Tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp

Bài báo đưa ra cơ sở toán học và ứng dụng phần mềm Ansys - Fluent để tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp dạng hướng trục. Mô hình nghiên cứu được tham khảo của cụm tua bin - máy nén tăng áp khí xả VTR160 được trang bị trên các động cơ diesel SULZER 3AL25/30.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp Usage of CFD to study the dynamics of exhaust flow through turbocharger Lê Văn Điểm1, Vũ Văn Duy1, Nguyễn Chí Công1, Nguyễn Văn Thịnh2 1 Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, diemlv.mtb@vimaru.edu.vn 2 Đoàn 871, Tổng cục Chính trị, Bộ Quốc phòng Tóm tắt Bài báo đưa ra cơ sở toán học và ứng dụng phần mềm Ansys - Fluent để tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp dạng hướng trục. Mô hình nghiên cứu được tham khảo của cụm tua bin - máy nén tăng áp khí xả VTR160 được trang bị trên các động cơ diesel SULZER 3AL25/30. Từ khóa: Tua bin tăng áp khí xả, phần mềm Ansys-Fluent, động lực học dòng khí xả. Abstract This paper establishes the mathematical model with application of CFD to solve the dynamics of exhaust flow through an axial turbine. The model was built based on VTR160 turbocharger equipped on auxiliary diesel engine SULZER 3AL25/30. Keywords: Turbo charger, Ansys-Fluent soltware, dynamics of exhaust flow. 1. Giới thiệu Công nghệ thay đổi biên dạng hình học cánh tuabin khí xả tăng áp (Variable Geometry Turbocharger - VGT) đã được nghiên cứu và áp dụng trong những năm gần đây. Việc thay đổi biên dạng hình học cho phép thay đổi chế độ chảy của dòng khí xả qua tuabin, qua đó thay đổi các thông số làm việc của tổ hợp tăng áp phù hợp với các chế độ tải khác nhau của động cơ. Đối với các động cơ diesel tàu thủy, công nghệ này hầu như chưa được áp dụng. Trên các động cơ tàu thủy cũ, chất lượng công tác của động cơ và hệ thống tăng áp suy giảm dẫn đến tình trạng “khói đen”. Một trong những giải pháp khắc phục tình trạng trên là cải thiện chế độ công tác của tuabin tăng áp. Nhưng thay đổi thông số nào của cụm tua bin này cho phù hợp? Để trả lời câu hỏi này, nhóm tác giả đưa ra giải pháp ứng dụng phương pháp số để tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp. Từ đó đánh giá hiệu quả chuyển đổi năng lượng của dòng khí xả thành công suất trên trục tua bin, đưa ra cơ sở khoa học và tính toán mô phỏng yếu tố chính làm giảm hiệu quả chuyển đổi này. Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả đưa ra qui trình nghiên cứu nói chung và triển khai bước đầu cho bài toán nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc đặt cánh hướng dòng vào tua bin tới hiệu quả chuyển đổi năng lượng khí xả. 2. Mô hình nghiên cứu và cơ sở toán học 2.1. Mô hình nghiên cứu Mô hình nghiên cứu là tổ hợp tuabin khí xả tăng áp cho động cơ diesel. Hình 1 là ảnh chụp cụm rô to và vành ống phun (cánh hướng) của tuabin tăng áp VTR160 tại phòng thí nghiệm Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Hình 1. Hình dạng thật roto và vành cánh hướng tua bin khí xả HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 169 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Phần tua bin ở đây có dạng hướng trục, bao gồm phần dẫn dòng từ miệng khí xả, qua cánh hướng và đi vào cánh tua bin. Để thuận tiện cho việc tính toán mô phỏng ta có thể mô hình hóa như sau: Cánh tua bin Cánh hướng Đầu ra - Khí xả Đầu vào - công suất trên trục - năng lượng khí xả Hình 2. Mô hình nghiên cứu Ở đây, đầu vào là năng lượng khí xả, thể hiện qua các thông số như nhiệt độ, vận tốc, áp suất; đầu ra là mô men và số vòng quay trên trục. 2.2. Cơ sở toán học - Về thủy khí động lực học: đây là bài toán máy cánh dẫn hướng trục với lưu chất dạng nén được (hình 3). Vì vậy, sự tương tác và trao đổi năng lượng của dòng khí xả thành công suất trên trục tua bin sẽ tuân thủ theo các phương trình chủ đạo như sau [2,3]: I=1 I=2 I=0 Vi U αi vi ui βi viR stato roto o ViR Hình 3. Tam giác tốc độ tạo 3 mặt cắt Phương trình Euler cho dòng khí qua tua bin: U 2 u1  u2  (1) c p T2  T1    tan  2  tan 1  g U  u1  Trong đó: U = ω.r là vận tốc theo; V là vận tốc tổng hợp; VR: là vận tốc tương đối; v1=V1.sinα1; v2=V2sinα2; u1=V1.cosα1; u2=V2.cosα2; v1R=V1R.sinβ1; v2R=V2R.sinβ2; T là nhiệt độ; cp là hệ số áp suất,… Tính toán lưu lượng khí xả động cơ SULZER 3AL25/30. - Số xy lanh :3 - Đường kính xy lanh : 250 mm - Hành trình piston : 300 mm - Thể tích xy lanh : 14726 cm3 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 ...