NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC TRÊN CƠ SỞ CÁC KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC. LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BÙI VĂN THƯỞNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC TRÊN CƠ SỞ CÁC KÍCH THƯỚ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

BÙI VĂN THƯỞNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC TRÊN CƠ SỞ

CÁC KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

BÙI VĂN THƯỞNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC TRÊN CƠ SỞ

CÁC KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 62 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS PHẠM VŨ UY

2 PGS TS PHẠM THẾ PHIỆT

HÀ NỘI – NĂM 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình của tác giả nào khác

Tác giả luận án

Bùi Văn Thưởng

LỜI CẢM ƠN

Lời cảm ơn chân thành đầu tiên tôi xin được gửi tới PGS.TS Phạm Vũ

Uy, PGS.TS Phạm Thế Phiệt đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Vũ Quốc Trụ, PGS.TS Đặng Ngọc Thanh đã giúp đỡ, động viên tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Quân đội đã cho những ý kiến đóng góp quý báu Cảm ơn Đảng ủy, Ban giám đốc, Phòng Sau đại học Học viện Kỹ thuật Quân sự; Đảng ủy và Thủ trưởng khoa Hàng không Vũ trụ, Bộ môn Động cơ phản lực khoa Hàng không Vũ trụ; Viện Tên lửa viện KH&CNQS đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận án này

Lời cuối cùng, tôi xin được cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã quan tâm, chia xẻ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Hà Nội, Ngày 20 tháng 3 năm 2016

Bùi Văn Thưởng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC 1.1 Động cơ hành trình TBPL trên các tên lửa đối hải 4

1.2 Tình hình nghiên cứu về ĐCTBPL trên thế giới và trong nước liên quan đến nghiên cứu xác định các tham số nhiệt động lực học 5

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 5

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 17

1.3 Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu của đề tài 19

1.3.1 Phân tích về khả năng thiết kế chế tạo ĐCTBPLN 19

1.3.2 Phân tích việc lựa chọn phương pháp xác định tham số nhiệt động lực học 23

1.3.3 Bố cục của luận án 27

1.4 Kết luận chương 1 28

Chương 2 CÁC KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC CƠ BẢN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

ĐỂ TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

CỦA ĐỘNG CƠ 2.1 Xây dựng mô hình hình học động cơ 29

2.1.1 Mô tả và khảo sát nguyên lý hoạt động của động cơ 29

2.1.2 Xây dựng mô hình máy nén 31

2.1.3 Xây dựng mô hình buồng đốt 34

2.1.4 Xây dựng mô hình tua bin 35

2.1.5 Xây dựng mô hình thiết bị ra (miệng phun) 36

2.1.6 Các kích thước hình học cơ bản của động cơ mẫu nghiên cứu 36

2.2 Các dữ liệu cơ bản xác định các tham số nhiệt động lực học 39

2.2.1 Các tam giác tốc độ của cấp máy nén và tua bin ở chế độ tính toán 39 2.2.2 Các dữ liệu cơ bản để tính toán các tham số nhiệt động lực học 41

2.3 Xây dựng mô hình toán cho sơ đồ động cơ TBPLHD hai máy nén một rotor có buồng trộn 47

2.3.1 Mô hình toán ở chế độ tính toán động cơ 47

2.3.2 Kết quả tính toán sơ bộ các tham số nhiệt động lực học 52

2.4 Kết luận chương 2 55

Chương 3 MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA ĐỘNG CƠ 3.1 Các phần mềm ứng dụng trong tính toán mô phỏng 56

3.1.1 Phần mềm ANSYS 56

3.1.2 Phần mềm ASTRA 58

3.2 Ứng dụng tính toán mô phỏng trong ANSYS-CFX 59

3.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 60

3.2.2 Chia lưới mô hình mô phỏng 63

3.2.3 Định nghĩa các phần tử, các mặt, xác định các điều kiện ban đầu, điều kiện biên ―Setup‖ 65

3.2.4 Thực hiện tính toán mô phỏng ―Solution‖ 69

3.2.5 Đưa ra kết quả tính toán mô phỏng ―Results‖ 71

3.3 Ứng dụng phần mềm ASTRA tính toán nhiệt động trong buồng đốt 80

3.3.1 Thiết lập tính toán nhiệt động trong buồng đốt 80

3.3.2 Phân tích và xử lý kết quả 80

3.4 Xây dựng các đặc tính của các bộ phận động cơ 83

3.4.1 Xây dựng đặc tính máy nén 83

3.4.2 Xây dựng đặc tính tua bin 87

3.4.3 Xây dựng đặc tính miệng phun 92

3.5 Kết luận chương 3 93

Chương 4 ĐỒNG BỘ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CÁC BỘ PHẬN ĐỘNG CƠ ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 4.1 Các chế độ hoạt động cân bằng và chế độ tính toán 94

