Động cơ máy bay part 4

Chia sẻ: Ashdkajd Daksdjk | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

286
lượt xem 105
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vận tốc V Muốn cho dòng khí chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác thì phải tác động vào nó bằng một quá trình xác định. Tùy vào quá trình biến đổi của dòng khí mà ta nhận được trạng thái mới có các đặc tính xác định. Đối với lưu chất là chất khí trong hoạt động của động cơ phản lực, sự thay đổi của thành phần thế năng là nhỏ so với sự thay đổi của các thành phần năng lượng khác, nên khi xem xét về mặt năng lượng của dòng khí ta có...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Động cơ máy bay part 4

Chöông 3: Côû Sôû Lyù Thuyeát Tính Toaùn Nhieät Ñoäng Löïc Hoïc Ñoäng Cô Turbofan • Nhieät ñoä T • Vaän toác V Muoán cho doøng khí chuyeån töø traïng thaùi naøy sang traïng thaùi khaùc thì phaûi taùc ñoäng vaøo noù baèng moät quaù trình xaùc ñònh. Tuøy vaøo quaù trình bieán ñoåi cuûa doøng khí maø ta nhaän ñöôïc traïng thaùi môùi coù caùc ñaëc tính xaùc ñònh. Ñoái vôùi löu chaát laø chaát khí trong hoaït ñoäng cuûa ñoäng cô phaûn löïc, söï thay ñoåi cuûa thaønh phaàn theá naêng laø nhoû so vôùi söï thay ñoåi cuûa caùc thaønh phaàn naêng löôïng khaùc, neân khi xem xeùt veà maët naêng löôïng cuûa doøng khí ta coù theå boû qua. Cuøng vôùi ñònh nghóa enthalpy, khí ñöôïc xem laø calorically perfect, phöông trình naêng löôïng ñöôïc vieát laïi: ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ V2 V2 q − wx = ⎜ h + ⎟ − ⎜h + ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 2 2 ⎝ ⎠ out ⎝ ⎠ in ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ 2 2 ⎜T + V ⎟ − c p ⎜T + V ⎟ q − wx = c p ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 2c p 2c p ⎝ ⎠ out ⎝ ⎠ in q − wx = htout − htin = c p Ttout − c p Ttin V2 : enthalpy döøng hay enthalpy toaøn phaàn ht ≡ h + 2 V2 : nhieät ñoä döøng hay nhieät ñoä toaøn phaàn Tt ≡ T + 2c p Xeùt chuyeån ñoäng ñoaïn nhieät, khoâng trao ñoåi coâng cuûa doøng khí callorically perfect töø vaän toác V (traïng thaùi 1) veà vaän toác 0 (traïng thaùi 2). Khi vaän toác doøng khí baèng 0 thì doøng khí ñaït ñeán nhieät ñoä T2 laø nhieät ñoä döøng cuûa traïng thaùi 1, baát chaáp quaù trình ñoù laø thuaän nghòch hay khoâng thuaän nghòch (ví duï do aûnh höôûng cuûa ma saùt chaúng haïn). Phöông trình entropy bieåu dieãn quaù trình nhö sau: T2 P − R ln 2 = s 2 − s1 ≥ 0 c p ln T1 P1
