạng phương trình bảo toàn năng lượng Dòng chất khí không chịu nén và không có tổn thất, lúc đó là có
const2
vρ
dv
s p
2
=+
Sau khi tích phân cho khoảng giữa hai tiết diện 1 và 2 ta có
0 dL vd 2
dv
2
1
s p
2
= + +
∫
0 L 2
v v vdp
2
1
s
2 1 2
Hiệu suất của máy nén ly tâm và hướng trục phụ thuộc vào số Reynold và
số Ma Khi số Reynold nhỏ (vận tốc nhỏ) tổn thất sẽ giảm và ngược lại Sự phụ thuộc này chỉ đúng đến một giá trị Re xác định, lớn hơn giá trị này, Re không
Trang 18ảnh hưởng tới hiệu suất Giá trị Re tới hạn này phụ thuộc vào các thông số kết cấu của máy
Với vận tốc nhỏ, số Ma không ảnh hưởng tới hiệu suất của máy, nếu Ma gần tới 1 (gần vận tốc âm) thì tổn thất sẽ tăng rất nhanh và hiệu suất của máy sẽ giảm Khi chuyển từ chế độ trên âm sang dương âm, dòng chảy xuất hiện sóng xung kích Đối với các tầng có dạng hình học giống nhau, dòng chảy được đặc trưng bằng thông số chịu nén MU Đại lượng này bằng tỷ số giữa vận tốc vòng của bánh công tác u2 và vận tốc ở trạng thái hút vào bánh công tác aH
P = 𝑑𝑑(𝑚𝑚𝑚𝑚)
Nếu chất lỏng chảy qua bánh công tác thì bánh công tác sẽ bị tác dụng bởi một moomen bằng hiệu moomen động lượng của chất lỏng vào và ra Để cân bằng mômen động lượng này cần phẩn tác dụng một mômen ngoài bằng nó về đại lượng và ngược chiều
Nếu có m (kg/s) chất lỏng chảy qua bánh công tác thì mômen động lượng đối với tâm 0 bán kín R bằng:
Trang 19CHƯƠNG 2 MÁY NÉN KHÍ HƯỚNG TRỤC ĐA CẤP
2.1 Kết cấu máy nén hướng trục đa cấp
Máy nén hướng trục được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, nhất là trong các thiết bị tuabin khí và ngành Hàng không So với các loại máy nén khác, máy nén hướng trục có những ưu điểm như: hiệu suất cao, lưu lượng lớn, trọng lượng và thể tích trên một đơn vị công suất nhỏ, tốc độ quay cho phép lớn và dễ nối trực tiếp với tuabin khí Khi cần có một thể tích lớn, không khí nén dưới áp suất không cao lắm, người ta dùng máy nén hướng trục Máy nén hướng trục làm việc theo nguyên lý lực nâng [1] Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó được thể hiện trên hình 2.1
Hình 2 1 C ấu tạo của máy nén khí hướng trục
1 Stator; 2 Rotor; 3 Cánh dẫn hướng ở cửa vào tầng cánh công tác đầu tiên ;
4 Cánh công tác đầu tiên ; 5 Tầng cánh tĩnh ; 6 Tâng cánh dẫn hướng cuối cùng ; 7 Khe hình ren ; 8 Khoang thông á p để cân bằng
Trên hình 2.1 là sơ đồ máy nén hướng trục nhiều tầng, nó được cấu tạo bởi hai phần chính: phần động (rotor), phần tĩnh (stato) Rotor bao gồm các dãy cánh lắp trên đĩa, các đĩa gắn chặt trên trục tạo thành một khối chung hình trụ hay hình côn tùy theo kết cấu yêu cầu Khi làm việc, rotor quay nhờ động cơ hoặc tuabin Stato bao gồm các cánh lắp cố định lên thân ngoài của máy Các cánh công tác được lắp theo vành tròn thành tầng cánh trên rotor Tùy thuộc áp suất cần nén mà
số tầng cánh công tác nhiều ít khác nhau Xen giữa các tầng cánh công tác là các tầng cánh dẫn hướng, có tác dụng dẫn hướng cho khí nén, khử thành phần
Trang 20chuyển động quay và biến động năng thành áp năng sau mỗi lần nén ở tầng cánh công tác Tầng cánh hướng đầu tiên và cuối cùng chỉ có tác dụng dẫn hướng cho dòng khí vào và ra
Khi ra khỏi bánh công tác, không khí chuyển động dọc theo trục và chuyển động quay quanh trục Để tạo được sự tăng áp suất cho dòng khí thì không gian giữa rotor và stato phải có tiết diện ngang nhỏ dần về phía cửa ra Muốn vậy thì mặt ngoài của rotor là hình trụ, mặt trong của stato là hình nón cụt, trong trường hợp này thì đường kính đỉnh cánh của các tầng cánh công tác nhỏ dần Cách thứ hai thì ngược lại, có thể cả hai mặt đều thay đổi hoặc kết hợp các phương án
Trong cánh hướng, dòng khí không được cung cấp năng lượng từ bên ngoài, tại đây chỉ xảy ra quá trình biến động năng thành thế năng do vận tốc tuyệt đối giảm
Để cân bằng lực chiều trục, người ta dùng khoang và rãnh thông đầu và cuối rotor, nhằm cân bằng áp suất tác dụng lên rotor Lượng khí này rất nhỏ và được tính như là tổn thất thể tích cho phép Khe hở hình ren giữa rotor và stato có tác dụng làm kín
Số vòng quay của rotor thường từ 5000 vòng/phút trở lên, vì vậy để quay rotor nên dùng tuabin khí hoặc tuabin hơi, nếu dùng động cơ điện phải có hộp tăng tốc Máy nén hướng trục được áp dụng khi cần lưu lượng lớn và áp suất nhỏ,
tỷ số nén trong khoảng 1,15 ÷ 5
2.3 Tam giác v ận tốc của dòng khí chuyển động trong máy
Nếu ta cắt các cánh bằng mắt cắt trụ có đường kính D rồi khai triển, ta sẽ có tiết diện ngang của cánh công tác và dẫn hướng (hình 2.2)
Lưới profin là một dãy các profin khí giống nhau phân bố trên một mặt phẳng với khoảng cách đều nhau Nếu những profin phân bố trên những mặt song song với nhau thì lưới cánh gọi là lưới cánh phẳng, nếu chúng phân bố trên mặt trụ thì lưới cánh đó gọi là lưới cánh tròn Một số thông số hình học của lưới được trình bày trên hình 2.2
Trang 21Hình 2 2 Lưới cánh của máy nén hướng trục
1.Cánh công tác; 2 Cá nh hướng; t- bước của cánh công tác; t , - bước của cánh hướng; b – dây cung của tiết diện cánh; δ- chiều dầy lớn nhất của tiết diện cánh; β 1 – góc đặt của profile ở cửa vào; β 1 ’ – góc vào của dòng khí; i = β 1 ’ - β 1 – góc t ới (góc va) của profile
Trong máy nén hướng trục, các thông số thay đổi theo chiều cao của cánh,
vì vậy một tầng của máy nén là tập hợp của vô số tầng phân tố
Chất khí đi vào cơ cấu hướng dòng với vận tốc tuyệt đối Ca theo triều trục, khi ra khỏi cơ cấu hướng dòng, dòng khí không những chuyển động theo chiều trục mà còn theo chiều vòng Nghĩa là vận tốc tuyệt đối C1 có thể phân tích thành vận tốc chiều trục C1a và vận tốc vòng C1U Giá tr ị vận tốc C 1U đánh giá độ ngoặt dòng của khí khi ra khỏi cánh hướng dòng Độ ngoặt dòng có thể dương nếu