4.1.1 Các chế độ hoạt động cân bằng trên đồ thị đặc tính 94

4.1.2 Các điều kiện ở chế độ hoạt động cân bằng 96

4.2 Xác định đường hoạt động cân bằng trên đặc tính máy nén của động cơ mẫu nghiên cứu 99

4.2.1 Các điều kiện đồng bộ hoạt động các bộ phận của động cơ mẫu 100

4.2.2 Các bước xác định đường làm việc cân bằng bằng cách đồng bộ các đặc tính theo từng vòng quay 100

4.3 Xác định các tham số nhiệt động lực học 112

4.3.1 Xác định các tham số nhiệt động lực học tại ĐTT (Hb =0, Mb =0) 112 4.3.2 Xác định các tham số nhiệt động lực học theo Mb (Hb =0) 114

4.4 Kết luận chương 4 117

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

PHỤ LỤC 132

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ĐCTBPL Động cơ tua bin phản lực

ĐCTBPLHD Động cơ tua bin phản lực hai dòng ĐCTBPLN Động cơ tua bin phản lực nhỏ ĐCDT Động cơ dòng thẳng

KHKT Khoa học kỹ thuật

KH&CN Khoa học và công nghệ

MBKNL (UAV) Máy bay không người lái

TBĐL Thiết bị động lực

TBPL Tua bin phản lực

TBPLHD Tua bin phản lực hai dòng

knd, kta Máy nén thấp áp

kvd, kca Máy nén cao áp

vca, rca Vào cao áp, ra cao áp

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

oxl

g Hệ số xả khí đi điều khiển và làm mát ổ bi

t

g Hệ số cấp nhiên liệu

 Tỷ số nén, tỷ số giãn nở

 Hệ số bảo toàn áp suất toàn phần

p

c Nhiệt dung riêng đẳng áp

, a

c c Tốc độ và tốc độ dọc trục

v

m Hệ số lưu lượng chất khí

Hu Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

b

b

M Số M bay (tốc độ bay)

 Góc giữa tốc độ vòng và tốc độ tuyệt đối

 Góc giữa tốc độ vòng và tốc độ tương đối

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh số lượng chi tiết rotor hai động cơ 12

Bảng 1.2 Các tham số đặc tính ĐCTBPLN của các hãng 16

Bảng 1.3 Kết quả hoàn thiện đặc tính động cơ 17

Bảng 2.1 Các đường kính máng chảy tại các mặt cắt cơ bản 37

Bảng 2.2 Các góc của profil các lá ở đường kính ngoài máy nén thấp áp 38

Bảng 2.3 Các góc β và α của các vòng lá làm việc và vòng lá chỉnh dòng 38

Bảng 2.4 Số lá làm việc của các tầng máy nén (rotor) 38

Bảng 2.5 Số lá chỉnh dòng và dẫn dòng của các tầng máy nén (stator) 39

Bảng 2.6 Các góc của profil các lá hướng chiều và các lá làm việc tua bin 39 Bảng 2.7 Số lượng lá của các vòng làm việc và hướng chiều tua bin 39