Chöông 3: Côû Sôû Lyù Thuyeát Tính Toaùn Nhieät Ñoäng Löïc Hoïc Ñoäng Cô Turbofan Nhieät ñoä T2 laø xaùc ñònh neân aùp suaát P2 tuøy thuoäc vaøo söï gia taêng entropy ( s 2 − s1 ) , coù nghóa laø phuï thuoäc vaøo möùc ñoä thuaän nghòch cuûa quaù trình. Neáu quaù trình treân laø ñaúng entropy (isentropic – ñoaïn nhieät vaø thuaän nghòch), s 2 − s1 = 0 , thì aùp suaát P2 ñöôïc goïi laø aùp suaát döøng hay aùp suaát toaøn phaàn Pt cuûa traïng thaùi 1. Töø ñònh nghóa ñoù, aùp suaát döøng ñöôïc xaùc ñònh: γ /( γ −1) ⎛T ⎞ Pt ≡ P⎜ t ⎟ ⎝T ⎠ Trong vieäc xem xeùt caùc quaù trình bieán ñoåi cuûa doøng khí, caàn phaân bieät khaùi nieäm “nhieät ñoä döøng, aùp suaát döøng” cuûa moät traïng thaùi (mang tính ñònh nghóa) vôùi quaù trình bieán ñoåi thöïc teá töø traïng thaùi naøy sang traïng thaùi kia. V V M≡ = γRT a ⎛ γ −1 2 ⎞ Tt = T ⎜1 + M⎟ 2 ⎝ ⎠ γ /( γ −1) ⎛ γ −1 2 ⎞ Pt = P⎜1 + M⎟ 2 ⎝ ⎠ Vôùi ñònh nghóa veà soá Mach, aùp suaát döøng vaø nhieät ñoä döøng taïi moät traïng thaùi ñöôïc bieåu dieãn theo soá Mach nhö treân. Nhö vaäy, ñaëc tính cuûa moät doøng khí thay vì ñöôïc xaùc ñònh baèng ba ñaïi löôïng P, T , V thì ta coù theå xaùc ñònh baèng ba ñaïi löôïng töông öùng Pt , Tt , M . Löu löôïng khoái löôïng cuûa doøng khí taïi vò trí i coù tieát dieän Ai : Pti Ai mi = ρ iVi Ai = MFP( M i ) & Tti γi Mi Vôùi MFP( M i ) = : mass flow parameter ( γ i +1) Ri ⎛ γ i −1 2 ⎞ 2 ( γ i −1) ⎜1 + Mi ⎟ 2 ⎝ ⎠
Chöông 3: Côû Sôû Lyù Thuyeát Tính Toaùn Nhieät Ñoäng Löïc Hoïc Ñoäng Cô Turbofan ( γ i +1) γ i ⎛ 2 ⎞ 2 (γ −1) Γ ⎜ ⎜ γ + 1⎟ i MFP( M i = 1) = =i ⎟ Ri ⎝ i ⎠ Ri (γ i +1) ⎛ 2 ⎞ 2 (γ i −1) vôùi Γi ≡ γ i ⎜ ⎜ γ +1⎟ ⎟ ⎝i ⎠ Caùc quaù trình laøm thay ñoåi traïng thaùi cuûa doøng khí Xeùt doøng oån ñònh moät chieàu, söï thay ñoåi ñaëc tính cuûa doøng khí gaây ra bôûi caùc nguyeân nhaân: • Söï thay ñoåi tieát dieän • Quaù trình thu-caáp nhieät • Taùc duïng cuûa ma saùt Doøng chæ chòu söï thay ñoåi cuûa tieát dieän (doøng ñaúng entropy) thì nhieät ñoä, aùp suaát, soá Mach thay ñoåi theo tieát dieän doøng khí, trong khi ñoù nhieät ñoä toaøn phaàn, aùp suaát toaøn phaàn khoâng thay ñoåi. Vaán ñeà ñaùp öùng cuûa oáng khí ñoäng ñoái vôùi söï thay ñoåi ñieàu kieän moâi tröôøng caàn ñöôïc xem xeùt vì ñieàu kieän khí thoaùt thieát keá trong caùc cheá ñoä hoaït ñoäng khaùc nhau khoâng phaûi luùc naøo cuõng töông thích vôùi ñieàu kieän moâi tröôøng. OÁng xaû cuûa ñoäng cô phaûn löïc laø moät daïng oáng khí ñoäng caàn ñöôïc xem xeùt ñaëc bieät ôû khía caïnh naøy bôûi vì phaïm vi hoaït ñoäng cuûa maùy bay thay ñoåi raát roäng. Moät oáng khí ñoäng ñöôïc thieát keá vôùi ñieàu kieän döøng nhaát ñònh (Pt, Tt) giaõn nôû ñeán moät aùp suaát nhaát ñònh caân baèng vôùi aùp suaát moâi tröôøng. Goïi aùp suaát taïi maët thoaùt laø Pe, aùp suaát moâi tröôøng laø Pa, xeùt ñaùp öùng cuûa oáng khí ñoäng khi thay ñoåi aùp suaát moâi tröôøng so vôùi ñieàu kieän thieát keá.
