Xác định đặc tính máy nén dọc trục của động cơ tua bin phản lực không khí

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH MÁY NÉN DỌC TRỤC<br /> CỦA ĐỘNG CƠ TUA BIN PHẢN LỰC KHÔNG KHÍ<br /> Nguyễn Khánh Chính1*, Bùi Văn Thưởng2, Phạm Vũ Uy2<br /> Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một số kết quả nghiên cứu sử dụng phần mềm<br /> ANSYS CFX để xác định đặc tính máy nén dọc trục dựa trên các số liệu kích thước<br /> hình học đo được trên một động cơ thực. Các kết quả thu được cho thấy, trong điều<br /> kiện phương tiện thực nghiệm còn rất hạn chế, việc ứng dụng tích cực công cụ này<br /> là một biện pháp hiệu quả, tin cậy để nghiên cứu các đối tượng phức tạp như động<br /> cơ tua bin phản lực.<br /> Từ khóa: Máy nén dọc trục, Đường dòng qua máy nén, Mô phỏng CFD.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Nhiệm vụ khai thác động cơ hành trình của tên lửa KH-35E đã kết thúc. Kết quả chính<br /> của nhiệm vụ là đã tìm hiểu được kết cấu, nguyên lý hoạt động của động cơ tua bin phản<br /> lực không khí R95 và các hệ thống của nó. Với máy nén của động cơ, hiện đã biết được<br /> phối trí kết cấu và đo được các thông số về hình dạng, kích thước, số lượng các lá cánh<br /> trong từng tầng nén; đã biết được ngoài chức năng chính là cung cấp không khí vào buồng<br /> đốt, máy nén của động cơ còn đảm bảo các chức năng của nguồn khí nén cấp cho hoạt<br /> động của các bộ phận khác trên tên lửa (tương ứng với đó là các yêu cầu đối với không khí<br /> nén, tốc độ quay máy nén...) và một số nét đặc thù của nó như mức phân luồng không khí<br /> (m) sau máy nén thấp áp, cách xả không khí giữa các luồng để đảm bảo sự hoạt động ổn<br /> định [4].<br /> Nhằm phát huy và tiếp tục khai thác các kết quả có được, để hiểu biết sâu hơn về đặc<br /> điểm hoạt động, các thông số hoạt động của động cơ này, cần phải tiến hành thử nghiệm<br /> hay tìm ra các phương pháp nghiên cứu thích hợp để tiếp tục khai thác chúng. Với thực tế<br /> hiện nay là hầu như không có thiết bị thử nghiệm và hơn nữa với đặc điểm của loại động<br /> cơ có thời gian hoạt động ngắn, sử dụng một lần thì khả năng tháo lắp, thử nghiệm nó lại<br /> càng hạn chế. Trong điều kiện như vậy, cần tận dụng khả năng của các công cụ số (các<br /> phần mềm chuyên dụng đã có) để tìm cách ứng dụng "thử nghiệm số" đối với nó. Trong<br /> bài báo này sẽ trình bày một vài kết quả bước đầu trong việc sử dụng ANSYS TURBO<br /> vào việc nghiên cứu máy nén của động cơ R95.<br /> Cũng cần lưu ý rằng, máy nén của động cơ tuabin hành trình R95 là một thiết bị phức<br /> tạp, những thông số đo đạc được có thể chưa đạt độ chính xác cao và việc nghiên cứu ứng<br /> dụng mô đun phần mềm ANSYS TURBO ở nước ta còn mới mẻ, kinh nghiệm sử dụng<br /> còn hết sức khiêm tốn.