Bảng 2.8 Các tham số nhiệt động lực học (tính toán sơ bộ) 53

Bảng 2.9 Các tham số của động cơ theo số Mb (Hb = 0) 54

Bảng 3.1 Ký hiệu một số tham số trong ―Expressions‖ 72

Bảng 3.2 Kết quả tính các tham số máy nén bằng ANSYS-CFX 75

Bảng 3.3 Kết quả tính các tham số tua bin bằng ANSYS-CFX 77

Bảng 3.4 Kết quả tính các tham số của miệng phun (loa phụt) 79

Bảng 3.5 Kết quả tính toán bằng ASTRA 80

Bảng 3.6 Các tham số và đơn vị đo trong ASTRA 82

Bảng 4.1 Kết quả tính đường hoạt động cân bằng 110

Bảng 4.2 Các tham số NĐLH của động cơ tại các mặt cắt 113

Bảng 4.3 Sự thay đổi các tham số theo Mb (phụ lục 4) 114

Bảng 4.4 So sánh một số tham số của động cơ (tài liệu và tính toán) 116

Bảng 4.5 Các tham số riêng của động cơ (tính toán sơ bộ và thử nghiệm số) 116

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố ĐCTBPL và ĐCTBPLHD nhỏ 8

Hình 1.2 Sơ đồ động cơ J402-CA-400 11

Hình 1.3 Sơ đồ hai rotor động cơ J69 và J402 12

Hình 1.4 Các thành phần stator J69 và J402 13

Hình 1.6 Công nghệ chế tạo J402-CA-400 14

Hình 1.7 Sơ đồ logic tính toán NĐLH động cơ TBPLHD, hai trục 15

Hình 2.1 Động cơ R95TM-300 29

Hình 2.2 Máy nén khí của động cơ 31

Hình 2.3 Profil tạo bởi hai cung tròn 32

Hình 2.4 Buồng đốt 34

Hình 2.5 Tua bin và thiết bị ra 35

Hình 2.6 Sơ đồ loa phụt có vật trung tâm 36

Hình 2.7 Sơ đồ biểu diễn kích thước máng chảy của động cơ 37

Hình 2.8 Tam giác tốc độ cấp nén 40

Hình 2.9 Sơ đồ mạng profil cấp nén 40

Hình 2.10 Các tam giác tốc độ của cấp tua bin 40

Hình 2.11 Chảy bao êm ở vòng lá làm việc tua bin (a), sự thay đổi chế độ

làm việc của tua bin khi tỷ số u/c1 không đổi (b) 41

Hình 2.12 Sơ đồ thuật toán tính tỷ số nén của máy nén 46

Hình 2.13 Sự biến đổi các tham số nhiệt động lực học (tính toán sơ bộ) 53

Hình 2.14 Sự biến đổi các tham số của động cơ theo Mb 54

Hình 3.1 Mô hình ―DesignModeler‖ máy nén trong ANSYS-CFX 60

Hình 3.2 Mô hình ―DesignModeler‖ tua bin trong ANSYS-CFX 61

Hình 3.3 Mô hình biểu diễn các bề mặt và các lá máy nén 61

Hình 3.4 Mô hình biểu diễn các bề mặt và các lá tua bin 62

Hình 3.5 Kích thước hình học khung bao của các phần máy nén 62

Hình 3.6 Kích thước hình học khung bao của các phần tua bin 63

Hình 3.7 Hình phối trí máy nén thấp áp và cao áp 63

Hình 3.8 Chia lưới mô hình máy nén 64

Hình 3.9 Chia lưới mô hình tua bin 64

Hình 3.10 Xác định phần tử vòng làm việc máy nén tầng 1: R1 65

Hình 3.11 Xác định phần tử vòng hướng chiều tua bin tầng 1: S1 66

Hình 3.12 Xác định các bề mặt bao của lá làm việc (blade) tầng 1 máy nén 67 Hình 3.13 Xác định mặt ngoài (shroud) của S1 67

Hình 3.14 Xác định mặt giao tiếp (interface) 68

Hình 3.15 Các lá và các mặt giao tiếp của tua bin 68

Hình 3.16 Các bề mặt bao của S_than 69

Hình 3.17 Quá trình tính toán của ANSYS-CFX 71

Hình 3.18 Tính các tham số trong expressions của ANSYS-CFX 73

Hình 3.19 Kết quả đưa ra trong ―Expressions‖ và ―3D Viewer‖ 74

Hình 3.20 Xả không khí từ MNCA ra dòng II 74

Hình 3.21 Thay đổi áp suất toàn phần trong máy nén 75

Hình 3.22 Biểu diễn tốc độ dòng qua cấp tua bin 77

Hình 3.23 Biến đổi tốc độ dòng trên thiết bị ra 79

Hình 3.24 Đặc tính máy nén * * ( , ) , ( , ) k f G n vI ca vent f G v n vent     85

Hình 3.25 Đặc tính máy nén * * ( , ) , ( , ) k f G vIqc n ca vent f G vqc n vent     85

Hình 3.26 Đặc tính máy nén * * ( , ) , ( , ) k f G vI n ca vent f G v n vent     86

Hình 3.27 Đặc tính máy nén * * ( , ) , ( , ) k f G vIqc n ca vent f G vqc n vent     86

Hình 3.28 Đặc tính máy nén * * ( , ), ( , ) k qc vI qc ca vent qc v qc vent T f G n T f G n     87

Hình 3.29 Đặc tính tua bin *   , tb f G n tb tb   89

Hình 3.30 Đặc tính tua bin *   , tb f G tbqc n tb   90

Hình 3.31 Đặc tính tua bin *  * 

,

tb f tb n tb

   90

,

tb qc tb tb

  91

,

tb qc tbqc tb

  91

c f G mpqc

  92

Hình 4.1 Đồ thị đặc tính máy nén 95 Hình 4.2 Sơ đồ thuật toán xác định đường hoạt động cân bằng 109

*

*

, , ,

vent vqc

f G n

f G n





 







 111

*

*

, , ,

vent vqc

f G n

f G n





 







 111

*

*

, , ,

kqc vqc

vent qc vqc





Hình 4.6 Sự biến đổi các TSNĐLH qua các mặt cắt chính của động cơ 113 Hình 4.7 Biến đổi các tham số theo số Mb (Hb = 0) 115