Chöông 3: Côû Sôû Lyù Thuyeát Tính Toaùn Nhieät Ñoäng Löïc Hoïc Ñoäng Cô Turbofan Hình 3.2: Ñaùp öùng cuûa oáng khí ñoäng hoäi tuï – phaân kì vôùi moâi tröôøng OÁng hoäi tuï-phaân kyø: soá Mach thieát keá taïi maët thoaùt M > 1, löu löôïng doøng khí qua oáng laø toái ña - Tröôøng hôïp Pa < Pe (underexpanded) thì doøng beân trong cuûa oáng hoäi tuï- phaân kì khoâng coù gì thay ñoåi. Doøng khí thoaùt ra ngoaøi vôùi aùp suaát Pe taïi maët thoaùt vaø aùp suaát khí thoaùt seõ caân baèng vôùi aùp suaát moâi tröôøng ôû vuøng haäu löu. - Tröôøng hôïp Pa = Pe (design expansion) thì doøng beân trong cuûa oáng hoäi tuï- phaân kì seõ daõn nôû ñeán aùp suaát Pe = Pa nhö thieát keá vaø khoâng coù baát kì moät xaùo ñoäng naøo xaûy ra. - Tröôøng hôïp Pa > Pe (overexpanded): xaûy ra söï baát lieân tuïc cuûa doøng khí ngay sau maët thoaùt cuûa oáng. Söï chuyeån ñoåi töø aùp suaát khí thoaùt Pe thaáp taïi maët thoaùt leân aùp suaát moâi tröôøng cao hôn buoäc phaûi traûi qua moät heä thoáng soùng shock. Neáu cheânh leäch giöõa Pe vaø Pa khoâng lôùn thì soùng shock laø oblique shock, neáu cheânh leäch lôùn hôn thì soùng shock laø soùng oblique- normal shock keát hôïp.
Chöông 3: Côû Sôû Lyù Thuyeát Tính Toaùn Nhieät Ñoäng Löïc Hoïc Ñoäng Cô Turbofan - Neáu cheânh leäch aùp suaát lôùn hôn ñeán moät giaù trò naøo ñoù thì soùng oblique- normal shock seõ dòch chuyeån laïi taïi maët thoaùt thaønh nomal shock (normal shock at exit). - Neáu nhö cheânh leäch naøy tieáp tuïc taêng leân nöõa thì seõ laøm dòch chuyeån normal shock vaøo beân trong oáng (normal shock inside). Baát thuaän nghòch naøy xaûy ra trong oáng, doøng khí sau normal shock laø döôùi aâm, aùp suaát döøng bò giaûm ñi. - Neáu nhö tieáp tuïc taêng Pa ñeán moät giaù trò nhaát ñònh thì normal shock seõ dòch chuyeån daàn vaøo trong ñeán vò trí coå oáng khí ñoäng vaø maát ñi, doøng khí ñaït vaän toác aâm thanh taïi coå vaø döôùi aâm ôû caùc choã khaùc. - Neáu tieáp tuïc taêng Pa nöõa thì doøng khí khoâng coøn ñaït vaän toác aâm thanh taïi coå vaø löu löôïng doøng khí seõ giaûm xuoáng. OÁng hoäi tuï: ñöôïc thieát keá ñaït soá M = 1 taïi coå, aùp suaát taïi coå caân baèng vôùi aùp suaát moâi tröôøng, löu löôïng doøng khí qua oáng laø toái ña - Tröôøng hôïp Pa < Pe thì doøng beân trong cuûa oáng khoâng coù gì thay ñoåi. Doøng khí thoaùt ra ngoaøi vôùi aùp suaát Pe taïi maët thoaùt vaø aùp suaát khí thoaùt seõ caân baèng vôùi aùp suaát moâi tröôøng ôû vuøng haäu löu. - Tröôøng hôïp Pa = Pe thì doøng beân trong cuûa oáng hoäi tuï-phaân kì seõ daõn nôû ñeán aùp suaát