hướng của C 1U theo chiều quay hoặc âm nếu hướng của C1U ngược chiều quay Trong một số máy nén độ ngoặt dòng bằng không (C1U = 0)
Như vậy sau khi ra khỏ cơ cấu hướng dòng, khí đi vào bánh công tác với vận tốc C1 và lệch một góc α đối với chiều của vận tốc vòng
Khi nhận năng lượng từ bên ngoài do tác dụng của bánh công tác, moomen động
lượng của dòng khí tăng lên, ra khỏi bánh công tác khí có vận tốc tuyệt đối C 2 và thành phần vòng C2U hướng theo dòng quay
Sau bánh công tác khí đi vào cánh hướng có vận tốc tuyệt đối C3, nếu C3 <
C2 có nghĩa là áp suất khí tăng lên do độ giảm vận tốc, động năng chuyển thành thế năng; lúc này cánh hướng làm việc giống như buồng tăng áp Nếu C3 = C 2 thì lúc này trong cánh hướng không có sự thay đổi dạng năng lượng mà chỉ có sự thay đổi hướng dòng khí
Trong nhiều trường hợp, người ta thiết kế máy nén hướng trục sao cho C3
và C 1 bằng nhau cả về hướng và độ lớn, khi đó trong tầng không có sự thay đổi động năng và công bên ngoài, chỉ tiêu tốn cho nén khí và khắc phục tổn thất thủy lực
Trang 22Độ lớn và hướng của các thành phần vận tốc: vận tốc tuyệt đối C, vận tốc tương đối W, vận tốc vòng U, thành phần vận tốc vòng C U, vận tốc chiều trục Ca
được xác định từ tam giác vận tốc hình 2.3
Vận tốc hướng trục của máy nén hướng trục hầu như không thay đổi hoặc chỉ giảm một ít ở tầng cuối Để xét từng tầng riêng biệt ta có thể coi vận tốc hướng trục không thay đổi Ngoài ra vận tốc vòng ở cửa vào và cửa ra cùng bán kính bằng nhau Để thuận tiện nghiên cứu, ta vẽ tam giác vận tốc vào và ra trên cùng một hình gọi là sơ đồ tam giác vận tốc của máy nén hướng trục, hình 2.4
Hình 2 3 Tam giác v ận tốc của lưới cánh công tác
Hình 2 4 Sơ đồ vận tốc của lưới cánh công tác
C 1 và C 2 – vận tốc tuyệt đối của dòng khí trước và sau bánh công tác
C 1U và C 2U – thành phần vận tốc vòng của C1 và C 2
C 1a và C 2a – thành ph ần vận tốc hướng trục của C 1 và C 2
W 1 và W 2 – vận tốc tương đối của dòng khí trước và sau bánh công tác
α1 và α2 – góc giữa vận tốc tuyệt đối C và vận tốc vòng U
β 1 và β 2 – góc giữa chiều vận tốc tương đối W và vận tốc vòng U
Trang 23U – vận tốc vòng của bánh công tác trên đường kính cho trước
ÄC U – độ xoắn dòng trong bánh công tác
Theo tam giác vận tốc ta có:
Nếu biết vận tốc của dòng vào Ca , độ ngoặt dòng C 1U, vận tốc vòn U và độ xoắn dòng ΔCU trong bánh công tác thì theo sơ đồ vận tốc, ta có thể xác định tất
cả các thành phần vận tốc của tam giác, vận tốc của máy nén khí [1]
Công của máy nén
Năng lượng và chất khí thu được khi đi qua một cấp nén (gồm một tầng bánh công tác và một tầng cánh dẫn hướng, từ mặt cắt I đến mặt cắt III) là công thực tế LTT tính cho 1 kg khí:
Trong đó
L LT – công lý thuyết mà bánh công tác cấp cho chất khí:
L LT = U 2 C 2U – U 1 C 1U = U(C 2U – C 1U ) 2 2
Ở đây U 1 = U 2 = U – vận tốc vòng của cánh tại tiết diện xét (m/s);
C 1U và C 2U – hình chiếu của các vận tốc tuyệt đối C1 và C 2 lên phương vận
ở cửa vào và ra của cánh công tác (m/s);
L – tổn thất năng lượng khi dòng khí đi qua bánh công tác và cánh hướng của một cấp nén
L LT còn được tính theo công thức:
n – chỉ số đa biến;
R – chỉ hằng số chất khí kg/kg độ;
T 1 – nhiệt độ của khí trước khi vào tầng cánh công tác;
P 1 và P 3 – áp suất của không khí trước khí vào bánh công tác và ra khỏi bánh hướng;
C 1 và C 3 – vận tốc tuyệt đối của không khí trước bánh công tác và sau bánh hướng;
Tỷ số 𝐿𝐿𝑇𝑇𝑇𝑇
𝐿𝐿𝐿𝐿𝑇𝑇= 𝜂𝜂1 gọi là hiệu suất hiệu dụng của máy nén 2 4
Trang 24Ta biết rằng C2U – C 1U = ΔCU nên công lý thuyết có thể viết ở dạng sau
L TT = U.ΔC U
Như vậy công của tầng phụ thuộc vào độ xoắn dòng ΔCU trong bánh công tác Nếu độ xoắn có giá trị dương thì công trong càng lớn khi độ ngoặt càng nhỏ Nếu độ ngoặt có giá trị âm thì công trong càng lớn khi giá trị của ngoặt càng lớn, bởi vì lúc đó:
ΔC U = C 2U – (- C 1U ) = C 2U + C 1U
Nếu độ ngoặt bằng không (C1U = 0) và thành phần vòng của vận tốc tuyệt
đối C 2U = U thì: L LT = U 2
Tỷ số giữa công đoạn nhiệt và công trong khi độ ngoặt bằng không C1U =
0 và thành ph ần vòng của vận tốc tuyệt đối C 2U = U, gọi là hệ số cột áp hay cột
áp tương đối của tầng:
Độ phản lực của máy nén hướng trục
Năng lượng lý thuyết mà một cấp nén truyền cho chất khí bao gồm động năng và thế năng Tỷ số thế năng trên năng lượng toàn phần gọi là hệ số hoạt tính của cấp nén (độ hoạt tính) hay là độ phản lực của máy nén ρ [1]
Trang 25áp, vận tốc tương đối giảm và độ giảm động năng của chuyển động tương đối biến thành thế năng Năng lượng được truyền cho dòng khí qua bánh công tác gồm một nửa dạng thế năng, một nửa là dạng động năng Máy nén khí hướng
trục có độ phản lực bằng 0,5 được sử dụng nhiều nhất trong các loại máy nén hướng trục
- Khi ρ= 1 ta có:
C 1U = - C 2U có nghĩa là C 1Ucó hướng ngược chiều quay
Tam giác vận tốc được thể hiện trên 2.6, ta có:
Trang 26Như vậy, nếu bỏ qua tổn thất năng lượng, năng lượng nén (năng lượng áp lực) được xác định bằng biểu thức sau:
𝑊𝑊1 − 𝑊𝑊2
Với C1U = - C 2U nên C 1 = C 2
Như vậy, từ các biểu thức, ta có thể thấy rằng trong tầng có độ phản lực
p=1 chỉ nhận được thế năng thông qua quá trình nén trong kênh động Tầng máy nén có độ phản lực bằng một năng lượng mà bánh công tác cấp cho chất khí hoàn toàn dưới dạng thế năng, còn cánh hướng dòng lắp giữa các cánh động chỉ làm nhiệm vụ thay đổi hướng của dòng khí
Trang 27tác là C 2 , khi đi qua cánh hướng thì vận tốc tuyệt đối của khí đã giảm xuống
thành C 3 = C 1 Độ tăng toàn bộ của áp suất tương đương với độ giảm động năng trong chuyển động tuyệt đối Loại này thường được dùng trong máy nén khí tĩnh tại