Hình 4.8 Biến đổi các hiệu suất theo số Mb (Hb = 0) 115

MỞ ĐẦU

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của nhiệm vụ bảo vệ tổ quốc và thực trạng

vũ khí trang thiết bị của lực lượng vũ trang hiện nay, Đảng và Nhà nước ta chủ trương xây dựng một nền công nghiệp quốc phòng có đủ năng lực, từng bước thiết kế chế tạo được các loại vũ khí hiện đại, trong đó có tên lửa nhằm mục đích hiện đại hóa Quân đội

Hiện nay tình hình Biển Đông hết sức phức tạp nên việc xây dựng lực lượng Hải quân chính quy, tinh nhuệ, hiện đại là đòi hỏi cấp bách Mặc dù nước ta còn nghèo song Đảng, Nhà nước và Quân đội vẫn quyết định mua một số vũ khí, trang bị hiện đại như: tàu ngầm, tàu chiến, máy bay, tên lửa nhưng cũng chưa đáp ứng được yêu cầu của nhiệm vụ bảo vệ Tổ quốc Vì vậy, các chương trình của Nhà nước và Quân đội định hướng rõ thiết kế, chế tạo theo mẫu lớp tên lửa đối hải nhằm tăng cường sức mạnh chiến đấu bảo vệ biển đảo

Thời gian gần đây các chương trình cải hoán, cải tiến nâng cao tính năng chiến – kỹ thuật và hiệu quả chiến đấu các tên lửa hiện có nhằm sử dụng hiệu quả nhất và tiến tới tự thiết kế, chế tạo được các loại vũ khí công nghệ cao để trang bị cho quân đội và giảm bớt khó khăn cho nền kinh tế Đất nước

Như vậy, việc tự thiết kế, chế tạo các tên lửa đối hải là yêu cầu thực tiễn khách quan và cấp bách đối với Nước ta trong tình hình hiện nay

Trong luận án này đề cập đến việc xác định lại các tham số nhiệt động lực học – số liệu thiết kế ―gốc‖ của động cơ TBPL khi chỉ biết các kích thước hình học của động cơ mẫu, lớp động cơ này thường là động cơ hành trình trên các tên lửa hiện đại

Đối tượng nghiên cứu của luận án

Động cơ tua bin phản lực hai dòng, hai máy nén, một rotor và có buồng trộn, tuổi thọ ngắn, sử dụng một lần trang bị trên các tên lửa

Đối tượng làm mẫu nghiên cứu được trang bị trong phòng thí nghiệm của Bộ môn Động cơ phản lực là động cơ R95TM-300 trên tên lửa đối hải Kh-35

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

- Tìm khả năng thực hiện lớp bài toán tính toán xác định các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích thước hình học khi muốn thực hiện thiết kế, chế tạo động cơ theo mẫu

- Khai thác sử dụng các công cụ tính toán mô phỏng hiện đại đã có sẵn

ở Học viện Kỹ thuật Quân sự (HVKTQS) vào việc nghiên cứu trên cơ sở kích thước hình học của một dạng ĐCTBPL hành trình cụ thể (có thể kế tục dữ liệu về kích thước hình học của nghiên cứu khác)

- Đồng bộ các đặc tính của các bộ phận để xác định các tham số nhiệt động lực học và các đặc tính của động cơ

Phương pháp nghiên cứu của luận án

Kết hợp phương pháp tính toán lý thuyết kinh điển để định hướng nghiên cứu và phương pháp mô phỏng số xác định các đặc tính các bộ phận động cơ để xác định các tham số nhiệt động lực học

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Đã áp dụng những thành tựu kỹ thuật tính toán mô phỏng để tìm hiểu đối tượng nghiên cứu cụ thể khi chưa biết về nó, mang lại nhận thức mới về đối tượng nghiên cứu đó

- Xác định được bộ số liệu các tham số nhiệt động lực học của động cơ nghiên cứu làm cơ sở cho khai thác làm chủ vũ khí công nghệ cao và số liệu bước đầu cho tính toán, thiết kế theo mẫu

- Góp phần bổ sung, hoàn thiện về lý thuyết và kết cấu ĐCTBPL và có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo phục vụ cho giảng dạy, nghiên cứu, tính toán và thiết kế động cơ

Đóng góp mới của luận án

- Đưa ra phương pháp xác định và xác định được bộ số liệu các tham số nhiệt động lực của động cơ mẫu nghiên cứu trên cơ sở các kích thước hình học, phục vụ trước hết cho khai thác hiệu quả và sau đó cho các nghiên cứu tiếp sâu hơn về động cơ

- Xây dựng được mô hình toán và đưa ra thuật toán xác định hoạt động cân bằng cho một dạng động cơ đặc thù

- Khai thác được phương tiện tính toán mô phỏng phục vụ nghiên cứu, giảng dạy tháo gỡ bớt khó khăn do thiếu các hệ thống thí nghiệm

- Có bộ số liệu tương đối đầy đủ về kích thước hình học của động cơ mẫu nghiên cứu