Pe = Pa nhö thieát keá vaø khoâng coù baát kì moät xaùo ñoäng naøo xaûy ra. - Tröôøng hôïp aùp suaát moâi tröôøng lôùn hôn aùp suaát khí thoaùt cuûa ñieàu kieän soá Mach = 1 taïi coå thì ñieàu kieän vaän toác ñaït vaän toác aâm thanh taïi coå khoâng coøn nöõa, khí ñoù löu löôïng doøng khí bò giaûm xuoáng, oáng chæ ñôn thuaàn laø moät oáng hoäi tuï, aùp suaát taïi coå caân baèng vôùi aùp suaát moâi tröôøng. Khi caáp hay thu nhieät, tuøy vaøo ñieàu kieän soá Mach ñaàu vaøo maø xaùc ñònh chieàu höôùng thay ñoåi. Doøng khí coù soá Mach ñaàu vaøo < 1, neáu caáp nhieät quaù trình taêng entropy dieãn ra, soá Mach seõ taêng leân, aùp suaát giaûm, nhieät ñoä taêng, aùp suaát toaøn phaàn giaûm moät ít. Coøn aûnh höôûng cuûa ma saùt thì phuï thuoäc vaøo chieàu daøi ñoaïn
Chöông 3: Côû Sôû Lyù Thuyeát Tính Toaùn Nhieät Ñoäng Löïc Hoïc Ñoäng Cô Turbofan chuyeån ñoäng, luoân laøm gia taêng entropy cuûa doøng khí, aùp suaát döøng cuûa doøng khí seõ bò giaûm. Trong thöïc teá, söï thay ñoåi ñaëc tính cuûa doøng khí khoâng ñôn thuaàn do moät maø do nhieàu nguyeân nhaân gaây ra. Tuy nhieân, tuøy töøng tröôøng hôïp maø chuùng ta xaùc ñònh nguyeân nhaân naøo ñoùng vai troø chuû yeáu, nguyeân nhaân naøo aûnh höôûng khoâng ñaùng keå maø coù öôùc ñoaùn vaø tính toaùn cho phuø hôïp. Ñieàu naøy raát coù yù nghóa trong vieäc xem xeùt söï thay ñoåi ñaëc tính cuûa doøng khí qua ñoäng cô. 3.2. Phaân tích chu trình nhieät ñoäng löïc hoïc cuûa ñoäng cô turbofan Phaân tích chu trình nhieät cuûa ñoäng cô laø nghieân cöùu nhöõng thay ñoåi nhieät ñoäng löïc hoïc cuûa doøng khí qua töøng boä phaän cuûa ñoäng cô, töø ñoù xaùc ñònh ñöôïc caùc thoâng soá ñaëc tính cuûa ñoäng cô. Khi thieát keá ñoäng cô, ngöôøi ta thöôøng thieát keá ôû ñieàu kieän nhaát ñònh (design point or reference point condition), thoâng thöôøng ñoù laø cheá ñoä hoaït ñoäng oån ñònh nhaát cuûa ñoäng cô. Tuy nhieân, trong quaù trình hoaït ñoäng, khoâng phaûi luùc naøo ñoäng cô cuõng hoaït ñoäng ôû cheá ñoä thieát keá. ÔÛ caùc cheá ñoä hoaït ñoäng khaùc (off-design condition), ñaùp öùng cuûa ñoäng cô phaûi ñöôïc tính toaùn laïi. 3.2.1. Phaân tích chu trình daïng thoâng soá Phaân tích chu trình daïng thoâng soá (parametric cycle analysis) laø coâng vieäc mang tính thieát keá: ñoäng cô laøm vieäc ôû moät cheá ñoä xaùc ñònh (cao ñoä bay, toác ñoä bay, möùc coâng suaát – tay ga), vôùi moät maùy neùn coù tyû soá neùn xaùc ñònh, ñaëc tính cuûa turbine phuø hôïp vôùi ñaëc tính cuûa maùy neùn ñeå cho tyû soá neùn ñoù, vaø keát quaû laø taïo ra moät löïc ñaåy xaùc ñònh.