<br /> 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br /> 2.1. Sơ lược về máy nén của động cơ<br /> Máy nén của động cơ R95 là dạng hướng trục, một rôto và có tám tầng nén. Máy nén<br /> được chia thành hai phần rõ rệt: hai tầng nén đầu tạo ra cấp máy nén thấp áp (MNTA - còn<br /> gọi là quạt gió), qua phần vỏ trung gian, không khí được phân chia thành hai luồng, luồng<br /> bao ngoài (luồng II) thổi thẳng tới phần thiết bị ra phía sau, luồng trong (luồng I) được đẩy<br /> vào máy nén cáo áp (MNCA) gồm sáu tầng dọc trục, cùng một vòng các lá dẫn dòng trên<br /> cửa vào. Việc phân luồng sau MNTA chỉ đơn giản nhờ vành phân chia cố định, đúc sẵn<br /> trong vỏ trung gian. Để đảm bảo hoạt động ổn định của máy nén trong các chế độ hoạt<br /> động thấp (khi động cơ chưa đạt tới tốc độ quay hoạt động chính), trên vành ngoài vòng lá<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 3<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> tĩnh của tầng nén đầu MNCA có một hàng lỗ thông dòng chảy giữa hai luồng không khí (I<br /> và II).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mặt cắt dọc của máy nén động cơ R95.<br /> 1- Các lá quay của MNTA; 2- Các lá tĩnh dẫn dòng MNTA;3- Vỏ trung gian của<br /> máy nén; 4- Các lá tĩnh dẫn dòng vào MNCA; 5- Lỗ xả không khí từ luồng trong<br /> ra luồng ngoài; 6- Các lá quay của MNCA, 7- Các lá tĩnh chỉnh dòng MNCA;<br /> I – Luồng trong; II – Luồng ngoài.<br /> 2.2. Xây dựng mô hình tính trong ANSYS<br /> Việc mô phỏng máy nén đã được thực hiện theo các bước như sau:<br /> 1. Tập hợp, sắp xếp các thông số hình học chính (đo được) đã có của máy nén động cơ<br /> (kết quả thực hiện nhiệm vụ khai thác) với các chú ý quan trọng sau:<br /> - Độ vặn của các lá máy nén đo trên 3 đường kính chính (trong, ngoài và trung bình)<br /> của mỗi lá.<br /> - Giữ đúng số lượng các lá quay và lá chỉnh dòng của mỗi tầng nén, cũng như của vòng<br /> dẫn dòng vào máy nén cao áp.<br /> Mô hình máy nén được nhập vào môi trường ANSYS như trên hình 2: trong đó thấy rõ<br /> việc sắp xếp các lá máy nén của hai tầng nén đầu (MNTA) và các lá của 6 tầng nén sau<br /> (MNCA).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mô hình máy nén nhập vào môi trường ANSYS.<br /> Với kinh nghiệm và khả năng có hạn, việc xây dựng mô hình thông qua môđun<br /> BladeGen của ANSYS thực sự rất khó để áp dụng cho một đối tượng nghiên cứu phức tạp<br /> <br /> <br /> 4 N.K.Chính, B.V.Thưởng, P.V.Uy, “Xác dịnh đặc tính… phản lực không khí.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> này (việc dựng mô phỏng bằng ANSYS cho máy nén 15 tầng đã đươc đánh giá là thành<br /> tựu lớn ngay cả với hãng nghiên cứu hàng đầu[1]); Để khắc phục khó khăn này, giải pháp<br /> là sử dụng phần mềm vẽ cơ khí Inventor, phỏng theo cách cắt hình của BladeGen để nối<br /> ghép các khối hình của các phần tử (elements) kết cấu máy nén; rồi nhập vào ANSYS, sử<br /> dụng chia lưới tự động.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mô hình một phần chia của máy nén để mô phỏng trong ANSYS.<br /> Để theo dõi trạng thái hoạt động phối hợp giữa hai phần máy nén, trong mô hình mô<br /> phỏng có bao gồm cả các lỗ thông khí giữa các luồng (hình 3).<br /> 2. Với những giả thiết đơn giản, luận chứng rõ ràng, xây dựng và giải bài toán xác định<br /> sơ bộ các tham số nhiệt động lực học của toàn bộ động cơ [2]; để đặt sơ bộ điều kiện biên<br /> cho việc mô phỏng, khoảng các giá trị cần khảo sát là:<br /> - Tốc độ quay của rôto: 26000÷ 36000 v/phút;<br /> - Lưu lượng không khí đi qua máy nén (thấp áp) 5÷8,5 kg/s<br /> - Áp suất trên cửa ra từ MNTA: