Cơ sở lý thuyết tạo dáng lá cánh và ứng dụng công cụ mô phỏng trong tính toán thiết kế máy nén dọc trục

Giới thiệu cơ sở lý thuyết cho việc xây dựng thuật toán tạo dáng lá cánh và những kết quả bước đầu ứng dụng công cụ mô phỏng thay thế thực nghiệm trong nghiên cứu tạo hình dạng lá máy nén dọc trục. Kết quả mô phỏng được so sánh và cho thấy có sự trùng hợp tốt với kết quả tính toán sơ bộ độc lập đồng thời chỉ ra sự cần thiết của vành lá dẫn dòng đặt trước bánh công tác của mô hình nghiên cứu, chứng tỏ tính tin cậy và hiệu quả của phương pháp sử dụng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cơ sở lý thuyết tạo dáng lá cánh và ứng dụng công cụ mô phỏng trong tính toán thiết kế máy nén dọc trục Cơ học & Điều khiển thiết bị bay CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO DÁNG LÁ CÁNH VÀ ỨNG DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY NÉN DỌC TRỤC Nguyễn Khánh Chính1*, Phạm Thiện Hân1, Phạm Vũ Uy2 Tóm tắt: Giới thiệu cơ sở lý thuyết cho việc xây dựng thuật toán tạo dáng lá cánh và những kết quả bước đầu ứng dụng công cụ mô phỏng thay thế thực nghiệm trong nghiên cứu tạo hình dạng lá máy nén dọc trục. Kết quả mô phỏng được so sánh và cho thấy có sự trùng hợp tốt với kết quả tính toán sơ bộ độc lập đồng thời chỉ ra sự cần thiết của vành lá dẫn dòng đặt trước bánh công tác của mô hình nghiên cứu, chứng tỏ tính tin cậy và hiệu quả của phương pháp sử dụng. Từ khóa: Động cơ tua bin phản lực, Máy nén, Tạo dạng lá, Mô phỏng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Động cơ tuabin khí là thiết bị phức tạp. Để đi đến cấu hình cuối cùng, từng bộ phận của động cơ đã trải qua các bước thiết kế, chế tạo, thử nghiệm, hiệu chỉnh phức tạp và tốn kém. Trong động cơ tua bin, các bộ phận quay (máy nén, tua bin...) là những bộ phận quan trọng, và hình dạng lá cánh của chúng có ảnh hưởng quyết định đến khả năng làm việc, hiệu suất của mỗi bộ phận cũng như toàn bộ động cơ. Trong thiết kế, chế tạo máy nén dọc trục của động cơ, thiết kế tạo hình lá cánh là một bài toán thiết kế cơ bản. Ngoài cơ sở lý thuyết, thiết kế tạo hình lá cánh cần phải sử dụng một loạt các hệ số, bảng số liệu, đồ thị, công thức có từ thực nghiệm. Sau thiết kế, chế tạo cần phải thử nghiệm, hiệu chỉnh nhiều lần để đạt được yêu cầu thiết kế. Mặt khác qua sử dụng, do phải chịu ảnh hưởng tương tác của môi trường mà hình dạng ban đầu của lá cánh máy nén không còn được như ban đầu (do mài mòn, biến dạng, va đập...) làm cho khả năng hoạt động của chúng suy giảm dần. Việc thiết kế mới hay kiểm tra, đánh giá khả năng hoạt động của các bộ phận động cơ theo thời gian khai thác đòi hỏi phải tiếp tục đầu tư nghiên cứu. Trong điều kiện thử nghiệm thực tế thiếu thốn như ở nước ta vấn đề này hầu như còn bỏ ngỏ. Với sự phát triển mạnh của phương pháp thủy động lực học tính toán (CFD), hiện nay trên thế giới đã có các công cụ mô phỏng số (Ansys CFX, Hyperwork, Nastran...) trợ giúp nghiên cứu, rút ngắn cả về thời gian và giảm thiểu các chi phí, thậm chí có thể từng phần thay thế thử nghiệm thực. Việc ứng dụng các công cụ số này vào nghiên cứu các vấn đề trong lĩnh vực thiết