Chöông 3: Côû Sôû Lyù Thuyeát Tính Toaùn Nhieät Ñoäng Löïc Hoïc Ñoäng Cô Turbofan Hình 3.3: Moâ hình ñoäng cô turbofan Pt13 T t13 Pt19 T t19 T t0 Pt2 T t2 P19 Pt0 T 19 P0 T0 s Hình 3.4: Bieåu ñoà nhieät ñoä – entropy cuûa doøng khí qua fan
Chöông 3: Côû Sôû Lyù Thuyeát Tính Toaùn Nhieät Ñoäng Löïc Hoïc Ñoäng Cô Turbofan T Pt4 Pt3 T t4 Pt4.5 T t3 T t4.5 Pt5 Pt9 T t5 T t9 P9 Pt2.5 T t2.5 T9 T t0 Pt2 T t2 Pt0 P0 T0 s Hình 3.5: Bieåu ñoà nhieät ñoä – entropy cuûa doøng khí qua core Phöông phaùp chung ñeå phaân tích chu trình moät ñoäng cô phaûn löïc laø kieåm soaùt söï hay ñoåi ñaëc tính cuûa doøng khí qua töøng boä phaän ñoäng cô, hai thoâng soá cô baûn phaûn aùnh ñaëc tính doøng khí laø nhieät ñoä toaøn phaàn vaø aùp suaát toaøn phaàn. a. Kyù hieäu vaø giaû thieát Kyù hieäu m F : löu löôïng khoái löôïng cuûa doøng khí ñi vaøo phaàn fan & mC : löu löôïng khoái löôïng cuûa doøng khí ñi vaøo phaàn core & & mF Tyû soá bypass: α ≡ & mC Löu löôïng khí trích ra töø maùy neùn thaáp aùp laø ε 1 mC & Löu löôïng khí trích ra töø maùy neùn cao aùp laø ε 2 mC & & mf Tyû soá giöõa löu löôïng nhieân lieäu vaø löu löôïng doøng khí qua core: f ≡ & mC Doøng töï do:
Chöông 3: Côû Sôû Lyù Thuyeát Tính Toaùn Nhieät Ñoäng Löïc Hoïc Ñoäng Cô Turbofan γ /( γ −1) γ −1 2 ⎛ γ −1 2 ⎞ T P M 0 , π r = t 0 = ⎜1 + τ r = t0 = 1 + M0 ⎟ 2 2 P0 ⎝ ⎠ T0 Tyû soá enthalpy giöõa cöûa thoaùt buoàng ñoát vaø moâi tröôøng: (C p Tt ) burner −exit c pt Tt 4 ht ,burner −exit τλ = = = (C p T ) 0 h0 c pc T0 τ a laø tyû soá nhieät ñoä döøng giöõa sau vaø tröôùc boä phaän a π a laø tyû soá aùp suaát döøng giöõa sau vaø tröôùc boä phaän a Diffuser/Inlet/Intake Tt 2 Pt 2 τd = πd = Tt 0 Pt 0 Fan P T π f = t13 τ f = t13 Pt 2 Tt 2 Low-pressure compressor T Pt 2.5 τ cL = t 2.5 π cL = Tt 2 Pt 2 High-pressure compressor T P τ cH = t 3 π f = t3 Tt 2.5 Pt 2.5 Burner T P τ b = t4 π b = t4 Tt 3 Pt 3 High-pressure turbine T P τ tH = t 4.5 π tH = t 4.5 Tt 4 Pt 4 Low-pressure turbine T P τ tL = t 5 π tL = t 5 Tt 4.5 Pt 4.5 Core exhaust nozzle T P τ n = t9 π n = t9 Tt 5 Pt 5 Fan exhaust nozzle T P τ fn = t19 π fn = t19 Tt13 Pt13 Caùc giaû thieát Tính chaát cuûa doøng khí qua ñoäng cô Nhieät dung rieâng vaø tyû soá nhieät dung rieâng cuûa khí thay ñoåi theo nhieät ñoä vaø tyû leä nhieân lieäu trong hoãn hôïp nhieân lieäu-khoâng khí. Söï thay ñoåi nhieät ñoä cuûa doøng khí qua buoàng ñoát cuûa ñoäng cô laø lôùn nhaát. Ñeå ñôn giaûn trong tính toaùn ta xem söï thay ñoåi nhieät dung rieâng cuûa doøng khí ñöôïc xaáp xæ baèng giaû thieát doøng khí laø lyù