Khi ρ = 0 thì trong bánh công tác áp suất không tăng (không có quá trình
nén) mà chỉ có tăng động năng dòng khí Tất cả quá trình nén xảy ra trong cánh dẫn hướng (nhờ sự giảm vận tốc dòng khí)
Khi đó:
ρ =1- 𝐶𝐶1𝑈𝑈 + 𝐶𝐶2𝑈𝑈
2𝑈𝑈 = 0
Hay C1U = 2U – C2U > 0 nghĩa là C1U có hướng theo chiều quay
2.4 Đặc tính của máy nén hướng trục
Đặc tính của máy nén hướng trục có hai loại: Đặc tính riêng và Đặc tính tổng hợp
Trang 28khi lưu lượng khí giảm thì vận tốc hướng trục sẽ giảm, nên góc va i tăng (Hình
2.10), Khi góc va tăng lên, hệ số lực nâng lúc đầu cũng tăng lên, khi góc va i đạt
đến giá trị tới hạn i kp thì hệ số lực nâng giảm xuống và hệ số lực cản tăng lên rất nhanh (Hình 2.11) Hiện tượng này là nguyên nhân giải thích tại sao đặc tính của máy nén hướng trục thay đổi rất nhạy khi thay đổi chế độ làm việc
Khi lưu lượng khí qua máy nén giảm mức giới hạn thì tính ổn định của máy bị phá vỡ, áp suất và vận tốc dong khí dao động mạnh và xuất hiện xung trong dòng khí, lúc đó hiệu suất và áp suất ra sẽ giảm xuống rất nhanh Hiện tượng này gọi là sự mất ổn định, lúc này máy bị rung và rất ồn
Đường nối các điểm bắt đầu xảy ra mất ổn định trên đồ thị đặc tính máy nén gọi là giới hạn mất ổn định (đường chấm chấm trên Hình 2.9) Bên phải đường giới hạn là vùng làm việc ổn định
Hình 2 8 Đường đặc tính thực nghiệm của máy nén hướng trục
Trang 29Hình 2 9 Đường đặc tính thực nghiệm của máy nén hướng trục
Hình 2 10 S ự phụ thuộc lực nâng C y và l ực cản C x vào góc va i
Trang 30Hình 2 11 S ự phụ thuộc lực nâng C y và l ực cản C x vào góc va i
Đặc tính tổng hợp
Đặc tính riêng chỉ sử dụng cho một điều kiện vào xác định, vì vậy để đánh giá về mọi mặt khi điều kiện vào thay đổi, người ta phải xây dựng đường đặc tính cho từng điều kiện vào khác nhau (pa và T a ) [1]
Để đáp ứng yêu cầu đánh giá về mọi mặt chất lượng sử dụng máy nén, người ta xây dựng đường đặc tính tổng hợp
Đường đặc tính tổng hợp là một loạt các đường cong chỉ sự phụ thuộc của hiệu suất và bậc nén vào hai thông số đồng dạng độc lập:
- Thông số lưu lượng: 𝐺𝐺𝐵𝐵 �𝑇𝑇 𝑎𝑎
𝜌𝜌 𝑎𝑎
2 10
- Thông số vòng quay: 𝑛𝑛
Trong đó: G B – lưu lượng trọng lượng
ρ a – khối lượng riêng của chất khí
T a – nhiệt độ của chất khí Khi thay đổi các thông số độc lập, điều kiện đồng dạng các chế độ làm việc bị phá vỡ và bậc nén, hiệu suất…cũng thay đổi Như vậy, các thông số độc lập xác định chế độ và điều kiện làm việc của máy nén
Trang 31Hình 2 12 Đường đặc tính tổng hợp của máy nén hướng trục
Hình 2.12 là đặc tính tổng hợp của máy nén hướng trục, đường gạch gạch là đường giới hạn mất ổn định, đường chấm chấm là đường đồng hiệu suất Đường
𝑛𝑛
�𝑇𝑇 𝑎𝑎 phân bố cao hơn khi số vòng quay lớn hơn
2.5 Tính toán máy né n hướng trục
Tính toán máy nén hướng trục có bốn bước chính
- Chọn chế độ tính toán, các điều kiện cho trước;
- Tính toán sơ bộ;
- Tính toán các tầng;
- Xây dựng biên dạng cánh
Các thông số cho trước
- Lưu lượng khí G K (kg/s) hoặc QK (m3/s)
- Áp suất và nhiệt độ ở cửa vào máy nén PH (kg/cm2) và T H (ºK)
Trang 32��� = 0,4 - 0,45 đối với máy nén hàng không
c) V ận tốc hướng trục của khí vào tầng một:
Giá trị này coi như chính thức, còn U1 sẽ hiệu chỉnh sau khi xác định chính xác η
d) Vận tốc tuyệt đối của khí vào tầng một:
A = 1/E – đương lượng nhiệt của công ong ống hút;
C – vận tốc cửa vào ống hút, lấy khoảng 25 ÷ 35 (m/s)
f) Nhi ệt độ ở cửa vào tầng một:
𝑇𝑇= TH + 𝐴𝐴
𝐶𝐶𝑃𝑃
𝐶𝐶1− 𝐶𝐶𝐻𝐻2
A = 1/E – đương lượng nhiệt của công ong ống hút;
g) Nhiệt độ ở cửa vào tầng một:
P1 = PH (1 −𝑇𝑇𝐻𝐻 − 𝑇𝑇 1
𝑇𝑇𝐻𝐻 )𝑛𝑛−1𝑛𝑛 (kg/cm2) 2 18
n – số mũ đa biên đối với không khí lấy khoảng 1,2 – 1,3
h) Trọng lượng riêng của khí ở cửa vào tầng một:
γ1 = 𝑃𝑃1.104
i) Điều chỉnh lại giá trị vận tốc vòng:
Sau khi tìm được η điều chỉnh lại vận tốc vòng U 1
Trang 33Làm tròn z rồi điều chỉnh lại công của một tầng: L 1 = L/z
q) Xác định quy luật biến thiên của Ca:
Quy luật 1: Chọn Ca = const, như vậy vận tốc hướng trục của các tầng
như nhau Thường chọn C al = (100 ÷ 170) (m/s)
Quy luật 2: Thay đổi Ca , C a giảm dần ở các tầng cuối
r) Nhi ệt độ T z (khí ra kh ỏi bánh công tác) trước tầng cuối cùng:
Được xác định bởi phương trình nhiệt động học:
Tz = T1 + 𝐴𝐴
𝐶𝐶𝑃𝑃 (𝑧𝑧 − 1)𝐿𝐿1− 𝐶𝐶𝐴𝐴
𝑃𝑃 (𝐶𝐶𝑧𝑧𝑎𝑎2 − 𝐶𝐶1𝑎𝑎22𝑔𝑔 ) 2 25 Trong đó: A = 1/E; E = 417
Nếu chọn Ca = const thì về sau của phương trình Tz mất
s) Tìm áp suất khí trước tầng cuối cùng (P z )
Pz = 𝑃𝑃1(𝑇𝑇𝑧𝑧
𝑇𝑇1)𝑛𝑛−1𝑛𝑛 𝜂𝜂đ𝑏𝑏 (kgm/kg) 2 26 Hiệu suất đa biến của tầng ηđb = 0,90 ÷ 0,95
t) Tr ọng lượng riêng của khí trong tầng cuối:
Trang 34Nếu chọn phần dẫn dòng có đường kính trong d = const thì d1 = d 2
Nếu ta chọn đường kính ngoài D = const thì đường kính trong bằng:
– các thông s ố ở đường kính trung bình, D – đường kính ngoài, d – đường kính
trong [1]
Một tầng bao gồm dẫn hướng vào, bánh công tác và dẫn hướng ra
a Quy luật phân bố công của toàn máy nén:
Có thể phân bố điều nhau trên các tầng, lúc đó công một tầng bằng:
Trang 35Để xác định D2, D3 ta xác định các thông số theo đường kính trung bình:
Trang 36- Thực hiện thứ tự như trường hợp 1 để tính toán các thông số y1, d1, U1n, α1 ,M1…
- Hệ số ngoặt dòng μ1n:
Trang 37𝝻𝝻1tb = 1 - �(0,9𝑀𝑀1)2− 𝛷𝛷1𝑑𝑑𝑏𝑏2 2 49
φ 1tb – h ệ số lưu lượng = C a /U tb
- Quy luật phân bố vận tốc C1U :
Phải chú ý cho C1U thay đổi theo quy luật tuyến tính:
Cánh của máy nén hướng trục được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết cánh,
có nhiều phương pháp xây dựng cánh như phương pháp biến hình bảo giác, phương pháp tính điểm, phương pháp giải tích…các phương pháp nói chung đỏi hỏi quá trình tính toán khá phức tạp và tốn nhiều thời gian Vì vậy, thực tế người
ta thường dùng các phương pháp đơn giản mà vẫn bảo đảm độ chính xác cần thiết
Trang 38Các phương pháp được sử dụng rộng rãi là phương pháp đồ thị và phương pháp giải tích Những phương pháp này được xây dựng dựa trên các biên dạng đã được thì nghiệm và có đặc tính tốt
Xây d ựng cánh bằng phương pháp đồ thị
Xây dựng cánh bằng phương pháp đồ thị bao gồm hai bước:
- Xây dựng đường nhân (đường trung bình) của biên dạng cánh;
- Xây dựng biên dạng cánh
Xây dựng đường nhân của biên dạng cánh
Đường trung bình của biên dạng cánh là một đường cong, một cung tròn hoặc một parabol sao cho các góc ở mép vào và mép ra bằng giá trị của góc vào
và góc ra của dòng khí nhận được trong tính toán (góc α1 và α2 đối cánh hướng, góc β1 và β2 đối với cánh công tác).Cách dựng đường trung bình theo phương pháp đồ thị được tiến hành như sau:
Từ điểm A và C của đường dây cung AC = b, hai đường thẳng tạo với
AC bằng các góc đã tính toán cắt nhau tại B (hình 2.13)
Hình 2 13 Xây d ựng đường nhân của biên dạng cánh bằng phương pháp đồ thị
Chia đoạn AB và CB thành các đoạn bằng nhau (càng nhiều càng tốt), nối các điểm tương ứng với nhau Sau đó vẽ đường cong mà tất cả các đường này là tiếp tuyến, ta được trung bình của biên dạng cánh
Phương pháp đồ thị chưa hoàn toàn bảo đảm độ chính xác cao, vì vậy nếu đòi hỏi độ chính xác cao hơn, người ta sử dụng phương pháp đổ thị giải tích
Đường trung bình của biên dạng cánh có phương trình:
Trang 39Hình 2 14 Xây d ựng đường nhân của biên dạng cánh
Xây d ựng biên dạng bằng phương pháp đồ thị
Khi có đường trung bình, để xây dựng biên dạng cánh cần chọn trước độ dày tương đối của profin theo chiều cao của các cánh:
𝛿𝛿̅ max = 𝛿𝛿𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥
𝑏𝑏
Trong đó: δ max- độ dày nhất của biên dạng;
b – dây cung c ủa biên dạng
Thường chọn δmax = (12 ÷ 18)% ở tiết diện gốc và δmax = (5 ÷ 6)% ở tiết diện của cánh
Nếu cánh ngắn 𝛿𝛿̅ max = 𝛿𝛿𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥
𝑏𝑏 > 0,75 thì δmax = (8 ÷ 10)% và độ dày không thay đổi theo chiều dài cánh, cuối cùng đắp biên dạng theo profin mẫu đã chọn
Tập hợp tất cả các profin của các mặt cắt tính toán bằng cách chọn quy luật xâu cánh, ta được cánh của máy nén hướng trục
Phương pháp đồ thị trình bày ở trên chỉ là phương pháp gần đúng, bởi vì dựng đượng trực giao với một đường cong không thể chính xác được Vì vậy, người ta thường dùng phương pháp giải tích để xây dựng biên dạng cánh có độ chính xác cao hơn
Xây dựng cánh bằng phương pháp giải tích
Trong khuôn khổ có hạn của luận văn, ở đây chỉ nêu lên bản chất của phương pháp mà không đi sâu tính toán cụ thể
Bản chất của phương pháp này là dựa trên kích thước của một profin ban đầu để tính ra các kích thước, tọa độ của profin xây dựng Đối với profin ban đầu cần biết trước những thông số sau (Hình 2.15):