Thạc Sĩ Nghiên cứu xác định các tham số nhiệt động lực học của động cơ tua bin phản lực trên cơ sở các kích

ii



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





iii



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


iv



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 v



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 (H b =0, M b =0) 112
4.3.2. Xác định các tham số nhiệt động lực học theo M b (H b =0) 114 vi



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





















vii



DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Ý nghĩa
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
ĐTT Điểm tính toán
KCB Khí cụ bay
KHKT Khoa học kỹ thuật
KH&CN Khoa học và công nghệ
MBKNL (UAV) Máy bay không người lái
MNCA Máy nén cao áp
MNTA Máy nén thấp áp
TBB Thiết bị bay
KCB Khí cụ bay
TBĐL Thiết bị động lực
TBPL Tua bin phản lực
TBPLHD Tua bin phản lực hai dòng
Chỉ số dưới Ý nghĩa
knd, kta Máy nén thấp áp
kvd, kca Máy nén cao áp
vent Quạt nén
vca, rca Vào cao áp, ra cao áp
tb Tua bin
lp Loa phụt
viii



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu Ý nghĩa
p Áp suất
T Nhiệt độ
P Lực đẩy

Mật độ
n Số vòng quay
q Mật độ dòng
G Lưu lượng
oxl
g Hệ số xả khí đi điều khiển và làm mát ổ bi
t
g Hệ số cấp nhiên liệu
m Mức phân dòng
i Entanpi
S Entropi

Tỷ số nén, tỷ số giãn nở

Hệ số bảo toàn áp suất toàn phần
p
c Nhiệt dung riêng đẳng áp
N Công suất

Hiệu suất
F Diện tích
u Tốc độ vòng
,
a
c c Tốc độ và tốc độ dọc trục
v
m Hệ số lưu lượng chất khí

Hệ số tốc độ dòng
      , , q
Các hàm khí động
Q Nhiệt lượng ix



Hu Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
b
H Độ cao bay
b
M Số M bay (tốc độ bay)
L Công
X Tham số tua bin
 Góc giữa tốc độ vòng và tốc độ tuyệt đối
 Góc giữa tốc độ vòng và tốc độ tương đối

Khối lượng riêng
 Trọng lượng riêng

















x



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 M b (H b = 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 M b (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


xi



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/c 1 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 M b . 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 xii



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 vI ca vent v vent
f G n f G n
 
  . . 85
Hình 3.25. Đặc tính máy nén * *
( , ) , ( , )
k vIqc ca vent vqc vent
f G n f G n
 
  . . 85
Hình 3.26. Đặc tính máy nén * *
( , ) , ( , )
k vI ca vent v vent
f G n f G n
 
  . 86
Hình 3.27. Đặc tính máy nén * *
( , ) , ( , )
k vIqc ca vent vqc vent
f G n f G n
 
  . 86
Hình 3.28. Đặc tính máy nén * *
( , ), ( , )
k qc vI qc ca vent qc vqc vent
T f G n T f G n     . 87
Hình 3.29. Đặc tính tua bin   *
,
tb tb tb
f G n

 . 89
Hình 3.30. Đặc tính tua bin   *
,
tb tbqc tb
f G n

 . . 90 xiii



Hình 3.31. Đặc tính tua bin   * *
,
tb tb tb
f n
 
 . 90
Hình 3.32. Đặc tính tua bin   * *
,
tbqc tb tb
T f n

  . . 91
Hình 3.33. Đặc tính tua bin   *
,
tbqc tbqc tb
T f G n   . 91
Hình 3.34. Đặc tính miệng phun   *
c mpqc
f G

 . . 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
Hình 4.3. Đường hoạt động cân bằng trên đặc tính
 
 
*
*
, ,
,
k vqc
vent vqc
f G n
f G n


 


 
. . 111
Hình 4.4. Đường hoạt động cân bằng trên đặc tính
 
 
*
*
, ,
,
k vqc
vent vqc
f G n
f G n


 


 
. 111
Hình 4.5. Đường hoạt động cân bằng trên đặc tính
 
 
*
*
, ,
,
kqc vqc
vent qc vqc
T f G n
T f G n
 


  
112
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 M b (H b = 0) 115
Hình 4.8. Biến đổi các hiệu suất theo số M b (H b = 0) 115




1



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.


2



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. 3



- 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.