kế máy nén dọc trục của động cơ TBK nói trên sẽ có tính khả thi, mở ra khả năng nghiên cứu những lĩnh vực mà tới nay chúng ta chưa có điều kiện thực hiện. Bài báo trình bày một số kết quả ứng dụng các công cụ mô phỏng số vào việc nghiên cứu một vấn đề cơ bản: là tạo hình dạng lá trong thiết kế máy nén dọc trục. 2. NỘI DUNG Trong động cơ tua bin khí, máy nén có chức năng hút và nén không khí tới áp suất đã định đề cung cấp vào buồng đốt. Trong máy nén, công cơ học được cung 290 N.K. Chính, P.T. Hân, P.V. Uy, “Cơ sở lý thuyết tạo dáng lá … máy nén dọc trục.” Nghiên cứu khoa học công nghệ cấp vào không khí được thực hiện trên các vành lá bánh công tác, động năng và áp năng của dòng không khí tăng lên qua mỗi tầng máy nén. Việc truyền năng lượng cho dòng không khí thông qua sự tương tác khí động giữa lá cánh và dòng không khí lưu thông qua nó. Chính vì vậy mà hình dạng lá cánh máy nén có vai trò quyết định hiệu quả hoạt động của nó. Hình dạng lá cánh được xác định bởi các yếu tố hình dạng gồm chiều dài lá cánh (xác định từ các kích thước đường kính trong và ngoài của phần chảy, khe hở đầu lá), profil lá cánh, độ vặn lá cánh (góc đặt profil lá cánh tạo thành các góc vào, ra của dòng khí β1, β2 khác nhau tại các bán kính khác nhau), độ vuốt nhọn lá cánh (dây cung profil thay đổi tại các bán kính khác nhau, nhỏ dần từ gốc đến đỉnh lá cánh). Có nhiều công trình nghiên cứu về việc thiết kế hình dạng lá; hiện đã có những quy trình hướng dẫn cách thiết lập hình dạng các lá. Chúng được thực hiện dựa trên các tính toán lý thuyết và kết quả thực nghiệm (dưới dạng rất nhiều số liệu khuyến cáo bảng biểu, đồ thị...). Có thể được khái quát các quy trình này theo các bước sau [2, 3, 4]: Bước 1. Xây dựng tam giác tốc độ của dòng khí chảy qua các khe lá tại độ cao trung bình của lá với các thông số ban đầu: - Lưu lượng dòng không khí đi qua cấp nén Qkk; - Công nén mà các lá rôto phải truyền vào dòng không khí Lk; - Các tham số của dòng khí khi đi vào cấp nén; - Mức phân tải (mức phản lực) của cấp nén. c - Tốc độ tuyệt đối của không khí ; u- Tốc độ dài trên bán kính r của lá bánh công tác; w- tốc độ tương đối của dòng không khí chảy trong khe lá bánh công tác so với lá cánh; chỉ số 1 - trên tiết diện vào bánh công tác; 2 - trên tiết diện ra khỏi bánh công tác (đi vào vành các lá dẫn dòng); 3- ra khỏi vành lá dẫn dòng (vào tầng nén tiếp sau); A – Bánh công tác; B – Vành lá dẫn dòng. Hình 1. Dòng chảy qua các profil lá của một tầng nén và tam giác tốc độ tại các tiết diện. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 291  Cơ học & Điều khiển thiết bị bay Dựa trên các số liệu khuyến cáo bảng biểu, đồ thị bổ trợ [2, 3, 4] sẽ xác định được các véc tơ tốc độ của dòng không khí tại cửa vào và cửa ra khỏi vành các lá bánh công tác trên bán kính trung bình của nó để xây dựng tam giác tốc độ của dòng khí (hình 2). Hình dạng tam giác tốc độ trên một bán kính của lá máy nén sẽ hoàn toàn xác định khi biết 5 đại lượng bất kỳ không phụ thuộc vào nhau, ví dụ u, c1a, c2a, c1u và c2u. u - thành phần tốc độ tiếp tuyến;a- thành phần tốc độ dọc trục Hình 2. Chồng tam giá ...